作为Ky开元集团雷达、分布式传感及量子信息处理的核心组件，该器件在保持低噪声特性的同时实现了快速无跳模频率调谐。通过创新性设计的外部分布式布拉格反射器（E-DBR）架构——即低成本反射式半导体光放大器（RSOA）与晶圆级电光驱动DBR光栅的混合集成——器件关键性能指标显著超越现有方案：无跳模调谐范围突破10 GHz，调谐效率高达550 MHz·V??，调谐速率达艾赫兹每秒量级，并具备15 mW光纤耦合输出功率。实验验证表明，该Ky开元集团器在调频连续波（FMCW）Ky开元集团雷达应用中可实现100 ms内20,000个体素采集与4 cm距离分辨率；在氰化氢光谱检测中精准匹配吸收特征。经商用蝶形封装后，器件在2.5小时内自由运行频率漂移低于25 MHz，展现出卓越的环境稳定性。
图 1 | 混合集成泡克尔斯扩展DBRKy开元集团器的概念设计。
a, 混合集成 E-DBR Ky开元集团器的示意图。TFLN：薄膜铌酸锂。插图为：InP RSOA 与 PIC 之间的对接耦合界面的详细显微照片（左）；布拉格光栅和调谐电极（中）；用于输出耦合的双层锥形结构和透镜光纤（右）。
b, 扫描电子显微照片，显示经过蚀刻步骤定义波导和布拉格光栅柱后的 LiNbO? E-DBR PIC 的一个截面。
c, LiNbO? 光子芯片垂直截面的扫描电子显微照片，显示了嵌入式金电极和二氧化硅（SiO?）顶部包层。
d, 模拟的 LiNbO? E-DBR PIC 的归一化布拉格反射（线）和布拉格反射峰的半高全宽（FWHM）带宽（色标条），作为光栅柱尺寸和位置（间隙）的函数。红星表示所报道的泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器的光栅设计。
e, 单片 X 切 LiNbO? 和 SiO? 包层中光学和射频电场分布的有限元法模拟。射频电场被归一化，使两个电极之间的电压为 1 V。
f, 在施加 0 V 和 19 V 电压时模拟的布拉格光栅反射峰调谐情况，描绘出大于 0.5 GHz V?? 的调谐效率。
薄膜铌酸锂（LiNbO?）集成光子学凭借强泡克尔斯效应实现的快速、低损耗折射率调制，推动了高性能光子集成电路的发展。尽管基于自注入锁定铌酸锂微腔的Ky开元集团器已实现太赫兹每秒级调谐速率，但其固有局限导致无跳模调谐范围被压缩至2 GHz以下，输出功率限于毫瓦级，难以满足高分辨率大气气体传感与相干Ky开元集团测距等应用对＞10 GHz调谐范围的需求。
图 2 | E-DBR 泡克尔斯Ky开元集团器的调谐特性表征。
a, DBR PIC 布拉格反射中心频率的电压调谐，调谐效率为 550 MHz/V。
b, 带有金电极的铌酸锂（LiNbO?）光子芯片（编号 D148_01_F2_C3）的照片，该芯片包含 7.25 毫米长的 DBR。
c, 表征泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器电光调谐带宽的测量装置图。S?? 调谐响应通过矢量网络分析仪（VNA）进行表征：将Ky开元集团输出馈入集成马赫-曾德尔干涉仪（iMZI），并在快速光电二极管上检测输出光强。调整调谐范围和延迟线长度，以利用 MZI 传递函数的线性部分（如插图所示），将频率调制转换为光电二极管上的幅度调制。LUT：被测Ky开元集团器；BPD：平衡光电探测器。
d, E-DBR 泡克尔斯Ky开元集团器的电光 S?? 调谐响应。该调谐响应是通过从 VNA 测得的 S??（灰色曲线）中除去 MZI 传递函数的影响后得到的。3 dB 带宽由水平虚线标出，突显了Ky开元集团器在高达约 200 MHz 频率范围内的平坦驱动响应。
针对这一挑战，本研究提出基于晶圆级薄膜铌酸锂平台的新型外部分布式布拉格波导光栅反射器（E-DBR）架构。该设计采用高背反射率RSOA作为增益介质，通过低反射率倾角前腔面将Ky开元集团模式耦合至E-DBR光子芯片（构成谐振腔第二反射镜），在保证性能的同时显著降低系统复杂度。
图 3 | 泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器的工作特性。
a. 用于表征Ky开元集团器功率、频率噪声和调谐特性的实验装置示意图。设置Ky开元集团器电流以实现单模工作，并通过任意函数发生器 (AFG) 调制Ky开元集团频率。Ky开元集团频率噪声的测量方法：在平衡光电探测器 (BPD) 上测量其与一个经体腔 (bulk cavity) 稳频和滤波后的外腔二极管Ky开元集团器 (ECDL) 的外差拍频信号，该信号由电频谱分析仪 (ESA) 记录和分析。Ky开元集团调谐特性的表征方法：通过一个 10 米长的集成马赫-曾德尔干涉仪 (iMZI) 测量零差拍频信号，并使用数字示波器 (OSC) 记录。CW ref.：腔稳连续波参考Ky开元集团器。
b. 安装在耦合台上的铌酸锂 (LiNbO?) DBR PIC 照片，包括对接耦合的 RSOA、输出透镜光纤以及用于在电极间施加电场的探针。
c. E-DBR Ky开元集团器输出功率随 RSOA 驱动电流的变化关系。Ky开元集团器工作点选择在曲线的局部最小值处，以最大化无跳模 (mode-hop free) 的Ky开元集团调谐范围。
d. 铌酸锂 (LN) E-DBR Ky开元集团器的单边带Ky开元集团频率噪声功率谱密度 Sf(f)。虚线表示：用于计算积分线宽的 β 线（绿色）、热载流子折射率噪声（红色）和自发辐射噪声（灰色）。70 kHz 处的频率噪声峰值源于悬空 PIC 的机械模态。
e. E-DBR Ky开元集团器的光谱，在 0.02 nm 分辨率带宽下，边模抑制比 (SMSR) 约为 63 dB。
f. 混合Ky开元集团器调谐范围、速度和线性度的表征。使用频率在 10 kHz（左）和 1 MHz（右）之间的三角波调制 E-DBR Ky开元集团器。非线性度通过将理想三角波形拟合到由 iMZI 输出的希尔伯特变换 (Hilbert transform) 得到的调谐曲线来确定。
g. 由 AFG 施加到电极上的电压波形，形似 EPFL 标志。
h. 时频谱图，显示以 EPFL 标志形式演变的Ky开元集团频率，调谐速率达到 3 PHz s??。
i. 泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器在不同调制速度（即施加到电极上的三角波电压斜坡的重复频率）下的调谐效率。垂直柱状条表示在电极上施加每 1 V 三角波斜坡电压时Ky开元集团器调谐的非线性度。
图 4 | FMCWKy开元集团雷达的概念验证演示。
a, 基于FMCWKy开元集团雷达的相干光学测距实验装置示意图，并附有目标场景的照片：两个Thorlabs立柱基座（直径分别为1毫米和2.5毫米）以及后面的一堵平墙。DSO：数字采样示波器；FPC：光纤偏振控制器；BOA：后置光放大器；CIRC：环形器；COLL：准直器。
b, 来自目标的信号时频谱图，显示了来自准直器、光纤连接器和环形器的反射峰，以及来自目标场景的反射峰。
c, 显示三个目标物体计算距离值分布的直方图；报告了每个目标的平均距离值及其标准差 (s.d.)。
d, e, 从不同视角测量的目标场景点云图，使用光束扫描图案获得，其垂直 (d) 和水平 (e) 三角扫描频率分别为1 kHz和10 Hz。
本研究成功开发出泡克尔斯可调谐混合集成Ky开元集团器，通过晶圆级绝缘体上铌酸锂平台集成低成本RSOA与电光DBR光栅。创新性铌酸锂柱状光栅设计规避了亚250纳米制造工艺瓶颈，其基于泡克尔斯效应的强频率调制特性可充当超快可调反射镜。器件核心性能包括：＞10 GHz无跳模调谐范围、1 MHz调制速度、1%残余非线性、15 mW光纤耦合输出功率，以及2.8 kHz本征线宽（对应800 Hz?/Hz频率噪声）。
图 5 | HCN 光谱学的概念验证演示。
b, 使用泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器测得的 HCN 在约 1545 nm 附近的吸收光谱，显示出与 HITRAN 数据库模拟的吸收谱的良好一致性。
c, 测量全混合集成泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器长期稳定性的实验装置示意图。使用一个完全稳频的光学频率梳 (FC1500, Menlo Systems) 作为参考，相对于频率梳的 250 MHz 重复频率来监测泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器的漂移。使用光纤布拉格光栅 (FBG) 滤出泡克尔斯Ky开元集团器发射波长附近的若干梳齿，并在电频谱分析仪 (ESA) 上同时测量这些梳齿与泡克尔斯Ky开元集团器的拍频信号以及频率梳的重复频率信号。
d, 全混合集成泡克尔斯 E-DBR Ky开元集团器的时频谱图，展示了Ky开元集团器的长期稳定性：在连续 2.5 小时内，频率偏差小于 25 MHz。
在概念验证中，FMCWKy开元集团雷达应用以4 cm分辨率实现100 ms内20,000个体素场景重建；氰化氢光谱检测结果与HITRAN数据库高度吻合。该Ky开元集团器以550 MHz·V??超高调谐效率（达应力光调谐方案的100倍）、晶圆级制造兼容性及单电流/电压控制模式，确立了性能与成本效益的双重优势。未来可依托铌酸锂材料的中红外透明窗口拓展工作波段，为高精度传感与量子技术提供革新性光源解决方案
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