TW202333430A - 提供一寬頻啁啾雷射訊號的方法、可調頻固態雷射裝置及高解析度快速響應光達成像系統 - Google Patents

Abstract

已使用一矽光子濾波晶片作為外腔開發出一種外腔二極體雷射，以達成在一寬頻寬範圍上的一線性頻率啁啾。藉由使用矽光子晶片上的增益晶片或／及一腔相位調變器來適當地啁啾腔相位以及同時改變濾波器共振，可實現至少50 GHz的近似線性頻率啁啾，但亦闡述具有有用的較小啁啾頻寬的所需結構。藉由仔細控制晶片設計，可達成模式跳躍的可預測行為以及在一模式內大的可掃描範圍，此允許藉由一模式跳躍而將線性啁啾的片段拼接在一起，以提供大於1 THz的極大的啁啾頻寬。

Description

提供一寬頻啁啾雷射訊號的方法、可調頻固態雷射裝置及高解析度快速響應光達成像系統

本發明係關於一種具有一矽光子晶片的一外腔雷射，該矽光子晶片為外腔提供快速的熱-光頻率調整以進行頻率調頻或啁啾。熱-光加熱器的設計可提供顯著的頻寬擴展，同時保持快速的頻率調整。本發明還關於跨越雷射模式的模式變化的啁啾，其將多個頻率範圍適當地拼接在一起以獲得擴展的頻寬能力。擴展頻寬上的啁啾可應用於遙感，例如：具有更高解析度的光達（LIDAR）。

同調可調頻雷射為光學電信網路的關鍵及賦能元件。該等可調頻雷射能為其他能夠利用該等可調頻雷射的能力的系統提供所需的功能。為達成該等行為，可將可調頻雷射設計為一外腔雷射（external cavity laser；ECL）。這表示ECL結構包含形成一複合光學共振器的一光學放大元件及其他光學元件。此與一標準半導體雷射二極體形成對比，在標準半導體雷射二極體中，放大元件及光學共振器本質上在單個晶粒上為一體的。對於電信應用而言，複合光學腔內的光學濾波器被調整以選擇預期的光學頻率並保持所需要的光學線寬。

在其他雷射應用中，雷射可被定向以進行成像或感測。分析及理解三維（three dimensional；3D）環境（3D感知）的能力為機器人應用（例如：自動駕駛車輛、無人機（unmanned aerial vehicle；UAV）、工業機器人等）成功的關鍵。在移動環境中，3D感知需要準確且可靠的物件分類及追蹤以了解物件的當前位置，並預測它們下一個可能的移動。在例如自動駕駛車輛／UAV等應用中，系統可能需要即時辨識及追蹤諸多物件。3D感知通常依賴於光達，其可代表雷射成像、偵測及測距。因此，將動態物件自靜態物件中區分出來的能力將能夠對處理任務進行優先排序，以辨識並關注感興趣的區域（regions of interest；ROI），導向更快的響應時間。

在例如工業檢測／計量等其他應用中，可能期望建立具有高深度精確度及解析度的3D圖像。接著，可將高解析度及高精確度的3D圖像用於工廠製程以提高品質及產量。類似地，對於醫學應用而言，可將高解析度3D圖像用於診斷目的以引導治療。

在一第一態樣中，本發明係關於一種提供一寬頻啁啾雷射訊號之方法，該方法包含下列步驟：針對一矽光子晶片中的複數個加熱器同時掃描加熱器電流以達到至少約50 GHz的一近似線性啁啾的一頻寬，其中該矽光子晶片連接作為一紅外線雷射的一外腔。

在另一態樣中，本發明係關於一種可調頻固態雷射裝置，包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力的，其中矽光子濾波晶片包含一連接矽波導，及至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個介接矽波導與該等環共振器耦合，各環共振器與一分離的加熱器相關聯，其中該一或多個介接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器其中之每一者共振的光重定向回通過該連接矽波導，且 其中腔相位係使用一控制器調整至該增益晶片的驅動功率以進行調變，或使用更包含一加熱器以與該連接矽波導介接的該矽光子濾波晶片上的一腔相位調變器進行調變，或使用調整該增益晶片功率及該矽光子晶片上的該腔相位調變器二者進行調變， 其中，該矽光子濾波晶片的該連接矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損，且其中啁啾與輸入-輸出矽波導介接的該加熱器的電壓啁啾雷射輸出頻率。

一種高解析度快速響應光達成像系統可包含：一成像系統，包含一發射器以及一被配置為接收反射光的接收器，其中該發射器在適當的時間向各個方向投射光，以在該成像系統的視野中組合物件的一三維圖像。該發射器可包含如本文中所述的一啁啾的可調頻固態雷射裝置。

在另一態樣中，本發明係關於一種可調頻固態雷射裝置，該可調頻固態雷射裝置包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力，其中該矽光子濾波晶片包含一連接矽波導，至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個介接矽波導與該等環共振器耦合，各環共振器與一分離的加熱器相關聯，以及導向一光學裝置的一分接頭，該光學裝置用於評估頻率與相移，以提供相鄰啁啾頻率範圍的精確拼接，進而達成精確的擴展啁啾頻率範圍，其中該一或多個介接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器其中的每一個共振的光重定向回通過該輸入-輸出矽波導， 其中該矽光子濾波晶片的該連接矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損，且其中啁啾與輸入-輸出矽波導介接的該加熱器的電壓啁啾雷射輸出頻率。

在額外的態樣中，本發明係關於一種快速可調頻固態雷射裝置，該快速可調頻固態雷射裝置包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力，其中矽光子濾波晶片包含一輸入-輸出矽波導，至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個連接矽波導與該等環共振器介接，沿著各環共振器的一片段，其中波導核心在一片段處擴大，且各環共振器與一分離的加熱器在加寬片段處相關聯，其中該一或多個連接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器其中的每一個共振的光重定向回通過該輸入-輸出矽波導， 其中該矽光子濾波晶片的該輸入-輸出矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損。

闡述矽基外腔雷射（ECL）裝置，該等矽基ECL裝置提供快速的波長調頻或／及良好的頻率掃描，即啁啾（chirping）。該等具有啁啾的ECL雷射可對光達感測器具有顯著的適用性，而達成頻率鎖定的快速調頻可為包含光電信應用在內的各種應用提供一令人滿意的可調頻雷射。在一些實施例中，設計特徵允許減少熱負載以提供波長調頻，以致於可基於對快速加熱的傳遞或更快的散熱而減少頻率響應時間。提供精確但快速的頻率掃描或啁啾的能力可基於在一矽光子外腔中引入一腔相位調整，或者藉由傳遞至增益晶片的功率，或者利用此二種調整方式。腔相位調整允許頻率掃描的線性化，以及在利用頻率啁啾的一光達系統中保持一清晰的頻譜。為提供高效率的線性化，雷射被設計成具有頻率的線性化啁啾，且剩餘的非線性可利用控制器高效率地校正，此乃因非線性已經被減小。用於腔相位調整及可調頻光學濾波器的對施加至加熱器及可選地施加至增益晶片的電壓進行適當掃描提供對頻率的寬頻掃描，在一些實施例中，其具有超過50 GHz的啁啾範圍，但頻寬超過1 GHz的啁啾通常為有用的。為在更大的範圍內提供線性啁啾，可利用精確的相位量測將多個啁啾區段拼接在一起，以在THz範圍內提供精確的線性啁啾。

將來自複數個不同雷射的啁啾頻率進行拼接的想法，先前已有相關的闡述。參Vasilyev等人的「多源頻率調變連續波光學反射儀：理論及實驗（Multiple source frequency-modulated continuous-wave optical reflectometry: theory and experiment）」一文，其發表於APPLIED OPTICS, Vol. 49(10), 1 April 2010, 1932-1937，以及Vasilyev等人的「使用頻率拼接VCSEL產生兆赫啁啾以提高光達解析度（Terahertz Chirp Generation Using Frequency Stitched VCSELs for Increased LIDAR Resolution）」一文，其發表於CLEO Technical Digest, 2012, CF3C.1, OCIS codes: 140.3518, 280.3640，所述兩篇文獻皆以引用方式併入本案中。在本文中闡述的拼接協定優於此較早期的成果，乃因在模式跳動上拼接時僅涉及單個雷射。由於頻率僅涉及一個雷射，因此這具有僅使用單個雷射及簡化拼接的優點，而這提供改善的實際實施策略。

在例如光達等的典型感測應用中，啁啾雷射訊號被分為發射（Tx）及本地振盪器（LO）副本。Tx光學訊號被發送至目標以被感測，而LO光學訊號則在本地被用於感測光學電路中以與來自目標的反射訊號進行光學混合。此種混合過程產生一電性訊號，此電性訊號含有與目標距離對應的一基本振盪頻率。雷射啁啾的線性度以及雷射的總啁啾頻寬決定量測的解析度及精確度。在啁啾中較高的線性度會提高解析度及精確度。類似地，較寬的啁啾頻寬會提高量測解析度及精確度。當在大範圍內對雷射進行調頻時，同調性可能會隨著雷射切換模式而失去。此種模式切換限制了感測應用中雷射的啁啾頻寬，但來自雷射的一拼接訊號能允許量測訊號（即，混合訊號）被合併，進而能夠在橫跨所有雷射發射模式上達成更大的啁啾頻寬。可使用一相位量測來完成跨相位跳躍的頻率拼接以允許連續的啁啾。可調頻光學濾波器包含提供調頻的電阻加熱器。在一些實施例中，環共振器被設計成具有加寬的核心橫截面的片段，以支持光傳播，同時減小在加熱器附近穿透波導外部的倏逝電磁場，使得加熱器可被允許緊密放置一加熱元件而無過多的光學損耗，從而提供增加的頻寬及更快的響應時間。新的設計很適合於光達應用，其可使用適當的雷射實施例應用於生物學或其他設置中的高解析度應用。

在光學電信領域中，由視訊點播服務、移動服務及基於雲端的服務所驅動的網路流量的爆炸式增長已加速大容量同調傳輸系統自長距離網路向都會區網路及資料中心間網路的滲透。使用在本文中闡述的雷射，一單一雷射模式可用於在一寬的調頻範圍內對一單一通帶（passband）進行調頻，且提供一所需的窄線寬。因此，此種類型的實際ECL可調頻雷射在複合共振器中利用由光學環提供的兩個可調頻濾波器。複合共振器適用於對一固定頻率進行調頻或在一選定的頻寬上啁啾該頻率。對於固定頻率操作，每一個可調頻濾波器在調頻範圍上提供一束窄通帶（a comb of narrow passbands），且每個濾波器被獨立地調整使得在每個濾波器之間僅有一條線重疊，且可調頻雷射以該重疊頻率發射窄頻帶光。適用於光學電信應用的矽光子外腔雷射已闡述於Gao等人的美國專利公開案第2020/0280173號（以下稱為'173公開案），其標題為「矽光子外腔雷射的波長控制的方法（Method for Wavelength Control of Silicon Photonic External Cavity Laser）」，該美國專利公開案以引用方式併入本案中。在本文中的一些設計結合來自'173公開案的雷射的共同特徵。本文針對雷射設計進行調整以提供更快的波長調頻。此外，與腔相位的調整相關聯的一加熱器允許對頻率的快速啁啾。額外的成長技術可有效地採用來自光通訊的組件來為該等其他應用提供有效的功能，且寬頻啁啾能力可提供所需的功能。

三維成像為一廣泛的應用（例如：自動駕駛車輛、醫療及診斷、機器人及工業加工等）的一個組成部分。成像可基於使用雷射的光學感測，具體而言為光達（光偵測及測距）。光達通常利用連續波雷射光源來實行同調的頻率調變連續波（frequency modulated continuous wave；FMCW）操作。為進行成像，雷射光通常為啁啾的，其頻率隨時間變化，以允許原始光及返回的反射光的干涉以萃取距離資訊。由於解析度為啁啾頻寬的函數，因此在一寬的頻寬上具有線性啁啾的雷射設計提供精確的位置評估。

提供雷射結構及方法，用於在電信、光達或其他應用的高效能同調模組中使用光子積體電路對可調頻雷射進行精確的頻率控制，且在一些實施例中係進行相位控制。可調頻雷射通常包含作為增益介質的化合物半導體材料（例如：砷化鎵或磷化銦）以及作為形成雷射之一外腔的可調頻頻率濾波器的一矽光子積體電路。矽光子電路通常包含作為頻率選擇元件或濾波器的矽波導環共振器，其可被構造為一干涉儀。矽光子電路可更包含多個整合的加熱器以提供頻率調頻。一般而言，可確定矽光子晶片的長度以改善雷射頻率的啁啾。一個較長的雷射腔有助於在一模式跳躍之前具有一較大的啁啾頻寬。若遇到一模式跳躍，則結構被描述為用於提供對跨越模式跳躍的雷射頻率隨時間的函數關係進行拼接。

雷射調頻係藉由使用一干涉儀結構對一光學濾波器進行調整來達成的。調頻係藉由對濾波器中波導的至少一或多個片段的折射率進行熱調整來達成。藉由對傳送至增益晶片的電流進行調整來對增益晶片進行調變可提供用於對雷射頻率進行調頻並提供一頻率啁啾的一附加參數。關於加熱波導以調整有效光路，若較小體積的光學材料需被加熱，則可更快地對該材料進行加熱及冷卻，以提供更快的調頻速度。儘管將加熱器放置在更靠近波導的位置可有更小的加熱體積，但靠近放置或接觸會導致光學損耗，這會減損更快響應時間的潛在益處。為減少將加熱器放置於鄰近波導核心時的光學損耗，波導位於加熱器處的一區段可被構造為一波導片段，相對於用於晶片波導的其餘部分的較窄的單模波導，該波導片段具有一明顯較寬的核心。具體而言，對於連接至單模波導片段的加寬波導區段的一彎曲區段而言，由光產生的場沿著加寬的波導的外邊緣變得集中，使得加熱器可被放置成鄰近波導的內曲線。如此一來，加熱器可被放置成緊鄰波導以用於快速調頻，而不會有因光被傳輸過加熱的波導所導致的不可接受的光學損耗。電阻加熱器可使用適當的金屬或利用摻雜矽或具有適量電阻的其他導電材料來形成。除了縮短頻率調頻的響應時間之外，由於加熱器開啟時的散熱減少，更近地放置加熱器允許更少的加熱，因此會有額外的能量節省。對於濾波器中具有環共振器的一些實施例而言，環可包含二或更多個分離的加熱區，每一加熱區具有加寬的波導核心片段，該等加寬的波導核心片段被定位成遠離進入／離開環進入相鄰波導的耦合區，以減少耦合中的任何干擾。

將加熱器直接適用至Si共振器環已描述於Watts等人的「利用直接整合熱光子學的絕熱共振鏡射（ARM）（Adiabatic Resonant Mirrorings (ARMs) with Directly Integrated Thermal Photonics）」一文，其發表於CPDB10，OSA/CLEO/IQEC 2009（978-1-55752-869-8/09），該篇文獻以引用方式併入本案中。另見下文引用的Watts-2013。目標在於相對於包覆的加熱器降低功耗並縮短響應時間。在本裝置中，頻率調頻可具有更快的響應時間，且啁啾率可相應地提高，同時功耗相應降低。

在啁啾雷射頻率的一些實施例中，矽光子晶片更包含腔相位調整，該腔相位調整包含位於波導的一區段處的一加熱器，該波導連接光學濾波器與具有一埠的晶片的一邊緣。此種相位調整提供對雷射頻率的啁啾。此經加熱的波導片段可更具有一寬核心波導片段，以允許靠近放置加熱器元件，而不會導致不可接受的光學損耗。儘管用於腔相位調變器的加熱器處的波導可為直的，但藉由引入加寬的彎曲波導區段，可在將加熱器放置在該等彎曲區段的內邊緣處的情況下達成尺寸的減小以及響應時間及熱效率的提高。為更靠近地放置加熱器並減少加熱體積，腔相位調整器可包含一個彎曲片段、二個彎曲片段、三個彎曲片段或更多彎曲片段，但最簡單的結構係包含如第5圖所示的一個直的波導。以下闡述具有四個彎曲片段的具體實施例。每個彎曲片段可有一加熱器定位於與光強度有效定位處相對的邊緣處。藉由改變施加至電阻加熱器的電流來啁啾頻率，可快速地對腔相位調頻。

為調整腔模式，額外地或作為另一種選擇地，可調整施加至增益晶片的電流。施加至增益晶片的較高電流對增益晶片中的波導進行加熱，其導致與被動波導中的頻移類似的一頻移。此種調整提供另一參數來允許頻率啁啾。雷射相對於電流的響應可被使用以在控制器中形成一查找表，使得電流可被調整以提供頻率隨時間的近似線性響應。對與濾波器環共振器結合的增益晶片的啁啾可類似於對具有濾波器加熱器的一腔模式加熱器的啁啾，且在一些實施例中，除了在矽光子晶片中使用一腔模式調變器之外，還可實行對增益晶片共振器的啁啾。

在增益晶片及矽光子外部部分兩者上延伸的雷射發射腔的實體尺寸影響腔模式的數目，並增加同調長度以擴展光達範圍。腔模式的數量相應地影響無模式跳躍的啁啾頻寬。因此，使用一更大的腔可提供更大的頻寬，而其他條件皆相等。藉由使用增益晶片電流、一矽光子腔相位調變器或二者同時掃描濾波器環加熱器及腔相位，可達成大的啁啾頻寬。

可實行頻率啁啾以具有一線性時間相依性。 其中f ₀為初始頻率，且r為啁啾率。線性時間相依性對應於一鋸齒形狀，其具有一線性增加至一最大值，然後一線性減小回一初始值，返回一初始值f ₀。線性頻率變化的範圍為啁啾頻寬。若啁啾雷射用於同調深度量測，則啁啾頻寬與量測解析度相關，因此一更大的頻寬會獲得增加的解析度。對於同調深度量測，一反射訊號會與發射訊號的一保留副本相結合，且所得的干涉提供深度量測。相對於一非線性啁啾，一線性晶片提供一更大的感測範圍以及改善的解析度及精確度。利用一啁啾雷射實行同調深度量測已進一步地描述於Canoglu等人的美國專利公開案第2022/0291386號（以下稱為'386公開案），其標題為「具4D物件分類、固態光學掃描陣列及有效畫素設計的光達（LIDAR with 4D Object Classification, Solid State Optical Scanning Arrays, and Effective Pixel Designs）」，該美國專利公開案以引用方式併入本案中。以下進一步闡述本文件的雷射在該等應用中的使用。

如以下進一步闡述，可將組件設計成隨著時間的推移提供近似線性啁啾，且施加至加熱器的功率為線性變化。藉由適當的設計，可利用對電流的可預測調整來校正剩餘的非線性。該等調整可被程式化至一控制器中用於實行啁啾。然後，用於一可比較的外腔雷射的傳統處理器可適用於此目的，作為用於在一寬的頻寬上產生一線性啁啾的控制器。

如在'173公開案中所述，雷射光可被引導從增益晶片遠離矽光子外腔的遠側的一局部反射鏡射出。光可被引導通過一固態放大器，並繼續至一光通訊系統的光纖或其他組件。在其他實施例中，可能會期望將雷射連接至一矽光子組件以實行其他操作。為避免需要進一步的光斑尺寸轉換及相關聯的光學損耗，可能需要接著將形成外腔的矽光子晶片直接連接至一矽光子晶片。舉例而言，'386公開案教導使用矽光子的光學開關陣列以實行雷射傳輸以實行光達。

為達成自矽光子外腔的雷射發射，作為濾波器／反射器的薩格奈克（Sagnac）干涉儀的分裂波導臂（split waveguide arms）可繼續延伸並在一光學連接器處結合，在該光學連接器處，共振光可相長干涉並繼續傳播至矽晶片的邊緣。為提供來自局部反射的適當洩漏，分裂波導臂與對應環共振器的介面可被設計成具有適當減小的耦合，以反射來自增益晶片的大部分的光而非全部的光。利用此種設計，可自形成外腔的矽光子晶片發生雷射發射，且可使用一透明黏著劑或其他合適的連接器將該晶片連接至另一矽光子電路或類似結構。

本雷射設計通常導致自加熱器電壓的一線性變化中產生一線性啁啾頻率，以在不需要使用一更複雜的驅動電壓的情況下產生通常為線性的啁啾。由於熱-光效應為線性的，因此矽波導的折射率隨溫度變化呈線性變化。雷射頻率與腔相位成正比使得其隨波導溫度線性變化。儘管加熱器功率為驅動電流的一更複雜的函數，但對於小的調變電流而言，溫度變化響應於調變電流的變化呈線性關係。對於較大的調變電流，調變電流的二次項可藉由預補償驅動訊號來進行校準，以移除小的非線性項，以保留線性啁啾。在產生啁啾之前，可先對一雷射進行校準以產生對穩定操作區域進行辨識的圖。該圖可為基於環1及環2溫度設置及穩定操作區域的圖式。雷射穩定區域的每個「島（island）」代表在一特定雷射腔模式下的雷射發射。以下所闡述的第13圖提供此種圖的一實例。

藉由啁啾腔相位，可達成2 GHz至3 GHz量級的一啁啾頻寬。藉由環加熱器的適當設計，可利用相同的變化電流同時啁啾環加熱器及腔相位，以線性驅動雷射頻率，進而獲得一非常寬頻的啁啾，例如自150 GHz至200 GHz頻寬，此顯著大於一般被認為的聚焦於汽車的光達所需的頻寬。因此，對於某些應用而言，此種啁啾量可提供足夠的解析度。對於例如醫學同調斷層掃描或工業計量等更高解析度的應用，可能期望更高的解析度。頻率的持續偏移可導致雷射的一模式偏移，其導致同調性的損耗及相位的一不連續跳躍。為自一更寬的啁啾頻寬中獲得更高的解析度，可藉由使用一精確的相位偏置將線性啁啾的片段拼接在一起以精確地將該等片段拼接在一起來擴展啁啾頻寬。在一些實施例中，可自雷射輸出中分接一延遲線干涉儀，以提供精確的相位偏置，進而將啁啾的片段拼接在一起，但亦可使用其他相位量測來獲得相位偏置。適合於評估頻率及相位的其他光學裝置可用作延遲線干涉儀的一替代物，例如一法布爾-佩羅（Fabre-Perot）干涉儀。

為藉由同時驅動環加熱器及腔相位加熱器來獲得一線性啁啾，還可適當地設計矽光子晶片，以促進獲得一線性啁啾頻率。藉由將每個環共振器設計成具有大致相同的熱性能，單個驅動訊號因此能夠沿著相等環共振器響應的對角線驅動調頻的傳輸峰值。將腔相位調整訊號選擇成具有與環共振器驅動相同的響應（GHz/mW加熱），可使用相同的訊號來驅動腔相位。藉由利用一單一線性變化的電壓來啁啾三個加熱器，啁啾電壓在一極大的啁啾頻寬上可為近似線性的。藉由適當的設計，基線電壓亦可相同。

小形狀因數（small form factor）的外腔可調頻雷射為使高容量同調光學通訊系統能夠滿足不斷增長的頻寬需求的重要組件。外腔可調頻雷射包含二個基本元件。第一個元件為一增益介質，通常使用III-V族化合物半導體（例如：磷化銦（indium phosphide；InP）或砷化鎵），因為它們的直接能帶隙及高效率的光產生。第二個元件為一頻率選擇性共振外腔。雷射外腔確保顯著長的共振腔以抑制雷射相位雜訊，此在包含高速同調通訊系統的各種應用中極為重要，因為該等應用不僅依賴振幅調變而且依賴光學相位調變。

使用矽光子技術的外腔雷射為一種有望減小可調頻雷射的尺寸及成本的解決方案。矽積體電路在過去幾十年中一直為電子工業的焦點，且其技術進步已使得互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor；CMOS）電路的特徵尺寸、成本及功率消耗顯著降低。光子積體電路有望藉由採用電子工業中開發的成熟的互補金屬氧化物半導體晶圓廠而進行類似的低成本及大批量製造。可調頻雷射的分離的光學組件（例如：頻率選擇性元件、功率監測光電二極體及光學分路器）的單晶片整合可降低可調頻雷射的成本，藉由減少離散組件的數目及藉由不太複雜的組裝。

ECL腔的在矽光子晶片中的外部部分通常包含以矽波導而成的二或更多個環共振器。環共振器充當選擇適當頻率的光學濾波器。濾波器通常對溫度靈敏，且通常藉由有意調整及控制各個濾波器組件的溫度來進行調頻。在該等應用中，直接量測一濾波器的頻率透射實際上係不切實際的，但已證明藉由監測濾波器溫度並採用數學校準可充分推斷出該透射。對於利用調頻固定頻率的光學通訊應用而言，會期望準確地知道通過濾波器的光學路徑處的溫度。然而，由於溫度感測器會吸收光且不應被定位成太靠近光學路徑，因此所感測的溫度實際上偏離了光學路徑，且光學路徑的實際溫度係被推斷出。還有其他熱變化，例如環境溫度的變化及濾波器之間的溫度干擾，這些可能會擾亂溫度推斷。對於一直作為現有商業ECL的主導架構的基於自由空間得ECL，這些耦接極弱且可藉由熱設計及校準增強來抑制由此產生的擾亂。關於標準具（etalon）系的ECL的更多資訊，可在例如Finot等人的美國專利第7,961,374號中找到，該篇美國專利的標題為「具有局部矽框架的光學濾波器的熱控制（Thermal Control of Optical Filter With Local Silicon Frame）」，該美國專利以引用方式併入本文中。

使用矽光子技術的外腔可調頻雷射的一般概念已描述於G. Valicourt等人發表於J. Lightwave Technol. 36, 265-273 (2018)的「基於混合III-V族／矽整合的光子積體電路（Photonic Integrated Circuit Based on Hybrid III-V/Silicon Integration）」一文以及A. Verdier等人發表於J. Lightwave Technol. 36, 37-43 (2018)的「超寬頻波長可調頻混合外腔雷射（Ultrawideband Wavelength-Tunable Hybrid External-Cavity Lasers）」一文，該二篇文獻均以引用方式併入本文中。它們的與互補金屬氧化物半導體相容的製作製程及各種光學組件的晶片上整合展現出非常有望降低可調頻雷射裝置的成本及尺寸，如A. Novack等人發表於OFC, Th4D.4 (2018)的「用於64 Gbaud同調通訊的矽光子收發器及混合可調頻雷射（A Silicon Photonic Transceiver and Hybrid Tunable Laser for 64 Gbaud Coherent Communication）」一文中所述，且如C. Doerr等人發表於OFC, paper Th5D.5 (2017)的「球柵陣列封裝件中的矽光子同調收發器（Silicon Photonics Coherent Transceiver in a Ball-Grid Array Package）」一文中大體所述，該二個文獻均以引用方式併入本文中。此外，一升壓半導體光學放大器（semiconductor optical amplifier；SOA）的整合為補償矽波導相對高的耦接及傳播損耗提供清晰的途徑。將SOA與一外腔雷射的一起使用已描述於K. Sato等人的「高輸出功率及窄線寬矽光子混合環濾波器外腔波長可調頻雷射（High Output Power and Narrow Linewidth Silicon Photonic Hybrid Ring-Filter External Cavity Wavelength Tunable Lasers）」一文，其係發表於ECOC, PD2.3 (2014)，該篇文獻以引用方式併入本文中。此種組合容許進行長的矽外腔設計以減小雷射頻譜線寬，同時仍達成高輸出功率。

參照第1圖，其繪示根據一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置100。在各種實施例中，固態雷射裝置100包含一矽光子濾波晶片102及一基於半導體的增益晶片104。在一或多個實施例中，固態雷射裝置100可更包含圖中未示出的一半導體光學放大器（SOA）。在各種實施例中，SOA可藉由耦合至增益晶片104的一透鏡與固態雷射裝置100進行整合，用於在輸出光纖之前進行光放大。在各種實施例中，矽光子濾波晶片102及增益晶片104可擱置在一溫度控制器（例如：一熱電冷卻器（thermoelectric cooler；TEC）113）上來幫助控制整體裝置溫度。在此類實施例中，TEC 113及整體裝置溫度可利用一邏輯控制器來控制，詳述如后。TEC組件為本發明所屬技術領域中已知的。為方便起見，具有矽光子濾波晶片102、增益晶片104及TEC 113（若存在）的固態雷射裝置100可被稱為一可調頻外腔雷射裝置，其通常被組裝在一封裝中。

在一或多個實施例中，矽光子濾波晶片102為一多層光子晶片裝置，其包含一上被覆層108、一矽裝置層110、一下被覆層112及一矽基板114。在各種實施例中，該等層佈置在矽光子濾波晶片102中，其中上被覆層108形成矽光子濾波晶片102的一頂層，矽裝置層110位於上被覆層108與下被覆層112之間。在一或多個實施例中，下被覆層112位於矽基板114上，而矽基板114形成矽光子濾波晶片102的一底部部分。

在一或多個實施例中，上被覆層108及下被覆層112為氧化矽層，但除了氧化矽之外或作為對氧化矽的代替，亦可使用其他低折射率的光學材料。在本文中所使用的術語氧化矽通常指具有不同氧化態的低氧化矽。舉例而言，術語氧化矽包含一氧化矽（SiO）及二氧化矽（SiO ₂）二者。在各種實施例中，裝置層之上及之下的被覆層厚度通常可在約0.3微米至約3微米的範圍內。

在一或多個實施例中，矽裝置層110為氧化矽層，其包含嵌入於其中的一或多個「裝置」，例如：波導及共振器。舉例而言，矽光子晶片通常包含由元素矽構成且可能具有一摻雜劑的一或多個矽波導，其作為被覆嵌入在一氧化矽（例如：二氧化矽（SiO ₂））層中。在各種實施例中，由於指數或折射差異，一或多個被覆層將光限制在矽波導中。可使用微影或本發明所屬技術領域中已知的其他適當的圖案化技術來形成用於矽光子晶片的波導及其他結構。當利用氧化矽被覆時，該處理可適應微電子學中的絕緣體上矽處理技術。由於矽的高折射率，矽波導可具有約0.2微米至約0.5微米的厚度。

在各種實施例中，且在以下進一步闡述，矽光子濾波晶片102包含一基於環共振器的濾波器，該基於環共振器的濾波器提供返回增益晶片的可調頻反射。在此類實施例中，矽光子濾波晶片102包含一或多個環共振器結構，該等環共振器結構為彎曲的矽波導，其可作為一濾波器來為雷射提供頻率選擇。每個環共振器提供各種諧波的穩定反射。共振器環放置在波導附近，使得共振頻率藉由環耦合在波導之間。波導被放置成足夠靠近波導，使得可具有良好的光耦合，而無不期望程度的損耗。在一或多個實施例中，每個環與一加熱器相關聯，以提供頻率調頻及對濾波器響應的控制兩者。在一些實施例中，可使用熱控制來控制環共振器頻率的熱波動，而在其他實施例中，可使用熱控制來啁啾雷射頻率。對於具有一調頻固定頻率的光電信應用而言，使用具有稍微不同的光譜範圍的複數個環共振器允許選擇為該等環提供公共頻率的諧波。然後，雷射以公共頻率發射雷射。此選擇過程已進一步地描述於Sato等人的「高輸出功率及窄線寬矽光子混合環濾波器外腔波長可調頻雷射（High Output Power and Narrow Linewidth Silicon Photonic Hybrid Ring-Filter External Cavity Wavelength Tunable Lasers）」一文，其係發表於ECOC, PD2.3（2014），而該篇文獻以引用方式併入本文中。在某些實施例中，為啁啾雷射頻率，可能會期望該等環近似相等，使得該等環促進利用一線性變化的加熱器電壓進行線性啁啾。

在一些實施例中，各個環共振器亦可與一溫度感測器相關聯，該溫度感測器可為一電阻溫度偵測器（resistance temperature detector；RTD），以在一特定溫度靈敏度內量測與該環相關聯的溫度，如以下所闡釋。在一些實施例中，矽光學晶片被設計成具有一RTD，該RTD與和環共振器相關聯的加熱器間隔開，使得RTD可量測晶片溫度的變化。來自晶片級RTD感測器的溫度量測可用於固定頻率應用的回饋環路中，或者評估晶片的熱控制以及參考加熱器電流。

在各種實施例中，矽裝置層110包含與一腔相位調變器115相關聯的一連接波導117、一光斑尺寸轉換器116（例如：一透鏡）、一分路器-整合器118、一第一波導部分120、一第一環共振器122、一耦合波導部分124、一第二環共振器126、一第二波導部分128、一第一加熱器130、一第二加熱器132、一第一環溫度感測器134、一第二環溫度感測器136及一濾波晶片溫度感測器138。光斑尺寸轉換器（例如：透鏡）可被設計成調整自一個波導至另一個波導的波束尺寸。適當的透鏡對準在本發明所屬技術領域中為已知的。舉例而言，參見Arayama的美國專利公開案第2005/0069261號，其標題為「光學半導體裝置及其製造方法（Optical Semiconductor Device and Method of Manufacturing Same）」，該美國專利公開案以引用方式併入本文中。多級的光斑尺寸轉換器已描述於Sodagar）等人的美國專利公開案第2019//0170944號，其標題為「矽光子學中的多級光斑尺寸轉換器（Multistage Spot Size Converter in Silicon Photonics）」，該美國專利公開案以引用方式併入本文中。

在一或多個實施例中，光斑尺寸轉換器116將矽光子濾波晶片102耦合至基於半導體的增益晶片104，並提供模式尺寸匹配以減少由於矽光子濾波晶片102與增益晶片104之間的介面所引起的損耗。在附加或替代的實施例中，一分離的光斑尺寸轉換器可放置於增益晶片104與矽光子濾波晶片102之間。

在一或多個實施例中，腔相位調變器115包含與連接波導117的一區段介接的一加熱器。在各種實施例中，加熱器被配置成使用一調變訊號來被驅動，以調整雷射腔相位並有助於雷射頻率調變。舉例而言，在各種實施例中，可使用定位於與腔相位調變器115相關聯的波導區段上或附近的一或多個加熱器來調整腔相位調變器115。在此類實施例中，加熱器可由電流驅動，以熱改變波導的指數，以調整有效的腔共振。熱變化產生與驅動電流成正比的一指數變化，繼而產生一線性頻率調變。此外，在此類實施例中，具有一或多個與腔相位調整相關聯的加熱器允許頻率的快速啁啾。

分路器-整合器118耦合至連接波導117以及第一波導部分120及第二波導部分128。分路器-整合器118、第一波導部分120及第二波導部分128一起形成一多重濾波Sagnac干涉儀的多個部分。分路器-整合器118被配置為對一入射光訊號進行分路，並將一第一部分導向第一波導部分120以及將一第二部分導向第二波導部分128。分路器-整合器118還被配置為對自第一波導部分120及第二波導部分128接收的光進行整合，並將其經由連接波導117引導回光斑尺寸轉換器116。

通常，第一環共振器122、第二環共振器126、第一波導部分120、耦合波導部分124及第二波導部分128製作在矽裝置層110中。在各種實施例中，上被覆層108形成於上面且在環共振器及波導附近，而下被覆層112形成於下面。環共振器、波導及其他矽裝置通常由被覆（cladding）包圍。使用適當的矽圖案化技術來形成矽結構。

在各種實施例中，第一環共振器122及第二環共振器126各自包含環形（例如：圓形或橢圓形或卵形）波導，該等波導被配置成將來自相鄰波導臂的光耦合至該環中，然後沿著該環進行傳輸。在各種實施例中，第一環共振器122形成於第一波導部分120的一線性部分與耦合波導部分124的一線性部分之間，使得光可在第一環共振器122、第一波導部分120及耦合波導部分124之間行進。在一或多個實施例中，第一環共振器122被形成為使第一環共振器122與相鄰的第一波導部分120之間的一最短路徑出現在一經設計的間隙處貼近的點，以在第一波導部分120的一線性部分處提供所需的倏逝耦合。類似地，第二環共振器126位於耦合波導部分124與第二波導部分128之間，使得光可在耦合波導部分124、第二環共振器126及第二波導部分128之間行進。因此，形成了位於第一波導部分120與第二波導部分128之間的光路或通道，用於讓光經由第一環共振器122、耦合波導部分124及第二環共振器126在大致側向或徑向方向上行進，以有效地將與兩個環共振器共振的光反射回增益晶片104，除了沿著相對的臂之外。對於光的返回，分路器-整合器118作為一整合器來干涉來自對應波導臂的光。在共振時，干涉為相長的，且可在此類頻率下建立一駐波（standing wave）以支持雷射發射。

在各種實施例中，環共振器122、126的尺寸及折射率決定了共振頻率及相關諧波。因此，對環共振器122、126進行加熱會改變折射率，且因此改變共振頻率。因此，在一或多個實施例中，每個共振器與一或多個電阻加熱器相關聯以提供頻率調頻、保持恆定的環共振器溫度或頻率啁啾。舉例而言，在一或多個實施例中，第一加熱器130與第一環共振器122相關聯，且第二加熱器132與第二環共振器126相關聯。在各種實施例中，第一環溫度感測器134與第一加熱器130相關聯，且第二環溫度感測器136與第二加熱器132相關聯。在此類實施例中，溫度感測器被配置成確定其各自的加熱器的溫度。

一般而言，矽光子晶片可在三種不同的啁啾操作模式下操作。對於一窄的頻率範圍，環加熱器可被調整至一選定的溫度以自濾波器提供一所需的共振頻率，且腔相位加熱器可被掃描以啁啾雷射的頻率輸出。利用環與加熱器的一平衡設計，藉由同時掃描施加至環加熱器及腔相位加熱器的電流，可獲得顯著更寬的啁啾範圍，以一次相應地改變所有加熱器的加熱器功率輸出。藉由改變環加熱器的功率以及腔相位加熱器所能達成的頻率的近似線性變化可為寬很多倍的頻寬。

上述啁啾方法是假定雷射保持在單一操作模式中。隨著啁啾的進行，雷射可跳躍雷射發射模式，這會導致頻率及相位相對較小但並非不重要的跳躍。但頻率及相位的跳躍可使用一分接頭及偵測器來評估，例如使用一時延干涉儀及兩個光電偵測器來評估。由於頻率被用來評估與啁啾雷射束的交互作用，因此與頻率及相位跳躍相關的資訊可用於將觀察結果的評估拼接在一起，以有效地產生極大的啁啾頻寬，如以下進一步闡述。

另外參照第2圖至第4圖，在一些實施例中，環共振器122、126被設計為具有一或多個加寬的核心片段204，該等加寬的核心片段204各自具有相對於環共振器核心的其他部分加寬的核心橫截面。第2圖針對第一環共振器122繪示此一設計結構，但第二環共振器的結構可為等同的。剩餘的未加寬的片段205通常具有用於該裝置的一光波段的單模傳輸的核心尺寸。在一或多個實施例中，加寬的核心片段204為環共振器的彎曲片段。在此類實施例中，由彎曲的加寬片段中的光產生的場沿著加寬的核心片段204的一外邊緣206變得集中。與加熱器相關聯的金屬可與波導接觸，因為將場移位至波導的替代部分允許可接受的光學損耗。在一些實施例中，加寬的核心片段204為多個被分離加熱的區，該等被分離加熱的區的每一個具有定位於加寬的核心片段204的一內邊緣208上的一加熱器130。在一或多個實施例中，加寬的核心片段被定位成遠離進入／離開環進入相鄰波導的耦合區，以減少耦合中的任何干擾。已在使用馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀的情況下將模擬用於評估隨波導加寬量而變化的光學損耗，參見Watts等人的「絕熱熱-光馬赫-曾德爾開關（Adiabatic thermo-optic Mach-Zehnder switch）」一文，其發表於Optics Letters, 38(5), 733 (2013)（以下稱為Watts-2013），該文獻以引用方式併入本文中。Watts-2013發現，對於0.4微米的單模波導核心，在約0.8微米至約1.3微米的寬度處存在一平坦的最小值。對於較小的加寬量，損耗歸因於來自加熱器的散射，而對於較大的加寬量，損耗歸因於多模傳播。

在此類實施例中，加寬的核心片段204支持光傳播，但穿透波導外部或加熱器130附近的波導區段附近的電磁場減少。舉例而言，如第2圖所示，加熱器130大致定位於加寬的核心片段的最寬部分處。在各種實施例中，加寬的核心片段204為彎曲的。在此類實施例中，且參照第3圖中的光強度進行描述，其中加寬的片段為彎曲的，通過波導的光路緊靠或集中在波導的外邊緣206上且因此遠離放置加熱器130的內邊緣208。因此，加寬的核心片段204的彎曲形狀有助於減少光學損耗效應，其藉由進一步將加熱器與光路隔開而但同時仍將加熱器定位成抵靠波導。因此，可允許加熱器130靠近環共振器核心放置或與環共振器核心接觸而無過多的光學損耗，以提供增加的頻寬及更快的響應時間。在某些實施例中，加寬的核心片段204為連接至相對較窄的單模波導片段的環共振器122、126的加寬區段。在各種實施例中，加寬的片段的寬度至少為波導或環共振器的非加寬或單模部分的寬度的約1.5倍，且在其他實施例中為約2倍至約5倍。舉例而言，在某些實施例中，加寬的片段的寬度約為50微米，而環共振器的非加寬或單模部分的寬度約為9微米。

儘管一些實施例將加寬的核心片段繪示為彎曲的，但在各種實施例中，加寬的核心片段可為波導的線性片段。舉例而言，參考第5圖，其繪示一線性加寬的波導區段及加熱器的一實施例的局部俯視圖。在此類實施例中，如同彎曲的核心片段一般，這些線性片段支持光傳播，但在加熱器130處或加熱器130附近穿透波導外部的電磁場減少。在一或多個實施例中，通過波導的光路集中在波導的中心處，且因此遠離放置加熱器130的內邊緣208。因此，加寬的核心片段204的彎曲形狀有助於藉由進一步將加熱器與光路間隔開而減少光學損耗效應，但同時仍然將加熱器定位成抵靠波導。

參考第4A圖至第4B圖中的模擬曲線，在各種實施例中，將加熱器放置成更靠近波導會使得核心的加熱體積更小。若需要對較小體積的光學材料進行加熱，則可更快地對該材料進行加熱及冷卻，以提供更快的調頻速度。此外，由於各種實施例將加熱器130放置在加寬的核心片段204處，因此光學損耗為可接受地低。除了縮短頻率調頻的響應時間之外，更近地放置加熱器允許進行更少的加熱，這是因為在加熱器開啟時散熱減少，因此可節省額外的能量。

為理解熱響應時間，針對如第2圖所示且平均半徑為3微米的一環共振器進行模擬。在模擬中，將電流施加至加熱器以將溫度驅動至219 ，且在熱行為模擬中，使用定位於靠近加熱器的波導內部的一模擬感測器來監測溫度隨時間的變化。溫度上升繪製在第4A圖中，且其達到最終溫度的90%需要2.83微秒。關閉電流，以類似方式對冷卻進行監測，且冷卻變化被繪製在第4B圖中。在該模擬中，將90%冷卻回基線溫度需要2.8微秒。

在某些實施例中，每個環共振器122、126還可與一溫度感測器（其可為一RTD）相關聯，以在一特定的溫度靈敏度內量測與該環相關聯的溫度。RTD感測器需要較加熱器更遠離核心，因此其響應時間將顯著慢於加熱器，且對核心處的實際溫度顯著地不敏感。通常，一RTD感測器可放置在頂部被護之上。環RTD仍然可為有用的，尤其是在環未被啁啾的情形中。在一些實施例中，矽光學晶片被設計有一RTD，且該RTD與和環共振器相關聯的加熱器間隔開，使得RTD可量測晶片溫度的變化。遠離加熱器放置的一RTD可提供關於晶片背景溫度的一般漂移的有用資訊，可在雷射操作中考慮此有用資訊。若雷射頻率被鎖定用於電信功能，則來自晶片級RTD感測器的溫度量測可用於反饋環路中。

再次參照第1圖，在各種實施例中，第一波導部分120及第二波導部分128各可被成形為具有由一彎曲區段連接的一線性區段，如圖所示，以自分路器-整合器118分支，以沿著對應的環共振器122、126通過。在其他實施例中，第一波導部分120及第二波導部分128可限定包含線性部分及彎曲部分的其他形狀。在一實施例中，第一波導部分120係關於矽光子濾波晶片102的一縱軸與第二波導部分128對稱，該縱軸自矽光子濾波晶片102的鄰近增益晶片104的第一端（前端）140朝向矽光子濾波晶片102的與增益晶片104相對的第二端（後端）142延伸。由於Sagnac干涉儀的環路性質，第一波導部分120及第二波導部分128是否對稱可能通常並不重要，但對於在本文中闡述的線性啁啾而言，對稱實施例可提供一顯著的設計優勢。在一實施例中，且如圖所示，第一波導部分120及第二波導部分128各自終止於第二端142附近，使得任何非共振光通常皆會消散。

在以下闡述的進一步的實施例中，第一波導部分120及第二波導部分128在遠離增益晶片的晶片的遠側相遇，並在一整合器整合，且若波導臂（即，第一波導部分120及第二波導部分128）與相應的環共振器122、126之間的耦合被調頻遠離50:50使得Sagnac干涉儀充當一部分反射鏡，則此種構造提供來自矽光子晶片的雷射發射。

在一個實施例中，耦合波導部分124實質上形成一「U」形，其中一彎曲的中間區段鄰接一對線性部分，並位於第一環共振器122與第二環共振器126之間。耦合波導部分124被定位成足夠靠近第一環共振器及第二環共振器，使得該等元件光學耦合。耦合波導部分124提供對光傳輸方向的反轉，使得光學訊號在相反的方向上反向傳播回增益晶片。儘管被繪示為具有彎曲的中間區段的「U」形狀，但應理解，耦合波導部分124可界定其他形狀。在一實施例中，耦合波導部分124的各個端點軸向延伸超過第一環共振器122及第二環共振器126，並相鄰於第二端142終止。以下闡述「U」形狀的替代物。

在一或多個實施例中，增益晶片104可為在具有自由空間濾波器的ECL中使用的一增益晶片。合適的增益晶片已描述於授予Daiber且標題為「具有柵產生器連續調頻的外腔雷射（External Cavity Laser With Continuous Tuning of Grid Generator）」的美國專利第6,882,979B2號以及授予Daiber等人且標題為「具有分束器的小封裝可調頻雷射（Small Package Tunable Laser With Beam Splitter）」的美國專利第8,462,823B2號，此二篇專利以引用方式併入本文中。增益晶片及SOA通常是基於類似的半導體技術。增益晶片及SOA在具體功能上有所不同，且因此可考量不同的最佳化來進行設計。具體而言，增益晶片提供雷射腔的一部分，使得其前表面係部分地反射，以建立駐波來驅動同調受激發射以發出雷射。SOA並非為雷射腔的一部分，且可相應地被設計成僅對通過SOA的光學傳輸提供功率增益。增益晶片及SOA的組成通常為不同的，且對波導的耦合可考量到不同的波導尺寸，例如以光斑尺寸轉換器進行耦合。

第6圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置600的矽裝置層610的一實施例的示意性俯視圖。如圖所示，可調頻固態雷射裝置600包含一矽光子濾波晶片602以及一基於半導體的增益晶片604，該基於半導體的增益晶片604藉由一光斑尺寸轉換器616與矽光子濾波晶片602耦合，其中光斑尺寸轉換器616提供模式尺寸匹配。矽光子濾波晶片602可包含一絕緣體上矽構造，其在一矽晶圓上具有多個堆疊的氧化矽層，所述氧化矽層包含一上被覆層、下被覆層及一元件矽裝置層610，其中元件矽裝置層610具有被氧化矽被覆包圍的矽結構。第6圖繪示矽裝置層610的示意性俯視圖，該矽裝置層610包含嵌入於其中的一或多個「裝置」，例如：波導、共振器及類似裝置。如第6圖所示，矽裝置層610包含具有一腔相位調變器615的一連接波導617、第一分路器-整合器618、一第一波導部分620、一第一環共振器622、一耦合波導部分624、一第二環共振器626、一第二波導部分628、控制器660及一第二分路器-整合器629。相較於第1圖所示的矽光子濾波晶片，第6圖的矽光子濾波晶片602具有設計用於快速調頻的一腔相位調變器615以及提供矽光子濾波晶片的雷射輸出的第二分路器-整合器629。

為改善腔相位調變器615的響應時間以幫助將光強度引導至多模波導的邊緣進而允許將加熱器放置在遠邊緣（具有較小彎曲半徑的邊緣）處，加寬的核心片段650可為彎曲的。如第6圖所示，腔相位調變器615包含四個彎曲的加寬的核心片段650，每一彎曲的片段具有一加寬的片段。每一彎曲的片段與一加熱器652相關聯，加熱器652放置在位於加寬的片段的內部部分處或緊鄰加寬的片段的內部部分的矽層中。如上所述，相對於具有相對低的光學損耗的其他加熱器設計，將加熱器放置在一加寬的彎曲波導的一內邊緣處允許進行快速調頻。儘管示出四個彎曲的片段，但亦可使用一個、二個、三個或多於四個片段來滿足設計目標。每個彎曲的片段可具有一加熱器，該加熱器定位於與光強度有效定位的位置相對的邊緣處。然後，可快速對腔相位進行調頻以啁啾頻率。

如第6圖所示，第一波導部分620及第二波導部分628自矽光子濾波晶片602的鄰近增益晶片604的第一端640朝向矽光子濾波晶片602的第二端642延伸。在各種實施例中，第一波導部分620及第二波導部分628各自具有一線性區段結合分支至／分支自第一分路器-整合器618及第二分路器-整合器629的彎曲區段以沿著對應的環共振器622、626經過。然而，與以上繪示的第一波導部分620及第二波導部分628各自朝向或鄰近第二端642終止的實施例相反，如第6圖所示，第一波導部分620及第二波導部分628藉由第二分路器-整合器629連接，以提供鄰近於第二分路器-整合器629定位的一雷射波導，用於在矽光子濾波晶片602的第二端642與一外部光學電路連接。此外，在此類實施例中，增益晶片604可包含一反射鏡，該反射鏡位於增益晶片遠離矽光子濾波晶片602的遠側上。

控制器660可包含一微控制器、微處理器、數位處理器或類似裝置，或其組合，以及本發明所屬技術領域中已知的適當種類的記憶體，以及其他控制電子裝置。如上文參照第1圖所闡述，矽光子濾波晶片102包含第一加熱器及第二加熱器以及相關聯的第一電阻溫度感測器及第二電阻溫度感測器。在各種實施例中，控制器660可與加熱器進行適當電性通訊。因此，控制器660可被配置成控制由加熱器產生的熱量的量，並因此控制有多少熱量被傳遞至第一環共振器及第二環共振器。

控制器660通常還與第一環溫度感測器、第二環溫度感測器及濾波晶片溫度感測器電性通訊。控制器660被配置成接收來自第一環溫度感測器、第二環溫度感測器及濾波晶片溫度感測器的輸入，並基於接收到的輸入來控制加熱器。在一實施例中，控制器660亦與增益晶片104進行電性通訊，且被配置成控制增益晶片104的一或多個操作。在一些實施例中，控制器660可以小的增量對加熱器實行簡單的反覆溫度調整，以在適當的方向上調整溫度。然而，可使用更複雜的回饋環路，例如：比例-積分-微分（proportional-integral-derivative）方法。

另外參照第7圖，此配置為如第6圖所配置的一可調頻固態雷射裝置600的示意性側視圖於功能上的繪示，以描述功能關係。在各種實施例中，當濾波器／反射器在一光學連接器處繼續並連接時，此種配置提供自矽光子濾波晶片602的雷射發射，在該光學連接器處共振光可相長干涉並繼續傳播至第二端642。為清楚起見，環加熱器704及708係以一交錯關係示出，儘管在一側視圖中它們通常為排成直線的。在各種實施例中，為提供來自一部分反射的適當洩漏以提供雷射發射，分裂波導臂與對應環共振器的介面可被設計成具有適當減小的耦合。舉例而言，在某些實施例中，若波導部分與相應的環之間的耦合被調頻遠離50:50，則Sagnac干涉儀充當反射來自增益晶片的大部分光但非全部光的一部分反射鏡。在一或多個實施例中，矽光子濾波晶片602可使用一透明黏著劑或其他合適的連接器連接至另一矽光子電路或類似結構。

參照第8圖，其描繪基於對腔相位進行調變的啁啾的示意圖，在一系列圖式802、804、806中繪示對準的用於啁啾／調頻的各種頻率，其以任意縮放比例繪製頻率與強度的關係。如上所述，在各種實施例中，矽光子濾波晶片包含一或多個環共振器，該等環共振器被配置成充當選擇適當頻率的光學濾波器。因此，如在圖式802中所繪示，其示出複數個共振頻率810，每一共振頻率指示來自環共振器的經過濾的反射，其包含經過濾的透射的頻率及強度。此外，圖式802繪示複數個腔模式812，各該腔模式指示覆蓋有該等濾波器共振頻率的模式的一頻率。腔模式基本上被繪示為簡單的銳線，而濾波器共振被示出為相對於共振峰具有相對較小但有限的寬度。如在圖式802中所示，該等腔模式係為各自對應於一不同的頻率的縱向模式。

圖式804指出一初始雷射發射頻率，其中一腔模式815與一經過濾的共振頻率816交疊。在此類實施例中，該初始雷射發射頻率接著橫越共振頻率816被啁啾或調頻，例如：採用在本文中所述的具有腔相位調變器的加熱器及波導的總成。舉例而言，圖式806繪示一第二腔模式820被啁啾或調頻以相對於初始腔模式815調整其頻率。在各種實施例中，需重複此過程以根據需要在一些或所有共振頻率816上掃描腔相位模式。為獲得加寬的啁啾頻寬，濾波器共振可與腔相位一起被調頻以獲得寬的啁啾頻寬。

參照第9A圖，頻率啁啾可被執行為具有一線性時間相依性。矽熱-光擾動為產生一線性頻率啁啾提供一良好的介質。舉例而言，第9A圖繪示的圖式902、904呈現出使用頻率值相對於時間的關係的原型對應至腔相位驅動訊號（以伏特為單位）相對於時間的關係的實驗室量測值。在模擬中，一腔相位驅動訊號自大約0.03伏特的一初始值被驅動至大約-0.03伏特的一值，該值對應於啁啾頻率的一最小頻率值。隨後，腔相位驅動訊號自大約0.06伏特的一值增加至為-0.03伏特的一值，以將啁啾頻率增加回一初始值。在各種實施例中，線性時間相依性對應至一鋸齒形狀，參圖式904，其在一最大值與一最小值之間線性增加或減少。在一或多個實施例中，線性頻率變化的範圍為啁啾頻寬。若啁啾雷射用於同調深度量測，則啁啾頻寬與量測解析度相關，因此一較大的頻寬會獲得增加的解析度。藉由啁啾腔相位，可達成2 GHz至3 GHz量級的一啁啾頻寬。

參照第9B圖，其示出來自實驗室量測的雷射強度的曲線圖，為向上啁啾（up-chirp）頻率及向下啁啾（down chirp）頻率的函數。向上啁啾及向下啁啾的斜率相對於彼此稍微改變以允許峰值分離並單獨可見。此亦模擬一光達量測中多普勒頻移的差異，其中啁啾被反向篩選。在一光達系統中，目標返回訊號將具有一頻率啁啾，該頻率啁啾為此三角波形的一延遲版本且因目標的徑向速度而存在額外的多普勒頻移。三角啁啾波形的向上啁啾部分及向下啁啾部分將在自目標反射時獲取相反符號的多普勒頻移。此將導致訊號及本地振盪器波束的干涉拍音（interference beat note）分裂。第9B圖示出一光達返回訊號的頻譜的一實例，其中差拍訊號（beat signal）分裂的幅度及符號可用於量測徑向速度。

在各種實施例中，為產生指數變化，矽中的熱-光學效應為線性的，且指數變化為溫度的一線性函數，如下所示： ， 其中， 為熱-光學係數， 為波導溫度變化，且 為波導長度。在某些實施例中，對於雷射發射腔模式而言，雷射頻率與腔相位成正比，因此隨波導溫度線性變化。 ， 其中， 為雷射頻率的變化，且L _h為加熱器的長度。在一或多個實施例中，施加至腔相位區段的熱功率為調變驅動電流的函數。 ， 其中， 為加熱器電阻，且 。 其中， 為調變電流。當調變電流為小時，波導溫度為調變電流的一線性函數，因此產生一線性頻率啁啾（ ）。對於本文中的應用，非線性項為無關緊要的。

為在無模式跳動的情況下達成寬調頻，環濾波器及腔模式應以與溫度相同的速率進行調頻。環濾波器將調頻為 ，其中 為環加熱器的長度，且 為環的周長。然而，腔模式調頻為 ，其中 為相位加熱器長度，且 為總雷射腔長度。調頻範圍將由最大允許值 的限制來設定。為擴大調頻範圍， 應等於 ，使得兩者一起接近最高溫度。在此種情形中，為匹配調頻速率，設置 為可取的。

在各種實施例中，對於大的調變電流而言， 項的影響可被校準。

參照第10圖，其繪示根據本揭露的一或多個實施例的一高速啁啾系統的一電氣圖1000。電氣圖1000包含如上所述的對應於腔相位調變器及環共振器的三個加熱器1004、1006、1008。在各種實施例中，加熱器1004、1006、1008各自被一對低速調整數位-類比轉換器（digital-to-analog converter，DAC）1010驅動，使用DAC 1010是因為對各加熱器而言，加熱與I ²成比正，此允許對電流偏移及幅度進行調整。

在一或多個實施例中，一高速啁啾DAC 1012藉由連接至每組低速調整DAC 1010中的一個而並聯連接至每個加熱器。在此類實施例中，可使用動態微調來調整類比單啁啾驅動訊號使其可為相位共振器及環共振器同時驅動3個加熱器1004、1006、1008。

在此類實施例中，環共振器及腔相位調變器可利用相同的變化電流同時調頻／啁啾以線性驅動雷射頻率，進而獲得一極寬頻的啁啾。在此類實施例中，藉由將每一環共振器設計成具有相同的熱性能，單個驅動訊號因而能夠沿著相等的環共振器響應的對角線來驅動調頻的傳輸峰值。選擇使腔相位調整訊號具有與環共振器驅動相同的響應（GHz/mW加熱），相同的訊號能被用來驅動腔相位。藉由利用單個線性變化的電壓來啁啾三個加熱器，啁啾電壓在一極大的啁啾頻寬上可為近似線性的。舉例而言，在某些實施例中，自150 GHz至200 GHz頻寬的一寬頻啁啾可利用環及腔相位控制來達成。相比之下，在某些實施例中，僅藉由腔相位控制便會獲得2 GHz至3 GHz的啁啾頻寬。因此，通常可在約2 GHz至約200 GHz、在進一步的實施例中可在約3 GHz至約175 GHz以及在其他實施例中可在約5 GHz至約150 GHz的範圍內達成在單一雷射模式內的啁啾頻寬。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將認知到上述明確範圍內的其他範圍也為可預期的，並且該等其他範圍亦在本揭露的範圍內。

為進一步擴展啁啾頻寬，一特定雷射模式內的片段可被拼接，在訊號處理期間被調整，跨越一模式跳躍以擴展啁啾範圍。參照第11圖至第12圖，其描繪根據本揭露的一或多個實施例的頻率與時間的關係圖式1100，其比較一分段的或「拼接的」頻率啁啾1102與一理想頻移啁啾1104。在各種實施例中，藉由使用一相位偏置以精確地將啁啾片段拼接在一起可達成將線性啁啾的片段拼接在一起以進一步地擴展啁啾頻寬。舉例而言，一擴展頻寬的一理想結果由線來繪示，該線呈現在一大的頻寬上擴展的一理論上連續的頻率啁啾。雷射的頻率在模式跳躍時經歷了頻率及相位上的小的不連續，但對此種不連續的評估可被用來調整基於考慮不連續的啁啾的計算，此在本文中被闡述為拼接。對於例如同調斷層掃描或工業計量等應用而言，這是一種特別有用的技術，在該等應用中，需要具有5 THz至10 THz或大於10 THz頻寬的一連續啁啾以達成高解析度及高精確度量測。因此，在各種實施例中，只要具有強雷射輸出的模式可用，便可在感測系統中將複數個啁啾片段（例如：上述各自具有150 GHz至200 GHz的一頻寬）拼接在一起以產生一更大的頻寬。舉例而言，此種技術可被用來達成一所需的解析度或精確度。

然而，在實際應用中，將啁啾片段拼接在一起的持續頻移可導致雷射的一模式偏移，進而導致同調性的損失以及相位的不連續跳躍。因此，在各種實施例中，分段的或「拼接的」頻率啁啾的實際應用將包含由一或多個間隙1112分隔的頻帶1110的一或多個片段。為了提供連續的啁啾，可進行校正以啟用拼接。

具體而言，雷射控制電路可被配置為使用關於模式轉換時的跳躍的資訊來將啁啾拼接在一起，其具可接受的相位誤差。舉例而言，在一或多個實施例中，當雷射波長達到相同雷射模式內的線性啁啾範圍的極限時，雷射控制系統可在新模式開始時調整起始相位及頻率。此可能產生一頻隙（frequency gap），但為可接受的。當在此種腔模式下發射雷射時，雷射相位將會不同。在此類實施例中，可提供光學電路系統來偵測相位差，此可用於拼接啁啾訊號。在一些實施例中，延遲線干涉儀或法布里-珀羅（Febry-Perot）干涉儀可量測來自一分接頭的雷射光以獲得可用於拼接的雷射訊號的頻率及相位。舉例而言，在各種實施例中，可達成1.5 THz的一拼接啁啾頻寬。在一些實施例中，可達成5 Thz的一拼接啁啾頻寬。

第13圖為被表示為一光電二極體電流的雷射輸出，為如第1圖所示的一實施例的二個環共振器的加熱器電流的函數。實際上，較亮的區域代表強雷射發射，而較暗的區域代表很少或無雷射發射。亮點區域對應於雷射模式。若考慮到沿一對角線的移動（在該對角線處，施加至兩個加熱器的電流皆增加），當在光點之間跳躍時，雷射輸出為不連續的，且雷射頻率平滑地偏移直至在雷射模式中有改變的跳躍為止。此圖可為理解啁啾提供概念背景，其中雷射頻率變化直至出現一模式轉換，在發生模式轉換時，頻率及相位經歷跳躍，且雷射輸出不連續，此隨後恢復。如在本文中所述，啁啾的該等片段可被拼接在一起。藉由共振器及加熱器性能的適當設計，峰值雷射發射強度可在對應於相等加熱器功率的對角線上對準，如第13圖所示。類似地，相鄰模式在一有序的網格中對準，此為模式拼接提供所需的行為。在單一模式內擴展頻寬會產生更大的光點，此會減少或消除一特定總頻寬所需的任何拼接。

參照第14圖，其繪示一可調頻固態雷射裝置1400的矽裝置層1410的一實施例的示意性俯視圖。如圖所示，可調頻固態雷射裝置1400包含一矽光子濾波晶片1402及一基於半導體的增益晶片604，該基於半導體的增益晶片604經由提供模式尺寸匹配的一光斑尺寸轉換器616而與矽光子濾波晶片1402耦合。此實施例類似於第6圖中的實施例，但增加一延遲線干涉儀。如第14圖所示，矽裝置層1410包含一腔相位調變器615、一第一分路器-整合器618、一第一波導部分620、一第一環共振器622、一耦合波導部分624、一第二環共振器626、一第二波導部分628及一第二分路器-整合器1414。相較於第6圖所示的矽光子濾波晶片，第14圖的矽光子濾波晶片1402具有連接至第二分路器-整合器1414的一延遲線干涉儀1420，但延遲線干涉儀可連接至一不同的分接頭。第二分路器-整合器1414在環共振器側可為對稱的，且若需要，則其在延遲線干涉儀側可為不對稱的，使得雷射強度不會減少50%進而提供使用延遲線干涉儀的相位／頻率評估。

如第14圖所示，延遲線干涉儀1420包含一彎曲區段，該彎曲區段分支至第二分路器-整合器1414／自第二分路器-整合器1414分支至第三分路器-整合器1424，該第三分路器-整合器1424分支至一第三線性波導片段1426及一第四線性波導片段1428。在各種實施例中，一延遲線1430定位於第四線性波導片段1428中。

在各種實施例中，第三線性波導片段波導及第四線性波導片段波導在一第四分路器-整合器1432處重新結合並分離以連接至一對光電偵測器（photodetector，PD）1434，而光電偵測器1434繼而連接至一電性同步脈衝，該電性同步脈衝可用於跨模式跳躍將啁啾拼接在一起。在一些實施例中，可自雷射輸出中分接延遲線干涉儀1420以提供精確的相位偏置，進而將啁啾的片段拼接在一起，但亦可使用其他相位量測來獲得相位偏置。

參照第15圖，其係為一矽光子濾波晶片的另一實施例的俯視圖，該晶片具有一對環共振器及終止於一反射器中的一波導。在第15圖所示的實施例中，在由該等層提供的結構內，濾波晶片1500包含第一波導部分1520、第一環共振器1522、第二波導部分1528、第二環共振器1526、反射器部分1550、第一加熱器1530、第二加熱器1532、第一環溫度感測器1534、第二環溫度感測器1536及晶片溫度感測器1538。濾波晶片1500界定第一端（前端）1540及第二端（後端）1542。第一波導部分1520、第一環共振器1522、第二波導部分1528、第二環共振器1526及反射器部分1550形成用於傳輸光的一光學路徑，該光學路徑終止於反射器部分1550。與環共振器共振的光經由該光學路徑反射回來，而其他光通常消散。

在一實施例中，第一波導部分1520形成一弧形形狀，該弧形形狀具有一第一大致線性部分、一第二大致線性部分以及一彎曲部分，其中該第一大致線性部分相鄰於濾波晶片1500的第一端（前端）1540且被配置用於與一增益晶片進行光學通訊，該第二大致線性部分相鄰於第一環共振器1522，且該彎曲部分連接第一線性部分與第二線性部分。在一實施例中，第二波導部分1528可為在第一環共振器1522與第二環共振器1526之間橫向地延伸的大致直的線性波導。反射器部分1550包含與第二環共振器1526通訊的一反射器。在一實施例中，反射器部分1550可包含波導部分1552及反射器結構1554。在其他實施例中，反射器部分1550可僅包含充當一反射器的波導部分1552，或者僅包含反射器結構1554。在一實施例中，反射器結構1554可包含一金屬化反射鏡、一環形反射器或另一種已知類型的光學反射器。

第一加熱器1530及第二加熱器1532類似於如上所述的加熱器，且可由一控制器選擇性地控制以加熱其各自的環共振器1522及1526，藉此改變光頻率，即「調頻」雷射。在操作中，一般而言，來自增益晶片的與二個共振器環共振的光傳輸至濾波晶片中，該光沿著第一波導部分1520、通過第一環共振器1522、通過第二波導部分1528、通過第二環共振器1526，並到達反射器部分1550。反射器部分1550將光沿著第二環共振器1526、第二波導部分1528、第一環共振器1522及第一波導部分1520的路徑往回反射以輸出至增益晶片。

參照第16圖，其繪示一濾波晶片1602的另一實施例，濾波晶片1602具有以一反射器終止的一基於非干涉儀的光學路徑。濾波晶片1602類似於上述矽光子濾波晶片102，但包含一系列彼此耦合而無中間波導的環共振器。此種濾波器設計係改編自Bolla等人的標題為「用於無中斷可調頻光學濾波的方法及裝置（Method and Device for Hitless Tunable Optical Filtering）」的已公開的美國專利公開案第2010/0183312號中的透射光學濾波器結構，該美國專利公開案以引用方式併入本文中。

在一實施例中，如第16圖所示，濾波晶片1602包含如上文參照矽光子濾波晶片102所述的該等晶片層以及連接波導1617、分路器-整合器1618（類似於第1圖所示的分路器-整合器118）、第一波導部分1620、初始或第一環共振器1622、最終環共振器1626、第二波導部分1628、中心環1654、初始或第一環加熱器1630、最終環加熱器1632、中心環加熱器1650、初始或第一環溫度感測器1634、最終環溫度感測器1636、中心環溫度感測器1652及晶片感測器1638。如第16圖所示，連接波導1617包含沿著濾波晶片1602軸向延伸的直的線性波導，並且被配置成在濾波晶片1602的一第一端1616處與增益晶片通訊。儘管連接波導1617被繪示為線性的，但應理解，連接波導1617 可限定其他形狀，例如但不限於彎曲的形狀或其他合適的形狀。

濾波晶片1602可包含複數個包括第一環共振器1622及最終環共振器1626在內的二或更多個環共振器，藉此形成一環共振器系列。未繪示的額外的環共振器可選擇地可位於第一環共振器1622與最終環共振器1626之間。原則上，第三環共振器可對反射光施加限制使光適當地與全部三個環共振器共振，此可導致更大的邊帶抑制。儘管第16圖示出三個環共振器，但可將任何奇數個環進行排列。

同調光達（基於FMCW的光達）可在單次量測中提供深度及徑向速度資訊。速度資訊係藉由返回訊號的光學頻率的多普勒頻移獲得的。在可能的同調光達配置中，雷射的光學頻率可被調變成一三角形形式，如第17圖所示。參照第17圖，其示出單畫素輸出的一FMCW同調光達配置與返回一反射訊號。

一雷射1700（例如：一窄線寬雷射）發射可由雷射直接調變的一光學訊號1701。調變訊號穿過一透鏡1705並反射離開目標1707。目標1707位於距離透鏡1705特定距離或範圍1709處。若目標正在移動，則其亦將具有一速度1711及軌跡1719。一時延光學反射訊號1713經由透鏡1705返回，且在透鏡1705處其被引導至一混合器1715，混合器1715可為將接收的訊號與自光學輸入分離的一參考訊號摻和的一定向耦合器。一單一反射光束僅感測沿著光束方向的速度分量。

為在一FMCW系統中實行光達，以一最大啁啾頻寬B對雷射頻率進行線性頻率啁啾，且將雷射輸出發送至目標（Tx訊號）。來自目標的反射光在一平衡偵測器對中與Tx訊號（本地振盪器）的副本混合。此將差拍訊號向下轉換。差拍訊號的頻率代表目標距離及其徑向速度。當利用一線性啁啾的一三角形波形對雷射頻率進行調變時，可計算徑向速度及距離。此可相對於掃描視場來構建圖像以各種方式實施。在以上引用的'386公開案中，基於一固態波束操縱畫素陣列而詳細描述一系統，該固態波束操縱畫素陣列具有適當的光學裝置以將透射光引導至視場上的一柵格，且具有實行切換功能的固態光學開關。固態波束操縱陣列可由一或複數個（例如：一個陣列）具有啁啾訊號的雷射光源驅動。

相對於依賴相鄰波束的相位變化來藉由波束干涉提供一操縱功能的技術，在本文中所描述的基於畫素的波束操縱容許使用更便宜的雷射。基於畫素的波束操縱依賴於創造有效的光學開關的能力，該等光學開關具有沿著一光學晶片上的低損耗波導整合的低串擾。一接收器可整合至晶片中，以提供一緊湊的發射器／接收器陣列。為實行光達，可藉由一外部調變器或雷射的直接調變來達成對雷射光的頻率調變。在本文中闡述的雷射提供對雷射光的直接調變以進行高效操作。將雷射輸出（本地振盪器）與自目標反射的時延光場混合會產生可用於組合所需圖像的一時間變化中間頻率（intermediate frequency，IF）。

對於基於雷射的光達的實行，在指定位置中傳輸同調雷射光以覆蓋一視場，並接收反射光。接收到的反射光與透射光的一副本之間的干涉可用於組合一圖像。雷射訊號可為頻率調變連續波（FMCW）光。儘管可使用一機械掃描儀（該機械掃描儀物理地移動一透射元件，通常利用一透鏡聚焦）在視場上掃描光的透射，但可期望使用一非移動結構，其中一透射陣列可選擇性地掃描來自一畫素陣列的視場。上面所引用的'386公開案已闡述用於發射或／及接收雷射光的陣列。若開關陣列圍繞矽光子波導構建，則光達結構可方便地連接至矽光子外腔。

在一FMCW系統中，以一最大啁啾頻寬B對雷射頻率進行線性頻率啁啾，且雷射輸出發送至目標（Tx訊號）。來自目標的反射光與Tx訊號（本地振盪器）的副本在一平衡偵測器對中混合。此將差拍訊號向下轉換。差拍訊號的頻率代表目標距離及其徑向速度。當利用一三角形波形（即，線性啁啾）對雷射頻率進行調變時，可計算徑向速度及距離，如以下進一步所述。此可相對於掃描視場來構建圖像而以各種方式實施。舉例而言，可基於一固態波束操縱畫素陣列來實行此種掃描，該固態波束操縱畫素陣列具有適當的光學裝置以將透射光引導至視場上的一柵格，且具有實行切換功能的固態光學開關。在本文中論述的上下文中，靜止係指特定光達組件的參考架構，因此固態波束操縱陣列係為靜止的。可使用雷射束的直接雷射調變或單獨調變來實現啁啾。在本文中闡述的外腔雷射為雷射訊號的寬頻直接調變提供一高效率的平台。

將雷射輸出（本地振盪器）與自目標反射的時延光場進行混合會產生時間變化中間頻率（IF）。IF頻率為範圍、頻率調變（啁啾）頻寬（B）及調變（啁啾）週期（T）的函數，如方程式（1）所示，其中c為光速。 （1）

二個中間頻率（即fdiff_down及fdiff_up）係從由二個接收器接收的訊號的傅立葉變換中獲得的，且選擇對應至傅立葉變換的功率譜峰值的中心頻率。對於一移動目標的情形而言，一多普勒頻移將被疊加至IF（顯示為在波形斜升及斜降期間的下降時的頻率變化，參見第1B圖）。應注意，多普勒頻移為目標徑向速度及軌跡的函數。多普勒（徑向）速度可自以下方程式中獲得。 多普勒速度 （2） f _IF= (f ⁺ _IF+ f ^- _IF)/2 = ((𝑓𝑑𝑖𝑓𝑓_𝑑𝑜𝑤𝑛+𝑓𝑑𝑖𝑓𝑓_𝑢𝑝)/ 2 )                （3） 其中λ為雷射波長。物件速度（V）被評估為V _D/𝐶𝑜(ψ ₂)，其中ψ ₂為物件一邊緣的雷射束方向與運動方向之間的角度，此將在以下進一步闡述。可使用來自同調偵測的已知技術，從來自平衡偵測器的隨時間變化的電流之和的傅立葉變換擷取出差拍頻率（beat frequency）。

所述距離係在一特定的解析度內確定的。解析度（𝜟𝑹）：闡述二個可分辨的半透明表面之間的最小距離。比最小距離更近的半透明表面將顯示為單一表面。解析度與調頻頻寬成反比Δ𝑅 = 0.89 𝑐/𝐵。距離確定也是在一特定精確度或數值誤差內評估。精確度（𝝈𝑹）：闡述量測精確度，且取決於所接收訊號的雜訊比（signal to noise ratio，SNR）及啁啾頻寬。使用在本文中闡述的大頻寬啁啾允許獲得高解析度及精確度。

進一步的發明概念詳述如下。 1、一種可調頻固態雷射裝置，包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力，其中該矽光子濾波晶片包含一連接矽波導，至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個介接矽波導與該等環共振器耦合，各環共振器與一分離的加熱器相關聯，以及導向一光學裝置的一分接頭，該光學裝置用於評估頻率與相移，以提供相鄰啁啾頻率範圍的精確拼接，進而達成精確的擴展啁啾頻率範圍，其中該一或多個連接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器的每一個共振的光重定向回通過該輸入-輸出矽波導， 其中該矽光子濾波晶片的該連接矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損，且其中啁啾與輸入-輸出矽波導介接的該加熱器的電壓啁啾雷射輸出頻率。 2、在發明概念1中的另一可調頻固態雷射，其中在交錯的頻率範圍上依次獲得複數個啁啾頻率範圍，該等交錯的頻率範圍能被組合在一起以形成一擴展的拼接啁啾範圍。 3、在發明概念1中的另一可調頻固態雷射，其中連接矽波導包含一腔相位調變器，該腔相位調變器包含與連接矽波導介接的加熱器。 4、在發明概念3中的另一可調頻固態雷射，其中連接的矽波導包含一或多個彎曲的加寬核心片段，該等彎曲的加寬核心片段在彎曲波導的內邊緣處與加熱器元件介接，且其中環共振器包含波導的一加寬片段以與加熱器交互作用，其中加熱器定位於加寬的波導片段的內邊緣處。 5、在發明概念1中的另一可調頻固態雷射，其中所述至少兩個環共振器具有被設計為近似相同的熱響應，且其中一線性變化的啁啾電流被發送至與環共振器及腔相位調變器相關聯的加熱器以提供一更寬的啁啾頻寬。 6、在發明概念1中的另一可調頻固態雷射，其中用於評估頻率及相移的光學裝置包含一分接延遲線干涉儀。 7、在發明概念1中的另一的可調頻固態雷射，其中用於評估頻率及相移的光學裝置包含一法布里-珀羅干涉儀。 8、在發明概念1中的另一可調頻固態雷射，其中一拼接啁啾範圍至少為1 THz。 9、一種快速可調頻固態雷射裝置，包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力，其中矽光子濾波晶片包含一連接矽波導，至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個連接矽波導與該等環共振器介接，沿著每個環共振器的一片段，其中波導核心在一片段處擴大，且每個環共振器與一分離的加熱器在加寬片段處相關聯，其中該一或多個連接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器的每一個共振的光重定向回通過該連接矽波導， 其中該矽光子濾波晶片的該輸入-輸出矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損。 10、在發明概念9中的另一快速可調頻固態雷射裝置，更包含被配置成量測晶片溫度的一溫度感測器以及一控制器，該控制器連接至溫度感測器及分離的加熱器，且利用一回饋環路進行程式化以維持濾波器溫度來提供調頻頻率。 11、在發明概念9中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中該一或多個介接矽波導為在分路器-耦合器處分支的二個介接矽波導，該分路器-耦合器連接至該連接波導，各介接矽波導耦合至分離的對應的環共振器，且更包含一耦合元件，該耦合元件耦合相應的環共振器且相對於該增益晶片反轉光傳播方向。 12、在發明概念9中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中該矽光子晶片更包含一遠端耦合器，且雷射波導連接至該遠端耦合器，其中該二個介接矽波導連接至該遠端耦合器，該遠端耦合器將各自的光訊號耦合成一干擾配置，使雷射輸出從該矽光子晶片的雷射波導傳輸。 13、在發明概念9中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中連接矽波導包含與單模波導片段連接的一加寬波導片段，其中一腔相位調變器與加寬的波導片段介接。 14、在發明概念13中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中加寬的波導片段為彎曲的。 15、在發明概念13中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中腔相位調變器及二個環加熱器被設計用於同時調整施加至所有三個加熱器的電流以啁啾雷射電壓。 16、在發明概念13中的另一快速可調頻固態雷射裝置，其中所述至少兩個環共振器具有被設計為近似相同的熱響應，且其中一線性變化的啁啾電流被發送至與環共振器及腔相位調變器相關聯的加熱器以提供一更寬的啁啾頻寬。

本申請案主張Canoglu等人於2021年10月8日提出申請且標題為「利用矽光子外腔雷射進行波長掃描及頻寬擴展（Wavelength Scanning and Bandwidth Expansion With a Silicon Photonic External Cavity Laser）」的美國臨時專利申請案第63/253,633號的優先權，該美國臨時專利申請案以引用方式併入本案中。

以上實施例係作為說明性而非限制性的。在申請專利範圍內具有附加實施例。另外，儘管已參照特定實施例闡述本發明，然而本發明所屬技術領域中具有通常知識者應體認到，可在不背離本發明的精神及範圍的情況下在形式及細節上作出改變。以上以引用方式併入的任何文獻被限制為不會併入違反本文中明確揭露內容的標的物。在本文中以組件、元件、成分或其他部分闡述具體結構、組成物或／及過程的範圍下，應理解本文中的揭露內容涵蓋該等具體實施例，包含該等具體組件、元件、成分、其他部分或其組合的實施例，以及基本上由此等具體組件、成分、或其他部分或其組合組成的實施例，除非另有具體指示，否則該等組合可包含並不改變本論述中所暗示的標的物的基本性質的附加特徵。除非另外明確指示，否則本發明所屬技術領域中具有通常知識者將理解，本文中所使用的用語「約」係指由於特定參數的量測而導致的不精確。

100:固態雷射裝置 102:矽光子濾波晶片 104、604:增益晶片 108:上被覆層 110、610、1410:矽裝置層 112:下被覆層 113:熱電冷卻器 114:矽基板 115:腔相位調變器 116、616:光斑尺寸轉換器 117:連接波導 118:分路器-整合器 120:第一波導部分 122、622、1522:環共振器 124:耦合波導部分 126、626、1526:環共振器 128:第二波導部分 130:加熱器 132、1532:第二加熱器 134、1534:第一環溫度感測器 136、1536:第二環溫度感測器 138:濾波晶片溫度感測器 140:第一端 142、1542:第二端 204:加寬的核心片段 205:片段 206:外邊緣 208:內邊緣 600、1400:可調頻固態雷射裝置 602:矽光子濾波晶片 615:腔相位調變器 617:連接波導 618:第一分路器-整合器 620、1520:第一波導部分 624:耦合波導部分 628、1528:第二波導部分 629:第二分路器-整合器 640:第一端 642:第二端 650:加寬的核心片段 652、1004、1006、1008:加熱器 660:控制器 704、708:環加熱器 802、804、806、902、904:圖式 810:共振頻率 812:腔模式 815:腔模式 816:共振頻率 820:第二腔模式 1000:電氣圖 1010:數位-類比轉換器 1012:高速啁啾DAC 1100:頻率與時間的關係圖式 1102:頻率啁啾 1104:理想頻移啁啾 1110:頻帶 1112:間隙 1402:矽光子濾波晶片 1414:第二分路器-整合器 1420:延遲線干涉儀 1424:第三分路器-整合器 1426:第三線性波導片段 1428:第四線性波導片段 1430:延遲線 1432:第四分路器-整合器 1434:光電偵測器 1500:濾波晶片 1530:第一加熱器 1538:晶片溫度感測器 1540:第一端（前端） 1550:反射器部分 1552:波導部分 1554:反射器結構 1602:濾波晶片 1616:第一端 1617:連接波導 1618:分路器-整合器 1620:第一波導部分 1622:第一環共振器 1626:最終環共振器 1628:第二波導部分 1630:初始或第一環加熱器 1632:最終環加熱器 1634:初始或第一環溫度感測器 1636:最終環溫度感測器 1638:晶片感測器 1650:中心環加熱器 1652:中心環溫度感測器 1654:中心環 1700:雷射 1705:透鏡 1707:目標 1709:特定距離或範圍 1711:速度 1713:時延光學反射訊號 1715:混合器 1719:軌跡

第1圖為根據本揭露的一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置的立體圖，其中該可調頻固態雷射裝置包含矽光子濾波晶片及基於半導體的增益晶片。

第2圖為根據本揭露的一或多個實施例的具有加寬波導核心片段及加熱器的一環共振器的局部俯視圖。

第3圖為一加寬的波導核心片段附近的模擬電場的曲線圖，其繪示圍繞加寬曲線的一光傳播路徑。

第4A圖為根據本揭露的一或多個實施例的在具有一加寬波導核心片段及加熱器的一環共振器中的波導核心溫度相對於溫度上升時間的圖式。

第4B圖為根據本揭露的一或多個實施例的在具有一加寬波導核心片段及加熱器的一環共振器中的波導核心溫度相對於溫度下降時間的圖式。

第5圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一加寬波導區段及加熱器的一實施例的局部俯視圖。

第6圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置的一實施例的俯視圖，其中該可調頻固態雷射裝置包含矽光子濾波晶片及基於半導體的增益晶片。

第7圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置的側視圖，其功能性地繪示矽光子濾波晶片及基於半導體的增益晶片。

第8圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的多個頻率啁啾／調頻階段的頻率相對於強度的圖式。

第9A圖及第9B圖為根據本揭露的一或多個實施例的圖式，其示出腔相位驅動訊號相對於時間的關係以及對應的一模擬頻率晶片相對於時間的關係。

第10圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一高速啁啾系統的電氣圖。

第11圖及第12圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一分段頻率啁啾及一理想頻率啁啾的頻率-時間圖。

第13圖繪示雷射輸出（光電二極體電流）隨施加至濾波器中兩個環共振器的加熱器驅動電流而變化的圖。

第14圖繪示根據本揭露的一或多個實施例的一可調頻固態雷射裝置的矽裝置層的一實施例的示意性俯視圖。

第15圖繪示一矽光子濾波晶片的另一實施例的俯視圖，該晶片具有一對環共振器及終止於一反射器中的一波導。

第16圖繪示一矽光子濾波晶片的又一實施例的俯視圖，該晶片具有複數個並排佈置的環共振器。

第17圖為一頻率調變連續波（frequency modulated continuous wave；FMCW）同調光達配置的示意圖。

無

100:固態雷射裝置

102:矽光子濾波晶片

104:增益晶片

108:上被覆層

110:矽裝置層

112:下被覆層

113:熱電冷卻器

114:矽基板

115:腔相位調變器

116:光斑尺寸轉換器

117:連接波導

118:分路器-整合器

120:第一波導部分

122:環共振器

124:耦合波導部分

126:環共振器

128:第二波導部分

130:加熱器

132:第二加熱器

134:第一環溫度感測器

136:第二環溫度感測器

138:濾波晶片溫度感測器

140:第一端

142:第二端

Claims (24)

1. 一種提供一寬頻啁啾雷射訊號的方法，該方法包含： 針對一矽光子晶片中的複數個加熱器同時掃描加熱器電流以達到至少約50GHz的一近似線性啁啾（linear chirp）的一頻寬，其中該矽光子晶片連接作為一紅外線雷射的一外腔。
2. 如請求項1所述的方法，其中該紅外線雷射包含一半導體增益晶片，該半導體增益晶片連接至具有一光斑尺寸轉換器的該矽光子晶片，其中該矽光子晶片包含至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個介接矽波導與該等環共振器耦合，各該環共振器與一分離的加熱器相關聯，其中該等環共振器與該矽光子晶片形成一干涉儀，該矽光子晶片包含一矽連接器波導，該矽連接器波導連接於該光斑尺寸轉換器與作為該干涉儀的一組件的一分路器-整合器之間。
3. 如請求項2所述的方法，其中該至少二個環共振器被設計為具有適當地相同於來自該分離的加熱器的共振及熱響應，使得針對該二個加熱器的加熱器功率的線性調整提供具有近似可預測的非線性校正的一近似線性啁啾。
4. 如請求項2所述的方法，其中該矽光子晶片更包含在一連接波導上具有一加熱器的一腔相位調變器，其能響應該加熱器功率於時間的一線性掃描而提供一近似線性頻率啁啾。
5. 如請求項2所述的方法，其中該半導體增益晶片被程式化為隨時間提供一近似線性頻率調變。
6. 如請求項1所述的方法，其中該矽光子晶片更包含導向一光學裝置的一分接頭，該光學裝置用於評估頻率與相移，且其中藉由掃描加熱器電流而驅動的頻率啁啾係使用來自連接至該分接頭的該光學裝置的評估頻率與相移而前進通過該紅外線雷射的一模式轉換，在該模式轉換時頻率在一不連續跳躍處縫合。
7. 如請求項6所述的方法，其中連接至該分接頭的該光學裝置為一時延干涉儀。
8. 如請求項6所述的方法，其中該啁啾頻寬至少約1 THz。
9. 一種可調頻固態雷射裝置，包含： 一基於半導體的增益晶片；以及 一矽光子濾波晶片，具有調頻能力，其中該矽光子濾波晶片包含一連接矽波導，及至少二個由矽波導形成的環共振器，一或多個介接矽波導與該等環共振器耦合，各該環共振器與一分離的加熱器相關聯，其中該一或多個介接矽波導被配置為將與該至少二個環共振器中的每一個共振的光重定向回通過該連接矽波導，以及 其中，腔相位係由一控制器調整至該基於半導體的增益晶片的驅動功率以進行調變，或使用更包含一加熱器以與該連接矽波導介接的該矽光子濾波晶片上的一腔相位調變器進行調變，或由調整該基於半導體的增益晶片功率及該矽光子濾波晶片上的該腔相位調變器二者進行調變， 其中，該矽光子濾波晶片的該連接矽波導耦接至具有一光斑尺寸轉換器的該基於半導體的增益晶片以提供模式尺寸匹配以減少因介接的耗損，且其中啁啾與輸入-輸出矽波導介接的該加熱器的電壓啁啾雷射輸出頻率。
10. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中一同步啁啾訊號被同時傳送至用於該連接矽波導的該加熱器以及該等分離的加熱器以擴展一啁啾頻寬，且其中該等環共振器被設計為具有相同熱性能，使得藉由將一腔相位調整訊號設計為具有與該等環共振器相同響應而使一單一訊號能提供同步啁啾。
11. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中一啁啾訊號被同時傳送至該基於半導體的增益晶片及該等分離的加熱器以擴展一啁啾頻寬，且其中該等環共振器被設計為具有相同熱性能，使得一單一訊號能提供該等環共振器的一同步啁啾。
12. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中該一或多個介接矽波導為在一分路器-整合器處分支的二個介接矽波導，該分路器-整合器連接至該連接矽波導，各該介接矽波導耦合至分離的對應的環共振器，且更包含耦合至該等對應的環共振器且相對於該基於半導體的增益晶片反轉光傳播方向的一耦合元件。
13. 如請求項12所述的可調頻固態雷射裝置，其中該矽光子晶片更包含一遠端耦合器，且雷射波導連接至該遠端耦合器，其中該二個介接矽波導連接至該遠端耦合器，該遠端耦合器將各自的光訊號耦合成一干擾配置，使雷射輸出從該矽光子晶片的雷射波導傳輸。
14. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中該基於半導體的增益晶片包含磷化銦。
15. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中該等環共振器包含在單模波導之間的一或多個加寬矽波導片段，其中與各該環共振器相關聯的該等加熱器至少部分位於一結構的一核心層，在加寬的波導片段處或附近。
16. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中該連接矽波導包含與單模波導片段連接的一加寬波導片段，該單模波導片段具有該腔相位調變器與該加寬波導片段介接。
17. 如請求項16所述的可調頻固態雷射裝置，其中該加寬波導片段為彎曲的。
18. 如請求項9所述的可調頻固態雷射裝置，其中該腔相位調變器及該二個環加熱器被設計為用於同時調整至所有三個加熱器的電流以啁啾雷射頻率。
19. 如請求項18所述的可調頻固態雷射裝置，其中該加熱器功率的一線性變化提供一近似線性雷射頻率啁啾。
20. 如請求項18所述的可調頻固態雷射裝置，更包含一被配置用於量測該晶片溫度的溫度感測器，以及一連接至該溫度感測器的控制器。
21. 如請求項20所述的可調頻固態雷射裝置，其中與該啁啾電流不同的一基線電流被提供至該等加熱器。
22. 如請求項18所述的可調頻固態雷射裝置，更包含一分接頭，該分接頭連接至一矽波導且導向一用於評估頻率及相移的光學設備。
23. 如請求項22所述的可調頻固態雷射裝置，其中在交錯的頻率範圍上依次獲得複數個啁啾頻率範圍，該等交錯的頻率範圍能被組合在一起以形成一擴展的拼接啁啾範圍。
24. 一高解析度快速響應光達成像系統，包含： 一成像系統，包含一發射器以及一被配置為接收反射光的接收器，其中該發射器在適當的時間向各個方向投射光，以在該成像系統的視野中組合物件的一三維圖像， 其中，該發射器包含如請求項9所述的一啁啾的可調頻固態雷射裝置。