--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。混合激光器的線寬約為85 kHz，調諧范圍約為47 nm。隨后，通過將可調諧二極管激光器與波導表面光柵結合，展示了一個完全集成的光束操控器。該系統通過調諧混合激光器的波長，可以在一個方向上實現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諧三波段混合集成激光器系統，用于單芯片中寬角度的光束操控。

1. 引言

激光雷達(LiDAR)系統是自動駕駛所需要的技術。光束操控是LiDAR在商用車輛中實現的關鍵組件之一。通過光子集成獲得的芯片級光學相控陣(OPA)提供了經濟高效且高性能的光束操控解決方案，與傳統的基于復雜機械組件的光束操控系統相比，這些系統通常體積大且成本高。OPA可以在兩個不同方向上操控光束，實現全視場掃描。基于二維光學天線陣列的簡單解決方案通常會導致設備復雜度增加，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，一種混合方法逐漸受到關注。其中，在一個方向上的光束操控由一維波導相控陣提供，而另一個方向上的光束操控由波導表面光柵提供，只要輸入光信號的波長足夠可調。因此，將芯片級、窄線寬、波長可調的二極管激光器與波導相控陣和表面光柵集成，對于實現完全集成的OPA至關重要。

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。通過直接在硅基上外延生長量子點增益介質的單片法仍然充滿挑戰，尤其是在實現高效耦合光從量子點層進入硅波導層方面。邊緣耦合和晶圓/芯片鍵合是實現混合集成的兩種主要方法。對于晶圓鍵合方法，活性芯片/晶圓直接鍵合到預處理過的硅晶圓上，隨后對所有活性器件進行加工。活性與無源組件之間的對準由光刻精度控制，這適合大規模集成與制造。然而，這種異質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行預測試。但對于異質集成工藝，測試必須在整個集成芯片完成后進行。其次，氧化層會阻礙活性芯片和無源波導之間的高效散熱。相比之下，通過邊緣耦合實現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化。在這種情況下，熱管理也相對更容易實現。這種方法的主要缺點是只適合小規模或中等規模生產，但它確實提供了良好的大規模制造可擴展性。除了硅絕緣體(SOI)平臺，在集成氮化硅(SiN)平臺中也已經展示了高性能無源光學組件。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。量子點增益介質提供了許多吸引人的優點，例如小的線寬增強因子、超寬光學增益帶寬、寬波長調諧能力和低溫度依賴性。此外，量子點增益介質是獲得非制冷二極管激光器的良好候選材料，因為強量子化效應和準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體光放大器(RSOA)/SiN平臺上實現廣泛可調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、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表面光柵集成在單個芯片中，實現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的三波段混合激光器系統，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。我們的研究結果對實現具有寬波長可調范圍的芯片級窄線寬激光源，支持激光雷達(LiDAR)系統的目標探測和測距應用具有重要意義。在LiDAR系統中，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連續光束操控。

2. 激光器設計與制造

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高效的光耦合，設計了一個波束尺寸轉換器，以減小量子點RSOA和SiN芯片中波導的模式失配。波束尺寸轉換器輸入端的波導寬度為5.9 μm，逐漸縮小至單模波導的寬度。波束尺寸轉換器的總長度為50 μm。其詳細設計和仿真結果可參考文獻。實驗測得的耦合損耗小于2 dB。此外，RSOA和SiN波導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展腔。兩個微環的半徑分別為51 μm和54 μm。SiN波導輸出端的Sagnac環形鏡被用作反射鏡，將光反射回激光腔中，反射率約為50%。單模SiN波導的寬度設置為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。混合復合激光腔由RSOA、兩個微環諧振器、環形鏡以及輸入/輸出波導組成。微加熱器用于通過熱調諧微環諧振器的共振波長實現波長可調。

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氮化物低壓化學氣相沉積工具。通過電子束光刻(EBL)和反應離子蝕刻(RIE)對SiN波導進行圖案化和蝕刻。在SiN波導制備完成后，如果需要，可以在波導頂部通過EBL和等離子干法蝕刻制作表面波導光柵。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，用于對微環諧振器進行熱調諧。

3. 混合激光器的實驗結果

為了簡化操作，這里使用了一種主動對準方法來演示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果。激光器的光強-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(泵浦電流設置為180 mA)。通過兩個微環諧振器具有不同自由光譜范圍(FSRs)的Vernier效應，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展腔體長度增加和量子點增益材料的低線寬增強因子而顯著減小。圖2(d)顯示了疊加的光譜，這些光譜是通過完全調諧兩個微環諧振器的波長獲得的。波長調諧范圍約為47 nm。

4. 光束操控的實驗結果

在本節中，我們展示了一種基于量子點增益芯片、基于微環的延遲線濾波器、環形鏡、相位調諧器和波導表面光柵混合集成的芯片級、完全集成光束操控系統。可調諧二極管激光器非常適合廣泛的應用。這里，我們展示了一種光束操控的潛在應用。如圖3所示，可調諧二極管激光器結合波導表面光柵，通過調諧光信號的波長可以實現光束操控。圖3(a)的插圖展示了所制造的波導表面光柵的SEM圖像。波導中傳播的光被散射并從表面光柵發射，形成遠場中的光束。

當可調諧二極管激光器的波長發生變化時，光束的傳播方向會被調諧。光束的發射角θ由公式 (1) 給出：

表面光柵的側視圖和頂視圖如圖3(b)所示。光柵周期為805 nm，占空比為50%。1 μm寬的Si3N4波導在進入表面光柵之前逐漸擴展到4 μm。表面光柵的蝕刻深度為80 nm，可以將發射分布在100 μm長的光柵上，從而在遠場中保持窄光束。

我們的設計通過調整混合集成二極管激光器的波長實現光束操控。為了測量表面波導光柵的遠場發射分布，我們采用了文獻中提出的方法。圖4展示了使用集成可調諧二極管激光器進行光束操控的實驗結果。插圖顯示了遠場紅外(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的可調諧二極管激光器的光束操控結果。調諧范圍約為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諧范圍。通過增加二極管激光器的波長調諧范圍或使用光子晶體結構提高光柵發射器的群折射率，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諧范圍通常僅為幾十納米，受增益材料發射波長范圍的限制。為了增加光束操控范圍，可以使用在不同波長范圍內具有不同增益介質的多激光器。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單頻發射。在1.55 μm和1 μm波長處的調諧范圍分別為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建工作于1 μm、1.3 μm和1.55 μm波段的波長可調諧三波段二極管激光器系統是可行的。圖5展示了與表面波導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結合。光柵B的參數與圖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。所有波導光柵的其他幾何參數相同。圖6展示了混合集成三波段二極管激光器光束操控系統的實驗結果。當混合二極管激光器的波長從998調諧到1036 nm(從1296到1342 nm，從1534到1584 nm)時，光束從9?調諧到5?(從4?到0?，從-0.8?到-4?)。光束操控總范圍增加到約13?。

圖7展示了當光柵A、B和C具有相同的805 nm光柵周期時光束操控系統的實驗結果。光束可以調諧至約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計的不同表面光柵進行光束操控。但三波段二極管激光器必須使用單一波導光柵，以實現緊湊的波導相控陣，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中，然后分裂為波導相控陣，如文獻中所提議。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的寬范圍內連續調諧，從而實現超過50°的寬角度光束操控范圍。在此設備中，由于光學損耗可以忽略不計，我們使用了熱調諧技術。但熱調諧在慢速調諧、串擾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，導致光束掃描速度受限。為了實現高速調諧，我們計劃在摻鋰鈮酸鹽平臺中創建無源組件，利用Pockels效應，盡管將這種平臺集成到激光腔體中尚未被驗證。在相控陣系統中，不同波長的光以不同速度在光波導中傳播，可能引入光束偏移現象。由于寬波長調諧范圍的存在，不同波長的光束方向可能存在幾度的偏差。通過在光波導相控陣系統中單獨控制各光波導的相位部分，可以避免該問題。此外，在實際應用中，1 μm波長下的光學損傷閾值較低。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展示了當光柵A、B和C具有相同的805 nm光柵周期時光束操控系統的實驗結果。光束可以調諧至約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計的不同表面光柵進行光束操控。但三波段二極管激光器必須使用單一波導光柵，以實現緊湊的波導相控陣，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中，然后分裂為波導相控陣，如文獻中所提議。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的寬范圍內連續調諧，從而實現超過50°的寬角度光束操控范圍。在此設備中，由于光學損耗可以忽略不計，我們使用了熱調諧技術。但熱調諧在慢速調諧、串擾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，導致光束掃描速度受限。為了實現高速調諧，我們計劃在摻鋰鈮酸鹽平臺中創建無源組件，利用Pockels效應，盡管將這種平臺集成到激光腔體中尚未被驗證。在相控陣系統中，不同波長的光以不同速度在光波導中傳播，可能引入光束偏移現象。由于寬波長調諧范圍的存在，不同波長的光束方向可能存在幾度的偏差。通過在光波導相控陣系統中單獨控制各光波導的相位部分，可以避免該問題。此外，在實際應用中，1 μm波長下的光學損傷閾值較低。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，調諧范圍約為47 nm。我們的系統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和波導表面光柵的可調諧二極管激光器實現的光束操控系統。當調諧可調諧二極管激光器的波長時，在約4.1?范圍內實現了光束操控。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?。