--翻譯自Yeyu Zhu, Siwei Zeng等人的文章

摘要

基于量子點(diǎn)RSOAs的1.3 μm芯片級(jí)可調(diào)諧窄線寬混合集成二極管激光器通過(guò)端面耦合到硅氮化物光子集成電路得以實(shí)現(xiàn)。混合激光器的線寬約為85 kHz，調(diào)諧范圍約為47 nm。隨后，通過(guò)將可調(diào)諧二極管激光器與波導(dǎo)表面光柵結(jié)合，展示了一個(gè)完全集成的光束操控器。該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)諧混合激光器的波長(zhǎng)，可以在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)4.1?的光束操控。此外，還展示了一個(gè)在~1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段工作的波長(zhǎng)可調(diào)諧三波段混合集成激光器系統(tǒng)，用于單芯片中寬角度的光束操控。

1. 引言

激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛所需要的技術(shù)。光束操控是LiDAR在商用車輛中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵組件之一。通過(guò)光子集成獲得的芯片級(jí)光學(xué)相控陣（OPA）提供了經(jīng)濟(jì)高效且高性能的光束操控解決方案，與傳統(tǒng)的基于復(fù)雜機(jī)械組件的光束操控系統(tǒng)相比，這些系統(tǒng)通常體積大且成本高[1]。OPA可以在兩個(gè)不同方向上操控光束，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)掃描。基于二維光學(xué)天線陣列的簡(jiǎn)單解決方案通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜度增加，器件尺寸變大，功耗升高，以及每個(gè)天線的相位控制變得困難[2]。近年來(lái)，為解決這些挑戰(zhàn)，一種混合方法逐漸受到關(guān)注[3]。其中，在一個(gè)方向上的光束操控由一維波導(dǎo)相控陣提供，而另一個(gè)方向上的光束操控由波導(dǎo)表面光柵提供，只要輸入光信號(hào)的波長(zhǎng)足夠可調(diào)[6,7]。因此，將芯片級(jí)、窄線寬、波長(zhǎng)可調(diào)的二極管激光器與波導(dǎo)相控陣和表面光柵集成，對(duì)于實(shí)現(xiàn)完全集成的OPA至關(guān)重要[8,9]。

最近，具有大幅減小的Schawlow-Townes線寬的混合集成二極管激光器引起了廣泛的研究興趣[10,11]。混合集成可以通過(guò)不同的方法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)直接在硅基上外延生長(zhǎng)量子點(diǎn)增益介質(zhì)的單片法仍然充滿挑戰(zhàn)，尤其是在實(shí)現(xiàn)高效耦合光從量子點(diǎn)層進(jìn)入硅波導(dǎo)層方面。邊緣耦合和晶圓/芯片鍵合是實(shí)現(xiàn)混合集成的兩種主要方法。對(duì)于晶圓鍵合方法，活性芯片/晶圓直接鍵合到預(yù)處理過(guò)的硅晶圓上，隨后對(duì)所有活性器件進(jìn)行加工。活性與無(wú)源組件之間的對(duì)準(zhǔn)由光刻精度控制，這適合大規(guī)模集成與制造[1,8]。然而，這種異質(zhì)集成方法存在兩個(gè)主要問(wèn)題。首先，對(duì)于實(shí)際制造，活性器件必須在集成前進(jìn)行預(yù)測(cè)試。但對(duì)于異質(zhì)集成工藝，測(cè)試必須在整個(gè)集成芯片完成后進(jìn)行。其次，氧化層會(huì)阻礙活性芯片和無(wú)源波導(dǎo)之間的高效散熱。相比之下，通過(guò)邊緣耦合實(shí)現(xiàn)混合集成是一種有前景的解決方案，因?yàn)榛钚孕酒蜔o(wú)源芯片可以獨(dú)立制造和優(yōu)化[12,13]。在這種情況下，熱管理也相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)。這種方法的主要缺點(diǎn)是只適合小規(guī)模或中等規(guī)模生產(chǎn)，但它確實(shí)提供了良好的大規(guī)模制造可擴(kuò)展性。除了硅絕緣體（SOI）平臺(tái)[14]，在集成氮化硅（SiN）平臺(tái)中也已經(jīng)展示了高性能無(wú)源光學(xué)組件[15]。由于SiN的寬透明窗口，不同波長(zhǎng)帶的多帶量子阱增益芯片可以集成到同一無(wú)源平臺(tái)中[16]。除了量子阱光學(xué)增益芯片，量子點(diǎn)增益芯片也可以通過(guò)混合集成方法集成到同一平臺(tái)中。量子點(diǎn)增益介質(zhì)提供了許多吸引人的優(yōu)點(diǎn)，例如小的線寬增強(qiáng)因子、超寬光學(xué)增益帶寬、寬波長(zhǎng)調(diào)諧能力和低溫度依賴性[17-19]。此外，量子點(diǎn)增益介質(zhì)是獲得非制冷二極管激光器的良好候選材料，因?yàn)閺?qiáng)量子化效應(yīng)和準(zhǔn)零維特性可以大幅降低總成本和功耗。因此，在基于量子點(diǎn)反射型半導(dǎo)體光放大器（RSOA）/SiN平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)廣泛可調(diào)諧窄線寬二極管激光器，用于光束操控是一個(gè)非常有前景的方向。

在這項(xiàng)工作中，我們首次展示了一種基于量子點(diǎn)RSOA增益芯片和SiN外腔的芯片級(jí)、波長(zhǎng)可調(diào)、窄線寬（約85 kHz）的混合集成二極管激光器，其工作波長(zhǎng)約為1.3 μm。隨后，通過(guò)將混合集成二極管激光器與波導(dǎo)表面光柵集成在單個(gè)芯片中，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)方向上的完全集成光束操控器。此外，我們展示了一種波長(zhǎng)可調(diào)的三波段混合激光器系統(tǒng)，其工作波段為~1 μm、1.3 μm和1.55 μm，用于芯片級(jí)平臺(tái)中寬角度光束操控。我們的研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)具有寬波長(zhǎng)可調(diào)范圍的芯片級(jí)窄線寬激光源，支持激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)的目標(biāo)探測(cè)和測(cè)距應(yīng)用具有重要意義。在LiDAR系統(tǒng)中，三波段二極管激光器可以順序運(yùn)行，并利用不同周期的表面光柵實(shí)現(xiàn)連續(xù)光束操控。

2. 激光器設(shè)計(jì)與制造

圖1展示了混合集成二極管激光器的示意圖。它由量子點(diǎn)RSOA增益芯片和SiN/SiO/Si芯片組成。埋氧層（BOX）的厚度為4 μm。RSOA具有高反射（HR）涂層的背面，其反射率為90%，并在前端面具有抗反射（AR）涂層。為了在有源芯片與無(wú)源芯片之間實(shí)現(xiàn)高效的光耦合，設(shè)計(jì)了一個(gè)波束尺寸轉(zhuǎn)換器，以減小量子點(diǎn)RSOA和SiN芯片中波導(dǎo)的模式失配。波束尺寸轉(zhuǎn)換器輸入端的波導(dǎo)寬度為5.9 μm，逐漸縮小至單模波導(dǎo)的寬度。波束尺寸轉(zhuǎn)換器的總長(zhǎng)度為50 μm。其詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果可參考文獻(xiàn)[20,21]。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的耦合損耗小于2 dB。此外，RSOA和SiN波導(dǎo)均采用斜角切割以消除RSOA與無(wú)源芯片界面的反射。基于SiN的外腔由兩個(gè)微環(huán)諧振器組成，這些諧振器具有略微不同的半徑，作為波長(zhǎng)濾波器和擴(kuò)展腔。兩個(gè)微環(huán)的半徑分別為51 μm和54 μm。SiN波導(dǎo)輸出端的Sagnac環(huán)形鏡被用作反射鏡，將光反射回激光腔中，反射率約為50%。單模SiN波導(dǎo)的寬度設(shè)置為800 nm，高度為300 nm，在1.55 μm波長(zhǎng)下的傳播損耗約為0.50 dB/cm。混合復(fù)合激S光腔由RSOA、兩個(gè)微環(huán)諧振器、環(huán)形鏡以及輸入/輸出波導(dǎo)組成。微加熱器用于通過(guò)熱調(diào)諧微環(huán)諧振器的共振波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)。

無(wú)源芯片的制造過(guò)程概述如下。一層300 nm厚的SiN薄膜首先沉積在SiO/Si晶圓上，使用Tystar氮化物低壓化學(xué)氣相沉積工具。通過(guò)電子束光刻（EBL）和反應(yīng)離子蝕刻（RIE）對(duì)SiN波導(dǎo)進(jìn)行圖案化和蝕刻。在SiN波導(dǎo)制備完成后，如果需要，可以在波導(dǎo)頂部通過(guò)EBL和等離子干法蝕刻制作表面波導(dǎo)光柵。然后，在器件頂部沉積一層1 μm厚的SiO包覆層。在諧振器上方沉積并圖案化鉻/鉑（Cr/Pt）加熱器，用于對(duì)微環(huán)諧振器進(jìn)行熱調(diào)諧。

3. 混合激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了簡(jiǎn)化操作，這里使用了一種主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法來(lái)演示RSOA和無(wú)源芯片的混合集成。激光光輸出通過(guò)無(wú)源芯片的輸出端口收集和測(cè)量。圖2展示了基于量子點(diǎn)RSOA增益芯片的混合集成激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。激光器的光強(qiáng)-電流（L-I）曲線，其閾值電流為95 mA，如圖2(a)所示。斜率效率為0.05 W/A。圖2(b)展示了光輸出光譜（泵浦電流設(shè)置為180 mA）。通過(guò)兩個(gè)微環(huán)諧振器具有不同自由光譜范圍（FSRs）的Vernier效應(yīng)，獲得了具有約50 dB邊模抑制比的單頻激光。使用帶有10 km延遲線的延遲自外差干涉儀測(cè)量激光光譜線寬[10]。圖2(c)中的紅點(diǎn)顯示了測(cè)得的射頻光譜，黑線對(duì)應(yīng)于洛倫茲擬合曲線。半高全寬（FWHM）激光線寬為85 kHz。混合集成激光器的線寬由于擴(kuò)展腔體長(zhǎng)度增加和量子點(diǎn)增益材料的低線寬增強(qiáng)因子而顯著減小。圖2(d)顯示了疊加的光譜，這些光譜是通過(guò)完全調(diào)諧兩個(gè)微環(huán)諧振器的波長(zhǎng)獲得的。波長(zhǎng)調(diào)諧范圍約為47 nm。

4. 光束操控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本節(jié)中，我們展示了一種基于量子點(diǎn)增益芯片、基于微環(huán)的延遲線濾波器、環(huán)形鏡、相位調(diào)諧器和波導(dǎo)表面光柵混合集成的芯片級(jí)、完全集成光束操控系統(tǒng)。可調(diào)諧二極管激光器非常適合廣泛的應(yīng)用[22]。這里，我們展示了一種光束操控的潛在應(yīng)用。如圖3所示，可調(diào)諧二極管激光器結(jié)合波導(dǎo)表面光柵，通過(guò)調(diào)諧光信號(hào)的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)光束操控。圖3(a)的插圖展示了所制造的波導(dǎo)表面光柵的SEM圖像。波導(dǎo)中傳播的光被散射并從表面光柵發(fā)射，形成遠(yuǎn)場(chǎng)中的光束。

當(dāng)可調(diào)諧二極管激光器的波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，光束的傳播方向會(huì)被調(diào)諧。光束的發(fā)射角θ由公式 (1) 給出：

表面光柵的側(cè)視圖和頂視圖如圖3(b)所示。光柵周期為805 nm，占空比為50%。1 μm寬的Si3N4波導(dǎo)在進(jìn)入表面光柵之前逐漸擴(kuò)展到4 μm。表面光柵的蝕刻深度為80 nm，可以將發(fā)射分布在100 μm長(zhǎng)的光柵上，從而在遠(yuǎn)場(chǎng)中保持窄光束。

我們的設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整混合集成二極管激光器的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)光束操控。為了測(cè)量表面波導(dǎo)光柵的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射分布，我們采用了文獻(xiàn)[23,24]中提出的方法。圖4展示了使用集成可調(diào)諧二極管激光器進(jìn)行光束操控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。插圖顯示了遠(yuǎn)場(chǎng)紅外（IR）圖像。沿光柵方向的半高全寬（FWHM）光束寬度被測(cè)量為約0.4?。展示了工作波長(zhǎng)在~1.3 μm的可調(diào)諧二極管激光器的光束操控結(jié)果。調(diào)諧范圍約為4.1?。光束操控范圍受限于混合集成二極管激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。通過(guò)增加二極管激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍或使用光子晶體結(jié)構(gòu)提高光柵發(fā)射器的群折射率，可以改善操控范圍[25]。

需要指出的是，單個(gè)二極管激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍通常僅為幾十納米，受增益材料發(fā)射波長(zhǎng)范圍的限制。為了增加光束操控范圍，可以使用在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有不同增益介質(zhì)的多激光器[16]。通過(guò)在單個(gè)光子芯片上集成多波段激光源，可以獲得超寬帶可調(diào)諧激光源，用于寬角度光束操控。在我們之前的研究中[10]，基于InP/GaAs RSOA和SiN外腔的芯片級(jí)窄線寬混合集成雙波段二極管激光器被證明可以實(shí)現(xiàn)單頻發(fā)射。在1.55 μm和1 μm波長(zhǎng)處的調(diào)諧范圍分別為46 nm和38 nm。在這項(xiàng)工作中，基于量子點(diǎn)RSOAs的1.3 μm波長(zhǎng)窄線寬二極管激光器被展示。因此，在單個(gè)芯片平臺(tái)上構(gòu)建工作于1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的波長(zhǎng)可調(diào)諧三波段二極管激光器系統(tǒng)是可行的。圖5展示了與表面波導(dǎo)光柵集成的三波段二極管激光器的示意圖。每個(gè)RSOA都安裝在獨(dú)立的臺(tái)架上，以便精確控制與無(wú)源SiN腔體的耦合。

為了獨(dú)立控制發(fā)射的光束，分別將工作在1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的混合二極管激光器與表面光柵A、B和C結(jié)合。光柵B的參數(shù)與圖3中所示的相同。

光柵A、B和C的周期分別為632 nm、805 nm和931 nm。所有波導(dǎo)光柵的其他幾何參數(shù)相同。圖6展示了混合集成三波段二極管激光器光束操控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)混合二極管激光器的波長(zhǎng)從998調(diào)諧到1036 nm（從1296到1342 nm，從1534到1584 nm）時(shí)，光束從9?調(diào)諧到5?（從4?到0?，從-0.8?到-4?）。光束操控總范圍增加到約13?。

圖7展示了當(dāng)光柵A、B和C具有相同的805 nm光柵周期時(shí)光束操控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。光束可以調(diào)諧至約27°、2°和-18°。相比僅使用一個(gè)RSOA增益芯片的情況，光束操控范圍大幅增加。這里，我們使用了三個(gè)具有相同設(shè)計(jì)的不同表面光柵進(jìn)行光束操控。但三波段二極管激光器必須使用單一波導(dǎo)光柵，以實(shí)現(xiàn)緊湊的波導(dǎo)相控陣，從而在另一個(gè)方向上提供光束操控。不同波段的激光器光可以首先通過(guò)寬帶光束合束器耦合到單一波導(dǎo)中，然后分裂為波導(dǎo)相控陣，如文獻(xiàn)[26]中所提議。目前，我們僅展示了工作在1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的可調(diào)諧三波段二極管激光器。如果我們將多個(gè)增益芯片集成到同一個(gè)SiN平臺(tái)，激光源的波長(zhǎng)可以在1 μm到1.6 μm的寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)超過(guò)50°的寬角度光束操控范圍。在此設(shè)備中，由于光學(xué)損耗可以忽略不計(jì)，我們使用了熱調(diào)諧技術(shù)。但熱調(diào)諧在慢速調(diào)諧、串?dāng)_和高功耗方面存在一些缺點(diǎn)。理想的熱光相移器具有幾千赫茲的相對(duì)低帶寬，導(dǎo)致光束掃描速度受限[8,27]。為了實(shí)現(xiàn)高速調(diào)諧，我們計(jì)劃在摻鋰鈮酸鹽平臺(tái)中創(chuàng)建無(wú)源組件，利用Pockels效應(yīng)，盡管將這種平臺(tái)集成到激光腔體中尚未被驗(yàn)證。在相控陣系統(tǒng)中，不同波長(zhǎng)的光以不同速度在光波導(dǎo)中傳播，可能引入光束偏移現(xiàn)象。由于寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的存在，不同波長(zhǎng)的光束方向可能存在幾度的偏差。通過(guò)在光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)中單獨(dú)控制各光波導(dǎo)的相位部分，可以避免該問(wèn)題。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，1 μm波長(zhǎng)下的光學(xué)損傷閾值較低。為了避免潛在問(wèn)題，我們可以使用1.2 μm到1.7 μm的波長(zhǎng)范圍或使用相干探測(cè)。

圖7展示了當(dāng)光柵A、B和C具有相同的805 nm光柵周期時(shí)光束操控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。光束可以調(diào)諧至約27°、2°和-18°。相比僅使用一個(gè)RSOA增益芯片的情況，光束操控范圍大幅增加。這里，我們使用了三個(gè)具有相同設(shè)計(jì)的不同表面光柵進(jìn)行光束操控。但三波段二極管激光器必須使用單一波導(dǎo)光柵，以實(shí)現(xiàn)緊湊的波導(dǎo)相控陣，從而在另一個(gè)方向上提供光束操控。不同波段的激光器光可以首先通過(guò)寬帶光束合束器耦合到單一波導(dǎo)中，然后分裂為波導(dǎo)相控陣，如文獻(xiàn)[26]中所提議。目前，我們僅展示了工作在1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的可調(diào)諧三波段二極管激光器。如果我們將多個(gè)增益芯片集成到同一個(gè)SiN平臺(tái)，激光源的波長(zhǎng)可以在1 μm到1.6 μm的寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)超過(guò)50°的寬角度光束操控范圍。在此設(shè)備中，由于光學(xué)損耗可以忽略不計(jì)，我們使用了熱調(diào)諧技術(shù)。但熱調(diào)諧在慢速調(diào)諧、串?dāng)_和高功耗方面存在一些缺點(diǎn)。理想的熱光相移器具有幾千赫茲的相對(duì)低帶寬，導(dǎo)致光束掃描速度受限[8,27]。為了實(shí)現(xiàn)高速調(diào)諧，我們計(jì)劃在摻鋰鈮酸鹽平臺(tái)中創(chuàng)建無(wú)源組件，利用Pockels效應(yīng)，盡管將這種平臺(tái)集成到激光腔體中尚未被驗(yàn)證。在相控陣系統(tǒng)中，不同波長(zhǎng)的光以不同速度在光波導(dǎo)中傳播，可能引入光束偏移現(xiàn)象。由于寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的存在，不同波長(zhǎng)的光束方向可能存在幾度的偏差。通過(guò)在光波導(dǎo)相控陣系統(tǒng)中單獨(dú)控制各光波導(dǎo)的相位部分，可以避免該問(wèn)題。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，1 μm波長(zhǎng)下的光學(xué)損傷閾值較低。為了避免潛在問(wèn)題，我們可以使用1.2 μm到1.7 μm的波長(zhǎng)范圍或使用相干探測(cè)。

5. 結(jié)論

我們展示了在硅氮化硅（SiN）光子集成平臺(tái)中，基于量子點(diǎn)RSOA的1.3 μm低損耗無(wú)源外腔的混合集成。所獲得的激光線寬約為85 kHz，調(diào)諧范圍約為47 nm。我們的系統(tǒng)具有為無(wú)源光子集成電路提供芯片級(jí)窄線寬激光源的潛力，同時(shí)具備寬波長(zhǎng)可調(diào)范圍。此外，我們展示了一種通過(guò)混合集成基于量子點(diǎn)RSOA和波導(dǎo)表面光柵的可調(diào)諧二極管激光器實(shí)現(xiàn)的光束操控系統(tǒng)。當(dāng)調(diào)諧可調(diào)諧二極管激光器的波長(zhǎng)時(shí)，在約4.1?范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了光束操控。通過(guò)在同一硅氮化硅平臺(tái)上集成兩個(gè)額外的RSOA（工作在1 μm和1.55 μm波段），光束操控范圍大幅增加至約13?。

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審核編輯 黃宇