周林杰-基于硅基混合外腔激光器的调频连续波产生.pdf

1、基于硅基混合外腔激光器的调频连续波产生周林杰/上海交通大学内容提纲内容提纲 激光雷达对光源需求 外腔激光器原理和实现 调频连续波测距实验 总结激光雷达应用领域2消费电子工业自动化航空航天自动驾驶2025年市场占比预测高级辅助驾驶无人驾驶激光雷达系统构成3测距和成像是激光雷达的两个基本功能1550nm硅基集成激光雷达系统4硅光集成芯片两个独立扫描维度移相器 方位角激光波长 俯仰角相控阵波束扫描FMCW 光源需求:窄线宽 远距离大啁啾 高分辨高线性 高精度宽调谐 大视场硅基集成激光器实现方式5垂直耦合混合集成端面耦合混合集成晶圆键合异质集成外延生长单片集成内容提纲内容提纲 激光雷达对光源需求 外腔

2、激光器原理和实现 调频连续波测距实验 总结S J T U36InP包层InP 增益氮化钛氮化硅石英包层硅衬底 RMMR1=91.8 m RMMR2=89.9 m外腔激光器设计HRAR增益芯片(III/V)SSCPartial reflectorTunable filter无源外腔反馈芯片激光输出原理图芯片结构图S J T U8激光关键性能指标提升手段调谐范围 视场扫描角度范围增益啁啾技术、可调反射镜边模抑制比 距离探测精度 级联微环游标滤波 激光功率 探测距离采用二级放大激光线宽 探测范围和分辨率 低损耗氮化硅波导、高Q微腔锁定调谐速度 探测速率 硅PIN载流子效应、铌酸锂电光效应频率调谐范围

3、 边模抑制比光功率线宽 III-V增益芯片设计9中心波长随QW厚度变化C.Besancon,et al.,SPIE Photonex Conf.,2021.WavelengthGain增益啁啾技术增益带宽大幅增加空间光ECL调谐范围达200 nm提高芯片ECL调谐范围和均匀性S.Bennetts,et al.,Opt.Express,2014.大带宽芯片实现S J T U36热调改变氮化硅有效折射率将MRR1谐振峰对齐到不同的MRR2谐振峰()22020expexp4211expexp2MMRMMRMMeffefMfRMRLLjTjnLnL=微环游标滤波器仿真微环传输方程R2R1激光输入激光输

4、出1212MRRMRRfilterMRRMRRFSRFSRFSRFSRFSR=ONAMRR1MRR2仿真软件：Lumerical/InterconnectS J T U36外腔激光器仿真仿真参数 光谱 输出功率 频率噪音、强度噪音 载流子、光场分布 动态启动过程 自热效应 Gain chipMRR1MRR2DC(Sagnac)OutputMonitorPS仿真软件：Lumerical/InterconnectS J T U36热调相移 RMMR1=91.8 m RMMR2=89.9 mInP包层InP 增益氮化钛夹层氮化硅石英包层硅衬底单环波长调谐范围93 nm边模抑制比优于63dB14801

5、490150015101520153015401550156015701580Wavelength nm-80-60-40-200Optical Power dBm93 nm外腔激光器设计激光输出S J T U36外腔激光器仿真光频率噪音相对强度噪音输出功率功率助推放大Current(A)Power(mW)激光功率提升：二级放大14BOA放大输出功率放大器（BOA)激光功率放大：采用BOA放大器，可以将ECL外腔种子激光功率放大到100mW以上测试结果：在100nm波长范围内，激光功率都能达到100mW以上02004006008001000020406080100120140160Power(

6、mW)Current(mA)100mWRSOAPSTSLMMR1MMR2MMR3Vernier微环ECL锁定到高Q微环中Q=8x105激光线宽压缩：高Q微腔自注入锁定15 高功率增益芯片 低损耗、高功率阈值多模波导设计 低损耗耦合芯片优化设计05010015020025002004006008001000120014001600216mW电流（mA）功率（mW）本征线宽MHz）氮化硅波导和微环：低损耗、高Q谐振仿真软件：Lumerical/FDTDPIN高速移相器1725GBaud/s电压调控载流子浓度变化载流子色散效应复折射率变化纳秒量级高速移相仿真软件：Lumerical/DEVICE激光