[论文解读] Frequency agile photonic integrated external cavity laser

Grigory Lihachev, Andrea Bancora+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种基于单片集成的RSOA与压电执行器的频率可调、低噪声光子集成电路激光器，集成于氮化硅光子集成电路（PIC）上，实现了超快、线性且无模式跳变的波长调谐。激光器实现7 ns上升时间、75 nW功耗、400 Hz线宽，并在线性化后支持1.5 GHz FMCW啁啾，非线性度为0.25%，在LiDAR中实现8.5 cm距离分辨率。

ABSTRACT

Recent advances in the development of ultra-low loss silicon nitride integrated photonic circuits have heralded a new generation of integrated lasers capable of reaching fiber laser coherence. However, these devices presently are based on self-injection locking of distributed feedback (DFB) laser diodes, increasing both the cost and requiring tuning of laser setpoints for their operation. In contrast, turn-key legacy laser systems use reflective semiconductor optical amplifiers (RSOA). While this scheme has been utilized for integrated photonics-based lasers, so far, no cost-effective RSOA-based integrated lasers exist that are low noise and simultaneously feature fast, mode-hop-free and linear frequency tuning as required for frequency modulated continuous wave (FMCW) LiDAR or for laser locking in frequency metrology. Here we overcome this challenge and demonstrate a RSOA-based, frequency agile integrated laser, that can be tuned with high speed, with high linearity at low power. This is achieved using monolithic integration of piezoelectrical actuators on ultra-low loss silicon nitride photonic integrated circuits in a Vernier filter-based laser scheme. The laser operates at 1550 nm, features 6 mW output power, 400 Hz intrinsic laser linewidth, and allows ultrafast wavelength switching within 7 ns rise time and 75 nW power consumption. In addition, we demonstrate the suitability for FMCW LiDAR by showing laser frequency tuning over 1.5 GHz at 100 kHz triangular chirp rate with nonlinearity of 0.25% after linearization, and use the source for measuring a target scene 10 m away with a 8.5 cm distance resolution.

研究动机与目标

• 开发一种成本低廉、低噪声且高度可调频的集成激光器，适用于需要高相干性和快速调谐的应用。
• 克服现有基于DFB二极管的自注入锁定激光器的局限性，后者成本高且需要复杂的设定点调节。
• 实现基于RSOA的集成激光器，具备快速、线性且无模式跳变的调谐特性，适用于FMCW LiDAR和频率计量中的激光锁相。
• 通过在超低损耗Si3N4 PIC上单片集成压电（PZT）执行器，实现高速调谐，采用Vernier滤波器结构。
• 在FMCW LiDAR中展示实际性能，实现亚厘米级距离分辨率且经线性化后非线性度低。

提出的方法

• 采用反射式半导体光放大器（RSOA）与氮化硅光子集成电路（PIC）端面耦合，利用两个微环形谐振器构成Vernier滤波器结构实现频率选择。
• 在Si3N4 PIC上单片集成压电（PZT）执行器和微加热器，以实现对谐振器自由光谱范围（FSR）和模式对准的主动调谐。
• 使用微加热器对微环形谐振器进行粗调对准以启动激光振荡，利用PZT执行器通过机械应变引起的波长漂移实现精细、快速调谐。
• 对两个PZT执行器施加三角波电压信号，以100 kHz速率实现线性频率啁啾，支持FMCW工作。
• 对单个PZT执行器施加方波电压脉冲，实现7 ns上升时间的超快波长切换。
• 实施电子线性化以校正调谐响应的固有非线性，实现1.5 GHz扫描范围内0.25% RMS非线性度。

实验结果

研究问题

• RQ1 低成本、基于RSOA的集成激光器能否实现亚纳秒级调谐速度和高线性度，适用于FMCW LiDAR应用？
• RQ2 在超低损耗Si3N4 PIC上单片集成PZT执行器，能否实现无需复杂反馈或DFB二极管锁相的快速、无模式跳变且线性调谐？
• RQ3 该系统的相位噪声和线宽性能如何？是否可达到或超过光纤激光器的水平？
• RQ4 通过电子线性化，调谐非线性度在多大程度上可被校正以满足FMCW LiDAR的要求？
• RQ5 该平台能否通过适用于代工厂的工艺实现规模化生产，适用于工业和消费级光子传感？

主要发现

• 激光器实现7 ns波长切换上升时间，实现超快调谐，功耗仅75 nW。
• 激光器具有400 Hz本征线宽，表现出高相位稳定性，适用于相干传感和计量。
• 激光器在100 kHz啁啾速率下支持1.5 GHz频率扫描，经电子线性化后非线性度为0.25% RMS。
• 系统在FMCW LiDAR中实现10 m距离测量，距离分辨率达8.5 cm，可分辨10.2 m和10.6 m处的独立目标。
• 在Si3N4 PIC上单片集成PZT执行器和微加热器，实现单芯片内粗模式对准与精细高速调谐。
• 该平台兼容代工厂制造工艺和MEMS工艺，可实现相干光子传感器的大规模生产。