APL Photonics | 用于激光雷達應用的集成調頻連續(xù)波可調諧激光器

逍遙設計自動化

引言
激光探測和測距（LiDAR）技術在自動駕駛、機器人和測量等領域的應用日益廣泛。在不同的激光雷達技術中，調頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達具有高精度、長距離測量能力和對環(huán)境光干擾不敏感等優(yōu)勢。FMCW激光雷達系統(tǒng)的核心組件是可調諧激光源。本文探討為激光雷達應用設計的創(chuàng)新集成FMCW可調諧激光器的開發(fā)和特性[1] 。
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激光器結構和設計
本文介紹的單片集成激光器采用環(huán)形腔設計，包含幾個關鍵組件以實現最佳性能。
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圖1：單片集成可調諧FMCW激光器芯片的顯微照片。
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激光器結構包括增益段、腔內相位調制器和級聯非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（AMZIs）。腔體設計針對FMCW信號生成和窄線寬進行了優(yōu)化。一個1.88毫米長的高線性腔內相位調制器與增益段集成在一起，用于頻率調制。一個不平衡的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，還集成了片上半導體光放大器（SOA）以提高輸出功率。


圖2：激光器腔體結構示意圖。
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, A4 K6 N( R: |環(huán)形腔的物理周長為16.4毫米，對應的縱模間距為0.04納米。三個濾波器的自由光譜范圍（FSRs）分別設置為0.52、8.85和73納米。這種設計允許寬波長調諧和穩(wěn)定的單模操作。
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激光器特性表征
為評估激光器的性能，測量并分析了幾個關鍵特性。
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圖3：從輸出1測得的典型波導耦合LIV曲線。

; q8 C' S' m5 \. B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，波導耦合輸出功率達到0.9毫瓦。
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圖4：不同工作波長下的光譜。

; |6 U6 a* d( e$ O, o通過電調節(jié)每個AMZI中相移器的偏置電壓，實現了從1512到1563納米的波長調諧。在整個調諧范圍內，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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) {0 M1 d0 x( b1 y) j圖5：不同SOA注入電流下的光纖耦合輸出功率。
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片上SOA可以顯著提高輸出功率。當增益電流固定在140毫安時，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將波導耦合輸出功率放大到9.87 dBm。
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# o' q! s( A1 e. W! b線寬和頻率噪聲
' W! u* f# n. a對于FMCW激光雷達應用，激光線寬是影響測距分辨率的關鍵參數，特別是對于長距離測量。
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0 c9 t% D# V) Y9 ?+ l圖6：在1550納米波長下測得的激光頻率噪聲譜。
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. E# n: M" r: W; B: ]0 G# e5 E% B5 i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，對應于1550納米波長下16千赫的洛倫茲線寬。在整個工作波長范圍內，線寬保持在80千赫以下，展示了優(yōu)異的相干性。
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頻率啁啾性能
; g& j4 w8 |. x7 ?6 c這種激光器用于FMCW激光雷達應用的關鍵特性是能夠通過直接腔內相位調制產生高度線性的頻率啁啾。
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$ _4 c3 _2 O7 R6 l3 B0 x) @, k5 ?3 Y* M圖7：在1531納米工作波長下，示波器中測得的實時波形（藍線）和任意波形發(fā)生器輸出的三角波形（橙線）。

通過對腔內相位調制器施加三角形電壓波形，產生線性頻率啁啾。電壓掃描范圍設置在-2.75至-5.75伏之間，以優(yōu)化頻率調諧的線性度，重復頻率為100千赫。
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  w8 [% [* o6 q. d( ?' o& F圖8：提取的啁啾頻率（藍線）和殘余頻率誤差（紅線）。

提取的瞬時頻率偏移顯示出優(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失真技術的情況下實現的。

快速頻率啁啾
! T; a/ d9 p+ f* u# Z對于激光雷達應用，快速頻率啁啾對提高像素率和圖像幀率至關重要。研究了激光器在高達1兆赫調制頻率下的性能。
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3 i/ |$ a1 T- J9 @0 s2 q& ~圖9：在200、500、800千赫和1兆赫調制頻率下測得的實時波形、提取的芯片頻率和殘余頻率誤差。
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隨著調制頻率從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制速度下仍能保持良好性能。

8 ^* U# {: K6 \原理驗證測距實驗
, z. _8 t( {! C7 A$ R6 {為了展示激光器在FMCW激光雷達應用中的潛力，使用延遲長度為50米的光纖馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）結構進行了概念驗證光學測距實驗。
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圖10：光纖測距實驗中測得的拍頻信號波形（藍線）和提取的芯片頻率（橙線）。
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激光器在1555納米波長下工作，調制頻率為100千赫。從參考MZI提取的頻率啁啾為1.5千兆赫，對應于單程延遲的理論測距分辨率為20厘米。
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' M# R# p) H6 t+ G圖11：拍頻信號的傅里葉變換譜及其洛倫茲擬合。
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; t+ [+ O+ p6 |通過分析拍頻信號的傅里葉變換譜，在50米距離處實現了51厘米的空間探測分辨率，無需外部主動反饋環(huán)路或預失真技術。

$ d  z  }5 o! ?- L( f6 ~結論
  B9 ]( m0 {. e- G本文介紹了專為激光雷達應用設計的創(chuàng)新集成FMCW可調諧激光器。該激光器展示了51納米的寬波長調諧范圍，低至16千赫的窄線寬，以及高達1兆赫重復頻率的高度線性頻率啁啾。無需復雜的外部控制機制即可生成如此高質量的頻率調制信號，使該激光器成為下一代FMCW激光雷達系統(tǒng)的理想選擇。

+ F9 _* z  R2 c7 |- ~' L; b在單個InP芯片上實現增益段、相位調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解決方案的潛力。隨著該領域研究的不斷進步，可以期待性能和集成度的進一步提升，為FMCW激光雷達技術在自動駕駛、工業(yè)機器人等各種應用中的廣泛采用奠定基礎。
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( _6 P: C. ~) z4 I7 g參考文獻
[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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