基于薄膜铌酸锂的集成窄线宽微波光子发射前端及其在频率调制连续波（FMCW）测距系统中的应用

《Optics & Laser Technology》：Integrated narrow-linewidth microwave photonic emission front-end based on thin-film lithium niobate and application in FMCW ranging system

　　

韩梦杰|赵一茹|贾倩倩|贾伟|刘建国|李金叶

中国科学院半导体研究所纳米光电子学实验室，北京100083，中国

摘要

微波光子系统的发展趋势是向集成化和微型化方向发展。在本研究中，我们展示了一个高度集成的窄线宽微波光子发射前端，工作在1550纳米波段。该模块同时具备高性能特性，包括窄激光线宽、高输出光功率和宽调制带宽，为微波光子发射器提供了一种紧凑且高效的替代方案。薄膜铌酸锂（TFLN）微环谐振器与电光调制器的单片集成实现了在同一芯片上的外部腔线宽缩窄和高速信号调制。实验结果显示，激光线宽为942.5赫兹，最大输出功率为8.9分贝毫瓦，调制带宽为26.8吉赫兹。为了验证其实用性，该模块被应用于频率调制连续波（FMCW）激光雷达系统中，测得测距标准偏差为1.2厘米。这种集成显著简化了光子测距系统的架构，并提高了整体效率。该设备的成功实现为未来的微波光子系统提供了一个有前景的平台，在遥感、激光雷达和高速相干光通信等领域具有广泛的应用潜力。

引言

在数据中心、长距离光纤通信和空间相干光通信等各个领域，对高性能激光发射前端的需求日益重要。理想的特征包括更低的噪声、更高的输出光功率和更宽的带宽。近年来，薄膜铌酸锂（TFLN）作为一种多功能光子平台受到了广泛关注。许多设备，如电光调制器[1]、[2]、[3]、[4]、隔离器[5]、滤波器[6]、光频移器[7]和光频梳[8]、[9]，都已在TFLN上实现。鉴于这些进展，在TFLN上制造高质量激光发射前端具有重要意义。

TFLN因其出色的电光特性而成为光子平台的热门选择，这推动了信息处理、图像识别和超宽带通信系统等应用领域的显著进展[10]、[11]、[12]。然而，要实现完全集成的微波光子系统，还需要一个高性能的片上激光源。尽管TFLN在调制和非线性功能方面表现出色，但它本身不提供光增益，这限制了其作为活性激光介质取代III-V族半导体的能力。为了解决这一限制，我们提出并展示了一种异质集成激光器，该激光器结合了TFLN外部腔体与III-V族增益芯片。由此产生的设备在紧凑的体积内实现了窄线宽发射、高输出功率和宽调制带宽。通过在混合平台上共同集成关键组件，这种方法显著降低了组件间的插入损耗，从而支持了更高效和微型化的微波光子系统的发展，例如雷达测距。

在光检测和测距（LIDAR）领域，频率调制连续波（FMCW）技术因其优越的抗干扰能力和高精度[14]、[15]、[16]、[17]而成为传统飞行时间（TOF）方法的替代方案[13]。当前的FMCW架构主要采用两种方法：使用直接激光调制的内部调制[3]、[18]、[19]、[20]，以及使用电光调制器的外部调制[21]、[22]、[23]。前者在系统微型化方面具有优势，但常常受到调制非线性的影响，可能会降低测距准确性和测量稳定性[24]、[25]、[26]。相比之下，外部调制通常能实现更高的精度，但代价是系统复杂性增加，往往需要许多离散组件来实现高性能的FMCW测距。本工作展示的集成窄线宽微波光子前端有效地弥合了这一差距。它结合了内部调制的紧凑性和外部调制的高线性和精度。其优异的窄线宽还将提高FMCW系统的测距能力，从而实现一个简单而高效的集成FMCW测距系统。

本研究展示了一种基于x切割TFLN平台的可调激光发射前端，利用了自注入锁定效应。该系统将高性能的微环谐振器和电光调制器无缝集成到单个外部腔体芯片中，该芯片又与DFB激光芯片异质集成。封装后，该设备产生了一个高质量的1550纳米激光器，其特征是线宽为942.5赫兹，旁模抑制比（SMSR）高，最大输出功率为8.9分贝毫瓦，调制带宽为26.8吉赫兹。利用这种集成前端，我们实现了一个简化的FMCW激光雷达系统。通过在调制器的线性偏置点使用宽带频率扫描信号，测得测距标准偏差为1.2厘米。这种方法显著降低了系统复杂性和插入损耗，为更高效和紧凑的微波光子系统铺平了道路。

节摘

设计与制造

在本文中，我们选择了NANOLN（济南）品牌的x切割TFLN芯片来设计集成芯片。虽然z切割芯片更适合用于光传播的微环谐振器，但我们使用x切割TFLN芯片来利用其电光效应。当光沿y轴传播时，铌酸锂的γ₃₃电光系数可以得到充分利用，从而最大化电光调制器的调制效率[27]。集成芯片由以下部分组成

测量

首先对制造的集成芯片进行了初步表征。图3(a)展示了使用专用片上监测结构测量的加 drop微环谐振器的归一化传输光谱。通过扫描激光波长，使用Santec IL-PDL仪器获取了该光谱。结果显示，通过端口的损耗比为16分贝，加载后的品质因数（Q）约为3.75×10⁵，表明谐振器工作在接近

激光雷达应用

在本研究中，FMCW激光雷达系统采用了三角波形进行光频率调制。与锯齿波调制相比，三角波形为频率扫描连续波测距提供了一种更稳健且广泛采用的方法。图5示意性地说明了三角波FMCW的原理，展示了频率调制的时间演变过程。蓝色实线曲线代表参考信号（本地振荡器），而红色虚线曲线表示

结论

总之，本研究成功实现了一种基于单芯片集成光子芯片的紧凑型微波光子前端，该前端在1550纳米波段发射窄线宽信号，具有高输出功率和宽调制带宽。激光线宽已成功缩小到亚千赫兹级别。关键的成就是在4.18平方厘米的紧凑体积内实现了自注入锁定激光器和电光调制器的共同集成

作者利益冲突声明

韩梦杰：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，验证，方法论，数据整理，概念化。赵一茹：验证，监督，方法论，概念化。贾倩倩：验证，监督，数据整理，概念化。贾伟：可视化，方法论，形式分析，概念化。刘建国：监督，资源管理，项目筹措，概念化。李金叶：写作 – 审稿与编辑，项目管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。