窄线宽混合集成激光器——典型技术方案

杜悦宁^1，2，陈超¹，秦莉¹，张星¹，陈泳屹¹，宁永强¹

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

2.中国科学院大学

 

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，由于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300 kHz甚至100 kHz；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。

 

SPC-SL基本结构和工作原理

 

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(RSOA)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25 kHz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46.8 nm的宽波长范围调谐。

图1 Si₃N₄波导外腔窄线宽半导体激光器典型结构

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。

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。

图2 （a）激光器集成MRR和LR的外腔结构；（ｂ）波长选择示意图；（ｃ）波长调谐示意图

 

SPC-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，在提升对准精度、降低耦合损耗等方面也做了大量尝试。

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，基于MRR特性，能够大大增加激光器的有效腔长，提供长光子寿命，这种结构同时具备窄线宽、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。

图3（ａ）硅光子线波导外腔半导体激光器结构示意图；（ｂ）激光器波长调谐示意图

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38 nm，调谐功耗为26 mW。

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45 nm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。

图4（ａ）波长可调谐激光器的结构示意图；（ｂ）双环谐振器的波长调谐规律；（ｃ）不同输出功率下线宽与腔长的关系；（ｄ）输出功率对线宽大小的影响

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-3 dBm，边模抑制比(SMSR)＞40 dB，线宽＜100 kHz。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。

图5（ａ）激光器示意图及其外腔等效方案；（ｂ）不同增益差条件下腔长对ＳＭＳR和线宽的影响

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43 nm，SMSR为35 dB，线宽可达90 kHz，相对强度噪声小于-135 dBc/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290 Hz窄线宽。同年，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130 kHz。

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作为一侧的腔镜，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，在不增加芯片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。

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6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100 kHz，输出功率高达16 dBm，SMSR超过45 dB，调谐范围可达到60 nm。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6(b)表示在C波段范围内测得的光谱线宽分布。 

图6（ａ）基于 ＭRR和 Air-brige结构的可调谐激光器结构示意图；（ｂ）Ｃ波段的波长范围内测得的光谱线宽

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7(a)所示。它可实现44 nm的波长调谐，整个L带上光谱线宽小于70 kHz。图7(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。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25.1 mW的最大激光输出功率，大于50 nm的连续波长调谐，小于100 kHz的光谱线宽。进一步优化后，获得51.5 nm的调谐范围和64.8 kHz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。

图7（ａ）激光器的结构；（ｂ）有效腔长与线宽和品质因数Ｑ的关系

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60 kHz的激光线宽，调谐范围达55 nm。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38.5 mW的高输出功率，如图8所示。

图8 （ａ）改进前滤波器配置示意图；（ｂ）改进后滤波器配置示意图；（ｃ）对比改进前后的输出功率大小

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2 kHz的线宽和35 nm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。

2014年，Kita等人将MZI和MRR相串联，设计了如图9(a)所示的准单片集成结构半导体激光器，图9(b)和9(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19 kHz，波长调谐范围达61.7 nm。2015年，Kita等人在随后的研究中实现了高达99 nm的宽调谐范围，还比较了MZI的使用对调谐范围的影响。

图9 （ａ）激光器结构（左）不含 ＭＺＩ的波导结构 （右）含 ＭＺＩ的波导结构；（ｂ）不含 ＭＺＩ的结 构中（上）两个环形谐振器透射率及（下）波 导总透射率；（ｃ）含 ＭＺＩ的结构中（上）ＭＺＩ 与两环形谐振器透射率 （下）波导总透射率。

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12 kHz的窄线宽，如图10所示。图10(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。

图10 （ａ）具有高度非对称 ＭＺＩ的窄线宽可调谐激 光器；（ｂ）光谱线宽的计算值和实测值

 

SPC-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。

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，尤其是输出功率的关键因素，由修正的线宽方程可知，激光器线宽随输出功率的增加而减小。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。在改善散热的基础上，通过提高对准精度来提高芯片见的模式匹匹厄成都，可以有效降低腔内损耗，提高输出功率，获得更窄的线宽。

利用模板转换器（SSC）降低耦合损耗，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11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100 kHz的激光光源。 

图11 模斑转换器示意图

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0.41 dB，线宽达0.5 MHz。2012年，Tanaka等人设计的Si/III-V混合集成激光器如图12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12(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12(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1.55 dB的低耦合损耗。采用这种结构，激光器实现了高于10 mW的输出功率，SMSR高于40 dB且RIN低于-130 dB/Hz。

图12 （ａ）Ｓｉ-ＳＯＡ界面结构示意图；（ｂ）ＳＯＡ的近场图样；（ｃ）Ｓｉ波导的近场图样；（ｄ）模拟不同 耦合损耗（Ｃ＝１.５、４.０、６.０）下的光功率电流特性。

2.降低反射率

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13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14(a)与14(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。 

图13 对硅芯层高度为167 nm的模斑转换器的损耗测量结果

图14（ａ）不含反射的光耦合的典型反射光谱；（ｂ） 含反射的光耦合的典型反射光谱

 

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。国内清华大学、上海交通大学、中科院半导体所、中科院长春光机所等科研机构，以及华为、光迅等公司也紧跟前沿开展了相关的研究，并取得了显著进展。

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。