----翻譯自Grigory Lihachev, Andrea Bancora等人的文章

摘要

超低損耗氮化硅集成光子電路技術(shù)的最新進展為新一代集成激光器的發(fā)展鋪平了道路，使得集成激光器可實現(xiàn)光纖激光器級的相干性能。然而，目前此類器件主要基于分布反饋激光二極管（DFB）的自注入鎖定，這增加了成本且要求對激光器的工作設(shè)定點進行精細調(diào)節(jié)。相比之下，以往的即插即用（turn-key）型傳統(tǒng)激光系統(tǒng)采用反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）。雖然這一方案已被用于基于集成光子技術(shù)的激光器，但迄今為止尚不存在既經(jīng)濟又低噪聲，同時具備快速調(diào)諧、無模式跳變（mode-hop-free）以及適用于調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達（LiDAR）或頻率計量領(lǐng)域激光鎖定所需的線性頻率調(diào)諧功能的RSOA集成激光器。

Ⅰ. 引言

窄線寬激光器在計量學(xué)、光學(xué)傳感[1]、微波光子學(xué)[2,3]、光學(xué)捕獲[4]以及數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)互通[5]等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用。激光器的頻率靈活性，即其頻率調(diào)諧和精確控制能力，使其適用于量子領(lǐng)域中的精確激光鎖定、通信領(lǐng)域中的快速波長切換，以及調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達（LiDAR）[6-10]。在過去二十年中，基于硅的集成激光器取得了重大進展，其中III-V族材料的混合集成和異質(zhì)集成技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了緊湊型激光器，并在數(shù)據(jù)中心收發(fā)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[11,12]。然而，這些激光器在相位噪聲性能方面仍未達到傳統(tǒng)激光系統(tǒng)，尤其是連續(xù)波光纖激光器的水平。近期在低損耗氮化硅（Si3N4）集成光子學(xué)領(lǐng)域的進展，開啟了一種新型集成激光器，其相位噪聲性能甚至優(yōu)于傳統(tǒng)激光器[13]。通過分布反饋（DFB）二極管自注入鎖定與集成微諧振腔結(jié)合，利用低約束結(jié)構(gòu)的氮化硅波導(dǎo)（Si3N4），所開發(fā)的激光器已展現(xiàn)出超越光纖激光器的相干性能[13-15]。同時，采用強約束波導(dǎo)實現(xiàn)了快速頻率調(diào)諧（MHz帶寬）且具有低相位噪聲性能。這些進步得益于超低損耗氮化硅光子集成電路的發(fā)展。在過去十年中，高度超過700 nm的強約束氮化硅波導(dǎo)實現(xiàn)了低于3 dB/m的傳播損耗，已成為可在晶圓代工廠中商業(yè)化制造、并與弱約束波導(dǎo)平臺兼容的光子集成電路（PIC）平臺[14]。低傳播損耗[16]和高成品率使得微腔梳齒激光器[17]、行波參量放大器（TWPA）[18]和摻鉺波導(dǎo)放大器（EDWA）[19]等新型功能器件得以實現(xiàn)。此外，氮化硅光子集成電路已經(jīng)與壓電致動器單片集成，獲得平坦的MHz帶寬、低功耗（納瓦級）以及線性頻率調(diào)諧的能力，從而實現(xiàn)頻率靈活、低噪聲的激光器以及可調(diào)諧的孤子微腔梳齒激光源[15,20]。盡管最近的低噪聲集成激光器已展示出接近光纖激光器相干度的性能，但這些方案通常需要對激光器的工作點進行精確控制（如DFB二極管自注入鎖定方案），并需要在III-V族材料芯片上制備光柵結(jié)構(gòu)。相較而言，目前許多商業(yè)激光器使用反射式半導(dǎo)體光放大器（RSOA）或增益芯片外腔配置，以避免這些問題。

具有反饋電路的外腔激光器（ECLs）在光子集成電路（PICs）中已取得顯著進展[21-24]。采用雙環(huán)維尼爾濾波器（Vernier filters）的PIC可提供頻率選擇性反射?；诖祟惥S尼爾濾波器的激光器在硅光子、氮化硅或其他材料平臺上實現(xiàn)后，其性能顯著提升，并已實現(xiàn)亞千赫茲級激光線寬[25-28]。高頻率調(diào)制速度（埃赫茲/秒）及高達50 MHz的切換速度[12,29]，僅在近期基于鈮酸鋰的維尼爾濾波器激光器中得到驗證[30]，然而，由于相位噪聲較高，其性能仍不及基于氮化硅的激光器[29]。

本文提出了一種基于RSOA和維尼爾環(huán)形濾波器的混合集成ECL，其中采用低損耗SiN PIC，并集成壓電執(zhí)行器以增強調(diào)控能力。該方案成本低廉，可緩解DFB激光器的使用需求，同時實現(xiàn)高相干性、快速MHz級調(diào)制帶寬、線性調(diào)諧以及低頻率噪聲。多種應(yīng)用場景可受益于此類低噪聲、高頻率可調(diào)的低成本RSOA-ECL。例如，在數(shù)據(jù)中心中，此類激光器可用于波長切換[31]，已有研究探討了數(shù)字超晶格分布式布拉格反射器（DS-DBR）[32]、維尼爾調(diào)諧分布式布拉格反射器（VT-DBR）[33]和DFB-3λ[34]等配置，并結(jié)合模式躍遷自由的波長調(diào)諧技術(shù)[35-37]?；诩杉訜崞鞯牟ㄩL切換已實現(xiàn)最高10 kHz的調(diào)諧速度。另一重要應(yīng)用為FMCW激光雷達，其中高線性度的激光頻率調(diào)諧及低頻率噪聲對于中長距離的距離與速度測量至關(guān)重要[38,39]。盡管該領(lǐng)域已取得顯著進展，但要實現(xiàn)快速、線性可調(diào)的集成激光器，仍需采用DFB激光器[40]（需電子束光刻工藝）或MEMS-VCSELs[41,42]，并輔以額外的線性化技術(shù)。

II. 光子集成芯片設(shè)計與表征

本研究實現(xiàn)了一種激光器，其外腔基于SiN光子集成電路（PIC），并采用雙環(huán)維尼爾濾波器進行頻率選擇性控制[24]。圖1(a) 展示了光子集成電路的設(shè)計及激光器的示意圖。反射型半導(dǎo)體光放大器（RSOA，Thorlabs SAF1126C）具有90%背面反射率，并通過邊緣耦合方式連接至SiN PIC，其中包含定向耦合器（分束器）和兩個微環(huán)諧振器。光路以藍色箭頭標示，激光輸出可在分束器的端口2、3和4處測量。分束器后的光耦合至微環(huán)諧振器，其直徑分別為472 nm和465 nm，并通過對稱輸入端口及350 nm的總線波導(dǎo)-環(huán)形波導(dǎo)間隙實現(xiàn)信號交換。圖1(f) 展示了芯片的橫截面結(jié)構(gòu)，其材料堆棧包括：Si載體、2200 nm寬、900 nm高的SiN波導(dǎo)、頂部SiO 包覆層（厚度2.5 μm，灰色）、頂部和底部的Pt電極（厚度100 nm，黃色）以及1000 nm厚的鉛鋯鈦酸鹽（PZT，綠色）。SiN 波導(dǎo)的制造采用大馬士革回流工藝[43]。

本研究開發(fā)了維尼爾結(jié)構(gòu)中兩個環(huán)形諧振器的驅(qū)動機制，利用應(yīng)力-光學(xué)效應(yīng)和熱-光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)調(diào)控。單片集成執(zhí)行器（見圖1(d)）包括壓電PZT執(zhí)行器，用于快速驅(qū)動，以及微加熱器，用于維尼爾濾波器的對準和寬波長調(diào)諧。微加熱器被制造在底部（接地）電極層，可通過PZT層開口進行接線鍵合。微加熱器寬度為3 μm，中心與SiN環(huán)形波導(dǎo)的距離（中心到中心）為15 μm（見圖1(e)）。該加熱器的位置受制于工藝限制，包括PZT執(zhí)行器底部電極與加熱條之間的最小間距要求，以及基于相似微環(huán)工藝迭代優(yōu)化PZT執(zhí)行器位置，以提高應(yīng)力-光學(xué)調(diào)諧效率（本器件測得的調(diào)諧效率為166 MHz/V）。此外，PZT執(zhí)行器頂電極的半徑與SiN環(huán)形波導(dǎo)相同。

首先，我們使用基于光子集成電路（PIC）的Si3N4游標濾波器，通過頻域腔輔助校準光譜儀對其進行被動表征[45]。圖2（a）所示的非對稱輸入/輸出端口耦合的R1微環(huán)諧振器透射和反射譜顯示，功率監(jiān)測器測得的透射峰為10%-35%，反射峰為25%。圖2（c）展示了微環(huán)諧振器R1和R2諧振峰（綠色、紅色）的擬合結(jié)果以及洛倫茲擬合（虛線），其自由光譜范圍（FSR）分別為FSR1=96.7 GHz和FSR2=97.9 GHz，本征線寬分別為κ0/2π=43.5 MHz（對稱輸入/輸出端口耦合的R?）和κex/2π=64.0 MHz。圖2（d）為R?微環(huán)諧振峰的總腔線寬測量結(jié)果。利用公式RSOA腔帶寬=|FSR1?FSR2|計算得到的游標自由光譜范圍（RSOA）為8.7 THz[24]，這為單模發(fā)射機制下的對準提供了便利。隨后，我們對基于PIC的游標濾波器的反射特性進行表征，采用壓電陶瓷（PZT）執(zhí)行器。在驅(qū)動壓電執(zhí)行器之前，通過施加25 V電壓數(shù)秒來對齊鐵電PZT材料的偶極子域，以提高調(diào)諧效率[46]。實驗中僅施加正電壓，以保持偏振方向。我們對單個PZT執(zhí)行器進行測試，使RSOA和微環(huán)諧振器的調(diào)諧保持穩(wěn)定。圖2（i）展示了游標濾波器的歸一化反射譜，不同電壓施加于集成PZT執(zhí)行器。電壓增加8 V可使諧振峰調(diào)諧1.2 GHz，這相當于兩個微環(huán)的自由光譜范圍（97 GHz）的1次頻率間隔（FSR mismatch）。我們器件的PZT執(zhí)行器飽和電壓約為35 V，僅需施加該電壓即可在4個自由光譜范圍（400 GHz）內(nèi)切換游標濾波器頻率。所有測量中，執(zhí)行器的電流消耗均小于20 nA，功耗低至75 nW，遠低于波長調(diào)諧的功耗。

III. 光子集成激光器表征

圖1（b）展示了基于上述PIC的激光頻率調(diào)諧示意圖。首先，通過向其中一個微加熱器施加直流電壓，對齊兩個微環(huán)的諧振峰以觀測激光出射。然后，同時向兩個壓電執(zhí)行器施加鋸齒波電壓信號，實現(xiàn)線性激光頻率掃描。施加單個壓電執(zhí)行器信號可實現(xiàn)快速波長切換。在我們的激光器設(shè)計中，未集成片上相位切換功能，而是通過改變RSOA（反射半導(dǎo)體光放大器）電流來實現(xiàn)激光相位切換能力。在固定RSOA注入電流的情況下，單模工作模式下的最大調(diào)諧范圍限制為3 GHz（詳見補充材料）。我們通過以下步驟對激光器進行混合封裝：安裝并粘貼RSOA和Si3N4芯片（帶輸出端口），放置溫度控制（TEC）和繞線架（集成所有執(zhí)行器、加熱器），最后放入定制蝴蝶封裝殼，如圖1（c）所示。混合封裝顯著提升了長程激光器穩(wěn)定性，減少了固有聲學(xué)不穩(wěn)定性引起的1 kHz以下光學(xué)跳變，從而消除了混合封裝噪聲。

我們分析了混合激光器的頻率噪聲。為此，我們采用外差拍頻光譜法[47]，讓運行中的TOPTICA CTL參考外腔激光器與我們的ECL（雙激光器頻率拍頻）進行拍頻。使用芬蘭XPDV2120RA光電探測器（帶寬50 GHz）對拍頻信號進行3 dB快拍光探測，隨后將信號輸入羅德與施瓦茨FSW43電頻譜分析儀。對記錄的拍頻數(shù)據(jù)同相和正交分量進行韋爾奇算法[48]處理，以檢索單邊相位噪聲功率譜密度Sφφ，并轉(zhuǎn)換為頻率噪聲Sff。參考激光器的頻率噪聲通過商用超穩(wěn)激光器（Menlo ORS）單獨拍頻測量，完整頻率噪聲圖見補充材料。圖3(h)展示了游標激光器的單邊功率譜密度（PSD）。在2 kHz以下偏移處，游標激光器的頻率噪聲受參考激光器限制，隨后在10–100 kHz偏移處遵循1/?斜率，在100 kHz-4 MHz偏移處遵循1/?1/2斜率（白色噪聲區(qū)）。6 MHz處的頻率噪聲經(jīng)激光器本征線寬（400 MHz）歸一化后為127 Hz2/Hz。補充材料（S2部分）中，我們對比了使用35 GHz FSR大微環(huán)的長外腔集成ECL測得的更低頻率噪聲。該混合激光器在1567 nm處輸出功率超6 mW，邊模抑制比（SMSR）達50 dB（詳見補充材料）。

Ⅳ. 快速波長切換

接下來，我們僅使用壓電陶瓷（PZT）執(zhí)行器展示外腔激光器（ECL）的快速波長切換。實驗裝置的概念示意圖如圖3(b)和3(c)所示，實驗裝置預(yù)設(shè)置如下：在光纖分束器中拆分激光器輸出為兩條路徑，每條路徑安裝環(huán)形器，隨后連接光纖布拉格光柵（FBG）。具有8 GHz帶寬的FBG中心波長間隔97 GHz，這使得能夠通過3號端口的光電探測器（New Focus 1811型，125 MHz帶寬）測量兩個通道。為切換波長，我們對齊游標濾波器與單個微環(huán)，通過PZT執(zhí)行器驅(qū)動實現(xiàn)。從任意函數(shù)發(fā)生器（AFG）施加0至8 V電壓信號（100 kHz速率），其擬合結(jié)果見補充材料。圖3(e)展示了兩通道的功率傳輸，表明以100 kHz速率實現(xiàn)97 GHz的波長切換。圖3(d)呈現(xiàn)了激光器的光譜，顯示兩個發(fā)射波長由自由光譜范圍（FSR）分隔。為確定切換速度，我們用雙曲正切函數(shù) ~ tanh((t – t?)/τ)擬合上升曲線與下降曲線，其中t?為偏移起始時間，τ為上升/下降時間。擬合得出10%–90%上升時間為7 ns，下降時間為6 ns（見圖3(f)和3(g)）。如此快速的波長切換與低至75 nW的功耗，彰顯了集成PZT執(zhí)行器與微加熱器的外腔激光器的優(yōu)勢。所演示的納秒級切換時間，與近期基于鋰鈮酸鋰波導(dǎo)和普克爾效應(yīng)調(diào)諧、100 kHz驅(qū)動的游標激光器性能相當[30]。

Ⅴ. 快速頻率調(diào)諧與線性化

最后，我們對混合激光器的頻率響應(yīng)能力進行表征。圖2(e)展示了封裝后Si?N?器件的光機械S??響應(yīng)，體現(xiàn)了壓電執(zhí)行器的電光響應(yīng)——在高達960 kHz的頻率下，可有效調(diào)制游標波長。圖4(b)和4(c)呈現(xiàn)了快速頻率調(diào)諧概念：通過微加熱器將游標濾波器對齊，以實現(xiàn)1559 nm處的單模發(fā)射。我們向兩個PZT執(zhí)行器同時施加泰克AFG3102任意函數(shù)發(fā)生器（AFG）產(chǎn)生的11 Vp-p三角波信號，實現(xiàn)10 kHz和100 kHz的啁啾頻率（實驗裝置見圖4(a)）。通過外差拍頻（搭配高速光電探測器）測量激光器啁啾后的頻率，定義頻率非線性為曲線與理想對稱三角波的均方根（rms）偏差，該偏差通過最小二乘擬合確定。圖4(d)和4(e)為處理后的激光器頻譜，對應(yīng)10 kHz和100 kHz啁啾頻率下的非線性情況：頻率偏移量分別為1833 MHz（調(diào)諧效率166 MHz/V），10 kHz掃描頻率下均方根相對非線性為1.5%，且展現(xiàn)出1516 MHz頻率偏移（1%非線性）——這通過PZT執(zhí)行器實現(xiàn)，無需額外線性化處理。對于各類光子傳感應(yīng)用（如中長距離高分辨率FMCW激光雷達），關(guān)鍵要求包括：低均方根相對非線性（<1%）和低激光頻率抖動[49]。為改善本ECL的調(diào)諧非線性，我們結(jié)合兩種算法：首先，通過向執(zhí)行器施加短高斯電壓脈沖，利用高速光電探測器和2 GHz采集帶寬示波器，測量執(zhí)行器頻率響應(yīng)與激光器頻率響應(yīng)；其次，將初始電壓斜坡與逆頻率響應(yīng)相乘[42]（細節(jié)見補充材料）。經(jīng)十次迭代，10 kHz調(diào)制頻率下，均方根非線性低至0.9 MHz（相對非線性0.05%）；100 kHz調(diào)諧速率下，該值惡化至3.85 MHz（0.25%）[見圖4(h)和4(i)]，改進系數(shù)達30倍。

Ⅵ. 基于混合集成激光器的光學(xué)相干測距

我們在實驗室開展光學(xué)相干測距實驗，以展現(xiàn)可調(diào)諧Si3N4外腔游標激光器的潛在應(yīng)用。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達（FMCW LiDAR）方法包含激光光源的線性頻率調(diào)制，以及對目標反射回的光學(xué)信號進行延遲相干檢測。圖5(a)展示了FMCW激光雷達測量的實驗裝置：驅(qū)動PZT執(zhí)行器的信號由任意函數(shù)發(fā)生器（AFG）控制；1558 nm激光器輸出通過95/5光纖分束器，分為本地振蕩器臂與信號臂；信號臂經(jīng)摻鉺光纖放大器（Calmar AMP ST15）放大（功率在6-17 mW間），并用光學(xué)帶通濾波器（DiCon）抑制自發(fā)輻射（ASE）噪聲；通過機械振鏡掃描儀（2 Hz和63 Hz）實現(xiàn)光束轉(zhuǎn)向。

為進行測距實驗，在10 m外墻壁前放置兩個附加目標（紙箱字母“C”“S”）與激光準直器[圖5(a)]。以10 kHz速率向兩個PZT執(zhí)行器施加預(yù)失真，使激光器產(chǎn)生光學(xué)頻率偏移量(B = 1.8 GHZ)，對應(yīng)距離測量速度分辨率(c/2B = 8.5 cm) （c為光速）。僅在補償前對封裝器件進行一次預(yù)失真補償，驗證了調(diào)諧線性度、頻率偏移和激光器游標設(shè)置的穩(wěn)定性。多次測距中，記錄目標與本地振蕩器在平衡光電探測器上的拍頻信號。通過短時傅里葉變換（窗口大小為啁啾周期一半，200%零填充）構(gòu)建示波器上的點云。圖5(e)展示拍頻光譜的200個時間幀，反映墻壁、字母、準直器的反射及信噪比值：2.7-2.8 MHz峰值對應(yīng)目標場景，0.3 MHz強峰由準直器反射導(dǎo)致（圖4(e)）。每個時間切片的最大光譜幅度對應(yīng)頻率峰值，忽略準直器反射及信噪比<10 dB的反射。拍頻光譜為各時間切片提供距離坐標分布。圖5(c)、5(d)直方圖顯示：10.2 m對應(yīng)字母點云，10.6 m對應(yīng)墻壁。通過振鏡掃描儀的數(shù)字三角驅(qū)動信號記錄極坐標、方位坐標，轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標（圖5(b)）。圖5(b)基于補償后的顏色映射，呈現(xiàn)點云與場景：字母（藍色）、背景墻（綠色）。

Ⅶ. 結(jié)論

總之，我們展示了一款基于Si3N4光子集成電路（PIC）、集成單片壓電（PZT）執(zhí)行器的游標濾波器激光器。該設(shè)計支持快速啁啾與波長切換，切換時間短于10 ns，較先前使用加熱器的方案有顯著提升。高性價比的反射半導(dǎo)體光放大器（RSOA）與Si3N4 PIC結(jié)合，配合100 kHz啁啾速率，使該激光光源適用于中長距離調(diào)頻連續(xù)波激光雷達（FMCW LiDAR）。若采用氮化鋁（AlN）執(zhí)行器替代PZT，該外腔激光器（ECL）可在無需額外線性化處理的情況下，將均方根非線性降至0.1%。進一步設(shè)計優(yōu)化可加入本征高速相位調(diào)制器，將激光頻率偏移提升至3 GHz以上（當前受限于PZT執(zhí)行器的飽和電壓）。本文展示的方案基于成熟的半導(dǎo)體制造工藝，為大規(guī)模生產(chǎn)集成光子芯片與微電子機械系統(tǒng)（MEMS）奠定基礎(chǔ)，有望推動工業(yè)與消費級相干光子傳感系統(tǒng)的普及。

注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)半導(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，雖本公司盡最大努力保證翻譯準確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯誤，共同進步。

天津見合八方光電科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家專注國產(chǎn)半導(dǎo)體光放大器SOA研發(fā)和生產(chǎn)的高科技企業(yè)，目前已推出多款半導(dǎo)體光放大器SOA產(chǎn)品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產(chǎn)品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了萬級超凈間實驗室，擁有較為全面的光芯片的生產(chǎn)加工、測試和封裝設(shè)備，并具有光芯片的混合集成微封裝能力。目前公司正在進行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研發(fā)工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務(wù)。

審核編輯 黃宇