使用CMOS兼容放大器的1.5 瓦高功率可调谐激光器

  简介

  高功率可调谐激光器和放大器应用广泛，如集成激光雷达、相干光子雷达、电信、光频梳和合成器，以及用于空间应用的光电子器件。然而，大功率激光系统的技术领域主要是笨重的台式固态和光纤系统。集成光子电路可以提供结构紧凑、可大规模生产的解决方案，但传统上由于光学约束较强，其输出功率仅限于毫瓦级。

  最近，大模式面积(LMA)波导技术的进步使集成放大器的输出功率达到了瓦级。本文介绍利用 CMOS 兼容型集成 LMA 功率放大器将大范围可调谐激光器放大到 1.5 瓦高功率的设计和实验演示。

  器件设计

  如图 1 所示，放大器由两个关键部分组成--高约束小尺寸模式引导部分和高功率放大大模式面积 (LMA) 部分。 

图 1：a) 器件布局显示高约束(红色)和 LMA(绿色)部分。b) LMA 部分的波导截面和信号的模式剖面。在高约束部分，光模式被紧密约束在氮化硅(SiN)波导层中。这样就能实现泵浦光和信号光的高效耦合，以及波导的紧密弯曲，从而实现紧凑型链路。

  LMA 部分由氮化硅、二氧化硅和氧化铝层堆叠而成，设计用于在 1850 nm 附近形成 ~30 μm2 的大光学模式区域。LMA 部分和高约束部分通过绝热锥连接。

  LMA 波导表面镀有一层氧化铝层，其中掺有浓度为 6 x 1020 /cm3 的铥离子，以提供光学增益。虽然这里使用的是铥，但这一概念可扩展到其他增益离子，如铒和镱。

  实验结果

  实验装置如图 2a 所示。可调谐铥：YLF 激光器提供种子信号，种子信号与 1610 nm 泵浦激光器一起通过波分复用器(WDM)耦合到芯片中。放大后的输出通过 90% 的抽头耦合器收集。

  图 2：a) 实验装置;b) 测量(标记)和模拟(线条)净增益;c) 测量和模拟放大信号功率。

  主要结果是净增益(图 2b)和放大信号功率(图 2c)与种子功率和波长的函数关系。在 1830-1890 nm 波长范围内，当种子功率为 80-120 mW 时，测得的最大放大功率为 1400-1510 mW。净增益范围为 11-12.8 dB。

  由于刻面反射的原因，在开始发光之前，如果泵浦功率较高，则增益可高达 15 dB。由于 0.3 dB/cm 的无源波导损耗略有增加，因此泵功率要求高于预期。

  图 3a 中的测量光谱显示，信号被放大，信噪比很高，但由于芯片刻面对种子激光器腔体的反馈，会出现一些宽化现象。在种子激光器输出端安装隔离器可减轻这种影响。

  在更宽的 1600-1950 nm 带宽范围内(图 3b)，使用高功率种子激光器在 1850 nm 波长增益峰附近工作时，不会出现放大自发辐射 (ASE) 基座。在增益带宽的边缘，会出现预期的 ASE 基座。

图 3：a) 输入和输出的信号光谱显示放大。

  意义

  所达到的 1.4-1.5 W 功率水平比之前展示的 2 μm 波长最佳半导体放大器高出 25 倍以上。集成式 LMA 波导放大器的性能超过了许多台式光纤放大器系统，同时还提供结构紧凑、可大规模生产的集成光电子解决方案。

  随着模式面积的进一步增大以匹配大模式面积光纤，这种与 CMOS 兼容的集成式高功率激光器可以真正实现与传统台式系统同等的性能。此外，集成泵浦激光二极管可通过共同封装来创建独立的集成高功率激光系统，从而开辟变革性的新应用领域。

  结论

  这项工作展示了重要的里程碑，即在需要高光功率和波长可调谐性的广泛应用中，用紧凑、可扩展的集成光电子解决方案取代笨重的台式激光系统。