CN112526673A - 一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统及方法。孤子频梳芯片包括衬底、微环谐振腔和直波导；直波导从一端至另一端依次包括多模波导、多模单模过渡锥波导、单模波导以及单模slot波导，多模单模过渡锥的宽端与多模波导连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导的一端连接，单模波导的另一端通过线性strip‑to‑slot模式变换器与单模lot波导耦合连接；微环谐振腔位于多模波导的一侧，与多模波导耦合连接。本发明结合了激光相干测距的思路，利用频梳微腔结构集成于微纳波导上，同时对产生得到的孤子频梳，再进行片上光放大实现信号增益放大，实现了测距发射端光学系统的新型集成设计，有效提高了测量效率。

Description

一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统及方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，更具体地，涉及一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统及方法。
背景技术
现有的车规级激光雷达按照扫描方式分为机械旋转型、MEMS型、Flash型、相控型。目前能够成熟进行市场应用辅助智能驾驶的是机械旋转型和MEMS型激光雷达。机械式激光雷达其本身应用最为简单电控转机进行360°扫描，其发射端光学分立器件复杂，效率低，功耗高等缺点限制了在贴近真实复杂路况的实用性和响应灵敏度；而MEMS型等具有内嵌微纳扫描镜，其他非机械式激光雷达同样在发射端上具有光学器件刻蚀工艺复杂、成本高、功率输出效率低等问题，同时伴有寿命低，和需要辅助器件多等性能不足的问题，并未能很好的服务于自动驾驶汽车市场。
目前激光雷达测距技术仍处于导入期，不同的测速测距技术正在不断的研发，绕不开的是需要在硬件上具备一个性能良好的激光信号发射端，能实现多通道，高效率，扫描距离长、灵敏度高的性能指标。而当前发射端其大多采用复杂的分立光学器件组成，需要透镜、偏振器、检偏器等组成光学系统。光学元件众多，晶体也不易量产，同时光学元件的对准、耦合复杂，封装成本高和性能稳定性较差。
专利CN103941516B，公开日为2014.05.06，公开了一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，输出脉冲稳定性高，抗干扰能力强；但是，测距图像刷新率、测距效率较差。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种高功率孤子频梳芯片及其脉冲发生系统及方法，结构简单，实现了多通道、高效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高功率孤子频梳芯片，包括衬底、微环谐振腔和直波导；所述的微环谐振腔和直波导均设于衬底的顶部；所述的直波导从一端至另一端依次包括多模波导、多模单模过渡锥波导、单模波导以及单模slot波导，所述的多模单模过渡锥的宽端与多模波导连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导的一端连接，单模波导的另一端通过线性strip-to-slot模式变换器与单模lot波导耦合连接；所述的微环谐振腔位于多模波导的一侧，与多模波导耦合连接。本发明结合了激光相干测距的思路，利用频梳微腔结构集成于微纳波导上，同时对产生得到的孤子频梳，再进行片上光放大实现信号增益放大，即将微环谐振腔结构与光放大单模slot波导结构集成在一个芯片上，实现了测距发射端光学系统的新型集成设计。泵浦激光器在孤子频梳存在范围内的快速啁啾，幅度高达几千兆赫，扫描速率高达十兆赫，在孤子脉冲流的基础载波波形中会发生快速频率变化，但孤子脉冲流的脉冲间重复率保持不变，因此单束窄线宽泵浦激光器发出的啁啾可以同时传输到孤子频梳芯片的所有梳齿上，从而实现FMCW测距的并行性。解决了市场上激光雷达大多数使用飞行时间测距技术带来的响应度低、功耗高、封装成本和技术难等问题，提供一种新的科学的研究设想。
在其中一个实施例中，所述的微环谐振腔的芯层材料为氮化硅，同时掺杂硼和磷。采用氮化硅作为微环谐振腔的结构材料，实现超低的传输损耗，达0.5dB/cm；对比其他材料如硅，具有更高的透明度，超低电信波长的双光子吸收效应和较小的传播损失，同时芯片的波导结构的集成和一体式刻蚀，使得耦合效率大大提高。
在其中一个实施例中，所述的单模slot波导结构的增益层的狭缝中通过原子层积技术沉积有Bi-Al2O3\Er-Al2O3前驱体。新型啁啾的信号通过光放大的单模slot波导结构，由于泵浦激光激发增益层实现稀土离子的上转化，使得增益层辐射跃迁发出与信号光相同频率和波长的光，使得信号光功率大幅提高，达15dB，为后期采用线性啁啾调频连续激光测距提供了多通道、远射程(即高功率)的频梳脉冲光源，从而可以准确、高效地捕捉周边环境对象的距离、速度等物理信息。另外，采用原子层沉积技术(ALD)，将Bi-Al2O3\Er-Al2O3前驱体沉积到狭缝中，这项技术实现稀土离子的高浓度高活性沉积，以实现有效的放大性能。
在其中一个实施例中，孤子频梳波导芯片的折射率neff为1.99～2.01。
在其中一个实施例中，所述的多模波导的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为1.7um～4um。
在其中一个实施例中，微环谐振腔的厚度值为0.6um～0.8um，微环谐振腔的微环半径值R为50um～80um，微环谐振腔的微环宽度值为1.5um～1.9um，微环谐振腔的腔体自由光谱
Figure BDA0002772021590000031
其中c＝2.996*10^6m/s，n为微环谐振腔的腔体折射率。
在其中一个实施例中，所述的多模单模过渡锥波导的宽端的宽度值为1.7um～4um；窄端的宽度值为1.0um～1.4um。以多模单模过渡锥波导的“宽端”、“窄端”进行光场模式转换。
在其中一个实施例中，所述的单模slot波导的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为0.4um～0.6um；狭缝slot的宽度值为0.1um～0.5um。
本发明还提供一种脉冲发生系统，包括宽带激光器、泵浦激光二极管、任意信号发生器、光电相位调制器、波分复用器、光环行器、光谱仪；以及以上所述的高功率孤子频梳芯片；所述的宽带激光器的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器的波形输出端口与光电相位调制器的微波信号输入端口连接；光电相位调制器的信号输出端口与波分复用器的输入端口连接，所述的泵浦激光二极管的输出端口与波分复用器的输入端口连接；所述的波分复用器的输出端口与高功率孤子频梳芯片的输入端连接，高功率孤子频梳芯片的输出端与光环行器的输入端连接，光环行器的输出端与光谱仪连接。
在本发明中，信号激光由宽带激光发生器发射，波段在1.1-1.6μm区间通信波段，通过任意信号发生器和电光调制器进行例如：三角波调制，产生特定周期频率的信号激光，并与泵浦激光二极管一同耦合到波分复用器中，实现信号光和泵浦光耦合，紧接着进入高功率孤子频梳芯片，在芯片微环谐振腔的调制下，形成相干测距需要的啁啾频梳脉冲。
而后，产生的脉冲激光经过芯片上的slot放大结构，即单模slot波导，片内/片外耦合是通过多模波导来实现的，以提高耦合效率。一旦耦合，多模到单模的多模单模过渡锥波导将多模光束转换成单模光束。在单模波导的引导下，单模光束被转换成条形到线性strip-to-slot模式变换器，在这里，模式被转换为适合接下来的单模slot波导，与掺铒氧化铝增益层一起，单模slot波导为有效的片上放大提供了手段，实现大约10-15dB的信号净增益，以满足信号激光传输的高功率要求，实现性能大幅提升。最终经过光环行器筛选后，可以在光谱仪上监测到高品质的脉冲激光。
本发明还提供一种脉冲发生方法，使用以上所述的脉冲发生系统，包括以下步骤：
宽带激光发生器发出信号激光，通过任意信号发生器和光电相位调制器进行信号调制，产生特定周期频率的信号激光；
调制后的信号激光与泵浦激光二极管发射的激光一同耦合到波分复用器中，实现信号光和泵浦光的耦合；
耦合后的激光通过多模波导将激光耦合进高功率孤子频梳芯片中；在高功率孤子频梳芯片的微环谐振腔的调制下，形成相干测距需要的啁啾频梳脉冲激光；而后，产生的脉冲激光经过多模单模过渡锥波导，通过多模单模过渡锥波导将多模光束转换成单模光束；在单模波导的引导下，单模光束被转换为条形光束进入到线性strip-to-slot模式变换器中，条形光束通过线性strip-to-slot模式变换器转换为与单模slot波导适配的模式；
转换模式后的信号激光进入单模slot波导中，在掺铒氧化铝增益层作用下，实现有效的片上放大，实现10dB～15dB的信号净增益，以满足信号激光传输的高功率要求；
最后，信号激光经过光环行器筛选后，在光谱仪上能够监测到脉冲激光。
与现有技术相比，有益效果是：
1.光源通过任意信号发生器调制，单束窄线宽泵浦激光通过孤子频梳芯片的微环谐振腔，将啁啾可以同时传输到孤子的所有梳齿上，提高了FMCW测距的图像刷新率，且最多两个数量级，而不会损害眼睛，具有较好的安全性。另外，本发明还可以与基于纳米光子光栅的光子相位阵列相结合，为小型化、大规模并行和超高帧率相干激光雷达系统提供了技术基础。
2.本发明创新性地结合了孤子频梳和slot光放大结构，即微环谐振腔和单模slot波导的结合，实现高功率的孤子频梳脉冲调制和发射；Slot光放大结构即单模slot波导在信号光通过时，在泵浦激光激发下，增益材料发生粒子束反转，并辐射与信号光相同的激光，实现信号光的放大效果。放大效果在泵浦功率达到4mW，可以实现超过15dB的净增益，实现可实用化的有意义的放大。
附图说明
图1是本发明高功率孤子频梳芯片的结构示意图。
图2是本发明高功率孤子频梳芯片的俯视结构示意图
图3是本发明脉冲发生系统结构示意图。
图4是本发明单模slot波导结构示意图。
图5是本发明电模场分布图。
图6是本发明实施例中啁啾脉冲时域-频域原理图。
图7是本发明实施例中调频连续波相干测距原理图。
图8是本发明单模slot波导结构的增益曲线。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种高功率孤子频梳芯片1，包括衬底11、微环谐振腔12和直波导；微环谐振腔12和直波导均设于衬底11的顶部；直波导从一端至另一端依次包括多模波导13、多模单模过渡锥波导14、单模波导15以及单模slot波导17，多模单模过渡锥的宽端与多模波导13连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导15的一端连接，单模波导15的另一端通过线性strip-to-slot模式变换器16与单模lot波导耦合连接；微环谐振腔12位于多模波导13的一侧，与多模波导13耦合连接。本发明结合了激光相干测距的思路，利用频梳微腔结构集成于微纳波导上，同时对产生得到的孤子频梳，再进行片上光放大实现信号增益放大，即将微环谐振腔12结构与光放大单模slot波导17结构集成在一个芯片上，实现了测距发射端光学系统的新型集成设计。泵浦激光器在孤子频梳存在范围内的快速啁啾，幅度高达几千兆赫，扫描速率高达十兆赫，在孤子脉冲流的基础载波波形中会发生快速频率变化，但孤子脉冲流的脉冲间重复率保持不变，因此单束窄线宽泵浦激光器发出的啁啾可以同时传输到孤子频梳芯片1的所有梳齿上，从而实现FMCW测距的并行性。解决了市场上激光雷达大多数使用飞行时间测距技术带来的响应度低、功耗高、封装成本和技术难等问题，提供一种新的科学的研究设想。
孤子频梳脉冲产生及工作原理：泵浦激光频率ωp的敏捷啁啾保留了孤子状态，并导致所有梳齿ω±μ同时啁啾，其中μ表示包括孤子的众数。图6和图7说明了基于孤子微梳的大规模并行相干激光雷达的原理。基本思想是通过使用调制的激光产生耗散的Kerr孤子(DKS)，将已准备好的调频激光光源的啁啾转移到多个梳状边带。在时域中，见图6所示，调制了潜在的孤子载频，同时最大程度地减小了脉冲包络和重复率的变化。在频域内，这相当于将每个梳齿的光频率在其平均值周围同时调制(即对频率梳的载波包络频率调制)。当与窄线宽泵浦激光器的三角频率调制结合使用时，这种效果会生成独立的FMCW激光器的大规模并行阵列。
紧接着一个线性啁啾的信号被发射到一个对象，返回信号的时频信息是由延迟零差检测确定的。假设为三角形激光扫描，在偏移带宽B上，周期T；距离信息(即飞行时间Δt)映射到节拍音符频率F，即：
F＝Δt×2B/T，(对于静态物体)
由于物体的相对速度v，返回的激光被探测到多普勒频移：
Δf＝k·v/π
其中k是波矢，v是被照物体的速度。结果，移动物体的零差返回信号由用于向上和向下激光扫描的两个频率组成，分别为fu、fd即：
fu＝F+ΔfD，fd＝|-F+ΔfD|
ΔfD为频率偏移量，则被测对象的距离s，速度v表示为：
Figure BDA0002772021590000061
Figure BDA0002772021590000062
其中fc为激光频率，cosθ为信号激光扫描角度；
利用低带宽探测器和数字化器对原始梳齿的反射信号逐通道进行零化处理，可以同时恢复和重构相干测距信号，从而得到每个梳线的偏移量，并给出每个像素的速度和距离(s偏移量，v偏移量)。
在其中一个实施例中，微环谐振腔12的芯层材料为氮化硅，同时掺杂硼和磷。采用氮化硅作为微环谐振腔12的结构材料，实现超低的传输损耗，达0.5dB/cm；对比其他材料如硅，具有更高的透明度，超低电信波长的双光子吸收效应和较小的传播损失，同时芯片的波导结构的集成和一体式刻蚀，使得耦合效率大大提高。
在其中一个实施例中，单模slot波导17结构的增益层的狭缝中通过原子层积技术沉积有Bi-Al2O3\Er-Al2 O3前驱体。新型啁啾的信号通过光放大的单模slot波导17结构，由于泵浦激光激发增益层实现稀土离子的上转化，使得增益层辐射跃迁发出与信号光相同频率和波长的光，使得信号光功率大幅提高，达15dB，如图8所示，为后期采用线性啁啾调频连续激光测距提供了多通道、远射程(即高功率)的频梳脉冲光源，从而可以准确、高效地捕捉周边环境对象的距离、速度等物理信息。另外，采用原子层沉积技术(ALD)，将Bi-Al2O3\Er-Al2O3前驱体沉积到狭缝中，这项技术实现稀土离子的高浓度高活性沉积，以实现有效的放大性能。
波导结构对于信号光增益的影响主要包括两方面：其一，波导的传输损耗。由于工艺的限制，光波导的侧壁和端面粗糙，很难做到足够平滑，对光场能量也会有一定的吸收作用，存在吸收损耗，因此制备波导结构需要尽可能地减少本身的吸收和传输损耗。通过技术改进，光刻波导技术已经达到了较低传输损耗，为0.5dB/cm，采用晶圆片沉积SiO2，再生长Si3N4，通过涂层、掩膜、电子束光刻、去胶、ALD沉积实现slot波导放大结构的制备。其二：光波导的几何尺寸和结构对于光场在波导中分布具有限制作用。掺稀土的光波导放大器(EDWA)结构上主要分为两部分，无源区和有源区，在这里无源区采用Si3N4这样折射率相对较高的材料，有源区则用掺杂铒、铋等具有光学活性的稀土离子材料形成增益层。从能量的角度考虑，泵浦光注入波导，将离子由基态激发至高能级，后经受激辐射产生频率、相位、传播方向和偏振态完全相同的光子叠加入信号光，产生光放大，总体上是将泵浦光的能量转移到信号光中。因此，通过对波导结构的设计和优化，可以提高泵浦光和信号光能量在有源区分布的比例，更多的泵浦光能量发生转移，从而提高放大器的增益。
衡量光场在波导中能量分布的参量称为能量限定因子Γ，它被定义为有源区Ω光电场能量与波导截面空间S能量之比，通过积分进行求解，Γ值越大越有利于光放大，因而波导结构设计和优化的目的是获得尽量大的Γ。
Figure BDA0002772021590000071
电磁场的传输受制于麦克斯韦方程组，通过求解方程组自然能获得场在狭缝和波导内的分布。当两个宽度很小的硅波导靠近至亚微米或更小的距离时，波导和狭缝界面处电场发生较强的耦合谐振，使得整个有源纳米狭缝区电场急剧增强。具体来说，在界面处，如图4所示，nS、nH、nC分别为波导材料\狭缝材料\包层三部分折射率，电位移矢量
Figure BDA0002772021590000081
具有连续性，即：
Figure BDA0002772021590000082
Figure BDA0002772021590000083
其中，ε0为真空介电常数，
Figure BDA0002772021590000084
为波导及狭缝矢量电场；此电场由波导进入狭缝时会出现
Figure BDA0002772021590000085
的突变，狭缝区域电场增强。相应地，狭缝宽WH、高H成为影响能量限定因子Γ的重要结构参数。
除了波导结构设计的优化之外，如何提高掺稀土离子的掺杂浓度，提升激发态寿命，实现特定波段更高的粒子数反转，并最终获得更高的净增益。采用铒铋共掺，通过ALD原子层沉积技术，在原子尺寸上对生长工艺进行调控，使得稀土离子在材料当中的溶解浓度达到1021/cm3，并保持良好的光学活性，最终实现15dB的净增益，该设计方案兼容传统CMOS工艺，也为后期实现产品化制造提供了保障。
在其中一个实施例中，孤子频梳波导芯片的折射率neff为1.99～2.01。
在其中一个实施例中，多模波导13的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为1.7um～4um。微环谐振腔12的厚度值为0.6um～0.8um，微环谐振腔12的微环半径值R为50um～80um，微环谐振腔12的微环宽度值为1.5um～1.9um，微环谐振腔12的腔体自由光谱
Figure BDA0002772021590000086
其中c＝2.996*10^6m/s，n为微环谐振腔12的腔体折射率。多模单模过渡锥波导14的宽端的宽度值为1.7um～4um；窄端的宽度值为1.0um～1.4um。以多模单模过渡锥波导14的“宽端”、“窄端”进行光场模式转换。单模slot波导17的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为0.4um～0.6um；狭缝slot的宽度值为0.1um～0.5um。
在另一个实施例中，本发明还提供一种脉冲发生系统，包括宽带激光器2、任意信号发生器3、光电相位调制器4、泵浦激光二极管5、波分复用器6、光环行器7、光谱仪8；以及以上孤子频梳芯片1；宽带激光器2的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，任意信号发生器3的波形输出端口与光电相位调制器4的微波信号输入端口连接；光电相位调制器4的信号输出端口与波分复用器6的输入端口连接，泵浦激光二极管5的输出端口与波分复用器6的输入端口连接；波分复用器6的输出端口与孤子频梳芯片1的输入端连接，孤子频梳芯片1的输出端与光环行器7的输入端连接，光环行器7的输出端与光谱仪8连接。
在本发明中，信号激光由宽带激光器2发射，波段在1100-1600μm区间通信波段，通过任意信号发生器3和电光调制器进行例如：三角波调制，产生特定周期频率的信号激光，并与泵浦激光二极管5一同耦合到波分复用器6中，实现信号光和泵浦光耦合，紧接着进入孤子频梳芯片1，在芯片微环谐振腔12的调制下，形成相干测距需要的啁啾频梳脉冲。
而后，产生的脉冲激光经过芯片上的slot放大结构，即单模slot波导17，片内/片外耦合是通过多模波导13来实现的，以提高耦合效率。一旦耦合，多模到单模的多模单模过渡锥波导14将多模光束转换成单模光束。在单模波导15的引导下，单模光束被转换成条形到线性strip-to-slot模式变换器16，在这里，模式被转换为适合接下来的单模slot波导17，与掺铒氧化铝增益层一起，单模slot波导17为有效的片上放大提供了手段，实现大约10-15dB的信号净增益，以满足信号激光传输的高功率要求，实现性能大幅提升。最终经过光环行器7筛选后，可以在光谱仪8上监测到高品质的脉冲激光。
在另一个实施例中，本发明还提供一种脉冲发生方法，使用以上脉冲发生系统，包括以下步骤：
宽带激光发生器发出信号激光，通过任意信号发生器3和光电相位调制器4进行信号调制，产生特定周期频率的信号激光；
调制后的信号激光与泵浦激光二极管5发射的激光一同耦合到波分复用器6中，实现信号光和泵浦光的耦合；
耦合后的激光通过多模波导13将激光耦合进孤子频梳芯片1中；在孤子频梳芯片1的微环谐振腔12的调制下，形成相干测距需要的啁啾频梳脉冲激光；而后，产生的脉冲激光经过多模单模过渡锥波导14，通过多模单模过渡锥波导14将多模光束转换成单模光束；在单模波导15的引导下，单模光束被转换为条形光束进入到线性strip-to-slot模式变换器16中，条形光束通过线性strip-to-slot模式变换器16转换为与单模slot波导17适配的模式；
转换模式后的信号激光进入单模slot波导17中，在掺铒氧化铝增益层作用下，实现有效的片上放大，实现10dB～15dB的信号净增益，以满足信号激光传输的高功率要求；
最后，信号激光经过光环行器7筛选后，在光谱仪8上能够监测到脉冲激光。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率孤子频梳芯片，包括衬底(11)、微环谐振腔(12)和直波导；所述的微环谐振腔(12)和直波导均设于衬底(11)的顶部；其特征在于，所述的直波导从一端至另一端依次包括多模波导(13)、多模单模过渡锥波导(14)、单模波导(15)以及单模slot波导(17)，所述的多模单模过渡锥的宽端与多模波导(13)连接，多模单模过渡锥的窄端与单模波导(15)的一端连接，单模波导(15)的另一端通过线性strip-to-slot模式变换器(16)与单模slot波导(17)耦合连接；所述的微环谐振腔(12)位于多模波导(13)的一侧，与多模波导(13)耦合连接。
2.根据权利要求1所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，所述的微环谐振腔(12)的芯层材料为氮化硅，同时掺杂硼和磷。
3.根据权利要求2所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，所述的单模slot波导(17)结构的增益层的狭缝中通过原子层积技术沉积有Bi-Al2O3\Er-Al2O3前驱体。
4.根据权利要求3所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，孤子频梳波导芯片的折射率neff为1.99～2.01。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，所述的多模波导(13)的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为1.7um～4um。
6.根据权利要求5所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，微环谐振腔(12)的厚度值为0.6um～0.8um，微环谐振腔(12)的微环半径值R为50um～80um，微环谐振腔(12)的微环宽度值为1.5um～1.9um，微环谐振腔(12)的腔体自由光谱
Figure FDA0002772021580000011
其中c＝2.996*10^6m/s，n为微环谐振腔(12)的腔体折射率。
7.根据权利要求5所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，所述的多模单模过渡锥波导(14)的宽端的宽度值为1.7um～4um；窄端的宽度值为1.0um～1.4um。
8.根据权利要求7所述的高功率孤子频梳芯片，其特征在于，所述的单模slot波导(17)的厚度值为0.6um～0.8um，宽度值为0.4um～0.6um；狭缝slot的宽度值为0.1um～0.5um。
9.一种脉冲发生系统，其特征在于，包括宽带激光器(2)、任意信号发生器(3)、光电相位调制器(4)、泵浦激光二极管(5)、波分复用器(6)、光环行器(7)、光谱仪(8)；以及权利要求1至8任一项所述的孤子频梳芯片(1)；所述的宽带激光器(2)的输出端与电光相位调制器的光源输入端口连接，所述的任意信号发生器(3)的波形输出端口与光电相位调制器(4)的微波信号输入端口连接；光电相位调制器(4)的信号输出端口与波分复用器(6)的输入端口连接，所述的泵浦激光二极管(5)的输出端口与波分复用器(6)的输入端口连接；所述的波分复用器(6)的输出端口与孤子频梳芯片(1)的输入端连接，孤子频梳芯片(1)的输出端与光环行器(7)的输入端连接，光环行器(7)的输出端与光谱仪(8)连接。
10.一种脉冲发生方法，其特征在于，使用权利要求9所述的脉冲发生系统，包括以下步骤：
宽带激光发生器发出信号激光，通过任意信号发生器(3)和光电相位调制器(4)进行信号调制，产生特定周期频率的信号激光；
调制后的信号激光与泵浦激光二极管(5)发射的激光一同耦合到波分复用器(6)中，实现信号光和泵浦光的耦合；
耦合后的激光通过多模波导(13)将激光耦合进孤子频梳芯片(1)中；在孤子频梳芯片(1)的微环谐振腔(12)的调制下，形成相干测距需要的啁啾频梳脉冲激光；而后，产生的脉冲激光经过多模单模过渡锥波导(14)，通过多模单模过渡锥波导(14)将多模光束转换成单模光束；在单模波导(15)的引导下，单模光束被转换为条形光束进入到线性strip-to-slot模式变换器(16)中，条形光束通过线性strip-to-slot模式变换器(16)转换为与单模slot波导(17)适配的模式；
转换模式后的信号激光进入单模slot波导(17)中，在掺铒氧化铝增益层作用下，实现有效的片上放大，实现10dB～15dB的信号净增益，以满足信号激光传输的高功率要求；
最后，信号激光经过光环行器(7)筛选后，在光谱仪(8)上能够监测到脉冲激光。
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