CN111613959A - 基于硅基外腔自注入的窄线宽连续波调频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的提供一种连续可调谐的窄线宽激光器，包括硅基外腔(111)，所述硅基外腔(111)包括衬底层(101)，所述衬底层(101)上方为光波导层(104)；所述光波导层(104)构成自注入微环谐振腔获得可调频连续波激光，以及分布式反馈激光器(103)，所述分布式反馈激光器(103)与所述硅基外腔(111)端面耦合，将激光耦合到所述微环谐振器(110)中，通过所述硅基外腔(111)输出被调频的连续波激光。本发明的窄线宽激光器能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。

Description

基于硅基外腔自注入的窄线宽连续波调频激光器

技术领域

本发明属于调频激光器领域，特别涉及一种基于硅基外腔自注入的窄线宽连续波调频激光器。

背景技术

窄线宽即低噪声、低相对强度噪声(RIN)和大范围连续波调频波激光器在众多应用场景下有重要应用，例如相干光通信、激光雷达(LiDAR)和生物传感。同时较高的输出光功率避免了放大器的使用，使得大功率激光器在提升***性能方面有着很大需求。

调频连续波(FMCW)激光雷达发射调频连续波信号并接受经物体反射的回波，通过解调发射波与接收到的反射波的相干信号来探测物体的距离、运动速度。其中最大探测距离受限于激光的相干长度，为了保证接收到信号良好的信噪比，一般要求相干长度大于探测距离两倍以上，因此需要调频连续波激光光源具有较低的光谱线宽。光源的调制带宽B与物体距离分辨率S_r对应,即S_r≥c/2B,c为光速，大范围的调谐范围成为调频光源重要指标。

一些激光器应用需要激光器线宽很窄，也就是窄光谱。窄线宽激光器都是指单频激光器，也就是激光器值存在一个谐振腔模式，相位噪声很低，因此光谱纯度很高。通常这类激光器强度噪声很低。

为了实现激光器具有很窄的辐射带宽(线宽)，在激光器设计时需要考虑以下因素：首先，需要实现单频工作。目标应该是长时间稳定的单频工作，不存在跳模。其次，需要最小化外界噪声的影响。电泵浦激光器需要采用低噪声的电流或者电压源，光学泵浦的激光器的泵浦光源则需要具有低的强度噪声。这在噪声频率高时很容易实现，但是当噪声频率低时，线宽来源主要是低频相位噪声(自发辐射)。第三，需要优化激光器设计使激光器相位噪声最小。最好采用高的腔内功率和长谐振腔，尽管在这种情况下稳定的单频工作更难实现。对***优化需要了解不同噪声源的重要性，因为根据占据主要地位的噪声源的不同需要采用不同的测量方式。

窄线宽激光器一个很重要的应用是在传感领域，例如压力或者温度光纤传感器，各种干涉仪传感，利用不同的吸收雷达来探测追踪气体，采用多普勒激光雷达测量风速。有些光纤传感器需要激光器线宽为几kHz，而在雷达测量中，100kHz线宽就足够了。光学频率测量需要光源线宽非常窄，需要采用稳定技术来实现。光纤通信***则对线宽的要求相对宽松，主要用于发射器或者用于探测或者测量。

连续可调谐的窄线宽激光器具有广泛的应用场景，例如相干光通信、激光雷达。宽带扫频激光器通常会受到模式跳变的影响，与外腔耦合的法布里-珀罗激光器(Fabry-perot FP激光器)通过游标效应(Vernier effect)利用外腔和FP内腔的FSR的不同，调整谐振波长位置可实现不同波长的激射。但是由于游标效应的存在，纵模不可能连续调谐，每个纵模间失去了相干性，因此扫频光源的应用受到了限制。更重要的是，对于连续调频激光雷达应用中，激光器必须实现连续可调谐频率调制。美国OEwaves公司提出了背向散射自注入的窄线宽调谐激光器，它是基于回音壁模谐振腔(Whispering Gallery Mode Resonator，WGMR)与半导体激光器耦合的方案。由于受限于WGMR体积和激光器耦合问题，该方案具有其局限性。

需要一种新型的连续可调谐的窄线宽激光器，能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续可调谐的窄线宽激光器，能够实现连续可调谐频率调制并且满足调频光源的应用，还能够达到设计尺寸和与激光器耦合的最优化。

本发明内容基于低损耗氮化硅平台构建高品质因子(“高Q值”)微环自注入谐振腔实现将分布式反馈激光器(“DFB”)线宽压窄到5KHz量级，并通过调谐微环谐振腔谐振波长和热调相移器，可实现10GHz的静态调谐范围，并通过引入弹光效应，在锆钛酸铅压电陶瓷(“PZT”)驱动下的调谐范围可达1GHz调谐速率达20kHz。本发明的一个方面提供一种窄线宽激光器，其特征在于包括：硅基外腔(111)，所述硅基外腔(111)包括衬底层(101)，所述衬底层(101)上方为光波导层(104)；所述光波导层(104)构成自注入微环谐振腔获得可调频连续波激光，所述自注入微环谐振腔包括第一直波导(112)，微环谐振器(110)，第二直波导(113)和第三直波导(114)，和第四直波导(116)；和

分布式反馈激光器(103)，所述分布式反馈激光器(103)与所述光波导层(104)的第一直波导(112)的一端进行端面耦合；并且所述第一直波导(112)通过光分束器(109)将激光从第一直波导(112)分离到第二直波导(113)和第三直波导(114)；并将所述第二直波导(113)和所述第三直波导(114)中的激光耦合到所述微环谐振器(110)中，通过所述第四直波导(116)输出所述被调频的连续波激光。

本发明的另一个方面的窄线宽激光器，其中，所述第一直波导(112)上方设置第一热调相移器(106)，所述第一热调相移器(106)为金属，其中间部分为第一加热电阻(106a)，加热所述第一加热电阻(106a)产生波导相移；所述微环谐振器(110)即环形微环波导(115)，所述环形微环波导(115)上方设置调节微环谐振波长的第二热调相移器(107)，所述第二热调相移器(107)为金属，其中间部分为第二加热电阻(107a)，加热所述第二加热电阻(107a)，调谐所述微环谐振器的波长和谐振频率；所述第一热调相移器(106)和所述第二热调相移器(107)组成调谐单元，对窄线宽激光器进行波长调谐。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述微环谐振器(110)兼具反射选择波长的滤波器和反射镜的功能，将谐振波长处附近的光部分反射回所述分布式反馈激光器激光器(103)并且同时将谐振波长附近的光滤波输出。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中窄线宽激光器在通电后，器件处于非锁定状态，调节所述热调电极(107)，改变所述微环谐振器(110)的谐振频率，使所获得的谐振频率与激光器输出本征的输出频率对齐；改变所述第一热调相移器(106)微调注入相位，使激光器由自由状态跳变到锁定状态，激光器产生线宽压窄的单模输出。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中调节微环谐振器(110)的中心频率及其光谱线宽进行连续静态调谐，由于微环谐振器(110)上的加热功率与失谐谐振频率成线性关系，通过在所述第二热调相移器(107)上施加电压实现激光器的线性扫频。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述自注入微环谐振腔的品质因子为2×10⁵，线宽为3kHz，静态调谐在1547纳米处为9.1GHz，动态调制带宽在12khz为1.69GHz，50khz为0.91GHz。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中公式(1)给出了自注入效应对噪声抑制的作用，用于减少激光器的近相噪声。

Δν、Δν₀、分别为激光器在自注入前后的线宽，Q、Q_LD分别为微环和激光器的品质因数，所述微环谐振腔的品质因数线宽压窄效果成正比，微环谐振腔的品质因数为Q_LD＝2×10⁵.将P_r/P＝0.3,α＝2.5带入可得η≈1000，线宽至少被缩小三个数量级。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中调节微环谐振器(110)上的电压，在第一自由区(401)，激光器维持自由态；在注入锁定(402)阶段，激光器从自由态跳变到注入锁定状态；在注入锁定状态下，微环调谐频率与输出频率近似有线性关系；随着微环电压逐渐加大，激光器逐渐进入第二自由区(403)，此时，激光器超出锁定范围则又跳变到下一个自由区，工作在中央线性调谐区域的自注入锁定状态(402)的激光器，实现基于热调的频率调制功能和静态线性调谐结果，线宽为3.7kHz时，静态调谐范围为73pm。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述分布式反馈激光器(103)通过硅光子模斑变换器部分(112)与所述第一直波导(112)进行端面耦合，所述硅光子模斑变换器部分(112)是呈锥形，是所述光波导层(104)的一部分。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述硅光子模斑转换器(112)靠近所述分布式反馈激光器(103)的一端具有较小的模斑尺寸,与纳米硅光子波导的模斑尺寸相匹配，另一端具有较大的模斑尺寸,与标准光纤的模斑尺寸相匹配；所述硅光子模斑转换器(112)实现所述分布式反馈激光器(103)和所述光波导层(104)光斑形状尽可能相匹配，有较大重叠积分值。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述光分束器(109)为硅基多模干涉结构(MultimodeInterference，MMI)，所述MMI有五个参数：1.耦合比：表示由输入信道(i)耦合到指定输出信道(j)功率的大小；2.附加损耗：表示由耦合器带来的总损耗；3.信道***损耗：表示由输入信道至输出信道的功率的大小；4.隔离比：表示透射式耦合器中同侧端口之间的隔离程度；5.回波损耗：表示由输入信道返回功率的大小。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中所述光分束器(109)为3db光分束器，所述3db光分束器为50：50耦合比的耦合器。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中在所述微环谐振器(110)上方的所述第二热调相移器(107)上，设置压电陶瓷(108)，所述压电陶瓷通过环氧树脂胶水与所述衬底层(101)粘贴在一起，在高频电压信号驱动下，受到所述压电陶瓷(108)向下的应力，所述光波导层(104)的应力折射率发生改变导致谐振波长改变，自注入状态随之改变，以实现激光器的调频。

本发明的再一个方面的窄线宽激光器，其中通过弹光效应进行扫频，压电陶瓷(108)在12kHz调制速率下调频范围为1.69GHz，在20Khz调制速率下调频范围为0.91GHz。

本发明提出的混合集成外腔自注入激光器能够实现可调频连续波激光光源具有较低的光谱线宽，并且调频光源具有大范围的调谐范围。本发明的硅基氮化硅集成外腔由于其较低的传输损耗而实现了高Q值微环外腔，提供了窄带光反馈，极大的增加了光子寿命，压缩了光谱线宽。通过加热沉积在波导上方的加热电阻可改变波导的折射率，使得微环谐振波长可调谐，根据L-K自注入原理，激光器输出频率也将随微环谐振波长改变而调谐。同时为了提高调谐速率和调谐带宽，本发明将PZT粘连在波导上方，利用逆压电效应产生的应力作用于波导，由于弹光效应导致波导折射率改变引起微环谐振波长的调谐，提高了调谐带宽和调谐速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为本发明一个实施例中窄线宽激光器的结构图。

图1(b)为本发明另一个实施例中窄线宽激光器的结构图。

图2(a)为本发明一个实施例中窄线宽激光器的立体图。

图2(b)为本发明另一个实施例中窄线宽激光器的立体图。

图3(a)为本发明一个实施例中窄线宽激光器的示意图。

图3(b)为本发明另一个实施例中窄线宽激光器的示意图。

图4为本发明的窄线宽激光器输出频率随滤波器调谐频率变化图。

图5(a)为本发明的窄线宽激光器的静态调谐图。

图5(b)为本发明的窄线宽激光器的调谐频率与热调功率关系图。

图5(c)为本发明的窄线宽激光器的静态测量拍频功率谱图。

图5(d)为本发明的窄线宽激光器的偏置频率与相位噪声图。

图6为本发明的窄线宽激光器的调谐微环谐振波长产生的连续扫频激光频率示意图。

图7(a)和图7(b)为本发明的窄线宽激光器的PZT驱动的连续扫频波长变化示意图。

图8(a)和图8(b)为本发明的压电陶瓷典型的性能图。

具体实施方式

现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。

图1(a)为本发明的窄线宽激光器的结构图。其中衬底层101为硅衬底，衬底层101上方为光波导层104，光波导层104为氮化硅波导，在SiN波导周围有SiO₂氧化层包裹构成波导的芯-包结构，SiO₂在图中未标注。其中所述光波导层104一般采用直波导，在一个实施方式中，截面为几微米×200纳米左右的矩形，其中纳米级别的尺寸为波导在衬底层上的厚度。在一个实施例中，所述衬底层的范围为几毫米×几毫米的矩形。氮化硅(SiN)作为光波导芯层材料，较有机聚合物材料相比，SiN具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点，同绝缘硅(SOI)相比，SiN波导具有制备简单、工艺成本较低等优点。衬底层101一侧为位于基座102上的分布式反馈激光器(“DFB激光器”)103，可采用商用DFB激光芯片，与衬底层101混合封装成为本发明窄线宽激光器的外腔激光器。

DFB激光器103与衬底层101上的光波导104进行端面耦合。更优的选择是，DFB激光器103通过硅光子模斑变换器部分112与衬底层101上的光波导104进行端面耦合。可选择的硅光子模斑转换器112是光波导104的一部分，是硅光子集成芯片与外部激光器连接的关键部分,避免或减少耦合损耗。硅光子模斑转换器112基本上呈锥形，作为光波导层104的一部分，包括硅光子模斑转换器的光波导层104的各部分具有一样的厚度，所述硅光子模斑转换器112靠近DFB激光器的一端具有较小的模斑尺寸,与纳米硅光子波导的模斑尺寸相匹配，另一端具有较大的模斑尺寸,与标准光纤的模斑尺寸相匹配。硅光子模斑变换器112的功能是匹配DFB激光器103的光斑和光波导层104,即SiN的光斑，两者中DFB激光器的光斑略大，光波导层104，即SiN的光斑略小，但是更重要的是两者的光斑形状不一样，两者都是椭圆光斑，模斑变换器的功能是实现两者的光斑形状尽可能相匹配，实现高的耦合效率，即重叠积分值较大。

光波导104的制备工艺采用与CMOS兼容的加工工艺，首先在硅衬底上由热氧化得到二氧化硅层，在二氧化硅上由LPCVD沉积200nm的氮化硅层。在氮化硅上刻蚀出所需要的结构和图案后再由PECVD在波导上方沉积二氧化硅，以获得光波导结构。

衬底层101上方的光波导层104的具体布局可参考图2(a)本发明的窄线宽激光器的立体图，以及图3(a)本发明的窄线宽激光器的示意图。光波导层104上层设置基于热光效应的第一热调相移器106和第二热调相移器107。所述第一热调相移器106和第二热调相移器107为金属，第一加热电阻106(a)和第二加热电阻107(a)分别位于第一热调相移器106和第二热调相移器107的中间部分，并分别位于光波导层104不同位置的上方。在光波导层104和中间隔有二氧化硅层(图中未示出)。

光波导层104中还包括光分束器109(图1中未示出)，该光分束器可为3db光分束器，它是输入及输出光纤中分配和组合光的器件，可以在相同的波长上,将光从一束光纤分离到几束光纤中,可采用硅基多模干涉结构(MultimodeInterference，MMI)，MMI主要有五个参数：1.耦合比：表示由输入信道(i)耦合到指定输出信道(j)功率的大小；2.附加损耗：表示由耦合器带来的总损耗；3.信道***损耗：表示由输入信道至输出信道的功率的大小；4.隔离比：表示透射式耦合器中同侧端口之间的隔离程度；5.回波损耗：表示由输入信道返回功率的大小。本领域普通技术人员，可以根据本发明的公开的窄线宽激光器的设计，对光分束器109的上述参数进行设计。在一个实施例中，光分束器109，即3db光分束器或3dB耦合器为50：50耦合比的耦合器。

激光进入硅基外腔后，经过第一热调相移器106在光分束器109处被分为上下两路，光在上下两路波导中耦合进微环谐振器110，即环形微波导115。在静态操作中，微环谐振器兼具反射选择波长的滤波器和反射镜的功能。它将谐振波长处附近的光部分反射回DFB激光器103并且同时将谐振波长附近的光滤波输出。自注入的效率取决于激光器与外腔的Q值之比。在一个实施例中，本发明的微环谐振器的Q值(即品质因子)为2×10⁵，线宽为3kHz。如前文所述，谐振波长由施加到第一热调相移器106和第二热调相移器107的电极的电压调整，这些电极用于加热波导。基于热光(thermo-optic，“TO”)效应，静态调谐范围高达1547.1纳米的9.1GHz，调制带宽为1GHz的0.9GHz，从而启用了基于FMCW的LIDAR。

根据反馈自注入理论，高品质因子(即高Q值)的反射外腔整体具有压窄激光器线宽、抑制相位噪声的作用，同时包含相位调谐单元，即第一热调相移器106。如上文所述，第一热调相移器106和第二热调相移器107都包含加热电阻106(a)和107(a)。第一加热电阻106(a)的作用是加热产生波导相移。第二加热电阻107(a)的作用是加热调谐微环谐振波长，两者共同组成调谐单元用于波长调谐。

具体地，如图3(a)所示，硅基外腔的设计为自注入微环谐振腔，包括第一直波导112，环形微环波导115，第二直波导113和第三直波导114，和第四直波导116。其中，第一直波导112两端分别为Add端口和Drop端口，使得外腔兼具滤波器和反馈(反射镜)的作用。在第一直波导112和环形微环波导115上方分别设置第一加热电阻106(a)和第二加热电阻107(a)用以实现调节锁定状态和在锁定状态下的调制功能。具体为，在激光器通电后，器件处于非锁定状态，透过微环外腔的输出光谱此时一般是多模且线宽不稳定。调节环形微环波导115上的所加电压，改变微环滤波器谐振频率，使得与激光器输出本征的输出频率对齐，然后再通过改变第一直波导112上方电压微调注入相位，使得激光器由自由状态跳变到锁定状态，此时激光器表现为单模输出，具有线宽压窄效果。具体物理机理可由Lang-kobayashi速率方程L-K方程解释：

带有外部反馈自注入滤波器的速率方程由(2)-(4)给出，各参数物理意义及仿真参数如下表1所示：

表1仿真中采用的参数值

将输出电场E(t)反馈电场F(t)代入后，得到调谐参数与输出光的关系：

Δω_sτ＝-C_effsin{Δω_sτ+ω₀τ+arctan(α)-arctan[(Δω_s-ω_f)/Λ]}

(5)

其中

如公式(5)，(6)所示。作出滤波器中心频率ω_f与输出频率ω_s关系如图4所示，图4为输出频率随滤波器调谐频率变化图。调节微环谐振器110上的电压，在第一自由区401，激光器维持自由态；在注入锁定402阶段，激光器从自由态跳变到注入锁定状态；在注入锁定状态下，微环调谐频率与输出频率近似有线性关系；随着微环电压逐渐加大，激光器逐渐进入第二自由区403，此时，激光器超出锁定范围则又跳变到下一个自由区。工作在中央线性调谐区域的自注入锁定状态402的激光器，可以实现基于热调的频率调制功能和静态线性调谐结果。线宽为3.7kHz时，静态调谐范围高达73pm。TO扫频是0.964Ghz的扫频范围，扫频速率是1Khz。PZT驱动是1.69G范围速率12Khz，和，0.91G范围20Khz速率。

综上所述，由图1所示，在DFB激光器103外部的部分共同构成硅基外腔111。本发明的硅基外腔111的工作过程分为如下几部分：

自注入锁定：由于自注入锁定，激光器实现了连续调谐和调频，而无模式跳跃。激光器光谱线宽受到量子噪声限制，商用半导体DFB激光器线宽通常为几兆赫兹，公式(1)给出了自注入效应对噪声抑制的作用，用于减少激光器的近相噪声：

其中Δν、Δν₀、分别为激光器在自注入前后的线宽，Q、Q_LD分别为微环和激光器的品质因数。微环谐振腔的品质因数越高，线宽压窄效果越明显，因此需要将外腔构建在低损波导平台上，本发明提出外腔为基于硅基氮化硅波导的外腔，微环谐振腔的品质因数可达Q_LD＝2×10⁵.将P_r/P＝0.3,α＝2.5带入可得η≈1000，线宽可被缩小三个数量级以上。

通过改变两对电极上的电压和激光器的操作温度，激光将满足自注入平衡条件并进入自注入锁定模式。

连续静态调谐：根据激光调谐原理，即外腔调谐原理可用滤波光反馈(filteredoptical feedback，FOF)的Lang-Kobayashi速率方程(Lang-Kobayashi理论)来解释，它通过两个调整参数进行了激光动力学的描述，也就是，微环谐振器的中心频率及其光谱线宽。该理论得出一个结论，即激光器的失谐频率与激光器的调谐频率成线性关系。调频过程取决于波导的TO效应，其中微环上的加热功率与失谐谐振频率成线性关系，从而可以通过在电极上施加适当的电压实现线性扫频。静态调谐和动态频率调制的结果是通过实验证明的，下文将详述实验结果。将外腔等效为一个具有反馈自注入的频率滤波器，该理论表明激光器激射频率将跟随外腔谐振频率的变化而实现调谐功能。

图5(a)－(d)显示了自注入锁定状态具有窄线宽和静态频率调谐。通过将施加在微环上的电压从8.7更改为9.7V，获得10GHz频率调谐。线宽以10km延迟自外差干涉测量法(DSHI)在整个调谐范围内约为4kHz。

图5(a)为本发明的窄线宽激光器的静态调谐图。图中激光器的调谐波长随着微环谐振腔谐振频率变化而蓝移，图中激射波长分别对应微环热调电极电压为9.7、9.5、9.3、9.1、8.9、8.7V时激射波长。调谐范围约为10G，边模抑制比大于40dB。

图5(b)为本发明的窄线宽激光器的调谐频率与热调功率关系图。本发明的激光器调谐频率与热调功率成线性关系，图中的直线为线性拟合直线。失谐频率和热调谐功率的线性关系很好地拟合在图5(b)中，这使得线性扫频成为可能。

图5(c)为本发明的窄线宽激光器的静态测量拍频功率谱图。利用10km延时自外差测量方法，得到在载波频率处的拍频功率谱，洛伦兹线型拟合估算单激光器线宽约为3.7kHz。

图5(d)为本发明的窄线宽激光器的偏执频率与相位噪声图，绘制了测得的激光噪声谱和检测噪声基底，使用非对称的马赫曾德干涉仪(MZI)进行了噪声分析，路径不平衡(延迟线)为100m，相位噪声为在1kHz处的-65dBc/Hz。

综上所述，激光频率跟踪由热光效应(TO)调节的微环谐振频率。激光器显示的直流频率调谐范围为9.1GHz，线宽为3.7kHz，噪声低。DFB激光器与外部微环谐振器耦合，采用14针标准蝶形封装以便进行实际应用。封装在一起的热电冷却器(TEC)用于保持恒定的温度。两个电极沉积在芯片上，用于基于热光效应调谐外部往返时间和共振频率。二维电压调谐组件允许激光在经过混沌状态和锁模状态后进入自注入锁定状态。

图6为本发明的窄线宽激光器的调谐微环谐振波长产生的连续扫频激光频率示意图，展示了频率调制。其中，图6中的曲线为瞬时频率。连续的静态频率调谐已达10GHz，从而使FMCW带宽可以达到10G。基于热功率与调谐频率成正比这一事实，施加到微环的电压的平方与时间呈线性关系，期望获得线性调频。图中为扫频光源与一个窄线宽稳定波长激光器的拍频信号的时频关系，实现了1kHz扫频速率、0.96G扫频带宽，由于热光效应瞬时响应度不高，扫频过程有非线性现象。图6还显示了，通过时频算法对FMCW激光器和参考激光器的拍音进行分析，得到时频图。基于热光的频率调制具有0.964GHz/ms的带宽，并引入了线性失真。

构建连续调频光源：基于连续可调谐原理，可以对电流进行直接调制，调制频率与载流子迁移速率有关，往往高达几十GHz，但是由于自注入锁定效应，调谐带宽有所受限；其次，将微环电极接入线性扫描电压，输出光频率将随之扫描。

在本发明的另外一个实施方式中，本发明的频率调谐功能还可以通过压电陶瓷产生的应变力来实现。压电陶瓷108是可选择的。具体参见图1(b)，图2(b)和图3(b)中另一个实施方式的结构图、立体图和示意图，图1(b)，图2(b)和图3(b)与图1(a)、图2(a)和图3(a)相重复的器件结构在此不再赘述。图1(b)中在光波导层104上方通过环氧树脂胶水将压电陶瓷108与衬底层101粘贴起来。压电陶瓷108，可以采用例如PA2AB型，尺寸是0.9μm×0.9μm×0.8μm。PA2AB压电芯片由堆叠的压电陶瓷层机械串联而组成，夹在相互交叉的互相并联的电极之间。它提供0.7μm±15％的最大位移。在该压电陶瓷108中，一个黑点位于电极旁边，该电极接收正偏压，其他电极接地，电极裸露。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性。表2为PA2AB室温25℃下的性能表：

表2

所述环氧树脂胶水可以为任何在低于80℃的温度下固化的环氧树脂，例如号码353NDPK或TS10的Thorlabs物品，或者也可以使用乐泰Hysol 9340。由于边缘不平移，因此只能将负载附加到最大面的中心区域。将负载附加到较小的面上可能会导致机械故障。

压电陶瓷108在高频电压信号驱动下，由于逆压电效应，压电陶瓷108向下产生应力，光波导层104受到应力折射率发生改变导致谐振波长改变，自注入状态随之改变，从而实现调频。

机械应力改变波导折射率：在芯片微环上方粘连压电陶瓷(PZT)，利用逆压电效应产生的机械应力改变波导折射率，进而改变微环谐振频率，产生扫频效应。如图7(a)和图7(b)所示。图7(a)和图7(b)为本发明的窄线宽激光器的PZT驱动的连续扫频波长变化示意图。图7(a)和图7(b)中为扫频光源与一个窄线宽稳定波长激光器的拍频信号的时频关系，实现了12kHz扫频速率、1.69GHz扫频范围；以及20kHz扫频速率、0.91GHz扫频范围。

图8(a)和图8(b)为本发明的压电陶瓷典型的性能图。这些PA2AB的温升和位移是在指定频率下，施加持续10分钟的从0到75V的正弦波驱动电压。

本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。

Claims (15)

1.一种窄线宽激光器，其特征在于包括：

硅基外腔(111)，所述硅基外腔(111)包括衬底层(101)，所述衬底层(101)上方为光波导层(104)；所述光波导层(104)构成自注入微环谐振腔获得可调频连续波激光，所述自注入微环谐振腔包括第一直波导(112)，微环谐振器(110)，第二直波导(113)和第三直波导(114)，和第四直波导(116)；和分布式反馈激光器(103)，所述分布式反馈激光器(103)与所述光波导层(104)的第一直波导(112)的一端进行端面耦合；并且

所述第一直波导(112)通过光分束器(109)将激光从第一直波导(112)分离到第二直波导(113)和第三直波导(114)；并将所述第二直波导(113)和所述第三直波导(114)中的激光耦合到所述微环谐振器(110)中，通过所述第四直波导(116)输出所述被调频的连续波激光。

2.如权利要求1所述的窄线宽激光器，其中，

所述第一直波导(112)上方设置第一热调相移器(106)，所述第一热调相移器(106)为金属，其中间部分为第一加热电阻(106a)，加热所述第一加热电阻(106a)产生波导相移；

所述微环谐振器(110)即环形微环波导(115)，所述环形微环波导(115)上方设置调节微环谐振波长的第二热调相移器(107)，所述第二热调相移器(107)为金属，其中间部分为第二加热电阻(107a)，加热所述第二加热电阻(107a)，调谐所述微环谐振器的波长和谐振频率；

所述第一热调相移器(106)和所述第二热调相移器(107)组成调谐单元，对窄线宽激光器进行波长调谐。

3.如权利要求1所述的窄线宽激光器，其中，

所述第一直波导(112)上方设置第一热调相移器(106)，所述第一热调相移器(106)为金属，其中间部分为第一加热电阻(106a)，加热所述第一加热电阻(106a)产生波导相移；

所述微环谐振器(110)即环形微环波导(115)，所述环形微环波导(115)上方设置设置压电陶瓷(108)，在高频电压信号驱动下，受到所述压电陶瓷(108)向下的应力，所述光波导层(104)的应力折射率发生改变导致谐振波长改变，自注入状态随之改变，以实现激光器的调频。

4.如权利要求3所述的窄线宽激光器，其中，

所述压电陶瓷(108)通过环氧树脂胶水与所述衬底层(101)粘贴在一起。

5.如权利要求3－4任意一个所述的窄线宽激光器，其中

通过弹光效应进行扫频，压电陶瓷(108)在12kHz调制速率下调频范围为1.69GHz，在20Khz调制速率下调频范围为0.91GHz。

6.如权利要求1－3任意一个所述的窄线宽激光器，其中

所述微环谐振器(110)兼具反射选择波长的滤波器和反射镜的功能，将谐振波长处附近的光部分反射回所述分布式反馈激光器激光器(103)并且同时将谐振波长附近的光滤波输出。

7.如权利要求6所述的窄线宽激光器，其中

窄线宽激光器在通电后，器件处于非锁定状态，调节所述热调电极(107)，改变所述微环谐振器(110)的谐振频率，使所获得的谐振频率与激光器输出本征的输出频率对齐；

改变所述第一热调相移器(106)微调注入相位，使激光器由自由状态跳变到锁定状态，激光器产生线宽压窄的单模输出。

8.如权利要求1－7任意一个所述的窄线宽激光器，其中

调节微环谐振器(110)的中心频率及其光谱线宽进行连续静态调谐，由于微环谐振器(110)上的加热功率与失谐谐振频率成线性关系，通过在所述第二热调相移器(107)上施加电压实现激光器的线性扫频。

9.如权利要求1－8任意一个所述的窄线宽激光器，其中

所述自注入微环谐振腔的品质因子为2×10⁵，线宽为3kHz，静态调谐在1547纳米处为9.1GHz，动态调制带宽在12khz为1.69GHz，50khz为0.91GHz。

10.如权利要求1－9任意一个所述的窄线宽激光器，其中

公式(1)给出了自注入效应对噪声抑制的作用，用于减少激光器的近相噪声：

其中Δν、Δν₀、分别为激光器在自注入前后的线宽，Q、Q_LD分别为微环和激光器的品质因数，所述微环谐振腔的品质因数线宽压窄效果成正比，微环谐振腔的品质因数为Q_LD＝2×10⁵.将P_r/P＝0.3,α＝2.5带入可得η≈1000，线宽至少被缩小三个数量级。

11.如权利要求1－10任意一个所述的窄线宽激光器，其中

调节微环谐振器(110)上的电压，在第一自由区(401)，激光器维持自由态；在注入锁定(402)阶段，激光器从自由态跳变到注入锁定状态；在注入锁定状态下，微环调谐频率与输出频率近似有线性关系；随着微环电压逐渐加大，激光器逐渐进入第二自由区(403)，此时，激光器超出锁定范围则又跳变到下一个自由区，工作在中央线性调谐区域的自注入锁定状态(402)的激光器，实现基于热调的频率调制功能和静态线性调谐结果，线宽为3.7kHz时，静态调谐范围为73pm。

12.如权利要求1－3任意一个所述窄线宽激光器，其中

所述分布式反馈激光器(103)通过硅光子模斑变换器部分(112)与所述第一直波导(112)进行端面耦合，所述硅光子模斑变换器部分(112)是呈锥形，是所述光波导层(104)的一部分。

13.如权利要求12所述窄线宽激光器，其中

所述硅光子模斑转换器(112)靠近所述分布式反馈激光器(103)的一端具有较小的模斑尺寸,与纳米硅光子波导的模斑尺寸相匹配，另一端具有较大的模斑尺寸,与标准光纤的模斑尺寸相匹配；所述硅光子模斑转换器(112)实现所述分布式反馈激光器(103)和所述光波导层(104)光斑形状尽可能相匹配，有较大重叠积分值。

14.如权利要求1－3任意一个所述窄线宽激光器，其中

所述光分束器(109)为硅基多模干涉结构(MultimodeInterference，MMI)，所述MMI有五个参数：1.耦合比：表示由输入信道(i)耦合到指定输出信道(j)功率的大小；2.附加损耗：表示由耦合器带来的总损耗；3.信道***损耗：表示由输入信道至输出信道的功率的大小；4.隔离比：表示透射式耦合器中同侧端口之间的隔离程度；5.回波损耗：表示由输入信道返回功率的大小。

15.如权利要求14所述窄线宽激光器，其中

所述光分束器(109)为3db光分束器，所述3db光分束器为50：50耦合比的耦合器。

Images