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siliziumbasierte Laser, die mit der Wafer-Scale-Fertigung in großen Mengen zu geringen Kosten kompatibel sind, große Fortschritte gemacht haben und jetzt in Rechenzentren im kommerziellen Maßstab eingesetzt werden, und beeindruckende Fortschritte zu integrierten Lasern mit (ultra) schmalen Sub- Mit einer intrinsischen Linienbreite auf 100-Hz-Niveau, die auf optischer Rückkopplung von photonischen Schaltungen basiert, mangelt es diesen Lasern derzeit an schneller nichtthermischer Abstimmung, dh Frequenzagilität, wie sie für kohärente Entfernungsmessung erforderlich ist.Hier demonstrieren wir einen hybriden photonisch integrierten Laser, der eine sehr schmale intrinsische Linienbreite von 25 Hz aufweist und gleichzeitig eine lineare, hysteresefreie und modensprungfreie Abstimmung über 1 GHz mit einer Betätigungsbandbreite von bis zu Megahertz mit 1,6 × 1015 Hz/s bietet Tuning-Geschwindigkeit.Unser Ansatz nutzt gießereibasierte Technologien – ultra-verlustarme (1 dB/m) photonische Si3N4-Mikroresonatoren, kombiniert mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) aus Aluminiumnitrid (AlN) oder Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), die auf spannungsoptischer Betätigung basieren.Elektrisch angetriebenes Lasern mit niedrigem Phasenrauschen wird durch Selbstinjektionsverriegelung eines Indiumphosphid (InP)-Laserchips erreicht und ist nur durch grundlegendes thermobrechendes Rauschen bei Offsets im mittleren Bereich begrenzt.Durch die Verwendung von Differenzansteuerung und Apodisierung des photonischen Chips zur Unterdrückung mechanischer Vibrationen des Chips wird eine flache Betätigungsantwort bis zu 10 MHz erreicht.Wir nutzen diese Fähigkeit, um eine kompakte kohärente LiDAR-Engine zu demonstrieren, die dreieckige optische Chirp-Signale mit bis zu 800 kHz FMCW erzeugen kann, ohne dass eine aktive Linearisierung oder Vorverzerrungskompensation erforderlich ist, und ein optisches Entfernungsexperiment von 10 m mit einer Auflösung von 12,5 cm durchzuführen.Unsere Ergebnisse stellen ein photonisch integriertes Lasersystem für Szenarien dar, in denen hohe Kompaktheit, schnelle Frequenzansteuerung und hohe spektrale Reinheit erforderlich sind.Laser mit niedrigem Phasenrauschen1,2,3,4 sind für eine Vielzahl von technologischen und wissenschaftlichen Anwendungen unerlässlich, die von der verteilten Fasersensorik5 über kohärentes LiDAR6,7,8,9,10 bis hin zur Mikrowellenphotonik11 reichen.In den letzten zehn Jahren hat die Entwicklung von heterogen integrierten Lasern zu einer neuen Klasse von CMOS-kompatiblen hochintegrierten Laserquellen geführt12,13,14, die jetzt kommerziell in Rechenzentrumsverbindungen eingesetzt werden.Die grundlegende Linienbreite, dh das Phasenrauschen, von Lasern ist durch die modifizierte Schawlow-Townes-Linienbreitengrenze15,16 gegeben, die vorschreibt, dass verlustarme Laserkavitäten mit einer hohen Anzahl von Photonen, die in der Kavität gespeichert sind, ein inhärent niedriges Phasenrauschen zulassen.Neben Quantenrauschen stellt thermodynamisches Rauschen, wie beispielsweise thermorefraktives Rauschen aufgrund von Brechungsindexschwankungen, eine weitere Grenze dar17,18.Bis heute wird das niedrigste Laserphasenrauschen von kompakten Halbleiterlasern durch Selbstinjektionsverriegelung mit diskreten kristallinen Resonatoren (Sub-Hz-Weißfrequenzrauschpegel)19,20 und weitgehend mit siliziumbasierten Lasern21,22 erreicht.Die Verwendung von Si3N4-TriPleX-Wellenleitern23,24, wie erstmals durch die Pionierarbeit der Gruppe von KJ Boller demonstriert, hat integrierte Hybridlaser mit Lorentz-Linienbreite auf Hz-Ebene ermöglicht, die stetige Verbesserungen gezeigt haben1.Unter Verwendung von Si3N4-Wellenleitern mit schwachem Einschluss und Laser-Self-Injection-Locking gipfelte es kürzlich in der Demonstration von Frequenzrauschen von 0,006 Hz2/Hz bei 4 MHz Offset3.Eine besonders interessante Anwendung für integrierte photonikbasierte rauscharme Laser ist kohärentes FMCW-LiDAR.In jüngster Zeit haben autonomes Fahren und Gebietskartierung das Interesse an solchen Quellen erhöht, und eine vollhybridintegrierte rauscharme, hohe und frequenzagile Quelle könnte daher weitere Anwendungen von kohärentem FMCW-LiDAR erschließen.Laserphasenrauschen begrenzt den maximalen Betriebsabstand und die Entfernungsgenauigkeit in FMCW LiDAR25,26.Eine zentrale Anforderung an FMCW im Long Range ist jedoch neben niedrigem Phasenrauschen Frequenzagilität, dh schnelle, lineare und hysteresefreie Abstimmung26.Gegenwärtig erfordern integrierte Laserquellen eine externe Linearisierung oder Vorkompensation.Die meisten digitalen Ansätze für photonisch integriertes FMCW-LiDAR, die Injektionsverriegelung einer Hochleistungslaserdiode mit einem elektrooptisch modulierten Seitenband eines kohärenten Lasers verwenden, können eine hervorragende Linearität und geringes Rauschen liefern27,28, erfordern aber heute optische Massenzirkulatoren und Faserlaser Oszillatoren für den Betrieb.Hier demonstrieren wir einen Laser, der sowohl geringes Rauschen als auch Frequenzagilität kombiniert und eine Laserabstimmung bei 1,6 × 1015 Hertz/Sekunde ermöglicht.Während beide in integrierten Geräten separat erreicht wurden und eine schnellere Abstimmung (z. B. MEMS-VCSEL-Laser) und ein noch geringeres Phasenrauschen für einzelne Laser erreicht wurden, werden diese beiden Eigenschaften in unserer Arbeit gleichzeitig in einem integrierten Gerät erreicht, während schnell (MHz ) Abstimmung und schmale Linienbreite (geringes Phasenrauschen).Dies wird durch die Verwendung von Self-Injection-Locking (SIL) eines III-V-InP-Lasers mit einem ultra-verlustarmen Si3N4-Mikroresonator2,29,30 erreicht, der monolithisch mit AlN-MEMS-basierten Aktuatoren integriert ist31,32, wir erreichen sowohl Frequenzagilität als auch schmale Linienbreite, Phasenrauschen, das bei Mittelbereichs-Offsets mit Faserlasern vergleichbar ist - dem Arbeitspferd für die Fasersensorik.Aufgrund des hohen Q der Si3N4-Mikroresonatorresonanzen zeigt der InP-Laser eine reduzierte intrinsische Linienbreite von ~25 Hz.Die Verwendung der piezoelektrischen AlN-Aktuatoren, die auf der Grundlage neuartiger Konturmodenunterdrückung und differentieller Ansteuerschemata entwickelt wurden, ermöglicht die Frequenzmodulation des photonischen Mikroresonators über den spannungsoptischen Effekt mit einer abgeflachten Reaktion bis zur Betätigungsfrequenz von 10 MHz – eine Verbesserung um eine Größenordnung33 aufgrund von die planare Kointegration.Dies ermöglicht eine Klasse kompakter LiDAR-Quellen, die keine externe Linearisierung des FMCW-Signals erfordern.Wir erzeugen dreieckig gechirpte Laser mit schmaler Linienbreite, die ohne digitale Vorverzerrung oder komplexe direkte Mikrowellensignalsynthese Chirp-Wiederholungsfrequenzen von bis zu 800 kHz und Nichtlinearitäten von nur 1 % erreichen können, und führen eine FMCW-LiDAR-Demonstration bei einer Chirp-Frequenz von 100 kHz durch.Die Vielseitigkeit, die durch die optischen und mechanischen Eigenschaften des Systems ermöglicht wird, ist vielversprechend in Anwendungen, einschließlich der vor Ort einsetzbaren Frequenzreferenzierung34, der frequenzagilen Rapid-Scanning-Spektroskopie35,36 und kostengünstigen FMCW-LiDAR-Engines32.Wie in Abb. 1a dargestellt, besteht das Hybridlasersystem aus einem III-V-Laserchip mit einer verteilten Rückkopplungsstruktur (DFB) und einem photonischen Chip-basierten, extrem verlustarmen Si3N4-Resonator mit einem monolithisch integrierten piezoelektrischen AlN-Aktor.Die DFB-Laserdiode ist auf einem piezoelektrischen 3D-Translationstisch montiert und an den photonischen Si3N4-Chip stumpf gekoppelt, wie in Abb. 1b, c gezeigt, der bei einer Laserwellenlänge von 1556 nm mit einer Ausgangsleistung im freien Raum von bis zu 120 mW arbeitet.Die photonischen Si3N4-Chips werden unter Verwendung des photonischen Damascene-Reflow-Prozesses30,37,38 hergestellt und weisen einen intrinsischen Qualitätsfaktor Q0 > 1,5 × 107 auf. Frequenzabhängige Transmissions-, Reflexions- und Kavitätslinienbreitendaten sind in SI Abb. 5 für alle verwendeten Chips dargestellt in dieser Arbeit.Der aus polykristallinem AlN als piezoelektrischem Hauptmaterial hergestellte Aktuator hat Molybdän (Mo) und Aluminium (Al) als untere (Masse) bzw. obere Elektrode31, wie in Abb. 1d gezeigt.Das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden stimmt die Mikroresonatorfrequenz über den spannungsoptischen Effekt ab39.Ein solcher Hybrid-Packaging-Ansatz23 und auch eine heterogene Integration mit InP-Laser und Si3N4-PIC, hergestellt auf einem einzigen Siliziumsubstrat21, wurden kürzlich mit Si3N4-Mikroresonatoren demonstriert.Indem wir den Strom der Laserdiode abstimmen, verschieben wir die relative Frequenz zwischen den Laser- und den Resonatormoden, um eine Selbstinjektionsverriegelung über die Kopplung von sich gegenläufig ausbreitenden Mikroresonatormoden zu erreichen, die durch Rückstreuung hauptsächlich von der Kern-Mantel-Grenzfläche induziert werden40 (vgl. SI Abb. 5 und 1e).Der Abstand zwischen dem Laserchip und dem photonischen Si3N4-Chip wird für eine optimale Rückkopplungsphase41 angepasst, was den maximalen Selbstinjektions-Verriegelungsbereich von bis zu 2,1 GHz ergibt (vgl. Abb. 1e).a Prinzip der Laser-Linienbreitenverengung durch Laser-Self-Injection-Locking.Die Laserfrequenzabstimmung wird durch Anlegen eines schwingenden elektrischen Signals an den monolithisch integrierten AlN-Aktor realisiert.b Lichtmikroskopische Aufnahme, die den DFB-Laser stumpf an den photonischen Si3N4-Chip gekoppelt zeigt.c Foto des Versuchsaufbaus mit DFB-Laser (links, montiert auf piezoelektrischem Tisch), Si3N4-Chip (Mitte), Ausgangslinsenfaser, Sonden für Piezoaktuator (oben).d Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme in Falschfarbe des Probenquerschnitts, die den piezoelektrischen Aktuator zeigt, der auf dem photonischen Si3N4-Schaltkreis integriert ist.Der piezoelektrische Aktuator besteht aus Schichten von Al (gelb), AlN (grün) und Mo (rot) auf Si3N4, die in einer SiO2-Hülle vergraben sind.e Spektrogramm, das die Laserfrequenzänderung bei linearer Abstimmung des Diodenstroms zeigt, gemessen für einen 190,7-GHz-FSR-Mikroresonator, gestrichelte Bereiche entsprechen dem Bereich, in dem der Laser selbstinjektionsgesperrt ist (mit minimalen Laserfrequenzschwankungen).f Schema der Abstimmung der Laserfrequenz.Unterschiedliche an den Piezoaktor angelegte Spannungspegel entsprechen unterschiedlichen Mikroresonator-Resonanzfrequenzen, was zu den unterschiedlichen Frequenzen des Lasers führt, wenn der Laserstrom im Bereich der Selbstinjektionsverriegelung liegt.g Spektrogramm der Laserfrequenzänderung bei der linearen Abstimmung der Hohlraumresonanz durch einen piezoelektrischen Aktuator, gemessen für einen 190,7-GHz-FSR-Mikroresonator, gestrichelte Bereiche entsprechen dem Bereich, in dem der Laser durch Selbstinjektion an die Verschiebungsresonanz gekoppelt ist.h Schema der linearen Laserfrequenzabstimmung mit integriertem Piezoaktor.Durch Anlegen der dreieckigen Spannungsrampe an den Piezoaktuator wandeln wir die durch den Piezoaktuator induzierte Hohlraumresonanzverschiebung in die dreieckige Laserfrequenzänderung um, während wir innerhalb des Verriegelungsbereichs arbeiten.Selbstinjektionsverriegelung auf diese Weise wurde in früheren Arbeiten erreicht, jedoch ermöglicht der ultra-verlustarme photonische integrierte Resonator die wesentliche Reduzierung des Phasenrauschens durch Selbstinjektionsverriegelung, die bisher nur in Si3N4-Mikroresonatoren mit niedrigem Einschluss ohne nichtthermische Einschließung übertroffen wird Betätigung oder kristalline Mikroresonatoren19.In unserer Arbeit berücksichtigen wir nur das lineare Regime des Laserbetriebs, indem wir die Rückkopplungsphase anpassen und die optische Ausgangsleistung unter 1,5 mW halten.Um Frequenzagilität zu erreichen, spannen wir die Diode in der Mitte des Verriegelungsplateaus vor.Auf diese Weise werden Änderungen in der Mikroresonatorfrequenz den injektionssynchronisierten Betrieb aufrechterhalten und daher zu einer Frequenzabstimmung führen (vgl. Fig. 1f).Der AlN-Aktuator wandelt daher die angelegte Spannung direkt in Änderungen der optischen Frequenz um.Abbildung 1h zeigt den Bereich, über den die Frequenz des photonischen Resonators abgestimmt werden kann, während die Injektionsverriegelung beibehalten wird (entsprechend einem Abstimmbereich von bis zu 2,1 GHz).Um das sehr niedrige Phasenrauschen des Lasers zu messen und zu bestätigen, verwenden wir zwei Ansätze (siehe Abb. 2a), um die spektrale Leistungsdichte Sν(Ω) des Frequenzrauschens (einseitige PSD, in Einheiten von Hz2/Hz) zu messen, einschließlich (1) Schlagen des injektionsgesperrten Lasers mit einem Referenzlaser mit ultraschmaler Linienbreite (Einzelheiten siehe SI) und Messen des Frequenzrauschspektrums des Schwebungssignals mit einem elektrischen Spektrumanalysator (ESA) und (2) optische Kreuzkorrelation -basierte Charakterisierung des Rauschspektrums42 unter Verwendung von zwei Hilfslasern.(vgl. Abb. 2b und SI).Da der Laserlinienbreiten-Verschmälerungsfaktor, dh das Verhältnis der freilaufenden Laserlinienbreite zur Linienbreite des injektionsgekoppelten Lasers, quadratisch proportional zum Q der Resonatormode ist, auf die der Laser selbstinjektionsgekoppelt ist41, ist der hohe geladene Q des Si3N4-Mikroresonators (siehe Fig. 2c) kann die optische Linienbreite erheblich verringern und das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR) verbessern.Wir präsentieren Simulationen der Selbstinjektions-Sperrdynamik im SI.Abbildung 2d zeigt das optische Spektrum des Lasers, während er selbstinjektionsverriegelt ist, und demonstriert eine SMSR von 60 dB.Das relative Intensitätsrauschen (RIN) des Lasers wird im SI angezeigt.Abbildung 2e zeigt die Frequenzrauschspektren der Hybridlaser im Freilaufzustand bzw. im Selbstinjektionsverriegelungszustand.Für das Injektions-Locking werden drei Mikroresonatoren mit unterschiedlichen Größen und unterschiedlichen freien Spektralbereichen (FSRs) von 190,7, 9,87 und 2,45 GHz getestet.Generell unterdrückt das Self-Injection-Locking das Frequenzrauschen des Lasers über das gesamte Spektrum um mehr als 30 dB.Bei Frequenzen unter 1 kHz führen technisches Rauschen aufgrund von Umgebungstemperaturschwankungen und die durch akustische Schwingungen verursachten Kopplungslückeninstabilitäten (die durch Gehäuse eliminiert werden können) zu einem hybrid integrierten Laser-RIN und auch zu einer Umwandlung in Frequenzrauschen bei Offsets < 1 kHz (siehe S.I.).Die auf der optischen Kreuzkorrelation basierende Charakterisierung zeigt, dass das Laserfrequenzrauschen ein Plateau (weißes Grundrauschen) von nur 8 Hz2/Hz für das 2,45-GHz-Gerät, 10 Hz2/Hz für das 9,87-GHz-Gerät und 300 Hz2/Hz für das 190,7-GHz-Gerät erreicht bei 3 MHz Offset.Es wurde festgestellt, dass die spektrale Leistungsdichte des Frequenzrauschens in guter quantitativer Übereinstimmung mit der fundamentalen Grenze des thermorefraktiven Rauschens (TRN)43 des Si3N4-Mikroresonators bei Offsets im mittleren Bereich von 5 bis 100 kHz steht.Somit demonstrieren wir unter Verwendung einer Si3N4-Plattform mit hohem Einschluss die durch thermorefraktives Rauschen begrenzte Laserleistung, die nur in Si3N4-Wellenleitern mit niedrigem Einschluss gezeigt wurde2,3.Wir stellen fest, dass diese intrinsische Linienbreite weiter reduziert werden kann, indem Mikroresonatoren mit noch größerem optischen Modenvolumen und daher reduziertem TRN verwendet werden.Um die Leistung dieses integrierten Lasers zu veranschaulichen, vergleichen wir das Laserfrequenzrauschen mit zwei häufig verwendeten Lasern.Abbildung 2f zeigt, dass unser integrierter Hybridlaser besser ist als ein hochmoderner kommerzieller Diodenlaser mit externer Kavität (ECDL, Toptica CTL) und einem kommerziellen Faserlaser (NKT Koheras Adjustik E15) im Offset-Frequenzbereich von 1–50 ebenbürtig ist kHz.Ein weiteres Verfahren zum Quantifizieren und Vergleichen der Linienbreite aus der gemessenen Frequenzrauschspektraldichte Sν(f) besteht darin, die Beta-Linie aufzurufen44.Durch Integrieren des Frequenzrauschens bis zur Frequenz des Schnittpunkts mit einer Linie Sν(f) = 8·ln(2)f/π2 erhalten wir eine Fläche A, die wir für das FWHM-Maß der Linienbreite verwenden (8·ln(2 )A)1/2.Die volle Breite bei halber maximaler Linienbreite, die durch Integration des Frequenzrauschens von der Betalinie bis zur inversen Integrationszeit berechnet wird, beträgt für das 9,87-GHz-FSR-Si3N4-Bauelement 7,5 kHz bei 1 ms Integrationszeit, 18,7 kHz bei 10 ms, und 21,5 kHz bei 100 ms.Für das 190,7-GHz-FSR-Si3N4-Gerät beträgt die integrierte Linienbreite 43,27 kHz bei 1 ms Integrationszeit, 73,7 kHz bei 10 ms und 81,7 kHz bei 100 ms.Für das 2,45-GHz-FSR-Si3N4-Gerät beträgt die integrierte Linienbreite 14 kHz bei 1 ms Integrationszeit, 127 kHz bei 10 ms und 130 kHz bei 100 ms (vgl. SI Abb. 6).a Experimentelle Schemata von Laserfrequenzrauschmessungen unter Verwendung einer optischen Kreuzkorrelationstechnik oder einer Überlagerungsschwebung mit dem Diodenlaser mit externem Hohlraum (ECDL), der mit einem kristallinen Resonator mit hohem Q unter Verwendung der Pound-Drever-Hall-Technik verriegelt ist.b Schema im Frequenzbereich der Technik der optischen Kreuzkorrelation (CC).c Die photonischen Si3N4-Chips mit einem FSR von 9,87 GHz haben einen Eigenverlust von κ0/2π < 10 MHz, was einem Qualitätsfaktor von Q0 > 20 × 106 entspricht. Das κ0/2π-Histogramm von 1477 TE00-Resonanzen von einem 9,87-GHz-FSR-Mikroresonator wird gezeigt.d Optisches Spektrum der SIL-DFB-Emission.e Einseitige PSD des Frequenzrauschens des hybriden integrierten Lasersystems bei Selbstinjektionsverriegelung mit Mikroresonatoren mit FSRs: 190,7 GHz (grün), 9,87 GHz (rot), 2,45 GHz (blau) und freilaufendem Regime (grau).Dunkle Farbspuren entsprechen optischen Kreuzkorrelationsdaten, helle Farbspuren dem Heterodyne-Beat-Verfahren.Die gepunkteten roten, grünen und blauen Linien zeigen die berechnete thermorefraktive Rauschgrenze für Si3N4-Mikroresonatoren mit unterschiedlichem FSR.f Der Einschub zeigt einen Vergleich des Frequenzrauschens von SIL DFB mit einem kommerziellen ECDL (Toptica CTL) und einem kommerziellen Faserlaser (NKT Koheras Adjustik E15).Als nächstes demonstrieren wir die Frequenzagilität unseres Hybridlasers.Zu diesem Zweck führen wir eine Frequenzmodulation des selbstinjektionsgekoppelten Lasers durch Anlegen einer zeitlich veränderlichen Spannung an den einzelnen integrierten AlN-Aktuator (vgl. Abb. 3a) durch, der auf einem Quadrat auf dem 190,7-GHz-Ringresonator hergestellt wurde (4,96 × 4,96 mm) nicht apodisierter Chip.Dreieckige Rampensignale mit Rampenfrequenzen von 10 kHz bis 800 kHz werden mit einem beliebigen Frequenzgenerator erzeugt und auf 150 Vpp verstärkt, was eine 1,1-GHz-Laserfrequenzmodulation induziert.Die Abstimmungseffizienz setzt sich aus zwei Beiträgen zusammen: erstens dem mikroskopischen photoelastischen Effekt und zweitens der Änderung des Ringradius aufgrund der erzeugten mechanischen Spannung.Letzteres führt zu einer um 30 % gesteigerten Abstimmeffizienz des 190,7-GHz-Resonators im Vergleich zu größeren Ringresonatoren.Im Self-Injection-Locking-Bereich prägt sich die Änderung der Mikroresonatorfrequenz direkt auf die Laserausgangsfrequenz ein, auch ohne zusätzliche Rückkopplung auf den Pumpstrom des Lasers.Die zeitveränderliche Laserausgangsfrequenz wird durch Messen einer heterodynen Schwebung mit einem Referenz-ECDL (freilaufender Toptica CTL) auf einem schnellen Fotodetektor charakterisiert.Wir definieren die Chirp-Nichtlinearität als die Abweichung des quadratischen Mittelwerts (RMS) der gemessenen Frequenzabstimmkurve von einer perfekten Dreiecksrampe, die mit der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt wird.Die PSD des Phasenrauschens des abgestimmten Lasers kann auch direkt durch die Hilbert-Transformation aus der Überlagerungsschwebungsnote (vgl. SI Fig. 10) wiedergewonnen werden.Abbildung 3b, c fassen die Hauptergebnisse des Heterodyne-Beat-Experiments zusammen, bei dem der SIL-Laser an einen 190,7-GHz-Mikroresonator gekoppelt war.Der große Abstimmbereich von >1 GHz bei hohen Rampengeschwindigkeiten bis zu 800 kHz mit kleinen Chirp-RMS-Nichtlinearitäten unter 1 %, wie in Abb. 3b gezeigt, zeigt die bemerkenswerte Frequenzagilität unseres Systems.Diese hervorragende Linearität und die nahezu verschwindende Hysterese des monolithisch integrierten AlN-Aktuators32 ermöglicht die Erzeugung hochlinearer dreieckiger Chirps für Modulationsfrequenzen bis zu 100 kHz, ohne dass eine aktive oder passive Linearisierung erforderlich ist.Abbildung 3d zeigt die verarbeiteten Laserfrequenzspektrogramme und die entsprechenden Nichtlinearitäten bei jeweils fünf verschiedenen Rampenfrequenzen.Bei einer Modulationsfrequenz von 10 kHz beträgt die erreichte RMS-Nichtlinearität nur 600 kHz (relative Nichtlinearität 5 × 10−4), was sich bei einer Abstimmrate von 100 kHz auf 1,5 MHz nur geringfügig verschlechtert.In Abb. 3c zeichnen wir die frequenzabhängige Transduktion aus der Frequenzmodulationsamplitude der ersten 17 Harmonischen jeder Modulationsfrequenz (10 kHz–800 kHz) aus den in Abb. 3d dargestellten experimentellen Daten auf.Die Spitze um 900 kHz passt gut zum ersten mechanischen Modus des Chips, der in Abb. 3e dargestellt ist.Die 4-MHz-Tiefpassgrenze des Hochspannungsverstärkers ist rot gekennzeichnet.Zusammen mit einem Abstimmbereich von mehr als 1 GHz übertrifft eine solche Betätigungsbandbreite die Leistung herkömmlicher Tischlasersysteme, die auf Bulk-Piezo basieren, was diese Laserquelle zu einem idealen Kandidaten für die direkte Implementierung in FMCW-LiDAR-Systemen45 mit großer Reichweite macht, die mit Geschwindigkeiten von bis zu Megapixel betrieben werden können -pro Sekunde.a Versuchsaufbau zur heterodynen Schwebungscharakterisierung des frequenzagilen hybridintegrierten Lasers.Als Referenz wird ein Dauerstrich-(CW)-Diodenlaser mit externer Kavität verwendet, und die Beatnote wird auf einem schnellen Oszilloskop (DSO) aufgezeichnet und mit Kurzzeit-Fourier-Transformationen analysiert.b Frequenzabweichung (blau) und Rest-Effektivwert (RMS)-Nichtlinearität (rot) von dreieckigen Laserchirps.Der AlN-Aktuator wird mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 150 V angesteuert. c Piezospannung-zu-Laserfrequenz-Umwandlung wird aus dem harmonischen spektralen Inhalt des Laserfrequenz-Chirps und dem am besten angepassten perfekten dreieckigen Frequenz-Chirp (rot) berechnet.d Zeit-Frequenz-Spektrogramm der heterodynen Schwebungsnoten für verschiedene dreieckige Chirp-Wiederholungsfrequenzen.Untere Reihe: Residuum der Kleinste-Quadrate-Anpassung der Zeit-Frequenz-Spuren mit symmetrischem dreieckigem Chirp-Muster.e Unterdrückung mechanischer Resonanzen photonischer Chips.Gemessene Reaktionen der spannungsoptischen Aktuierung für einen 190,7-GHz-FSR-Mikroresonator unter Verwendung eines scheibenförmigen Piezoaktuators mit Einzelaktuierung (grau), Doppelaktuatoren mit Differenzaktuierung für einen quadratischen Si3N4-Chip (grün), einen apodisierten Chip (rot) und einen apodisierten Chip auf einem Kohleband (blau).Einschübe: drei mechanische Modi eines regulären Si3N4-Chips (225 kHz, 490 kHz, 967 kHz) und eines apodisierten Chips (1,69 MHz), simuliert mit FEM, Eigenfrequenzen durch die Pfeile mit Visualisierung des Verschiebungsamplitudenprofils gekennzeichnet.Unten links: Foto des apodisierten Chips mit der Dual-Aktuator-Konfiguration, genaue Chipabmessungen sind in der SI angegeben.Experimentelles Schema zur Differenzansteuerung eines Doppelaktuators.Um die optimale Leistung des integrierten Hybridlasers als FMCW-LiDAR-Engine bei hohen Messraten zu erreichen, ist neben einem großen optischen Frequenzhub B (der die LiDAR-Auflösung c/2B bestimmt) eine abgeflachte Betätigungsübertragungsfunktion zur Minimierung des Chirpens sehr erwünscht Nichtlinearität.Der untere Einschub von Abb. 3e zeigt den Aufbau der Betätigungsreaktionsmessung.Bei dieser Messung wird die von einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) abgeleitete Betätigungsspannung an den Aktuator angelegt, und ein Laser wird frequenzabgestimmt, um auf der Resonanzseite zu sitzen, um die Antwort zu messen.Abbildung 3e zeigt die gemessene optomechanische Reaktion der Konfiguration mit einem Aktuator (grau) und der Konfiguration mit zwei Aktuatoren (grün, rot und blau).Wie in Abb. 3e (grau) gezeigt, regt der hergestellte piezoelektrische monolithische AlN-Aktuator viele mechanische Massen- oder Konturmoden des photonischen Chips an, was zu einer nicht flachen Betätigungsantwort führt.Der Einschub von Fig. 3e zeigt Finite-Elemente-Simulationen der Biegemoden des photonischen Chips, die den beobachteten Betätigungsresonanzen entsprechen.Die zunehmende Modendichte des photonischen Si3N4-Chips mit der Betätigungsfrequenz schränkt die flache effektive Betätigungsbandbreite stark ein.Wir mildern diesen Effekt zunächst, indem wir das aktive Unterdrückungsschema mit einer Differenzbetätigung entwickeln.In diesem Schema wird neben dem Mikroresonator ein zusätzlicher AlN-Aktuator mit der gleichen Geometrie hergestellt.Die beiden Aktuatoren werden von demselben Signal angesteuert, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 180 Grad, um die Aktivierung der mechanischen Modi des photonischen Chips aufzuheben.Dadurch kann bei gleichem stressoptischem Effekt auf den Mikroresonator die Anregung mechanischer Resonanzen effektiv unterdrückt werden, wie in Abb. 3e (grün) dargestellt.Das Schema reduziert effektiv Moden unter 1 MHz, wobei hauptsächlich die Biegemoden aufgrund von destruktiver Interferenz im Fernfeld aufgehoben werden, ein Schema, das von nanomechanischen Membranen46 inspiriert wurde.Viele mechanische Moden mit relativ niedrigen Resonanzfrequenzen sind Biegemoden, deren Schwingungen durch stehende Querwellen verursacht werden.Die mechanischen Massenmoden, deren Schwingungen durch stehende Longitudinalwellen verursacht werden (Visualisierung des Verschiebungsamplitudenprofils bei einer Frequenz von 967 kHz), können durch vernünftiges Formen der Geometrie der photonischen Chips eliminiert werden47.Um die Ansteuerung weiter zu verbessern und die akustischen Volumenmoden zu unterdrücken, haben wir als nächstes den photonischen Si3N4-Chip apodisiert, indem wir den freigesetzten Chip in Würfel geschnitten haben.Wir beobachten eine Verringerung der Anzahl mechanischer Massenmoden in einem apodisierten photonischen Chip.Abbildung 3e (rot) zeigt, dass die mechanischen Resonanzen unter 1 MHz mit der ersten Resonanz des apodisierten Chips bei 1,69 MHz vollständig entfernt werden, was der Finite-Elemente-Simulation (FEM) entspricht.Wir glätten die Betätigungsreaktion weiter, indem wir den apodisierten Chip auf einem Stück Kohleband anbringen und dann die Aktuatoren wie zuvor erläutert differenziell ansteuern.Auf diese Weise werden sowohl die Biege- als auch die mechanischen Volumenmoden bis zur ersten akustischen Grundschwingungsmode mit hohem Oberton (HBAR) bei 17 MHz32 gedämpft.Das aktive Unterdrückungsschema auf einem apodisierten Chip, der über einem Kohleband platziert ist, begrenzt die Variationen der Betätigungsantwort auf 1 dB, was eine rekordverdächtige Antwortbandbreite von fast 20 MHz ergibt (siehe SI für das vollständige Diagramm).Ein solches flaches Betätigungsverhalten kann die lineare Chirp-Performance des FMCW-LiDARs verbessern (siehe die SI für die Analyse der erforderlichen Betätigungsbandbreite) und ermöglicht insbesondere eine Erhöhung der FMCW-Signalfrequenz, wodurch die Geschwindigkeit des LiDARs direkt darüber hinaus erhöht wird Megapixel pro Sekunde.Als tatsächliche Demonstration des Potenzials des hybrid integrierten Lasers führen wir optisches FMCW-LiDAR-Mapping in der Laborumgebung durch.Wichtig ist, dass wir – aufgrund der hervorragenden Linearität, niedrigen Hysterese und schmalen Linienbreite – Ranging ohne adaptive Taktabtastung und ohne Vorverzerrungslinearisierung durchführen können.Abbildung 4a zeigt den experimentellen Aufbau der FMCW-LiDAR-Messung, für die Beschreibung des Experiments siehe Methoden.Wir wenden einen dreieckigen Chirp mit einer Frequenz von 100 kHz auf den piezoelektrischen AlN-Aktuator an, um eine optische Frequenzauslenkung von 1,2 GHz des selbstinjektionsgesperrten Lasers zu erhalten, was einer Auflösung von 12,5 cm bei der Entfernungsmessung entspricht.Die Strahlsteuerung wird durch einen mechanischen Galvo-Scanner mit zwei Spiegeln realisiert.Für die Entfernungszielszene verwenden wir einen Polystyrolschaum-Donut vor einem PC-Monitor in 10 m Entfernung vom Laserkollimator (Abb. 4b).Wir zeichnen ein Schwebungssignal von Licht auf, das vom Ziel und dem Laser im Pfad des lokalen Oszillators auf einem symmetrischen PD reflektiert wird.Um die Punktwolke aus einem aufgezeichneten Oszillogramm zu konstruieren, verwenden wir zunächst eine Kurzzeit-Fourier-Transformation mit einer Fenstergröße gleich der Hälfte der Chirp-Periode.Erhaltene Zeit-Frequenz-Diagramme für das Ziel sind in Fig. 4c dargestellt.Zeit-Frequenz-Spektrogramme enthalten 82.000 Zeitscheiben mit einem typischen SNR von 15 dB für das Ziel.Wir entfernen Punkte mit SNR unter 10 dB aus der Punktwolke.Eine merkliche Reflexion bei 27 MHz in Fig. 4c ist auf die Reflexion vom Kollimator zurückzuführen.Peaks bei 40–46 MHz Offsets entsprechen der Zielszene.Wir finden einen Peak mit maximaler spektraler Amplitude im Zeit-Frequenz-Diagramm für jede Zeitscheibe.Die Frequenz des Peaks liefert die Entfernungsinformation (Radialkoordinate) für jede Zeitscheibe.Abbildung 4d zeigt ein Histogramm der Abstandsverteilung für die Zielpunktwolke.Wir haben Zero-Padding verwendet, um die FFT-Fenstergröße um das Vierfache zu erhöhen und eine kontinuierliche Verteilung des radialen Abstands zu erhalten.Der Punktcluster in 9 m Entfernung entspricht dem Styropor-Donut, 9,35 m dem PC-Monitor und 9,7 m der Rückwand.Eine kleine Anhäufung von Punkten in 9,6 m Entfernung entspricht der Lötstation auf dem Tisch.Alle Peakbreiten sind durch die Grundauflösung von 12,5 cm begrenzt.Polar- und Azimutalkoordinaten wurden aus den Antriebssignalen der Galvo-Scannerspiegel abgerufen, die auf demselben DSO aufgezeichnet wurden.Interaktiver Code für die LiDAR-Datenverarbeitung finden Sie im Abschnitt Code-Verfügbarkeit.Abbildung 4e,f,g zeigt die Punktwolke der Szene mit entfernungsbasierter Einfärbung, der Donut ist in Blau dargestellt, der PC-Monitor in Grün und ein Teil der Wand in Gelb.Die Szene wurde korrekt rekonstruiert, obwohl die doppelte Schichtung von Objekten in Abb. 4g aufgrund der Diskretisierung von 12,5 cm LiDAR-Auflösung sichtbar ist (in der FFT wurde kein Zero-Padding verwendet).a Schematische Darstellung des Aufbaus für die FMCW-LiDAR-Messung.Eine dreieckige Rampe mit 150 V Spitze-zu-Spitze-Amplitude bei einer Rate von 100 kHz wird an den AlN-Piezoaktuator angelegt, der eine optische Frequenzauslenkung von 1,2 GHz des selbstinjektionsgekoppelten DFB-Lasers bereitstellt.Die Strahllenkung wird durch einen mechanischen Galvo-Scanner mit zwei Spiegeln realisiert.b Fotos des Ziels – ein Donut vor einem PC-Monitor.c Zeit-Frequenz-Diagramm für ein Signal vom Ziel.d Histogramm der Abstandsverteilung in der Punktwolke.e–g Punktwolke des Ziels aus verschiedenen Perspektiven unter Verwendung eines Strahlabtastmusters mit 3 Hz vertikaler und 60 Hz horizontaler dreieckiger Abtastfrequenz.Punktfarben basieren auf der Entfernung.Donut entspricht Blau, PC-Monitor - Grün, Wand - Gelb.Um die in unserem Verfahren begrenzte optische Frequenzauslenkung und insbesondere die Si3N4-Probe durch den Injektionssperrbereich zu erhöhen und die LiDAR-Auflösung zu verbessern, könnte man ein anderes Abstimmungsschema in Betracht ziehen, bei dem der Laserdiodenstrom und die Piezoaktuatorspannung synchron so abgestimmt werden, dass der Laser eingeschaltet bleibt injektionsgesperrter Zustand.In diesem Fall ist eine Diodenstromabstimmung möglicherweise nicht genau linear, wie die Selbstinjektionsverriegelung impliziert, und erhält die Linearität der Hohlraumresonanzabstimmung durch den piezoelektrischen Aktuator.Bei einem solchen Vorwärtskopplungsschema wäre der Laserabstimmbereich durch den Abstimmbereich des Piezoaktuators begrenzt.Eine andere Option könnte darin bestehen, eine auf zwei Mikroringen basierende Nonius-Konfiguration für den Laser48,49 zu verwenden, wobei die schnelle Abstimmung durch integrierte Piezoaktuatoren bereitgestellt wird.Wir untersuchen die Reduzierung der erforderlichen Abstimmspannung durch die Einführung eines integrierten piezoelektrischen Aktuators auf der Basis von Blei-Zirkonium-Titanat (PZT)50,51.Der Aktuator hat PZT als piezoelektrisches Hauptmaterial und Platin (Pt) als obere und untere (Masse-) Elektrode, wie in Fig. 5a gezeigt.Der Hauptunterschied zu AlN besteht darin, dass der PZT-Prozess eine strukturierte Masseebene hat, um die Bondpad-Kapazität zu eliminieren, da die relative Dielektrizitätskonstante von PZT >800 im Vergleich zu ~9 für AlN ist.Unter Verwendung eines scheibenförmigen PZT-Aktuators auf einem Si3N4-Mikroresonator mit 100 GHz FSR (siehe Abb. 5b) führen wir das Heterodyne-Beat-Experiment mit einem freilaufenden ECDL-Referenzlaser durch.Der DFB ist bei 240 mA Antriebsstrom zur Resonanz des Si3N4-Hohlraums selbstinjektionsverriegelt.Durch Anlegen einer dreieckigen Spannungsrampe mit einer Frequenz von 81 kHz und einer Amplitude von 0,5 V bis 3,5 V und einer positiven Vorspannung von 3,5 V haben wir die optische Frequenzabweichung von 230 MHz bis 1832 MHz entsprechend gemessen und eine Abstimmeffizienz von 520 MHz/V angepasst (siehe Abb. 5c).Abbildung 5d, e zeigt das Laserfrequenzspektrogramm und die entsprechende Tuning-Nichtlinearität bei 500 kHz Rampenfrequenz mit 1,1 V angelegt, was die Nichtlinearität des PZT-Aktuators von 0,95 % über 525 MHz Frequenzauslenkung bestätigt.a Falschfarben-REM-Bild des Probenquerschnitts, das den PZT-Aktor zeigt, der auf dem photonischen Si3N4-Schaltkreis integriert ist.Der piezoelektrische Aktuator besteht aus Pt- (gelb) und PZT- (grün) Schichten auf Si3N4 (blau), vergraben in einer SiO2-Hülle.Nat.Wissenschaft.Nat.Phys.Phys.Nat.Wissenschaft.Nat.Nat.Nat.Nat.Int.Phys.Appl.Appl.Phys.Phys.Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchenSie können 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