用于FMCW LIDAR的的高功率DBR激光器

参考：Demonstration of high output power DBR laser integrated with SOA for the FMCW LiDAR system，GONG ZHANG et al，华科.

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-2-2599&id=468380

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0、Abstract

为了实现高功率的输出文中采用以下方法：

1、DBR的front mirror采用均匀光栅的一部分，与传统的SG-DBR相比，具有更高的透过率。

2、集成SOA。

3、在输出端口集成了一个SSC（模斑转换器）来提高透镜光纤的耦合效率。

当增益和SOA电流分别为200 mA和400 mA时，输出功率达到96 mW。

对于线宽，由于和腔长的成反比，后镜采用取样光栅来压窄线宽。线宽有313khz，FSR0.29nm，SMSR 53dB。

对于线性频率sweep，文中用迭代学习控制实现在上下斜坡上实现 0.026% 和 0.02% 的频率偏移的残差非线性度。

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1、Device

芯片大小：3.65 mm× 0.25 mm, 如下图所示，SOA用来放大光信号、前镜和后镜用来模式选择，增益部分提供光学增益、phase部分用来频率sweep，PD用来检测功率，PD后面还有个方形的波导将光散射，消除反射。

SOA长1mm，gain部分600um，为了获得更高的功率，gain部分将3um的波导taper到4.5um，SOA出口处倾斜7°减小反射，以及镀了减反膜。

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晶圆结构如下图所示，采用量子阱偏置技术（文末有解释）。

模式选择是通过对齐前镜和后镜的反射率光谱。反射率和透射率可以通过改变蚀刻深度或均匀和采样光栅的长度来设计。

将激光器安装在AlN载体上，然后放置在铜散热器上进行测试。热电冷却器（TEC）用于将芯片温度始终保持在25°C。

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2、Measurement

下图a是L-I-V曲线，L-I曲线是通过将SOA反向偏置作为PD来测得，阈值电流为23.5mA，串联电阻为6Ω。b是gain电流固定为200mA，输出功率通过Ge探测器测得，SOA电流为400mA时可以达到96mW。然后又对比了有无SSC时的耦合效率，有SSC时耦合到5um束腰半径的透镜光纤耦合效率为44%，2.5um的耦合效率为64%。

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 Gain的电流和SOA的电流固定为100mA，当后镜的电流从0-100mA，调谐范围为2.8nm，下图b是注入电流到相位部分进行调谐，FSR有0.29nm。

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线性扫频方法可以参考此篇文章。

X. Zhang, J. Pouls, and M. C. Wu, “Laser frequency sweep linearization by iterative learning pre-distortion for FMCW LiDAR,” Opt. Express 27(7), 9965–9974 (2019).

迭代139次后，上斜坡的RMS降至6.17 MHz，剩余非线性度为0.026%，下斜坡的RMS降至4.88 MHz，残余非线性度为0.02%。

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下图为测试系统图：

文中后面根据FMCW原理还测量了静物和动态物体的距离和速度。

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偏置量子阱技术：

偏置量子阱技术将有源芯层和无源芯层放在不同的高度上 ，先 生长块状的无源芯层，再生长有源的量子阱 层，最后将无源区域的有源芯层刻蚀掉并整体覆盖上包层 ，即 需要两次外延 生长，这 当然增加了工艺的复杂度但为无源部分提供了更低的损耗和灵活性 。由于有源芯层的折射率高于无源芯层，光在有源区传输时，模场的一小部分会耦合进上方的有源芯层，在有源层中得到 吸收或增益。该技术的主要问题在于有源区的限制因子非常小，对光的吸收或增益效率非常低，不适合用作激光器或放大器，而无源区采用了块状材料，其电光效应比量子阱材料的量子限制斯塔克效应弱很多，因此也不适合制作调制器， 但在某些光检测应用中还是可行的。此外，该技术只能支持 2 个不同的禁带宽度，且有源区和无源区之间存在折射率的突变，会在界面处形成反射。

收录于合集

#激光雷达11个

#大功率LD5个

#半导体激光器2个