用于混合集成的高功率InP单片集成宽带可调激光器和SOA阵列（一）

摘要

我们展示了一种基于InP的单片光子集成电路（PIC），该电路包括一个宽带可调谐激光主振荡器，其输出通过片上单模波导与一组集成的半导体光放大器（SOA）阵列干涉组合。我们实现了稳定且高效的片上相干光束组合，并从单片PIC中获得高达240 mW的平均功率，Schawlow-Townes线宽在30-50 kHz之间，在扩展C波段内获得超过180 mW的平均功率。我们还探讨了将基于InP的激光器和放大器阵列PIC与高品质因数氮化硅微环谐振器进行混合集成。在通过氮化硅微环谐振器芯片反馈形成的外腔中，我们观察到基于干涉组合放大器阵列的激光振荡；这种配置使Schawlow-Townes线宽缩小至约3 kHz，并在SiN输出端获得37.9 mW的平均功率。这项工作展示了一种新方法，用于实现高功率、窄线宽光源的片上单模波导平台集成，具有在非线性集成光子学中应用的潜力。

1. 引言

生成具有高功率和良好空间及光谱模式质量的激光辐射一直以来都是人们关注的重点。光束合成方法的研究持续进行，这些方法有可能突破单个激光发射器的能力极限。在相干光束合成中，来自一组在相同波长振荡的相干光源的光线会进行相干叠加，形成单束光线，通常是在远场区域。要获得良好的结果，这需要对相对光路长度进行深亚波长级别的控制，这对于光学辐射来说技术要求很高。众所周知的还有波长合成方法，其中不同阵列元件提供不同波长的光，通过频率选择元件如光栅，可以将多个波长的功率组合成单一空间模式。由于功率是非相干合成的，这种方法的优点是不需要对光相位进行精确控制；但它不适用于窄线宽单频应用。光束合成研究和开发传统上针对的是自由空间应用，例如定向能量、自由空间光通信（包括深空通信）和主动光传感，如相干激光雷达（激光探测和测距）。值得注意的一个例外是波分复用光通信，其中不同波长的光分别调制独立的数据流并组合成单一空间模式用于光纤传输。

集成光子学的发展引发了对能够集成到片上单模波导平台上的高功率、窄线宽光源的新需求。除了高光谱效率的相干光纤通信和射频光子学应用外，非线性集成光子学应用尤其具有相关性。这些应用包括波长转换、参量放大、微谐振器频率梳和光子对生成，以及芯片级原子陷阱。虽然这些集成光子学应用通常在比上述自由空间应用低得多的功率下运行，但所需功率往往超过现有片上光源所能提供的水平。

微谐振器频率梳生成，即高品质因数微谐振器的连续波泵浦引起间隔为几十到几百吉赫兹的光频率梳的形成，提供了一个主要例子。这些频率梳由于光学克尔效应引起的非线性波混合而产生，通常被称为克尔梳。锁模激光器频率梳在光频率计量学、光谱学等应用中具有革命性影响，但通常过于笨重，难以在实验室外的大规模应用。自从十多年前首次观察到克尔梳以来，由于其作为紧凑且广泛可部署的频率梳解决方案的潜力，克尔梳一直是激烈研究的焦点。然而，克尔梳通常使用外腔激光器或其他片外光源泵浦，通常结合光纤放大器，以实现所需的功率，并提供必要的可调性和窄线宽以高效耦合到共振模式中。最近，低噪声克尔梳生成通过直接将半导体增益元件耦合到氮化硅（SiN）微环谐振器上得以实现；这类工作代表了真正紧凑便携的频率梳系统的重要进展。然而，为实现高功率梳状态，例如那些源自正常色散微谐振器的状态，显著更高的泵浦功率仍然是理想的，这些状态对于射频光子学和高阶相干通信等应用可能有优势。高功率、窄线宽泵浦源对于级联电光或共振电光梳生成器同样具有优势。

集成光子学的激光源包括III-V材料平台中的单片集成激光器、用于硅光子学的III-V异质或混合集成激光器以及掺稀土元素的硅光子波导激光器（后者需要片外光源进行光泵浦，此处不再详细讨论）。例如，在单片集成方面，已经在磷化铟中制造了可调谐激光器、调制器、功率监控器、光电探测器和其他元件的阵列，以实现相干波分复用光纤通信的发送器和接收器光子集成电路（PIC）。另外，硅光子学致力于将先进的硅制造基础设施的优势带到光子学应用中，但由于硅是间接带隙材料，必须依赖III-V材料来实现片上光源。这可以通过异质集成方法实现，即在硅上键合III-V芯片阵列然后在晶圆级进行加工，或者通过混合集成方法实现，即首先加工不同的晶圆，然后在共同基板上对准并连接或键合。这两种方法的激光器都可以在整个光波C波段进行调谐，功率水平最多为几十毫瓦，具有高边模抑制比和相对窄的线宽（单片可调激光器的线宽约为100 kHz，III-V硅激光器通过腔内环形谐振器滤波器的线宽低至1 kHz）。已有研究报道了一种InP反射型半导体光放大器（R-SOA）与氮化硅微环谐振器芯片进行对接，激光器线宽达到13 kHz，输出功率为1.7 mW。另一项研究报道了一种多芯片混合集成，使用硅微环谐振器滤波器芯片和III-V增益芯片进行对接形成激光腔，然后与III-V增益放大芯片耦合，实现在C波段的光纤耦合功率达到100 mW，线宽低于15 kHz。

在开发能够同时实现高功率和窄线宽性能的单片InP设备方面，已经投入了大量的努力。单片主振荡器功率放大器（M-MOPA）架构，包括一个主激光器供给一个具有扩展空间模式或放大器阵列的放大器，已经实现了自由空间的衍射极限连续波输出功率超过1 W。最近的研究重新考虑了用于集成光子学中相干光束组合的放大器阵列。例如，一种单片InP设备包括一个DFB激光器，其分裂后供给一个四元放大器阵列，该阵列在自由空间中输出超过100 mW的功率。远场图案的中心瓣包含了14%的输出，这可能表明实现高效相干光束组合的挑战。一项代表更高集成水平的研究描述了一种使用混合III-V硅技术的完全集成的自由空间光束扫描芯片。该芯片包括一个可调激光器和预放大器，它们分裂后通过一组通道放大器供给一个32元表面光栅阵列。通道放大器的功率没有具体说明，但预计足够低以避免增益饱和。通过远场传播实现相干光束组合，通过通道的相位控制在一个方向上实现光束扫描，通过波长调谐和光栅衍射在正交方向上实现光束扫描。与这些向自由空间辐射的设备相比，另一项研究使用混合InP-SiN平台实现了单模波导模式的相干光束组合。两个InP反射型SOA通过耦合到一个公共SiN波导实现相干相位匹配，作为激光反馈路径的一部分。报告的输出功率为4 mW，组合效率为92%，线宽为350 kHz。另一项研究使用了一个离散的偏振光束分离器实现偏振多样性放大方案，其中正交偏振的光束首先通过一个单独的放大器芯片反向传播，然后重新组合成一个单一的空间模式。

在本文中，我们展示了一种新型的单片主振荡器功率放大器（M-MOPA），其使用了类似于InP基光子集成电路（PIC）代工工艺中可获得的组件。我们的PIC包括一个宽带可调激光器主振荡器，供给一个四个半导体光放大器（SOA）阵列，这些放大器在片上的单模波导中进行干涉组合。我们的PIC架构属于单片主振荡器功率放大器（M-MOPA）类别，但其设计经过优化，适用于在高耦合因数单模波导中进行相干光束组合。通过使用一组集成的相位调节器，我们能够在增益谱1542 nm峰值处获得240 mW的平均功率，具有60 dB的边模抑制比。当我们的M-MOPA在扩展C波段（1513 nm - 1564 nm）内进行调谐时，能够保持超过180 mW的平均功率和超过42 dB的边模抑制比。相干光束组合显示出出色的被动稳定性，组合效率至少为79%。我们还进行了频率噪声功率谱密度的测量，以精确确定洛伦兹线宽（或Schawlow-Townes线宽）；我们在整个调谐范围内获得的Schawlow-Townes线宽在30至50 kHz之间。最后，我们探索了在混合集成高品质因数氮化硅（SiN）微环谐振器后PIC的功能。在低驱动条件下，我们能够在存在来自III-V到SiN界面反射的弱反射的情况下，演示准连续调谐和控制。在完全驱动条件下，干涉组合的SOA阵列自身激射，并通过来自氮化硅微环谐振器芯片反馈形成的外腔进行激射。在这种配置下，我们在SiN输出端获得37.9 mW的平均功率，并测量到FM噪声底，显示出约3 kHz的Schawlow-Townes线宽，接近我们的仪器灵敏度极限。

2. 器件结构

基于InP的光子集成电路（PIC）是使用系统芯片PIC集成平台制造的，该平台单片集成了高增益有源部分和低损耗无源波导。有源元件由多量子阱（MQW）有源区组成，而无源区（波导和多模干涉仪）由体双异质结构组成。使用常规的生长-蚀刻-再生长技术单片集成了宽带可调、窄线宽主振荡器和一组SOA。在外延（再）生长和前端晶圆制造（图案化和蚀刻）完成后，PIC晶圆进行后端晶圆制造工艺，以定义有源/无源波导并形成器件间和通道-通道电气隔离、接触和有源器件区域。一旦晶圆制造步骤完成，晶圆会进入芯片制造序列，将其切割成单独的芯片（通过切割），并在每个芯片上涂覆防反射涂层。随后将芯片焊接到AlN载体上，形成芯片载体（CoC）。将CoC安装在定制的温控真空卡盘上，温度稳定性为+/-0.01 ℃。定制的光电探测探针台用于对齐输出光纤、多个独立的直流探针和定制的高密度探针卡。此外，使用定制的高密度驱动器提供所需的PIC控制信号。

宽带可调主振荡器是DBR型商用激光器的实验变体，之前已经描述并作为代工产品进行了优化。该设备特有的差动调谐光栅镜使其能够在扩展C波段上实现Vernier调谐，准连续调谐范围为5 nm，并与一组SOA集成。

在这项工作中，我们展示了在单个PIC上四个SOA的相干组合，尽管没有技术限制，但这种方法可以扩展到更多数量的SOA。InP PIC通常采用高耦合因数集成平台，以实现激光器和调制器及光电探测器的最大模式增益和高效率。因此，SOA阵列的相干组合被实现，以使输出功率超过单个SOA的饱和功率。我们探索了三种连续的PIC设计，以优化SOA干涉组合的功率。

第一个PIC设计包括两个SOA（双SOA），每个SOA的相对相位通过控制各自SOA的驱动电流来控制。我们制造并比较了两种双SOA变体：一种是具有恒定横向模式尺寸的单电极SOA，另一种是具有渐扩光学模式的SOA，以在增大然后减小横向模式轮廓的过程中提高SOA的饱和功率。后一种变体在图1（a）中显示，在此称为具有渐扩电极设计的双SOA。

第二种设计包括四个SOA（四SOA），如图1（b）所示。该架构混合了两种SOA对：一种是恒定横向模式的变体，另一种是单电极渐扩横向模式设计。相对相位再次通过改变每个SOA的偏置电流来控制，正如之前在主振荡器功率放大器文献中所展示的那样。

第三种设计集成了带有四个分段渐扩SOA的热光相位调节器，如图1（c）所示，称为双电极渐扩模式设计。SOA电极被分段和渐扩以控制沿SOA的注入电流密度，并使用四个热光相位调节器独立控制相位，以实现相干组合（ϕ1，ϕ2，ϕ3，ϕ4）。

所有设计都采用了带有防反射涂层的倾斜输出波导，以抑制来自InP-空气界面的反射。尽管进行了高效的反射抑制，经过SOA阵列的微弱反射仍然会被放大并反馈回激光器。已经证明，低至-90 dB的反馈幅度会根据反馈相位影响激光相干性和线宽。为了控制来自InP-air界面的相位，在第三次迭代中，在主激光器和SOA阵列之间引入了一个热光相位调节器（ϕ5），实现了线宽控制。由于ϕ5元件位于主振荡器激光腔外，我们将其称为外腔相位调节器。

3. 光功率测试

我们现在报告第三次迭代的主振荡器-干涉功率放大器PIC的光学功率性能。第一和第二次迭代的详细结果分别在支撑信息1的第1节和第2节中报告，以及我们的实验方法的各个方面。

第三代PIC由四个SOA组成，采用渐扩模式配置。每个SOA增益区分为两个等长部分，并设有独立的电极，以提高沿SOA器件长度的载流子密度的空间控制，这同时增加了饱和功率并降低了噪声系数。此外，该设计在嵌套的马赫-曾德干涉仪内集成了热光相位调节器，以补偿臂之间的相位差异。这防止了由于没有相位调节器的SOA驱动变化而导致的功率损失，如支撑信息1第2节所讨论的。图2显示了单个SOA的输出功率（其他未使用的SOA保持开放状态），通过积分球测量了前后SOA段的不同电流。激光器的调谐元件保持开放状态，使激光器保持在1537 nm，而不是设计的1542 nm增益中心。我们显示了对两个SOA段进行相等驱动可以得到最大输出功率，估计单个SOA功率约为76 mW；这个值是通过将测量功率乘以四来获得的，以补偿单个SOA在通过嵌套干涉仪的两个3 dB耦合器时遇到的6 dB损失。这代表了SOA输出功率的38％增加，相对于支撑信息1第1节中报道的2个SOA PIC设计中单电极SOA测得的55 mW最大功率。我们将这种增加归因于通过分段增益区来控制电流密度。

为了研究第三代PIC的相干组合性能，将激光器调谐到增益谱的中心（1542 nm），并对不同数量的SOA（N）进行激发。使用的SOA对每个电极施加相等的电流；未使用的SOA保持开路状态。通过迭代调整热光相位调节器以获得最大输出功率，使用支撑信息1第2节中描述的算法。在达到最大功率后，扫动其中一个热光相位调节器的相位，以观察一个SOA相对于保持相干组合的N-1个SOA的干涉。

我们可以理解激发的SOA数量（N）与功率的关系。首先，假设每个SOA产生相同的输出功率Po，理想的功率组合产生的输出功率与N线性增长，即Pout=NPo。然而，我们的每个SOA都嵌入在一个M臂干涉仪中（N≤M），即每个M臂干涉仪中有一个SOA。则只有一个SOA激发时，我们得到的输出功率为Po/M，其中1/M是一个SOA在通过干涉仪输出耦合区域时遭受的损失。如果我们有M个SOA中的N个处于工作状态并且完全同相，则我们将N个场相加并平方，因此输出功率为：

我们看到，输出功率随着激发的SOA数量在M臂干涉仪内成平方关系。当所有SOA都激发时，我们有N=M并得到预期的输出功率Pout=NPo。如果类似地，当我们有N个SOA激发时，其中一个与其他SOA完全相反（2≤N≤M），则结果输出功率为：

对于我们的实验，M=4，干涉对比度（最大到最小功率比）预计为1:0、9:1和4:1，分别对应N=2、3和4。

图3显示了SOA相位变化时测得的输出功率。在两个SOA的情况下，我们测得了20 dB的消光比，最大功率为72.48 mW，显示出单个SOA贡献的近乎平衡（图3(a)）。对于三个SOA，最大相干组合功率达到151 mW，三个SOA都通电时的消光比为9.5 dB。对于四个SOA，最大功率为240 mW，四个干涉迹线的平均消光比为6.8 dB，接近预期的6 dB值。这些结果表明，通过集成独立直流相位控制，实现了高质量的相干组合过程。注意，相位变化范围内最大功率和消光的变化归因于测量过程中带透镜光纤相对于芯片的机械漂移。

表1比较了获得的最大功率与激发SOA数量（N）与方程（1）中预测的理想相干组合值的对比。单个SOA功率（Po）是通过对一个SOA施加对称电流偏置（每个电极200 mA），其他SOA保持开路状态进行测量的。这个测量对每个SOA都进行了。四个SOA的平均值和标准偏差为18.98 mW±0.89 mW，报告在表1中。使用方程（1）将这个数值外推到2、3和4个SOA，以得到预期功率。大致上，我们确实看到了预期的N2功率扩展。然而，我们注意到，对于N=4的实际功率大约低于估计的理想值21%，我们认为这是由于SOA阵列的局部加热导致的SOA功率下降所致。

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天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品（1060nm, 1310nm, 1550nm），公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行小型SOA器件、DFB+SOA的混合集成器件、可见光波长SOA器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。