摘要：集成可调谐激光器是相干通信、波长路由光互连、光谱学和调频连续波激光雷达的核心，但芯片级光源很少能同时兼顾宽波长覆盖范围、纳秒级切换速度、高光谱纯度和稳定的高功率运行。在此，我们展示了一种频率捷变混合外腔激光器，其利用了薄膜锆钛酸铅（PZT）中的Pockels效应。PZT强大的线性电光响应提供了紧凑型微环谐振器的直接非热调谐，波长调谐效率为17 pm/V。与传统的各向异性Pockels材料相比，薄膜PZT的近各向同性面内电光行为放宽了晶轴布局限制，允许在紧凑型环形腔中实现高效的Vernier波长选择。PZT谐振器在运行过程中也未显示出可测量的光折变共振畸变和可分辨的直流偏置漂移，保持了稳定的波长选择反馈。所展示的激光器实现了82 nm的调谐范围、5 mW的光纤耦合输出功率、超过56.7 dB的边模抑制比（SMSR）和5.5 ns的波长切换时间。这些结果确立了薄膜PZT光子学作为一种用于紧凑、高功率和频率捷变集成激光源的强大电光平台。468寸PLZTOI薄膜晶圆--180pm/V电光系数高SOI晶圆：--220nm薄膜/ 3um厚膜-3umSIO2-675um，1万欧双高阻做探测器和量子器件GEOI晶圆--做探测器和中远红外波导，SMARTCUT工艺InGaPOI晶圆：2阶和3阶非线性器件--mbeALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺--紫外波导器件
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可调谐激光器是广泛光子系统的关键光源，包括光通信[1,2]、数据中心互连[3,4]、光谱学[5,6]和调频连续波激光雷达[7-10]。随着这些系统向更高带宽、更低延迟和更大功能可重构性发展，激光光源不再仅仅需要提供窄线宽载波。它还必须能够访问宽波长范围，在波长通道之间快速切换，保持稳定的单模运行，并为系统级应用提供足够的光功率。这些要求对于频率捷变光子系统尤为重要，例如波长路由光互连[11,12]、光分组交换[13,14]、波长控制激光雷达[7,15]和快速多通道光谱探测[16,17]，在这些系统中，缓慢的热波长扫描是不够的，而对选定波长的纳秒级随机访问是非常理想的。随着光子集成电路的蓬勃发展，集成外腔激光器（ECL）通过将III-V增益部分与可重构波长选择外腔相结合，已成为一种强大的替代方案[18-28]。这种架构将光学增益与光谱控制解耦，从而实现了增强的相干性、扩展的可调谐性和更大的设计灵活性。因此，芯片级集成可调谐激光器不仅对于提高系统性能至关重要，而且对于在大规模光子平台中实现实际的可扩展性和可制造性也至关重要。然而，以集成的芯片级形式实现这种光源仍然具有挑战性，因为用于波长调谐的物理机制通常会对调谐范围、切换速度、腔体尺寸、光谱稳定性和输出功率施加相互冲突的限制。近年来，多个集成光子学平台的进展已生产出性能卓越的ECL。例如，硅和氮化硅平台[20-28]提供了高度可制造且低损耗的外腔。基于Si₃N₄的激光器已实现光纤激光器级别的相干性、亚10 Hz范围内的本征线宽[24]以及超过170 nm的波长调谐范围[25]。然而，这些低损耗Si和Si₃N₄ ECL中的波长重构通常通过热光调谐来实现，其响应受热扩散限制，因此发生在微秒时间尺度上。例如，先前报道的热调谐Si和Si₃N₄ ECL的波长切换时间分别约为15微秒和200微秒[26,27]。即使采用更快的应力光驱动，基于Si₃N₄的ECL的切换时间仍处于微秒量级[28]。因此，尽管硅基和Si₃N₄基ECL在可调谐性和低传播损耗方面表现出色，但它们不太适合真正的高速波长可重构操作。而电光平台如薄膜铌酸锂（TFLN）则能够实现真正快速的腔重构[29-32]。例如，在文献[29]中，一种混合Si₃N₄-TFLN激光器实现了40 nm的调谐范围以及12 nm范围内小于50 ns的切换速度。然而，在紧凑的TFLN谐振腔中实现大的电光波长漂移仍然很困难[33]。由于其适中的电光系数（r₃₃ ≈ 30 pm/V）[34]和强各向异性，TFLN需要仔细对准光偏振、外加电场和晶轴才能实现高效的电光调制。因此，TFLN上的谐振调谐器通常实现为跑道形腔，其中包含沿异常轴对准的长直波导段。由于电光系数有限，这些直段必须延长以积累足够的相移，导致谐振器周长非常大，从而增加了器件尺寸。例如，在文献[29]中，跑道形谐振器的自由光谱范围仅为约51 GHz，并被描述为具有细长电光调谐段的大周长谐振器，这增强了电光效率，但牺牲了FSR和光学损耗。除了这种几何权衡之外，LN谐振器在持续电操作下还可能遭受直流偏置漂移[35]。在高腔内功率下，光折变效应可能引起长寿命的折射率变化，导致共振漂移和线形畸变，使ECL中的波长选择反馈不稳定，并导致激光频率漂移、输出功率波动和有限的稳定输出功率范围[36,37]。因此，尽管TFLN在高速电光重构方面表现出色，但一个同时具有更强电光调谐效率和改善运行稳定性的紧凑平台仍然是非常需要的。最近，铁电薄膜锆钛酸铅（PZT）为集成可调谐激光器提供了一种有吸引力的替代方案。除了其大的电光响应[38]之外，薄膜PZT还表现出近各向同性的面内电光行为[39]，这放宽了腔布局限制，并且对于紧凑型谐振光子电路特别有利。与传统电光材料相比，PZT在光操作下对光折变效应的敏感性可忽略不计，从而支持更稳定的光谱行为。由于这些特性，PZT集成光子学已经实现了高性能调制器和其他具有优异效率和紧凑性的主动可重构器件[38,40-42]。这为直接利用PZT强电光响应进行快速高效腔重构的激光器架构留下了可能性。在此，我们介绍一种基于PZT的混合ECL，它解决了在紧凑谐振腔内同时实现宽波长可调谐性、高频率捷变性和稳定单模运行这一长期存在的难题。我们的器件基于双环架构，其中利用了薄膜PZT的强电光相互作用、极小的直流漂移和几乎可忽略的光折变响应，以及来自两个失谐微环谐振器（MRR）的高选择性波长反馈。实验上，该激光器实现了82 nm的调谐范围、5.5 ns的最短波长切换时间、10 kHz的线宽、5 mW的光纤耦合输出功率和超过56.7 dB的边模抑制比，且在运行过程中未观察到可观测的直流漂移。据我们所知，这是首次在PZT光子平台上实现的ECL，它确立了Vernier电光调谐ECL中报道的最宽调谐范围，以及电光调谐ECL中最快的波长切换速度之一。这些结果将PZT集成光子学定位为紧凑、频率捷变和光谱纯净的片上激光光源的有前景的基础。总之，这些结果确立了一种集宽波长可调谐性、高频率捷变性和稳定单模运行于一体的频率捷变混合ECL，突显了其在可重构光互连、精密光谱学和相干激光雷达系统中的潜力。图1. 混合PZT ECL的器件概念与结构设计。（a）混合ECL的示意图；（b）双环Vernier腔的工作原理；（c）用于电光调谐的具有横向Au电极的PZT波导横截面示意图；（d）制备的PZT脊形波导的电场图像；（e）PZT波导的仿真光模场分布；（f）RSOA输出波导的仿真光模场分布。如图1（a）所示，所提出的激光器由一个反射式半导体光放大器（RSOA）与一个PZT光子芯片混合集成组成，其中外腔包含一个移相器、一个定向耦合器和一对构成Vernier型波长选择反馈电路的MRR。这种架构将光学增益与波长控制解耦，允许每个功能独立优化，同时保持紧凑的尺寸和与可扩展光子集成的兼容性。波长选择反馈采用双环架构实现，如图1（b）所示。这种配置已被广泛采用于集成ECL中，以增强光谱选择性并通过Vernier效应实现扩展波长调谐。在该方案中，两个具有略微不同FSR的MRR耦合到公共总线波导上，激光发射仅发生在它们共振重叠的波长处，从而确保具有高光谱纯度的单模运行。薄膜PZT中强且近各向同性的面内电光行为允许使用紧凑的MRR几何结构，同时仍保持有效的电控制。电光调谐功能在PZT波导平台内实现，相应的器件结构如图1（c-e）所示。光模被约束在PZT层中形成的脊形波导内，而金属电极位于两侧以产生与导模重叠的横向电场。这种配置通过Pockels效应实现了高效的折射率调制，允许对腔共振进行直接电光控制。由于PZT中强的电光相互作用，电极长度可以保持相对较短，这对于保持紧凑的MRR几何结构和避免过度的光学损耗至关重要。图1（d）和（e）分别显示了1 V外部偏压产生的电场分布和TE₀模式的光场分布。RSOA波导中TE₀模式的光场分布如图1（f）所示。这些结构和制备特征共同为在外腔内实现快速稳定的电光调谐建立了一个紧凑且稳健的平台。为了合理设计激光器的波长选择反射器，我们首先分析了双环Vernier腔的光谱响应。两个MRR设计为半径分别为150 μm和152 μm，略有不同，使得它们的共振条件有意失谐，同时保持足够接近以产生强Vernier效应。仿真的透射光谱呈现出一个明显的包络，有效Vernier FSR为76 nm（补充材料第1节图S1），同时在滤波器层面的SMSR约为6 dB。这个放大的合成FSR远大于任一单个环的FSR，因此为ECL中的宽范围波长选择提供了光谱基础，而两个环共振的重叠确保了目标激光模式的优先反馈。图2. PZT谐振器平台的EO表征和PR效应。（a）单个PZT MRR谐振器中挥发性EO调制的示意图；（b）在不同外加电压下测得的PZT MRR谐振器的透射光谱；（c）在光照明下，被困在杂质能级的电子被激发到导带，触发PR效应；（d）在固定扫描速率为0.5 nm/s下，不同光功率下PZT环形谐振器的激光扫描透射光谱。功率从16 dBm变化到-20 dBm；（e）PZT谐振器在5V偏压下的长期共振稳定性，显示可忽略的直流漂移。为了在单谐振器层面评估PZT平台的EO调谐能力，我们首先表征了一个代表性的PZT MRR。MRR谐振器制备在300纳米厚的薄膜PZT层上。如图2（a）示意所示，该器件通过在PZT薄膜畴初始化后通过Pockels效应电学移动腔共振来工作。在本实验中，谐振器在EO操作之前首先被极化以建立稳定的铁电态。在移除极化电压后，PZT的极化被冻结。在EO操作期间不需要进一步施加直流极化偏压。在不同驱动电压下测得的透射光谱如图2（b）所示。随着偏压的变化，观察到清晰且连续的共振位移，证实了在紧凑MRR几何结构中高效EO调谐。从测得的谱移中，提取出EO调谐效率约为17.5 pm/V，这与先前报道的PZT谐振器件的强EO响应一致，并且明显高于通常在薄膜铌酸锂MRR调制器中获得的效率。进一步评估了PZT MRR谐振器的PR稳定性。图2（c）示意性地说明了PR过程，其中被困在缺陷或杂质能级的电子被光激发到导带，在材料中迁移，随后在可用的缺陷位点被重新捕获，从而形成空间电荷场，通过Pockels效应改变折射率。通过Pockels效应，该场改变折射率，并可在谐振器中引起共振漂移、线形畸变和功率不稳定性。这些效应已在TFLN微环中清晰观察到[36]，其中增加的光功率导致明显的共振变形和频移，并且在某些TFLN器件中光致折射率变化可持续超过10小时。相比之下，PZT MRR在测试功率范围内未显示可测量的PR效应。如图2（d）所示，随着输入功率的增加，共振波长、Q因子和光谱线形几乎保持不变，没有观察到可观测的共振漂移或畸变。在不同波长扫描速度下进行的额外测量以及相应的测试装置，见补充材料第2节的图S1、S2。这些结果揭示了薄膜PZT可忽略的PR敏感性，为后续ECL运行建立了一个稳定的谐振平台。除了调谐效率和PR效应之外，谐振器在持续偏压下的运行稳定性是ECL的一个关键考虑因素，ECL需要在连续运行期间具有明确定义的腔共振。在铌酸锂基谐振器件中，偏置漂移仍然是一个持续的挑战，并且通常需要连续重新校准或主动反馈。相比之下，PZT谐振器表现出可忽略的直流漂移。如图2（e）所示，在连续偏压下，在整个观测窗口内共振波长几乎保持不变，证实了高度稳定的EO运行。这种抑制漂移的行为对于集成ECL特别有利，因为它在实现快速共振调谐的同时保持了腔稳定性。相应的器件实现如图3（a）所示。无源腔在PZT平台上实现，并与L波段InP RSOA混合集成。RSOA的增透（AR）镀膜端面通过倾斜波导锥体与PZT PIC对接耦合，而RSOA的另一端面则镀有高反射（HR）膜，作为激光腔的后反射镜。这种混合配置将增益产生与电光波长选择分离，允许RSOA和PZT腔独立优化，同时保持紧凑且稳健的激光器架构。我们首先表征了RSOA在不同注入电流下的放大自发辐射（ASE），如图3（b）所示。随着电流从90 mA增加到210 mA，ASE强度稳步上升，同时在C+L波段保持宽光谱包络。该增益分布定义了混合ECL可用的光谱窗口，并为后续使用Vernier腔的波长选择实验提供了基础。为了在足够增益和稳定运行之间取得平衡，选择120 mA的注入电流用于后续波长调谐测量。如图3（a）所示，混合激光器在精密多轴对准平台上进行了评估，对有源和无源部分进行独立电控制。在测量期间，RSOA安装在热控支架上并在25°C下运行，使得增益条件在整个光谱和相干性表征过程中保持稳定。激光输出通过9:1光纤分束器路由，实现发射功率和光谱的同时读出。这种安排允许在腔调谐期间连续跟踪激光状态。在耦合条件优化后，该器件产生了约5 mW的最大光纤耦合输出功率。基于PZT的ECL相应的光-电流特性见补充材料第3节的图S1。考虑到制备的光纤耦合端面处约6 dB的耦合损耗（补充材料第3节图S2），实际激光输出功率估计约为20 mW。在注入电流固定为120 mA的情况下，我们随后通过电控制PZT腔研究了激光器的静态调谐行为。一个代表性的激光光谱如图（c）所示，其中SMSR超过56 dB，表明双环Vernier腔实现了强的单模区分。静态波长调谐结果总结于图3（d）。从短波长侧开始，首先通过对单个环施加电压来粗调激光波长，使双环Vernier重叠在增益窗口上移动，同时集成移相器被同时调节以补偿腔相位并保持模式对准。在本实验中，施加到PZT腔的调谐电压从0 V变化到30 V。通过联合控制两个环形谐振器和移相器，激光波长可以从1550 nm连续移动到1632 nm，对应于82 nm的总调谐范围。在整个调谐过程中，在整个光谱跨度内保持了单模激光发射，表明基于PZT的双环腔可以在紧凑的ECL架构中同时提供宽范围电光波长重构和强光谱选择性。通过监测持续电偏置下的激光波长，进一步评估了混合ECL的长期光谱稳定性。在该测量中，对其中一个PZT环持续施加5 V的恒定电压，并在1小时内记录激光光谱。值得注意的是，在整个测量窗口内未检测到可观测的波长漂移，如图3（e）所示。这一结果表明，PZT谐振器的抑制漂移行为在集成到完整激光腔后得以保持，即使在连续电操作下谐振条件也能保持稳定。这种稳定性对于电光调谐ECL尤为重要，因为即使微小的腔波动也可能扰动激光波长并在调谐或切换过程中影响重复性。图3. 混合PZT外腔激光器的静态表征。（a）RSOA及制备的混合器件在光学测试下的照片；（b）不同注入电流下测得的RSOA放大自发辐射光谱；（c）混合ECL的高分辨率激光光谱；（d）静态波长调谐期间的叠加激光光谱；（e）持续电偏置下的长期激光波长稳定性；（f）基于相位噪声测量的线宽表征实验装置；（g）用于提取激光线宽的实测相位噪声谱。激光相干性使用图3（f）所示的相位噪声测量链进行表征。在该装置中，激光输出的一小部分首先被分接用于实时功率监测，而剩余信号被导向线宽表征分支。然后光场被分成两路：一路通过20米光纤延迟线传播，而另一路通过声光调制器以引入频移。在合束和偏振调整之后，延迟拍频信号被检测并在电频谱分析仪（ESA）上进行分析。在这种配置中，瞬时激光频率的波动被转换为干涉仪输出相位的波动，由此可以获得激光相位噪声谱。该测量原理类似于常用于窄线宽混合激光器的延迟自外差相位噪声表征，其中首先测量延迟拍音的相位波动，然后转换为频率噪声信息。详细的测量原理和噪声转换过程见补充材料第4节。从图3（g）所示的测量光谱中，提取的白噪声基底为3.33 kHz，对应于10.46 kHz的激光线宽。这一结果证实了当前的混合PZT ECL在支持宽电光可调谐性和可忽略直流漂移的同时，保持了千赫兹级的光谱相干性。高速波长切换是可重构光系统的关键能力。在波长路由光交换和光分组交换网络中[11-13]，需要纳秒级访问不同波长通道以减少数据包丢失并提高网络吞吐量。这种操作也与数据中心光电路交换相关[2,14]，其中快速可调谐激光源可以支持动态波长分配和低延迟路径重构。在通信之外，快速波长跳变可以实现波长控制激光雷达[7,15]，其中不同的激光波长通过色散光子天线对应不同的发射角度，以及快速多通道光学传感器和光谱特征探测。因此，这里展示的纳秒级切换为波长路由互连、固态激光雷达和可重构传感系统的片上激光源提供了一条途径。利用PZT双环腔的强电光响应，我们接下来演示混合ECL的超快波长切换。两个目标激光模式分别位于1605.57 nm和1615.42 nm，对应于9.85 nm的波长间隔。在电驱动下，电光诱导的共振漂移改变了双环腔的Vernier重叠条件，从而迫使激光在这两个离散激光波长之间确定性地切换。图4. 混合PZT外腔激光器的超快波长切换。（a,b）调制频率为1 MHz和10 MHz时施加的方波电信号；（c,d）1 MHz和10 MHz下两个激光模式之间对应的时域光学切换迹线；（e）1 MHz下切换瞬态的放大视图，得出波长切换时间为14.5 ns和8.5 ns；（f）10 MHz下切换瞬态的放大视图，得出波长切换时间为8.9 ns和5.5 ns。在1 MHz和10 MHz下测得的电驱动波形分别如图4（a）和（b）所示，确认了封装的EO致动器能够维持高速方波操作。相应的光学切换迹线如图4（c）和（d）所示，在两个调制频率下都清晰地观察到两个激光状态之间可重复的跃迁。与1 MHz情况相比，10 MHz迹线表现出略微增加的畸变和残余波动，这归因于在更快触发下有限的腔建立动力学。尽管如此，切换仍然是稳健且良好分辨的，表明PZT ECL可以在多兆赫速率下保持确定性的波长重构。切换瞬态在图4（e）和（f）中进行量化。在此，波长切换时间定义为一个波长状态从90%下降沿到另一个波长状态90%上升沿的时间间隔，与先前集成电光激光器切换研究中采用的惯例一致。在1 MHz下，两个相反切换方向测得的切换时间分别为14.5 ns和8.5 ns。当调制频率增加到10 MHz时，切换仍然清晰可辨，跃迁时间分别为8.9 ns和5.5 ns。5.5 ns的最短波长切换时间表明，当前的PZT基混合ECL可以在紧凑双环架构中在接近10 nm的光谱间隔上支持纳秒级切换。这种性能直接得益于PZT腔的高效电光调谐以及紧凑的MRR几何结构，这使得Vernier选择的激光模式能够快速重构，而无需依赖缓慢的热光调谐。总体而言，这些结果表明，所提出的PZT ECL将宽光谱可调谐性与快速且可重复的电光波长切换相结合。所展示的9.85 nm波长跳变和5.5 ns最短切换时间确立了PZT双环平台作为频率捷变片上激光源的有前景路径，适用于需要宽光谱覆盖和高重构速度的应用。本文展示的结果表明，基于PZT的混合ECL能够统一一系列在紧凑型波长捷变光源中难以同时实现的激光性能指标。如表I总结，先前报道的芯片级波长切换激光器通常需要在调谐范围、切换速度和边模抑制之间进行权衡。单片III-V族可调谐激光器可以达到纳秒级切换，但其有源半导体腔通常提供有限的腔设计灵活性，并且在波长调谐过程中容易受到增益-折射率耦合、功率波动和模式竞争的影响。硅和Si₃N₄外腔激光器提供了优异的相干性和宽静态可调谐性，但其波长重构通常受限于缓慢的热光或应力光驱动。基于LN的电光激光器提供了一条快速腔调谐的途径，但紧凑型谐振实现仍然受到适中电光系数、各向异性电极布局、长跑道调谐段、直流偏置漂移和高腔内功率下光折变扰动的限制。相比之下，本文展示的PZT ECL结合了82 nm调谐范围、5.5 ns最短波长切换时间、56.7 dB的SMSR、10 kHz线宽和可忽略的直流漂移，从而为紧凑型电光调谐集成激光器定义了一个独特的性能区间。这种性能得益于薄膜PZT的材料特性及其与紧凑型谐振波长选择腔的兼容性。PZT的强电光响应和近各向同性面内电光行为允许高效的共振控制，而无需长的直调谐段，从而减少了其他电光平台中通常遇到的尺寸代价。其近各向同性的面内电光行为进一步放宽了由晶轴对准施加的腔布局限制，允许在紧凑型微环几何结构中直接实现电光调谐功能。与Vernier增强波长选择相结合，这种高效的共振调谐被转换为宽的可访问光谱窗口，同时保持强的单模区分。同样重要的是，在谐振器层面和完整激光器层面观察到的可忽略直流漂移确保了在持续电操作下腔状态的可重复性。在测试的光功率范围内没有可测量的光折变共振畸变，进一步支持了稳定的波长选择反馈，这对于实用的高速波长切换激光器至关重要。总之，我们已经展示了一种基于薄膜PZT光子学的混合ECL，在集成光源中实现了宽波长调谐、纳秒级频率捷变性、高边模抑制和稳定的单模运行。据我们所知，这是首次在PZT光子平台上实现的ECL，也是双环电光调谐ECL中报道的最宽调谐范围，同时还是芯片级电光调谐激光器中最快的波长切换速度之一。除了本文展示的具体器件外，本工作确立了薄膜PZT作为一种用于频率捷变集成光源的强大电光光子平台，其中强Pockels调谐和高频率捷变性可以相结合，用于可重构光互连、精密光谱学和相干激光雷达系统。文章名：Ultrafast and long-term stability Integrated Pockels laser with thin-film PZT作者：Yueyang Zhang1+, Chenlei Li1+, Tao Shu1, Wei Chen1, Cunyu Shi1, Feng Qiu3, and Daoxin Dai1,2*1.State Key Laboratory for Extreme Photonics and Instrumentation, Zhejiang Key Laboratory of Optoelectronic Information Technology, College of Optical Science and Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, Zhejiang University, Zijingang Campus, Hangzhou 310058, China; 2.China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 3.Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou 310024, Zhejiang Province, China; 
