本文作者杜悅寧，陳超，秦莉，張星，陳泳屹，寧永強，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，中國科學院大學，僅作交流學習之用，感謝分享！雷射天地轉載。
1 引 言
窄線寬半導體雷射器因具有高相干性、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、遠距離空間雷射通信、超高解析度雷射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等更高階正交幅度調製方案的使用，其對相位噪聲容限較低，要求雷射器具有全C波段可調諧性，並且線寬低於 300 kHz 甚至100kHz;而星地、星際間空間雷射通信對雷射光源的要求更為嚴苛，除了需要滿足長距離鏈路、高速率和大容量數據傳輸對雷射線寬和功率的要求，還需克服苛刻的空間環境和幹擾，保證長期工作的可靠性和穩定性。此外，基於都卜勒頻移的相干雷射雷達，其雷射光源的線寬則直接決定著識別目標的準確性和精度。
目前，窄線寬半導體雷射器的研究方案眾多，包括基於衍射光柵、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矽基光子晶片( SPC) 外腔的準單片集成結構。儘管分布反饋( DFB) 和分布布拉格反射( DBＲ) 式單片集成雷射器具有集成度高、結構緊湊和功耗低等優點，但其線寬嚴重受限於諧振腔長度及損耗等因素; 衍射光柵外腔雷射器雖然線寬性能優異、調諧範圍廣，但其體積較大、封裝複雜、光路對準困難、機械調諧滯後嚴重，這將降低雷射器可靠性; SPC外腔窄線寬半導體雷射器( SPC-SL) 是將增益晶片與外腔晶片準單片集成，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雷射器研究領域的熱點。
本文簡要介紹了SPC-SL實現窄線寬和寬波長範圍調諧的基本原理，並系統討論了近年來SPC-SL 的研究進展。通過比較 SPC 外腔諧振器的不同選頻結構，深入分析了該類型雷射器在波長精確鎖定、線寬窄化、功率穩定和波長調諧範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，並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，包括半導體增益晶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 雷射器中，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，並利用 MＲＲ 的遊標卡尺效應實現寬波長範圍調諧。圖1給出了窄線寬SPC-SL的典型結構，這是Boller課題組報導的線寬25kHz矽基Si3N4/SiO2波導外腔半導體雷射器，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 的寬波長範圍調諧。
2.2 工作原理
在前述的 SPC-SL 雷射器基本結構中，集成MＲＲ 的 SPC 晶片用於實現雷射波長選擇和頻率調諧。微環的結構和參數影響著雷射器的線寬特性和調諧特性。
波長的選擇由雷射縱模與MＲＲ諧振譜相互重疊的共振峰相匹配的縱模決定。外腔採用自由光譜範圍不同的MＲＲ，利用其遊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。
波長的調諧主要利用遊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。因此，可通過在微環上放置熱電極來改變材料的溫度，並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。但由於熱光調諧的熱積累和消散需要一定的時間，所以高速調製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，其波長調諧範圍 Δλ 與 MＲＲ 的自由光譜範圍相關，可用公式( 1) 表示為:
其中，c 為真空中的光速，λ 為 波 長，FSＲring1 和 FSＲring2分別為兩 MＲＲ 的自由光譜範圍，由公式( 2) 給出:
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範圍。
3 SPC-SL 研究進展
研究人員基於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-曾德幹涉儀( 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 外腔半導體雷射器集中於雙 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。
2009 年，日本 NEC 公司的 Chu 等人報導了一種緊湊型、低功耗波長可調諧雷射器，它由SOA 與外腔絕緣襯底上的矽( 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範圍等方面有大幅改善。該雷射器尺寸是SiON 波導外腔可調諧雷射器的 1 /25。而基於熱光效應矽諧振腔可實現 C 波段或 L 波段的調諧，雷射波長最大調諧範圍達 38 nm，調諧功耗為 26 mW。
2011 年，日本東北大學的 Suzuki 等人在 Chu 等人的研究基礎上，提出了用於光互連網絡的結構緊湊、低功耗、窄線寬雷射器，並深入研究了波長可調雷射器與濾波器光譜特性的關係。圖 4( a) 表示採用 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雷射器，獲得超過45 nm的光譜調諧範圍和 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雷射線寬影響的理論計算和實測結果。
2013 年，新加坡南洋理工大學的 Ｒen 等人提出一種基於雙環諧振器的具有環形迴路外腔諧振的可調諧雷射器。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。雷射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雷射器 SMSＲ 和線寬與外腔長度的關係。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。
2013 年，荷蘭特溫特大學Oldenbeuving等人報導了一種基于波導外腔的準單片集成雷射器，他利用可調諧雙 MＲＲ 作為波導外腔，採用InP 和 Si3N4的混合集成實現了低損耗集成光學波導迴路，如圖 6( a) 所示。該雷射器具有高速調製特性，通過加熱 MＲＲ 使之在預設波長間高速切換，並可在全 C 波段調諧，圖 6( b) 給出了該雷射器的自外差拍頻光譜，其洛倫茲擬合的 3 dB 帶寬為 50 kHz，這對應於雷射線寬 25 kHz。
2016 年，華為公司的 Zhao 等人報導了一種寬調諧混合 InP /Si3N4 外腔雷射器，其外腔諧振器由低損耗、高品質因數 的 Si3N4 /SiO2 波導MＲＲ 構成。該雷射器結構如圖 7( a) 所示，包括高功率 InP /InGaAsP 增益晶片和雙MＲＲ，其中MＲＲ包含相位和功率調諧部分，分別用於微調縱模和輸出功率。圖 7( b) 和 7( c) 分別表示雷射器調諧時的自延遲外差射頻拍頻光譜和疊加光譜。該雷射器可得到50 nm 的波長調諧範圍和65 kHz的線寬。
2016 年，荷蘭特溫特大學的 Fan 等人在前期研究基礎上，報導了一種由雙環 MＲＲ 作為反饋外腔的集成的 InP-Si3N4混合雷射器，通過提高對準精度並用增大反射式SOA長度且增大驅動電流的方式減小線寬，其光譜調諧範圍超過 43 nm，SMSＲ 為 35 dB，線寬可達 90 kHz，相對強度噪聲小於－ 135 dBc /Hz。2017 年，該課題組報導的集成 MＲＲ 結構的 InP-Si3N4混合集成雷射器獲得了 290 Hz 窄線寬。
2017年，華中科技大學 Hu等人報導了高功率、高 SMSＲ 的寬調諧矽基雷射器，這種結構採用帶有隔離槽的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 外腔結構的優勢在於 LＲ 增加了外腔的有效長度。使得外腔的物理長度小於有效長度，在不增加波導尺寸的情況下可獲得更窄的線寬，是這種結構相較於傳統 DBＲ雷射器的主要優勢。
2010 年，Matsumoto 等人設計了由三環諧振器、Air-Bridge 結構和 LＲ 組成的可調諧雷射器，如圖 8 所示。該雷射器可獲得穩定的單模雷射輸出，C 波段光譜線寬小於 100 kHz，輸出功率高達 16 dBm，SMSＲ 超過 45 dB，調諧範圍可達到60 nm。3 個環分別用于波長鎖定、決定調諧波長範圍和波長微調，圖 8( b) 表示在 C 波段範圍內測得的光譜線寬分布。
2012 年，Nemoto 等人設計的雷射器外腔由兩個自由光譜範圍不同的 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 帶上光譜線寬小於 70 kHz。圖 9( b) 顯示了腔長對雷射線寬和品質因數 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 等人提出的雷射器採用與 Nemoto 報導的同樣 SPC 晶片結構，可以獲得 25. 1 mW 的最大雷射輸出功率，大 於 50 nm 的連續波長調諧，小於 100 kHz 的光譜線寬。進一步優化後，獲得 51. 5 nm 的調諧範圍和 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雷射器設計中長外腔的優勢。
2016 年，Kita等人進一步優化外腔的結構設計，降低矽材料的非線性影響，獲 得 了 小 於60 kHz的雷射線寬，調諧範圍達 55 nm。結構改進後光波發生分支，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 等人利用矽基波導 MＲＲ 和 LＲ 作為光學外腔，設計的雷射器結構如圖 11 所示。通過優化低損耗的包層分布，改進波導製備工藝，並且採用無源對準技術封裝SOA，使雷射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於 15 kHz 的線寬。
3.3 集成 MＲＲ 和 MZI 的 SPC 外腔
由於 MZI 使透射率在最近鄰波長處最小，在波導迴路中波長選擇性更高，所以在集成 MＲＲ 的 SPC 中引入 MZI 結構可以使雷射器獲得更窄的線寬和更大波長調諧範圍，且線寬大小與 MZI的對稱性有關。
2014 年，貝爾實驗室的 Debregeas 等人提出將 SOA 與矽基環形諧振濾波器和 MZI 的外腔混合集成的可調諧雷射器，獲得了 2 kHz 的線寬和 35 nm 的可調諧範圍。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。
2014 年，Kita 等 人將 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雷射器，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，並大大提高了波長選擇性。該雷射器的線寬最窄可達 19 kHz，波長調諧範圍達 61.7 nm。2015 年，Kita 等人在隨後的研究中實現了高達 99 nm 的寬調諧範圍，還比較了 MZI 的使用對調諧範圍的影響。
2015 年，Tang 等人報導的含有高非對稱MZI的準單片集成雷射器獲得了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 結構對雷射線寬的影響情況，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。
4 SPC-SL 研究存在的技術難題
在 SPC-SL 雷射器結構中，外腔和增益晶片的耦合質量是制約雷射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，並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
半導體增益晶片或 SOA 與 SPC 之間的耦合效率是制約雷射特性的關鍵因素，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等人探討了耦合效率對輸出功率的影響，並進一步提出雷射器的改進方案。由於線寬隨功率增加而減小，可以在改善散熱的基礎上，通過提高對準精度來提高晶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 與矽基波導相連接，在擴大光場模式的同時將反射和耦合損耗最小化，有利於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。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，廣泛運用於晶片間的耦合。美國康奈爾大學的 Griffith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 的雷射光源。
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和 Takeuchi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 等人設計的 Si /III-V 混合集成雷射器如圖 15 所示，在 Si 和 SOA 界面上採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。這是由於耦合損耗會影響腔損耗和波導輸出的外量子效率。為了實現倒裝晶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 晶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，有利於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。採用這種結構，雷射器實現了高於 10 mW 的輸出功率，SMSＲ高於 40 dB 且 ＲIN 低於 － 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雷射特性，例如線寬、相頻噪聲等。Fujioka 等人通過在 SOA 和矽基波導諧振器的對接端面使用抗反射塗層( AＲ) 或者波導模式有效折射率匹配來減小反射，並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) 比較了反射率對矽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 幹涉使圖( b) 中出現細小條紋，降低雷射器的穩定性。可以看出，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。
5 結束語
窄線寬半導體雷射器是高速光通信、相干空間雷射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，基於矽光子集成技術的SPC-SL是其研究熱點。從前述研究進展來看，國外眾多機構對 SPC-SL 結構的雷射器開展了研究，並取得了突破性成果。國內對該類型雷射器的研究起步較晚，華中科技大學、中科院半導體所、浙江大學等單位也開展了相關的研究，並取得了一定的成果，但雷射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 在雷射線寬窄化、波長調諧等方面的研究進展。並深入討論了 SPC 外腔與半導體增益晶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雷射器的輸出功率，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，改進增益晶片和波導的模斑，提高波導側壁平整度和垂直度，採用高精度對準設備使增益晶片的光斑和波導光斑更好地匹配。最後為實現光互連，半導體雷射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，提升雷射器的性能和工藝兼容性。
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