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。

2 SPC-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. 8 nm 的宽波长范围调谐。

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。

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:

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:

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。

3 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。

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 225 kHz 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。

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。

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 3 dB 带宽为 50 kHz，这对应于激光线宽 25 kHz。

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50 nm 的波长调谐范围和65 kHz的线宽。

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。

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 130 kHz。

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。

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 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。

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 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。

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。

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 10 所示。

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 100 mW( 20 dBm) 的光纤耦合输出功率以及小于 15 kHz 的线宽。

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 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 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。

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 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。

4 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。

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。

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 100 kHz 的激光光源。

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 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。

4.2 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 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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