CN112821202A - 一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列 - Google Patents

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时尧成
戴道锌
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
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Abstract

本发明公开了一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列。包括依次连接的M级功分器、半导体光放大器和N级功分器。M级功分器和N级功分器中间放置半导体光放大器阵列，N级功分器的数量与半导体光放大器对应，实现单个波导的功率放大，通过选择M和N的大小，优化调节半导体光放大器阵元的数目，进而实现光束总功率的放大。本发明基于光波导技术，具有器件结构紧凑、易于大规模集成、成本低等特点，本发明的光放大器阵列可优化调节阵元数，有效增加输出光功率，减小单个波导承受的光功率，并且降低工艺实现难度。

Description

一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列
技术领域
本发明属于光子集成器件领域，具体涉及一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列。
背景技术
激光雷达在无人驾驶领域中的重要性日益凸显，传统机械式激光雷达含有机械旋转部件，并且体积庞大、装配成本高、不利于大规模生产，在车载等小型化平台的应用中受限。
光学相控阵的概念提出后，为全固态激光雷达的实现提供了一种新型的解决方案，同时，硅基光电子集成具有CMOS工艺兼容，能够实现大规模集成，具有低功耗、低成本等优势。因此，基于硅光集成技术的片上相控阵芯片将推动全固态激光雷达的商业化进程。
本发明提出一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列。在任意级优化放置半导体光放大阵列，解决半导体光放大阵列数量与输出功率的平衡问题，在一定的功率要求下，有效地减少了阵列数目，解决功率放大器的应用受限问题，并且有利于降低工艺难度、提高芯片的良品率。
发明内容
本发明是基于固态激光雷达的需求，针对目前硅基光学相控阵激光雷达存在的亟需解决的问题：输出光功率受限于片上光器件损耗和片上最大可承受光功率。可以在光路中放置半导体光放大器获得大功率的光束输出，但是基于单个半导体光放大器的功率方法受限于饱和功率的问题。针对上述问题，本发明提出了一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列。
一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列，包括依次连接的M级功分器(1)、半导体光放大器(2)和N级功分器(3)。
M级功分器(1)和N级功分器(3)中间放置半导体光放大器(2)阵列，N级功分器(3)的数量与半导体光放大器(2)对应，实现单个波导的功率放大，通过选择M和N的大小，优化调节半导体光放大器(2)阵元的数目，进而实现光束总功率的放大。
其中，M级功分器(1)前置单个输入，N级功分器(3)后置相位调制器阵列，功分路径中放置2M个半导体光放大器(2)。
所述的M级功分器(1)，将输入光场的能量等分成2M份，分别输入到半导体光放大器(2)阵列，阵元总数2M个。
所述的N级功分器(3)再将光场等分，2M个半导体光放大器阵元的光分别等分成2N份，而后连接相位调制器阵列，阵元总数2M+N个。
本发明具有的有益的效果是：
(1)本发明基于光波导技术，具有器件结构紧凑、易于大规模集成、成本低等特点。
(2)本发明的光放大器阵列可优化调节阵元数，有效增加输出光功率，减小单个波导承受的光功率，并且降低工艺实现难度。
附图说明
图1是本发明基于级联分光结构的半导体光放大器阵列示意图；
图2是本发明实施例-光学相控阵发射芯片结构示意图；
其中：0-激光光源，1-M级功分器，2-半导体光放大器，3-N级功分器，4-相位调制器，5-光学天线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列的示意图，自左向右依次包括：M级功分器1、半导体光放大器2和N级功分器3。M级功分器1和N级功分器3中间放置半导体光放大器2阵列，N级功分器3的数量与半导体光放大器2对应，实现单个波导的功率放大，通过选择M和N的大小，优化调节半导体光放大器2阵元的数目，进而实现光束总功率的放大。
片上相控阵激光雷达等领域存在两大关键问题：一是片上规模集成光器件总损耗大，二是片上光波导的可承受光功率值较小。为了获得大功率的光束输出，需要在光路中放置半导体光放大器，但是基于单个半导体光放大器的功率方法受限于饱和功率的问题。传统方法是将放大器阵列放置于功分器的最后一级，阵元数总共是2M+N，本发明的特点是将光放大阵列优化放置在级联功分器的任意一级，阵元数为2M，可根据输出光功率等指标需求调整光放大阵列的数目，有效减少光放大阵列的数目，降低芯片集成的工艺难度。
图2是本发明的一个实施例—光学相控阵发射芯片结构示意图。由图可见，从左到右为激光光源0耦合输入端，经过第一个M级联功分器1，功率等分输入到半导体光放大器2阵列中，进行光功率的放大，所需放大功率可以从输出光功率指标倒推，从而合理选取M的数值和光放大器的增益系数，通过优化将显著减小每个波导承受的光功率和半导体光放大器阵元数。随后输入到N级级联的功分器中，进一步将光功率等分输入到相位调制器4中，相位调制器4可任意调节波导中的相位。独立光场通过光学天线5阵列，在远场相干合束输出。其中一个扫描角度方向可以通过相位调制器改变不同的相位差获得，另一个角度可以利用光学天线的特性，改变波长实现扫描。因此，具体实施时上述实施例可以实现一种可应用于片上相控阵激光雷达的光放大阵列。
本发明的波导半导体光放大器阵列结构用于激光雷达时，与前端的激光光源0和后端的相位调制器4、光学天线5构成完整的片上激光雷达发射系统，通过本发明的放大器阵列实现功率放大，增大雷达的探测距离，同时降低整体芯片的复杂度，具有器件数量适中、总功率增益大、低损耗、低成本、集成难度低等特点，满足片上光学相控阵在实际激光雷达应用中的功率需求。

Claims (3)

1.一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列，其特征在于，包括依次连接的M级功分器(1)、半导体光放大器(2)和N级功分器(3)；
M级功分器(1)和N级功分器(3)中间放置半导体光放大器(2)阵列，N级功分器(3)的数量与半导体光放大器(2)对应，实现单个波导的功率放大，通过选择M和N的大小，优化调节半导体光放大器(2)阵元的数目，进而实现光束总功率的放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列，其特征在于，M级功分器(1)前置单个输入，N级功分器(3)后置相位调制器阵列，功分路径中放置2M个半导体光放大器(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于级联分光结构的半导体光放大器阵列，其特征在于，所述的M级功分器(1)，将输入光场的能量等分成2M份，分别输入到半导体光放大器(2)阵列，阵元总数2M个；
所述的N级功分器(3)再将光场等分，2M个半导体光放大器阵元的光分别等分成2N份，而后连接相位调制器阵列，阵元总数2M+N个。
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