CN116722427A - 基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器 - Google Patents

基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器 Download PDF

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CN116722427A
CN116722427A CN202310711748.1A CN202310711748A CN116722427A CN 116722427 A CN116722427 A CN 116722427A CN 202310711748 A CN202310711748 A CN 202310711748A CN 116722427 A CN116722427 A CN 116722427A
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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,包括模斑转换器(SSC,spot size convertor)以及在薄膜铌酸锂芯片上集成制作的的三个级联微环和环形反射镜。采用薄膜铌酸锂材料来制作外腔波导,利用该材料优秀的电光效应,结合三个微环级联的外腔结构利用游标效应实现100nm以上的波长调谐范围和ns量级的波长切换速率,在光分组交换网络以及调频连续波(FMCW)激光雷达发射端和光学相控阵(OPA)等都有较好的应用场景。

Description

基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器
技术领域
本发明涉及波长高速调谐的激光器技术领域,具体涉及一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器。
背景技术
随着数据量的爆发式增长,对通信带宽的需求日益高涨。光通信网络中的光交换技术将成为减少拥塞延时,提高吞吐量的关键技术其中利用波长可调激光器(TLS)作为光源的载波波长变换型波长路由光交换的方式十分简洁,控制单元偏少,是非常具有前景的方案。该方案的交换速率取决于波长可调激光器输出激光波长切换时间,当切换速率达到ns级别,可以有效减少拥塞延时,增加传输能力,是解决光通信网络中带宽和交换延迟技术瓶颈的有效方式。
除此以外,激光雷达的发展应用也成为当前热点,其中基于光学相控阵(OPA)的调频连续波(FMCW)全固态激光雷达是十分具有研发前景的方案之一。采用窄线宽高速大范围调谐的片上集成的激光器作为激光雷达的光源,可以通过高速线性调频激光的产生,有效缩减测距、测速的响应时间。而激光器波长的大范围高速调谐,应用于光学相控阵中,又可以额外增加波长维度,大幅度提升激光雷达扫描范围。
因此,片上集成的高速大范围波长调谐的激光器成为十分迫切的需求。铌酸锂(LN:lithium niobate)具有较宽的透明窗口(0.35μm至5μm)和较高的折射率差(≈0.7),为高度集成的片上低损波导提供了前置条件。从调谐方式来看,基于硅和氮化硅平台的可调谐激光器通常依靠材料的热光学效应来实现调谐,其速率只能达到μs级。虽然利用硅的等离子体色散效应通过载流子掺杂的电光调谐可以达到ns级的波长切换速率,但是载流子注入会产生不必要的强度调制以及引入额外的损耗。相较而言,在薄膜铌酸锂(LNOI)平台上,我们采用铌酸锂材料的普克尔斯效应通过电场来改变波长折射率,所以可以直接实现ns级的波长切换,无需注入载流子而引入额外的损耗。另一方面,由于电极断路,其功耗也比热光调谐低得多。
超大范围的波长调谐也是激光器设计的重点。比较经典的方案是选用微环作为滤波单元,利用其游标效应实现波长切换。在X切的LNOI平台上的脊型波导的电光调谐效率可以通过浅刻蚀来有效提高。然而,浅刻蚀的LN脊波导没有很强的光束缚特性,必须选用足够大半径的弯曲波导才能保证微环的低损传输。另一方面,高效的电光调谐需要足够长的调制臂来满足,上述限制导致LN微环的周长偏大,使得其自由光谱范围(FSR)非常小。因此如果选用经典的双环方案,在保证单模激射所需的模式增益差的前提下,根本没有办法实现超大范围的波长调谐范围。
于是,本发明考虑对经典的双环滤波方案进行改进,引入第三个微环做再滤波,这样就可以有效提升模式增益差,进而解放前两个微环的周长设计限制,实现超大范围的波长调谐。在LNOI平台上,刻蚀制作三微环级联的外腔滤波结构,在微环波导两侧添加调制电极,通过端面耦合增益芯片,利用LN自带的普克尔斯效应,实现超大范围高速波长调谐的片上集成外腔激光器。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,这种激光器波长调谐速度可达ns级,调谐范围可达100nm以上,可用于光交换网络中减少网络拥堵,以及用于调频连续波激光雷达的光源。
高速大范围波长调谐范围处于近红外波段,波长范围从1500nm到1650nm。
一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐的外腔激光器,包括:
铌酸锂薄膜芯片(即LNOI芯片),其中铌酸锂薄膜(即铌酸锂膜,厚度为10~999nm)。
设置在所述铌酸锂薄膜芯片上的模斑转换器(SSC,spot size convertor);
与所述模斑转换器连接的复合型谐振腔,所述的复合型谐振腔采用铌酸锂材料。
本发明复合谐振腔采用铌酸锂材料,具有很好的电光效应。X切铌酸锂薄膜当光模式沿着y方向传播,电场方向为z方向,其电光系数r33可达30.8pm/V。
所述的复合谐振腔包括:
与所述模斑转换器连接的相位调制臂;
与所述相位调制臂连接的输入端波导;
与所述输入端波导耦合连接的第一环形谐振腔;
与所述第一环形谐振腔耦合连接的级联波导;
与所述级联波导耦合连接的第二环形谐振腔;
与所述第二环形谐振腔连接的级联波导;
与所述级联波导耦合连接的第三环形谐振腔;
与所述第三环形谐振腔连接的级联波导;
与所述级联波导连接的环路镜(Loop Mirror);
与所述环形镜连接的输出端波导。
本发明中外腔中的滤波结构所用波导皆为脊波导。这是由于需在波导两边平板中加金属电极,方便利用铌酸锂电光效应改变波导折射率从而达到调谐激射波长的目的。
所述的外腔滤波结构采用三环级联结构,微环各项参数可以通过对铌酸锂薄膜波导的仿真可以得到波导有效折射率以及群折射率随波长变换曲线,再通过波导的各折射率及谐振/传输方程,根据所需谐振波长、模式增益差及自由光谱范围(FSR)得到微环的周长等结构参数。
所述的铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底、设置硅衬底上的SiO2埋氧层以及设置在所述SiO2埋氧层上的铌酸锂薄膜、覆盖在铌酸理薄膜层上的SiO2包层以及用于调谐的金属电极。所述的铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底、设置在硅衬底上的SiO2埋氧层以及设置在所述SiO2埋氧层上的铌酸锂薄膜(厚度为600nm)。
所述的相位调制臂由直波导与设置在波导两侧的一对金属电极组成,该波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,金属电极之间间隙为5μm。
所述第一环形谐振腔的跑道型的波导总长度是所述第二环形谐振腔的跑道型的波导总长度的0.98倍到0.995倍,是所述第三环形谐振腔的跑道型的波导总长度的0.8倍到0.94倍。
所述第一环形谐振腔为跑道型样式,含两侧500μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第一环形谐振腔总周长为2256.58μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。所述第二环形谐振腔为跑道型样式,含两侧505.21μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第二环形谐振腔总周长为2267μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。
所述第三环形谐振腔为跑道型样式,含两侧574.16μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第三环形谐振腔总周长为2404.9μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。
所述的模斑转换器包括高度逐渐下降的过渡波导、与所述过渡波导连接的宽度缩窄的倏逝波波导,以及宽度极窄的倏逝波波导尖端,所述的倏逝波波导和过渡波导均采用铌酸锂材料,其中倏逝波波导与倏逝波波导尖端横截面为方形,高度逐渐下降的过渡波导横截面有凸字形逐渐过渡到方形,覆盖在以上所述的倏逝波波导的是厚度较大的SiO2包层。
所述的模斑转换器包括氮氧化硅(SiON)输入波导、嵌入在所述氮氧化硅输入波导内的倏逝波波导、与所述倏逝波波导连接的过渡波导。
所述的倏逝波波导和过渡波导均采用铌酸锂材料。
所述的倏逝波波导采用渐变的结构,该倏逝波波导的截面为矩形,该倏逝波波导的厚度为100nm,该倏逝波波导的宽度从所述氮氧化硅输入波导内到外由400nm渐变到1400nm。
所述的过渡波导设置在LN斜坡上,其横截面由矩形渐变成凸字形。
所述的输入端波导、级联波导、输出端波导的横截面均为凸字形。
所述的环路镜采用铌酸锂材料,波导横截面为凸字形,耦合区波导间隙为0.6μm,反射率为90%。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
一、LN材料具有优秀的电光效应,电光系数较高(r33=30.8pm/V),且不会因为载流子吸收而产生额外的损耗。作为电调的手段更加稳定,且由于电极断路功耗偏低。
二、同样由于LN材料的电光效应,可以通过两侧电极对LN光波导结构进行高速调制。通过电场作用旋转LN内分子结构极化方向从而改变材料折射率,达到滤波结构谐振点偏移从而快速调谐波长,响应速度在ns量级,比使用热调的硅基外腔激光器(us)响应速度快。
三、使用三环级联的外腔滤波结构来代替双环级联结构。具体优势在于:铌酸锂薄膜上设置的环形谐振腔受到调谐效率以及损耗限制,其周长偏大,从而当采用双环游标效应滤波时,模式增益差与调谐范围会产生很大设计冲突,严重限制了波长调谐范围。通过增加第三个环进行再滤波提升模式增益差,正好针对薄膜铌酸锂平台电调环形谐振腔尺寸过大的痛点,解放了前两个环形谐振腔的设计限制,实现了100nm以上的波长调谐。
附图说明
图1为本发明一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐的外腔激光器的结构示意图;
图2为本发明中模斑转换器的结构示意图;
图3为本发明中激光器外腔滤波谱线仿真结果图,a为双微环级联外腔仿真模拟获取的滤波谱线,b和c分别为增加第三个微环后外腔仿真模拟获得的部分与整体滤波谱线;
图4为本发明中外腔激光器激射调谐谱线仿真结果图,a为调谐第一环形谐振腔和第二环形谐振腔仿真模拟获取的激光器激射粗调谱线,b为激光器激射粗调过程中施加于第一环形谐振腔与第二环形谐振腔上的电压与波长相关曲线,c为调谐第三环形谐振腔仿真模拟获取的激光器激射细调谱线,d为激光器激射细调过程中施加于第三环形谐振腔上的电压与波长相关曲线。
具体实施方式
如图1所示,一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐的外腔激光器,包括:铌酸锂薄膜芯片(即LNOI芯片);设置在铌酸锂薄膜芯片上的模斑转换器3(SSC,spotsize convertor);与模斑转换器3连接的复合谐振腔。铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底16、设置在硅衬底16上的SiO2埋氧层15以及设置在所述SiO2埋氧层15上的铌酸锂薄膜14。
复合谐振腔包括:与模斑转换器3连接的相位调制臂4;与相位调制臂4连接的输入端波导5;与输入端波导5耦合连接的第一环形谐振腔6;与第一环形谐振腔6耦合连接的级联波导8;与级联波导8耦合连接的第二环形谐振腔10;与第二环形谐振腔10连接的级联波导17;与级联波导17耦合连接的第三环形谐振腔19;与第三环形谐振腔19连接的级联波导20;与级联波导20连接的环路镜11(Loop Mirror);与环形镜11连接的输出端波导21。
相位调制臂4由直波导与设置在波导两侧的一对金属电极组成,该波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,金属电极之间间隙为5μm。
第一环形谐振腔6为跑道型样式,含两侧500μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第一环形谐振腔总周长为2256.58μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导5与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极7,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。
第二环形谐振腔10为跑道型样式,含两侧505.21μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第二环形谐振腔总周长为2267μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导8与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极9,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。
第三环形谐振腔19为跑道型样式,含两侧574.16μm长的直波导调制臂区域以及150μm半径的圆弧波导,直波导区与圆弧波导通过欧拉曲线波导光滑衔接,第三环形谐振腔总周长为2404.9μm。该环形谐振腔波导采用铌酸锂材料制成,横截面为凸字形,波导的高度为600nm,其中,顶部凸起的高度为200nm,顶部突起的宽度为1400nm,级联波导17与微环波导间隙为700nm。直波导调制臂以及欧拉曲线波导两侧设置有两对金属电极18,金属电极之间间隙为5μm,两对电极形成的电场对LN波导的调制效果可实现叠加。
如图2所示,为本发明模斑转换器3的结构图,模斑转换器3包括氮氧化硅输入波导22、嵌入在氮氧化硅输入波导22内的倏逝波波导23、与倏逝波波导23连接的过渡波导24。倏逝波波导23和过渡波导24均采用铌酸锂材料。倏逝波波导23采用渐变的结构,该倏逝波波导23的截面为矩形,厚度为100nm,该倏逝波波导23的宽度从所述氮氧化硅输入波导内到外由400nm渐变到1400nm。过渡波导24设置在LN斜坡25上,其横截面由矩形渐变成凸字形。
所述的输入端波导5、级联波导8、17、20、输出端波导21的横截面均为凸字形。
所述的环路镜11采用铌酸锂材料,波导横截面为凸字形,耦合区波导间隙为0.6μm,反射率为90%。
本发明中复合谐振腔由LN材料制作,LN材料具有优秀的电光效应,电光系数较高(r33=30.8pm/V),且不会因为载流子吸收而产生额外的损耗。作为电调的手段更加稳定,且功耗偏低。
本发明使用LN材料设计制作一种激光器外腔。本发明中滤波结构为三微环级联,该微环均由LN材料制作,根据LN材料的折射率计算出合适的尺寸,应用游标效应设计各个微环的周长、耦合区,从而使得三个微环在某一波长点实现叠加谐振滤波。再通过所述SSC结构与SOA耦合,SOA增益谱线覆盖LN谐振波长,在谐振波长点发生激射从而产生激光。
本发明中所述电极主要设计作用在滤波结构以及相位调制臂上,通过对电极施加直流电压的不同改变微环波导两侧电场,从而改变LN材料的折射率以及滤波结构的谐振波长,达到调谐波长的目的。在相位调制臂区的电极同样也是通过改变调制臂结构折射率,改变激光器整体形成的法布里珀罗腔的谐振谱线,起到微调纵模,提升激光器边模抑制比(SMSR)的作用。
SOA(semiconductor optical amplifier,半导体光学放大器)芯片左侧端面1镀高反射膜,右侧端面2镀防反射膜,波导出射角为20度,防止出现腔内反射。SOA自发辐射向图中外腔结构输入工作光,通过附图2中模斑转换器3(SSC,spot size convertor)结构连接LNOI芯片。使用此SSC结构进行模斑转换,可以减少LN波导直接与SOA芯片之间的耦合而产生的耦合损耗,这是因为LN波导23在耦合端面处呈400nm宽,100nm高,光模斑以LN波导23为芯层,扩展为与SOA模斑大小相近的状态。随LN波导拓宽、变深,光逐渐转为束缚在波导中传播,进而实现了模斑的转变。LN波导23宽度渐变的设计可以避免光模式突变带来的较大插损。
光路低损耗通过SSC后输入到相位调制臂4区域,而后经输入端波导5耦合进入第一环形谐振腔6。
第一环形谐振腔6、第二环形谐振腔10、第三环形谐振腔19共同组成滤波可调结构,利用环形谐振器选频。由于三环长度不同,可以在选频反馈中产生游标效应。每个环谐振器的反馈光谱都有固定的自由光谱范围(FSR),三个环谐振器FSR的略微不同使三环共同工作时的FSR是三环分别FSR的倍数,获得复合谐振腔的选频光谱。其中第一环形谐振腔6和第二环形谐振腔10的周长相对接近,其FSR也比较接近,叠加可以实现大范围的自由光谱范围。第三环形谐振腔19的周长则要远远大于前两个环形谐振腔,起到再滤波的作用,提升选频光谱的模式增益差,进而保证激光器的单模激射。三个环形谐振腔中各有一对电极,可利用LN的电光效应,通过电场对环形谐振腔的谐振谱线进行微调,进而实现选频中心波长偏移。其中,前两个微环可用于激光器激射波长的大范围调谐,第三个微环可用于激光器激射波长的精细调谐。
光路沿着外腔传播,从LN脊波导结构组成的第三环形谐振腔19中输出至环路镜11中,90%的光通过反射回到谐振腔,10%的光耦合到输出端波导21中。SOA左侧高反射端面1与环路镜11之间形成整体回路即法布里珀罗腔,SOA可在一定波长范围内提供光增益,补偿光信号在回路中传播而产生的损耗。光波在其中来回振荡放大选频激射。
由Lumerical光学仿真软件中的Mode solution与Interconnect模块仿真,首先由Mode仿真LN波导脊结构参数及其折射率,使用Comsol软件仿真LN电光响应,生成折射率随电压变化的文件导入Interconnect中,对设计外腔进行建模。
外腔滤波结构仿真结果如图3中所示,图3(a)展示的是仅有第一环形谐振腔与第二环形谐振腔的滤波结构时,仿真模拟获取的滤波谱线,在双环周长十分接近的前提下,可以看到滤波谱线模式增益差非常小。图3(b)和(c)是增加第三环形谐振腔形成完整的滤波结构后,仿真获取得到的滤波谱线,可以看到仿真FSR达到110nm,同时模式增益差达到6.35dB。
激光器激射调谐仿真结果如图4中所示,图4(a)、(b)展示的是通过调节第一环形谐振腔以及第二环形谐振腔的加载直流电压实现的外腔激光器激射大范围粗调仿真效果。可以看到通过加载电压±15V内的变换实现了中心波长从1482.63nm至1601.13nm的118.5nm超大范围调谐,边模抑制比SMSR普遍大于30dB。图4(c)、(d)展示的是通过调节第三环形谐振腔的加载直流电压实现的外腔激光器小范围细调仿真结果。可以看到通过加载电压±15V内的变换实现了间隔为单个微环FSR的线性精细调谐,调谐范围为1537.02nm至1542.2nm。已知LN调制器电光带宽可达100GHz以上,即此激光器外腔利用LN电光效应可实现ns级激射调谐,实现高速的波长切换。

Claims (7)

1.一种基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,包括:铌酸锂薄膜芯片;
设置在所述铌酸锂薄膜芯片上的模斑转换器;
与所述模斑转换器连接的复合谐振腔,所述的复合谐振腔包括:
与所述模斑转换器连接的相位调制臂;
与所述相位调制臂连接的输入端波导;
与所述输入端波导耦合连接的第一环形谐振腔;
与所述第一环形谐振腔耦合连接的第一级联波导;
与所述第一级联波导连接的第二环形谐振腔;
与所述第二环形谐振腔耦合连接的第二级联波导;
与所述第二级联波导连接的第三环形谐振腔;
与所述第三环形谐振腔耦合连接的第三级联波导;
与所述第三级联波导连接的环路镜;
与所述环路镜连接的输出端波导。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述的铌酸锂薄膜芯片包括硅衬底、设置所述硅衬底上的SiO2埋氧层以及设置在所述SiO2埋氧层上的铌酸锂薄膜、覆盖在所述铌酸锂薄膜上的SiO2包层以及用于调谐的金属电极。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述的模斑转换器包括高度逐渐下降的过渡波导、与所述过渡波导连接的宽度缩窄的倏逝波波导,以及倏逝波波导尖端,所述的倏逝波波导和过渡波导均采用铌酸锂材料,其中倏逝波波导与倏逝波波导尖端横截面为方形,高度逐渐下降的过渡波导横截面有凸字形逐渐过渡到方形。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述第一环形谐振腔、第二环形谐振腔和第三环形谐振腔均包括:
跑道型的波导,所述的跑道型的波导包括布置在所述跑道型直线处的两条调制臂以及布置在所述跑道型圆弧处用于耦合连接的圆弧波导;
每条调制臂的两侧设置有一组平行的金属电极。
5.根据权利要求4所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述跑道型的波导采用铌酸锂材料制成,所述跑道型的波导的横截面为凸字形。
6.根据权利要求4所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述第一环形谐振腔的跑道型的波导总长度是所述第二环形谐振腔的跑道型的波导总长度的0.98倍到0.995倍,是所述第三环形谐振腔的跑道型的波导总长度的0.8倍到0.94倍。
7.根据权利要求4所述的基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器,其特征在于,所述的输入端波导、第一级联波导、第二级联波导、第三级联波导、环路镜、输出端波导的横截面均为凸字形。
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CN202310711748.1A Pending CN116722427A (zh) 2023-06-15 2023-06-15 基于薄膜铌酸锂平台的高速大范围波长调谐外腔激光器

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