铌酸锂芯片上的第一个集成激光器

在所有最新的集成铌酸锂光子电路的进展中——从频率梳到频率转换器和调制器——仍然有一个重要的组件阻碍着集成：激光器。

长途电信网络、数据中心光互连和微波光子系统都依赖激光来生成用于数据传输的光载波。在大多数情况下，激光器是调制器外部的独立器件，这使得整个系统更加昂贵，稳定性和可扩展性更低。

现在，来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员与Freedom Photonics和HyperLight公司的行业伙伴合作，已经开发出他们认为是第一款完全集成在LiNbO₃芯片上的高功率激光器，为高功率电信系统、全集成光谱仪、光学遥感和量子网络的高效频率转换等应用铺平了道路。

“集成的LiNbO₃光子学是开发高性能芯片级光学系统的一个很有前景的平台，但事实证明，将激光组装到LiNbO₃芯片上是最大的设计挑战之一，” SEAS 电气工程和应用物理学Tiantsai Lin教授，即该研究的资深学者Marko Loncar说，“在这项研究中，我们使用了从前在开发集成LiNbO₃光子学中学到的所有纳米加工技巧和技术来克服这些挑战，并实现了在薄膜LiNbO₃平台上集成高功率激光器的目标。”

该研究发表在《光学》杂志上。

Loncar和他的团队在他们的集成芯片中使用了小而强的分布式反馈激光器。在芯片上，激光器位于蚀刻在LiNbO₃上的小井或沟槽中，并在同一平台上制造的波导中提供高达60毫瓦的光功率。研究人员将激光与LiNbO₃中的 50 GHz电光调制器相结合，构建了一个高功率发射器。

“集成高性能即插即用激光器将显著降低未来通信系统的成本、复杂性和功耗，”该研究的第一作者、SEAS的研究生Amirhassan Shams-Ansari说，“这是一个可以集成到更大的光学系统中的构件，可用于传感、激光雷达和数据通信等一系列应用。”

通过使用工业工艺将薄膜LiNbO₃器件与高功率激光器相结合，这项研究向大规模、低成本和高性能发射器阵列和光学网络迈出了关键一步。接下来，该团队的目标是提高激光器的功率和可扩展性，以适应更多的应用。

哈佛大学技术开发办公室已经保护了Loncar实验室在LiNbO₃系统方面的创新所产生的知识产权。Loncar是HyperLight公司的联合创始人，该公司是一家初创公司，旨在将基于其实验室开发的某些创新的集成光子芯片商业化。

该研究的共同作者是SEAS的Dylan Renaud、Rebecca Cheng、Linbo Shao、Di Zhu和Mengjie Yu，Freedom Photonics的 Hannah R. Grant、Leif Johansson以及HyperLight Corporation 的Lingyan He和Mian Zhang。该项目得到了美国国防部高级研究计划署的HR0011-20-C-0137拨款和空军科学研究办公室的FA9550-19-1-0376拨款的支持。