基于高Q值氮化硅微環(huán)反射鏡的窄線寬單模光纖激光器

章元玨　李漁　陳明華

摘要：實(shí)現(xiàn)了一種基于片上高Q值氮化硅（Si3N4）微環(huán)反射鏡的單模光纖激光器。利用微環(huán)反射鏡的窄線寬特性，可以在使用較長增益光纖的同時(shí)保證激光的單模激射。由于激光諧振腔的加長，可以得到更好的線寬特性。實(shí)驗(yàn)中，采用長度為12 cm的摻鉺光纖作為增益介質(zhì)。通過在摻鉺光纖的兩端分別使用布拉格光柵（FBG）和微環(huán)反射鏡，構(gòu)建了一個(gè)基于法布里-珀羅（FP）諧振效應(yīng)的光纖激光器，微環(huán)反射鏡的Q值達(dá)到2.5×105。獲得了線寬為8 kHz的單頻激光輸出。

關(guān)鍵詞： 光纖激光器；集成光器件；微環(huán)；窄線寬

Abstract： A single frequency erbium-doped fiber laser with an on-chip high-Q silicon nitride （Si3N4） micro-ring reflector is demonstrated in this paper. As a result of the narrow bandwidth of the micro ring cavity， longer gain media can be employed and single-frequency lasing can still be realized， which is also beneficial for better linewidth performance. In our demonstration， the compact laser cavity is composed of an on-chip micro ring with a Q value of up to 2.5 x 105， a 12 centimeters erbium doped fiber and a fiber Bragg grating （FBG）. The linewidth of the laser output is about 8 kHz.

Key words： fiber laser； integrated optics devices； micro ring； narrow linewidth

Ball等人制作了第一臺(tái)基于布拉格反射鏡構(gòu)建的1 550 nm單模光纖激光器[1]。數(shù)年后，又發(fā)展出分布式布拉格反射鏡（DBR）的激光器結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊并且具有很高的魯棒性，因此近年來基于DBR結(jié)構(gòu)的單模光纖激光器尤受青睞[2]。具有窄線寬的單模激光器在各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用，如相干光通信、激光雷達(dá)（LIDAR）和最近的引力波探測等。

在使用布拉格光纖光柵（FBG）構(gòu)建光纖激光器的研究中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千赫茲的窄線寬輸出[3]，在文獻(xiàn)[4]的研究中，其線寬甚至達(dá)到百赫茲量級(jí)。但是，由于FBG的帶寬通常大于0.1 nm，這就要求激光諧振腔必須足夠短（即縱模間隔足夠大）來避免產(chǎn)生多縱模，通常此類激光器的腔長在2 cm以下。為了保證激光腔有足夠的增益以提高輸出光功率，必須使用具有很高摻雜濃度的增益光纖，此類光纖通常很難獲得。在文章中，我們使用硅基微環(huán)反射鏡來代替窄帶FBG，其中微環(huán)反射鏡的Q值達(dá)2.5×105，帶寬僅為800 MHz。使用高Q值微環(huán)作為反射鏡的激光器，在單縱模工作時(shí)可以配置更長的增益光纖。文章中我們所提出的激光器使用的摻鉺光纖的長度為12 cm，比使用FBG的激光器高出了6倍。根據(jù)Schawlow-Towns[5]的相關(guān)公式，較長的諧振腔可以進(jìn)一步改善線寬特性。最終，我們成功地利用片上微環(huán)反射鏡和FBG構(gòu)建了一個(gè)單模窄線寬激光器。

1 基于微環(huán)的單模窄線寬

激光器原理和設(shè)計(jì)

1.1 高Q值微環(huán)反射鏡

TriPleXTM 氮化硅波導(dǎo)技術(shù)是目前主流的與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容的集成光子平臺(tái)。它具有損耗低，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。因此，我們可以采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)具備高Q值、高反射率特性的硅基片上微環(huán)反射鏡。TriPleXTM 波導(dǎo)技術(shù)的3類典型結(jié)構(gòu)之一的雙條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1a）所示。該波導(dǎo)在水平方向上的寬度為1.2 μm，垂直方向上由3層薄膜構(gòu)成，各層依次為：氮化硅層、二氧化硅層和氮化硅層，這3層薄膜的厚度分別為：170 nm、500 nm 和 170 nm。該波導(dǎo)的傳輸損耗低至0.1 dB/cm，彎曲損耗在波導(dǎo)彎曲半徑超過70 μm 時(shí)就可以忽略不計(jì)。圖1b）顯示了該波導(dǎo)所支持的橫電波模式（TE0）的電場分布圖，這個(gè)模式在真空波長為1 550 nm波長處的有效折射率為1.535，群折射率為1.715。此外，針對(duì)TriPleXTM波導(dǎo)平臺(tái)的光纖耦合器，對(duì)TE0模式進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使其不支持橫磁波模式（TM0）的傳輸，具有高達(dá)20 dB的偏振抑制比。

為了實(shí)現(xiàn)窄線寬的單模激光器，在設(shè)計(jì)微環(huán)反射鏡時(shí)，主要應(yīng)考慮以下3方面的特性：自由譜區(qū)（FSR）、反射率和Q值。首先，為了保證單模激光的產(chǎn)生，微環(huán)的FSR必須大于FBG的帶寬。通常，光纖光柵的反射帶小于1 nm，我們可以通過式（1）計(jì)算出微環(huán)反射鏡的半徑：

[FSR=λ2/（2πRng）] （1）

其中，λ為中心波長，R為微環(huán)半徑，ng為波導(dǎo)的群折射率。當(dāng)FSR的值為1 nm，λ為1 550 nm，ng為1.715時(shí)，通過計(jì)算可以得知，微環(huán)的半徑必須小于233 μm。另一方面，半徑越小的微環(huán)反射鏡所實(shí)現(xiàn)的整體器件尺寸也就更小。因此，在滿足彎曲損耗可以忽略的條件下應(yīng)盡可能地減小微環(huán)的半徑。最終，我們選擇125 μm這樣一個(gè)典型值作為微環(huán)反射鏡的半徑。由公式（1）計(jì)算可得，此時(shí)微環(huán)反射鏡的FSR約為2 nm。

微環(huán)反射鏡的Q值與激光器的腔長相關(guān)，構(gòu)建光纖激光器時(shí)，在滿足激光器的單模工作條件下，Q值越大，可以選用的增益介質(zhì)更長。在其他參數(shù)不變的情況下，微環(huán)的Q值與總線波導(dǎo)和微環(huán)間的功率耦合系數(shù)k成反比。為了獲得較大的Q值，應(yīng)該采用較小的k值。但k值同時(shí)也決定著微環(huán)反射鏡的反射率，k值越小，反射率越低。圖2a）中顯示了功率耦合系數(shù)k值與Q值和反射率的關(guān)系?？紤]到Q值最終決定了激光器諧振腔的腔長，反射率必須足夠高以避免腔內(nèi)損耗太大，我們需要選取一個(gè)合適的k值。光纖和芯片之間的耦合損耗估計(jì)約為3 dB，即光往返一周損失6 dB。除此之外，其他的損耗還包括FBG透射，單模光纖與摻鉺光纖間的耦合損耗等。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，我們用額外的3 dB來囊括這些損耗。由于候選的摻雜光纖增益系數(shù)為1 dB/cm，所以光纖的長度至少要有9 cm，相對(duì)的Q值必須足夠大，否則激光將無法單模工作。endprint

綜合以上的情況考慮，我們選取k值為0.008，相應(yīng)的反射率不小于-1 dB，Q值約為3×105。與k值相關(guān)聯(lián)的微環(huán)物理參數(shù)為總線波導(dǎo)和微環(huán)之間的間隔，它們的關(guān)系具體如圖2b）中所示，當(dāng)k為0.008時(shí)，間隔大約為1 240 nm。

1.2 單模和窄線寬

在我們的激光器結(jié)構(gòu)中，一端為傳統(tǒng)的光纖光柵反射單元，另一端為高Q微環(huán)反射鏡，因此它的諧振腔可以看成由2個(gè)腔級(jí)聯(lián)而成：一個(gè)是由芯片反射單元和光纖光柵構(gòu)成的法布里-珀羅（FP）腔，其腔損包含了光纖與芯片間的耦合損耗；另一個(gè)是則是前文討論的高Q微環(huán)腔。當(dāng)激光諧振腔長為13 cm時(shí)（鉺纖與光纖光柵的長度之和），我們可以得到整體諧振腔的透射率譜如圖3所示。圖中顯示，疊加帶寬為800 MHz的高Q微腔濾波器后，其最近邊?？杀灰种? dB以上。當(dāng)激光激射時(shí)，腔內(nèi)存在的模式競爭將進(jìn)一步抑制邊模振蕩。因此，我們可以判斷圖3情況下的激光腔將能產(chǎn)生單模的激光輸出。

根據(jù)Melvin Lax[6]提出的修正的Schawlow-Towns公式，在只考慮量子噪聲的條件下，激光器的線寬可以通過式（2）計(jì)算：

[Δvlaser=πhv（Δvc）2/Pout] （2）

其中，[hv]為光子能量，[Δvlaser和Δvc]分別為激光器和冷腔的半高全寬線寬，[Pout]為腔內(nèi)的光功率。冷腔線寬[Δvc]的計(jì)算如式（3）：

[Δvc=v0Qc=βc2πnL] （3）

其中，β為單程損耗，[n]為增益介質(zhì)的折射率，[L]為線性腔腔長。由于光纖激光器腔長遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體激光器，所以具有更好的線寬特性。通常來說，光纖激光器的線寬在千赫茲量級(jí)，而半導(dǎo)體激光器為兆赫茲量級(jí)。為了滿足單模激射條件，光纖激光器的腔長通常被限制得很短。從上面計(jì)算激光線寬的式子可以看出，與激光器的輸出功率相比，激光器的腔長對(duì)激光器線寬的影響更大。FBG的帶寬通常大于0.1 nm，而微環(huán)反射鏡可以取得更小的帶寬。盡管芯片和光纖的耦合會(huì)帶來較大的損耗，但通過合理的設(shè)計(jì)，窄線寬帶來的優(yōu)勢可以彌補(bǔ)損耗增大帶來的負(fù)面影響并進(jìn)一步減小線寬。

當(dāng)然，噪聲的引入同樣會(huì)惡化激光器的線寬特性，此類噪聲包括：泵浦功率起伏，晶體溫度起伏等，一個(gè)緊湊的激光器結(jié)構(gòu)將會(huì)減輕這些噪聲的影響。

2 激光器實(shí)驗(yàn)設(shè)置和結(jié)果

將微環(huán)反射鏡與普通單模光纖耦合后，在一端測量其反射譜，結(jié)果如圖4所示。測量得到的微環(huán)參數(shù)與設(shè)計(jì)時(shí)存在一些差別，這是因?yàn)楣に嚿系恼`差造成的。從放大圖可以看出微環(huán)反射鏡的Q值為2.5×105。腔內(nèi)的激光從一端的FBG處透射輸出，F(xiàn)BG的反射率為90%。FBG的反射率同時(shí)影響激光腔的損耗和從激光腔內(nèi)輸出的光功率大小，因此可通過對(duì)FBG反射率進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)一步提高激光器性能。

光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。與傳統(tǒng)的DBR結(jié)構(gòu)不同，我們用微環(huán)反射鏡替代一端的FBG。由于微環(huán)反射鏡的窄線寬特性，允許我們使用較長的增益介質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)中，我們選用了12 cm長的LIEKKITM Er110-4/125摻鉺光纖，該光纖在1 530 nm處的峰值核心吸收系數(shù)為110 dB/m，數(shù)值孔徑為0.2，在1 550 nm處的模場直徑為6.5 μm。為了構(gòu)建線性諧振腔，將一個(gè)FBG熔接在EDF的一端，EDF的另一端與芯片反射鏡耦合。微環(huán)與光纖之間的耦合損耗大約為4 dB，往返將有8 dB的損耗，這是激光腔的主要損耗。微環(huán)反射鏡的FSR為2 nm，大于FBG的帶寬。為了保證激射，我們可以在芯片上的電極上外接電流源，調(diào)節(jié)反射鏡的反射峰，從而使得反射峰落在FBG的反射帶內(nèi)。

激光器實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。最終，我們獲得了35 μw功率的1 550 nm激光輸出，信噪比大于50 dB。該激光器的泵浦閾值功率為100 mW，當(dāng)泵浦功率達(dá)到280 mW時(shí)，激光器漸趨飽和。由于線性腔的損耗較大，加之增益介質(zhì)提供的增益不足，導(dǎo)致最后的輸出功率比較低。我們使用自差拍方法來測量激光線寬。輸出激光通過摻餌光纖放大器（EDFA）放大后，經(jīng)由一個(gè)帶通濾波器過濾帶外噪聲，然后分為兩束。其中一束經(jīng)由聲光移頻器移頻200 MHz，另一束則經(jīng)過5 km光纖的延遲。之后，將兩束光拍頻的結(jié)果輸入電譜儀中分析。為了推斷線寬的數(shù)值，我們考察峰值以下20 dB處的線寬。從電頻譜中觀察到20 dB處的線寬為158.4 kHz，在假設(shè)激光器線寬滿足洛倫茲線型前提下，相應(yīng)的3 dB線寬為8 kHz。

3 結(jié)束語

我們成功實(shí)現(xiàn)了高Q值微環(huán)反射鏡，并基于微環(huán)反射鏡構(gòu)建了一個(gè)窄線寬光纖激光器，得到了8 kHz的激光輸出。采用更高增益的增益介質(zhì)，并減少耦合損耗，可以有效提高激光器的輸出和線寬性能。由于微環(huán)還具有可調(diào)諧的特性，因此可以嘗試構(gòu)建可調(diào)諧激光器。隨著硅基光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，片上的光系統(tǒng)將會(huì)有更多的功能和應(yīng)用。如果將光纖激光器的輸出端設(shè)計(jì)在芯片上，該激光器可以為片上后端的光處理系統(tǒng)提供光源。

致謝

本文實(shí)驗(yàn)得到了清華大學(xué)電子工程系楊益協(xié)助，相關(guān)研究也得到了中興通訊股份有限公司的資助，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)

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