#钽酸锂光波导 #集成激光器#DBR激光器
摘要
可调谐低噪声激光器是现代计量学中所采用的关键组件。光子集成电路技术的进步为紧凑型集成激光器提供了一种新平台，使其兼具大输出功率、频率捷变调谐以及窄线宽。例如，铌酸锂扩展分布式布拉格反射（extended-DBR）激光器能够产生数 十 mW 量级的输出功率、GHz 级调谐范围以及数百 MHz 的调谐速率。然而，其他集成激光器设计中可实现的噪声水平仍难以企及。在此，我们通过在钽酸锂（lithium tantalate）中实现扩展 DBR 激光器来应对这一挑战，从而实现了低至 24 Hz 的固有线宽、10 mW 的输出功率，并具备与铌酸锂相当的调谐特性。该扩展 DBR 激光器采用现代封装方案进行组装，以提高其鲁棒性，并展示出长期稳定性——在 19 小时内自由运行频率漂移处于 232 MHz 范围内。这些优势，结合马酸锂适合大规模制造的特性，有望显著扩展对新一代宽可调谐且低噪声集成激光器的可及性。
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文章名：Sub-kHz linewidth integrated extended-DBR Pockels lasers using lithium tantalate
作者：Hugo Larocque,1,∗ Zhuoya Yuan,1,∗ Zihan Li,1 Giovanni Scarioni,1 Annika Schoels,1 Jiale Sun,1 Anat Siddharth,2 Xin Ou,3 Simone Bianconi,1,† and Tobias J. Kippenberg1,4,‡
单位：1Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
2Deeplight SA, St-Sulpice CH-1025, Switzerland
3State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
4Institute of Electrical and Micro engineering, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland
∗ These authors contributed equally.
Ⅰ 引言
窄线宽、频率捷变激光器是若干已确立及新兴系统的关键，例如用于光探测与测距（LiDAR）[1]、分布式光纤传感 [2] 以及微波光子学 [3] 的系统。集成光子激光器能够在紧凑的占地面积上提供前所未有的窄线宽与高速可调谐性的独特组合 [4]，从而成为许多此类新兴技术的关键使能因素 [5]。在可用的集成激光器架构中，扩展分布式布拉格反射（e-DBR）激光器以其数十 mW 量级的输出功率和宽调谐范围而独树一帜 [6–9]。将此类器件实现在基于具有强普克尔斯效应 [10, 11] 材料的集成平台上，使其能够受益于高效的 GHz 速率电光调制，而不会经历额外的光学损耗。例如，在薄膜铌酸锂中制造的 e-DBR 激光器可产生超过 10 GHz 的调谐范围和接近 200 MHz 的调谐速率，从而使其在实现 LiDAR 中厘米级分辨率以及足以用于实用光谱学的调谐范围方面发挥重要作用 [12, 13]。然而，制造具有足够低噪声的此类普克尔斯 e-DBR 激光器仍然是一个悬而未决的挑战。
将此类激光器实现在替代性普克尔斯材料中，可能为进一步降低其噪声提供一条路径。例如，钽酸锂集成光子器件通常具有有利于某些实际任务（如光调制 [14]）的光稳定性水平，作为适合大规模制造的材料具有相当大的前景 [11]，同时由于其更大的带隙 [15–17] 还展现出与可见光光子学的兼容性。在此，我们探索薄膜钽酸锂作为集成 e-DBR 激光器的平台。通过晶圆级制造以及对所制造器件的详尽测试，我们展示了固有线宽低至 24 Hz 的集成激光器。该值显著低于铌酸锂器件目前在不牺牲调谐效率或带宽的情况下所能达到的水平。
Ⅱ 结果
图 1. 钽酸锂分布式布拉格反射器。a，钽酸锂 e-DBR 混合激光器的示意图。该器件由与钽酸锂 PIC 对接耦合的反射式半导体光放大器以及收集激光发射的透镜光纤组成。插图：输入和输出波导在其相应端面处的模式分布。虚线表示耦合到波导的模式（具体为混合激光器 RSOA 和透镜光纤的近场模式）的半最大强度轮廓；未包覆钽酸锂布拉格反射器的扫描电子显微照片，该反射器依赖于柱状光栅结构。b，在光栅制造的主要钽酸锂图案化步骤之后，经处理的 4 英寸晶圆（晶圆 ID：D010191）的厚度图。该图具体由在晶圆各处平坦区域采集的 39 次光学反射计测量值经插值计算得到的数据组成。c，a 中所示光栅的伪彩色截面扫描电子显微照片。d，由光栅反射的光学模式的模拟分布。e，周期范围为 870 nm 至 900 nm 的柱状光栅的反射光谱。该器件具有 1.3 µm 的标称波导宽度、375 nm 的柱直径以及 500 nm 的柱到波导间隙。插图：900 nm 周期 DBR 反射光谱的主瓣。图例：RSOA：反射式半导体光放大器，e-DBR：扩展分布式布拉格反射器。
图 1a 给出了混合激光器中钽酸锂 PIC 的示意图。其主要特征在于一个充当激光器 DBR 的柱状光栅。电极允许通过普克尔斯效应来调谐其反射光谱。在 PIC 端面处位于光栅两端的波导具有渐变轮廓，从而能够与混合架构的其他光子组件实现模式匹配。该集成激光器的制造始于一片 4 英寸 X 切钽酸锂绝缘体晶圆。该晶圆承载着一层 300 nm 厚的钽酸锂薄膜，该薄膜采用基于氢的离子剥离技术制备 [11, 18]，并键合在具有 4.7 µm 埋氧层的硅衬底上。在深紫外光刻之后，采用氩离子物理刻蚀将薄膜图案化至约 100 nm。起始薄膜的均匀性以及制造工艺的均匀性都会在这些标称厚度附近引入偏差。为考虑这些偏差，图 1b 给出了钽酸锂薄膜在制造中所使用的九个 DUV 步进机视场内完成图案化之后的晶圆厚度分布图。每个视场都包含一份本工作所用 PIC 的复制品。制造最后以采用电感耦合等离子体化学气相沉积沉积二氧化硅包层并进行金属化而告终 [10]。
如图 1a 的扫描电子显微照片（SEM）插图所示，所制造的钽酸锂光栅具有标称 1.3 µm 宽的波导，其两侧排列着直径为 375 nm 的柱。这些结构参数定义了本工作中所探究的所有光栅。该显微照片中所示的光栅具体具有 600 nm 的柱到波导间隙，这一点在图 1c 所提供的光栅截面 SEM 中更易于观察到。作为参考，图 1d 给出了光栅中相应的导模分布，突出表明其柱对在光栅中传播的光学模式产生极小扰动。这一设计特征针对低耦合 DBR 结构，确保获得适合激射的窄线宽反射光谱，但代价是反射率较低 [19]。尽管如此，这些光栅谐振清晰地出现在图 1e 所示的光栅反射光谱中。所考虑的五种光栅周期具有大致跨越 50 nm 的反射峰，从而突显了该平台能够制造适合在多种波长下激射的器件。如虚线所示，这些谐振遵循预期的线性关系 λ₀ = 2n_eff Λ，其中 n_eff 为导模的有效折射率，Λ 为光栅周期。
图 2. 钽酸锂扩展 DBR 集成激光器的光谱特征。a，钽酸锂扩展 DBR 激光器的代表性频率噪声谱，该激光器由具有 1.3 µm 标称波导宽度、375 nm 柱直径、600 nm 柱到波导间隙以及 892.5 nm 周期的光栅组成（视场 5，芯片 7，波导 4.03）。插图：钽酸锂扩展 DBR 激光器的发射光谱。该光谱具有 0.02 nm 的分辨率。b，固有线宽以及 c，积分 beta 线宽的统计分析，针对在一组于各种条件下工作的器件上的扩展 DBR 激光器。此处所示的 beta 线宽测量具有 1 ms 的积分时间。器件的柱到波导间距决定了所绘制数据的颜色编码。上排：绘制由特定线宽所定义的激射状态出现次数的直方图。下排：散点图，显示来自直方图的实例以及对应的光纤耦合输出功率或集成激光器的固有线宽。虚线表示输出功率相对于固有线宽倒数的线性拟合。d，固有线宽以及 e，beta 线宽数据（如 b、c 所示），其着色基于钽酸锂 PIC 在其制造过程中是否经历了额外的退火步骤。f，固有线宽以及 g，beta 线宽数据（如 b、c 所示），其着色基于如图 1d 所定义的器件视场编号。图例：SMSR：边模抑制比。
在 Fig. 1 所示钽酸锂 DBR 的制造方法和光谱特征的基础上，我们进一步证明其适用于激射。如 Fig. 1a 所示，我们依赖一种混合配置，其中反射式半导体光放大器（RSOA，Thorlabs SAF1126c）与 DBR 对接耦合，并用透镜光纤收集所得 e-DBR 激光器的输出 [8, 9, 12, 13]。为对混合激光器的发射进行线宽测量，我们采用延迟自外差方法，该方法依赖维纳滤波器模型来恢复激光器的频率噪声谱 [20, 21]。Fig. 2a 以一条代表性噪声谱例示了该过程的结果。该特定器件由 500 nm 的柱到波导间隙所定义，其固有线宽和积分（β）线宽分别为 117 Hz 和 3.5 kHz。Fig. 2a 中的插图进一步提供了该激光器相应的发射光谱，其输出功率为 5.7 mW，边模抑制比为 50 dB。为更好地量化各种器件参数和实验参数如何影响 underlying 激光器的线宽，我们在 Fig. 2b,c 中提供了线宽测量的详尽记录。这些测量考虑了从光栅设计中柱到波导间距到用于泵浦和改变 RSOA 增益特性的电流值等因素。它们还考虑了 Fig. 1b 所示钽酸锂晶圆上制造的同一器件设计的多个复制品，从而纳入了可能与工艺漂移和制造偏差相关的、影响器件性能的潜在效应。Fig. 2b 和 Fig. 2c 的固有线宽和 β 线宽直方图表明，这两个变量的 underlying 分布分别峰值位于 530 Hz 和 12 kHz 附近，其中一个数据点显示我们的平台可以达到低至 24 Hz 和 1.9 kHz 的值。我们所考虑的柱到波导间隙值并未显著影响所得激光器的 underlying 线宽分布。为说明其他实验参数对激光线宽的潜在影响，我们还将固有线宽直方图中考虑的各个点相对于其对应激光器的输出功率进行绘制。排除归因于产生噪声激光器的步进机视场上样品的数据点后，我们观察到激光器的输出功率与其测得的固有线宽成反比 [22]。
来自图 1b 所示某些 DUV 步进机视场的 PIC 在其制造之后经历了额外的 2 小时 500°C 退火处理步骤。为将测得的线宽与这一因素相关联，图 2d、e 提供了图 2b、c 的一个版本，其根据数据点是否对应于经退火的样品来为其着色。同样，图 2f、g 根据样品的步进机视场来为数据着色。
将 e-DBR 激光器实现在钽酸锂中，还带来了由该材料普克尔斯效应所实现的超快发射波长调谐的前景。为验证这一能力，我们为 e-DBR PIC 配备能够在光栅两端施加电场的电极，并采用图 3a 所描绘的装置。如图 1a 所示，2.5 µm 的间隙将电极与光栅标称波导的边缘分隔开。该结构的取向确保电场指向晶体的非常轴，从而将钽酸锂最大的普克尔斯张量分量 r₃₃ = 30.5 pm/V 设定为主要调谐贡献因素。图 3b、c 给出了在电极两端施加 1 V 电压所产生的调谐电场的俯视图和截面图。所绘制的分量对应于与钽酸锂薄膜非常轴对齐的分量。
图 3. 钽酸锂扩展 DBR 集成激光器的调谐特征。a，用于测量钽酸锂 e-DBR 激光器中所实现波长调谐的实验装置。任意函数发生器对激光器进行调谐，激光器将其发射送入具有 10 m 长延迟光纤的马赫-曾德尔干涉仪。随后示波器读出从平衡光电探测器收集的信号以进行数据采集。b，用于调谐 e-DBR 激光器发射的、施加在 e-DBR 激光器单胞两端的电场的俯视图，以及 c，截面图。d，在以 100 Hz、10 kHz 和 1 MHz 驱动频率向钽酸锂光栅施加 5 Vpp 三角波时，集成激光器光谱中测得的光频移。该激光器的光栅具有 1.3 µm 标称波导宽度、375 nm 柱直径、500 nm 柱到波导间隙以及 900 nm 周期。所绘制的误差信号 ∆ν 对应于测得数据与以黑线绘制的理想三角波之间的差值。e，在施加振幅范围为 0.25 至 5 Vpp、频率为 10 Hz 至 1 MHz 的三角驱动信号时，集成激光器的最大调谐范围。该激光器的光栅具有与 a 中所示相同的参数。f，针对 b 中所示数据，测得频移与理想三角波之间偏差的均方根。g，对于具有 500 nm、550 nm 和 600 nm 柱到波导间隙的激光器，各种激射状态的平均调谐效率。其余参数包括 1.3 µm 标称波导宽度、375 nm 柱直径，以及 892.5 nm 和 900 nm 周期。黑色虚线对应于由有限元模拟所预期的调谐效率。h，在将 a 中的函数发生器和示波器替换为矢量网络分析仪并将 10 m 延迟缩短至 1 m 之后获得的电光 S21 参数。图例：AFG：任意函数发生器，BPD：平衡光电探测器，OSC：示波器，VNA：矢量网络分析仪。
为快速检测激光器发射波长中所诱导的变化，我们依赖图 3a 所示的干涉测量装置。图 3d 显示了在向 e-DBR 电极施加 5 Vpp 三角波时，对激光器光学频率 ν 进行此类调谐的结果。该特定激光器具有由 500 nm 柱到波导间隙和 900 nm 周期所定义的光栅设计。对于 100 Hz、10 kHz 和 1 MHz 的驱动频率，该激光器展现出跨越近 2 GHz 的频率啁啾，其相对于理想三角波 ν_linear 的偏差 Δν = ν − ν_linear 被约束在大致 ±30 MHz 以内。我们在频率介于 10 Hz 与 1 MHz 之间、振幅范围为 0.25 V 至 5 V 的更大一组波形上重复了这一测量。图 3e 绘制了将这些波形施加到 e-DBR 所得到的调谐范围 max(ν)。如普克尔斯效应的线性性质所预期，该范围随所施加信号的振幅线性增加。调谐特征在所考虑的大部分频率范围内表现出良好的均匀性。在低于 100 Hz 的频率下，最大调谐开始偏离其标称高频值，这表明在诸如铌酸锂 [23] 和钽酸锂 [14] 等铁电材料中普遍观察到的低频漂移。偏离完美线性频率调谐的更为显著的偏差也反映了这一特征。图 3f 通过绘制归因于这一偏差的误差信号 Δν_rms 的均方根来强调这些结果。总体而言，这些结果表明，对于低频驱动信号以及在器件两端施加较弱电场的那些信号，偏差变得更加显著。为更好地说明这些效应，补充说明 1 提供了在各种驱动频率和振幅下此类频率斜坡的示例轨迹。
我们在由不同光栅参数所定义的 e-DBR 上重复此类实验。具体而言，我们以 10 kHz 驱动频率驱动一组六个激光器，这些激光器具有 892.5–900 nm 周期光栅和 500–600 nm 柱到波导间隙，同时考虑施加到 RSOA 的各种电流。图 3g 绘制了具有相同柱到波导间隙的器件的平均调谐范围，这意味着增大光栅间隙会略微降低调谐效率。这些结果与从行波模型获得的模拟数据相符，该模型考虑了在由 III-V 增益芯片和钽酸锂光栅芯片所形成的激光器混合腔内的传播 [24, 25]。这些结果还考虑了光栅反射光谱中的预期频移，该频移是我们从依赖静电和本征模有限元模拟的微扰计算中获得的 [26, 27]。作为参考，图 3g 还绘制了该光栅响应。补充说明 2 提供了有关这些模拟背后方法的额外细节。
为量化钽酸锂 e-DBR 的调谐带宽，我们在以 −17 dBm 小信号驱动电极并用 1 GHz 带宽探测器监测其输出的同时，测量其电光 S21 参数。如图 3h 所示，该测量表明 3 dB 带宽为 190 MHz。
我们接着评估该激光器的耐久性及其面向潜在应用的能力。为确保长期运行，我们将混合激光器组装在蝶形封装中。图 4a 展示了采用补充说明 3 所概述的方法和示意图进行封装后所得的器件。图 4b 提供了两个依赖同一钽酸锂 PIC 的激光器的频率噪声。第一个以如下配置运行：在多轴柔性铰链位移台上的安装确保激光器各组成组件之间的光学耦合；而第二个则以图 4a 所示的封装配置运行。两次测量的实验条件均包括 170 mA 和 140 mA 的泵浦电流，对于裸片和封装配置，所监测的输出功率分别为 1.86 mW 和 4.6 mW。随后，我们将其输出与一个锁定的 250 MHz 重复频率频率梳进行拍频，以测量其在自由运行状态下工作时的发射频率偏差。
图 4c 提供了所得频谱图，并叠加了其中一个拍频音符的频率漂移。我们观察到在 19 小时的持续时间内，漂移处于 232 MHz 的范围内。图 4d 相应地显示了从频谱图获得的阿伦偏差，从而表明在多种时间尺度范围内出现的各种噪声贡献的幅度。在确立了该激光器的频率稳定性特性之后，我们接着测量封装激光器的相对强度噪声。图 4e 显示了该测量的结果，补充说明 4 提供了额外的方法学细节以及与类似封装的铌酸锂 e-DBR 激光器的比较。
最后，我们在一个基于普克尔斯激光器的 LiDAR 演示中对我们的钽酸锂 e-DBR 激光器的调谐能力进行基准测试 [12, 13]。图 4f 展示了测距装置的示意图。图 4g 显示了所获取的点云，其提供了关于所监测场景的深度信息。我们在补充说明 5 中提供了关于从所捕获的光电二极管信号中提取该地图的额外细节。
Ⅲ 讨论
钽酸锂与铌酸锂之间密切的材料相似性 [11] 使得有必要对在这两种材料平台上实现的 e-DBR 激光器进行比较。补充说明 6 提供了其关键性能指标的总结。此前的报道 [12, 13] 表明，我们的平台可轻易实现其中的输出功率，而所报道的固有线宽则可介于 167 Hz 至 2.5 kHz 之间的任意值。我们最佳的钽酸锂基器件显著低于这一范围。近期报道集成钽酸锂调制器具有良好光稳定性的工作 [11, 14, 27] 可能表明，这一特性有利于改善混合激光器中的噪声。然而，这些改善后的数值也可能源于我们详尽晶圆级器件测量的统计性质。如图 2b 所观察到的那样，钽酸锂微制造可能提供固有线宽覆盖铌酸锂中所实现范围的次优器件。基于图 1b 中的晶圆图和来自图 2f 的数据，这些差异很可能源于晶圆级器件几何结构的变化，而这些变化可能影响与激光线宽有关的因素，例如 DBR 的反射光谱以及 RSOA 与钽酸锂 PIC 之间的耦合效率。为加以说明，视场 F1 具有的厚度分布和发射线宽分布均显著偏离其他步进机视场的相应分布。此类因素也很可能解释了在依赖相同材料平台的工作中所取得的不同数值 [8, 9, 12, 13]，尽管不同的标称光栅几何结构也可能促成这些差异。因此，未来寻求将该技术推向大规模制造、同时充分受益于其窄线宽的工作，应优先致力于器件均匀性方面的进展，而非改善固有材料特性。
本工作中所进行的额外制造试验进一步证实了这一主张。即，我们在氧气中对图 1b 所示的两个视场于 500°C 下退火两小时，以期去除钽酸锂薄膜中有助于光折变不稳定性的晶体缺陷 [16]。然而，如图 2d–g 所统计显示的那样，经退火的器件并未表现出相对于某些未退火器件明显改善的线宽。
在调谐能力方面，所报道的钽酸锂 e-DBR 的调谐效率与类似结构的铌酸锂 e-DBR 相似 [12]。这种相似性源于二者几乎相同的 r₃₃ 普克尔斯系数，其构成了大部分调谐。微小差异很可能源于略为不同的标称波导几何结构和电极到波导间距，以及材料介电常数，这些分别影响反射模式与所施加电场的电光重叠以及给定施加电压下该电场的强度。图 3h 所示的基于普克尔斯的调谐的频率响应表现出约 200 MHz 的 3 dB 带宽。该值也与此前所报道的类似结构铌酸锂激光器相似 [12]，这正如预期，因为二者在其他方面具有相同的电极几何结构以及两种铁电薄膜相似的有效电容。尽管钽酸锂 PIC 中的电光调制可超过 100 GHz [11, 14, 27]，但 e-DBR 调谐电极的电容性质主要限制了其带宽。改变电极几何结构以进一步降低其电容，可能带来更大的带宽。更短的 e-DBR 也可进一步降低电容，尽管这很可能以增加线宽为代价 [6]。
图 4. 钽酸锂扩展 DBR 激光器的封装与部署。a，封装后钽酸锂扩展 DBR 激光器的照片。插图：封装后激光器的显微照片，突出显示了组装中所使用的各种芯片和组件。b，依赖同一钽酸锂 DBR（视场 5，500 nm 柱间隙间距，900 nm 周期）的扩展 DBR 激光器在封装与未封装情况下的频率噪声。c，通过将封装激光器的发射与 250 MHz 重复频率频率梳（Menlo Systems SmartComb-250）拍频获得的时频谱图，并叠加了所提取的测得激光频率漂移。d，基于 c 中频谱图所得的该激光器发射的相应阿伦偏差。e，封装激光器的相对强度噪声（RIN）。f，用于测试该混合激光器在光探测与测距中适用性的装置。g，归因于对实时场景所测得深度图的所捕获点云。图例：AFG：任意函数发生器，BPD：平衡光电探测器，BOA： booster 半导体光放大器，CIRC：光环形器，COLL：准直器，MEMS：微机电系统。
与铌酸锂 [23] 相比，钽酸锂 PIC 可表现出较低的调制漂移 [14]，这归因于由晶体缺陷位点引起的电荷载流子漂移和光折变效应。如图 3e、f 和补充说明 1 所示，本工作的 e-DBR 激光器在 Hz 级驱动条件下实现了稳定的发射调谐，这些条件与在钽酸锂调制器中产生稳定工作的条件相似 [14]。这一能力进一步巩固了钽酸锂作为基于普克尔斯的集成光子学稳定材料的地位。尽管如此，在极低频率和振幅的驱动电压下，调谐漂移最终仍会出现，从而表明我们的器件很可能具有一些在这些调谐条件下能够在波导周围漂移的载流子。
除了改善工艺均匀性以提高激射性能之外，未来的制造工作还应聚焦于引入适合电子集成的材料。例如，依赖利用铜大马士革工艺的钽酸锂 PIC 制造 [14]，可通过铜-铜混合键合 [28] 为激光器与微电子器件的密集共集成带来前景。这将显著提高面向 LiDAR 等应用 [29] 的系统级光子器件的可扩展性。
总之，我们介绍了基于钽酸锂的混合集成 e-DBR 激光器。晶圆级测量表明，该平台能够提供与此前集成 e-DBR 激光器 [7–9, 12, 13] 相似的输出功率，同时展现出改善至数十 Hz 量级的线宽。调谐范围和带宽与此前关于集成普克尔斯激光器的报道 [12] 相符，并且对 PIC 电极几何结构的直接改动即可轻松改善我们所报道的数值。倘若未来在晶圆级器件均匀性方面取得改进，所呈现的指标连同钽酸锂适合大规模制造的特性 [11]，将为钽酸锂 e-DBR 作为超快、宽可调谐且窄线宽集成激光器的可扩展平台提供令人信服的理由，使其适合 LiDAR [5]、分布式光纤传感 [2] 和气体传感 [30] 等新兴应用。
补充说明 1. 低电压发射调谐测量
补充图 1. 钽酸锂 e-DBR 激光器的低电压频率调谐响应。在以 100 Hz、10 kHz 和 1 MHz 驱动频率向钽酸锂光栅施加 0.25 Vpp–5 Vpp 三角波时，集成激光器光谱中测得的光频移。该激光器的光栅具有 1.3 µm 标称波导宽度、375 nm 柱直径、600 nm 柱到波导间隙以及 900 nm 周期。所绘制的误差信号 ∆ν 对应于测得数据与以黑线绘制的理想三角波之间的差值。
如正文图 3e、f 所示，随着驱动电压的频率和振幅二者均降低，钽酸锂 e-DBR 激光器的调谐进一步偏离其理想线性行为。补充图 1 通过绘制在室温下以指定振幅和频率所定义的三角波对激光器进行调谐时所测得的频率调谐斜坡，提供了关于这一趋势的额外见解。随着驱动频率和振幅降低，线性偏差信号表现出日益不规则的的特征，这些特征很可能源于已知会在铌酸锂 [1] 和钽酸锂 [2] 中发生的载流子漂移。
补充说明 2. 调谐效率建模
如正文中所提及，扩展 DBR 的发射调谐源于光栅钽酸锂内部所诱导的有效折射率变化。在向扩展 DBR 的电极施加电压后，电场因普克尔斯效应而改变材料的折射率。这一变化进而体现为在固定周期为 Λ 的 DBR 中传播的模式的有效折射率 n_eff 的变化，从而按照布拉格条件 λ = 2n_effΛ 所规定改变光栅的谐振波长。
为模拟这一频移，我们使用有限元法（FEM）求解器（COMSOL Multiphysics）分别求解静态条件下的所施加电场以及 DBR 的本征模。补充图 2a、b 分别提供了所施加的直流电场和受扰动光栅的光学模式分布。基于一种针对因普克尔斯效应而经历折射率变化的光学材料所改编的微扰计算 [3, 4]，本征模 E_n 在施加沿钽酸锂非常轴对齐的外部电场 E_DC 时所经历频率偏移近似为：
其中我们忽略所施加电场中的边缘效应，并利用所得系统对角介电常数张量 ϵ_mn 的优势。
补充图 2. 预测钽酸锂扩展 DBR 激光器调谐效率的有限元模拟。a，在施加 1 V 直流电压时由电极在 DBR 单胞上产生的电场。b，由钽酸锂扩展 DBR 所反射模式的光学场。
电光调谐 DBR 与增益介质之间的相互作用最终决定了钽酸锂 e-DBR 激光器的调谐效率。为模拟此类现象，我们依赖一个时域模型，该模型描述在活性增益区和光栅反射器之间传播的一阶前向波 E⁺ 和后向波 E⁻ [5–7]，正如此前在关于铌酸锂 e-DBR 普克尔斯激光器的工作中所研究的那样 [8]。在此，III-V 增益芯片中的传播满足：
其中增益分布 G(z,t) 和局部光子密度 S(z,t) 满足
在此，N(z,t) 由一维激发电荷载流子数密度组成，并遵循光泵浦模型 [9]。
至于钽酸锂光子集成电路中的传播，以下方程分别描述了芯片线性反向锥形区和其布拉格光栅内的传播动力学：
其中以下方程施加归因于 III-V 与钽酸锂芯片界面以及来自增益介质背面反射的边界条件：
在此，t 对应于两个芯片之间的耦合透射率，其中我们忽略反射，因为它们被两个芯片的倾斜锥形结构所抑制。φ 由总腔内相位组成。
补充表 1. 用于模拟电光发射调谐的参数值。
补充表 1 提供了我们建模中所使用参数值的列表。为求解上述耦合微分方程，我们依赖一阶迎风欧拉积分格式，并对每单元的相移采用指数解 [7]。分别用 121、75 和 544 个区段对增益区段、锥形区段和布拉格光栅区段进行建模。积分以 dt = 100 fs 的时间步长进行，并按照条件 dz_g,b ≥ v_g,(g,b)dt 所规定来强制数值稳定性。补充图 3 提供了这些模拟的结果。补充图 3a 的结果表明，具有较弱光栅强度的器件会产生更高的输出功率，且模式跳变预计在约 100 mA 和 300 mA 泵浦电流附近发生。这些结果证实，较弱的反射导致反射回增益材料中的反馈较弱，从而相应地将更多功率分配至激光器的输出。
补充图 3b 给出了在将光栅响应以 30 MHz 的速率失谐 0.78 GHz 时相应激光器的调谐范围。基于补充图 2 中所概述的有限元模拟，这一失谐对应于向钽酸锂 e-DBR 施加 1 V 电压。所得激光调谐大致对应于光栅调谐的 50%。这一比例与构成混合激光腔的增益芯片和光栅芯片中的相对群延迟相符 [8]。具体而言，混合腔中的全局相移在激光器工作期间保持恒定。因此，激光器发射频率的偏移将补偿光栅响应中任何电光诱导的偏移。归因于钽酸锂芯片的群延迟大致对应于混合腔总群延迟的 50%，从而使所得腔失谐比光栅失谐小 50%。对于具有更强光栅强度的 e-DBR，所实现的调谐进一步减小。这一趋势与上述群延迟讨论一致。更强的反射对应于穿过 e-DBR 的更短传播，从而减小其对混合腔群延迟的贡献，并因此减小激光器的整体可调谐性。然而，在非常弱的光栅强度和更高泵浦电流下，这一趋势发生逆转，从而表明由增益介质与较低反馈功率之间的相互作用所引起的可能更为复杂的激射动力学。
补充图 3c、d 提供了在对钽酸锂 e-DBR 进行失谐时相应的非线性度和残余振幅调制数值。
补充说明 3. 钽酸锂扩展 DBR 激光器的封装
补充图 3. 钽酸锂扩展 DBR 激光器的行波模拟。a，对于由补充表 1 中参数所定义的器件，e-DBR 激光器在各种光栅强度和泵浦电流下的相对输出功率。b，在 2 Vpp 和 30 GHz 驱动信号下相应的调谐范围，假设光栅调谐灵敏度为 0.78 GHz/V（由补充图 2 中的方法学确定）。c，在 b 中所考虑的相同驱动条件下相应的相对调谐非线性度，以及 d，残余振幅调制。
钽酸锂 e-DBR 激光器经过封装，以提高其机械稳定性并实现超越台式对准装置的便携式运行。如补充图 4 所示，采用主动封装工艺来组装光子集成电路（PIC）、反射式半导体光放大器（RSOA）和光纤阵列单元（FAU）。首先对 FAU 进行对准并固定，以提供稳定的输出接口。随后仔细匹配 RSOA 垫片座和 PIC 垫片的高度，以实现 RSOA 与 PIC 之间高效且稳定的边缘耦合。激光封装中所使用的具体几何参数如补充表 2 所示。
补充图 4. 封装几何结构示意图。
通过监测输出功率对 RSOA 和 PIC 进行主动对准。在优化耦合之后，将紫外固化环氧树脂施加至底部和端面侧区域以实现机械固定。对环氧树脂的位置、体积和固化顺序进行仔细控制，以减少固化诱导的位移并最小化封装期间的耦合漂移。
补充表 2. 集成激光封装中所使用主要组件的几何参数。
补充说明 4. 封装扩展 DBR 激光器的相对强度噪声（RIN）测量
相对强度噪声（RIN）定义为以平均光功率的平方进行归一化的功率噪声谱密度，从而体现光功率的相对涨落。我们使用 OEWaves OE4000 激光相位噪声测量系统测量扩展 DBR 激光器的 RIN。
补充图 5. 扩展 DBR 激光器的相对强度噪声表征。缩写：LT：钽酸锂，LN：铌酸锂
封装后钽酸锂 e-DBR 集成激光器的相对强度噪声如补充图 5 所示。作为参考，我们还提供了此前工作 [8] 中所开发的封装铌酸锂 e-DBR 激光器的结果。封装后钽酸锂 e-DBR 激光器和铌酸锂 e-DBR 激光器在低频偏移处具有相似的噪声水平，该噪声由热噪声、TCCR 和技术噪声主导 [10]。在高频偏移处，与铌酸锂 e-DBR 激光器相比，钽酸锂 e-DBR 激光器表现出 RIN 的降低，接近散粒噪声或电子噪声基底。
补充说明 5. 光探测与测距
我们利用钽酸锂 e-DBR 激光器的快速可调谐性，使用正文图 4f 所示装置，采用 FMCW LiDAR 方案进行了概念验证性光学相干测距实验。该激光器使用重复频率为 50 kHz 的三角斜坡进行啁啾，获得了 1.65 GHz 的调谐范围。补充图 6a 显示了从该测量中获得的干涉图。15 至 40 MHz 之间的拍频音符信号源于装置中准直器和环形器的反射。45 至 75 MHz 之间的信号源于正文图 4g 插图中所示的目标。在干涉图的每个时间切片中，选择对应于目标反射的峰并将其转换为距离。距离分辨率通过将高斯函数拟合至对平坦表面所计算距离的直方图来外推。补充图 6b 显示了正文图 4g 点云中平坦背景表面的这样一个直方图。由高斯拟合获得的我们测量的距离分辨率低于 18 cm。
补充图 6. 使用钽酸锂扩展 DBR 激光器获取的 LiDAR 数据。a，从 LiDAR 数据获得的下采样干涉图。b，直方图，显示正文图 4g 所示点云中背景平坦表面的所计算距离分布。
补充说明 6. 与其他扩展 DBR 激光器的比较
补充表 3 将本工作 e-DBR 钽酸锂激光器的各种性能指标与在其他集成光子材料平台中实现的 e-DBR 激光器进行了比较。
补充表 3. 集成 e-DBR 激光器中所实现的性能指标。缩写：rep.：代表性，min.：最小值，max.：最大值
