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深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

傻大方_本文原始标题：深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器
本文作者杜悦宁 ， 陈超 ， 秦莉 ， 张星 ， 陈泳屹 ， 宁永强 ， 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ， 发光学及应用国家重点实验室 ， 中国科学院大学 ， 仅作交流学习之用 ， 感谢分享！激光天地转载 。
1引言
窄线宽半导体激光器因具有高相干性、低相频噪声、高频率稳定性以及宽波长调谐潜能 ， 而成为超高速光通信、远距离空间激光通信、超高分辨率激光雷达和光学传感等领域的核心器件 。 例如 ， 在100Gbps和超100Gbps高速光通信系统中 ， 数据负载的激增推动了16-QAM、64-QAM等更高阶正交幅度调制方案的使用 ， 其对相位噪声容限较低 ， 要求激光器具有全C波段可调谐性 ， 并且线宽低于300kHz甚至100kHz;而星地、星际间空间激光通信对激光光源的要求更为严苛 ， 除了需要满足长距离链路、高速率和大容量数据传输对激光线宽和功率的要求 ， 还需克服苛刻的空间环境和干扰 ， 保证长期工作的可靠性和稳定性 。 此外 ， 基于多普勒频移的相干激光雷达 ， 其激光光源的线宽则直接决定着识别目标的准确性和精度 。
目前 ， 窄线宽半导体激光器的研究方案众多 ， 包括基于衍射光栅、标准具等分立元件的外腔结构、集成取样光栅或表面光栅的单片集成结构以及硅基光子芯片(SPC)外腔的准单片集成结构 。 尽管分布反馈(DFB)和分布布拉格反射(DBＲ)式单片集成激光器具有集成度高、结构紧凑和功耗低等优点 ， 但其线宽严重受限于谐振腔长度及损耗等因素;衍射光栅外腔激光器虽然线宽性能优异、调谐范围广 ， 但其体积较大、封装复杂、光路对准困难、机械调谐滞后严重 ， 这将降低激光器可靠性;SPC外腔窄线宽半导体激光器(SPC-SL)是将增益芯片与外腔芯片准单片集成 ， 它兼具单片集成结构的高可靠和低功耗特性 ， 以及外腔结构的窄线宽和宽调谐特性 ， 逐渐成为窄线宽半导体激光器研究领域的热点 。
本文简要介绍了SPC-SL实现窄线宽和宽波长范围调谐的基本原理 ， 并系统讨论了近年来SPC-SL的研究进展 。 通过比较SPC外腔谐振器的不同选频结构 ， 深入分析了该类型激光器在波长精确锁定、线宽窄化、功率稳定和波长调谐范围等方面的研究趋势 。 此外 ， 对研究过程中存在的耦合效率提升和腔面反射率抑制等技术难点进行了探讨 ， 并对其未来研究方向及应用前景进行了展望 。
2SPC-SL基本结构和工作原理
2.1基本结构
SPC-SL主要由两部分组成 ， 包括半导体增益芯片或反射式半导体光放大器(SOA)和SPC外腔谐振器 ， 二者通过模斑转换器(SSC)高效耦合实现准单片集成 。 通常增加谐振腔长度可以有效压窄线宽 ， 但是这将导致纵模激射数量增多 ， 纵模间增益差减小 ， 多模振动变得显著 ， 使获得稳定单模振荡和极窄光谱线宽变得困难 。 在SPC-SL激光器中 ， 通常选择高Q值因子的微环谐振器(MＲＲ)作为选频和锁模元件 ， 因为MＲＲ具有较宽的自由光谱区(FSＲ) ， 可以有效避免上述问题的发生 。 具体来说MＲＲ可以通过增加有效腔长提高光子寿命、提供负光学反馈和注入锁定 ， 实现线宽压窄、相频噪声和相对强度噪声(ＲIN)抑制 ， 并利用MＲＲ的游标卡尺效应实现宽波长范围调谐 。 图1给出了窄线宽SPC-SL的典型结构 ， 这是Boller课题组报道的线宽25kHz硅基Si3N4/SiO2波导外腔半导体激光器 ， 在SPC中集成了可调谐双微环谐振腔 ， 可在C波段实现46.8nm的宽波长范围调谐 。
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2.2工作原理
在前述的SPC-SL激光器基本结构中 ， 集成MＲＲ的SPC芯片用于实现激光波长选择和频率调谐 。 微环的结构和参数影响着激光器的线宽特性和调谐特性 。
波长的选择由激光纵模与MＲＲ谐振谱相互重叠的共振峰相匹配的纵模决定 。 外腔采用自由光谱范围不同的MＲＲ ， 利用其游标效应进行波长选择 ， 透射率在纵模与共振峰的最大重叠处达最大值 ， 此处即为激射波长 。
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波长的调谐主要利用游标效应和波导材料的热光效应来实现 。 热光效应即材料的有效折射率随着温度的改变而改变 ， 折射率的改变进而引起光场的变化 。 因此 ， 可通过在微环上放置热电极来改变材料的温度 ， 并控制热电极的电流来改变波导折射率 ， 使MＲＲ透射光谱与纵模发生偏移 ， 进行波长调谐 。 但由于热光调谐的热积累和消散需要一定的时间 ， 所以高速调制仍是需要解决的问题 。 图2(a)给出了集成MＲＲ和环形镜(LＲ)的SPC外腔结构 ， 图2(b)和2(c)表示波长选择和波长调谐原理 ， 其波长调谐范围Δλ与MＲＲ的自由光谱范围相关 ， 可用公式(1)表示为:
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其中 ， c为真空中的光速 ， λ为波长 ， FSＲring1和FSＲring2分别为两MＲＲ的自由光谱范围 ， 由公式(2)给出:
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其中 ， Lring为MＲＲ的周长 ， ng为波导的群折射率 。 通过改变折射率的方式可控制波长调谐范围 。
3SPC-SL研究进展
研究人员基于准单片集成式结构提出了不同的设计方案 ， 主要有集成MＲＲ的SPC外腔和集成MＲＲ、LＲ及马赫-曾德干涉仪(MZI)的SPC外腔等 。 此外 ， 为增加耦合效率、改善光谱质量 ， 在对准精度的提升、耦合损耗的降低及耦合处的反射率等方面也做了大量尝试 。
3.1集成MＲＲ的SPC外腔
集成MＲＲ的SPC外腔半导体激光器集中于双MＲＲ结构 ， 这种结构同时具备线宽窄、宽调谐、低功耗的特性 。 其中 ， 光谱宽调谐的实现方式主要包括热调谐和电调谐 。
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2009年 ， 日本NEC公司的Chu等人报道了一种紧凑型、低功耗波长可调谐激光器 ， 它由SOA与外腔绝缘衬底上的硅(SOI)波导MＲＲ耦合集成 ， 结构如图3所示 。 这种设计在尺寸和波长调谐范围等方面有大幅改善 。 该激光器尺寸是SiON波导外腔可调谐激光器的1/25 。 而基于热光效应硅谐振腔可实现C波段或L波段的调谐 ， 激光波长最大调谐范围达38nm ， 调谐功耗为26mW 。
2011年 ， 日本东北大学的Suzuki等人在Chu等人的研究基础上 ， 提出了用于光互连网络的结构紧凑、低功耗、窄线宽激光器 ， 并深入研究了波长可调激光器与滤波器光谱特性的关系 。 图4(a)表示采用SOI波导双环谐振器和作为光增益的SOA混合集成结构的波长可调谐激光器 ， 获得超过45nm的光谱调谐范围和225kHz的窄线宽 ， 如图4(b)所示 。 图4(c)和4(d)分别表示腔长和输出功率对激光线宽影响的理论计算和实测结果 。
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2013年 ， 新加坡南洋理工大学的Ｒen等人提出一种基于双环谐振器的具有环形回路外腔谐振的可调谐激光器 。 外腔由锥形波导、光分路器、双MＲＲ及U形波导组成 ， 如图5(a)所示 。 激光器的输出功率稳定在－3dBm ， 边模抑制比(SMSＲ)＞40dB ， 线宽＜100kHz 。 图5(b)表示不同增益差条件下激光器SMSＲ和线宽与外腔长度的关系 。 这项工作同时研究了调谐灵活性 ， 表明可通过两个加热器协作实现准连续波长调谐 。
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2013年 ， 荷兰特温特大学Oldenbeuving等人报道了一种基于波导外腔的准单片集成激光器 ， 他利用可调谐双MＲＲ作为波导外腔 ， 采用InP和Si3N4的混合集成实现了低损耗集成光学波导回路 ， 如图6(a)所示 。 该激光器具有高速调制特性 ， 通过加热MＲＲ使之在预设波长间高速切换 ， 并可在全C波段调谐 ， 图6(b)给出了该激光器的自外差拍频光谱 ， 其洛伦兹拟合的3dB带宽为50kHz ， 这对应于激光线宽25kHz 。
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2016年 ， 华为公司的Zhao等人报道了一种宽调谐混合InP/Si3N4外腔激光器 ， 其外腔谐振器由低损耗、高品质因数的Si3N4/SiO2波导MＲＲ构成 。 该激光器结构如图7(a)所示 ， 包括高功率InP/InGaAsP增益芯片和双MＲＲ ， 其中MＲＲ包含相位和功率调谐部分 ， 分别用于微调纵模和输出功率 。 图7(b)和7(c)分别表示激光器调谐时的自延迟外差射频拍频光谱和叠加光谱 。 该激光器可得到50nm的波长调谐范围和65kHz的线宽 。
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2016年 ， 荷兰特温特大学的Fan等人在前期研究基础上 ， 报道了一种由双环MＲＲ作为反馈外腔的集成的InP-Si3N4混合激光器 ， 通过提高对准精度并用增大反射式SOA长度且增大驱动电流的方式减小线宽 ， 其光谱调谐范围超过43nm ， SMSＲ为35dB ， 线宽可达90kHz ， 相对强度噪声小于－135dBc/Hz 。 2017年 ， 该课题组报道的集成MＲＲ结构的InP-Si3N4混合集成激光器获得了290Hz窄线宽 。
2017年 ， 华中科技大学Hu等人报道了高功率、高SMSＲ的宽调谐硅基激光器 ， 这种结构采用带有隔离槽的MＲＲ ， 有效控制了温度对波长的影响 ， 线宽可达130kHz 。
3.2集成MＲＲ和LＲ的SPC外腔
集成MＲＲ和LＲ的SPC外腔结构的优势在于LＲ增加了外腔的有效长度 。 使得外腔的物理长度小于有效长度 ， 在不增加波导尺寸的情况下可获得更窄的线宽 ， 是这种结构相较于传统DBＲ激光器的主要优势 。
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2010年 ， Matsumoto等人设计了由三环谐振器、Air-Bridge结构和LＲ组成的可调谐激光器 ， 如图8所示 。 该激光器可获得稳定的单模激光输出 ， C波段光谱线宽小于100kHz ， 输出功率高达16dBm ， SMSＲ超过45dB ， 调谐范围可达到60nm 。 3个环分别用于波长锁定、决定调谐波长范围和波长微调 ， 图8(b)表示在C波段范围内测得的光谱线宽分布 。
2012年 ， Nemoto等人设计的激光器外腔由两个自由光谱范围不同的MＲＲ和提供光学反馈的LＲ组成 ， 如图9(a)所示 。 它可实现44nm的波长调谐 ， 整个L带上光谱线宽小于70kHz 。 图9(b)显示了腔长对激光线宽和品质因数Q的影响 ， 可以看出腔长越长线宽越窄 ， 品质因数Q越高 ， 反映了LＲ长腔的巨大优势 。
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2013年 ， 日本东京大学的Kita等人提出的激光器采用与Nemoto报道的同样SPC芯片结构 ， 可以获得25.1mW的最大激光输出功率 ， 大于50nm的连续波长调谐 ， 小于100kHz的光谱线宽 。 进一步优化后 ， 获得51.5nm的调谐范围和64.8kHz的线宽 。 通过比较腔长对线宽的影响 ， 进一步证实窄线宽可调谐激光器设计中长外腔的优势 。
2016年 ， Kita等人进一步优化外腔的结构设计 ， 降低硅材料的非线性影响 ， 获得了小于60kHz的激光线宽 ， 调谐范围达55nm 。 结构改进后光波发生分支 ， 与MＲＲ耦合的光功率减半 ， 双光子吸收影响减至四分之一 ， 获得38.5mW的高输出功率 ， 如图10所示 。
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【深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器】2015年 ， NEC公司的Kobayashi等人利用硅基波导MＲＲ和LＲ作为光学外腔 ， 设计的激光器结构如图11所示 。 通过优化低损耗的包层分布 ， 改进波导制备工艺 ， 并且采用无源对准技术封装SOA ， 使激光器保持稳定的高输出功率 。 在整个C波段获得超过100mW(20dBm)的光纤耦合输出功率以及小于15kHz的线宽 。
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3.3集成MＲＲ和MZI的SPC外腔
由于MZI使透射率在最近邻波长处最小 ， 在波导回路中波长选择性更高 ， 所以在集成MＲＲ的SPC中引入MZI结构可以使激光器获得更窄的线宽和更大波长调谐范围 ， 且线宽大小与MZI的对称性有关 。
2014年 ， 贝尔实验室的Debregeas等人提出将SOA与硅基环形谐振滤波器和MZI的外腔混合集成的可调谐激光器 ， 获得了2kHz的线宽和35nm的可调谐范围 。 波导内部集成了FSＲ为25GHz的参考微环和一个含MZI的微环 ， 可通过控制波导上的加热器 ， 局部改变任意波导段的相位 ， 以实现波长的粗调和细调 。
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2014年 ， Kita等人将MZI和MＲＲ相串联 ， 设计了如图12(a)所示的准单片集成结构半导体激光器 ， 图12(b)和12(c)分别给出了是否含MZI结构的透射谱 。 通过设计MZI ， 使其FSＲ与MＲＲ的FSＲ相差两倍 ， 使MZI透射率在两个MＲＲ共振波长处最大 ， 此时 ， 重叠光谱中最近邻共振波长处的透射率将大幅降低 。 最终实现环形谐振器的透射光谱中边模的有效抑制 ， 并大大提高了波长选择性 。 该激光器的线宽最窄可达19kHz ， 波长调谐范围达61.7nm 。 2015年 ， Kita等人在随后的研究中实现了高达99nm的宽调谐范围 ， 还比较了MZI的使用对调谐范围的影响 。
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2015年 ， Tang等人报道的含有高非对称MZI的准单片集成激光器获得了12kHz的窄线宽 ， 如图13所示 。 图13(b)结果给出了强、弱非对称MZI结构对激光线宽的影响情况 ， 证实了增加MZI两臂间的不对称性 ， 可以获得MＲＲ更大的模间增益差和更窄的线宽 。
4SPC-SL研究存在的技术难题
在SPC-SL激光器结构中 ， 外腔和增益芯片的耦合质量是制约激光器光谱特性进一步提升的关键 ， 研究人员通过研究不同因素对耦合效率和光谱质量的影响 ， 并针对研究中存在的技术难题提出了一些解决措施和改进思路 。
4.1增加耦合效率
半导体增益芯片或SOA与SPC之间的耦合效率是制约激光特性的关键因素 ， 尤其是输出功率 ， 而输出功率的增加可以显著降低线宽 。 2016年 ， Fan等人探讨了耦合效率对输出功率的影响 ， 并进一步提出激光器的改进方案 。 由于线宽随功率增加而减小 ， 可以在改善散热的基础上 ， 通过提高对准精度来提高芯片间的模式匹配程度 ， 在输出功率相同的情况下获得更窄的线宽 。
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降低耦合损耗也是增加耦合效率的有效手段之一 。 2005年 ， Tsuchizawa等人提出低损耗、低反射的模场转换器结构 ， 即模斑变换器(SSC) 。 SOA与硅基波导相连接 ， 在扩大光场模式的同时将反射和耦合损耗最小化 ， 有利于解决有效折射率和芯径尺寸差异、模场之间的不匹配引起的损耗 ， 提高模场匹配程度 ， 从而实现高效耦合 。 如图14所示 ， 这种结构通过波导宽度、厚度以及折射率的逐渐变化 ， 实现波导间的模场转换 ， 广泛运用于芯片间的耦合 。 美国康奈尔大学的Griffith等人提出利用新型热氧化工艺和外加反向偏置电压的方法有效降低了由工艺带来的线性损耗 ， 获得了线宽100kHz的激光光源 。
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键合技术和倒装技术等低连接损耗对接方法的应用 ， 也是提升其耦合效率的有效方法 。 2006年 ， Watanabe和Takeuchi等人利用无源对准技术将耦合损耗降至0.41dB ， 线宽达0.5MHz 。 2012年 ， Tanaka等人设计的Si/III-V混合集成激光器如图15所示 ， 在Si和SOA界面上采用高精度倒装键合和适当的SSC结构 。 图15(d)的模拟结果表明:通过减少耦合损耗 ， 阈值电流、斜率效率和输出功率都得到改善 。 这是由于耦合损耗会影响腔损耗和波导输出的外量子效率 。 为了实现倒装芯片键合的低损耗光耦合 ， 界面处的模场匹配和波导的精确对准至关重要 。 由图15(a)～15(c)可见 ， 在Si芯片的耦合边缘集成了一个由锥形Si波导组成的SSC和SiON外包覆波导 ， 扩展了Si波导的模场 ， 可实现Si波导和SOA之间有效光耦合 ， 有利于获得良好的电流限制 ， 从而可在Si-SOA界面处提供优异的模场匹配 ， 实现Si-SOA界面处1.55dB的低耦合损耗 。 采用这种结构 ， 激光器实现了高于10mW的输出功率 ， SMSＲ高于40dB且ＲIN低于－130dB/Hz 。
4.2降低反射率
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耦合处反射率的降低也可以显著改善激光特性 ， 例如线宽、相频噪声等 。 Fujioka等人通过在SOA和硅基波导谐振器的对接端面使用抗反射涂层(AＲ)或者波导模式有效折射率匹配来减小反射 ， 并通过调整匹配到模式的光斑尺寸来减小耦合损耗 。 图16是对SSC损耗测量结果 ， 可以看出不同芯层宽度的损耗情况 。 在图17(a)与17(b)比较了反射率对硅波导环形反射器的反射光谱的影响 。 光耦合处的反射形成的F-P干涉使图(b)中出现细小条纹 ， 降低激光器的稳定性 。 可以看出 ， 环形反射器的主峰和边峰之间的反射率差较大 ， 说明降低反射率是提升光谱质量的有效途径 。
5结束语
窄线宽半导体激光器是高速光通信、相干空间激光通信和相干光学探测等领域的核心光源 ， 在众多研究方案中 ， 基于硅光子集成技术的SPC-SL是其研究热点 。 从前述研究进展来看 ， 国外众多机构对SPC-SL结构的激光器开展了研究 ， 并取得了突破性成果 。 国内对该类型激光器的研究起步较晚 ， 华中科技大学、中科院半导体所、浙江大学等单位也开展了相关的研究 ， 并取得了一定的成果 ， 但激光器性能距离国际水平仍存在显著差距 。
本文系统总结和分析了集成MＲＲ、LＲ和MZI等波导结构的SPC在激光线宽窄化、波长调谐等方面的研究进展 。 并深入讨论了SPC外腔与半导体增益芯片之间实现高效耦合的技术难点 ， 以及现阶段的解决措施 。
针对目前的研究现状 ， 提出几点展望:首先是研究提高窄线宽半导体激光器的输出功率 ， 例如在空间信号传输及传感等实际应用中 ， 一般都对输出功率要求较高 ， 而且输出功率也会影响线宽大小 ， SPC-SL输出功率的提高是研究人员需要面对的新难题 。 其次是研究损耗更小的SPC和效率更高的耦合方式 ， 需要优化器件结构和工艺 ， 改进增益芯片和波导的模斑 ， 提高波导侧壁平整度和垂直度 ， 采用高精度对准设备使增益芯片的光斑和波导光斑更好地匹配 。 最后为实现光互连 ， 半导体激光器需要与其它光器件实现光子集成 ， 研究人员还需进一步调整参数、优化工艺 ， 提升激光器的性能和工艺兼容性 。
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