--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端面耦合到硅氮化物光子集成電路得以實(shí)現(xiàn)?；旌霞す馄鞯木€寬約為85 kHz，調(diào)諧范圍約為47 nm。隨后，通過將可調(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。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?；诙S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。近年來，為解決這些挑戰(zhàn)，一種混合方法逐漸受到關(guān)注。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)。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。

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。混合集成可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)。通過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)處理過的硅晶圓上，隨后對(duì)所有活性器件進(jìn)行加工。活性與無源組件之間的對(duì)準(zhǔn)由光刻精度控制，這適合大規(guī)模集成與制造。然而，這種異質(zhì)集成方法存在兩個(gè)主要問題。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)阻礙活性芯片和無源波導(dǎo)之間的高效散熱。相比之下，通過邊緣耦合實(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源芯片可以獨(dú)立制造和優(yōu)化。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)?；蛑械纫?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)，在集成氮化硅(SiN)平臺(tái)中也已經(jīng)展示了高性能無源光學(xué)組件。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源平臺(tái)中。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。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)。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與無源芯片界面的反射?；赟iN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?；旌蠌?fù)合激光腔由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)。

無源芯片的制造過程概述如下。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)方法來演示RSOA和無源芯片的混合集成。激光光輸出通過無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。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?；旌霞杉す馄鞯木€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)?？烧{(diào)諧二極管激光器非常適合廣泛的應(yīng)用。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)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。

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。通過在單個(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，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)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。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)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。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?。