----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的最新進展為新一代集成激光器的發展鋪平了道路，使得集成激光器可實現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定點進行精細調節。相比之下，以往的即插即用（turn-key）型傳統激光系統采用反射式半導體光放大器（RSOA）。雖然這一方案已被用于基于集成光子技術的激光器，但迄今為止尚不存在既經濟又低噪聲，同時具備快速調諧、無模式跳變（mode-hop-free）以及適用于調頻連續波（FMCW）激光雷達（LiDAR）或頻率計量領域激光鎖定所需的線性頻率調諧功能的RSOA集成激光器。

Ⅰ. 引言

窄線寬激光器在計量學、光學傳感[1]、微波光子學[2,3]、光學捕獲[4]以及數據中心的互聯互通[5]等領域擁有廣泛的應用。激光器的頻率靈活性，即其頻率調諧和精確控制能力，使其適用于量子領域中的精確激光鎖定、通信領域中的快速波長切換，以及調頻連續波（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集成技術已經實現了緊湊型激光器，并在數據中心收發器領域實現商業化應用[11,12]。然而，這些激光器在相位噪聲性能方面仍未達到傳統激光系統，尤其是連續波光纖激光器的水平。近期在低損耗氮化硅（Si3N4）集成光子學領域的進展，開啟了一種新型集成激光器，其相位噪聲性能甚至優于傳統激光器[13]。通過分布反饋（DFB）二極管自注入鎖定與集成微諧振腔結合，利用低約束結構的氮化硅波導（Si3N4），所開發的激光器已展現出超越光纖激光器的相干性能[13-15]。同時，采用強約束波導實現了快速頻率調諧（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展。在過去十年中，高度超過700 nm的強約束氮化硅波導實現了低于3 dB/m的傳播損耗，已成為可在晶圓代工廠中商業化制造、并與弱約束波導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]和摻鉺波導放大器（EDWA）[19]等新型功能器件得以實現。此外，氮化硅光子集成電路已經與壓電致動器單片集成，獲得平坦的MHz帶寬、低功耗（納瓦級）以及線性頻率調諧的能力，從而實現頻率靈活、低噪聲的激光器以及可調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構。相較而言，目前許多商業激光器使用反射式半導體光放大器（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]。采用雙環維尼爾濾波器（Vernier filters）的PIC可提供頻率選擇性反射。基于此類維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后，其性能顯著提升，并已實現亞千赫茲級激光線寬[25-28]。高頻率調制速度（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，并集成壓電執行器以增強調控能力。該方案成本低廉，可緩解DFB激光器的使用需求，同時實現高相干性、快速MHz級調制帶寬、線性調諧以及低頻率噪聲。多種應用場景可受益于此類低噪聲、高頻率可調的低成本RSOA-ECL。例如，在數據中心中，此類激光器可用于波長切換[31]，已有研究探討了數字超晶格分布式布拉格反射器（DS-DBR）[32]、維尼爾調諧分布式布拉格反射器（VT-DBR）[33]和DFB-3λ[34]等配置，并結合模式躍遷自由的波長調諧技術[35-37]?；诩杉訜崞鞯牟ㄩL切換已實現最高10 kHz的調諧速度。另一重要應用為FMCW激光雷達，其中高線性度的激光頻率調諧及低頻率噪聲對于中長距離的距離與速度測量至關重要[38,39]。盡管該領域已取得顯著進展，但要實現快速、線性可調的集成激光器，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。

II. 光子集成芯片設計與表征

本研究實現了一種激光器，其外腔基于SiN光子集成電路（PIC），并采用雙環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計及激光器的示意圖。反射型半導體光放大器（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-環形波導間隙實現信號交換。圖1(f) 展示了芯片的橫截面結構，其材料堆棧包括：Si載體、2200 nm寬、900 nm高的SiN波導、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 波導的制造采用大馬士革回流工藝[43]。

本研究開發了維尼爾結構中兩個環形諧振器的驅動機制，利用應力-光學效應和熱-光學效應實現調控。單片集成執行器（見圖1(d)）包括壓電PZT執行器，用于快速驅動，以及微加熱器，用于維尼爾濾波器的對準和寬波長調諧。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環形波導的距離（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，以及基于相似微環工藝迭代優化PZT執行器位置，以提高應力-光學調諧效率（本器件測得的調諧效率為166 MHz/V）。此外，PZT執行器頂電極的半徑與SiN環形波導相同。

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微環諧振器透射和反射譜顯示，功率監測器測得的透射峰為10%-35%，反射峰為25%。圖2（c）展示了微環諧振器R1和R2諧振峰（綠色、紅色）的擬合結果以及洛倫茲擬合（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?微環諧振峰的總腔線寬測量結果。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）執行器。在驅動壓電執行器之前，通過施加25 V電壓數秒來對齊鐵電PZT材料的偶極子域，以提高調諧效率[46]。實驗中僅施加正電壓，以保持偏振方向。我們對單個PZT執行器進行測試，使RSOA和微環諧振器的調諧保持穩定。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執行器。電壓增加8 V可使諧振峰調諧1.2 GHz，這相當于兩個微環的自由光譜范圍（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）內切換游標濾波器頻率。所有測量中，執行器的電流消耗均小于20 nA，功耗低至75 nW，遠低于波長調諧的功耗。

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，對齊兩個微環的諧振峰以觀測激光出射。然后，同時向兩個壓電執行器施加鋸齒波電壓信號，實現線性激光頻率掃描。施加單個壓電執行器信號可實現快速波長切換。在我們的激光器設計中，未集成片上相位切換功能，而是通過改變RSOA（反射半導體光放大器）電流來實現激光相位切換能力。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（集成所有執行器、加熱器），最后放入定制蝴蝶封裝殼，如圖1（c）所示?；旌戏庋b顯著提升了長程激光器穩定性，減少了固有聲學不穩定性引起的1 kHz以下光學跳變，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。對記錄的拍頻數據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，并轉換為頻率噪聲Sff。參考激光器的頻率噪聲通過商用超穩激光器（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）。6 MHz處的頻率噪聲經激光器本征線寬（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，實驗裝置預設置如下：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，通過PZT執行器驅動實現。從任意函數發生器（AFG）施加0至8 V電壓信號（100 kHz速率），其擬合結果見補充材料。圖3(e)展示了兩通道的功率傳輸，表明以100 kHz速率實現97 GHz的波長切換。圖3(d)呈現了激光器的光譜，顯示兩個發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 ~ 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執行器與微加熱器的外腔激光器的優勢。所演示的納秒級切換時間，與近期基于鋰鈮酸鋰波導和普克爾效應調諧、100 kHz驅動的游標激光器性能相當[30]。

Ⅴ. 快速頻率調諧與線性化

最后，我們對混合激光器的頻率響應能力進行表征。圖2(e)展示了封裝后Si?N?器件的光機械S??響應，體現了壓電執行器的電光響應——在高達960 kHz的頻率下，可有效調制游標波長。圖4(b)和4(c)呈現了快速頻率調諧概念：通過微加熱器將游標濾波器對齊，以實現1559 nm處的單模發射。我們向兩個PZT執行器同時施加泰克AFG3102任意函數發生器（AFG）產生的11 Vp-p三角波信號，實現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%，且展現出1516 MHz頻率偏移（1%非線性）——這通過PZT執行器實現，無需額外線性化處理。對于各類光子傳感應用（如中長距離高分辨率FMCW激光雷達），關鍵要求包括：低均方根相對非線性（<1%）和低激光頻率抖動[49]。為改善本ECL的調諧非線性，我們結合兩種算法：首先，通過向執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，測量執行器頻率響應與激光器頻率響應；其次，將初始電壓斜坡與逆頻率響應相乘[42]（細節見補充材料）。經十次迭代，10 kHz調制頻率下，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)]，改進系數達30倍。

Ⅵ. 基于混合集成激光器的光學相干測距

我們在實驗室開展光學相干測距實驗，以展現可調諧Si3N4外腔游標激光器的潛在應用。調頻連續波激光雷達（FMCW LiDAR）方法包含激光光源的線性頻率調制，以及對目標反射回的光學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：驅動PZT執行器的信號由任意函數發生器（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；信號臂經摻鉺光纖放大器（Calmar AMP ST15）放大（功率在6-17 mW間），并用光學帶通濾波器（DiCon）抑制自發輻射（ASE）噪聲；通過機械振鏡掃描儀（2 Hz和63 Hz）實現光束轉向。

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執行器施加預失真，使激光器產生光學頻率偏移量(B = 1.8 GHZ)，對應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失真補償，驗證了調諧線性度、頻率偏移和激光器游標設置的穩定性。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峰值對應目標場景，0.3 MHz強峰由準直器反射導致（圖4(e)）。每個時間切片的最大光譜幅度對應頻率峰值，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對應字母點云，10.6 m對應墻壁。通過振鏡掃描儀的數字三角驅動信號記錄極坐標、方位坐標，轉換為笛卡爾坐標（圖5(b)）。圖5(b)基于補償后的顏色映射，呈現點云與場景：字母（藍色）、背景墻（綠色）。

Ⅶ. 結論

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）執行器的游標濾波器激光器。該設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體光放大器（RSOA）與Si3N4 PIC結合，配合100 kHz啁啾速率，使該激光光源適用于中長距離調頻連續波激光雷達（FMCW LiDAR）。若采用氮化鋁（AlN）執行器替代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%。進一步設計優化可加入本征高速相位調制器，將激光頻率偏移提升至3 GHz以上（當前受限于PZT執行器的飽和電壓）。本文展示的方案基于成熟的半導體制造工藝，為大規模生產集成光子芯片與微電子機械系統（MEMS）奠定基礎，有望推動工業與消費級相干光子傳感系統的普及。

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半導體光放大器SOA基礎知識，助力SOA技術的發展和應用。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、遺漏或語義解讀導致的不完全準確性，建議讀者閱讀原文或對照閱讀，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），是一家專注國產半導體光放大器SOA研發和生產的高科技企業，目前已推出多款半導體光放大器SOA產品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA產品(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加工、測試和封裝設備，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器件的研發工作，并可對外承接各種光電器件測試、封裝和加工服務。

審核編輯 黃宇