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#可调激光器 #薄膜铌酸锂 #混合集成

摘要
具有频率可调特性的激光器，能够同时具备低噪声特性和快速无模式跳跃的频率调谐，是从激光雷达（LiDAR）和分布式传感到通信和量子信息处理等应用中的关键组件。近年来，混合集成激光器在调谐速度和相位噪声方面表现优于最先进的传统系统（包括光纤激光器），为紧凑型和可扩展的频率可调激光器提供了新的发展途径。特别是基于自注入锁定到由铌酸锂绝缘体上制造的高品质因子光学微谐振腔的波克尔可调激光器，已实现了达到每秒拍赫兹的超快调谐速率。然而，这些激光器的应用仍受到自注入锁定动态的限制，这限制了最大调谐范围、输出功率并增加了操作复杂性。在此，我们克服了这些限制，展示了一种开箱即用的混合集成波克尔激光器，其具有超过10 GHz的无模式跳跃调谐范围、超过550 MHz·V–1的调谐效率、达到每秒艾赫兹级的调谐速率和15 mW的高输出功率。我们通过优雅且紧凑的外部分布式布拉格反射器架构，结合便宜的反射型半导体光放大器与在晶圆尺度上制造的电光驱动分布式布拉格反射器，实现了混合集成激光器性能的显著提升。外部分布式布拉格反射器波克尔激光器的优异线性和相干性，再加上其前所未有的调谐带宽和范围——这种组合是传统大体积激光器无法比拟的——使其成为频率调制连续波激光雷达、分布式光纤传感和大气气体计量等应用的理想候选。我们在一个概念验证的频率调制连续波激光雷达实验中展示了这一性能和灵活性，实现了在100 ms内完成20,000个体素采集的4 cm距离分辨率，并在氰化氢光谱实验中展现了这一能力。该紧凑且坚固的波克尔激光器组装已被封装在商业化的蝴蝶封装中，提高了其对环境噪声的抗扰性，并展示了长时间的稳定性，其自由运行激光器的频率波动在2.5小时内低于25 MHz。

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E-DBR 设计与表征

基于LiNbO3光子集成电路（PIC）的E-DBR激光器的架构如图1a所示：一颗铟磷（InP）反射半导体光放大器（RSOA）与包含两个锥形耦合器和由金电极夹持的E-DBR光栅的PIC直接耦合。该PIC使用晶圆级工艺在400 nm厚的X-切单晶薄膜LiNbO3上制造，并包含35个波导光栅器件，位于5×10 mm的芯片区域内。DBR光栅通过在1微米宽的波导脊两侧刻蚀小的LiNbO3柱体形成，如图1b和图1c中的PIC横截面所示。波导和布拉格光栅柱体都是通过使用类金刚石碳蚀刻掩模6进行深度为200 nm的刻蚀结构定义，并留下200 nm的薄膜（见方法部分）。选择相对较薄的膜和浅刻蚀深度是为了确保激光在单模模式下工作，同时促进中心波导与布拉格光栅柱体之间的耦合。光通过一个倾斜波导锥形耦合器从RSOA耦合到光子芯片，尽量减少接口的反射并优化功率耦合，激光输出则通过第二个直线锥形耦合器耦合到一个带透镜的光纤。PIC的输入和输出波导使用双层锥形架构24（见补充说明6），经过优化，以实现每个光面小于1.5 dB的耦合损耗。

图1 | 混合集成波克尔扩展型DBR激光器的概念设计

a、混合集成E-DBR激光器的示意图。TFLN，薄膜铌酸锂。插图显示了InP RSOA与PIC之间的对接界面的详细显微镜图像（左）；布拉格光栅和调谐电极（中）；以及用于输出耦合的双层锥形和带透镜光纤（右）。

b、扫描电子显微镜图像，显示了在刻蚀步骤后定义波导和布拉格光栅柱体的LiNbO3 E-DBR PIC的一部分。

c、扫描电子显微镜图像，展示了LiNbO3光子芯片的垂直截面，显示了嵌入的金电极和二氧化硅（SiO2）上覆层。

d、模拟的归一化布拉格反射（线条）和布拉格反射峰的FWHM带宽（颜色条）作为布拉格光栅柱体大小和位置（间隙）的函数。红色星标代表所报告的波克尔E-DBR激光器的光栅设计。

e、有限元法模拟的光学和射频电场分布，位于单片X切LiNbO3和SiO2包层中。射频电场被归一化，使得两个电极之间的电压为1 V。

f、模拟的布拉格光栅反射峰在施加0 V和19 V电压时的调谐，显示了超过0.5 GHz·V–1的调谐效率。

布拉格光栅结构长7.25 mm，周期为1.27979微米，形成一个三阶光栅，300 nm宽的柱体位于距离波导上边缘630 nm的地方。由于光栅是为三阶反射设计的，我们使用空间傅里叶分析来隔离m = 3系数，并计算耦合强度κ，从而确定光栅的峰反射率和带宽（见补充说明2）。通过使用二维有限元法（FEM）模拟，优化了布拉格光栅的几何形状，以提取光栅柱体尺寸和它们相对于波导的位置的有效折射率调制。如图1d所示，300 nm宽的柱体放置在距离波导边缘630 nm的地方，估算的峰反射率约为75%，全宽半最大（FWHM）反射峰带宽为6.5 GHz。光栅的设计采用了沿其长度均匀的耦合强度，即没有采用光栅加窗（apodization）25。为了实现激光的波克尔调谐，在布拉格光栅结构的两侧沉积了900 nm厚的金电极，距离波导脊3微米，如图1c中的PIC横截面所示。图1e显示了模拟的光波导模式和电场分布：由于LiNbO3的高射频介电常数，LiNbO3脊体中的电场在包层SiO2中更强。因此，电极被直接接触到LiNbO3薄膜，以最大化驱动效率并最小化低频偏置漂移，这在SiO2缓冲电极中被观察到26。电极被保守地放置在总间隙7微米处，以最小化光学损失，并且不干扰光栅柱体中的逸散场，避免光学损失，如补充说明2中详细说明。

图2 | E-DBR波克尔激光器调谐表征

a、布拉格反射中心频率的电压调谐，来自DBR PIC，调谐效率为550 MHz·V–1。

b、LiNbO3光子芯片（D148_01_F2_C3）的照片，带有金电极，包含7.25 mm长的DBR。

c、表征波克尔E-DBR激光器电光调谐带宽的测量设置。通过VNA测量S21调谐响应，激光输出通过iMZI馈入，并在快速光电二极管上检测输出强度。调谐范围和延迟线长度被调整，以利用MZI传输函数的线性部分，将频率调制转化为光电二极管上的幅度调制，如插图所示。LUT，正在测试的激光器；BPD，平衡光电探测器。

d、E-DBR波克尔激光器的电光S21调谐响应。调谐响应是通过从VNA（灰色显示）测量的S21中除去MZI传输函数得到的。3 dB带宽由水平虚线表示，突出显示了激光器直到约200 MHz的平坦驱动响应。

图2a显示了在仅施加20V电压的情况下，DBR反射峰的直流调谐范围超过10 GHz，符合模拟的电压-长度乘积（VπL）为4 V·cm。这些反射测量是通过将外腔激光器（ECDL）的输出通过透镜光纤耦合到PIC输出端口（如图2b右边缘的PIC所示），并在施加不同电压于电极的同时扫描其波长跨越布拉格光栅的反射峰进行的。经过校准的反射和透射测量结果（见补充说明3）显示，外芯片反射率为30%，FWHM带宽为8 GHz，且存在+8 GHz偏移的旁瓣。旁瓣的存在表明光栅布拉格周期局部失真，可能是由于LiNbO3薄膜的高度变化所致。我们还观察到反射旁瓣，可能是由于我们的激光设计中缺乏光栅加窗和直输出光面的寄生反射。测量的反射波长为1,545.9 nm，与设计值偏差仅为1.2%。

我们进一步使用矢量网络分析仪（VNA）直接表征了波克尔激光器的驱动带宽，如图2c所示。S21调谐响应通过不平衡马赫-曾德干涉仪（iMZI）转导，然后在快速光电探测器上测量输出强度（见方法部分）。激光器表现出平坦的调谐响应，直到频率达到200 MHz（图2d）。由于（1）LiNbO3中的压电效应驱动了基本的体声波共振27,28，以及（2）直流针探针和电极配置，带宽的限制得到了补充说明10中的解决方案。有关E-DBR波克尔激光器调谐、带宽和线性度的更详细表征和讨论见补充说明4。

E-DBR激光器的操作、可调性和噪声

混合集成激光腔通过将InP RSOA与薄膜LiNbO3光子集成电路（PIC）的一面对接，以将光注入光波导锥形结构中。我们扫描了RSOA的驱动电流，以确定激光的工作点。由于RSOA增益区中的热光效应和等离子体色散效应，调节驱动电流会在增益波导中引入光相位偏移，从而有效地调谐混合集成激光器的腔内相位，这减轻了需要额外热相位调节器的需求29。因此，混合集成E-DBR激光器可以通过一个模拟控制参数（即驱动电流）和一个模拟调谐参数（即电光调制电压）来操作。用于测量激光频率噪声和调谐线性的实验设置如图3a所示，图3b中增加了该设置的照片。

图3 | 波克尔E-DBR激光器操作

a、用于表征激光功率、频率噪声和调谐的实验设置示意图。激光电流被设置为实现单模操作，激光频率通过任意波形发生器（AFG）调制。激光频率噪声通过测量BPD上的拍频信号来测量，拍频信号来源于通过大腔稳频并过滤的外腔调谐激光器（ECDL），信号被记录并通过电气频谱分析仪（ESA）分析。激光调谐通过测量10 m长的iMZI中的同频拍频信号来表征，信号通过数字示波器（OSC）记录。CW ref.，腔稳定的连续波参考激光。

b、LiNbO3 DBR PIC在耦合阶段的照片，展示了对接的RSOA、输出带透镜光纤和用于在电极上施加电场的针探针。

c、E-DBR激光器输出功率与RSOA驱动电流的关系。激光工作点选择在曲线的局部极小值处，最大化了无模式跳跃的激光调谐范围。

d、锂铌酸（LN）E-DBR激光器的单边频率噪声功率谱密度 Sν(f)S_\nu(f)。虚线显示了用于计算集成线宽的β线（绿色）、热载流子折射噪声（红色）和自发辐射噪声（灰色）。频率噪声在70 kHz处有一个峰，源自悬挂的PIC的机械模式。

e、E-DBR激光器的光谱，具有约63 dB的旁模抑制比（SMSR），分辨带宽为0.02 nm。

f、混合集成激光器的调谐范围、速度和线性度表征。E-DBR激光器使用三角波形在10 kHz（左）到1 MHz（右）之间的速度调制。通过拟合理想三角波形来确定非线性，拟合应用于通过Hilbert变换获得的iMZI输出的调谐曲线。

g、由AFG施加到电极的电压模式，类似于EPFL标志。

h、时频谱图显示了激光频率随时间变化的演化，形成EPFL标志，调谐速率达到3 PHz·s–1。

i、在不同调制速度下的波克尔E-DBR激光器调谐效率，即施加到电极上的三角电压斜坡的重复率。竖条表示每施加1 V三角电压斜坡时激光调谐的非线性。

通过外腔调谐二极管激光器（ECDL）与E-DBR激光器之间的拍频信号提取频率噪声功率谱密度 Sν(f)S_\nu(f)（见图3d）。我们发现，在偏移频率2 MHz时，频率噪声水平为800 Hz²/Hz，对应于本征线宽2.8 kHz（见方法）。在较低偏移频率下，频率噪声随着频率的增加而增大，斜率为 f−(1.2−1.5)f^{-(1.2-1.5)}，这可能受到热载流子折射噪声的限制30。积分时间为1 ms时，光学线宽的FWHM为191.5 kHz。我们还观察到在70 kHz处出现一个明显的噪声峰，归因于10 mm×5 mm光子芯片的未阻尼机械抖动模式。激光的光谱使用0.02 nm的分辨带宽记录，具有非常高的旁模抑制比（SMSR）63 dB，对应于在0.1 nm分辨带宽下为56 dB，且光纤耦合输出功率为12.5 mW（见图3e）。

接下来，我们测量了激光频率调谐的线性度和效率。由于我们激光的潜在应用是长距离和高精度的频率调制连续波（FMCW）激光雷达，因此我们对电极施加三角波形，调制频率在10 kHz到1 MHz之间，幅度为17.5 Vpp。在以100 kHz的调制速度驱动的三角电压斜坡下，波克尔E-DBR激光器的调谐效率为550 MHz·V–1。调制速度为1 MHz时，该效率降至525 MHz·V–1（见图3i）。

我们在iMZI的输出端记录了频率调制，并使用Hilbert变换和相位提取算法31提取频率调制信号。我们拟合提取的频率调制信号与理想的三角波信号，并绘制了信号和拟合之间的偏差。在10 kHz、100 kHz和1 MHz的调制频率下，我们分别得到了10.48 GHz、9.97 GHz和9.30 GHz的调谐范围，且相对均方根非线性分别为1.4%、1.6%和2.3%。我们还测量了波克尔E-DBR激光器的残余幅度调制（RAM），调制频率为100 kHz，幅度为17.5 Vpp（见补充说明9）。我们发现，100 MHz以下的RAM积分功率谱密度为–35.94 dB。

另一个优势是，LiNbO3 E-DBR激光器不需要对调制元件进行共振激发，却能实现高效率和快速调谐；因此，我们可以以任意方式调制激光器，同时保持高调谐速度。使用任意函数生成器（AFG），我们编程使其重现EPFL标志（见图3g），并将该电压信号应用于LiNbO3 DBR PIC。激光频率的演变通过iMZI测量，时频分析结果如图3h所示。对任意调谐模式的分析揭示了超过3 PHz·s–1的调谐速率，在线性三角调节情况下，调谐速率增加至9.3 PHz·s–1。我们注意到，调谐速度并不受RSOA或光栅性能的限制，而是受到探针电极和电压放大器的限制。实际上，这种激光架构的最大调谐速度最终受限于光环衰减，并且可以通过类似微环谐振器的方式进行估算，如果调谐速度超过光学线宽的平方，则会出现环衰减5。这对于15 GHz光栅的线宽来说，对应的调谐速度为225 EHz·s–1。数值模拟（见补充图7）也表明，在调制速度高达300 MHz时，信号的环衰减并不预期。

光学相干测距

频率可调性是长距离频率调制连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）的关键要求，它使得激光器能够实现快速、线性且无滞后的调谐。测距信号通过与原始信号混合并通过快速光电二极管检测，从而推断出来自目标的反射信号的拍频。FMCW的距离分辨率由调谐范围决定，如下所示【19】：

其中，B 是线性频率啁啾的带宽。

我们利用波克尔E-DBR激光器的快速调谐特性，在实验室环境中使用FMCW LiDAR方案进行了一次概念验证的光学相干测距实验。相干测距设置如图4a所示：激光通过一个100 kHz重复率的三角波形调制，覆盖了整个10 GHz的调谐范围；发射和返回信号都通过同一个准直器耦合，该准直器与回旋器配合，用于方向隔离。

图4 | FMCW LiDAR的概念验证演示

a、基于FMCW LiDAR的相干光学测距实验设置示意图，并附上目标场景的照片：两个Thorlabs支架柱，直径分别为1 mm和2.5 mm，背景是一个平面墙。DSO，数字采样示波器；FPC，光纤偏振控制器；BOA，光放大器；CIRC，回旋器；COLL，准直器。

b、目标信号的时频谱图，显示了来自准直器、光纤连接器和回旋器的反射峰，以及来自目标场景的反射峰。

c、直方图，显示了三个目标物体的计算距离值的分布；每个目标的平均距离值及其标准差（s.d.）已报告。

d、e、从不同视角获得的目标场景的点云表示，使用1 kHz垂直（d）和10 Hz水平（e）三角扫描频率的光束扫描模式得到。

在目标场景中，我们使用了两个直径分别为1 mm和2.5 mm的支架柱，距离准直器4 m。两个柱之间的距离大约为10 cm，墙面距离第二根柱子约40 cm。目标场景的照片和光束扫描图案如图4a所示。时频谱图包含了20,000个时间切片，目标的典型信噪比为20 dB。图4b中的75 MHz、100 MHz和140 MHz的拍频信号分别来自回旋器、光纤连接器和准直器的反射，这些是单静态LiDAR系统中常见的信号【5,9】。在150 MHz到200 MHz之间观察到的信号对应于目标场景。

对于每个时间切片，测得的拍频信号被线性化并过滤，选择出与目标反射相对应的频率峰值。每一个频率峰值被转化为距离信息（即径向坐标），使用经过标定的调谐和测距信息（见方法部分）。测量的基本距离分辨率由激光的10 GHz调谐范围设置，大约为1.5 cm【19】。

图4c展示了检测到的目标距离的分布：位于3.92 m、4.04 m和4.48 m的簇分别对应第一根柱子、第二根柱子和背墙，匹配了测量的目标距离。图4d和图4e展示了基于距离着色的场景点云表示：柱子大多显示为蓝色，背后的墙面为黄色。这个概念验证的相干测距演示展示了波克尔激光器的性能及其在LiDAR应用中的易操作性。激光操作简便且测距设置简单，结合了良好的范围分辨率（4 cm），在许多需要低体积、重量和功耗的应用中极具优势。

图4c所示的检测目标范围簇的标准差明显高于理论上的10 GHz调频率下的距离分辨率，这主要是由于目标场景特征的曲率以及采集系统的缓冲所致。为了在100 ms内生成20,000个体素的点云，并排除频率斜坡的转折点，所使用的积分时间缩短为4 μs，从而得到了3.6 cm的范围分辨率，与测得的范围精度的分布一致。由于激光器卓越的调谐速度和范围，令人印象深刻的20,000体素采集仅用100 ms就完成了。值得注意的是，Wang及其同事【8】也展示了一种基于铌酸锂的Vernier架构外腔激光器的LiDAR系统，达到了10.8 cm的距离分辨率。

封装波克尔E-DBR激光器与氰化氢（HCN）光谱学

快速可调低噪声激光器在光谱学和传感应用中具有很高的需求，因为这些激光器的频率可调性和窄线宽使得可以精确地定位物种的吸收特征，从而推断其浓度。除了快速调谐能力外，良好的啁啾线性度、低相对强度噪声（RIN）和残余幅度调制（RAM）也是光谱学应用中的关键因素。为此，我们将光子集成激光器封装在定制的蝴蝶封装中，并集成了热电冷却器（TEC）。通过使用环氧树脂和主动对准技术，将RSOA芯片、光子芯片和光波导阵列与光纤变换器（WAFT）粘合在一起（如图5a所示）。我们观察到封装激光器与原型激光器相比，RAM和RIN有了显著的降低（见补充说明8）。我们将这一变化归因于与图3中所示的开放探测配置相比，封装激光器通过物理屏蔽和芯片电极的线焊接减少了静电噪声。此外，封装激光器具有通过TEC控制光子集成电路（PIC）温度的能力，这使得可以在多个纳米范围内调谐布拉格光栅的反射，以针对特定的光谱吸收线。

为了展示封装激光器的优越性能，我们进行了氰化氢（HCN）吸收线的光谱测量，吸收线位于约1,545 nm。我们使用了一个光纤耦合的吸收池（波长参考），其中含有20 Torr HCN自然同位素丰度，路径长度为16.5 cm，并配备了标定过的光谱分析仪，目标是锁定与目标吸收特征相对应的适当波长。我们通过蝴蝶封装中的TEC将激光的中心波长调谐了几个纳米，然后使用芯片上的电极通过电光调制将激光波长调制了40 pm，覆盖在目标吸收特征范围内，得到了图5b所示的吸收曲线。这一概念验证测量还进一步验证了激光的调谐范围，通过将测得的吸收特征宽度与从HITRAN数据库32模拟得到的宽度进行比较，结果一致（如图5b所示）。

最后，封装激光器还表现出了出色的长期稳定性，归因于来自环境扰动的热和电屏蔽。我们使用了完全稳定的频率梳作为参考，监测波克尔E-DBR激光器的漂移，如图5c所示。通过激光与频率梳的一个过滤部分之间的拍频信号，测量了2.5小时的时间间隔，并与频率梳的重复率（250 MHz）进行了比较，如图5d所示。图5d中的时频谱图显示，在连续的2.5小时内，频率偏差小于25 MHz，展示了封装激光器的长期稳定性。

讨论与展望

我们展示了一种波克尔可调混合集成激光器。该混合集成激光器设计将一种成本效益高的RSOA与电光DBR光子集成电路（PIC）结合，基于在铌酸锂绝缘体平台上晶圆级制造的技术。我们采用了一种新的设计，使用高阶和波导耦合的布拉格柱光栅在LiNbO3上，这使得可以生成具有10 GHz反射带宽和毫米级相干长度的弱耦合光栅。我们的设计方法消除了对倾斜波导侧壁的250 nm以下不可靠的锯齿形刻蚀和短周期光栅的需求，从而确保了使用当代光子集成电路（PIC）代工工艺的可制造性。LiNbO3柱光栅可以通过波克尔效应的强频率调制作为超快可调镜面，从而赋予混合集成激光器连续和无模式跳跃的频率可调性。

基于这种光栅设计，我们构建了一个开箱即用的频率可调波克尔激光器，能够进行大范围的电光连续无模式跳跃频率调制。通过使用RSOA——而不是更复杂的DFB激光芯片——作为增益介质，相较于早期的波克尔可调激光器演示（包括集成光子学【5,6】和大体积低声波微谐振腔【4】），该设计降低了组件成本。此外，波克尔可调E-DBR激光器具有更简化且可靠的激光操作，与那些需要精确控制多个参数的频率可调激光器相比，操作更为便捷。

与Vernier和自注入锁定激光器相比，这些激光器需要非常精确的调谐和最多六个模拟参数的控制，波克尔可调E-DBR激光器的操作条件大大放宽，仅需一个电流和电压输入。

我们展示了一个无模式跳跃的调谐范围为10 GHz，调制速度为1 MHz，剩余非线性为1%，光纤耦合输出功率为15 mW，频率噪声水平为800 Hz²/Hz，相应的本征（洛伦兹型）线宽为2.8 kHz，调谐效率超过550 MHz·V–1。我们实现了2 EHz·s–1的调谐速率，这一速率并不受激光架构的限制，而是受限于现有的电子设备。我们对混合集成激光系统进行了广泛的数值模拟，预测可以将调谐范围扩展到超过20 GHz，并通过加窗光栅和调整输出面角度来进一步减少非线性，减少杂散反射。

补充表1总结了E-DBR波克尔激光器的性能，并与最先进的商用频率可调激光器以及基于不同架构的报告混合集成激光器进行比较。E-DBR波克尔激光器所提供的高激光相干性、输出功率和超快调谐能力，即使是最先进的混合集成激光器也无法匹敌。特别是，LiNbO3集成光子平台赋予激光的电光驱动机制，相比于报道中使用的应力光学驱动机制，为该激光器带来了独特的优势【18】。首先，与压电驱动的激光器相比，波克尔E-DBR激光器具有更优越的调谐速度，具有高达200 MHz的平坦驱动带宽（见图2）。此外，这种平坦的频率驱动响应不受芯片的共振体声波模式的影响，从而避免了应力驱动混合集成激光器中通常需要的加窗或声学阻尼【9,33】。此外，由于波克尔效应，E-DBR激光器的驱动效率达到了550 MHz·V–1，比使用应力光学驱动的效率高约两个数量级【18】。这种效率直接转化为所施加电压的显著降低（减轻了驱动和封装的要求，无需放大器，降低了击穿风险），同时也提升了调谐范围。与应力光学驱动材料如AlN相比，LiNbO3激光器的一个缺点是由热激发的载流子波动引起的腔噪声，这种噪声呈现闪烁状特性【30】。这一行为在图3d中得到了突出显示，并在补充说明7中进行了分析。

总之，我们的技术进步展示了大规模晶圆制造高性能波克尔激光器的潜力，使其适用于各种应用。激光器的性能可以通过将DBR与低损耗、高Q微谐振腔共同集成进一步提高，但这将增加系统的复杂性。通过概念验证实验，展示了该激光器在相干光学测距（FMCW LiDAR）中低于5 cm的距离分辨率，并进行氰化氢光谱学测量。LiNbO3的透明范围原则上支持混合集成激光器在中红外频率范围内的操作。这些概念验证测量展示了激光的调谐范围和线性度，以及操作的稳定性和简易性，展示了这种激光器在光谱学中的潜力，并将促进该技术向此类应用的进一步发展。

方法

器件制造
我们使用了100 mm的铌酸锂绝缘体晶圆，表面覆盖有400 nm厚的X-cut铌酸锂薄膜和4.7 μm的热氧化硅（SiO2）。光子电路设计通过深紫外步进光刻设备进行曝光，并通过离子束刻蚀技术在铌酸锂上刻蚀图案，使用类金刚石碳刻蚀掩模6。铌酸锂薄膜被刻蚀至200 nm深，形成脊波导，并在晶圆的其余部分留下铌酸锂薄膜。在第二次光刻步骤中，波导的两端被刻蚀形成倾斜波导，波导的尖端宽度为400 nm，以减少光学耦合损耗。此时，铌酸锂结构用2 μm的高密度SiO2进行包覆，采用感应耦合等离子体化学气相沉积（ICP-CVD）技术。通过在沉积过程中适当施加射频基片偏压，可以在密集堆积的光子结构之间（例如光栅柱和中心波导之间的间隙）包覆光子电路，而不留下任何空隙。最后，在第三次光刻步骤中，包覆层被刻蚀至铌酸锂薄膜，900 nm厚的金电极通过去除工艺在这些包覆层中的凹槽内制作而成6。

E-DBR波克尔激光器的电光S21响应表征
为了表征E-DBR波克尔激光器的电光调谐带宽，我们利用不平衡马赫-曾德干涉仪（MZI）传输函数的线性部分将频率变化转化为幅度变化，并通过快速光电二极管进行检测。通过连接一个端口到波克尔激光器电极，另一个端口到快速光电二极管，使用矢量网络分析仪（VNA）对S21调谐响应进行表征。该设置允许将小信号调制转换为可以在快速光电二极管上检测到的响应，这是由于在选定的工作点上MZI的线性传输函数。通过VNA在波克尔激光器电极上施加小信号，所产生的调制信号通过快速光电二极管检测，并通过VNA分析得到S21参数。调谐范围和MZI延迟线长度调整到达到MZI传输函数的正交点，从而将频率调制转化为光电二极管上的幅度调制。

激光线宽表征
我们通过外腔二极管激光器（Toptica CTL 1550 nm）与自由空间法布里-珀罗腔进行拍频光谱学测量，来测量激光的频率噪声功率谱密度。该法布里-珀罗腔的自由光谱范围为1.5 GHz，线宽为70 kHz。拍频信号通过快速光电二极管检测，其电输出发送到电气频谱分析仪（ESA）（Rohde and Schwarz FSVA3030）。拍频信号与频谱分析仪内40 MHz的内部数字化器对齐，通过ESA记录同步信号和正交信号。拍频的同相和正交分量数据使用Welch方法34进行处理，以提取单边相位噪声功率谱密度（Sϕϕ），并使用Sff = f² × Sϕϕ转换为频率噪声（Sff）。为了估计集成线宽，我们将频率噪声谱从功率谱密度与β线的交点积分到测量的积分时间35。然后重新计算曲线下的面积A，并使用公式FWHM = √（8 ln(2) × A）来提供线宽的FWHM度量。

相干测距实验与信号数据处理
在相干测距实验中，RSOA驱动电流设定为194 mA，输出功率为8.2 mW。激光输出通过光放大器（Thorlabs BOA-59855）放大至约20 mW，在放大之前，激光输出的一部分被抽取用于作为延迟同频检测的局部振荡器。激光束通过两个光电镜（Thorlabs GVS112）扫描目标场景，这些镜子分别通过1 kHz和10 Hz的三角信号驱动，控制垂直和水平方向。通过记录光电镜的驱动信号，获得极坐标和方位角坐标。点云数据在100 ms的总时间间隔内收集。为了在测距过程中校准频率偏移，5%的激光输出被送到一个参考不平衡马赫-曾德干涉光纤干涉仪中，该干涉仪的长度已校准。根据计算的频率偏移，推断出理想的距离分辨率为1.5 cm。录制的返回信号被划分为20,000个段——每个段对应一个斜坡段——并经过数字信号处理，以定位空间中的场景元素。首先，通过Hilbert变换对来自参考iMZI的信号进行线性化，然后用于重新采样返回信号，以改善信噪比。其次，评估来自目标和参考iMZI的拍频振荡图的零填充短时傅里叶变换。第三，从每个时频图中选择最大值，排除图4b中所示的回旋器、光纤连接器和准直器的频率峰。最后，我们使用从iMZI推断的已校准频率偏移将频率点转换为距离域，并从激光到准直器的距离中减去，以便给出相对于准直器孔径位置的点云距离。