自动驾驶欲“抛弃”激光雷达?窄线宽半导体激光器来救场
感知是智能汽车的最关键的技术之一。曾经激光雷达被誉为自动驾驶的天眼，但近年来却因远距离限制、识别速度有限、出场费太高等缺点逐渐遭到诟病，车企纷纷采用毫米波雷达实现全自动驾驶的阵营。难道激光雷达就这么被抛弃了？
新型全固态激光雷达, 具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势, 可满足未来智能汽车的需求. 窄线宽半导体激光器作为全固态激光雷达的理想光源, 其技术的进步与发展能大幅提升全固态激光雷达的实用化进程。
1引言
1.1 研究背景
人类社会正迎来智能出行时代, 智能汽车的发展对高精度探测技术的要求越来越高, 因此迫切需要发展高精度雷达技术.
传统的高精度雷达技术, 如微波雷达、毫米波雷达等, 因其探测精度低、体积及重量大, 不适用于智能汽车搭载, 而全固态激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势, 可满足未来智能汽车对高精度探测技术的需求.
窄线宽半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接电流驱动、光谱线宽窄、相干性好等优势, 是新一代高精度全固态激光雷达的理想光源. 窄线宽半导体激光器通常在谐振腔中集成频率选择结构或者在激光腔外部与选模器件进行耦合, 从而控制不同波长的增益损耗, 来实现压缩其光谱线宽的目的.
1.2 国内外研究动态与现状
半导体激光器压窄线宽的方法主要分为两类: 内腔光反馈法和外腔光反馈法。随着全固态激光雷达技术的快速发展, 需要进一步提高扫描速率, 增加探测距离和成像清晰度. 这些方面的提升也需要提升半导体激光器的光谱特性, 如减低激光器的线宽、抑制低相位噪声和低相对强度噪声等. 压窄激光器的线宽特征可以提高光束的传输距离和成像清晰度. 降低半导体激光器线宽的方法主要有增加输出功率、降低线宽增强因子、降低激光器的固有线宽的方式.
目前, 国际上在窄线宽半导体激光器研究领域比较有代表性的研究机构和公司有: 德国的费迪南·布劳恩研究所(ferdinand braun institute)、莱布尼茨高频率技术研究所(leibniz institute of high frequency technology of germany, fbh)、德国dilas公司、美国贝尔实验室(bell laboratory)、普林斯顿大学(princeton university)、法国iii-v实验室、日本东北大学(tohoku university)、爱尔兰都柏林大学(university college dublin)等. 在内腔光反馈技术方面, 各研究机构采用新型外延芯片结构和新型光栅制备技术, 成功将半导体激光器的线宽降低至 10 khz. 2016年, 德国卡塞尔大学(university of kassel) [1] 提出一种高质量量子点分布反馈(distributed feedback, dfb) 半导体激光器, 成功将激光线宽降低至 10 khz. 随后, 芬兰坦佩雷大学(university of tampere) [2] 采用纳米压印技术制备出侧向耦合表面光栅dfb 激光器, 实现激光功率为28.9 mw、线宽55 db, 相对强度噪声(rin) 1 μm) 表面光栅, 可保证波导内的光模式场与光栅充分耦合反馈, 利用散射效应抑制高阶模式, 实现波导中单模振荡, 达到选择频率和降低激光线宽的目的, 又可有效避免二次外延技术可能引入的芯片结构缺陷, 提高芯片的可靠性和成品率, 简化dfb激光器制备工艺, 实现高可靠性的窄线宽激光输出. 这两种激光器的研制难点是光栅结构的设计与制备, 要充分考虑光栅周期、宽度、深度等结构参数对激光器性能的影响, 同时需要高精度刻蚀技术的配合, 才能获得理想的激光器件.
芬兰坦佩雷理工大学(tampere university of technology) 的dumitrescu等[21] 报道了一种基于紫外纳米压印技术的lc-dfb激光器, 研制了894 nm 波长lc-dfb 激光器, 实现了功率9 mw, 线宽878 khz@180 ma, 边模抑制比35 db的窄线宽激光, 器件性能接近同期二次外延dfb激光器, 是一种理想的低成本dfb激光器技术方案, 该技术使得lc-dfb更易于集成至大规模光电器件中. 2018年, 芬兰坦佩雷大学的virtanen等[2] 提出一种窄线宽dfb激光器, 采用纳米压印技术制备出三阶侧向表面光栅结合脊形波导结构, 获得了波长780 nm, 激光功率为28.9 mw@300 ma, smsr > 40 db, 线宽 52 db, 波长调谐范围> 3 nm, 输出功率> 6 mw, 窄线宽小于170 khz@25℃的单模激光输出.
为了进一步降低侧向耦合dfb半导体激光器的光谱线宽, 国外研究人员提出基于量子点激光芯片的dfb激光器的技术方案. 2016年, 德国卡塞尔大学bjelica团队[1]提出一种高质量量子点激光器生长技术, 结合传统dfb光栅耦合谐振腔结构, 研制出激光线宽仅为10 khz, 输出功率12 mw的qd-dfb激光器. 2018年, 法国巴黎·萨克雷大学(universite paris-saclay) [26] 报道了一种新型inas/inp量子点dfb半导体激光器, 其具有反转因子低、线宽增强因子低等特性, 可获得低温度敏感的窄线宽(160 khz)激光输出, 同时采用双面敷涂减反膜设计, 提高激光功率(4 mw), 并抑制空间烧孔现象.
目前dfb半导体激光器主要研究rg-dfb激光器以及sg-dfb激光器这两种结构. 这两种结构的共同点都是将布拉格光栅结构分布于整个谐振腔中, 其主要起到光反馈选模及增益的作用. rgdfb激光器通常采用二次外延技术在n型或p型波导层生长完成后, 采用光刻和刻蚀的手段在其n型或p型波导层上构建一组低折射率光栅结构, 之后将芯片放入外延设备中继续完成生长工艺. 这种二次外延光栅分布在有源区附近, 有利于光栅与光模式场的高效耦合, 可有效降低散射损耗, 提高耦合效率, 实现频率选择和线宽压缩, 但是二次外延技术可能引入芯片结构缺陷, 影响芯片的可靠性和成品率. sg-dfb激光器是在外延芯片p面光波导表面或者侧壁直接刻蚀光栅, 形成表面光栅分布反馈半导体激光器, 可保证波导内的光模式场与光栅充分耦合反馈, 利用散射效应抑制高阶模式, 实现波导中单模振荡, sg-dfb的研制难点是光栅结构的设计与制备, 要充分考虑光栅基本参数对激光器性能的影响.
2.2 分布布拉格反射半导体激光器
分布布拉格反射激光器(示意图如图2 所示)的谐振腔通常由集成于端面的反射光栅结构和增益区构成, 其与法布里{ 珀罗(f-p)腔类似, 在增益区的一端或两端构建无源布拉格光栅代替f-p激光器的一端或者两端腔面反射镜, 光栅结构仅起到反射镜的作用, 由于光栅结构对满足布拉格条件的光模式具有极强的反射作用, 因此可以通过对光栅区的耦合系数进行优化, 获得理想的最大反射率和反射谱宽度, 实现dbr激光器的单纵模、窄线宽工作.
图2. dbr 激光器示意图
在自由空间相干光通信等应用中, 需要1064 nm波段的窄线宽半导体激光器光源. 2010年德国fbh研究所[31] 采用6 阶表面布拉格光栅, 研制了4 μm 条宽、4 mm腔长的1064 nm波段dbr结构激光器, 实现了线宽为180 khz@180 mw, 测出固有线宽为2 khz, 阈值电流为65 ma@25℃, 斜率效率为0.41 w/a@25℃.
针对高性能光纤激光器对975 nm波段窄线宽半导体激光泵浦源的需求, 美国伊利诺伊大学(university of illinois) 的coleman等[32] 采用在宽条波导(40 μm) 表面刻蚀光栅的方法, 研制出腔长1.5 mm的974.8 nm波段dbr 激光器, 实现激光功率500 mw, 激光线宽350 khz, smsr > 40 db的高功率输出. 随后, 德国fbh 研究所[33]采用普通紫外光刻和反应等离子体刻蚀技术制备出80 阶表面光栅dbr激光器, 在970 nm波段实现激光功率6 w, 电光转化率> 50%, 光参量积< 1.8 mm×mrad, 激光线宽仅为0.41 nm (130.7 ghz), 十分适用于泵浦光纤激光器.
窄线宽红光激光器(620~650 nm 波段)是激光光谱学、相干测量和全息技术的重要光源, 针对这一需求, 德国fbh研究所[34] 提出一种633 nm波段的窄线宽dbr激光器, 激光器谐振腔总长2 mm, 其中脊形增益区为1.5 mm、光栅区为0.5 mm, 实现了激光功率10 mw@150 ma, 光谱线宽 50 mw@ 0℃, 激光线宽 20 db, 该技术可替代传统全固态激光器作为量子信息实验光源, 通过降低光源模块体积, 可有效提升量子信息系统的微型化程度.
550~620 nm 波段黄光激光在大气测量、生物医学领域具有广泛应用, 而目前黄光产生主要采用1180 nm 波段ld 泵浦全固态激光器的方案. 为满足该种需求, 芬兰坦佩雷理工大学[36] 提出一种宽调谐dbr 激光器, 采用三阶表面梯形光栅结合脊形波导结构设计, 避免了二次外延生长问题, 同时提高器件边模抑制比, 实现了激光线宽 500 mw, smsr超过50 db, 持续工作2000 h无退化的高性能激光输出.
目前窄线宽分布布拉格反射半导体激光器主要采用表面bragg光栅结构作为反射镜实现频率选择作用, 通过合理设计光栅结构参数, 获得理想的光栅反射率、反射率半宽和光栅中光波相位变化等光电特性, 实现窄线宽输出的dbr半导体激光器. 这种表面dbr激光器相比于传统的多次外延dbr激光器的优势就是避免了不同区位波导间耦合效率低下的问题, 降低了制备工艺复杂程度, 提高了dbr激光器的应用价值.
2.3 耦合腔半导体激光器
20 世纪80年代, 美国贝尔实验室的研究人员提出耦合腔激光器, 其利用一个或多个深槽将两段或多段谐振腔耦合起来的激光器, 实现单模激光输出. 最初采用分离式结构, 将两个腔面距离极近的f-p腔激光器焊接到同一热沉上, 此时芯片间隙相当于一个深刻蚀槽, 通过这个槽的耦合作用, 实现线宽500 khz的窄线宽激光[37]. 之后, 爱尔兰布拉纳光电公司(branna electronics company)、都柏林大学、格拉斯哥大学、浙江大学等机构的研究人员将该结构进一步改进, 分别研制出基于单刻蚀槽和周期性刻蚀槽的耦合腔激光器, 都获得了理想的窄线宽激光输出.
2011年, 爱尔兰布拉纳光电公司联合瑞士纽夏特大学[38]提出一种分离模式半导体激光器, 通过在脊形波导上刻蚀多个深槽引入折射率微扰, 进而增强一个f-p模式, 损耗其他模式, 获得单纵模激光输出, 实现激光波长780 nm, 光谱线宽仅为2 mhz. 在此基础上, 爱尔兰布拉纳光电公司和都柏林城市大学(dublin city university) [39]联合研制出一种宽工作温区的分离模式半导体激光器, 实现在0℃ < t < 85℃ 温度范围内保持单纵模工作, 激光线宽 50 db的单纵模激射. 浙江大学何建军教授课题组[44∼46] 采用深刻蚀slot-f-p腔工艺技术, 开发了多种窄线宽耦合腔半导体激光器, 其线宽仅为80 khz, smsr为38 db.
3、外腔光反馈窄线宽技术
基于外腔光反馈技术的窄线宽半导体激光器(external cavity optical feedback technology, ecl), 是一种采用外部光学元件对半导体激光芯片的出射光进行反馈和选频, 增加谐振腔有效长度, 提高激光器谐振腔的品质因子q值, 降低激光线宽, 又因其采用无源光学元件进行频率选择和光反馈, 更容易实现低相位噪声和高温度稳定性, 是空间相干通信、相干探测、高精度传感等应用领域的理想光源.
ecl可有效避免内腔集成光栅的光波衍射与散射损耗, 但是其对外部光学选频元件耦合光路与工作环境的稳定性要求较高, 其中外部光学选频元件作为ecl的核心装置, 主要包括: (1) 采用激光全息技术在特殊光敏玻璃中制作的体全息光栅、体布拉格光栅等衍射光栅元件; (2) 低损耗f-p波导、镀膜反射镜及采用飞秒激光技术加工的光纤光栅波导等波导型反馈元件.
3.1 外腔光栅反馈半导体激光器
选用衍射光栅作为反馈元件的外腔激光器通常会采用littrow或littman结构[47], 这两种结构外腔激光器的谐振腔通常由半导体激光芯片、光学透镜或反射镜、闪耀光栅或者全息光栅等光学元件构成, 其结构示意图如图3所示. littrow结构ecl通常由半导体芯片、光学透镜和衍射光栅构成, 通过改变光栅角度θ, 使某一特定波长光波反馈回半导体激光芯片, 大幅提高其余波长光波的衍射损耗, 同时改变谐振腔整体长度, 实现波长稳定的窄线宽激光输出. littman结构ecl通常由半导体芯片、光学透镜、衍射光栅和反射镜构成, 其中反射镜起到调谐器作用, 光栅固定不动, 通过改变反射镜角度, 将入射光沿入射光路返回, 光波经过光栅二次衍射后, 边模抑制比大幅提高, 激光线宽进一步窄化, 但其结构比littrow结构ecl复杂, 导致功率损耗大, 不易于实现高功率输出.
图3. littrow 结构(a) 和littman 结构(b) 外腔半导体激光器结构示意图
由于littrow结构外腔半导激光器在获得窄线宽输出的同时, 可获得相对较高的输出功率, 引起了科研人员的广泛关注, 德国汉诺威大学(universitat hannover)、耶拿大学(universitat jena) [48]、土耳其苏莱曼·德米雷尔大学(suleiman demirel university of turkey)、澳大利亚国立大学(australian national university)等多家科研机构对其进行了研究报道. 2016年, 澳大利亚国立大学的shin等[49] 提出采用单边倾斜出光的增益芯片和闪耀光栅(1200 线/mm) 构成littrow-ecl, 实现输出功率300 mw@600 ma, 在1080 nm波段附近100 nm 范围的宽调谐, 洛伦兹线宽4.2 khz@22.5 ms, 同时获得优良的波长稳定性(40 khz@11 h). 同年, 土耳其苏莱曼·德米雷尔大学[50] 采用一种side-of-fringe稳定技术, 实现了频率主动稳定ecl, 其波长调谐范围为60 nm (10001060 nm), 线宽由160 khz 窄化为400 hz. 随后, 苏莱曼·德米雷尔大学[51] 又创新性地采用超低腔面反射率(0.005%)的增益芯片结合双littrow结构实现一种双纵模激射ecl, 获得120 nm (覆盖1470~1590 nm) 的波长调谐范围, 这种双波长光源适用于光传感、太赫兹波源、成像、双波长干涉仪、光开关、波分复用等应用领域.
北京大学、厦门大学、华中科技大学和中国科学院上海光学精密机械研究所[52] 等国内机构也对littrow结构ecl开展了深入研究. 2007年, 北京大学陈文兰等[53] 采用商用半导体激光管构建了一个littrow-ecl, 在780 nm波段获得线宽 3 ghz, 同时实现稳定度提升至1012量级. 2017年, 厦门大学的车凯军课题组[54] 报道了一种利用光栅线与gan基增益芯片节平面平行构建littrow结构ecl, 实现激光线宽由1 nm 降低至0.1 nm (151 ghz), 放大自发辐射抑制比达35 db, 同时实现输出功率为1.24 w, 可调谐带宽3.6 nm (443.9 447.5 nm), 中心波长的外腔耦合效率达80%的高功率蓝光激光. 同年, 华中科技大学的左都罗团队[55] 报道了一种窄线宽更窄的蓝光littrow-ecl, 实现最大激光功率500 mw, 激光线宽50 pm (75.7 ghz), 可调谐范围达2 nm, smsr超过20 db.
为实现激光线宽的进一步窄化, 中国科学院上海光学精密机械研究所、中国计量科学研究院等国内单位开展了littman结构外腔半导体激光器研究. 2009年, 中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡海文团队[56] 研究了一种littman-metcalf结构外腔半导体激光器的偏振特性, 通过旋转ld芯片, 改变ld 光束横向电场方向与光栅线之间的夹角来表征ecl的偏振特性. 该团队发现: 当ld横向电场方向与光栅线槽平行时, ecl输出激光束呈线偏振特性, 线极化率为100; 当ld横向电场方向与光栅线槽出现夹角时, ecl输出激光束呈左椭圆偏振状态. 同时提出了ecl输出光束偏振态方程, 既为高偏振性能ecl的研究提供了理论支持, 又有助于开发具有圆形或椭圆形偏振输出的ecl激光器. 2012年, 中国计量科学研究院的赵阳等[5] 报道了一种新型100-hz量级窄线宽外腔半导体激光器, 采用高精度双镜式非共焦腔littman结构, 成功降低ecl的激光线宽至100 hz, 瞬时洛伦兹线宽降低至30 hz, 激光相位噪声被显著抑制到50 db.
在littrow结构和littman结构外腔激光器之外, 还有直接采用体光栅(体全息光栅体和体布拉格光栅) 作为光反馈元件的外腔激光器. 2009年, 芬兰赫尔辛基理工大学(helsinki university of technology) hieta等[57]报道了基于体全息光栅的长腔长外腔半导体激光器, 其总腔长达68 mm, 谐振腔长度增加至15 mm, 使得其品质因子q 大幅提高, 结合vhg 的选频作用, 实现635 nm波段高斯线宽900 khz, 边模抑制比达35 db. 2013~2017年, 德国fbh 研究所联合洪堡大学(humboldt university) [58, 59] 针对780 和1064 nm 波段体全息布拉格光栅(vhbg) 外腔激光器开展了大量研究, 开发了ecdl-mopa激光器模块, 实现输出功率575 mw@1.5a, 激射波长1064.49 nm, 光谱线宽fwhm 30 khz, smsr > 45 db.
3.2 外腔波导反馈半导体激光器
基于外腔波导反馈技术的窄线宽激光器, 主要通过耦合外部低损耗波导或光纤光栅波导(如图4所示), 增加激光器谐振腔的长度, 提高激光器谐振腔的品质因子q值, 达到降低激光器线宽的目的, 在实现窄线宽激光输出具有良好的表现.
图4.littrow 结构和littman结构外腔半导体激光器结构示意图
采用外部低损耗波导作为光反馈元件可有效降低半导体激光器线宽, 并获得低噪声光谱特性. 美国马里兰大学(university of maryland)和雷德芬集成光学公司(redn integrated optics company) [60]合作开发出一种平面波导型外腔激光器(pw-ecl), 可显著降低ecl的频率噪声和强度噪声, 获得1542 nm波段的窄线宽(2 khz)输出, 同时激光功率达10 mw. 同一时期, 中国计量科学研究院[61] 也报道了一种采用集成法布里-珀罗腔(mfc) 代替传统外腔反射镜, 实现ecl光谱线宽仅为6.8 khz.
随着硅基光子学的发展, 研究人员开始关注采用硅基低损耗波导为反馈元件的外腔半导体激光技术. 2015 年, 美国加州大学圣巴巴拉分校(university of california, santa barbara) [62] 提出一种宽调谐、窄线宽单片集成外腔半导体激光器, 采用腔长为4 cm的低损耗硅基波导作为光反馈元件, 通过控制外腔元件的光反馈, 在o波段实现54 nm的宽调谐范围, 同时显著降低激光器线宽, 在调谐范围内均低于100 khz, 最低线宽可达到50 khz. 2017 年, 美国康奈尔大学(cornell university) 和哥伦比亚大学(columbia university) [63] 联合报道了一种基于低损耗硅基环形波导结构的外腔激光器, 利用高q值微型谐振腔的窄带反射特性, 同时采用环形波导可避免光模式反馈, 获得激射波长1550 nm, 激光线宽13 khz, 输出功率1.7 mw.
为获得更低噪声的外腔激光器, 普林斯顿大学、德国fbh 研究所、日本东北大学等研究机构采用外腔晶体作为光反馈元件, 实现低噪声输出. 2010 年, 普林斯顿大学[64]采用znse楔形晶体作为半反射器提供光反馈, 实现单纵模激光输出(功率达40 mw), 线宽仅为480 khz. 随后, 德国fbh研究所[3] 提出利用dfb 激光芯片与集成式共焦法布里·珀罗腔谐振器等组成共振反馈谐振腔, 实现功率为50 mw, 洛伦兹线宽仅15.7 hz, 同时获得超低噪声(白噪声等级5 hz2/hz) 输出, 其噪声水平比普通dfb激光器和外腔激光器分别低了5个和3个数量级. 2015~2018年, 日本东北大学konosuke aoyama 团队[65, 66] 提出一种相干光学负反馈方法降低单模半导体激光器线宽, 利用外腔负反馈镜片将激光器线宽由13.5 mhz 优化为3 khz, 频率调制(fm)噪声的能量密度降低35 db, 同时相对强度噪声低于－140 db/hz, 该系统可以保持窄线宽稳定输出超过一小时.
近年来, 中国科学院上海光学精密机械研究所[67, 68]、中国科学院半导体研究所[69, 70] 等多家国内研究机构对光纤波导外腔半导体激光器逐渐开展研究, 采用光纤光栅波导反馈技术将半导体激光器的激光线宽进行窄化至10 khz. 其中, 中国科学院上海光学精密机械研究所杨飞等[67] 报道了一种基于布拉格光栅法布里·珀罗腔光纤波导结构的1550 nm 波段自注入锁定ecl, 实现了亚khz固有线宽(洛伦兹线宽125 hz), 同时相对强度噪声 38 db, 线宽均< 10 khz, 达到国际领先水平.
目前外腔反馈结构半导体激光器的研究主要包括: littrow型或littman型衍射光栅反馈外腔半导体激光器和基于低损耗波导和光纤光栅波导结构的外腔波导反馈半导体激光器. 这两种外腔反馈激光器都是采用外部光反馈元件实现激光频率的选择和线宽的压缩, 线宽水平都能达到khz量级. 而外腔光栅反馈半导体激光器的优势就是通过调整光栅位置就能实现波长调谐, 同时由于光路耦合效率高, 更易于实现高功率输出, 应用前景更加广阔.
4、总结与展望
半导体激光器正向着高功率、窄线宽的方向快速发展, 内腔反馈技术方面, 通过激光芯片外延结构和波导结构的分别优化设计, 获得低于10 khz的窄线宽激光输出; 外腔反馈技术方面, 通过不断开发新型光反馈元件和光学谐振腔设计, 实现低于100 hz的超窄线宽激光, 结合其体积小、重量轻、高转换效率、光谱范围广等特性, 将在超高精度激光雷达、卫星间通信、相干光通信、激光光谱学、原子钟泵浦、大气吸收测量及光纤通信等领域获得极其广泛的应用.
目前, 我国在窄线宽半导体激光器研究领域, 由于起步较晚、工艺技术限制及国外的高端技术封锁等因素, 与国外仍有一定差距, 需要进一步提高半导体激光器的功率和光谱特性; 解决二次高质量外延生长技术和表面光栅的高深宽比刻蚀技术; 攻克高精度光栅等光学反馈元件制造关键技术; 亟待整合国内优势单位进行联合研发, 突破关键技术, 实现高功率、窄线宽半导体激光器的自主化研发。
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传统的高精度雷达技术, 如微波雷达、毫米波雷达等, 因其探测精度低、体积及重量大, 不适用于智能汽车搭载, 而全固态激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势, 可满足未来智能汽车对高精度探测技术的需求.
窄线宽半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接电流驱动、光谱线宽窄、相干性好等优势, 是新一代高精度全固态激光雷达的理想光源. 窄线宽半导体激光器通常在谐振腔中集成频率选择结构或者在激光腔外部与选模器件进行耦合, 从而控制不同波长的增益损耗, 来实现压缩其光谱线宽的目的.
1.2 国内外研究动态与现状
半导体激光器压窄线宽的方法主要分为两类: 内腔光反馈法和外腔光反馈法。随着全固态激光雷达技术的快速发展, 需要进一步提高扫描速率, 增加探测距离和成像清晰度. 这些方面的提升也需要提升半导体激光器的光谱特性, 如减低激光器的线宽、抑制低相位噪声和低相对强度噪声等. 压窄激光器的线宽特征可以提高光束的传输距离和成像清晰度. 降低半导体激光器线宽的方法主要有增加输出功率、降低线宽增强因子、降低激光器的固有线宽的方式.
目前, 国际上在窄线宽半导体激光器研究领域比较有代表性的研究机构和公司有: 德国的费迪南·布劳恩研究所(ferdinand braun institute)、莱布尼茨高频率技术研究所(leibniz institute of high frequency technology of germany, fbh)、德国dilas公司、美国贝尔实验室(bell laboratory)、普林斯顿大学(princeton university)、法国iii-v实验室、日本东北大学(tohoku university)、爱尔兰都柏林大学(university college dublin)等. 在内腔光反馈技术方面, 各研究机构采用新型外延芯片结构和新型光栅制备技术, 成功将半导体激光器的线宽降低至 10 khz. 2016年, 德国卡塞尔大学(university of kassel) [1] 提出一种高质量量子点分布反馈(distributed feedback, dfb) 半导体激光器, 成功将激光线宽降低至 10 khz. 随后, 芬兰坦佩雷大学(university of tampere) [2] 采用纳米压印技术制备出侧向耦合表面光栅dfb 激光器, 实现激光功率为28.9 mw、线宽55 db, 相对强度噪声(rin) 1 μm) 表面光栅, 可保证波导内的光模式场与光栅充分耦合反馈, 利用散射效应抑制高阶模式, 实现波导中单模振荡, 达到选择频率和降低激光线宽的目的, 又可有效避免二次外延技术可能引入的芯片结构缺陷, 提高芯片的可靠性和成品率, 简化dfb激光器制备工艺, 实现高可靠性的窄线宽激光输出. 这两种激光器的研制难点是光栅结构的设计与制备, 要充分考虑光栅周期、宽度、深度等结构参数对激光器性能的影响, 同时需要高精度刻蚀技术的配合, 才能获得理想的激光器件.
芬兰坦佩雷理工大学(tampere university of technology) 的dumitrescu等[21] 报道了一种基于紫外纳米压印技术的lc-dfb激光器, 研制了894 nm 波长lc-dfb 激光器, 实现了功率9 mw, 线宽878 khz@180 ma, 边模抑制比35 db的窄线宽激光, 器件性能接近同期二次外延dfb激光器, 是一种理想的低成本dfb激光器技术方案, 该技术使得lc-dfb更易于集成至大规模光电器件中. 2018年, 芬兰坦佩雷大学的virtanen等[2] 提出一种窄线宽dfb激光器, 采用纳米压印技术制备出三阶侧向表面光栅结合脊形波导结构, 获得了波长780 nm, 激光功率为28.9 mw@300 ma, smsr > 40 db, 线宽 52 db, 波长调谐范围> 3 nm, 输出功率> 6 mw, 窄线宽小于170 khz@25℃的单模激光输出.
为了进一步降低侧向耦合dfb半导体激光器的光谱线宽, 国外研究人员提出基于量子点激光芯片的dfb激光器的技术方案. 2016年, 德国卡塞尔大学bjelica团队[1]提出一种高质量量子点激光器生长技术, 结合传统dfb光栅耦合谐振腔结构, 研制出激光线宽仅为10 khz, 输出功率12 mw的qd-dfb激光器. 2018年, 法国巴黎·萨克雷大学(universite paris-saclay) [26] 报道了一种新型inas/inp量子点dfb半导体激光器, 其具有反转因子低、线宽增强因子低等特性, 可获得低温度敏感的窄线宽(160 khz)激光输出, 同时采用双面敷涂减反膜设计, 提高激光功率(4 mw), 并抑制空间烧孔现象.
目前dfb半导体激光器主要研究rg-dfb激光器以及sg-dfb激光器这两种结构. 这两种结构的共同点都是将布拉格光栅结构分布于整个谐振腔中, 其主要起到光反馈选模及增益的作用. rgdfb激光器通常采用二次外延技术在n型或p型波导层生长完成后, 采用光刻和刻蚀的手段在其n型或p型波导层上构建一组低折射率光栅结构, 之后将芯片放入外延设备中继续完成生长工艺. 这种二次外延光栅分布在有源区附近, 有利于光栅与光模式场的高效耦合, 可有效降低散射损耗, 提高耦合效率, 实现频率选择和线宽压缩, 但是二次外延技术可能引入芯片结构缺陷, 影响芯片的可靠性和成品率. sg-dfb激光器是在外延芯片p面光波导表面或者侧壁直接刻蚀光栅, 形成表面光栅分布反馈半导体激光器, 可保证波导内的光模式场与光栅充分耦合反馈, 利用散射效应抑制高阶模式, 实现波导中单模振荡, sg-dfb的研制难点是光栅结构的设计与制备, 要充分考虑光栅基本参数对激光器性能的影响.
2.2 分布布拉格反射半导体激光器
分布布拉格反射激光器(示意图如图2 所示)的谐振腔通常由集成于端面的反射光栅结构和增益区构成, 其与法布里{ 珀罗(f-p)腔类似, 在增益区的一端或两端构建无源布拉格光栅代替f-p激光器的一端或者两端腔面反射镜, 光栅结构仅起到反射镜的作用, 由于光栅结构对满足布拉格条件的光模式具有极强的反射作用, 因此可以通过对光栅区的耦合系数进行优化, 获得理想的最大反射率和反射谱宽度, 实现dbr激光器的单纵模、窄线宽工作.
图2. dbr 激光器示意图
在自由空间相干光通信等应用中, 需要1064 nm波段的窄线宽半导体激光器光源. 2010年德国fbh研究所[31] 采用6 阶表面布拉格光栅, 研制了4 μm 条宽、4 mm腔长的1064 nm波段dbr结构激光器, 实现了线宽为180 khz@180 mw, 测出固有线宽为2 khz, 阈值电流为65 ma@25℃, 斜率效率为0.41 w/a@25℃.
针对高性能光纤激光器对975 nm波段窄线宽半导体激光泵浦源的需求, 美国伊利诺伊大学(university of illinois) 的coleman等[32] 采用在宽条波导(40 μm) 表面刻蚀光栅的方法, 研制出腔长1.5 mm的974.8 nm波段dbr 激光器, 实现激光功率500 mw, 激光线宽350 khz, smsr > 40 db的高功率输出. 随后, 德国fbh 研究所[33]采用普通紫外光刻和反应等离子体刻蚀技术制备出80 阶表面光栅dbr激光器, 在970 nm波段实现激光功率6 w, 电光转化率> 50%, 光参量积< 1.8 mm×mrad, 激光线宽仅为0.41 nm (130.7 ghz), 十分适用于泵浦光纤激光器.
窄线宽红光激光器(620~650 nm 波段)是激光光谱学、相干测量和全息技术的重要光源, 针对这一需求, 德国fbh研究所[34] 提出一种633 nm波段的窄线宽dbr激光器, 激光器谐振腔总长2 mm, 其中脊形增益区为1.5 mm、光栅区为0.5 mm, 实现了激光功率10 mw@150 ma, 光谱线宽 50 mw@ 0℃, 激光线宽 20 db, 该技术可替代传统全固态激光器作为量子信息实验光源, 通过降低光源模块体积, 可有效提升量子信息系统的微型化程度.
550~620 nm 波段黄光激光在大气测量、生物医学领域具有广泛应用, 而目前黄光产生主要采用1180 nm 波段ld 泵浦全固态激光器的方案. 为满足该种需求, 芬兰坦佩雷理工大学[36] 提出一种宽调谐dbr 激光器, 采用三阶表面梯形光栅结合脊形波导结构设计, 避免了二次外延生长问题, 同时提高器件边模抑制比, 实现了激光线宽 500 mw, smsr超过50 db, 持续工作2000 h无退化的高性能激光输出.
目前窄线宽分布布拉格反射半导体激光器主要采用表面bragg光栅结构作为反射镜实现频率选择作用, 通过合理设计光栅结构参数, 获得理想的光栅反射率、反射率半宽和光栅中光波相位变化等光电特性, 实现窄线宽输出的dbr半导体激光器. 这种表面dbr激光器相比于传统的多次外延dbr激光器的优势就是避免了不同区位波导间耦合效率低下的问题, 降低了制备工艺复杂程度, 提高了dbr激光器的应用价值.
2.3 耦合腔半导体激光器
20 世纪80年代, 美国贝尔实验室的研究人员提出耦合腔激光器, 其利用一个或多个深槽将两段或多段谐振腔耦合起来的激光器, 实现单模激光输出. 最初采用分离式结构, 将两个腔面距离极近的f-p腔激光器焊接到同一热沉上, 此时芯片间隙相当于一个深刻蚀槽, 通过这个槽的耦合作用, 实现线宽500 khz的窄线宽激光[37]. 之后, 爱尔兰布拉纳光电公司(branna electronics company)、都柏林大学、格拉斯哥大学、浙江大学等机构的研究人员将该结构进一步改进, 分别研制出基于单刻蚀槽和周期性刻蚀槽的耦合腔激光器, 都获得了理想的窄线宽激光输出.
2011年, 爱尔兰布拉纳光电公司联合瑞士纽夏特大学[38]提出一种分离模式半导体激光器, 通过在脊形波导上刻蚀多个深槽引入折射率微扰, 进而增强一个f-p模式, 损耗其他模式, 获得单纵模激光输出, 实现激光波长780 nm, 光谱线宽仅为2 mhz. 在此基础上, 爱尔兰布拉纳光电公司和都柏林城市大学(dublin city university) [39]联合研制出一种宽工作温区的分离模式半导体激光器, 实现在0℃ < t < 85℃ 温度范围内保持单纵模工作, 激光线宽 50 db的单纵模激射. 浙江大学何建军教授课题组[44∼46] 采用深刻蚀slot-f-p腔工艺技术, 开发了多种窄线宽耦合腔半导体激光器, 其线宽仅为80 khz, smsr为38 db.
3、外腔光反馈窄线宽技术
基于外腔光反馈技术的窄线宽半导体激光器(external cavity optical feedback technology, ecl), 是一种采用外部光学元件对半导体激光芯片的出射光进行反馈和选频, 增加谐振腔有效长度, 提高激光器谐振腔的品质因子q值, 降低激光线宽, 又因其采用无源光学元件进行频率选择和光反馈, 更容易实现低相位噪声和高温度稳定性, 是空间相干通信、相干探测、高精度传感等应用领域的理想光源.
ecl可有效避免内腔集成光栅的光波衍射与散射损耗, 但是其对外部光学选频元件耦合光路与工作环境的稳定性要求较高, 其中外部光学选频元件作为ecl的核心装置, 主要包括: (1) 采用激光全息技术在特殊光敏玻璃中制作的体全息光栅、体布拉格光栅等衍射光栅元件; (2) 低损耗f-p波导、镀膜反射镜及采用飞秒激光技术加工的光纤光栅波导等波导型反馈元件.
3.1 外腔光栅反馈半导体激光器
选用衍射光栅作为反馈元件的外腔激光器通常会采用littrow或littman结构[47], 这两种结构外腔激光器的谐振腔通常由半导体激光芯片、光学透镜或反射镜、闪耀光栅或者全息光栅等光学元件构成, 其结构示意图如图3所示. littrow结构ecl通常由半导体芯片、光学透镜和衍射光栅构成, 通过改变光栅角度θ, 使某一特定波长光波反馈回半导体激光芯片, 大幅提高其余波长光波的衍射损耗, 同时改变谐振腔整体长度, 实现波长稳定的窄线宽激光输出. littman结构ecl通常由半导体芯片、光学透镜、衍射光栅和反射镜构成, 其中反射镜起到调谐器作用, 光栅固定不动, 通过改变反射镜角度, 将入射光沿入射光路返回, 光波经过光栅二次衍射后, 边模抑制比大幅提高, 激光线宽进一步窄化, 但其结构比littrow结构ecl复杂, 导致功率损耗大, 不易于实现高功率输出.
图3. littrow 结构(a) 和littman 结构(b) 外腔半导体激光器结构示意图
由于littrow结构外腔半导激光器在获得窄线宽输出的同时, 可获得相对较高的输出功率, 引起了科研人员的广泛关注, 德国汉诺威大学(universitat hannover)、耶拿大学(universitat jena) [48]、土耳其苏莱曼·德米雷尔大学(suleiman demirel university of turkey)、澳大利亚国立大学(australian national university)等多家科研机构对其进行了研究报道. 2016年, 澳大利亚国立大学的shin等[49] 提出采用单边倾斜出光的增益芯片和闪耀光栅(1200 线/mm) 构成littrow-ecl, 实现输出功率300 mw@600 ma, 在1080 nm波段附近100 nm 范围的宽调谐, 洛伦兹线宽4.2 khz@22.5 ms, 同时获得优良的波长稳定性(40 khz@11 h). 同年, 土耳其苏莱曼·德米雷尔大学[50] 采用一种side-of-fringe稳定技术, 实现了频率主动稳定ecl, 其波长调谐范围为60 nm (10001060 nm), 线宽由160 khz 窄化为400 hz. 随后, 苏莱曼·德米雷尔大学[51] 又创新性地采用超低腔面反射率(0.005%)的增益芯片结合双littrow结构实现一种双纵模激射ecl, 获得120 nm (覆盖1470~1590 nm) 的波长调谐范围, 这种双波长光源适用于光传感、太赫兹波源、成像、双波长干涉仪、光开关、波分复用等应用领域.
北京大学、厦门大学、华中科技大学和中国科学院上海光学精密机械研究所[52] 等国内机构也对littrow结构ecl开展了深入研究. 2007年, 北京大学陈文兰等[53] 采用商用半导体激光管构建了一个littrow-ecl, 在780 nm波段获得线宽 3 ghz, 同时实现稳定度提升至1012量级. 2017年, 厦门大学的车凯军课题组[54] 报道了一种利用光栅线与gan基增益芯片节平面平行构建littrow结构ecl, 实现激光线宽由1 nm 降低至0.1 nm (151 ghz), 放大自发辐射抑制比达35 db, 同时实现输出功率为1.24 w, 可调谐带宽3.6 nm (443.9 447.5 nm), 中心波长的外腔耦合效率达80%的高功率蓝光激光. 同年, 华中科技大学的左都罗团队[55] 报道了一种窄线宽更窄的蓝光littrow-ecl, 实现最大激光功率500 mw, 激光线宽50 pm (75.7 ghz), 可调谐范围达2 nm, smsr超过20 db.
为实现激光线宽的进一步窄化, 中国科学院上海光学精密机械研究所、中国计量科学研究院等国内单位开展了littman结构外腔半导体激光器研究. 2009年, 中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡海文团队[56] 研究了一种littman-metcalf结构外腔半导体激光器的偏振特性, 通过旋转ld芯片, 改变ld 光束横向电场方向与光栅线之间的夹角来表征ecl的偏振特性. 该团队发现: 当ld横向电场方向与光栅线槽平行时, ecl输出激光束呈线偏振特性, 线极化率为100; 当ld横向电场方向与光栅线槽出现夹角时, ecl输出激光束呈左椭圆偏振状态. 同时提出了ecl输出光束偏振态方程, 既为高偏振性能ecl的研究提供了理论支持, 又有助于开发具有圆形或椭圆形偏振输出的ecl激光器. 2012年, 中国计量科学研究院的赵阳等[5] 报道了一种新型100-hz量级窄线宽外腔半导体激光器, 采用高精度双镜式非共焦腔littman结构, 成功降低ecl的激光线宽至100 hz, 瞬时洛伦兹线宽降低至30 hz, 激光相位噪声被显著抑制到50 db.
在littrow结构和littman结构外腔激光器之外, 还有直接采用体光栅(体全息光栅体和体布拉格光栅) 作为光反馈元件的外腔激光器. 2009年, 芬兰赫尔辛基理工大学(helsinki university of technology) hieta等[57]报道了基于体全息光栅的长腔长外腔半导体激光器, 其总腔长达68 mm, 谐振腔长度增加至15 mm, 使得其品质因子q 大幅提高, 结合vhg 的选频作用, 实现635 nm波段高斯线宽900 khz, 边模抑制比达35 db. 2013~2017年, 德国fbh 研究所联合洪堡大学(humboldt university) [58, 59] 针对780 和1064 nm 波段体全息布拉格光栅(vhbg) 外腔激光器开展了大量研究, 开发了ecdl-mopa激光器模块, 实现输出功率575 mw@1.5a, 激射波长1064.49 nm, 光谱线宽fwhm 30 khz, smsr > 45 db.
3.2 外腔波导反馈半导体激光器
基于外腔波导反馈技术的窄线宽激光器, 主要通过耦合外部低损耗波导或光纤光栅波导(如图4所示), 增加激光器谐振腔的长度, 提高激光器谐振腔的品质因子q值, 达到降低激光器线宽的目的, 在实现窄线宽激光输出具有良好的表现.
图4.littrow 结构和littman结构外腔半导体激光器结构示意图
采用外部低损耗波导作为光反馈元件可有效降低半导体激光器线宽, 并获得低噪声光谱特性. 美国马里兰大学(university of maryland)和雷德芬集成光学公司(redn integrated optics company) [60]合作开发出一种平面波导型外腔激光器(pw-ecl), 可显著降低ecl的频率噪声和强度噪声, 获得1542 nm波段的窄线宽(2 khz)输出, 同时激光功率达10 mw. 同一时期, 中国计量科学研究院[61] 也报道了一种采用集成法布里-珀罗腔(mfc) 代替传统外腔反射镜, 实现ecl光谱线宽仅为6.8 khz.
随着硅基光子学的发展, 研究人员开始关注采用硅基低损耗波导为反馈元件的外腔半导体激光技术. 2015 年, 美国加州大学圣巴巴拉分校(university of california, santa barbara) [62] 提出一种宽调谐、窄线宽单片集成外腔半导体激光器, 采用腔长为4 cm的低损耗硅基波导作为光反馈元件, 通过控制外腔元件的光反馈, 在o波段实现54 nm的宽调谐范围, 同时显著降低激光器线宽, 在调谐范围内均低于100 khz, 最低线宽可达到50 khz. 2017 年, 美国康奈尔大学(cornell university) 和哥伦比亚大学(columbia university) [63] 联合报道了一种基于低损耗硅基环形波导结构的外腔激光器, 利用高q值微型谐振腔的窄带反射特性, 同时采用环形波导可避免光模式反馈, 获得激射波长1550 nm, 激光线宽13 khz, 输出功率1.7 mw.
为获得更低噪声的外腔激光器, 普林斯顿大学、德国fbh 研究所、日本东北大学等研究机构采用外腔晶体作为光反馈元件, 实现低噪声输出. 2010 年, 普林斯顿大学[64]采用znse楔形晶体作为半反射器提供光反馈, 实现单纵模激光输出(功率达40 mw), 线宽仅为480 khz. 随后, 德国fbh研究所[3] 提出利用dfb 激光芯片与集成式共焦法布里·珀罗腔谐振器等组成共振反馈谐振腔, 实现功率为50 mw, 洛伦兹线宽仅15.7 hz, 同时获得超低噪声(白噪声等级5 hz2/hz) 输出, 其噪声水平比普通dfb激光器和外腔激光器分别低了5个和3个数量级. 2015~2018年, 日本东北大学konosuke aoyama 团队[65, 66] 提出一种相干光学负反馈方法降低单模半导体激光器线宽, 利用外腔负反馈镜片将激光器线宽由13.5 mhz 优化为3 khz, 频率调制(fm)噪声的能量密度降低35 db, 同时相对强度噪声低于－140 db/hz, 该系统可以保持窄线宽稳定输出超过一小时.
近年来, 中国科学院上海光学精密机械研究所[67, 68]、中国科学院半导体研究所[69, 70] 等多家国内研究机构对光纤波导外腔半导体激光器逐渐开展研究, 采用光纤光栅波导反馈技术将半导体激光器的激光线宽进行窄化至10 khz. 其中, 中国科学院上海光学精密机械研究所杨飞等[67] 报道了一种基于布拉格光栅法布里·珀罗腔光纤波导结构的1550 nm 波段自注入锁定ecl, 实现了亚khz固有线宽(洛伦兹线宽125 hz), 同时相对强度噪声 38 db, 线宽均< 10 khz, 达到国际领先水平.
目前外腔反馈结构半导体激光器的研究主要包括: littrow型或littman型衍射光栅反馈外腔半导体激光器和基于低损耗波导和光纤光栅波导结构的外腔波导反馈半导体激光器. 这两种外腔反馈激光器都是采用外部光反馈元件实现激光频率的选择和线宽的压缩, 线宽水平都能达到khz量级. 而外腔光栅反馈半导体激光器的优势就是通过调整光栅位置就能实现波长调谐, 同时由于光路耦合效率高, 更易于实现高功率输出, 应用前景更加广阔.
4、总结与展望
半导体激光器正向着高功率、窄线宽的方向快速发展, 内腔反馈技术方面, 通过激光芯片外延结构和波导结构的分别优化设计, 获得低于10 khz的窄线宽激光输出; 外腔反馈技术方面, 通过不断开发新型光反馈元件和光学谐振腔设计, 实现低于100 hz的超窄线宽激光, 结合其体积小、重量轻、高转换效率、光谱范围广等特性, 将在超高精度激光雷达、卫星间通信、相干光通信、激光光谱学、原子钟泵浦、大气吸收测量及光纤通信等领域获得极其广泛的应用.
目前, 我国在窄线宽半导体激光器研究领域, 由于起步较晚、工艺技术限制及国外的高端技术封锁等因素, 与国外仍有一定差距, 需要进一步提高半导体激光器的功率和光谱特性; 解决二次高质量外延生长技术和表面光栅的高深宽比刻蚀技术; 攻克高精度光栅等光学反馈元件制造关键技术; 亟待整合国内优势单位进行联合研发, 突破关键技术, 实现高功率、窄线宽半导体激光器的自主化研发。
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