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

逍遙設(shè)計自動化

引言
& H% Z1 H* L1 Q( p+ ?$ |激光探測和測距（LiDAR）技術(shù)在自動駕駛、機器人和測量等領(lǐng)域的應用日益廣泛。在不同的激光雷達技術(shù)中，調(diào)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(diào)諧激光源。本文探討為激光雷達應用設(shè)計的創(chuàng)新集成FMCW可調(diào)諧激光器的開發(fā)和特性[1] 。

  S9 W2 Z2 B! G- F0 w
, e3 m, g, D2 e0 X% V$ x

7 |$ R1 o6 h% @. E- q3 `激光器結(jié)構(gòu)和設(shè)計
1 a. J+ U: V" C; ~+ N: w9 G5 N本文介紹的單片集成激光器采用環(huán)形腔設(shè)計，包含幾個關(guān)鍵組件以實現(xiàn)最佳性能。


圖1：單片集成可調(diào)諧FMCW激光器芯片的顯微照片。

/ \4 T  p2 Y. h: d" D+ |* K9 V% l激光器結(jié)構(gòu)包括增益段、腔內(nèi)相位調(diào)制器和級聯(lián)非對稱馬赫-曾德爾干涉儀（AMZIs）。腔體設(shè)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(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。
$ N. C: C; C% B" I2 B, u
& @3 G2 m! b/ o" W3 n
8 @9 z$ I, ?. K# e3 c圖2：激光器腔體結(jié)構(gòu)示意圖。

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(shè)置為0.52、8.85和73納米。這種設(shè)計允許寬波長調(diào)諧和穩(wěn)定的單模操作。
3 I" z. C+ j, [) \" Z: K
2 f+ O: m$ [+ E- S% \3 \1 T# |6 h# c6 G: ~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(guān)鍵特性。


圖3：從輸出1測得的典型波導耦合LIV曲線。

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。
  {9 P: q; C6 g3 f$ b8 I1 g' r5 f
0 _3 c% {* W/ Z! M3 v2 \1 M
圖4：不同工作波長下的光譜。
( z1 h+ c3 L4 W% ^: o
通過電調(diào)節(jié)每個AMZI中相移器的偏置電壓，實現(xiàn)了從1512到1563納米的波長調(diào)諧。在整個調(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。


$ a1 D+ D" w  Y8 v* w圖5：不同SOA注入電流下的光纖耦合輸出功率。

& T2 V2 m$ l. Y9 |; ?/ z6 }6 R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。

線寬和頻率噪聲
對于FMCW激光雷達應用，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。
5 }" Y' s& i& t6 o; x  }# {" ^0 u
+ G. p' K3 K- L& z
圖6：在1550納米波長下測得的激光頻率噪聲譜。

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(nèi)，線寬保持在80千赫以下，展示了優(yōu)異的相干性。


0 A. k4 L4 y, s0 J9 o5 M頻率啁啾性能
這種激光器用于FMCW激光雷達應用的關(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。
3 p7 x+ B1 ^5 g: c: u  V
0 G( B) a2 k# n& Z
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(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，重復頻率為100千赫。
4 w+ J2 B0 ~9 I5 ?
1 G3 R! A& y. m  T; e7 P
圖8：提取的啁啾頻率（藍線）和殘余頻率誤差（紅線）。
" L# _$ m5 F6 I, q/ _# I! L/ F
- ~6 Y0 Q# |0 l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(shù)的情況下實現(xiàn)的。
$ T' e7 Q" }/ U0 k
- D$ b4 O& p# x4 a5 I快速頻率啁啾
( y7 i3 U! ~* p: D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(guān)重要。研究了激光器在高達1兆赫調(diào)制頻率下的性能。
( G( N! R$ K9 P( k/ E' @
6 W, ~# }$ Q- h. f# k

圖9：在200、500、800千赫和1兆赫調(diào)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。

3 w4 x  p# Y8 h9 @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 D: @* i/ s' P+ `. x
1 L( }4 _4 H, `原理驗證測距實驗
0 ]. |+ _) Z7 S: a  B3 J& q% C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(jié)構(gòu)進行了概念驗證光學測距實驗。


& W7 j+ O9 T. @* h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）。

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，對應于單程延遲的理論測距分辨率為20厘米。


0 |8 b2 X$ V/ q6 a6 ^圖11：拍頻信號的傅里葉變換譜及其洛倫茲擬合。
, w3 t( t4 t0 {: E) U4 X. R
/ S6 ?0 D2 x6 a& z通過分析拍頻信號的傅里葉變換譜，在50米距離處實現(xiàn)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(shù)。
# ]/ O2 d# F* s/ Q( N0 ^
結(jié)論
( ~; H0 t' H9 N+ C) p* |( `2 K/ j" I本文介紹了專為激光雷達應用設(shè)計的創(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(zhì)量的頻率調(diào)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。
9 _  R5 b; T- e1 o
* o: H3 W2 W4 M+ J0 D8 y/ ?0 C在單個InP芯片上實現(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解決方案的潛力。隨著該領(lǐng)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(shù)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(chǔ)。


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.
) K. Q' s3 {! w
- END -
9 M# {5 U7 G8 w$ s, q6 {. @# T2 j
軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
/ W4 Z7 s) T5 Q) @, Q: K點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

3 u: ^: X3 i' }; E歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
2 Z; l. I% }  i9 F2 B- t% j0 n
* G+ Q; f3 K/ C$ \% v/ p
% `: l5 J5 V1 o+ j  J


% x8 i  j3 X- q8 N" n2 f; @關(guān)注我們
: H0 i9 O7 u4 P; ]0 J) @. ]
1 T( H! e" l, Z+ ^) U9 k

/ |! y; C- d& R- z# ]! ^

, u" L4 F5 x$ l3 |1 \* G

                     
4 z1 u6 F" a+ f% B  Q& w8 S


$ R8 j: p9 |7 T' f+ P關(guān)于我們：
4 A) E! p4 |- q0 F深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。

( r$ ~7 G( x- f/ c! Jhttp://www.latitudeda.com/
1 M; {/ C, G0 d1 M0 w（點擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）