使用CMOS兼容放大器的1.5 瓦高功率可調(diào)諧激光器

  簡(jiǎn)介

  高功率可調(diào)諧激光器和放大器應(yīng)用廣泛，如集成激光雷達(dá)、相干光子雷達(dá)、電信、光頻梳和合成器，以及用于空間應(yīng)用的光電子器件。然而，大功率激光系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域主要是笨重的臺(tái)式固態(tài)和光纖系統(tǒng)。集成光子電路可以提供結(jié)構(gòu)緊湊、可大規(guī)模生產(chǎn)的解決方案，但傳統(tǒng)上由于光學(xué)約束較強(qiáng)，其輸出功率僅限于毫瓦級(jí)。

  最近，大模式面積(LMA)波導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步使集成放大器的輸出功率達(dá)到了瓦級(jí)。本文介紹利用 CMOS 兼容型集成 LMA 功率放大器將大范圍可調(diào)諧激光器放大到 1.5 瓦高功率的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)演示。

  器件設(shè)計(jì)

  如圖 1 所示，放大器由兩個(gè)關(guān)鍵部分組成--高約束小尺寸模式引導(dǎo)部分和高功率放大大模式面積 (LMA) 部分。 

圖 1：a) 器件布局顯示高約束(紅色)和 LMA(綠色)部分。b) LMA 部分的波導(dǎo)截面和信號(hào)的模式剖面。在高約束部分，光模式被緊密約束在氮化硅(SiN)波導(dǎo)層中。這樣就能實(shí)現(xiàn)泵浦光和信號(hào)光的高效耦合，以及波導(dǎo)的緊密彎曲，從而實(shí)現(xiàn)緊湊型鏈路。

  LMA 部分由氮化硅、二氧化硅和氧化鋁層堆疊而成，設(shè)計(jì)用于在 1850 nm 附近形成 ~30 μm2 的大光學(xué)模式區(qū)域。LMA 部分和高約束部分通過(guò)絕熱錐連接。

  LMA 波導(dǎo)表面鍍有一層氧化鋁層，其中摻有濃度為 6 x 1020 /cm3 的銩離子，以提供光學(xué)增益。雖然這里使用的是銩，但這一概念可擴(kuò)展到其他增益離子，如鉺和鐿。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2a 所示。可調(diào)諧銩：YLF 激光器提供種子信號(hào)，種子信號(hào)與 1610 nm 泵浦激光器一起通過(guò)波分復(fù)用器(WDM)耦合到芯片中。放大后的輸出通過(guò) 90% 的抽頭耦合器收集。

  圖 2：a) 實(shí)驗(yàn)裝置;b) 測(cè)量(標(biāo)記)和模擬(線(xiàn)條)凈增益;c) 測(cè)量和模擬放大信號(hào)功率。

  主要結(jié)果是凈增益(圖 2b)和放大信號(hào)功率(圖 2c)與種子功率和波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系。在 1830-1890 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)種子功率為 80-120 mW 時(shí)，測(cè)得的最大放大功率為 1400-1510 mW。凈增益范圍為 11-12.8 dB。

  由于刻面反射的原因，在開(kāi)始發(fā)光之前，如果泵浦功率較高，則增益可高達(dá) 15 dB。由于 0.3 dB/cm 的無(wú)源波導(dǎo)損耗略有增加，因此泵功率要求高于預(yù)期。

  圖 3a 中的測(cè)量光譜顯示，信號(hào)被放大，信噪比很高，但由于芯片刻面對(duì)種子激光器腔體的反饋，會(huì)出現(xiàn)一些寬化現(xiàn)象。在種子激光器輸出端安裝隔離器可減輕這種影響。

  在更寬的 1600-1950 nm 帶寬范圍內(nèi)(圖 3b)，使用高功率種子激光器在 1850 nm 波長(zhǎng)增益峰附近工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)放大自發(fā)輻射 (ASE) 基座。在增益帶寬的邊緣，會(huì)出現(xiàn)預(yù)期的 ASE 基座。

圖 3：a) 輸入和輸出的信號(hào)光譜顯示放大。

  意義

  所達(dá)到的 1.4-1.5 W 功率水平比之前展示的 2 μm 波長(zhǎng)最佳半導(dǎo)體放大器高出 25 倍以上。集成式 LMA 波導(dǎo)放大器的性能超過(guò)了許多臺(tái)式光纖放大器系統(tǒng)，同時(shí)還提供結(jié)構(gòu)緊湊、可大規(guī)模生產(chǎn)的集成光電子解決方案。

  隨著模式面積的進(jìn)一步增大以匹配大模式面積光纖，這種與 CMOS 兼容的集成式高功率激光器可以真正實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)臺(tái)式系統(tǒng)同等的性能。此外，集成泵浦激光二極管可通過(guò)共同封裝來(lái)創(chuàng)建獨(dú)立的集成高功率激光系統(tǒng)，從而開(kāi)辟變革性的新應(yīng)用領(lǐng)域。

  結(jié)論

  這項(xiàng)工作展示了重要的里程碑，即在需要高光功率和波長(zhǎng)可調(diào)諧性的廣泛應(yīng)用中，用緊湊、可擴(kuò)展的集成光電子解決方案取代笨重的臺(tái)式激光系統(tǒng)。