CN114447761B - 一种激光芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光芯片，包括光模块；光模块集成在激光芯片上；光模块包括：第一激光器、调制单元、第二激光器、第一耦合单元和第二耦合单元；第一激光器用于输出激光光束；第一耦合单元设置于第一激光器和调制单元之间，用于将激光光束耦合至调制单元；调制单元用于根据线性调频微波信号和激光光束产生单级或多级的调制边带；第二耦合单元设置于调制器和第二激光器之间，用于将调制边带耦合至第二激光器；第二激光器用于根据调制边带输出线性调频激光；线性调频激光的频率与调制边带的某一边带的频率相关。以产生高边模抑制比，高重复频率，大宽带，高度线性调频单频窄线宽线性调频光源，且由于各光学器件集成在芯片中，体积小，成本低。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光芯片。
背景技术
窄线宽大范围快速线性调频的激光在激光雷达、光谱、射频信号发生、原子测量等前沿基础学科和高科技应用领域有重要和广泛的应用需求。
目前，窄线宽激光器主要有固体、光纤、外腔半导体等类型，其线宽可以达到千赫兹(kHz)甚至更低。产生线性调频激光的方式可以分为两大类，第一大类是调制激光的有效腔长，由于激光频率反比于有效腔长，通过调节腔长即可调制激光频率，且激光腔内直接调制主要通过电流(如半导体激光)，PZT压电陶瓷(如外腔激光器，光纤激光，固体激光等)，温度(半导体激光)等方法进行调制，速度最高能到数十kHz量级；第二大类是通过光电反馈技术实现激光线性调频。
然而，现有技术中采用调制激光的有效腔长的方式调制激光频率，线性度难以保证；采用光电反馈技术实现激光线性调频的技术，系统较为复杂，且调频的重复频率通常被限制在kHz量级。
发明内容
本发明实施例提供一种激光芯片，以产生高边模抑制比，高重复频率，大宽带，高度线性调频单频窄线宽线性调频光源，且由于各光学器件集成在芯片中，体积小，成本低。
本发明实施例提供了一种激光芯片，该激光芯片包括光模块；所述光模块集成在所述激光芯片上；所述光模块包括：第一激光器、调制单元、第二激光器、第一耦合单元和第二耦合单元；
所述第一激光器用于输出激光光束；
所述第一耦合单元设置于所述第一激光器和所述调制单元之间，用于将所述激光光束耦合至所述调制单元；
所述调制单元用于根据线性调频微波信号和所述激光光束产生单级或多级的调制边带；
所述第二耦合单元设置于所述调制器和所述第二激光器之间，用于将所述调制边带耦合至所述第二激光器；
所述第二激光器用于根据所述调制边带输出线性调频激光；其中，所述线性调频激光的频率与所述调制边带的某一边带的频率的差值在预设范围内。
可选的，所述光模块还包括分束器；所述激光芯片还包括集成于所述激光芯片的检测单元和光电转换单元；
所述分束器的输入端与所述第二激光器的输出端连接，用于接收所述线性调频激光；
所述分束器的第一输出端用于输出所述线性调频激光，所述分束器的第二输出端与所述检测单元输入端连接，所述分束器的第二输出端用于将部分线性调频激光传输至所述检测单元；
所述检测单元的输出端与所述光电转换单元的输入端连接，用于根据所述线性调频激光产生检测信号；
所述光电转换单元的输出端与控制电路连接，用于将检测信号转换为电信号输入至所述控制电路，以通过控制电路判断所述电信号与预设电信号的差值，并基于所述差值调节所述第二激光器的功率和/或温度，以使所述电信号和所述预设电信号的差值在预设范围内；
其中，所述预设电信号基于所述检测单元的参数以及所述线性调频微波信号确定。
可选的，所述检测单元包括非平衡马赫-增德尔干涉仪或法布里波罗腔干涉仪；
所述光电转换单元包括光电二极管。
可选的，所述第二激光器包括输入端和输出端；所述第二激光器的输入端与所述调制器连接，用于接收所述调制边带；所述第二激光器的输出端用于输出线性调频激光；或者，
所述第二激光器包括单端输出激光器；所述光模块还包括环形器；所述环形器的第一端与所述调制单元连接，用于接收所述调制边带，所述环形器的第二端与所述第二激光器连接，用于将调制边带传输至所述第二激光器，并接收所述第二激光器输出的线性调频激光。
可选的，所述光模块还包括：滤波单元，设置在所述调制单元和所述第二激光器之间，用于使所述调制边带的某一边带透射。
可选的，所述滤波单元包括基于波导的单个微环形成的单阶滤波器、基于波导的多个微环耦合的高阶滤波器、单级马赫-曾德尔滤波器、级联马赫-曾德尔滤波器或波导光栅滤波器的任意一种。
可选的，所述第一激光器包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器、外腔反馈半导体激光器、光栅反馈半导体激光器、微环反馈半导体激光器或量子点激光器的任意一种；
所述第二激光器包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器或法布里-珀罗激光器的任意一种；
所述调制单元包括相位调制器、强度调制器、电吸收调制器、载波抑制双边带调制器或微环调制器中的任意一种。
可选的，还包括电模块，所述电模块和所述光模块单片集成或混合集成于所述激光芯片；
所述电模块包括所述控制电路。
可选的，所述线性调频微波信号由压控振荡器产生或直接数字合成器产生；所述电模块还包括所述压控振荡器或所述直接数字合成器。
可选的，所述第一耦合单元和所述第二耦合单元分别包括片上集成波导、片上集成透镜或片上集成光栅的至少一种。
本发明实施例提供的激光芯片，通过将光学器件例如第一激光器、调制单元、第二激光器采用单片或混合集成技术集成在芯片上，并通过体积较小的耦合单元实现光的耦合，且第一激光器输出的激光光束经过调制单元的调制后产生的调制边带将第二激光器锁住，以输出线性调频激光，实现显著降低注入锁频调频线性调频激光源的体积，成本，损耗等，提高性能和可靠性。可大规模应用于汽车，工业等行业。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种激光芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种激光载波调制后的光谱示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种单个微环形成的单阶滤波器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种多个微环耦合的高阶滤波器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种波导光栅滤波器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种激光载波调制后的光谱示意图；
图9是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
光电子集成(optoelectronic integrated circuit，OEIC)是未来光电子学发展的必然方向。在光通信和数据中心通信的推动下，OEIC取得了长足发展，而未来面对5G、自动驾驶传感器、消费电子领域的集成光电子应用也将大量出现。目前OEIC涉及多种材料平台，常见的如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、硅(Si)、二氧化硅(SiO2)铌酸锂(LiNbO3)、氮化硅(SiN)、聚合物或玻璃等。本实施例提供的激光芯片，可以基于以上任意材料平台，具体实施时可以根据实际工艺条件选择，将光学器件集成与芯片上，以达到大幅度简化制造测试流程，降低系统损耗、体积、封装测试成本、提高性能和可靠性的效果。下面结合示例对本申请提出的激光芯片进行详细说明。
图1是本发明实施例提供的一种激光芯片的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的激光芯片100包括光模块10；光模块10集成在激光芯片100上；光模块10包括：第一激光器11、调制单元12、第二激光器13、第一耦合单元和第二耦合单元(图中未示出)；第一激光器11用于输出激光光束；第一耦合单元设置于第一激光器11和调制单元12之间，用于将激光光束耦合至调制单元12；调制单元12用于根据线性调频微波信号ω将激光光束调制单级或多级的调制边带；第二耦合单元设置于调制单元12和第二激光器13之间，用于将调制边带耦合至第二激光器13；第二激光器13用于根据调制边带输出线性调频激光；其中，线性调频激光的频率与调制边带的某一边带的频率相关，即基于调制边带的某一边带去锁住第二激光器13，锁住后输出的线性调频激光随调频微波信号ω变化。
其中，第一激光器11例如可以是传统基于磷化铟InP、砷化镓GaAs或其他材料的半导体单频激光器，还可以是分布布拉格反射体(DBR)、分布反馈(DFB)单频激光器，也可以是其他外腔式窄线宽半导体激光，例如光栅反馈或微环反馈的半导体激光器等。第二激光器13包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器或法布里-珀罗激光器的任意一种。调制单元12的材料可以是半导体材料、光电晶体或聚合物等，例如，当调制单元12的材料为半导体时，其材料可以为硅SI、磷化铟InP、砷化镓GaAs等；当调制单元12的材料为光电晶体时，例如可以为铌酸锂晶体。调制单元12的类型例如可以包括相位调制器、强度调制器、电吸收调制器、载波抑制双边带调制器或微环调制器中的任意一种。需要说明的是，第一激光器11、调制单元12和第二激光器13的类型和材料包括但不限于上述示例，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，本实施例不做具体限定，只要可以实现第一激光器11、调制单元12和第二激光器集成于芯片上即可。其中，第一耦合单元和第二耦合单元分别包括片上集成波导、片上集成透镜或片上集成光栅的至少一种等，例如第一耦合单元和第二耦合单元均为波导，即波导形成第一激光器11、调制单元12和第二激光器中的光通路，实现光的耦合，相对于光纤耦合，可以有效降低损耗，提高装置的输出性能。可以理解的是，激光器和耦合单元的耦合根据材料体系和激光器的匹配关系选择，可以是波导直接端面耦合、透镜耦合或光栅耦合，具体实施时根据实际情况选择，本发明实施例对此不作限定。
具体的，第一激光器11输出激光光束，并通过第一耦合单元将此激光光束耦合至调制单元12。调制单元12的调制信号由光模块10外的微波调频信号源提供，该微波信号源可以产生高重复频率(例如kHz到MHz级)，大范围(例如数百MHz到数十GHz)的线性调频微波信号。如图2所示，第一激光器11输出的激光载波通过调制单元12后，产生了单级或多级的调制边带。可以理解的是，依据调制单元的类型不同和调制信号强度的不同，边带能量分部会有差异。例如，当调制单元12为MZI强度调制器，并且选取偏置电压使得载波处于抑制状态，微波功率选取最优的使得+/-1阶边带能量最大。调制单元12所产生的信号通过第二耦合单元耦合至第二激光器13。通过控制第一激光器11和第二激光器13的温度电流等，使得第二激光器13的频率接近调制单元12输出的调制边带中的一个边带，如+1的频率，如此，第一激光器11输出的激光光束经过调制单元12调制后输出的调制边带可以锁住第二激光器13，使得第二激光器13的频率与边带一致。可选的，当注入能量为第二激光器13的腔内能量的1～10％，可以较好的锁住第二激光器13，使得第二激光器13的频率与边带完全一致。通过高速线性调制微波信号ω的频率，第二激光器13的频率跟随+1阶边带的频率做线性扫频，以通过第二激光器13输出线性调频激光。
本实施例通过将光学器件例如第一激光器、调制单元、第二激光器采用单片或混合集成技术集成在芯片上，并通过体积较小的耦合单元实现光的耦合，且第一激光器输出的激光光束经过调制单元的调制后产生的调制边带将第二激光器锁住，以输出线性调频激光，实现显著降低注入锁频调频线性调频激光源的体积，成本，损耗等，提高性能和可靠性。可大规模应用于汽车，工业等行业。
可选的，当第二激光器包括输入端和输出端时，例如第二激光器的两端均未设置高反膜，参见图1，调制单元12输出的调制边带从第二激光器13的输入端输入，从第二激光器13的输出端输出线性调频激光，此时无需设置环形器既可以实现信号的注入和输出。
当第二激光器为单端输出激光器时，例如第二激光器为半导体激光器，其半导体激光器的一端镀有高反膜，此时，需要设置环形器。例如，图3是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图，如图3所示，光模块10还包括环形器14，环形器14的第一端与调制单元12连接，接收调制边带，并通过环形器14的第二端将调制边带传输至第二激光器13，且通过环形器14的第二端输出线性调频激光。即环形器14的设置与否和第二激光器13的具体结构有关，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，当本实施例中的激光芯片上未设置有环形器时，有利于减小光模块的体积、成本和损耗。
可选的，第二激光器13两端反射率，可以根据注入的光能量选择性的设计优化，本实施例不做限定。
可选的，图4是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图，如图4所示，光模块10还包括：滤波单元15，设置在调制单元12和第二激光器13之间，用于使调制边带的某一边带透射。
其中，滤波单元15包括基于波导的单个微环形成的单阶滤波器、基于波导的多个微环耦合的高阶滤波器、单级马赫-曾德尔滤波器、级联马赫-曾德尔滤波器或波导光栅滤波器的任意一种。
示例性的，图5所示为本发明实施例提供的一种单个微环形成的单阶滤波器的结构示意图，图6所示为本发明实施例提供的一种多个微环耦合的高阶滤波器的结构示意图，图7所示为本发明实施例提供的一种波导光栅滤波器的结构示意图，图7中示出一种反射式波导光栅滤波器，当使用反射式光栅滤波器时，还需要使用光学环行器导出反射选择的边带。
本实施例中，通过设置滤波单元15，使得调制边带通过滤波单元15后只能选择其中一个边带，再注入第二激光器13，如此，当调制边带有相似的能量时，避免多个边带影响被锁频的激光，如混频等非线性效应。
示例性的，本实施例中的调制单元12为相位调制器，相位调制器相比强度调制器无需偏置电压，制作使用更为简单，效率更高，能够产生更多的高阶边带，如图8所示。由于有更多的边带有相似的能量，为了避免多个边带影响被锁频的激光，如混频等非线性效应，所以本实施例通过设置滤波单元15选择其中一个边带，再注入第二激光器13。
可选的，图9是本发明实施例提供的又一种激光芯片的结构示意图，如图9所示，光模块10还包括分束器16；激光芯片100还包括集成于激光芯片100的检测单元20和光电转换单元30；分束器16的输入端与第二激光器13的输出端连接，用于接收调线性调频激光；如果需要设置环形器14(环形器14的设置与否与第二激光器13的结构有关)时，分束器16的输入端与环形器14的第三端连接，图9以设置环形器14为例进行的说明。分束器16的第一输出端用于输出线性调频激光，分束器16的第二输出端与检测单元20的输入端连接，分束器16的第二输出端用于将部分线性调频激光传输至检测单元20；检测单元20的输出端与光电转换单元30的输入端连接，用于根据线性调频激光产生检测信号；光电转换单元30的输出端与控制电路41连接，用于将检测信号转换为电信号输入至控制电路41，以通过控制电路41判断电信号与预设电信号的差值，并基于差值调节第二激光器的功率和/或温度，以使电信号和预设电信号的差值在预设范围内；其中，预设电信号基于检测单元20的参数以及线性调频微波信号确定。
其中，检测单元20例如可以包括非平衡马赫-增德尔干涉仪或法布里波罗腔干涉仪等。光电转换单元30例如可以包括光电二极管。
示例性的，检测单元20为非平衡马赫-增德尔干涉仪，采用片上螺旋或折叠波导延长线的方法可以在较小的面积上获得数十cm长度非平衡马赫-增德尔干涉仪。光电转换单元30为光电二极管。具体的，环形器14输出的光通过分束器16，将一小部分光(例如<10％)送往一个非平衡马赫-增德尔干涉仪。干涉仪基于输出的线性调频激光产生干涉信号，通过芯片上集成的光电二极管采集。并将此信号转换成电信号传输至控制电路41，控制电路41可以检测其频率是否跟随调频微波信号发生线性调频。如果注入锁频丢失，通过控制电路41调节第二激光器13的电流和/或温度，使得其频率处于第一激光器11调制后产生的边带锁频范围。即通过芯片上集成的检测单元20和光电转换单元30，自动判断锁频状况和调节激光频率使其保持锁频。
可以理解的是，光电子集成电路从结构上可以分为单片集成型和混合集成型两类。单片集成是把光和电功能的器件都集成在单片上。混合集成通常是由于光学器件与电子器件采用不同材料，需要混合集成。例如电子元件多采用Si材料和工艺，而半导体激光主要还是GaAs，InP等，他们的集成多采用混合集成。示例性的，Si基的光电集成芯片基于成熟的CMOS工艺，它的内容包括在Si衬底上制作出诸如Si的光波导、调制器、光开关、光发射器和光探测器，并构成具有功能作用的OEIC。同时在同一片Si衬底上，可以制作所需要的集成电路IC，这样可以解决大规模IC和OEIC之间存在的工艺兼容性问题，而且还解决它们之间的互连性，因此Si基光电子集成具有良好的潜力。
可选的，继续参见图9，激光芯片100还包括电模块40，电模块40和光模块10单片集成或混合集成于激光芯片100；电模块40包括控制电路41。当光模块10和电模块40都以Si为衬底时，可以实现单片集成，采用不同衬底时可以实现混合集成，具体实施时可以根据实际工艺条件选择。
其中，控制电路41包括激光器、调制器、滤波器、光放大器等所需要的控制电路(如电流控制、电压控制、温度控制等)。本实施例中，通过芯片上集成光学器件，以及控制电路，如此，可制作高度集成的、小体积低成本的线性调频激光源，且可以大幅度简化制造测试流程，和提高其性能。
可选的，线性调频微波信号由压控振荡器产生或直接数字合成器产生；电模块40还包括压控振荡器或直接数字合成器。其中，压控振荡器(VCO)是一种输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，其可以输出调制单元所需的线性调频微波信号。直接数字合成器(DDS)是一种从相位概念出发直接合成所需要波形的一种频率合成技术，其与波倍频混频器结合可以输出调制单元所需的线性调频微波信号。本实施例中将压控振荡器或数字合成器与光模块单片集成或混合集成，进一步提高集成度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种激光芯片，其特征在于，包括光模块；所述光模块集成在所述激光芯片上；所述光模块包括：第一激光器、调制单元、第二激光器、第一耦合单元和第二耦合单元；
所述第一激光器用于输出激光光束；
所述第一耦合单元设置于所述第一激光器和所述调制单元之间，用于将所述激光光束耦合至所述调制单元；
所述调制单元用于根据线性调频微波信号和所述激光光束产生单级或多级的调制边带；
所述第二耦合单元设置于所述调制单元和所述第二激光器之间，用于将所述调制边带耦合至所述第二激光器；
所述第二激光器用于根据所述调制边带输出线性调频激光；其中，所述线性调频激光的频率与所述调制边带的其中一边带的频率相关；
所述光模块还包括分束器；所述激光芯片还包括集成于所述激光芯片的检测单元和光电转换单元；
所述分束器的输入端与所述第二激光器的输出端连接，用于接收所述线性调频激光；
所述分束器的第一输出端用于输出所述线性调频激光，所述分束器的第二输出端与所述检测单元输入端连接，所述分束器的第二输出端用于将部分线性调频激光传输至所述检测单元；
所述检测单元的输出端与所述光电转换单元的输入端连接，用于根据所述线性调频激光产生检测信号；
所述光电转换单元的输出端与控制电路连接，用于将检测信号转换为电信号输入至所述控制电路，以通过控制电路判断所述电信号与预设电信号的差值，并基于所述差值调节所述第二激光器的功率和/或温度，以使所述电信号和所述预设电信号的差值在预设范围内；
其中，所述预设电信号基于所述检测单元的参数以及所述线性调频微波信号确定。
2.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述检测单元包括非平衡马赫-增德尔干涉仪或法布里波罗腔干涉仪；
所述光电转换单元包括光电二极管。
3.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述第二激光器包括输入端和输出端；所述第二激光器的输入端与所述调制单元连接，用于接收所述调制边带；所述第二激光器的输出端用于输出线性调频激光；或者，
所述第二激光器包括单端输出激光器；所述光模块还包括环形器；所述环形器的第一端与所述调制单元连接，用于接收所述调制边带，所述环形器的第二端与所述第二激光器连接，用于将调制边带传输至所述第二激光器，并接收所述第二激光器输出的线性调频激光。
4.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述光模块还包括：滤波单元，设置在所述调制单元和所述第二激光器之间，用于使所述调制边带的其中一边带透射。
5.根据权利要求4所述的激光芯片，其特征在于，所述滤波单元包括基于波导的单个微环形成的单阶滤波器、基于波导的多个微环耦合的高阶滤波器、单级马赫-曾德尔滤波器、级联马赫-曾德尔滤波器或波导光栅滤波器的任意一种。
6.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述第一激光器包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器、外腔反馈半导体激光器、光栅反馈半导体激光器、微环反馈半导体激光器或量子点激光器的任意一种；
所述第二激光器包括分布反馈半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器或法布里-珀罗激光器的任意一种；
所述调制单元包括相位调制器、强度调制器、电吸收调制器、载波抑制双边带调制器或微环调制器中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，还包括电模块，所述电模块和所述光模块单片集成或混合集成于所述激光芯片；
所述电模块包括所述控制电路。
8.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述线性调频微波信号由压控振荡器产生或直接数字合成器产生；所述压控振荡器或所述直接数字合成器单片集成或混合集成于所述激光芯片。
9.根据权利要求1所述的激光芯片，其特征在于，所述第一耦合单元和所述第二耦合单元分别包括片上集成波导、片上集成透镜或片上集成光栅的至少一种。
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