----翻译自Grigory Lihachev, Andrea Bancora等人的文章
摘要
超低损耗氮化硅集成光子电路技术的最新进展为新一代集成激光器的发展铺平了道路，使得集成激光器可实现光纤激光器级的相干性能。然而，目前此类器件主要基于分布反馈激光二极管（DFB）的自注入锁定，这增加了成本且要求对激光器的工作设定点进行精细调节。相比之下，以往的即插即用（turn-key）型传统激光系统采用反射式半导体光放大器（RSOA）。虽然这一方案已被用于基于集成光子技术的激光器，但迄今为止尚不存在既经济又低噪声，同时具备快速调谐、无模式跳变（mode-hop-free）以及适用于调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）或频率计量领域激光锁定所需的线性频率调谐功能的RSOA集成激光器。
Ⅰ. 引言
窄线宽激光器在计量学、光学传感[1]、微波光子学[2,3]、光学捕获[4]以及数据中心的互联互通[5]等领域拥有广泛的应用。激光器的频率灵活性，即其频率调谐和精确控制能力，使其适用于量子领域中的精确激光锁定、通信领域中的快速波长切换，以及调频连续波（FMCW）激光雷达（LiDAR）[6-10]。在过去二十年中，基于硅的集成激光器取得了重大进展，其中III-V族材料的混合集成和异质集成技术已经实现了紧凑型激光器，并在数据中心收发器领域实现商业化应用[11,12]。然而，这些激光器在相位噪声性能方面仍未达到传统激光系统，尤其是连续波光纤激光器的水平。近期在低损耗氮化硅（Si3N4）集成光子学领域的进展，开启了一种新型集成激光器，其相位噪声性能甚至优于传统激光器[13]。通过分布反馈（DFB）二极管自注入锁定与集成微谐振腔结合，利用低约束结构的氮化硅波导（Si3N4），所开发的激光器已展现出超越光纤激光器的相干性能[13-15]。同时，采用强约束波导实现了快速频率调谐（MHz带宽）且具有低相位噪声性能。这些进步得益于超低损耗氮化硅光子集成电路的发展。在过去十年中，高度超过700 nm的强约束氮化硅波导实现了低于3 dB/m的传播损耗，已成为可在晶圆代工厂中商业化制造、并与弱约束波导平台兼容的光子集成电路（PIC）平台[14]。低传播损耗[16]和高成品率使得微腔梳齿激光器[17]、行波参量放大器（TWPA）[18]和掺铒波导放大器（EDWA）[19]等新型功能器件得以实现。此外，氮化硅光子集成电路已经与压电致动器单片集成，获得平坦的MHz带宽、低功耗（纳瓦级）以及线性频率调谐的能力，从而实现频率灵活、低噪声的激光器以及可调谐的孤子微腔梳齿激光源[15,20]。尽管最近的低噪声集成激光器已展示出接近光纤激光器相干度的性能，但这些方案通常需要对激光器的工作点进行精确控制（如DFB二极管自注入锁定方案），并需要在III-V族材料芯片上制备光栅结构。相较而言，目前许多商业激光器使用反射式半导体光放大器（RSOA）或增益芯片外腔配置，以避免这些问题。
具有反馈电路的外腔激光器（ECLs）在光子集成电路（PICs）中已取得显著进展[21-24]。采用双环维尼尔滤波器（Vernier filters）的PIC可提供频率选择性反射。基于此类维尼尔滤波器的激光器在硅光子、氮化硅或其他材料平台上实现后，其性能显著提升，并已实现亚千赫兹级激光线宽[25-28]。高频率调制速度（埃赫兹/秒）及高达50 MHz的切换速度[12,29]，仅在近期基于铌酸锂的维尼尔滤波器激光器中得到验证[30]，然而，由于相位噪声较高，其性能仍不及基于氮化硅的激光器[29]。
本文提出了一种基于RSOA和维尼尔环形滤波器的混合集成ECL，其中采用低损耗SiN PIC，并集成压电执行器以增强调控能力。该方案成本低廉，可缓解DFB激光器的使用需求，同时实现高相干性、快速MHz级调制带宽、线性调谐以及低频率噪声。多种应用场景可受益于此类低噪声、高频率可调的低成本RSOA-ECL。例如，在数据中心中，此类激光器可用于波长切换[31]，已有研究探讨了数字超晶格分布式布拉格反射器（DS-DBR）[32]、维尼尔调谐分布式布拉格反射器（VT-DBR）[33]和DFB-3λ[34]等配置，并结合模式跃迁自由的波长调谐技术[35-37]。基于集成加热器的波长切换已实现最高10 kHz的调谐速度。另一重要应用为FMCW激光雷达，其中高线性度的激光频率调谐及低频率噪声对于中长距离的距离与速度测量至关重要[38,39]。尽管该领域已取得显著进展，但要实现快速、线性可调的集成激光器，仍需采用DFB激光器[40]（需电子束光刻工艺）或MEMS-VCSELs[41,42]，并辅以额外的线性化技术。
II. 光子集成芯片设计与表征
本研究实现了一种激光器，其外腔基于SiN光子集成电路（PIC），并采用双环维尼尔滤波器进行频率选择性控制[24]。图1(a) 展示了光子集成电路的设计及激光器的示意图。反射型半导体光放大器（RSOA，Thorlabs SAF1126C）具有90%背面反射率，并通过边缘耦合方式连接至SiN PIC，其中包含定向耦合器（分束器）和两个微环谐振器。光路以蓝色箭头标示，激光输出可在分束器的端口2、3和4处测量。分束器后的光耦合至微环谐振器，其直径分别为472 nm和465 nm，并通过对称输入端口及350 nm的总线波导-环形波导间隙实现信号交换。图1(f) 展示了芯片的横截面结构，其材料堆栈包括：Si载体、2200 nm宽、900 nm高的SiN波导、顶部SiO 包覆层（厚度2.5 μm，灰色）、顶部和底部的Pt电极（厚度100 nm，黄色）以及1000 nm厚的铅锆钛酸盐（PZT，绿色）。SiN 波导的制造采用大马士革回流工艺[43]。
本研究开发了维尼尔结构中两个环形谐振器的驱动机制，利用应力-光学效应和热-光学效应实现调控。单片集成执行器（见图1(d)）包括压电PZT执行器，用于快速驱动，以及微加热器，用于维尼尔滤波器的对准和宽波长调谐。微加热器被制造在底部（接地）电极层，可通过PZT层开口进行接线键合。微加热器宽度为3 μm，中心与SiN环形波导的距离（中心到中心）为15 μm（见图1(e)）。该加热器的位置受制于工艺限制，包括PZT执行器底部电极与加热条之间的最小间距要求，以及基于相似微环工艺迭代优化PZT执行器位置，以提高应力-光学调谐效率（本器件测得的调谐效率为166 MHz/V）。此外，PZT执行器顶电极的半径与SiN环形波导相同。
首先，我们使用基于光子集成电路（PIC）的Si3N4游标滤波器，通过频域腔辅助校准光谱仪对其进行被动表征[45]。图2（a）所示的非对称输入/输出端口耦合的R1微环谐振器透射和反射谱显示，功率监测器测得的透射峰为10%-35%，反射峰为25%。图2（c）展示了微环谐振器R1和R2谐振峰（绿色、红色）的拟合结果以及洛伦兹拟合（虚线），其自由光谱范围（FSR）分别为FSR1=96.7 GHz和FSR2=97.9 GHz，本征线宽分别为κ0/2π=43.5 MHz（对称输入/输出端口耦合的R₁）和κex/2π=64.0 MHz。图2（d）为R₁微环谐振峰的总腔线宽测量结果。利用公式RSOA腔带宽=|FSR1−FSR2|计算得到的游标自由光谱范围（RSOA）为8.7 THz[24]，这为单模发射机制下的对准提供了便利。随后，我们对基于PIC的游标滤波器的反射特性进行表征，采用压电陶瓷（PZT）执行器。在驱动压电执行器之前，通过施加25 V电压数秒来对齐铁电PZT材料的偶极子域，以提高调谐效率[46]。实验中仅施加正电压，以保持偏振方向。我们对单个PZT执行器进行测试，使RSOA和微环谐振器的调谐保持稳定。图2（i）展示了游标滤波器的归一化反射谱，不同电压施加于集成PZT执行器。电压增加8 V可使谐振峰调谐1.2 GHz，这相当于两个微环的自由光谱范围（97 GHz）的1次频率间隔（FSR mismatch）。我们器件的PZT执行器饱和电压约为35 V，仅需施加该电压即可在4个自由光谱范围（400 GHz）内切换游标滤波器频率。所有测量中，执行器的电流消耗均小于20 nA，功耗低至75 nW，远低于波长调谐的功耗。
III. 光子集成激光器表征
图1（b）展示了基于上述PIC的激光频率调谐示意图。首先，通过向其中一个微加热器施加直流电压，对齐两个微环的谐振峰以观测激光出射。然后，同时向两个压电执行器施加锯齿波电压信号，实现线性激光频率扫描。施加单个压电执行器信号可实现快速波长切换。在我们的激光器设计中，未集成片上相位切换功能，而是通过改变RSOA（反射半导体光放大器）电流来实现激光相位切换能力。在固定RSOA注入电流的情况下，单模工作模式下的最大调谐范围限制为3 GHz（详见补充材料）。我们通过以下步骤对激光器进行混合封装：安装并粘贴RSOA和Si3N4芯片（带输出端口），放置温度控制（TEC）和绕线架（集成所有执行器、加热器），最后放入定制蝴蝶封装壳，如图1（c）所示。混合封装显著提升了长程激光器稳定性，减少了固有声学不稳定性引起的1 kHz以下光学跳变，从而消除了混合封装噪声。
我们分析了混合激光器的频率噪声。为此，我们采用外差拍频光谱法[47]，让运行中的TOPTICA CTL参考外腔激光器与我们的ECL（双激光器频率拍频）进行拍频。使用芬兰XPDV2120RA光电探测器（带宽50 GHz）对拍频信号进行3 dB快拍光探测，随后将信号输入罗德与施瓦茨FSW43电频谱分析仪。对记录的拍频数据同相和正交分量进行韦尔奇算法[48]处理，以检索单边相位噪声功率谱密度Sφφ，并转换为频率噪声Sff。参考激光器的频率噪声通过商用超稳激光器（Menlo ORS）单独拍频测量，完整频率噪声图见补充材料。图3(h)展示了游标激光器的单边功率谱密度（PSD）。在2 kHz以下偏移处，游标激光器的频率噪声受参考激光器限制，随后在10–100 kHz偏移处遵循1/ƒ斜率，在100 kHz-4 MHz偏移处遵循1/ƒ¹/²斜率（白色噪声区）。6 MHz处的频率噪声经激光器本征线宽（400 MHz）归一化后为127 Hz²/Hz。补充材料（S2部分）中，我们对比了使用35 GHz FSR大微环的长外腔集成ECL测得的更低频率噪声。该混合激光器在1567 nm处输出功率超6 mW，边模抑制比（SMSR）达50 dB（详见补充材料）。
Ⅳ. 快速波长切换
接下来，我们仅使用压电陶瓷（PZT）执行器展示外腔激光器（ECL）的快速波长切换。实验装置的概念示意图如图3(b)和3(c)所示，实验装置预设置如下：在光纤分束器中拆分激光器输出为两条路径，每条路径安装环形器，随后连接光纤布拉格光栅（FBG）。具有8 GHz带宽的FBG中心波长间隔97 GHz，这使得能够通过3号端口的光电探测器（New Focus 1811型，125 MHz带宽）测量两个通道。为切换波长，我们对齐游标滤波器与单个微环，通过PZT执行器驱动实现。从任意函数发生器（AFG）施加0至8 V电压信号（100 kHz速率），其拟合结果见补充材料。图3(e)展示了两通道的功率传输，表明以100 kHz速率实现97 GHz的波长切换。图3(d)呈现了激光器的光谱，显示两个发射波长由自由光谱范围（FSR）分隔。为确定切换速度，我们用双曲正切函数 ~ tanh((t – t₀)/τ)拟合上升曲线与下降曲线，其中t₀为偏移起始时间，τ为上升/下降时间。拟合得出10%–90%上升时间为7 ns，下降时间为6 ns（见图3(f)和3(g)）。如此快速的波长切换与低至75 nW的功耗，彰显了集成PZT执行器与微加热器的外腔激光器的优势。所演示的纳秒级切换时间，与近期基于锂铌酸锂波导和普克尔效应调谐、100 kHz驱动的游标激光器性能相当[30]。
Ⅴ. 快速频率调谐与线性化
最后，我们对混合激光器的频率响应能力进行表征。图2(e)展示了封装后Si₃N₄器件的光机械S₂₁响应，体现了压电执行器的电光响应——在高达960 kHz的频率下，可有效调制游标波长。图4(b)和4(c)呈现了快速频率调谐概念：通过微加热器将游标滤波器对齐，以实现1559 nm处的单模发射。我们向两个PZT执行器同时施加泰克AFG3102任意函数发生器（AFG）产生的11 Vp-p三角波信号，实现10 kHz和100 kHz的啁啾频率（实验装置见图4(a)）。通过外差拍频（搭配高速光电探测器）测量激光器啁啾后的频率，定义频率非线性为曲线与理想对称三角波的均方根（rms）偏差，该偏差通过最小二乘拟合确定。图4(d)和4(e)为处理后的激光器频谱，对应10 kHz和100 kHz啁啾频率下的非线性情况：频率偏移量分别为1833 MHz（调谐效率166 MHz/V），10 kHz扫描频率下均方根相对非线性为1.5%，且展现出1516 MHz频率偏移（1%非线性）——这通过PZT执行器实现，无需额外线性化处理。对于各类光子传感应用（如中长距离高分辨率FMCW激光雷达），关键要求包括：低均方根相对非线性（<1%）和低激光频率抖动[49]。为改善本ECL的调谐非线性，我们结合两种算法：首先，通过向执行器施加短高斯电压脉冲，利用高速光电探测器和2 GHz采集带宽示波器，测量执行器频率响应与激光器频率响应；其次，将初始电压斜坡与逆频率响应相乘[42]（细节见补充材料）。经十次迭代，10 kHz调制频率下，均方根非线性低至0.9 MHz（相对非线性0.05%）；100 kHz调谐速率下，该值恶化至3.85 MHz（0.25%）[见图4(h)和4(i)]，改进系数达30倍。
Ⅵ. 基于混合集成激光器的光学相干测距
我们在实验室开展光学相干测距实验，以展现可调谐Si3N4外腔游标激光器的潜在应用。调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）方法包含激光光源的线性频率调制，以及对目标反射回的光学信号进行延迟相干检测。图5(a)展示了FMCW激光雷达测量的实验装置：驱动PZT执行器的信号由任意函数发生器（AFG）控制；1558 nm激光器输出通过95/5光纤分束器，分为本地振荡器臂与信号臂；信号臂经掺铒光纤放大器（Calmar AMP ST15）放大（功率在6-17 mW间），并用光学带通滤波器（DiCon）抑制自发辐射（ASE）噪声；通过机械振镜扫描仪（2 Hz和63 Hz）实现光束转向。
为进行测距实验，在10 m外墙壁前放置两个附加目标（纸箱字母“C”“S”）与激光准直器[图5(a)]。以10 kHz速率向两个PZT执行器施加预失真，使激光器产生光学频率偏移量(B = 1.8 GHZ)，对应距离测量速度分辨率(c/2B = 8.5 cm) （c为光速）。仅在补偿前对封装器件进行一次预失真补偿，验证了调谐线性度、频率偏移和激光器游标设置的稳定性。多次测距中，记录目标与本地振荡器在平衡光电探测器上的拍频信号。通过短时傅里叶变换（窗口大小为啁啾周期一半，200%零填充）构建示波器上的点云。图5(e)展示拍频光谱的200个时间帧，反映墙壁、字母、准直器的反射及信噪比值：2.7-2.8 MHz峰值对应目标场景，0.3 MHz强峰由准直器反射导致（图4(e)）。每个时间切片的最大光谱幅度对应频率峰值，忽略准直器反射及信噪比<10 dB的反射。拍频光谱为各时间切片提供距离坐标分布。图5(c)、5(d)直方图显示：10.2 m对应字母点云，10.6 m对应墙壁。通过振镜扫描仪的数字三角驱动信号记录极坐标、方位坐标，转换为笛卡尔坐标（图5(b)）。图5(b)基于补偿后的颜色映射，呈现点云与场景：字母（蓝色）、背景墙（绿色）。
Ⅶ. 结论
总之，我们展示了一款基于Si3N4光子集成电路（PIC）、集成单片压电（PZT）执行器的游标滤波器激光器。该设计支持快速啁啾与波长切换，切换时间短于10 ns，较先前使用加热器的方案有显著提升。高性价比的反射半导体光放大器（RSOA）与Si3N4 PIC结合，配合100 kHz啁啾速率，使该激光光源适用于中长距离调频连续波激光雷达（FMCW LiDAR）。若采用氮化铝（AlN）执行器替代PZT，该外腔激光器（ECL）可在无需额外线性化处理的情况下，将均方根非线性降至0.1%。进一步设计优化可加入本征高速相位调制器，将激光频率偏移提升至3 GHz以上（当前受限于PZT执行器的饱和电压）。本文展示的方案基于成熟的半导体制造工艺，为大规模生产集成光子芯片与微电子机械系统（MEMS）奠定基础，有望推动工业与消费级相干光子传感系统的普及。
注：本文由天津见合八方光电科技有限公司挑选并翻译，旨在推广和分享相关半导体光放大器SOA基础知识，助力SOA技术的发展和应用。特此告知，虽本公司尽最大努力保证翻译准确性，但不排除存在误差、遗漏或语义解读导致的不完全准确性，建议读者阅读原文或对照阅读，也欢迎指出错误，共同进步。
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审核编辑 黄宇
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