--翻譯自Yeyu Zhu, Siwei Zeng等人的文章

摘要

基于量子點RSOAs的1.3 μm芯片級可調(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，可以在一個方向上實現(xiàn)4.1?的光束操控。此外，還展示了一個在~1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段工作的波長可調(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)是自動駕駛所需要的技術(shù)。光束操控是LiDAR在商用車輛中實現(xiàn)的關(guān)鍵組件之一。通過光子集成獲得的芯片級光學(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可以在兩個不同方向上操控光束，實現(xiàn)全視場掃描。基于二維光學(xué)天線陣列的簡單解決方案通常會導(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，在一個方向上的光束操控由一維波導(dǎo)相控陣提供，而另一個方向上的光束操控由波導(dǎo)表面光柵提供，只要輸入光信號的波長足夠可調(diào)。因此，將芯片級、窄線寬、波長可調(diào)的二極管激光器與波導(dǎo)相控陣和表面光柵集成，對于實現(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現(xiàn)。通過直接在硅基上外延生長量子點增益介質(zhì)的單片法仍然充滿挑戰(zhàn)，尤其是在實現(xiàn)高效耦合光從量子點層進(jìn)入硅波導(dǎo)層方面。邊緣耦合和晶圓/芯片鍵合是實現(xiàn)混合集成的兩種主要方法。對于晶圓鍵合方法，活性芯片/晶圓直接鍵合到預(yù)處理過的硅晶圓上，隨后對所有活性器件進(jìn)行加工。活性與無源組件之間的對準(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)集成方法存在兩個主要問題。首先，對于實際制造，活性器件必須在集成前進(jìn)行預(yù)測試。但對于異質(zhì)集成工藝，測試必須在整個集成芯片完成后進(jìn)行。其次，氧化層會阻礙活性芯片和無源波導(dǎo)之間的高效散熱。相比之下，通過邊緣耦合實現(xiàn)混合集成是一種有前景的解決方案，因為活性芯片和無源芯片可以獨立制造和優(yōu)化。在這種情況下，熱管理也相對更容易實現(xiàn)。這種方法的主要缺點是只適合小規(guī)模或中等規(guī)模生產(chǎn)，但它確實提供了良好的大規(guī)模制造可擴(kuò)展性。除了硅絕緣體(SOI)平臺，在集成氮化硅(SiN)平臺中也已經(jīng)展示了高性能無源光學(xué)組件。由于SiN的寬透明窗口，不同波長帶的多帶量子阱增益芯片可以集成到同一無源平臺中。除了量子阱光學(xué)增益芯片，量子點增益芯片也可以通過混合集成方法集成到同一平臺中。量子點增益介質(zhì)提供了許多吸引人的優(yōu)點，例如小的線寬增強(qiáng)因子、超寬光學(xué)增益帶寬、寬波長調(diào)諧能力和低溫度依賴性。此外，量子點增益介質(zhì)是獲得非制冷二極管激光器的良好候選材料，因為強(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，在基于量子點反射型半導(dǎo)體光放大器(RSOA)/SiN平臺上實現(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非常有前景的方向。

在這項工作中，我們首次展示了一種基于量子點RSOA增益芯片和SiN外腔的芯片級、波長可調(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芯片中，實現(xiàn)了在一個方向上的完全集成光束操控器。此外，我們展示了一種波長可調(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，用于芯片級平臺中寬角度光束操控。我們的研究結(jié)果對實現(xiàn)具有寬波長可調(diào)范圍的芯片級窄線寬激光源，支持激光雷達(dá)(LiDAR)系統(tǒng)的目標(biāo)探測和測距應(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行，并利用不同周期的表面光柵實現(xiàn)連續(xù)光束操控。

2. 激光器設(shè)計與制造

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現(xiàn)高效的光耦合，設(shè)計了一個波束尺寸轉(zhuǎn)換器，以減小量子點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)換器的總長度為50 μm。其詳細(xì)設(shè)計和仿真結(jié)果可參考文獻(xiàn)。實驗測得的耦合損耗小于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。基于SiN的外腔由兩個微環(huán)諧振器組成，這些諧振器具有略微不同的半徑，作為波長濾波器和擴(kuò)展腔。兩個微環(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波長下的傳播損耗約為0.50 dB/cm。混合復(fù)合激光腔由RSOA、兩個微環(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)諧振器的共振波長實現(xiàn)波長可調(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，用于對微環(huán)諧振器進(jìn)行熱調(diào)諧。

3. 混合激光器的實驗結(jié)果

為了簡化操作，這里使用了一種主動對準(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量。圖2展示了基于量子點RSOA增益芯片的混合集成激光器的實驗結(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量激光光譜線寬。圖2(c)中的紅點顯示了測得的射頻光譜，黑線對應(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)展腔體長度增加和量子點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)諧兩個微環(huán)諧振器的波長獲得的。波長調(diào)諧范圍約為47 nm。

4. 光束操控的實驗結(jié)果

在本節(jié)中，我們展示了一種基于量子點增益芯片、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、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。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)諧光信號的波長可以實現(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)場中的光束。

當(dāng)可調(diào)諧二極管激光器的波長發(fā)生變化時，光束的傳播方向會被調(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長的光柵上，從而在遠(yuǎn)場中保持窄光束。

我們的設(shè)計通過調(diào)整混合集成二極管激光器的波長實現(xiàn)光束操控。為了測量表面波導(dǎo)光柵的遠(yuǎn)場發(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)行光束操控的實驗結(jié)果。插圖顯示了遠(yuǎn)場紅外(IR)圖像。沿光柵方向的半高全寬(FWHM)光束寬度被測量為約0.4?。展示了工作波長在~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調(diào)諧范圍。通過增加二極管激光器的波長調(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，單個二極管激光器的波長調(diào)諧范圍通常僅為幾十納米，受增益材料發(fā)射波長范圍的限制。為了增加光束操控范圍，可以使用在不同波長范圍內(nèi)具有不同增益介質(zhì)的多激光器。通過在單個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外腔的芯片級窄線寬混合集成雙波段二極管激光器被證明可以實現(xiàn)單頻發(fā)射。在1.55 μm和1 μm波長處的調(diào)諧范圍分別為46 nm和38 nm。在這項工作中，基于量子點RSOAs的1.3 μm波長窄線寬二極管激光器被展示。因此，在單個芯片平臺上構(gòu)建工作于1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的波長可調(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RSOA都安裝在獨立的臺架上，以便精確控制與無源SiN腔體的耦合。

為了獨立控制發(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)的實驗結(jié)果。當(dāng)混合二極管激光器的波長從998調(diào)諧到1036 nm(從1296到1342 nm，從1534到1584 nm)時，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光柵周期時光束操控系統(tǒng)的實驗結(jié)果。光束可以調(diào)諧至約27°、2°和-18°。相比僅使用一個RSOA增益芯片的情況，光束操控范圍大幅增加。這里，我們使用了三個具有相同設(shè)計的不同表面光柵進(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，以實現(xiàn)緊湊的波導(dǎo)相控陣，從而在另一個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。如果我們將多個增益芯片集成到同一個SiN平臺，激光源的波長可以在1 μm到1.6 μm的寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，從而實現(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，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。理想的熱光相移器具有幾千赫茲的相對低帶寬，導(dǎo)致光束掃描速度受限。為了實現(xiàn)高速調(diào)諧，我們計劃在摻鋰鈮酸鹽平臺中創(chuàng)建無源組件，利用Pockels效應(yīng)，盡管將這種平臺集成到激光腔體中尚未被驗證。在相控陣系統(tǒng)中，不同波長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。由于寬波長調(diào)諧范圍的存在，不同波長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)中單獨控制各光波導(dǎo)的相位部分，可以避免該問題。此外，在實際應(yīng)用中，1 μm波長下的光學(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的波長范圍或使用相干探測。

圖7展示了當(dāng)光柵A、B和C具有相同的805 nm光柵周期時光束操控系統(tǒng)的實驗結(jié)果。光束可以調(diào)諧至約27°、2°和-18°。相比僅使用一個RSOA增益芯片的情況，光束操控范圍大幅增加。這里，我們使用了三個具有相同設(shè)計的不同表面光柵進(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，以實現(xiàn)緊湊的波導(dǎo)相控陣，從而在另一個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。如果我們將多個增益芯片集成到同一個SiN平臺，激光源的波長可以在1 μm到1.6 μm的寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，從而實現(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，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。理想的熱光相移器具有幾千赫茲的相對低帶寬，導(dǎo)致光束掃描速度受限。為了實現(xiàn)高速調(diào)諧，我們計劃在摻鋰鈮酸鹽平臺中創(chuàng)建無源組件，利用Pockels效應(yīng)，盡管將這種平臺集成到激光腔體中尚未被驗證。在相控陣系統(tǒng)中，不同波長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。由于寬波長調(diào)諧范圍的存在，不同波長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)中單獨控制各光波導(dǎo)的相位部分，可以避免該問題。此外，在實際應(yīng)用中，1 μm波長下的光學(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的波長范圍或使用相干探測。

5. 結(jié)論

我們展示了在硅氮化硅(SiN)光子集成平臺中，基于量子點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窄線寬激光源的潛力，同時具備寬波長可調(diào)范圍。此外，我們展示了一種通過混合集成基于量子點RSOA和波導(dǎo)表面光柵的可調(diào)諧二極管激光器實現(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時，在約4.1?范圍內(nèi)實現(xiàn)了光束操控。通過在同一硅氮化硅平臺上集成兩個額外的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?。