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摘要

薄膜铌酸锂（TFLN）已成为实现高性能芯片级光学系统的一个有前景的平台，覆盖从光通信到微波光子学的多种应用。这些应用依赖于将多个组件集成到一个单一的平台上。然而，尽管在TFLN平台上已经演示了许多这样的组件，目前该平台的一个主要瓶颈是缺乏可调谐、高功率和窄线宽的片上激光器。在本文中，我们利用光子线键合技术，将光学放大器与TFLN反馈电路集成，以解决这一问题。我们展示了一种扩展腔二极管激光器，其边模抑制比（SMSR）优于60 dB，并具有超过43 nm的宽波长可调范围。在更高电流下，该激光器在芯片上可实现高达76.2 mW的最大功率，同时保持51 dB的边模抑制比。激光器在短时间尺度内的频率稳定性表现为550 Hz的超窄固有线宽。长期测量显示，光子线键合激光器具有高被动稳定性，在长达58小时内无模式跳跃操作，并且频率漂移的趋势仅为每小时4.4 MHz。这项工作验证了光子线键合作为高性能片上激光器的一种可行集成解决方案，为系统级扩展和瓦级输出功率铺平了道路。

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I. 引言

集成光子学在通信、计算和传感等众多领域展示了实现低成本、节能和可扩展解决方案的潜力。在过去十年中，薄膜（TF）铌酸锂（LN）平台已成为一种有前景的硅绝缘体替代方案，拥有其他平台所缺乏的许多材料特性：其大的电光系数使其成为高效、高速和宽带宽调制器的理想选择；其显著的二阶非线性和周期性极化能力支持高效的三波混频过程；其宽透射窗口可在广泛的波长范围内实现低损耗传输。最近，一系列基于TFLN的器件已经被展示，包括高性能电光调制器、宽带超连续谱和Kerr梳的产生以及非线性频率转换，验证了TFLN作为大规模多样化光子系统平台的卓越性能。然而，在实现完全集成的TFLN系统之前，驱动片上系统的关键组件仍是一个未解决的挑战：一种可调谐、窄线宽和高功率的激光器，能够替代外置的体光源。

随着集成光子系统的不断扩展，激光器与各种TFLN器件的共集成将消除使用体组件带来的大量累积插入损耗，从而提高信噪比，并实现更紧凑、更节能和更高性能的片上系统。由于铌酸锂没有直接带隙，研究者尝试了不同的激光器集成方法。除了稀土掺杂铌酸锂激光器外，大多数TFLN激光器的开发集中在使用半导体增益材料的集成方法上，包括异质集成和混合集成。然而，要实现高性能与可扩展性的结合，仍需要显著的改进。异质集成方法的器件需要复杂的晶圆级制造策略，且尚未表现出高功率操作能力。同时，传统的混合集成策略依赖于组件的精确亚波长对准，尽管性能可观，但由于其严格的对准要求，尚未在晶圆级有效采用。

尽管性能指标因应用而异，但作为激光器性能的基准，我们参考当前的商业体光系统，其提供约100 mW的光纤耦合输出功率、增益范围宽广的可调谐性和亚100 kHz的线宽。除了性能指标外，“可扩展性”不仅指允许大批量生产的制造和集成工艺，还包括能够轻松集成许多独立组件（如光放大器、调制器和光纤阵列）的能力。

一种新兴的集成技术能够在不牺牲性能的情况下解决扩展问题，即光子线键合（PWB）。PWB通过聚合物波导实现不同光子芯片之间的三维低损耗光连接。重要的是，PWB的形成过程不仅能够考虑不同接口的相对位置，还可以适配不同的光模式分布。因此，它可以克服系统中各种组件（包括放大器、波导和光纤）之间的大偏移和模式不匹配问题。先前的研究已经验证了PWB与硅光子技术相结合的优势，展示了其在高限制平台中的适用性。然而，具有多种功能的TFLN平台使得PWB能够针对更广泛的应用需求进行定制。

在本文中，我们展示了一种基于光子线键合的扩展腔激光器，其将磷化铟（InP）放大器与铌酸锂反馈电路集成在一起。作为光子线键合集成工艺灵活性的初步验证，我们通过在一个腔体中加入第二个放大器波导实现了性能和集成的扩展，这为此类激光器的功率扩展提供了可能，并能够根据需要添加更多放大器。

II. 设计、制造与集成

混合集成的主要优势在于光放大器与光子反馈电路可以单独制造。这一优势也体现在我们的激光器中，使得放大器可以在专用的半导体代工厂中制造，从而实现无损性能。同样地，铌酸锂的制造工艺无需为激光器集成进行任何调整。在各组件制造完成后，集成过程从将单个放大器、TFLN和光纤阵列粗略放置并对准到一个公共基座上开始。用于光子线键合的工具（Vanguard Sonata 1000）提供了一个大写入范围，从而允许光学接口在x、y和z方向分别具有约320 × 325 × 250 μm³的宽公差（光子线键合沿x方向书写，z为高度）。通过共聚焦显微镜和机器视觉算法检测光学元件的位置和角度。

由于用于为放大器提供电流的金属层部分遮蔽了磷化铟（InP）顶部，与TFLN波导和光纤芯相比，检测精度有所降低。因此，放大器侧的光子线键合对准通常需要通过实验获得的传输数据进行精细校准。这种校准对于一组固定的放大器材料堆叠和放大器波导几何结构仅需进行一次。根据接口位置及用户提供的每个接口的模式分布输入，光子线键合结构随后利用双光子聚合技术，用脉冲近红外（IR）激光在负光刻胶中书写。为了最大化传输效率，光子线键合结构的设计确保具有大弯曲半径（>60 μm）和足够长的渐变段（每个渐变段>100 μm）。

图1. 基于TFLN的光子线键合扩展腔激光器

(a) 使用具有两个放大器波导的InP芯片和TFLN反馈电路实现的完全集成激光器的照片。激光器通过光子和电气线键合实现集成。温度通过热敏电阻和珀耳帖冷却器进行监测和稳定。激光输出通过光纤阵列收集。

(b) 显微镜图像显示InP和TFLN界面，其中1和2分别表示激光腔体中的两个放大器，使用光子线键合和倾斜波导以减少菲涅耳反射。

(c) 扫描电子显微镜（SEM）图像显示了光子线键合的细节，包含锚定结构，并连接到TFLN波导上。

在光刻胶显影后，为了提高稳定性并减少传输损耗，所有光子线键合接口都用紫外固化环氧树脂进行包覆。图1(c)展示了光子线键合到TFLN点尺寸转换器的扫描电子显微镜（SEM）图像（包覆前）。放大器与LN之间的单通光子线键合损耗为4.1 dB，而LN到光纤的光子线键合损耗估计为2.9 dB（详见补充材料）。据我们所知，这些是TFLN平台与光纤或半导体放大器接口中记录的最低光子线键合损耗。

图2. 铌酸锂扩展腔激光器

(a) 激光器设计示意图，包括两个InP放大器波导、LN反馈电路和光纤阵列，所有组件通过光子线键合实现集成。反馈电路的主要特点是Vernier滤波器，由两个耦合的微环谐振器组成，提供频率选择性反馈和激光腔体扩展。激光腔体的有效长度、滤波器的中心频率和输出耦合分别通过热光调谐的相移器、Vernier滤波器和可调耦合器进行精细调节。激光输出通过顶部光纤阵列收集，该光纤通过光子线键合连接至与可调耦合器相连的输出波导。

(b) 可调耦合器示意图，通过两个可调Mach–Zehnder干涉仪（MZI）实现。

(c)-(e) 显微镜图像，分别显示一个MZI、相移器和Vernier滤波器的细节。

TFLN波导电路通过一个包含两个可调谐微环谐振器的Veriner滤波器提供激光器的腔体扩展和频率选择。双增益激光器设计的完整示意图如图2(a)所示，其中Veriner滤波器由两个顺序耦合的微环谐振器组成，具有约2 GHz的自由光谱范围（FSR）差异。Veriner滤波器允许对波长进行粗调，而激光腔体的有效长度及腔体共振频率可以通过热光相位调制器进行微调。

优化激光器的输出耦合可以在设定电流和Veriner滤波器设置下最大化光功率的提取。这一功能通过一个可调谐输出耦合器实现。我们的设计通过两个级联的可调谐马赫–曾德尔干涉仪（MZI）实现输出耦合器，从而完全控制反馈到放大器的功率与输出波导的功率分配[图2(b)]。微环、耦合器和腔体长度均通过Ti-Pt热光加热器进行主动调节[图2(c)–2(e)]。

在马赫–曾德尔测试结构上的独立表征显示相位调节效率约为125 mW/π，并可完全控制功率分配范围在0%至100%之间。微环谐振器的加热器允许将共振频率调节至整个FSR（约113 GHz），其效率约为150 mW/π。通过测量在同一芯片上制造的微环谐振器的传输光谱，推断TFLN电路具有5.8 dB/m的低传播损耗。这一低损耗主要归因于光模式的高约束性以及侧壁粗糙度的降低。

在完成所有光学组件的光子线键合后，包装通过金线键合用于电气连接，并使用带片上热敏电阻的珀耳帖元件进行温度控制（详见补充材料）。

III. 实验结果

图3. 激光功率、边模抑制比和波长调谐

(a) 芯片上光功率与每个放大器施加电流的关系图。激光器的阈值电流为100 mA，输出功率随电流呈线性增长。线性趋势的残余变化由纵模跳跃引起。通过将两个放大器电流分别设置为200 mA和800 mA，获得最大输出功率。

(b) 光谱图显示单频操作，边模抑制比（SMSR）为61 dB。

(c) 通过改变Vernier滤波器中一个环谐振器的加热器设置获得的叠加光谱，展示了43.7 nm的宽波长调谐范围。

当激光器开始工作时，其阈值电流为100 mA，输出功率随电流线性增长[图3(a)]。在每个电流下，通过调节Vernier滤波器的中心波长以及腔体相位部分，可以在光谱分析仪（Yokogawa AQ6370）上获得高边模抑制比（SMSR）的最大输出功率（详见补充材料）。在200 mA和800 mA的不同放大器电流下，激光器在单纵模操作中实现了高达76.2 mW的芯片上输出功率，同时保持51 dB的SMSR。在375 mA电流下，激光器以61 dB的最高SMSR振荡，其光谱如图3(b)所示。

通过在Vernier滤波器中的一个环谐振器上使用热光加热器改变有效长度，可以粗略调谐激光器的波长。激光器在1530 nm左右的波长范围内实现了43.7 nm的宽调谐范围，超出了两个放大器的3-dB放大自发辐射（ASE）带宽（详见补充材料）。在不同Vernier滤波器中心波长设置下收集的叠加光谱如图3所示。在整个调谐范围内，测得高达平均15 mW的光功率和单模操作，边模抑制比均高于52.7 dB。虽然该测量主要关注粗波长调谐，但先前基于类似Vernier激光器的研究表明，通过加热电流的细调可以将激光器设置在任何中间波长，并在约100 GHz范围内实现可靠的无模式跳跃调谐。

图4. 激光频率在短期和长期的稳定性

(a) 使用延迟自外差测量获得的频率噪声功率谱密度，显示超窄的550 Hz固有线宽。插图：频域中记录的拍频通过Voigt拟合得到相似的固有线宽。

(b) 作为多天长期记录的一部分，光谱被连续记录。累计光谱图显示了激光在58小时内无模式跳跃操作期间的光谱，边模抑制比保持在55.5 ± 0.4 dB。

(c) 长时间测量期间的芯片上光功率记录。显示了无模式跳跃操作区域，并用灰色标出了观察到的模式跳跃。

(d) 使用高分辨率波长计收集的激光器长期频率漂移。激光器在58小时内保持无模式跳跃操作。在初始化后直到模式跳跃前，观察到频率漂移趋势为每小时4.4 MHz。观察到的模式跳跃用灰色高亮显示。

除了输出功率和波长调谐范围之外，激光器的被动短期和长期频率稳定性对于支持低噪声设备（如微波光子学应用）也至关重要。短期频率稳定性可通过测量激光器的固有线宽来表征。由于激光设计中采用了长扩展腔，我们预期其固有线宽在100 Hz量级。然而，图3中所示测量中使用的光谱分析仪（分辨率20 pm或2.5 GHz）不足以解析激光器的线宽。为解析这种超窄固有线宽，我们采用延迟自外差设置，使用19.6 m的延迟线。通过从异频拍测量（五个100 ms长的示波器数据）计算频率噪声功率谱密度[图4(a)]，推导出在量子限制噪声平坦区（约2 MHz频偏处）对应的固有线宽为550 Hz。通过长延迟（20 km）记录频域中的拍频，并对线形进行Voigt拟合，测得相似的线宽，误差范围内一致。

相比于机械、声学和热漂移对体光扩展腔激光器的影响，集成光子电路通常表现出卓越的被动长期稳定性，这对于扩展到大型完全集成系统是至关重要的优势。此前基于氮化硅的芯片外腔二极管激光器展示了阶段耦合激光器的5.7小时稳定无模式跳跃操作，以及120小时的主动稳定集成激光器操作。

为了研究激光器在无任何主动稳定条件下的被动长期频率稳定性，我们连续数天运行并监测其性能。在两个放大器上分别设置略高于阈值的电流（125 mA），以尽量减少热波动，对应初始芯片上输出功率为2.6 mW。在激光器启动并经过约一小时的热稳定后，最终确定加热器参数。在测量期间，使用光谱分析仪、功率计和高分辨率波长计（High Finesse WS6-200 IR，分辨率4 MHz）持续监测激光输出的光谱特性、光功率和频率漂移。

在初始启动和热平衡达到后，激光器在58小时内保持稳定的无模式跳跃操作[图4(b)–4(d)]。图4(b)展示了激光发射光谱随时间的累积光谱图，期间保持了55.5 ± 0.4 dB的高边模抑制比。图4(c)显示芯片上光功率随时间的变化，小于±0.2 mW的波动。最后，图4(d)展示了激光器频率漂移的趋势，频率漂移仅为每小时4.4 MHz。推测58小时后的模式跳跃可能由环境温度变化引起，因为机械扰动和激光器老化似乎未对激光器稳定性产生影响。

IV. 讨论与结论

综上所述，我们展示了一种高功率、被动稳定、超窄线宽的扩展腔激光器，结合光子线键合实现集成。由于双放大器设计的功率扩展能力，该激光器的最大芯片上输出功率比现有TFLN扩展腔二极管激光器高1到2个数量级。根据我们的知识，该激光器的芯片上功率超过了所有基于单增益ECL的光子平台，其性能可与或接近成熟的硅和低损耗氮化硅平台上的双增益ECL相媲美。目前，我们的激光器展示了使用TFLN实现的片上激光器中最低的固有线宽。这一窄线宽主要归因于低损耗和长扩展腔，其有效长度约为24厘米。高度频率选择性的Vernier设计使得激光器波长的调谐范围是以往报告的两倍。此外，据我们所知，这是首次展示基于TFLN的扩展腔二极管激光器的长期频率稳定性。我们的铌酸锂激光器还表现出与基于氮化硅的类似Vernier激光器相当或更好的被动稳定性。

尽管我们在几乎每个电流下都发现了高边模抑制比（平均为54.3 dB，详见补充材料），但在高电流（>525 mA）时，激光器更容易以多模振荡运行，这与其他近期研究的观察结果类似。导致高功率下稳定性降低的原因可能是InP与TFLN波导之间的耦合损耗，这一点可在未来的设计迭代中改进。此外，随着时间推移，激光器性能有所下降，例如在初始76.2 mW测量后，最大功率逐渐降低。我们认为这是由于湿气逐渐扩散到顶部氧化物包覆层中，导致吸收和光学损耗增加。目前，由于沉积所需的高温，难以将高质量的低压化学气相沉积（LPCVD）氧化物与铌酸锂制造工艺集成。因此，我们采用了较低温度的等离子增强化学气相沉积（PECVD）SiO2。为了抑制湿气扩散至顶部氧化物中，我们使用了原子层沉积（ALD）法沉积的氧化铝密封层以减缓退化过程，但未能完全消除退化。通过TFLN芯片上的光学Q因子测量，可以评估氧化物包覆层的质量及密封层的效果。处理后立即使用PECVD氧化物包覆会导致光学Q因子相比未包覆时降低20%，表明当前氧化物的光学质量降低。此外，在加入ALD层后，光学Q因子在两周老化期间下降了15%，而无密封层时降幅超过50%。尽管在集成前进行高温烘焙（>85 ℃）可以恢复Q因子的退化，但目前尚无法在完全集成的设备上实现此过程。我们相信，采用与铌酸锂制造工艺兼容的高密度氧化物，可以实现更高的光功率并提高可重复性。

展望未来的高功率应用，PWB的传输效率和最大激光功率可以通过降低LN传播损耗至<3 dB/m显著提高，这将减少腔内损耗。我们预计，通过进一步优化键合对准和改善接口质量，PWB损耗可以在未来演示中进一步降低。此外，通过改进TFLN耦合器设计，损耗还可以进一步减少。在进一步的实验中，PWB在高达1 W的光功率下未显示任何退化，这验证了其能够支持高腔内功率。此外，将光子线键合技术应用于锥形放大器可以为实现瓦级光功率开辟道路。

除了为TFLN平台补充了一种可调谐、窄线宽和高功率的激光器，我们的工作还验证了光子线键合作为一种在性能和集成方面可扩展的解决方案。通过光子线键合实现的功率扩展可以支持多种非线性过程，同时与快速调制相结合，可以应用于微波光子学领域的应用。未来的工作包括与光学隔离器的集成，以实现完全受保护的激光腔体，以及与TFLN平台的其他功能集成，例如高性能电光调制器、电光频率梳源和高速片上探测器。

补充材料
实验中光子线键合传输数据见补充材料图SM-1。单个光学放大器的放大自发辐射功率和光谱见图SM-2。本文中报告的所有电流的光谱和边模抑制比（SMSR）随电流的变化见图SM-3和图SM-4。此外，封装后和光子线键合激光器的额外图片见图SM-5。

文章名：“”High-power and narrow-linewidth laseron thin-film lithium niobate enabled by photonic wire bonding“”

作者：Cornelis A. A. Franken,1,2,a)Rebecca Cheng,1Keith Powell,1 Georgios Kyriazidis,1Victoria Rosborough,3Juergen Musolf,3 Maximilian Shah,1,4David R. Barton III,1,5Gage Hills,1Leif Johansson,3 Klaus-J. Boller,2and Marko Loncar ˇ1,b)

单位：

1John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, Massachusetts 02138, USA

2Laser Physics and Nonlinear Optics, Department of Science and Technology, MESA+ Institute of Nanotechnology,University of Twente, Enschede, NL

3Freedom Photonics, 41 Aero Camino, Goleta, California 93117, USA

4Williams College, Williamstown, Massachusetts 01267, USA

5Department of Materials Science and Engineering, Northwestern University, Evanston, Illinois 60208, USA