APL Photonics | 用于激光雷達(dá)應(yīng)用的集成調(diào)頻連續(xù)波可調(diào)諧激光器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
6 H5 d) E4 t' g$ r. E激光探測和測距（LiDAR）技術(shù)在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人和測量等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在不同的激光雷達(dá)技術(shù)中，調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)具有高精度、長距離測量能力和對環(huán)境光干擾不敏感等優(yōu)勢。FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件是可調(diào)諧激光源。本文探討為激光雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)的創(chuàng)新集成FMCW可調(diào)諧激光器的開發(fā)和特性[1] 。

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% ]* y* Y3 I; [& Q% L. n' j激光器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)
本文介紹的單片集成激光器采用環(huán)形腔設(shè)計(jì)，包含幾個(gè)關(guān)鍵組件以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

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圖1：單片集成可調(diào)諧FMCW激光器芯片的顯微照片。
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激光器結(jié)構(gòu)包括增益段、腔內(nèi)相位調(diào)制器和級(jí)聯(lián)非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（AMZIs）。腔體設(shè)計(jì)針對FMCW信號(hào)生成和窄線寬進(jìn)行了優(yōu)化。一個(gè)1.88毫米長的高線性腔內(nèi)相位調(diào)制器與增益段集成在一起，用于頻率調(diào)制。一個(gè)不平衡的2x2多模干涉儀（MMI）形成輸出端面，提供部分反饋到腔體和部分輸出。此外，還集成了片上半導(dǎo)體光放大器（SOA）以提高輸出功率。
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圖2：激光器腔體結(jié)構(gòu)示意圖。
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環(huán)形腔的物理周長為16.4毫米，對應(yīng)的縱模間距為0.04納米。三個(gè)濾波器的自由光譜范圍（FSRs）分別設(shè)置為0.52、8.85和73納米。這種設(shè)計(jì)允許寬波長調(diào)諧和穩(wěn)定的單模操作。

/ o5 A9 z' c$ C; j( J& M激光器特性表征
為評(píng)估激光器的性能，測量并分析了幾個(gè)關(guān)鍵特性。


圖3：從輸出1測得的典型波導(dǎo)耦合LIV曲線。
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功率-電流-電壓（LIV）曲線顯示閾值電流為41毫安，微分電阻為8.5歐姆。在增益段注入電流約300毫安時(shí)，波導(dǎo)耦合輸出功率達(dá)到0.9毫瓦。
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0 o9 q$ A; a" @) n) x圖4：不同工作波長下的光譜。

* p. U/ r$ _+ m2 [4 k3 b, x通過電調(diào)節(jié)每個(gè)AMZI中相移器的偏置電壓，實(shí)現(xiàn)了從1512到1563納米的波長調(diào)諧。在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，閾值電流保持在49毫安以下，邊模抑制比（SMSR）大于40分貝。

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6 Q2 E0 G# ?/ r0 j' C圖5：不同SOA注入電流下的光纖耦合輸出功率。
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5 C/ F& K2 r; h! ]/ d片上SOA可以顯著提高輸出功率。當(dāng)增益電流固定在140毫安時(shí)，輸出3的光纖耦合輸出功率提高到1.37 dBm�？紤]各種損耗后，使用片上SOA將波導(dǎo)耦合輸出功率放大到9.87 dBm。
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線寬和頻率噪聲
8 i$ z4 N, [. q對于FMCW激光雷達(dá)應(yīng)用，激光線寬是影響測距分辨率的關(guān)鍵參數(shù)，特別是對于長距離測量。
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圖6：在1550納米波長下測得的激光頻率噪聲譜。
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2 D( m; C7 j" M; s使用激光噪聲分析儀測量了激光器的頻率噪聲譜。白噪聲限制的頻率噪聲水平為5,100 Hz2/Hz，對應(yīng)于1550納米波長下16千赫的洛倫茲線寬。在整個(gè)工作波長范圍內(nèi)，線寬保持在80千赫以下，展示了優(yōu)異的相干性。
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3 G3 g. T$ G/ ?頻率啁啾性能
這種激光器用于FMCW激光雷達(dá)應(yīng)用的關(guān)鍵特性是能夠通過直接腔內(nèi)相位調(diào)制產(chǎn)生高度線性的頻率啁啾。

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圖7：在1531納米工作波長下，示波器中測得的實(shí)時(shí)波形（藍(lán)線）和任意波形發(fā)生器輸出的三角波形（橙線）。

通過對腔內(nèi)相位調(diào)制器施加三角形電壓波形，產(chǎn)生線性頻率啁啾。電壓掃描范圍設(shè)置在-2.75至-5.75伏之間，以優(yōu)化頻率調(diào)諧的線性度，重復(fù)頻率為100千赫。
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4 h9 X) }8 ?# e* X9 O圖8：提取的啁啾頻率（藍(lán)線）和殘余頻率誤差（紅線）。

4 O+ `+ V- e: L) }- `提取的瞬時(shí)頻率偏移顯示出優(yōu)異的線性度，均方根頻率誤差僅為1.8兆赫，頻率非線性度（1-r2）為1 × 10??。這種高水平的線性度是在沒有任何反饋控制或預(yù)失真技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)的。
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1 y( {5 @: x1 h% r( B+ O% I快速頻率啁啾
對于激光雷達(dá)應(yīng)用，快速頻率啁啾對提高像素率和圖像幀率至關(guān)重要。研究了激光器在高達(dá)1兆赫調(diào)制頻率下的性能。


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1 f# t$ Y% {2 ?0 T) p6 \- G圖9：在200、500、800千赫和1兆赫調(diào)制頻率下測得的實(shí)時(shí)波形、提取的芯片頻率和殘余頻率誤差。

隨著調(diào)制頻率從100千赫增加到1兆赫，均方根頻率誤差從4兆赫增加到12兆赫，而啁啾范圍略微從1.78千兆赫縮小到1.65千兆赫。這證明了激光器在高調(diào)制速度下仍能保持良好性能。

8 e! B8 C; M$ _: c5 m原理驗(yàn)證測距實(shí)驗(yàn)
為了展示激光器在FMCW激光雷達(dá)應(yīng)用中的潛力，使用延遲長度為50米的光纖馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念驗(yàn)證光學(xué)測距實(shí)驗(yàn)。


2 q' w6 ?  w4 W6 L' }8 `, z5 X圖10：光纖測距實(shí)驗(yàn)中測得的拍頻信號(hào)波形（藍(lán)線）和提取的芯片頻率（橙線）。
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  ]0 R& T6 u8 R4 [9 `5 w1 y  m激光器在1555納米波長下工作，調(diào)制頻率為100千赫。從參考MZI提取的頻率啁啾為1.5千兆赫，對應(yīng)于單程延遲的理論測距分辨率為20厘米。


圖11：拍頻信號(hào)的傅里葉變換譜及其洛倫茲擬合。
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通過分析拍頻信號(hào)的傅里葉變換譜，在50米距離處實(shí)現(xiàn)了51厘米的空間探測分辨率，無需外部主動(dòng)反饋環(huán)路或預(yù)失真技術(shù)。
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3 ~; W# Z" f; o! Q結(jié)論
- B& u( C2 T0 @4 i本文介紹了專為激光雷達(dá)應(yīng)用設(shè)計(jì)的創(chuàng)新集成FMCW可調(diào)諧激光器。該激光器展示了51納米的寬波長調(diào)諧范圍，低至16千赫的窄線寬，以及高達(dá)1兆赫重復(fù)頻率的高度線性頻率啁啾。無需復(fù)雜的外部控制機(jī)制即可生成如此高質(zhì)量的頻率調(diào)制信號(hào)，使該激光器成為下一代FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。
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在單個(gè)InP芯片上實(shí)現(xiàn)增益段、相位調(diào)制器和波長濾波器等所有組件的單片集成，展示了緊湊和成本效益高的激光雷達(dá)解決方案的潛力。隨著該領(lǐng)域研究的不斷進(jìn)步，可以期待性能和集成度的進(jìn)一步提升，為FMCW激光雷達(dá)技術(shù)在自動(dòng)駕駛、工業(yè)機(jī)器人等各種應(yīng)用中的廣泛采用奠定基礎(chǔ)。


參考文獻(xiàn)
[1] L. Zhang, M. Gagino, A. Millan-Mejia, K. A. Williams, and V. Dolores Calzadilla, "Directly modulated FMCW tunable laser with highly linear frequency chirp and narrow linewidth," APL Photonics, vol. 9, no. 10, p. 106101, Oct. 2024, doi: 10.1063/5.0222059.
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