CN112531457B - 片上扫频光源和使用其的相控阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上扫频光源和使用其的相控阵。该片上扫频光源包括基底和集成在基底上的按照光输出方向依次连接的外腔激光器和单边带调制器，所述单边带调制器包括铌酸锂波导，所述外腔激光器和所述单边带调制器片上集成。这种片上扫频光源是实现片上集成的激光器，具备窄线宽、波长调谐范围大以及能高速线性扫频的性能，满足相关应用需要，特别是相控阵激光雷达。

Description

片上扫频光源和使用其的相控阵
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种片上扫频光源和使用其的相控阵。
背景技术
调频连续波测距(FMCW)技术有很多优势，灵敏度高、抗干扰、能测速，适用于硅光相控阵激光雷达。但该技术产业化最大的问题是缺乏合适的光源，目前应用于FMCW系统的光源主要有分布式反馈(DFB,Distributed Feed-Back)/分布布拉格反射(DBR,Distributed Bragg Reflector)激光器、机械式外腔激光器、单频激光+单边带调制器、以及其他一些非主流和/或未经证实的光源，都不能完全满足要求。DFB/DBR激光器可以实现片上集成，但是线宽偏大，百米级别测距，且波长调谐范围小，不适用于硅基相控阵。机械式外腔激光器体积、重量大，抗震能力差，扫频速度偏慢，价格昂贵。单频激光+单边带调制器没有实现集成化，同样存在体积、重量、价格问题。该领域亟需片上集成扫频光源，减少体积、重量、功耗，降低成本。尤其是片上相控阵更需要集成式的光源，以真正实现激光雷达的单片集成化。
最近几年，硅基窄线宽可调谐外腔激光器取得进展，已经实现调谐范围大于60nm且线宽小于50k的激光器，是一个降低成本、减小体积功耗的有前景的方向。但这种激光器实现连续线性扫频十分困难，原因在于激光器是通过硅基波导延长腔长来实现线宽压缩，但带来的问题是纵模间隔变得很小，容易发生跳模。在具体技术上，内部调谐扫频需要协调控制激光器内部多个器件相位(两个微环，一个调相器)，难度很大。总而言之，即使技术上克服了困难，也难以实现好的扫频性能(扫频速度，带宽)。可以认为，利用硅基外腔激光器内部调谐实现线性扫频不是一个可行的方向，而事实上，多年以来也无人做到通过内部调谐实现硅基外腔激光器的线性扫频。
综上所述，业界尚无片上集成的、窄线宽的、可大范围波长调谐的高速线性扫频光源。而硅基外腔激光器虽然是一个有前景的解决方案，但难以通过内部调谐实现线性扫频。
发明内容
本发明创新地提供了一种片上扫频光源和使用其的相控阵，片上扫频光源是实现片上集成的激光器，具备窄线宽、波长调谐范围大以及能高速线性扫频的性能，满足相关应用需要，特别是相控阵激光雷达(lidar)。
为实现上述的技术目的，一方面，本发明公开了一种片上扫频光源。所述片上扫频光源包括基底和集成在所述基底上的按照光输出方向依次连接的外腔激光器和单边带调制器，所述单边带调制器包括铌酸锂波导，所述外腔激光器和所述单边带调制器片上集成。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述外腔激光器按照光输出方向依次包括环形反射器、激光增益介质、调相器、耦合装置、以及波长选择反射器，其中，所述调相器一端连接所述激光增益介质，所述调相器另一端连接所述耦合装置；所述耦合装置耦合的第一波导第一端连接所述调相器，所述第一波导的第二端连接所述波长选择反射器；所述耦合装置耦合的第二波导第一端连接所述单边带调制器的第一端，所述第二波导的第二端连接所述波长选择反射器。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述耦合装置包括2×2耦合器。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述耦合装置包括等臂长MZ干涉器。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述激光增益介质由Ⅲ,Ⅴ族材料与所述基底异质集成。
进一步地，所述片上扫频光源还包括与所述单边带调制器的第二端连接的半导体光放大器。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述半导体光放大器由Ⅲ,Ⅴ族材料与所述基底异质集成。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述单边带调制器通过基底作为中间转接部分将光场转移到半导体光放大器中进行放大。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述波长选择反射器包括维纳双环滤波器。
进一步地，对于所述片上扫频光源，所述基底包括硅波导、氮化硅波导和铌酸锂薄膜波导中至少一种波导。
为实现上述的技术目的，另一方面，本发明公开了一种相控阵。所述相控阵包括上述上扫频光源。
本发明的有益效果为：
本发明实施例提供的片上扫频光源是一种片上集成的窄线宽、可大范围波长调谐、可高速线性扫频的激光器，腔外调制扫频，速度快，且不影响光源相关性。部件全部片上集成，抗振性强。硅基外腔激光器窄线宽，宽带波长调谐，信噪比高的特性不变。
本发明实施例提供的片上扫频光源具有高度的集成性。所有器件均实现片上集成，抗机械振动。性能优异。硅基外腔激光器线宽窄，波长调谐范围大，而铌酸锂边带调制器速度快，线性度好且腔外调谐不影响激光线宽。两者的优异性能通过异质集成整合到一起。能够满足远距离高速测距的需求。本发明实施例提供的片上扫频光源波长调谐与高速扫频可以独立分开进行，非常适合作为调频连续波测距(FMCW)制式的硅基相控阵的片上光源。
附图说明
图中，
图1为本发明一个实施例提供的片上扫频光源的结构框图；
图2为本发明一个示例提供的片上扫频光源的结构示意图；
图3A和图3B分别为本发明一个示例提供的图2中单边带调制器将光场转移到SOA中进行放大的连接方式的侧视图和俯视图；
图4为本发明一个示例提供的本发明实施例的片上扫频光源应用于相控阵的点阵扫描方式的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的片上扫频光源和使用其的相控阵进行详细的解释和说明。
图1为本发明一个实施例提供的片上扫频光源的结构框图。如图1所示，该实施例提供的片上扫频光源包括基底和集成在基底上的按照光输出方向依次连接的外腔激光器110和单边带调制器120。其中，单边带调制器120包括铌酸锂波导。外腔激光器110和单边带调制器120片上集成。
单边带调制器120构成腔外扫频部分，可以采用铌酸锂波导制成。其中，铌酸锂波导可以包括铌酸锂薄膜波导。目前，在铌酸锂薄膜上刻蚀低损耗脊型波导已经实现，制作出的调制器在调制效率、速度大幅优于其对应的体材料制作的调制器，由此也可以推测出利用这种铌酸锂波导片上集成性能优于铌酸锂体材料制作的单边带调制器。
图2为本发明一个示例提供的片上扫频光源的结构示意图。如图2所示，外腔激光器110按照光输出方向依次包括环形反射器111、激光增益介质112、调相器113、耦合装置114、以及波长选择反射器(wavelength-selective reflector)115。调相器113一端连接激光增益介质112，调相器113另一端连接耦合装置114。耦合装置114耦合的第一波导的第一端连接调相器113，第一波导的第二端连接波长选择反射器115；耦合装置114耦合的第二波导的第一端连接单边带调制器120的第一端，第二波导的第二端连接波长选择反射器115。
来自激光增益介质112的光经过耦合装置114的第一波导进入波长选择反射器115，经波长选择反射器115滤波后一部分经过第一波导反馈回激光增益介质112，另一部分经过耦合装置114的第二波导进入单边带调制器120。
环形反射器111可以实现反射率>90％。激光增益介质112可以采用异质集成的方式制作，具体可以将Ⅲ,Ⅴ族材料键合到基底，再进行光刻制作出所需结构。调相器113根据热调相原理，可以微调激光的纵模位置。
作为一种可选实施方式，如图1所示，耦合装置114可以包括等臂长马赫-曾德尔(MZ，Mach-Zehnder)干涉器，能够调节反射率。等臂长MZ干涉器也称为平衡式MZ干涉器，可以调节波长选择反射器115的反射率。等臂长MZ干涉器可以包括2个2×2耦合器。作为另一种可选实施方式，耦合装置114可以为2×2耦合器，如果耦合装置114为2×2耦合器则无法调节反射率，即无法调节输出到单边带调制器120的光功率。
波长选择反射器115可以反射光。波长选择反射器115可以包括维纳双环滤波器(dual-ring Vernier filter)，维纳双环滤波器中两个微环自由光谱范围(FSR)有微小差异，谐振峰相互叠加后可以产生大于60纳米的自由光谱范围。波长选择反射器115还可以包括3个微环的滤波器和/或4个微环的滤波器。
该实施例的片上扫频光源还可以包括与单边带调制器的第二端连接的半导体光放大器(SOA,Semiconductor Optical Amplifier)130。在单边带调制器120输出方向，在片上集成半导体光放大器(SOA)130，用于弥补单边带调制器120带来的损耗。该SOA130可以是跟激光增益介质112一样的材料，也可以附加或替换地包括别的专门为优化光放大特性的材料。半导体光放大器130可以使用与激光增益介质112相同的集成工艺，即半导体光放大器130可以由Ⅲ,Ⅴ族材料与基底异质集成。半导体光放大器130可以与激光增益介质112同时完成片上集成，单边带调制器120也可以同时集成。异质集成的半导体光放大器130可以实现10-20dB的光放大。
图3A和图3B分别为本发明一个示例提供的图2中单边带调制器将光场转移到SOA中进行放大的连接方式的侧视图和俯视图。如图3A和图3B所示，单边带调制器120可以通过基底作为中间转接部分将光场转移到SOA130中进行放大。作为一种可选实施方式，单边带调制器120、半导体光放大器130和基底140的延伸方向平行，单边带调制器120和半导体光放大器130位于基底140上方而且单边带调制器120和半导体光放大器130的竖直投影分别与基底140相交，单边带调制器120和半导体光放大器130中一者的水平投影与另一者相交。半导体光放大器130的水平截面至少部分可以从远离到靠近单边带调制器120的方向由宽逐渐变窄。基底140的水平截面至少部分可以从靠近到远离半导体光放大器130的方向由宽逐渐变窄。
对于单边带调制器120由铌酸锂波导制成而且基底由硅波导制成的情况，目前，铌酸锂波导与硅波导的耦合损耗可以小于0.1dB，而硅波导与Ⅲ,Ⅴ族材料的异质集成也可以实现SOA的低损耗耦合。
基底140可以包括硅波导、氮化硅波导和铌酸锂薄膜波导中至少一种波导。
本发明的实施例提供的硅基外腔激光器+集成式高性能边带调制器这个方案的可行性主要基于以下几个方面：
(1)硅基外腔激光器技术的发展，实现了小于50k线宽，大于60nm范围波长调谐；
(2)铌酸锂薄膜工艺及其刻蚀技术的突破，片上集成高性能单边带调制器已经不存在问题；
(3)异质集成技术，不仅可以集成硅基外腔激光器的增益介质，还可以集成片上光放大器，能够弥补单边带调制器产生的损耗，已有报道10-20dB的光增益。
本发明旨在实现片上集成的窄线宽扫频光源，减小体积重量和功耗，降低价格。
本发明另一个实施例提供一种相控阵，这种相控阵包括上述实施例的片上扫频光源。该片上扫频光源每个波长扫描一行点阵进行测距，然后切换到下一个波长，波长扫描与调制扫频分开进行，互不干扰。波长扫描由波长选择反射器115控制，调制扫频由单边带调制器120控制。
图4为本发明一个示例提供的上述片上扫频光源应用于相控阵的点阵扫描方式的示意图。图4中，纵轴代表波长扫描对应的光束偏转方向，横轴代表调控调相阵列的光束偏转方向，在该角度方向扫描过程中，单边带调制器120完成线性扫频测距。就是说波长扫描角度与腔外线性扫频不同时发生，两者相对独立互不干扰，因此本发明实施例提供的片上扫频光源非常适用于采用调频连续波测距(FMCW)制式的硅基相控阵。
本发明实施例提供的片上扫频光源是一种片上集成的窄线宽、可大范围波长调谐、可高速线性扫频的激光器，腔外调制扫频，速度快，且不影响光源相关性。部件全部片上集成，抗振性强。硅基外腔激光器窄线宽，宽带波长调谐，信噪比高的特性不变。
本发明实施例提供的片上扫频光源具有高度的集成性。所有器件均实现片上集成，抗机械振动。性能优异。硅基外腔激光器线宽窄，波长调谐范围大，而铌酸锂边带调制器速度快，线性度好且腔外调谐不影响激光线宽。两者的优异性能通过异质集成整合到一起。能够满足远距离高速测距的需求。本发明实施例提供的片上扫频光源波长调谐与高速扫频可以独立分开进行，非常适合作为调频连续波测距(FMCW)制式的硅基相控阵的片上光源。
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。
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。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“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至少一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。
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。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片上扫频光源，其特征在于，包括基底和集成在所述基底上的按照光输出方向依次连接的外腔激光器和单边带调制器，所述单边带调制器包括铌酸锂波导，所述外腔激光器和所述单边带调制器片上集成；所述外腔激光器按照光输出方向依次包括环形反射器、激光增益介质、调相器、耦合装置、以及波长选择反射器，其中，
所述调相器一端连接所述激光增益介质，所述调相器另一端连接所述耦合装置；
所述耦合装置耦合的第一波导第一端连接所述调相器，所述第一波导的第二端连接所述波长选择反射器；所述耦合装置耦合的第二波导第一端连接所述单边带调制器的第一端，所述第二波导的第二端连接所述波长选择反射器。
2.根据权利要求1所述的片上扫频光源，其特征在于，所述耦合装置包括2×2耦合器。
3.根据权利要求2所述的片上扫频光源，其特征在于，所述耦合装置包括等臂长MZ干涉器。
4.根据权利要求1所述的片上扫频光源，其特征在于，所述激光增益介质由Ⅲ,Ⅴ族材料与所述基底异质集成。
5.根据权利要求1所述的片上扫频光源，其特征在于，还包括与所述单边带调制器的第二端连接的半导体光放大器。
6.根据权利要求5所述的片上扫频光源，其特征在于，所述半导体光放大器由Ⅲ,Ⅴ族材料与所述基底异质集成。
7.根据权利要求5所述的片上扫频光源，其特征在于，所述单边带调制器通过基底作为中间转接部分将光场转移到所述半导体光放大器中进行放大。
8.根据权利要求1所述的片上扫频光源，其特征在于，所述波长选择反射器包括维纳双环滤波器。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的片上扫频光源，其特征在于，所述基底包括硅波导、氮化硅波导和铌酸锂薄膜波导中至少一种波导。
10.一种相控阵，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的片上扫频光源。
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