作為(wei) 激光雷達、分布式傳(chuan) 感及量子信息處理的核心組件，該器件在保持低噪聲特性的同時實現了快速無跳模頻率調諧。通過創新性設計的外部分布式布拉格反射器（E-DBR）架構——即低成本反射式半導體(ti) 光放大器（RSOA）與(yu) 晶圓級電光驅動DBR光柵的混合集成——器件關(guan) 鍵性能指標顯著超越現有方案：無跳模調諧範圍突破10 GHz，調諧效率高達550 MHz·V⁻¹，調諧速率達艾赫茲(zi) 每秒量級，並具備15 mW光纖耦合輸出功率。實驗驗證表明，該激光器在調頻連續波（FMCW）激光雷達應用中可實現100 ms內(nei) 20,000個(ge) 體(ti) 素采集與(yu) 4 cm距離分辨率；在氰化氫光譜檢測中精準匹配吸收特征。經商用蝶形封裝後，器件在2.5小時內(nei) 自由運行頻率漂移低於(yu) 25 MHz，展現出卓越的環境穩定性。

圖 1 | 混合集成泡克爾斯擴展DBR激光器的概念設計。

a, 混合集成 E-DBR 激光器的示意圖。TFLN：薄膜铌酸鋰。插圖為(wei) ：InP RSOA 與(yu) PIC 之間的對接耦合界麵的詳細顯微照片（左）；布拉格光柵和調諧電極（中）；用於(yu) 輸出耦合的雙層錐形結構和透鏡光纖（右）。
b, 掃描電子顯微照片，顯示經過蝕刻步驟定義(yi) 波導和布拉格光柵柱後的 LiNbO₃ E-DBR PIC 的一個(ge) 截麵。
c, LiNbO₃ 光子芯片垂直截麵的掃描電子顯微照片，顯示了嵌入式金電極和二氧化矽（SiO₂）頂部包層。
d, 模擬的 LiNbO₃ E-DBR PIC 的歸一化布拉格反射（線）和布拉格反射峰的半高全寬（FWHM）帶寬（色標條），作為(wei) 光柵柱尺寸和位置（間隙）的函數。紅星表示所報道的泡克爾斯 E-DBR 激光器的光柵設計。
e, 單片 X 切 LiNbO₃ 和 SiO₂ 包層中光學和射頻電場分布的有限元法模擬。射頻電場被歸一化，使兩(liang) 個(ge) 電極之間的電壓為(wei) 1 V。
f, 在施加 0 V 和 19 V 電壓時模擬的布拉格光柵反射峰調諧情況，描繪出大於(yu) 0.5 GHz V⁻¹ 的調諧效率。

薄膜铌酸鋰（LiNbO₃）集成光子學憑借強泡克爾斯效應實現的快速、低損耗折射率調製，推動了高性能光子集成電路的發展。盡管基於(yu) 自注入鎖定铌酸鋰微腔的激光器已實現太赫茲(zi) 每秒級調諧速率，但其固有局限導致無跳模調諧範圍被壓縮至2 GHz以下，輸出功率限於(yu) 毫瓦級，難以滿足高分辨率大氣氣體(ti) 傳(chuan) 感與(yu) 相幹激光測距等應用對＞10 GHz調諧範圍的需求。

圖 2 | E-DBR 泡克爾斯激光器的調諧特性表征。

a, DBR PIC 布拉格反射中心頻率的電壓調諧，調諧效率為(wei) 550 MHz/V。
b, 帶有金電極的铌酸鋰（LiNbO₃）光子芯片（編號 D148_01_F2_C3）的照片，該芯片包含 7.25 毫米長的 DBR。
c, 表征泡克爾斯 E-DBR 激光器電光調諧帶寬的測量裝置圖。S₂₁ 調諧響應通過矢量網絡分析儀(yi) （VNA）進行表征：將激光輸出饋入集成馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) （iMZI），並在快速光電二極管上檢測輸出光強。調整調諧範圍和延遲線長度，以利用 MZI 傳(chuan) 遞函數的線性部分（如插圖所示），將頻率調製轉換為(wei) 光電二極管上的幅度調製。LUT：被測激光器；BPD：平衡光電探測器。
d, E-DBR 泡克爾斯激光器的電光 S₂₁ 調諧響應。該調諧響應是通過從(cong) VNA 測得的 S₂₁（灰色曲線）中除去 MZI 傳(chuan) 遞函數的影響後得到的。3 dB 帶寬由水平虛線標出，突顯了激光器在高達約 200 MHz 頻率範圍內(nei) 的平坦驅動響應。

針對這一挑戰，本研究提出基於(yu) 晶圓級薄膜铌酸鋰平台的新型外部分布式布拉格波導光柵反射器（E-DBR）架構。該設計采用高背反射率RSOA作為(wei) 增益介質，通過低反射率傾(qing) 角前腔麵將激光模式耦合至E-DBR光子芯片（構成諧振腔第二反射鏡），在保證性能的同時顯著降低係統複雜度。

圖 3 | 泡克爾斯 E-DBR 激光器的工作特性。

a. 用於(yu) 表征激光器功率、頻率噪聲和調諧特性的實驗裝置示意圖。設置激光器電流以實現單模工作，並通過任意函數發生器 (AFG) 調製激光頻率。激光頻率噪聲的測量方法：在平衡光電探測器 (BPD) 上測量其與(yu) 一個(ge) 經體(ti) 腔 (bulk cavity) 穩頻和濾波後的外腔二極管激光器 (ECDL) 的外差拍頻信號，該信號由電頻譜分析儀(yi) (ESA) 記錄和分析。激光調諧特性的表征方法：通過一個(ge) 10 米長的集成馬赫-曾德爾幹涉儀(yi) (iMZI) 測量零差拍頻信號，並使用數字示波器 (OSC) 記錄。CW ref.：腔穩連續波參考激光器。
b. 安裝在耦合台上的铌酸鋰 (LiNbO₃) DBR PIC 照片，包括對接耦合的 RSOA、輸出透鏡光纖以及用於(yu) 在電極間施加電場的探針。
c. E-DBR 激光器輸出功率隨 RSOA 驅動電流的變化關(guan) 係。激光器工作點選擇在曲線的局部最小值處，以最大化無跳模 (mode-hop free) 的激光調諧範圍。
d. 铌酸鋰 (LN) E-DBR 激光器的單邊帶激光頻率噪聲功率譜密度 Sf(f)。虛線表示：用於(yu) 計算積分線寬的 β 線（綠色）、熱載流子折射率噪聲（紅色）和自發輻射噪聲（灰色）。70 kHz 處的頻率噪聲峰值源於(yu) 懸空 PIC 的機械模態。
e. E-DBR 激光器的光譜，在 0.02 nm 分辨率帶寬下，邊模抑製比 (SMSR) 約為(wei) 63 dB。
f. 混合激光器調諧範圍、速度和線性度的表征。使用頻率在 10 kHz（左）和 1 MHz（右）之間的三角波調製 E-DBR 激光器。非線性度通過將理想三角波形擬合到由 iMZI 輸出的希爾伯特變換 (Hilbert transform) 得到的調諧曲線來確定。
g. 由 AFG 施加到電極上的電壓波形，形似 EPFL 標誌。
h. 時頻譜圖，顯示以 EPFL 標誌形式演變的激光頻率，調諧速率達到 3 PHz s⁻¹。
i. 泡克爾斯 E-DBR 激光器在不同調製速度（即施加到電極上的三角波電壓斜坡的重複頻率）下的調諧效率。垂直柱狀條表示在電極上施加每 1 V 三角波斜坡電壓時激光器調諧的非線性度。

圖 4 | FMCW激光雷達的概念驗證演示。

a, 基於(yu) FMCW激光雷達的相幹光學測距實驗裝置示意圖，並附有目標場景的照片：兩(liang) 個(ge) Thorlabs立柱基座（直徑分別為(wei) 1毫米和2.5毫米）以及後麵的一堵平牆。DSO：數字采樣示波器；FPC：光纖偏振控製器；BOA：後置光放大器；CIRC：環形器；COLL：準直器。
b, 來自目標的信號時頻譜圖，顯示了來自準直器、光纖連接器和環形器的反射峰，以及來自目標場景的反射峰。
c, 顯示三個(ge) 目標物體(ti) 計算距離值分布的直方圖；報告了每個(ge) 目標的平均距離值及其標準差 (s.d.)。
d, e, 從(cong) 不同視角測量的目標場景點雲(yun) 圖，使用光束掃描圖案獲得，其垂直 (d) 和水平 (e) 三角掃描頻率分別為(wei) 1 kHz和10 Hz。

本研究成功開發出泡克爾斯可調諧混合集成激光器，通過晶圓級絕緣體(ti) 上铌酸鋰平台集成低成本RSOA與(yu) 電光DBR光柵。創新性铌酸鋰柱狀光柵設計規避了亞(ya) 250納米製造工藝瓶頸，其基於(yu) 泡克爾斯效應的強頻率調製特性可充當超快可調反射鏡。器件核心性能包括：＞10 GHz無跳模調諧範圍、1 MHz調製速度、1%殘餘(yu) 非線性、15 mW光纖耦合輸出功率，以及2.8 kHz本征線寬（對應800 Hz²/Hz頻率噪聲）。

在概念驗證中，FMCW激光雷達應用以4 cm分辨率實現100 ms內(nei) 20,000個(ge) 體(ti) 素場景重建；氰化氫光譜檢測結果與(yu) HITRAN數據庫高度吻合。該激光器以550 MHz·V⁻¹超高調諧效率（達應力光調諧方案的100倍）、晶圓級製造兼容性及單電流/電壓控製模式，確立了性能與(yu) 成本效益的雙重優(you) 勢。未來可依托铌酸鋰材料的中紅外透明窗口拓展工作波段，為(wei) 高精度傳(chuan) 感與(yu) 量子技術提供革新性光源解決(jue) 方案