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硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

杜悦宁 陈超 秦莉 张星 陈泳屹 宁永强

杜悦宁, 陈超, 秦莉, 张星, 陈泳屹, 宁永强. 硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
引用本文: 杜悦宁, 陈超, 秦莉, 张星, 陈泳屹, 宁永强. 硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
DU Yue-ning, CHEN Chao, QIN Li, ZHANG Xing, CHEN Yong-yi, NING Yong-qiang. Narrow linewidth external cavity semiconductor laser based on silicon photonic chip[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
Citation: DU Yue-ning, CHEN Chao, QIN Li, ZHANG Xing, CHEN Yong-yi, NING Yong-qiang. Narrow linewidth external cavity semiconductor laser based on silicon photonic chip[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229

硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

doi: 10.3788/CO.20191202.0229
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFE0126800

国家自然科学基金资助项目 61505206

国家自然科学基金资助项目 61674148

国家自然科学基金资助项目 51672264

国家自然科学基金资助项目 61727822

吉林省科技发展计划资助项目 20150520089JH

吉林省科技发展计划资助项目 20170204013GX

详细信息
    作者简介:

    杜悦宁(1993-), 女, 甘肃兰州人, 硕士研究生, 2015年于华中科技大学获得学士学位, 主要从事窄线宽半导体激光器方面的研究。E-mail:dynhhz@163.com

    陈超(1982-), 男, 内蒙古赤峰人, 博士, 助理研究员, 2014年于吉林大学获得博士学位, 主要从事窄线宽半导体激光器和微纳光子器件方面的研究。E-mail:chenc@ciomp.ac.cn

    秦莉(1969-), 女, 黑龙江鹤岗人, 博士, 研究员, 博士生导师, 1999年于吉林大学获得博士学位, 主要从事半导体激光技术及应用方面的研究。E-mail:qinl@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TN248.4

Narrow linewidth external cavity semiconductor laser based on silicon photonic chip

Funds: 

National Key R&D Program of China 2016YFE0126800

National Natural Scienece Foundation of China 61505206

National Natural Scienece Foundation of China 61674148

National Natural Scienece Foundation of China 51672264

National Natural Scienece Foundation of China 61727822

Science and Technology Development Project of Jilin Province 20150520089JH

Science and Technology Development Project of Jilin Province 20170204013GX

More Information
  • 摘要: 随着超高速光互连、相干光通信、相干检测等技术的不断发展,对激光光源的线宽、相频噪声、可调谐性和稳定性等都提出了更为严格的要求。利用基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的硅光子芯片与半导体增益芯片各自的优势,将二者准单片集成实现结构紧凑、低功耗和高稳定性的窄线宽半导体激光器成为近年的研究热点。该结构可通过微环谐振器、环形反射镜和马赫曾德干涉仪等提供光反馈压窄线宽,并实现宽调谐范围和稳定功率输出。本文主要阐述了硅光子芯片外腔半导体激光器的最新研究进展,针对几种包含微环谐振器的结构进行了分类介绍,深入讨论了增加耦合效率和降低端面反射率等技术难题。针对未来空间光通信和光互连等应用前景,展望了该类激光器在功率提升和光子集成方面的未来发展方向。
  • 图  1  硅基Si3N4波导外腔窄线宽半导体激光器典型结构[15]

    Figure  1.  Typical structure of Si-based Si3N4 waveguide external cavity narrow linewidth semiconductor laser[15]

    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[20]

    Figure  2.  (a)External cavity structure of laser integrated MRR and LR; (b)wavelength selection; (c)wavelength tuning[20]

    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[21]

    Figure  3.  (a)Schematic of the silicon base waveguide external cavity semiconductor laser; (b)schematic of laser wavelength tuning[21]

    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[22]

    Figure  4.  (a)Schematic structure of wavelength tunable laser; (b)wavelength tuning rules of double ring resonator; (c)relationship between linewidth and cavity length under different output powers; (d)effect of the output power on the linewidth[22]

    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[23]

    Figure  5.  (a)Schematic of laser and its external cavity equivalent scheme; (b)influence of cavity length on SMSR and linewidth under different gain differences[23]

    图  6  (a) 波导芯片的示意图;(b)激光器自外差拍频光谱[16]

    Figure  6.  (a)Schematic of the waveguide chip; (b)laser heterodyne beat spectrum[16]

    图  7  (a) MRR外腔激光器的示意图;(b)自延迟外差RF拍频光谱;(c)叠加光谱[24]

    Figure  7.  (a)Schematic of MRR external cavity laser; (b)self-delayed heterodyne RF-beat spectra; (c)superimposed laser spectra[24]

    图  8  (a) 基于MRR和air-bridge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[27]

    Figure  8.  (a)Schematic structure of tunable laser based on waveguide microring resonators with air-bridge structure; (b)measured spectral linewidth within C band wavelength range[27]

    图  9  (a) 激光器的结构;(b)有效腔长与线宽和品质因数Q的关系[29]

    Figure  9.  (a)Laser structure; (b)relationship between Lfilter and the linewidth and the quality factor Q[29]

    图  10  (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[20]

    Figure  10.  (a)Filter configuration without improvement; (b)improved filter configuration; (c)comparison of output powers before and after improvement[20]

    图  11  (a) 激光器示意图;(b)滤波器设计方案[32]

    Figure  11.  (a)Schematic of the tunable laser; (b)filter design scheme[32]

    图  12  (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[35]

    Figure  12.  (a)Schematic structure of laser(left) waveguide structure without MZI and (right) waveguide structure with MZI; (b)in structure without MZI(up) the transmittance of two ring resonators and (down)the total transmittance; (c)in structure with MZI(up) the transmittance of MZI and two ring resonators and (down) the total transmittance[35]

    图  13  (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[37]

    Figure  13.  (a)Narrow-spectral-linewidth wavelength-tunable laser with highly asymmetric Mach-Zehnder interferometer; (b)calculated and measured values for spectral linewidths[37]

    图  14  模斑转换器示意图[38]

    Figure  14.  Schematic of the SSC[38]

    图  15  (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[46]

    Figure  15.  (a)Schematic of Si-SOA interface structure; (b)near field pattern(NFP) at SOA facet, (c)NFP at Si facet; (d)simulated Light-power-Current characteristics for different coupling losses(C=1.5, 4.0, 6.0 dB)[46]

    图  16  对硅芯层高度为167 nm的模斑转换器的损耗测量结果[47]

    Figure  16.  Loss measurement results of SSC for silicon core height of 167 nm[47]

    图  17  (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[47]

    Figure  17.  Typical reflectance spectra of optical coupling (a)without reflection (b)with reflection[47]

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-21
  • 修回日期:  2018-05-06
  • 刊出日期:  2019-04-01

硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

doi: 10.3788/CO.20191202.0229
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2016YFE0126800

    国家自然科学基金资助项目 61505206

    国家自然科学基金资助项目 61674148

    国家自然科学基金资助项目 51672264

    国家自然科学基金资助项目 61727822

    吉林省科技发展计划资助项目 20150520089JH

    吉林省科技发展计划资助项目 20170204013GX

    作者简介:

    杜悦宁(1993-), 女, 甘肃兰州人, 硕士研究生, 2015年于华中科技大学获得学士学位, 主要从事窄线宽半导体激光器方面的研究。E-mail:dynhhz@163.com

    陈超(1982-), 男, 内蒙古赤峰人, 博士, 助理研究员, 2014年于吉林大学获得博士学位, 主要从事窄线宽半导体激光器和微纳光子器件方面的研究。E-mail:chenc@ciomp.ac.cn

    秦莉(1969-), 女, 黑龙江鹤岗人, 博士, 研究员, 博士生导师, 1999年于吉林大学获得博士学位, 主要从事半导体激光技术及应用方面的研究。E-mail:qinl@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TN248.4

摘要: 随着超高速光互连、相干光通信、相干检测等技术的不断发展,对激光光源的线宽、相频噪声、可调谐性和稳定性等都提出了更为严格的要求。利用基于CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的硅光子芯片与半导体增益芯片各自的优势,将二者准单片集成实现结构紧凑、低功耗和高稳定性的窄线宽半导体激光器成为近年的研究热点。该结构可通过微环谐振器、环形反射镜和马赫曾德干涉仪等提供光反馈压窄线宽,并实现宽调谐范围和稳定功率输出。本文主要阐述了硅光子芯片外腔半导体激光器的最新研究进展,针对几种包含微环谐振器的结构进行了分类介绍,深入讨论了增加耦合效率和降低端面反射率等技术难题。针对未来空间光通信和光互连等应用前景,展望了该类激光器在功率提升和光子集成方面的未来发展方向。

English Abstract

杜悦宁, 陈超, 秦莉, 张星, 陈泳屹, 宁永强. 硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
引用本文: 杜悦宁, 陈超, 秦莉, 张星, 陈泳屹, 宁永强. 硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器[J]. 中国光学, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
DU Yue-ning, CHEN Chao, QIN Li, ZHANG Xing, CHEN Yong-yi, NING Yong-qiang. Narrow linewidth external cavity semiconductor laser based on silicon photonic chip[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
Citation: DU Yue-ning, CHEN Chao, QIN Li, ZHANG Xing, CHEN Yong-yi, NING Yong-qiang. Narrow linewidth external cavity semiconductor laser based on silicon photonic chip[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 229-241. doi: 10.3788/CO.20191202.0229
    • 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100 Gbps和超100 Gbps高速光通信系统中,数据负载的激增推动了16-QAM、64-QAM[1]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300 kHz甚至100 kHz[2];而星地、星际间空间激光通信对激光光源的要求更为严苛[3-4],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[5],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[6-14]。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[15];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。

    • 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25 kHz硅基Si3N4/SiO2波导外腔半导体激光器[16],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  硅基Si3N4波导外腔窄线宽半导体激光器典型结构[15]

      Figure 1.  Typical structure of Si-based Si3N4 waveguide external cavity narrow linewidth semiconductor laser[15]

    • 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[17]

      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[18]

      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[19]。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)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:

      (1)

      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[20]

      Figure 2.  (a)External cavity structure of laser integrated MRR and LR; (b)wavelength selection; (c)wavelength tuning[20]

      其中,c为真空中的光速,λ为波长,FSRring1FSRring2分别为两MRR的自由光谱范围,由公式(2)给出:

      (2)

      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。

    • 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。

    • 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。

      2009年,日本NEC公司的Chu等人[21]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。

      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[21]

      Figure 3.  (a)Schematic of the silicon base waveguide external cavity semiconductor laser; (b)schematic of laser wavelength tuning[21]

      2011年,日本东北大学的Suzuki等人[22]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225 kHz的窄线宽,如图 4(b)所示。图 4(c)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[22]

      Figure 4.  (a)Schematic structure of wavelength tunable laser; (b)wavelength tuning rules of double ring resonator; (c)relationship between linewidth and cavity length under different output powers; (d)effect of the output power on the linewidth[22]

      2013年,新加坡南洋理工大学的Ren等人[23]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[23]

      Figure 5.  (a)Schematic of laser and its external cavity equivalent scheme; (b)influence of cavity length on SMSR and linewidth under different gain differences[23]

      2013年,荷兰特温特大学Oldenbeuving等人[16]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3 dB带宽为50 kHz,这对应于激光线宽25 kHz。

      图  6  (a) 波导芯片的示意图;(b)激光器自外差拍频光谱[16]

      Figure 6.  (a)Schematic of the waveguide chip; (b)laser heterodyne beat spectrum[16]

      2016年,华为公司的Zhao等人[24]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)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50 nm的波长调谐范围和65 kHz的线宽。

      图  7  (a) MRR外腔激光器的示意图;(b)自延迟外差RF拍频光谱;(c)叠加光谱[24]

      Figure 7.  (a)Schematic of MRR external cavity laser; (b)self-delayed heterodyne RF-beat spectra; (c)superimposed laser spectra[24]

      2016年,荷兰特温特大学的Fan等人[25]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[26]

      2017年,华中科技大学Hu[27]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。

    • 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。

      2010年,Matsumoto等人[28]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 8(b)表示在C波段范围内测得的光谱线宽分布。

      图  8  (a) 基于MRR和air-bridge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[27]

      Figure 8.  (a)Schematic structure of tunable laser based on waveguide microring resonators with air-bridge structure; (b)measured spectral linewidth within C band wavelength range[27]

      2012年,Nemoto等人[29]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44 nm的波长调谐,整个L带上光谱线宽小于70 kHz。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。

      图  9  (a) 激光器的结构;(b)有效腔长与线宽和品质因数Q的关系[29]

      Figure 9.  (a)Laser structure; (b)relationship between Lfilter and the linewidth and the quality factor Q[29]

      2013年,日本东京大学的Kita等人[30]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[31],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。

      2016年,Kita等人[20]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 10所示。

      图  10  (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[20]

      Figure 10.  (a)Filter configuration without improvement; (b)improved filter configuration; (c)comparison of output powers before and after improvement[20]

      2015年,NEC公司的Kobayashi等人[32-33]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100 mW(20 dBm)的光纤耦合输出功率以及小于15 kHz的线宽。

      图  11  (a) 激光器示意图;(b)滤波器设计方案[32]

      Figure 11.  (a)Schematic of the tunable laser; (b)filter design scheme[32]

    • 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[34]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25 GHz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[35]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)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[36]

      图  12  (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[35]

      Figure 12.  (a)Schematic structure of laser(left) waveguide structure without MZI and (right) waveguide structure with MZI; (b)in structure without MZI(up) the transmittance of two ring resonators and (down)the total transmittance; (c)in structure with MZI(up) the transmittance of MZI and two ring resonators and (down) the total transmittance[35]

      2015年,Tang等人[37]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 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。

      图  13  (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[37]

      Figure 13.  (a)Narrow-spectral-linewidth wavelength-tunable laser with highly asymmetric Mach-Zehnder interferometer; (b)calculated and measured values for spectral linewidths[37]

    • 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。

    • 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[23]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[22],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。

      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[38]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[39]。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[21-27, 32, 34-36, 40-42]。美国康奈尔大学的Griffith[43]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  14  模斑转换器示意图[38]

      Figure 14.  Schematic of the SSC[38]

      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[44]和Takeuchi[45]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[46]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1.55 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  15  (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[46]

      Figure 15.  (a)Schematic of Si-SOA interface structure; (b)near field pattern(NFP) at SOA facet, (c)NFP at Si facet; (d)simulated Light-power-Current characteristics for different coupling losses(C=1.5, 4.0, 6.0 dB)[46]

    • 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[47]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)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。

      图  16  对硅芯层高度为167 nm的模斑转换器的损耗测量结果[47]

      Figure 16.  Loss measurement results of SSC for silicon core height of 167 nm[47]

      图  17  (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[47]

      Figure 17.  Typical reflectance spectra of optical coupling (a)without reflection (b)with reflection[47]

    • 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[52]。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[27, 48-49]、中科院半导体所[50]、浙江大学[51]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。

参考文献 (53)

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