硅光子芯片外腔窄線寬半導體激光器

杜悅寧，陳 超，秦 莉，張 星，陳泳屹，寧永強

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所 發光學及應用國家重點實驗室，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

窄線寬半導體激光器因具有高相干性、低相頻噪聲、高頻率穩定性以及寬波長調諧潛能，而成為超高速光通信、遠距離空間激光通信、超高分辨率激光雷達和光學傳感等領域的核心器件。例如，在100 Gbps和超100 Gbps高速光通信系統中，數據負載的激增推動了16-QAM、64-QAM[1]等更高階正交幅度調制方案的使用，其對相位噪聲容限較低，要求激光器具有全C波段可調諧性，并且線寬低于300 kHz甚至100 kHz[2]；而星地、星際間空間激光通信對激光光源的要求更為嚴苛[3-4]，除了需要滿足長距離鏈路、高速率和大容量數據傳輸對激光線寬和功率的要求，還需克服苛刻的空間環境和干擾，保證長期工作的可靠性和穩定性。此外，基于多普勒頻移的相干激光雷達[5]，其激光光源的線寬則直接決定著識別目標的準確性和精度。

目前，窄線寬半導體激光器的研究方案眾多，包括基于衍射光柵、標準具等分立元件的外腔結構、集成取樣光柵或表面光柵的單片集成結構以及硅基光子芯片(SPC)外腔的準單片集成結構[6-14]。盡管分布反饋(DFB)和分布布拉格反射(DBR)式單片集成激光器具有集成度高、結構緊湊和功耗低等優點，但其線寬嚴重受限于諧振腔長度及損耗等因素[15]；衍射光柵外腔激光器雖然線寬性能優異、調諧范圍廣，但其體積較大、封裝復雜、光路對準困難、機械調諧滯后嚴重，這將降低激光器可靠性；SPC外腔窄線寬半導體激光器(SPC-SL)是將增益芯片與外腔芯片準單片集成，它兼具單片集成結構的高可靠和低功耗特性，以及外腔結構的窄線寬和寬調諧特性，逐漸成為窄線寬半導體激光器研究領域的熱點。

本文簡要介紹了SPC-SL實現窄線寬和寬波長范圍調諧的基本原理，并系統討論了近年來SPC-SL的研究進展。通過比較SPC外腔諧振器的不同選頻結構，深入分析了該類型激光器在波長精確鎖定、線寬窄化、功率穩定和波長調諧范圍等方面的研究趨勢。此外，對研究過程中存在的耦合效率提升和腔面反射率抑制等技術難點進行了探討，并對其未來研究方向及應用前景進行了展望。

2 SPC-SL基本結構和工作原理

2.1 基本結構

SPC-SL主要由兩部分組成，包括半導體增益芯片或反射式半導體光放大器(SOA)和SPC外腔諧振器，二者通過模斑轉換器(SSC)高效耦合實現準單片集成。通常增加諧振腔長度可以有效壓窄線寬，但是這將導致縱模激射數量增多，縱模間增益差減小，多模振動變得顯著，使獲得穩定單模振蕩和極窄光譜線寬變得困難。在SPC-SL激光器中，通常選擇高Q值因子的微環諧振器(MRR)作為選頻和鎖模元件，因為MRR具有較寬的自由光譜區(FSR)，可以有效避免上述問題的發生。具體來說MRR可以通過增加有效腔長提高光子壽命、提供負光學反饋和注入鎖定，實現線寬壓窄、相頻噪聲和相對強度噪聲(RIN)抑制，并利用MRR的游標卡尺效應實現寬波長范圍調諧。圖1給出了窄線寬SPC-SL的典型結構，這是Boller課題組報道的線寬25 kHz硅基Si3N4/SiO2波導外腔半導體激光器[16]，在SPC中集成了可調諧雙微環諧振腔，可在C波段實現46.8 nm的寬波長范圍調諧。

圖1 硅基Si3N4波導外腔窄線寬半導體激光器典型結構[15]Fig.1 Typical structure of Si-based Si3N4waveguide external cavity narrow linewidth semiconductor laser[15]

2.2 工作原理

在前述的SPC-SL激光器基本結構中，集成MRR的SPC芯片用于實現激光波長選擇和頻率調諧。微環的結構和參數影響著激光器的線寬特性和調諧特性[17]。

波長的選擇由激光縱模與MRR諧振譜相互重疊的共振峰相匹配的縱模決定。外腔采用自由光譜范圍不同的MRR，利用其游標效應進行波長選擇，透射率在縱模與共振峰的最大重疊處達最大值，此處即為激射波長[18]。

波長的調諧主要利用游標效應和波導材料的熱光效應來實現。熱光效應即材料的有效折射率隨著溫度的改變而改變，折射率的改變進而引起光場的變化[19]。因此，可通過在微環上放置熱電極來改變材料的溫度，并控制熱電極的電流來改變波導折射率，使MRR透射光譜與縱模發生偏移，進行波長調諧。但由于熱光調諧的熱積累和消散需要一定的時間，所以高速調制仍是需要解決的問題。圖2(a)給出了集成MRR和環形鏡(LR)的SPC外腔結構，圖2(b)和2(c)表示波長選擇和波長調諧原理，其波長調諧范圍Δλ與MRR的自由光譜范圍相關，可用公式(1)表示為：

(1)

其中，c為真空中的光速，λ為波長，FSRring1和FSRring2分別為兩MRR的自由光譜范圍，由公式(2)給出：

(2)

其中，Lring為MRR的周長，ng為波導的群折射率。通過改變折射率的方式可控制波長調諧范圍。

圖2 (a)激光器集成MRR和LR的外腔結構(b)波長選擇示意圖；(c)波長調諧示意圖[20]Fig.2 (a)External cavity structure of laser integrated MRR and LR; (b)wavelength selection; (c)wavelength tuning[20]

3 SPC-SL研究進展

研究人員基于準單片集成式結構提出了不同的設計方案，主要有集成MRR的SPC外腔和集成MRR、LR及馬赫-曾德干涉儀(MZI)的SPC外腔等。此外，為增加耦合效率、改善光譜質量，在對準精度的提升、耦合損耗的降低及耦合處的反射率等方面也做了大量嘗試。

3.1 集成MRR的SPC外腔

集成MRR的SPC外腔半導體激光器集中于雙MRR結構，這種結構同時具備線寬窄、寬調諧、低功耗的特性。其中，光譜寬調諧的實現方式主要包括熱調諧和電調諧。

圖3 (a)硅光子線波導外腔半導體激光器結構示意圖；(b)激光器波長調諧示意圖[21]Fig.3 (a)Schematic of the silicon base waveguide external cavity semiconductor laser; (b)schematic of laser wavelength tuning[21]

2009年，日本NEC公司的Chu等人[21]報道了一種緊湊型、低功耗波長可調諧激光器，它由SOA與外腔絕緣襯底上的硅(SOI)波導MRR耦合集成，結構如圖3所示。這種設計在尺寸和波長調諧范圍等方面有大幅改善。該激光器尺寸是SiON波導外腔可調諧激光器的1/25。而基于熱光效應硅諧振腔可實現C波段或L波段的調諧，激光波長最大調諧范圍達38 nm，調諧功耗為26 mW。

2011年，日本東北大學的Suzuki等人[22]在Chu等人的研究基礎上，提出了用于光互連網絡的結構緊湊、低功耗、窄線寬激光器，并深入研究了波長可調激光器與濾波器光譜特性的關系。圖4(a)表示采用SOI波導雙環諧振器和作為光增益的SOA混合集成結構的波長可調諧激光器，獲得超過45 nm的光譜調諧范圍和225 kHz的窄線寬，如圖4(b)所示。圖4(c)和4(d)分別表示腔長和輸出功率對激光線寬影響的理論計算和實測結果。

圖4 (a)波長可調諧激光器的結構示意圖；(b)雙環諧振器的波長調諧規律；(c)不同輸出功率下線寬與腔長的關系；(d)輸出功率對線寬大小的影響[22]Fig.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，新加坡南洋理工大學的Ren等人[23]提出一種基于雙環諧振器的具有環形回路外腔諧振的可調諧激光器。外腔由錐形波導、光分路器、雙MRR及U形波導組成，如圖5(a)所示。激光器的輸出功率穩定在-3 dBm，邊模抑制比(SMSR)>40 dB，線寬<100 kHz。圖5(b)表示不同增益差條件下激光器SMSR和線寬與外腔長度的關系。這項工作同時研究了調諧靈活性，表明可通過兩個加熱器協作實現準連續波長調諧。

圖5 (a)激光器示意圖及其外腔等效方案；(b)不同增益差條件下腔長對SMSR和線寬的影響[23]Fig.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，荷蘭特溫特大學Oldenbeuving等人[16]報道了一種基于波導外腔的準單片集成激光器，他利用可調諧雙MRR作為波導外腔，采用InP和Si3N4的混合集成實現了低損耗集成光學波導回路，如圖6(a)所示。該激光器具有高速調制特性，通過加熱MRR使之在預設波長間高速切換，并可在全C波段調諧，圖6(b)給出了該激光器的自外差拍頻光譜，其洛倫茲擬合的3 dB帶寬為50 kHz，這對應于激光線寬25 kHz。

圖6 (a)波導芯片的示意圖；(b)激光器自外差拍頻光譜[16]Fig.6 (a)Schematic of the waveguide chip; (b)laser heterodyne beat spectrum[16]

2016年，華為公司的Zhao等人[24]報道了一種寬調諧混合InP/Si3N4外腔激光器，其外腔諧振器由低損耗、高品質因數的Si3N4/SiO2波導MRR構成。該激光器結構如圖7(a)所示，包括高功率InP/InGaAsP增益芯片和雙MRR，其中MRR包含相位和功率調諧部分，分別用于微調縱模和輸出功率。圖7(b)和7(c)分別表示激光器調諧時的自延遲外差射頻拍頻光譜和疊加光譜。該激光器可得到50 nm的波長調諧范圍和65 kHz的線寬。

2016年，荷蘭特溫特大學的Fan等人[25]在前期研究基礎上，報道了一種由雙環MRR作為反饋外腔的集成的InP-Si3N4混合激光器，通過提高對準精度并用增大反射式SOA長度且增大驅動電流的方式減小線寬，其光譜調諧范圍超過43 nm，SMSR為35 dB，線寬可達90 kHz，相對強度噪聲小于-135 dBc/Hz。2017年，該課題組報道的集成MRR結構的InP-Si3N4混合集成激光器獲得了290 Hz窄線寬[26]。

圖7 (a)MRR外腔激光器的示意圖；(b)自延遲外差RF拍頻光譜；(c)疊加光譜[24] Fig.7 (a)Schematic of MRR external cavity laser; (b)self-delayed heterodyne RF-beat spectra; (c)superimposed laser spectra[24]

2017年，華中科技大學Hu[27]等人報道了高功率、高SMSR的寬調諧硅基激光器，這種結構采用帶有隔離槽的MRR，有效控制了溫度對波長的影響，線寬可達130 kHz。

3.2 集成MRR和LR的SPC外腔

集成MRR和LR的SPC外腔結構的優勢在于LR增加了外腔的有效長度。使得外腔的物理長度小于有效長度，在不增加波導尺寸的情況下可獲得更窄的線寬，是這種結構相較于傳統DBR激光器的主要優勢。

2010年， Matsumoto等人[28]設計了由三環諧振器、Air-Bridge結構和LR組成的可調諧激光器，如圖8所示。該激光器可獲得穩定的單模激光輸出，C波段光譜線寬小于100 kHz，輸出功率高達16 dBm，SMSR超過45 dB，調諧范圍可達到60 nm。3個環分別用于波長鎖定、決定調諧波長范圍和波長微調，圖8(b)表示在C波段范圍內測得的光譜線寬分布。

圖8 (a)基于MRR和air-bridge結構的可調諧激光器結構示意圖；(b)C波段的波長范圍內測得的光譜線寬[27]Fig.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]設計的激光器外腔由兩個自由光譜范圍不同的MRR和提供光學反饋的LR組成，如圖9(a)所示。它可實現44 nm的波長調諧，整個L帶上光譜線寬小于70 kHz。圖9(b)顯示了腔長對激光線寬和品質因數Q的影響，可以看出腔長越長線寬越窄，品質因數Q越高，反映了LR長腔的巨大優勢。

2013年，日本東京大學的Kita等人[30]提出的激光器采用與Nemoto報道的同樣SPC芯片結構，可以獲得25.1 mW的最大激光輸出功率，大于50 nm的連續波長調諧，小于100 kHz的光譜線寬。進一步優化后[31]，獲得51.5 nm的調諧范圍和64.8 kHz的線寬。通過比較腔長對線寬的影響，進一步證實窄線寬可調諧激光器設計中長外腔的優勢。

圖9 (a)激光器的結構；(b)有效腔長與線寬和品質因數Q的關系[29]Fig.9 (a)Laser structure; (b)relationship betweenLfilterand the linewidth and the quality factorQ[29]

圖10 (a)改進前濾波器配置示意圖；(b)改進后濾波器配置示意圖；(c)對比改進前后的輸出功率大小[20]Fig.10 (a)Filter configuration without improvement; (b)improved filter configuration; (c)comparison of output powers before and after improvement[20]

2016年，Kita等人[20]進一步優化外腔的結構設計，降低硅材料的非線性影響，獲得了小于60 kHz的激光線寬，調諧范圍達55 nm。結構改進后光波發生分支，與MRR耦合的光功率減半，雙光子吸收影響減至四分之一，獲得38.5 mW的高輸出功率，如圖10所示。

2015年，NEC公司的Kobayashi等人[32-33]利用硅基波導MRR和LR作為光學外腔，設計的激光器結構如圖11所示。通過優化低損耗的包層分布，改進波導制備工藝，并且采用無源對準技術封裝SOA，使激光器保持穩定的高輸出功率。在整個C波段獲得超過100 mW(20 dBm)的光纖耦合輸出功率以及小于15 kHz的線寬。

圖11 (a)激光器示意圖；(b)濾波器設計方案[32] Fig.11 (a)Schematic of the tunable laser; (b)filter design scheme[32]

3.3 集成MRR和MZI的SPC外腔

由于MZI使透射率在最近鄰波長處最小，在波導回路中波長選擇性更高，所以在集成MRR的SPC中引入MZI結構可以使激光器獲得更窄的線寬和更大波長調諧范圍，且線寬大小與MZI的對稱性有關。

2014年，貝爾實驗室的Debregeas等人[34]提出將SOA與硅基環形諧振濾波器和MZI的外腔混合集成的可調諧激光器，獲得了2 kHz的線寬和35 nm的可調諧范圍。波導內部集成了FSR為25 GHz的參考微環和一個含MZI的微環，可通過控制波導上的加熱器，局部改變任意波導段的相位，以實現波長的粗調和細調。

圖12 (a)激光器結構(左)不含MZI的波導結構(右)含MZI的波導結構；(b)不含MZI的結構中(上)兩個環形諧振器透射率及(下)波導總透射率；(c)含MZI的結構中(上)MZI與兩環形諧振器透射率(下)波導總透射率[35]Fig.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]

2014年，Kita等人[35]將MZI和MRR相串聯，設計了如圖12(a)所示的準單片集成結構半導體激光器，圖12(b)和12(c)分別給出了是否含MZI結構的透射譜。通過設計MZI，使其FSR與MRR的FSR相差兩倍，使MZI透射率在兩個MRR共振波長處最大，此時，重疊光譜中最近鄰共振波長處的透射率將大幅降低。最終實現環形諧振器的透射光譜中邊模的有效抑制，并大大提高了波長選擇性。該激光器的線寬最窄可達19 kHz，波長調諧范圍達61.7 nm。2015年，Kita等人在隨后的研究中實現了高達99 nm的寬調諧范圍，還比較了MZI的使用對調諧范圍的影響[36]。

2015年，Tang等人[37]報道的含有高非對稱MZI的準單片集成激光器獲得了12 kHz的窄線寬，如圖13所示。圖13(b)結果給出了強、弱非對稱MZI結構對激光線寬的影響情況，證實了增加MZI兩臂間的不對稱性，可以獲得MRR更大的模間增益差和更窄的線寬。

圖13 (a)具有高度非對稱MZI的窄線寬可調諧激光器；(b)光譜線寬的計算值和實測值[37]Fig.13 (a)Narrow-spectral-linewidth wavelength-tunable laser with highly asymmetric Mach-Zehnder interferometer; (b)calculated and measured values for spectral linewidths[37]

4 SPC-SL研究存在的技術難題

在SPC-SL激光器結構中，外腔和增益芯片的耦合質量是制約激光器光譜特性進一步提升的關鍵，研究人員通過研究不同因素對耦合效率和光譜質量的影響，并針對研究中存在的技術難題提出了一些解決措施和改進思路。

4.1 增加耦合效率

半導體增益芯片或SOA與SPC之間的耦合效率是制約激光特性的關鍵因素，尤其是輸出功率，而輸出功率的增加可以顯著降低線寬。2016年，Fan等人[23]探討了耦合效率對輸出功率的影響，并進一步提出激光器的改進方案。由于線寬隨功率增加而減小[22]，可以在改善散熱的基礎上，通過提高對準精度來提高芯片間的模式匹配程度，在輸出功率相同的情況下獲得更窄的線寬。

降低耦合損耗也是增加耦合效率的有效手段之一。2005年，Tsuchizawa等人[38]提出低損耗、低反射的模場轉換器結構，即模斑變換器(SSC)。SOA與硅基波導相連接，在擴大光場模式的同時將反射和耦合損耗最小化，有利于解決有效折射率和芯徑尺寸差異、模場之間的不匹配引起的損耗，提高模場匹配程度，從而實現高效耦合[39]。如圖14所示，這種結構通過波導寬度、厚度以及折射率的逐漸變化，實現波導間的模場轉換，廣泛運用于芯片間的耦合[21-27,32,34-36,40-42]。美國康奈爾大學的 Griffith[43]等人提出利用新型熱氧化工藝和外加反向偏置電壓的方法有效降低了由工藝帶來的線性損耗，獲得了線寬100 kHz的激光光源。

圖14 模斑轉換器示意圖[38]Fig.14 Schematic of the SSC[38]

圖15 (a)Si-SOA界面結構示意圖；(b)SOA的近場圖樣；(c)Si波導的近場圖樣；(d)模擬不同耦合損耗(C=1.5、4.0、6.0)下的光功率-電流特性[46]Fig.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]

鍵合技術和倒裝技術等低連接損耗對接方法的應用，也是提升其耦合效率的有效方法。2006年，Watanabe[44]和Takeuchi[45]等人利用無源對準技術將耦合損耗降至0.41 dB，線寬達0.5 MHz。2012年，Tanaka等人[46]設計的Si/III-V混合集成激光器如圖15所示，在Si和SOA界面上采用高精度倒裝鍵合和適當的SSC結構。圖15(d)的模擬結果表明:通過減少耦合損耗，閾值電流、斜率效率和輸出功率都得到改善。這是由于耦合損耗會影響腔損耗和波導輸出的外量子效率。為了實現倒裝芯片鍵合的低損耗光耦合，界面處的模場匹配和波導的精確對準至關重要。由圖15(a)～15(c)可見，在Si芯片的耦合邊緣集成了一個由錐形Si波導組成的SSC和SiON外包覆波導，擴展了Si波導的模場，可實現Si波導和SOA之間有效光耦合，有利于獲得良好的電流限制，從而可在Si-SOA界面處提供優異的模場匹配，實現Si-SOA界面處1.55 dB的低耦合損耗。采用這種結構，激光器實現了高于10 mW的輸出功率，SMSR高于40 dB且RIN低于-130 dB/Hz。

4.2 降低反射率

耦合處反射率的降低也可以顯著改善激光特性，例如線寬、相頻噪聲等。Fujioka等人[47]通過在SOA和硅基波導諧振器的對接端面使用抗反射涂層(AR)或者波導模式有效折射率匹配來減小反射，并通過調整匹配到模式的光斑尺寸來減小耦合損耗。圖16是對SSC損耗測量結果，可以看出不同芯層寬度的損耗情況。在圖17(a)與17(b)比較了反射率對硅波導環形反射器的反射光譜的影響。光耦合處的反射形成的F-P干涉使圖(b)中出現細小條紋，降低激光器的穩定性?？梢钥闯?，環形反射器的主峰和邊峰之間的反射率差較大，說明降低反射率是提升光譜質量的有效途徑。

圖16 對硅芯層高度為167 nm的模斑轉換器的損耗測量結果[47]Fig.16 Loss measurement results of SSC for silicon core height of 167 nm[47]

圖17 (a)不含反射的光耦合的典型反射光譜；(b)含反射的光耦合的典型反射光譜[47]Fig.17 Typical reflectance spectra of optical coupling (a)without reflection (b)with reflection[47]

5 結束語

窄線寬半導體激光器是高速光通信、相干空間激光通信和相干光學探測等領域的核心光源，在眾多研究方案中，基于硅光子集成技術的SPC-SL是其研究熱點[52]。從前述研究進展來看，國外眾多機構對SPC-SL結構的激光器開展了研究，并取得了突破性成果。國內對該類型激光器的研究起步較晚，華中科技大學[27,48-49]、中科院半導體所[50]、浙江大學[51]等單位也開展了相關的研究，并取得了一定的成果，但激光器性能距離國際水平仍存在顯著差距。

本文系統總結和分析了集成MRR、LR和MZI等波導結構的SPC在激光線寬窄化、波長調諧等方面的研究進展。并深入討論了SPC外腔與半導體增益芯片之間實現高效耦合的技術難點，以及現階段的解決措施。

針對目前的研究現狀，提出幾點展望：首先是研究提高窄線寬半導體激光器的輸出功率，例如在空間信號傳輸及傳感等實際應用中，一般都對輸出功率要求較高，而且輸出功率也會影響線寬大小，SPC-SL輸出功率的提高是研究人員需要面對的新難題。其次是研究損耗更小的SPC和效率更高的耦合方式，需要優化器件結構和工藝，改進增益芯片和波導的模斑，提高波導側壁平整度和垂直度，采用高精度對準設備使增益芯片的光斑和波導光斑更好地匹配。最后為實現光互連，半導體激光器需要與其它光器件實現光子集成，研究人員還需進一步調整參數、優化工藝，提升激光器的性能和工藝兼容性。