对于激光器和 OFC 的许多计量和传感应用而言，实现激光频率、梳齿和重复率的高速驱动的能力是至关重要 [244]。例如，将频率梳锁定到微波标准是光频率合成的关键 [245]。将频率梳锁定到稳定的参考腔也是通过光频分产生低噪声微波的关键 [246]。光学时钟需要将频率梳锁定到原子跃迁 [247]，并且需要更高带宽的致动器来跟上时钟分数频率不确定性的改进 [248]。基于锁模激光器的频率梳已经建立了用于宽带频率驱动的复杂技术，通常使用激光腔内的体相位或幅度调制器实现。相比之下，基于测量的芯片微梳的高速反馈稳定目前仅通过在泵浦激光器上驱动的片外体调制器来实现 [249]。另一方面，激光器的频率灵活性通常是将其锁定到光纤光栅或实现无周跳相位锁定的另一个关键要求 [250]。此外，调谐速度是 FMCW LiDAR 分辨率的限制之一[38]。因此，对于集成激光器和孤子微梳源来说，片上高速致动器非常可取。由于其低光学损耗和高克尔非线性，Si3N4 已成为具有窄线宽 [5] 的混合集成激光器和具有低泵浦阈值的孤子微梳 [49] 的主要材料平台之一。虽然已经证明了与 Si3N4 集成的调制器，例如基于石墨烯的电吸收 [72,73,76,212] 和铁电 PZT [77]，但它们尚未表现出与孤子生成的兼容性，这需要保持超低光学损耗。因此，目前孤子微梳的集成驱动技术主要依赖于金属加热器 [64,65]，其驱动带宽限制在 10 kHz 以下。此外，加热器表现出单向调谐，通常消耗超过 30 mW 的电能 [39]，高于最先进的集成设备中孤子形成的光功率阈值 [39,40]，并且与低温操作不兼容 [67,91]。或者，在 Pockels 材料中直接产生孤子，例如 AlN [46,47,225,251] 和 LiNbO3 [43–45] 可以实现高速驱动，但这些平台尚未像 Si3N4 那样成熟。在本节中，我们回顾了芯片级集成激光器和孤子微梳的压电调谐的最新进展。我们详细阐述了工作原理、主要特点和设计考虑因素。最后，我们与其他方案进行了比较，并讨论了未来的应用和改进。
本文译自--Piezoelectric actuation for integrated photonics--
作者为--Hao Tian,1 Junqiu Liu,2,3 Alaina Attanasio,1 AnatSiddharth,4 Terence Blésin,4 Rui Ning Wang,4Andrey Voloshin,4 Grigory Lihachev,4 Johann Riemensberger,4 Scott E. Kenning,1 Yu Tian,1 Tzu Han Chang,1 Andrea Bancora,4 Viacheslav Snigirev,4Vladimir Shadymov,4 Tobias J. Kippenberg,4AND SunilA. Bhave1,∗,∗
本文主要有以下几个章节，我们分几篇来分享
简介
集成光子器件的超快压电调谐
激光应用中的压电调谐
射频声光调制
片上声光调制器的应用
未来发展
重点
Al2O3；--紫外光波导平台
SINOI；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，
SICOI；用于碳化硅光子集成线路的高纯半绝缘碳化硅薄膜衬底
LTOI；铌酸锂的最有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆
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4.1. 窄线宽、频率捷变集成激光器
在过去的几十年里，异质集成半导体激光器以其紧凑的尺寸和低成本彻底改变了激光在我们日常生活中的应用，从激光指示器到数据中心[252]。然而，它的频率噪声仍然高于光纤激光器。直到最近，由于混合和异质集成的成熟，与低损耗 Si3N4 光子电路的耦合才使得芯片级低噪声激光器成为可能[253]。人们发明了各种耦合方案，如晶圆键合[4,7,254,255]、边缘耦合[5,41,256]和光子引线键合[257–259]。通过适当调整激光注入电流，使连续波 (CW) 激光器的频率与外部 Si3N4 微谐振器的谐振频率一致，实现了赫兹线宽激光器 [5,260]。然后，激光发射频率自注入锁定到 Si3N4 微谐振器，在没有光隔离器的情况下，激光动力学受到外部反馈光的影响 [261]。当光耦合到微谐振器中时，微谐振器内部的体瑞利散射和表面瑞利散射可以反向散射部分光并将其注入激光器，从而触发激光自注入锁定 (SIL) 并影响激光动力学。结果是新的激光发射频率紧密锁定在频率接近的微谐振器谐振上初始自由运行激光器的发射频率。在这种被动光学反馈下，激光线宽和噪声显著降低[与 Pound-Drever-Hall (PDH) 锁定等激光频率的主动锁定相反]，并且线宽最终受到 Si3N4 微谐振器的热折射噪声 (TRN) 的限制[262]。
集成 AlN 执行器的可调混合 DFB 激光系统。(a) DFB 激光自注入示意图，锁定到高 Q Si3N4 微环谐振器，由 AlN 执行器调谐。(b) DFB 激光边缘耦合到 Si3N4 芯片的实验装置照片。(c) 通过将施加到 AlN 执行器的电压从 -150 扫描到 150 V，激光频率变化的频谱图。紫色阴影区域对应于 2.1 GHz 的 SIL 范围。(d) 在不同重复率的三角啁啾下，SIL 激光器和参考二极管激光器之间的异差拍音的时间频率频谱图。底部插图是与理想三角波的偏差。(a)–(d) 根据 CC BY 许可转载。
4.1a. 压电可调自注入锁定 DFB 激光器
在 SIL 状态下，激光频率主要由 Si3N4 微谐振器的谐振频率决定，该频率在制造时就固定下来了。通过将压电致动器单片集成在 Si3N4 微谐振器顶部，可以快速调整激光频率，这在参考文献 [52] 中首次得到演示。如图 23(a) 和 (b) 所示，分布式反馈 (DFB) 激光器边缘耦合到 Si3N4 微环谐振器，该谐振器由环形 AlN 致动器驱动。施加电信号后，频率调谐从光学谐振转移到锁定激光频率，如图 23(c) 所示。最初，通过调节激光器的电流，使谐振器和激光器的频率接近并设置为 SIL 状态。只要保持 SIL 状态，AlN 致动器就可调整激光频率。因此，调整范围最终受 SIL 范围限制，在参考文献 [52] 中为 2.1 GHz。可以通过调整激光芯片和 Si3N4 芯片之间的间隙以获得最佳反馈相位来最大化该范围，并且可以通过增加反向散射 [216,261] 或同时调整激光器和谐振器来进一步扩展该范围。从图 23(c) 可以看出，在调整过程中，SIL 状态下的激光线宽变窄得以保持。频率噪声以基于光学互相关的噪声谱 [263] 为特征，固有激光线宽是从频谱的白噪声基底推断出来的 [264]。图 23 所示的设备获得了 900 Hz 的固有线宽，最大输出功率为 1.5 mW。图 23(d) 显示了在 AlN 执行器上施加三角调制电压 (150 Vpp) 下的激光频率调谐。时变激光频率通常通过在快速光电探测器上使用参考 ECDL 测量异差拍音来表征，从而产生时频谱图。因此，激光输出频率呈三角啁啾，频率偏移为 1.1 GHz，速度高达 0.8 MHz。由于 AlN 执行器的线性，频率啁啾非线性低于 10 MHz [定义为测量频率与通过最小二乘拟合计算的理想三角波的均方根 (RMS) 偏差]，并且在连续操作期间没有观察到调谐滞后。偏差的降低主要是由于高频电压放大器的非线性。这种高度线性的调谐行为有助于产生啁啾，而无需主动或被动线性化，这对于在远程 FMCW LiDAR 系统中直接实现是理想的 [38,265,266]。如上一节所述，调制速度受到芯片机械模式的限制，例如轮廓模式 [267] 和 HBAR 模式 [12]。在参考文献 [52] 中，通过在带有碳带的变迹芯片上实现差分驱动，平坦调制响应扩展到 10 MHz。实现了 1.6 PHz/s 的线性频率调谐速度。
混合激光器的调谐速度最终受腔体光子寿命和激光器载流子寿命的限制，每秒埃赫兹的调谐速度应该可以实现，类似于最近的电光调谐工作 [215]。
除 AlN 外，还可使用其他具有较大压电系数的压电材料（例如钛酸铅锆 (PZT)）来降低给定频率偏移所需的电压。同一研究小组使用图 19 中所示的相同 PZT 执行器来调整 SIL DFB 激光器的频率，如图 24(a,b) 所示。仅通过施加 1.1-Vpp 三角波即可实现 500 kHz 重复率下的 525 MHz 频率偏移 [见图 24(b)]。使用迭代算法对激光调谐进行线性化，以校正 PZT 执行器的固有非线性和滞后 [52]。结果，测得的 RMS 非线性为 5 MHz，相对非线性（定义为非线性与总频率偏移之比）小于 1%。小扫描电压还与 CMOS 集成电路（例如专用集成电路 (ASIC)）兼容，为完全光子-电子集成可调混合激光系统铺平了道路[268]。
用 PZT 执行器调谐的混合 DFB 激光系统。(a) PZT 执行器的假彩色 SEM。Si3N4 波导用红色虚线表示。(b) 通过在 (a) 中向 PZT 执行器施加 1.1 Vpp，在 500 kHz 三角啁啾重复率下，SIL 激光器的异差拍音的时间频率频谱图。下图显示了与理想线性啁啾的偏差。(c) 由覆盖 Si3N4 微环谐振器的块体 PZT 芯片驱动的 DFB SIL 激光器。(d) 通过将 100 kHz 40 Vpp 三角波施加到 PZT 芯片，显示激光频率啁啾的频谱图。
最大频率偏移为 1.2 GHz，啁啾非线性为 12 MHz。
(a) 和 (b) 根据 CC BY 许可转载。（c）和（d）经[269]©2022 Optica Publishing Group许可转载。
另一个研究小组已经展示了使用一块粘在 Si3N4 电路顶部的笨重 PZT 芯片进行调谐的方法 [269]，如图 24(c) 所示。PZT 芯片的尺寸为 1.5 × 1.5 mm2，厚度为 1 mm。与薄膜 PZT 相比，这种方法的优点是成本较低，而块状 PZT 是现成的。此外，块状 PZT 可以产生更强的压电力。然而，缺点是与亚毫米直径和晶圆级生产的 Si3N4 谐振器不兼容。块状 PZT 芯片还支持一系列丰富的机械模式，频率低至 300 kHz。为了缓解这个问题，在输入电信号中应用了一个截止频率为 50 kHz 的低通滤波器。
为了保持线性调谐，作者还采用了迭代学习来调节施加的电压，直到达到较小的非线性 [270]。调谐的实验结果如图 24(d) 所示，其中施加了 40 Vpp 100 kHz 三角波。频率偏移为 1.2 GHz，非线性为 12 MHz。所需电压较高是由于 PZT 芯片更厚。在 SIL 状态下实现了 22 Hz 的窄固有线宽，最大输出功率为 8.9 mW。
4.1b. 基于波长可切换 RSOA 的外腔激光器
虽然自注入锁定 DFB 激光器产生的线宽与光纤激光器相当，但它需要仔细调整设定点。此外，DFB 二极管的制造需要在 III-V 芯片上制作光栅，这会增加成本。相比之下，基于反射半导体光放大器 (RSOA) 的外腔激光器 (ECL) 实现了交钥匙操作和低成本。此外，外腔增加了激光腔中的光子寿命，与 DFB 激光器相比，线宽变窄了 [260,271]。与光子反馈电路的耦合提供了频率选择性反射，使亚千赫兹线宽触手可及 [272,273]。已经展示了各种 PIC 平台，例如 Si [273,274]
和 Si3N4 [272]。然而，这些激光器是由速度有限的微加热器调谐的。最近的一项研究将 RSOA 与 LiNbO3 光子电路耦合，并演示了高达 500 MHz 的调谐 [275]，但获得了 11 kHz 的固有线宽，这主要受电荷噪声的限制 [276]。因此，压电调谐为低噪声和快速频率调谐提供了解决方案。
带 Vernier 滤波器的 PZT 可调 ECL。(a) 激光系统示意图，其中 RSOA 边缘耦合到由两个级联微环谐振器制成的 Si3N4 Vernier 滤波器。
(b) PZT 执行器的光学显微镜图像。(c) (b) 中黑色虚线框的放大视图，显示了围绕 Si3N4 微环的微加热器（蓝线）。(d) 混合封装激光系统的照片。(e) 通过 Vernier 效应进行波长切换的原理示意图，其中全反射（蓝色曲线）从一个共振变为另一个共振。(f) 波长切换的实验结果。
左：显示由一个 FSR 切换的波长的输出激光光谱。右：具有 100 kHz 重复率的切换的时域动态。(g) 线性化之前 100 kHz 频率调谐的时频频谱图。（h）线性化后与线性调谐的偏差，RMS 为 3.849 MHz。（a）–（h）经参考文献许可转载。[277]
已经使用 PZT 执行器演示了基于 RSOA 的 ECL 的压电调谐，如图 25 所示 [277]。RSOA 边缘耦合到 Si3N4 芯片，该芯片由两个微环谐振器制成的 Vernier 滤波器组成，它们的 FSR 略有不同（FSR1 = 96.7 GHz 和 FSR2 = 97.9 GHz）。游标滤光片充当激光腔的镜子，仅当两个谐振器的谐振对齐时才反射频率的光。这种选择性反射为我们提供了一种通过编程两个谐振器的谐振来调整激光频率的方法。制造的装置如图 25(b) 所示，其中每个微环都由 PZT 执行器覆盖。与之前的 DFB 激光器不同，微加热器与距离微环 15 µm 的 PZT 共集成 [见图 25(c)]。为了保持加热器和微环之间的小距离，光学微环被放置在顶部电极边缘的正下方，这会影响压电调谐效率。尽管如此，仍获得了 166 MHz/V 的效率。如图 25(d) 所示，激光系统采用混合封装，包括 RSOA、Si3N4 芯片和温度控制。电信号通过定制蝶形封装中所有执行器和加热器的引线键合施加，激光通过边缘用环氧树脂固定的光纤输出。输出最大 6 mW 激光，固有线宽为 400 Hz。封装将通过消除声学不稳定性来提高长期激光稳定性，并将激光频率噪声降低到 1 kHz 偏移以下 [277]。Vernier 滤波器支持两种频率调谐方案。第一种是通过将两个谐振器的谐振对准从一对调谐到相距一个 FSR 的另一对来进行波长切换，如图 25(e) 所示。这种频率调谐是离散的，但可以通过仅调谐一个微环的少量谐振频率（由 FSR 差异决定）来覆盖大范围（由 FSR 决定），这对于压电执行器来说是优选的。在实验中，需要一个加热器来初始对准两个谐振器，由于制造差异，这两个谐振器通常彼此相距较远。随后，一个谐振器的谐振可以通过其压电致动器相对于另一个谐振器的谐振进行调整。波长切换方向由驱动哪个微环决定。图 25（f）显示了由 FSR 分隔的两个切换状态下的发射波长。通过应用 8 Vpp 100 kHz 方波来测试切换速度，并实现 7 ns 的上升时间。第二种方案是通过同时驱动两个微环进行连续频率调谐。如图 25（g）所示，在 11 Vpp 的 100 kHz 三角波下产生 1.5 GHz 的频率偏移。为了抑制非线性，结合了两种算法来校正输入电压，包括频率响应反演 [266] 和交互式信号校正。线性化后，RMS 非线性从 15 MHz 变为 3.8 MHz，如图 25(h) 所示。
4.1c. 高功率可调谐扩展分布式布拉格反射器 (DBR) 激光器
除了 Vernier 滤波器之外，由 Si3N4 PIC 制成的扩展分布式布拉格反射器 (E-DBR) 也因其带宽窄、旁瓣抑制高、设计和制造简单而受到广泛研究 [254,271]。最近，Si3N4 E-DBR 的压电调谐和随之而来的激光频率已被证明 [278]，如图 26 所示。8 毫米长的 Si3N4 E-DBR 是通过在 Si3N4 波导两侧放置周期性圆形柱子形成的，这会对衰减场产生微弱的干扰[见图 26(b)]。如图 26(d) 所示，直 AlN 执行器覆盖了整个 E-DBR。AlN 执行器的一种新型制造工艺本工作引入了“回拉工艺”，以消除正信号焊盘（由顶部金属制成）下方的底部金属，从而降低了总电容并简化了引线键合。图 26（c）显示了布拉格光栅反射的电压调谐，其中中心频率发生了偏移。通过边缘耦合到 RSOA 增益芯片，可产生单频激光，最大功率为 25 mW，固有线宽为 3.45 kHz。通过 SIL 到具有 800 MHz FSR 的高 Q Si3N4 螺旋谐振器，激光器固有线宽可以进一步缩小到 3.8 Hz。图 26（e）显示了基于 RSOA 的 E-DBR 激光器的线性频率调谐。由于 AlN 执行器的线性度，无需任何预失真校正即可获得 0.33-1% 的小相对非线性 [278]。
表 4 总结了压电调谐混合激光器的性能，并将它们与具有固定频率的最先进的混合或异质集成激光器以及通过加热器或电光效应调谐的激光器进行了比较。我们可以看到，大多数具有亚千赫兹线宽的激光器都是通过将 DFB 激光器或具有 E-DBR 的 ECL SIL 到超高 Q Si3N4 谐振器实现的。频率噪声主要受 Si3N4 的热 TRN 限制 [262]。最近的一项研究通过 PDH 技术将 E-DBR SIL 激光器锁定到法布里-珀罗腔，进一步抑制了 TRN 以外的噪声 [260]。虽然 PDH 信号是由片外电光调制器 (EOM) 产生的，但所需的相位调制也可以通过片上压电致动器产生。PDH 信号已由集成在 Si3N4 PIC 中的压电执行器在片上产生 [54]。热光调谐以高功耗和慢速度为代价实现了最大的调谐范围，并且调谐范围随着速度的增加而减小。另一方面，基于 LiNbO3 PIC 的电光调谐最高速度可达 600 MHz。然而，即使使用 SIL，激光线宽也在千赫兹以上。最近的一项研究表明，LiNbO3 的电荷噪声最终决定了混合激光器的本底噪声[276]。至于压电调谐，已经展示了具有亚千赫兹线宽、超过 1 GHz 调谐范围和数百千赫兹调制速度的激光器。到目前为止，这些实验是通过将 DFB 激光器或增益芯片边缘耦合到 Si3N4 光子芯片来实现的。未来，异构集成的发展
基于压电可调 RSOA 的 E-DBR 激光器。(a) 由 AlN 致动器调谐的混合集成 E-DBR 激光器示意图。(b) 由两侧圆形柱形成的 Si3N4 布拉格门控的假彩色 SEM。(c) 布拉格光栅反射的压电调谐。(d) 带有 8 毫米长 Si3N4 E-DBR 和 AlN 致动器的光子芯片的光学显微镜图像。插图：AlN 致动器的放大视图。(e) 通过应用 10 kHz（左）和 500 kHz（右）三角波（250 Vpp）进行激光频率调谐的时间频谱图。下图显示了与理想线性调谐的偏差。(a)–(e) 经 [278] © 2024 Optica 出版集团许可转载。
表 4. 不可调和具有热光、电光 (EO) 和应力光效应可调的混合或异质集成激光器之间的比较a
aPDH，Pound–Drever–Hall 锁定；LN，LiNbO3。光子电路（EO 器件除外）均基于 Si3N4 PIC。b非线性是实施线性化算法后的值。
带有压电致动器的激光器和光子引线键合技术对于构建更紧凑、更稳定的芯片级激光系统具有重要意义 [255,259]。
4.2. 孤子微梳的单片压电控制
在本节中，演示了使用集成压电致动器控制孤子微梳，这允许确定性孤子启动、切换、调谐、长期稳定和具有 0.6 MHz 带宽的相位锁定。图 7 中所示的相同设备用于孤子调谐，其中圆盘状 AlN 致动器放置在 Si3N4 微环谐振器的顶部。AlN 执行器具有线性和双向调谐功能，无滞后现象，并且可在超低电功率下运行。此外，光学 Q 在调谐时保持不变，这对于维持稳定的孤子状态非常重要。有关谐振调谐的更多详细信息，请参见相应部分。
4.2a. 孤子微梳的电压启动和调谐
通过将 CW 激光器耦合到微谐振器中，并通过改变电压将谐振压电调谐到激光器 [65] 来启动孤子，使用图 27（a）所示的设置。激光器最初与微谐振器谐振频率相差 1 GHz，15 mW 功率耦合到波导中。图 27（b）显示了一个典型的毫秒级孤子步骤。虽然孤子启动不需要，但可以使用 EOM 和 VNA [280] 监测谐振激光失谐。如图 27(c) 所示，谐振逐渐向激光方向调整，在 81 V 时产生调制不稳定性 (MI) 状态，然后是多孤子状态 (MS, 85V)。接下来，降低 AlN 电压，使得反向调谐能够切换 [280] 到单孤子状态 (SS, 79 V)。再次增加电压 (90 V) 以增加孤子带宽。图 27(d) 显示了施加不同电压时的不同孤子频谱。通过 AlN 执行器对孤子进行压电控制可以实现反馈并消除长期失谐波动。图 27(f) 显示了在 5 小时内稳定孤子微梳的实验装置。采用反馈回路将孤子失谐锁定在 317 MHz。VNA 用于监测孤子失谐。5 小时后的最终孤子损失是由使用悬浮透镜光纤的光纤芯片耦合的漂移引起的，可以通过将光纤粘合到芯片上来缓解 [281]。图 27(e) 显示了三个孤子梳线的演变超过 5 小时。从上一节可以看出，通过应力光学效应进行的谐振调谐在施加超过 60 V 的电压下可实现 1 GHz 范围。假设最初激光器和谐振具有相同的频率，对于孤子启动，需要 ∼ 20κ/2π 的孤子失谐才能进入孤子状态。这意味着在临界耦合的情况下，谐振线宽 κ/2π 必须低于 50 MHz，即固有损耗 κ0/2π 必须低于 25 MHz。因此，值得强调的是，压电 AlN 致动器可用于通过 Si3N4 集成光子学启动孤子的关键原因是 Si3N4 波导的超低损耗（即高微谐振器 Q）。
通过 AlN 驱动进行孤子控制的实验演示。（a）实验设置。OSC，示波器；FBG，光纤布拉格光栅。插图：通过调整相对于固定频率激光器的谐振来启动孤子。（b）具有毫秒长度的典型孤子步骤。（c）通过 AlN 驱动启动孤子并切换状态。
左图：最初，谐振与激光器失谐 1 GHz（0 V）。当谐振调谐到激光器时，会产生调制不稳定性（MI；81 V）和多孤子状态（MS；85 V）。右图：降低电压以切换到单孤子状态（SS，79 V）。通过增加电压（90 V），孤子失谐和带宽进一步增加。S-res.，孤子谐振；C-res.，腔体谐振。(d) 在不同施加电压下的孤子光谱。(e) 通过将共振锁定到激光器，在 5 小时内实现孤子稳定。(f) 孤子微梳长期稳定的实验装置。HVA，高压放大器；BPF，带通滤波器。(a)–(f)经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020)[54]，版权所有 2020。
4.2b. 快速孤子微梳驱动和锁定
压电致动器相对于加热器的优势在于其快速的驱动速度，这可用于稳定高带宽的孤子重复率。如上一节所述，AlN 致动器的驱动速度主要受光子芯片的机械模式（100 kHz 至 10 MHz）和 Si 基板的 HBAR 模式（10-100 MHz）限制。图 12 中介绍了缓解芯片模式的策略，其中已实现高达 10 MHz 的平坦频率响应。
使用 EO 梳状物实现孤子重复率稳定的高速压电驱动。(a) 使用线间距为 14.6974 GHz 的 EO 梳状物实现孤子重复率稳定的示意图。微梳状物的 −1 线和 EO 梳状物的 −13 线被锁定，参考 60.0 MHz 微波信号。(b) 在锁定和解锁（自由运行）状态下测量的微梳状物和 EO 梳状物的拍音信号。分辨率带宽 (RBW) 为 1 kHz。(c) 与 60.0 MHz 微波信号相比，测量的拍频信号的相位噪声。AlN 执行器的锁定带宽为 0.6 MHz。(d) 实验装置，用于表征微梳状物的 −1 线和 EO 梳状物的 −13 线之间的拍频信号的环内相位噪声。(a)–(d) 经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020) [54]，版权所有 2020。
图 28 显示了通过 AlN 致动器稳定孤子重复率的过程。孤子重复率 (νrep = 191 GHz) 是通过图 28(a) 所示的微梳的 −1 线和电光 (EO) 梳的 −13 线之间的拍频信号间接测量的。图 28(d) 显示了稳定以 EO 梳为参考的孤子重复率的实验装置，该装置使用参考文献 [282,283] 中描述的方案生成，梳线间距为 14.6974 GHz。EO 梳和孤子微梳由同一激光器 (Toptica CTL) 泵浦。将微梳和 EO 梳之间测量到的拍频信号与 60.0 MHz 的参考信号进行比较。误差信号直接施加在 AlN 致动器上，这样微谐振器上的致动将孤子重复率稳定在 EO 梳状线间距。图 28(b) 和 (c) 比较了自由运行和锁定状态下的拍频信号和相位噪声，并与 60.0 MHz 参考微波的相位噪声进行了比较。600 kHz 锁定带宽由拍频信号和 60 MHz 参考的相位噪声的合并点确定。请注意，600 kHz 带宽大于传统激光器，其中压电响应通常限制在几千赫兹，类似于集成加热器。
使用改进的装置进行环外拍频信号表征。(a) 改进的实验装置，用于表征微梳的 −1 线和 EO 梳的 −13 线之间的拍频信号的环外相位噪声。(b) 将微梳参考到 EO 梳的示意图。检测到微梳的 +1 线和 EO 梳的 +13 线之间的拍频 (环内)，并将其参考 20.0 MHz 微波信号。表征了微梳的 −1 线和 EO 梳的 −13 线之间的拍频 (环外)。(c) 在不同情况下测量的 SSB 相位噪声比较。(a)–(c) 经参考文献 [284] 许可转载。
上述实验仅演示了反馈回路中涉及的一条梳状线的稳定性。为了显示整个梳状线的稳定性，需要对环外梳状线进行表征。为了测量环外拍频信号及其相位噪声，使用如图 29(a) 所示的改进装置。通过光纤耦合 AOM，产生孤子微梳的泵浦激光器的频率偏移了 77.0 MHz。偏移微梳泵浦频率的原因是为了通过检测微梳泵浦线和 EO 梳状线之间的拍频（77.0 MHz 偏移）来抵消延迟自同相测量中不平衡路径引起的漂移和噪声。通过使用驱动 AOM 的相同微波源对 77.0 MHz 异差拍频信号进行下混频，将反馈信号应用于激光电流，从而稳定泵浦激光器的频率并消除延迟自同差测量中的噪声。然后，检测微梳 +1 线和 EO 梳 +13 线之间的拍频，并将其参考 20.0 MHz 微波信号，以稳定微梳重复率。图 29(b) 显示了将微梳参考 EO 梳的完整示意图。图 29(c) 比较了处于锁定（实线）和自由运行（虚线）状态时环内（红色）和环外（蓝色）拍频信号的单边带 (SSB) 相位噪声。实线绿线是电光梳泵浦和微梳泵浦之间的相位噪声（偏移 77 MHz），当泵浦激光器的频率锁定时，在 AlN 驱动下观察到环外拍频信号的相位噪声降低，这表明重复率的稳定性。在这种情况下，锁定带宽 >300 kHz。
比较不同情况下微梳和电光梳拍信号测量的相对艾伦偏差，以评估锁定系统的长期稳定性。经参考文献 [284] 许可转载
为了进一步评估锁定系统的长期稳定性，对相对艾伦偏差进行了频率计数测量，如图 30 所示。77 MHz 微波源（用于锁定泵浦激光器的频率）参考 20 MHz 微波振荡器（用于下混环内拍频信号以得出误差信号）。同样，驱动 EOM（14.6974 GHz）用于生成 EO 梳的微波源也参考相同的 20 MHz 微波振荡器。自由运行的微梳和 EO 梳之间的拍频信号的相对艾伦偏差不收敛，而微梳的锁定泵浦线和 EO 梳之间的拍频信号在 1 秒平均时间内处于 10-2 的水平。通过对 AlN 进行激励将孤子重复率锁定到 EO 梳后，环内和环外拍频信号显示出相似的频率稳定性。
除了准直流调谐之外，AlN 激励器的 HBAR 模式还为使用 PDH 技术生成误差信号提供了新功能。图 31(a)显示了使用 HBAR 模式生成 PDH 误差信号的实验装置。
使用由 AlN 驱动引起的 HBAR 模式在片上生成 PDH 误差信号。(a) 实验装置。LPF，低通滤波器；Amp.，射频功率放大器。
(b) 测量 AlN 执行器在线性频率范围内的 S21(ω) 响应。两种情况下，当激光器处于谐振状态和非谐振状态时，都会进行测量。(c) 在 (b) 中用星号标记的 HBAR 频率下调制的 PDH 误差信号。(a)–(c) 经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020) [54]，版权所有2020。
混合 AlN–Si3N4 孤子激光雷达引擎的示意图和实验装置。(a)基于孤子的并行 FMCW 激光雷达示意图。啁啾泵将调制转换为其他梳状线，具有相同的调制速率和频率偏移。(b) 使用前馈方案同步扫描激光频率和微谐振器谐振的实验装置。VCO，压控振荡器；AFG，任意波形发生器；QPSK，正交相移键控；DSO，数字存储示波器。(a) 和 (b) 经 Springer Nature 许可转载：Liu 等人，Nature 583, 385 (2020) [54]，版权所有 2020。
图 31(b) 中以线性频率刻度绘制了 AlN 激励的测量 S21(ω) 响应（高达 400 MHz），显示了激光器开启和关闭谐振的两种情况。研究了对应于不同 HBAR模式的不同调制频率，这些调制频率在图 31(b) 中用星号标记。图 31(c) 显示了在这些 HBAR 频率下调制的 PDH 误差信号，以及相应的微谐振器的谐振。提供约 8 dBm RF 功率的微波源用于通过 AlN 驱动来调制 Si3N4 微谐振器。较高 HBAR 频率下误差信号对比度的降低是由光学谐振的有限带宽引起的。该 PDH 信号可用于稳定参考片上高光学 Q Si3N4 微谐振器的激光频率。
4.2c. 基于孤子微梳的并行 LiDAR 引擎
AlN 执行器可以成为基于孤子的并行 FMCW LiDAR 的关键组件[38]。该方案通常依赖于在孤子存在范围 ∆νs = ν2 − ν1 内扫描泵浦激光器的频率 νL，即 νc − νL ∈ [ν1, ν2]，其中 νc 为共振频率，ν1 和 ν2 为孤子存在失谐范围的边界。因此，泵浦频率啁啾被传输到所有孤子梳线，如图 32(a) 所示。衍射光学器件随后在空间上分离梳线，从而允许高速并行获取每个像素中的速度和位置。然而，变化的孤子失谐有几个限制。首先，孤子失谐变化导致孤子光谱带宽和功率的变化，从而限制了可用光通道的数量。其次，拉曼自频移[285,286]导致孤子重复率发生变化。第三，泵浦激光器的千兆赫频率偏移（∆νL）需要千兆赫宽的孤子存在范围（∆νs），这导致泵浦功率升高到几瓦。这些限制可以通过在微谐振器上使用 AlN 驱动来克服，从而同步调制微谐振器谐振 νc 与泵浦频率νL，同时保持恒定的孤子失谐 νc − νL。该方案称为“前馈扫描” [54]。图 32(b) 显示了同步扫描微谐振器和泵浦激光器的实验装置，其中频率为 fmod 的三角信号施加在泵浦激光器和 AlN 执行器上。由压控振荡器 (VCO) 驱动的单边带调制器用于快速扫描激光频率。发送到 AlN 执行器的斜坡信号由 HVA 放大，电压放大倍数为 ×50，3-dB 带宽为 ∼ 5 MHz。通过调整施加在 VCO 上的斜坡信号的幅度和相位来实现激光频率和微谐振器谐振的同步。PDH 锁定可以通过将谐振锁定到具有恒定失谐的激光器来进一步改善同步 [287]。使用参考激光器探测不同梳状线（泵浦线、±10 梳状线等）的啁啾。使用 2 GHz 带宽和 5
GSamples/s 的快速示波器捕获快速光电二极管上检测到的异差拍音，以便进一步进行离线数据处理，例如快速傅里叶变换和拟合三角信号。
混合 AlN–Si3N4 孤子 LiDAR 引擎的结果。（a）两种基于孤子的 FMCW LiDAR 方案的比较。左图：采用孤子失谐扫描的方案，具有固定的微谐振器谐振 νc，泵 νL 在孤子存在范围内啁啾（绿色阴影区域）。孤子频谱随孤子失谐而变化，如下图所示。右图：前馈方案采用同步调制泵频率和谐振，使得孤子失谐 ∆ν 恒定，从而产生恒定的孤子频谱。请注意，在此方案中，泵频率偏移可能明显大于孤子存在范围。（b）两种方案对 VNA 上的孤子响应的比较。孤子失谐扫描显示变化的 C 谐振，而前馈方案中的谐振是固定的。(c) 两种方案的积分孤子脉冲功率比较。孤子失谐扫描显示孤子脉冲功率变化，而前馈方案显示功率恒定。(d) 使用不同方法比较不同孤子梳线的频率偏移。(e) 不同梳线在 10 kHz 调制频率下啁啾的时频图，频率偏移为 2.04 GHz。(a)–(e) 经许可转载自参考文献 [284]
图 33 中通过实验研究了两种方案（即 (a) 在孤子存在范围内扫描泵浦激光器和 (b) 前馈方案）之间的比较。图 33(a)–(c) 说明了两种方案中孤子光谱、孤子失谐和积分孤子脉冲功率的差异，显示了使用 AlN 致动器的前馈方案的优势。首先，泵浦频率啁啾∆νL不再受孤子存在范围∆νs的限制，这使得孤子能够以数十毫瓦的功率运行，与最先进的集成激光器兼容[3]。其次，孤子光谱、重复率和功率保持恒定，不受泵浦频率啁啾的影响。图33（d）比较了用不同方法产生的不同孤子梳线的频率偏移。在频率fmod = 10 kHz（蓝色）的孤子失谐扫描方案中，频率偏移取决于梳线数，这是由于孤子失谐的变化导致孤子重复率变化的结果。调制频率 fmod = 10 kHz 和 100 kHz（红色实线）的前馈方案允许频率偏移 ∼2 GHz，比孤子存在范围（∼400 MHz）大 5 倍以上。此外，梳状线之间的频率偏移变化被大大抑制。图 33（e）显示了以 10 kHz 调制频率啁啾的不同梳状线的时频图，频率偏移为 2.04 GHz。虽然芯片的 HBAR 和机械模式在线性和快速调谐中是不需要的，但它们能够以更高的频率和效率进行调制 [图 33（d）中的红色虚线]。通过应用与基本 HBAR 模式和轮廓模式一致的调制频率（fmod = 18.308 MHz），可以在没有 HVA 的情况下产生 1.6 GHz 的频率偏移。施加在AlN上的电压仅为7.48V，与CMOS电路兼容。此外，这种调制对应的等效调谐速度为58.6 PHz/s。相应的谐振调谐效率为δν/δV = 219 MHz/V，是直流调谐δν/δV = 15.7 MHz/V的14倍。应用fmod = 18.322 MHz的调制，这与基本HBAR模式一致，但与轮廓模式不一致，调谐效率降低至δν/δV = 133 MHz/V。因此，优化与高频三角波调制兼容的AlN执行器的设计将在未来引起极大兴趣。例如，可以设计高阶 HBAR 模式以与三角波的高次谐波相匹配，使得调制信号可以线性传输到光学微谐振器上。
总之，线性、快速、无吸收、双向且功耗极低的集成压电致动器使集成孤子微梳具有在功率关键型应用中的能力，例如在太空、数据中心和便携式原子钟中，在低温等极端环境中，或在相干激光雷达 [38]、频率合成器 [34] 和射频光子学 [288,289] 的新兴应用中。因此，这种能力对于孤子微梳的调谐和稳定非常重要，并且可以允许孤子注入锁定以实现稳定和微波合成 [282,290]。虽然目前的工作中使用多晶 AlN，但使用掺杂钪的 AlN 可以将工作电压降低一半以上 [291]。未来，CMOS 电子电路在邻近芯片上的共同集成将为具有快速电子驱动的封装孤子微梳铺平道路 [268]
