深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

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深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

原标题:深度解读硅光子芯片外腔窄线宽半导体激光器

本文作者杜悦宁,陈超,秦莉,张星,陈泳屹,宁永强,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,发光学及应用国家重点实验室,中国科学院大学,仅作交流学习之用,感谢分享!激光天地转载。

1 引 言

窄线宽半导体激光器因具有高相干性、低相频噪声、高频率稳定性以及宽波长调谐潜能,而成为超高速光通信、远距离空间激光通信、超高分辨率激光雷达和光学传感等领域的核心器件。例如,在100 Gbps和超100 Gbps 高速光通信系统中,数据负载的激增推动了16-QAM、64-QAM等更高阶正交幅度调制方案的使用,其对相位噪声容限较低,要求激光器具有全C波段可调谐性,并且线宽低于 300 kHz 甚至100kHz;而星地、星际间空间激光通信对激光光源的要求更为严苛,除了需要满足长距离链路、高速率和大容量数据传输对激光线宽和功率的要求,还需克服苛刻的空间环境和干扰,保证长期工作的可靠性和稳定性。此外,基于多普勒频移的相干激光雷达,其激光光源的线宽则直接决定着识别目标的准确性和精度。

目前,窄线宽半导体激光器的研究方案众多,包括基于衍射光栅、标准具等分立元件的外腔结构、集成取样光栅或表面光栅的单片集成结构以及硅基光子芯片( SPC) 外腔的准单片集成结构。尽管分布反馈( DFB) 和分布布拉格反射( DBR) 式单片集成激光器具有集成度高、结构紧凑和功耗低等优点,但其线宽严重受限于谐振腔长度及损耗等因素; 衍射光栅外腔激光器虽然线宽性能优异、调谐范围广,但其体积较大、封装复杂、光路对准困难、机械调谐滞后严重,这将降低激光器可靠性; SPC外腔窄线宽半导体激光器( SPC-SL) 是将增益芯片与外腔芯片准单片集成,它兼具单片集成结构的高可靠和低功耗特性,以及外腔结构的窄线宽和宽调谐特性,逐渐成为窄线宽半导体激光器研究领域的热点。

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