基于混合集成二极管激光器实现光束操控系统

--翻译自Yeyu Zhu, Siwei Zeng等人的文章

摘要

基于量子点RSOAs的1.3 µm芯片级可调谐窄线宽混合集成二极管激光器通过端面耦合到硅氮化物光子集成电路得以实现。混合激光器的线宽约为85 kHz，调谐范围约为47 nm。随后，通过将可调谐二极管激光器与波导表面光栅结合，展示了一个完全集成的光束操控器。该系统通过调谐混合激光器的波长，可以在一个方向上实现4.1˚的光束操控。此外，还展示了一个在~1 µm、1.3 µm和1.55 µm波段工作的波长可调谐三波段混合集成激光器系统，用于单芯片中宽角度的光束操控。

1. 引言

激光雷达(LiDAR)系统是自动驾驶所需要的技术。光束操控是LiDAR在商用车辆中实现的关键组件之一。通过光子集成获得的芯片级光学相控阵(OPA)提供了经济高效且高性能的光束操控解决方案，与传统的基于复杂机械组件的光束操控系统相比，这些系统通常体积大且成本高。OPA可以在两个不同方向上操控光束，实现全视场扫描。基于二维光学天线阵列的简单解决方案通常会导致设备复杂度增加，器件尺寸变大，功耗升高，以及每个天线的相位控制变得困难。近年来，为解决这些挑战，一种混合方法逐渐受到关注。其中，在一个方向上的光束操控由一维波导相控阵提供，而另一个方向上的光束操控由波导表面光栅提供，只要输入光信号的波长足够可调。因此，将芯片级、窄线宽、波长可调的二极管激光器与波导相控阵和表面光栅集成，对于实现完全集成的OPA至关重要。

最近，具有大幅减小的Schawlow-Townes线宽的混合集成二极管激光器引起了广泛的研究兴趣。混合集成可以通过不同的方法实现。通过直接在硅基上外延生长量子点增益介质的单片法仍然充满挑战，尤其是在实现高效耦合光从量子点层进入硅波导层方面。边缘耦合和晶圆/芯片键合是实现混合集成的两种主要方法。对于晶圆键合方法，活性芯片/晶圆直接键合到预处理过的硅晶圆上，随后对所有活性器件进行加工。活性与无源组件之间的对准由光刻精度控制，这适合大规模集成与制造。然而，这种异质集成方法存在两个主要问题。首先，对于实际制造，活性器件必须在集成前进行预测试。但对于异质集成工艺，测试必须在整个集成芯片完成后进行。其次，氧化层会阻碍活性芯片和无源波导之间的高效散热。相比之下，通过边缘耦合实现混合集成是一种有前景的解决方案，因为活性芯片和无源芯片可以独立制造和优化。在这种情况下，热管理也相对更容易实现。这种方法的主要缺点是只适合小规模或中等规模生产，但它确实提供了良好的大规模制造可扩展性。除了硅绝缘体(SOI)平台，在集成氮化硅(SiN)平台中也已经展示了高性能无源光学组件。由于SiN的宽透明窗口，不同波长带的多带量子阱增益芯片可以集成到同一无源平台中。除了量子阱光学增益芯片，量子点增益芯片也可以通过混合集成方法集成到同一平台中。量子点增益介质提供了许多吸引人的优点，例如小的线宽增强因子、超宽光学增益带宽、宽波长调谐能力和低温度依赖性。此外，量子点增益介质是获得非制冷二极管激光器的良好候选材料，因为强量子化效应和准零维特性可以大幅降低总成本和功耗。因此，在基于量子点反射型半导体光放大器(RSOA)/SiN平台上实现广泛可调谐窄线宽二极管激光器，用于光束操控是一个非常有前景的方向。

在这项工作中，我们首次展示了一种基于量子点RSOA增益芯片和SiN外腔的芯片级、波长可调、窄线宽(约85 kHz)的混合集成二极管激光器，其工作波长约为1.3 µm。随后，通过将混合集成二极管激光器与波导表面光栅集成在单个芯片中，实现了在一个方向上的完全集成光束操控器。此外，我们展示了一种波长可调的三波段混合激光器系统，其工作波段为~1 µm、1.3 µm和1.55 µm，用于芯片级平台中宽角度光束操控。我们的研究结果对实现具有宽波长可调范围的芯片级窄线宽激光源，支持激光雷达(LiDAR)系统的目标探测和测距应用具有重要意义。在LiDAR系统中，三波段二极管激光器可以顺序运行，并利用不同周期的表面光栅实现连续光束操控。

2. 激光器设计与制造

图1展示了混合集成二极管激光器的示意图。它由量子点RSOA增益芯片和SiN/SiO/Si芯片组成。埋氧层(BOX)的厚度为4 µm。RSOA具有高反射(HR)涂层的背面，其反射率为90%，并在前端面具有抗反射(AR)涂层。为了在有源芯片与无源芯片之间实现高效的光耦合，设计了一个波束尺寸转换器，以减小量子点RSOA和SiN芯片中波导的模式失配。波束尺寸转换器输入端的波导宽度为5.9 µm，逐渐缩小至单模波导的宽度。波束尺寸转换器的总长度为50 µm。其详细设计和仿真结果可参考文献。实验测得的耦合损耗小于2 dB。此外，RSOA和SiN波导均采用斜角切割以消除RSOA与无源芯片界面的反射。基于SiN的外腔由两个微环谐振器组成，这些谐振器具有略微不同的半径，作为波长滤波器和扩展腔。两个微环的半径分别为51 µm和54 µm。SiN波导输出端的Sagnac环形镜被用作反射镜，将光反射回激光腔中，反射率约为50%。单模SiN波导的宽度设置为800 nm，高度为300 nm，在1.55 µm波长下的传播损耗约为0.50 dB/cm。混合复合激光腔由RSOA、两个微环谐振器、环形镜以及输入/输出波导组成。微加热器用于通过热调谐微环谐振器的共振波长实现波长可调。

无源芯片的制造过程概述如下。一层300 nm厚的SiN薄膜首先沉积在SiO/Si晶圆上，使用Tystar氮化物低压化学气相沉积工具。通过电子束光刻(EBL)和反应离子蚀刻(RIE)对SiN波导进行图案化和蚀刻。在SiN波导制备完成后，如果需要，可以在波导顶部通过EBL和等离子干法蚀刻制作表面波导光栅。然后，在器件顶部沉积一层1 µm厚的SiO包覆层。在谐振器上方沉积并图案化铬/铂(Cr/Pt)加热器，用于对微环谐振器进行热调谐。

3. 混合激光器的实验结果

为了简化操作，这里使用了一种主动对准方法来演示RSOA和无源芯片的混合集成。激光光输出通过无源芯片的输出端口收集和测量。图2展示了基于量子点RSOA增益芯片的混合集成激光器的实验结果。激光器的光强-电流(L-I)曲线，其阈值电流为95 mA，如图2(a)所示。斜率效率为0.05 W/A。图2(b)展示了光输出光谱(泵浦电流设置为180 mA)。通过两个微环谐振器具有不同自由光谱范围(FSRs)的Vernier效应，获得了具有约50 dB边模抑制比的单频激光。使用带有10 km延迟线的延迟自外差干涉仪测量激光光谱线宽。图2(c)中的红点显示了测得的射频光谱，黑线对应于洛伦兹拟合曲线。半高全宽(FWHM)激光线宽为85 kHz。混合集成激光器的线宽由于扩展腔体长度增加和量子点增益材料的低线宽增强因子而显著减小。图2(d)显示了叠加的光谱，这些光谱是通过完全调谐两个微环谐振器的波长获得的。波长调谐范围约为47 nm。

4. 光束操控的实验结果

在本节中，我们展示了一种基于量子点增益芯片、基于微环的延迟线滤波器、环形镜、相位调谐器和波导表面光栅混合集成的芯片级、完全集成光束操控系统。可调谐二极管激光器非常适合广泛的应用。这里，我们展示了一种光束操控的潜在应用。如图3所示，可调谐二极管激光器结合波导表面光栅，通过调谐光信号的波长可以实现光束操控。图3(a)的插图展示了所制造的波导表面光栅的SEM图像。波导中传播的光被散射并从表面光栅发射，形成远场中的光束。

当可调谐二极管激光器的波长发生变化时，光束的传播方向会被调谐。光束的发射角θ由公式 (1) 给出：

表面光栅的侧视图和顶视图如图3(b)所示。光栅周期为805 nm，占空比为50%。1 µm宽的Si3N4波导在进入表面光栅之前逐渐扩展到4 µm。表面光栅的蚀刻深度为80 nm，可以将发射分布在100 µm长的光栅上，从而在远场中保持窄光束。

我们的设计通过调整混合集成二极管激光器的波长实现光束操控。为了测量表面波导光栅的远场发射分布，我们采用了文献中提出的方法。图4展示了使用集成可调谐二极管激光器进行光束操控的实验结果。插图显示了远场红外(IR)图像。沿光栅方向的半高全宽(FWHM)光束宽度被测量为约0.4˚。展示了工作波长在~1.3 µm的可调谐二极管激光器的光束操控结果。调谐范围约为4.1˚。光束操控范围受限于混合集成二极管激光器的波长调谐范围。通过增加二极管激光器的波长调谐范围或使用光子晶体结构提高光栅发射器的群折射率，可以改善操控范围。

需要指出的是，单个二极管激光器的波长调谐范围通常仅为几十纳米，受增益材料发射波长范围的限制。为了增加光束操控范围，可以使用在不同波长范围内具有不同增益介质的多激光器。通过在单个光子芯片上集成多波段激光源，可以获得超宽带可调谐激光源，用于宽角度光束操控。在我们之前的研究中，基于InP/GaAs RSOA和SiN外腔的芯片级窄线宽混合集成双波段二极管激光器被证明可以实现单频发射。在1.55 µm和1 µm波长处的调谐范围分别为46 nm和38 nm。在这项工作中，基于量子点RSOAs的1.3 µm波长窄线宽二极管激光器被展示。因此，在单个芯片平台上构建工作于1 µm、1.3 µm和1.55 µm波段的波长可调谐三波段二极管激光器系统是可行的。图5展示了与表面波导光栅集成的三波段二极管激光器的示意图。每个RSOA都安装在独立的台架上，以便精确控制与无源SiN腔体的耦合。

为了独立控制发射的光束，分别将工作在1 µm、1.3 µm和1.55 µm波段的混合二极管激光器与表面光栅A、B和C结合。光栅B的参数与图3中所示的相同。

光栅A、B和C的周期分别为632 nm、805 nm和931 nm。所有波导光栅的其他几何参数相同。图6展示了混合集成三波段二极管激光器光束操控系统的实验结果。当混合二极管激光器的波长从998调谐到1036 nm(从1296到1342 nm，从1534到1584 nm)时，光束从9˚调谐到5˚(从4˚到0˚，从-0.8˚到-4˚)。光束操控总范围增加到约13˚。

图7展示了当光栅A、B和C具有相同的805 nm光栅周期时光束操控系统的实验结果。光束可以调谐至约27°、2°和-18°。相比仅使用一个RSOA增益芯片的情况，光束操控范围大幅增加。这里，我们使用了三个具有相同设计的不同表面光栅进行光束操控。但三波段二极管激光器必须使用单一波导光栅，以实现紧凑的波导相控阵，从而在另一个方向上提供光束操控。不同波段的激光器光可以首先通过宽带光束合束器耦合到单一波导中，然后分裂为波导相控阵，如文献中所提议。目前，我们仅展示了工作在1 µm、1.3 µm和1.55 µm波段的可调谐三波段二极管激光器。如果我们将多个增益芯片集成到同一个SiN平台，激光源的波长可以在1 µm到1.6 µm的宽范围内连续调谐，从而实现超过50°的宽角度光束操控范围。在此设备中，由于光学损耗可以忽略不计，我们使用了热调谐技术。但热调谐在慢速调谐、串扰和高功耗方面存在一些缺点。理想的热光相移器具有几千赫兹的相对低带宽，导致光束扫描速度受限。为了实现高速调谐，我们计划在掺锂铌酸盐平台中创建无源组件，利用Pockels效应，尽管将这种平台集成到激光腔体中尚未被验证。在相控阵系统中，不同波长的光以不同速度在光波导中传播，可能引入光束偏移现象。由于宽波长调谐范围的存在，不同波长的光束方向可能存在几度的偏差。通过在光波导相控阵系统中单独控制各光波导的相位部分，可以避免该问题。此外，在实际应用中，1 µm波长下的光学损伤阈值较低。为了避免潜在问题，我们可以使用1.2 µm到1.7 µm的波长范围或使用相干探测。

图7展示了当光栅A、B和C具有相同的805 nm光栅周期时光束操控系统的实验结果。光束可以调谐至约27°、2°和-18°。相比仅使用一个RSOA增益芯片的情况，光束操控范围大幅增加。这里，我们使用了三个具有相同设计的不同表面光栅进行光束操控。但三波段二极管激光器必须使用单一波导光栅，以实现紧凑的波导相控阵，从而在另一个方向上提供光束操控。不同波段的激光器光可以首先通过宽带光束合束器耦合到单一波导中，然后分裂为波导相控阵，如文献中所提议。目前，我们仅展示了工作在1 µm、1.3 µm和1.55 µm波段的可调谐三波段二极管激光器。如果我们将多个增益芯片集成到同一个SiN平台，激光源的波长可以在1 µm到1.6 µm的宽范围内连续调谐，从而实现超过50°的宽角度光束操控范围。在此设备中，由于光学损耗可以忽略不计，我们使用了热调谐技术。但热调谐在慢速调谐、串扰和高功耗方面存在一些缺点。理想的热光相移器具有几千赫兹的相对低带宽，导致光束扫描速度受限。为了实现高速调谐，我们计划在掺锂铌酸盐平台中创建无源组件，利用Pockels效应，尽管将这种平台集成到激光腔体中尚未被验证。在相控阵系统中，不同波长的光以不同速度在光波导中传播，可能引入光束偏移现象。由于宽波长调谐范围的存在，不同波长的光束方向可能存在几度的偏差。通过在光波导相控阵系统中单独控制各光波导的相位部分，可以避免该问题。此外，在实际应用中，1 µm波长下的光学损伤阈值较低。为了避免潜在问题，我们可以使用1.2 µm到1.7 µm的波长范围或使用相干探测。

5. 结论

我们展示了在硅氮化硅(SiN)光子集成平台中，基于量子点RSOA的1.3 µm低损耗无源外腔的混合集成。所获得的激光线宽约为85 kHz，调谐范围约为47 nm。我们的系统具有为无源光子集成电路提供芯片级窄线宽激光源的潜力，同时具备宽波长可调范围。此外，我们展示了一种通过混合集成基于量子点RSOA和波导表面光栅的可调谐二极管激光器实现的光束操控系统。当调谐可调谐二极管激光器的波长时，在约4.1˚范围内实现了光束操控。通过在同一硅氮化硅平台上集成两个额外的RSOA(工作在1 µm和1.55 µm波段)，光束操控范围大幅增加至约13˚。