APL Photonics | 用于激光雷达应用的集成调频连续波可调谐激光器

逍遥设计自动化

引言
激光探测和测距（LiDAR）技术在自动驾驶、机器人和测量等领域的应用日益广泛。在不同的激光雷达技术中，调频连续波（FMCW）激光雷达具有高精度、长距离测量能力和对环境光干扰不敏感等优势。FMCW激光雷达系统的核心组件是可调谐激光源。本文探讨为激光雷达应用设计的创新集成FMCW可调谐激光器的开发和特性[1] 。
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9 t( s0 w" ]4 s6 L& e激光器结构和设计
) U3 L3 W" `7 T本文介绍的单片集成激光器采用环形腔设计，包含几个关键组件以实现最佳性能。
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图1：单片集成可调谐FMCW激光器芯片的显微照片。
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7 ]& x# s1 {, C9 S0 u激光器结构包括增益段、腔内相位调制器和级联非对称马赫-曾德尔干涉仪（AMZIs）。腔体设计针对FMCW信号生成和窄线宽进行了优化。一个1.88毫米长的高线性腔内相位调制器与增益段集成在一起，用于频率调制。一个不平衡的2x2多模干涉仪（MMI）形成输出端面，提供部分反馈到腔体和部分输出。此外，还集成了片上半导体光放大器（SOA）以提高输出功率。

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图2：激光器腔体结构示意图。

& d( A5 n1 u* S( E7 s' s4 R& L环形腔的物理周长为16.4毫米，对应的纵模间距为0.04纳米。三个滤波器的自由光谱范围（FSRs）分别设置为0.52、8.85和73纳米。这种设计允许宽波长调谐和稳定的单模操作。
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激光器特性表征
2 H6 q7 z7 T% Y" v/ z: O/ Q( z  c! K为评估激光器的性能，测量并分析了几个关键特性。
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图3：从输出1测得的典型波导耦合LIV曲线。

功率-电流-电压（LIV）曲线显示阈值电流为41毫安，微分电阻为8.5欧姆。在增益段注入电流约300毫安时，波导耦合输出功率达到0.9毫瓦。
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图4：不同工作波长下的光谱。
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通过电调节每个AMZI中相移器的偏置电压，实现了从1512到1563纳米的波长调谐。在整个调谐范围内，阈值电流保持在49毫安以下，边模抑制比（SMSR）大于40分贝。

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+ a4 G9 _% d+ `  C+ n, E图5：不同SOA注入电流下的光纤耦合输出功率。
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片上SOA可以显著提高输出功率。当增益电流固定在140毫安时，输出3的光纤耦合输出功率提高到1.37 dBm。考虑各种损耗后，使用片上SOA将波导耦合输出功率放大到9.87 dBm。

线宽和频率噪声
% k  `  D; H' x* g对于FMCW激光雷达应用，激光线宽是影响测距分辨率的关键参数，特别是对于长距离测量。
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; k/ A5 r5 b$ `! t& I图6：在1550纳米波长下测得的激光频率噪声谱。
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使用激光噪声分析仪测量了激光器的频率噪声谱。白噪声限制的频率噪声水平为5,100 Hz2/Hz，对应于1550纳米波长下16千赫的洛伦兹线宽。在整个工作波长范围内，线宽保持在80千赫以下，展示了优异的相干性。

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" v0 Y/ Y0 \8 @: ^9 d频率啁啾性能
这种激光器用于FMCW激光雷达应用的关键特性是能够通过直接腔内相位调制产生高度线性的频率啁啾。

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. Z/ k+ L, M% j( Q/ G% s3 C5 P图7：在1531纳米工作波长下，示波器中测得的实时波形（蓝线）和任意波形发生器输出的三角波形（橙线）。
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通过对腔内相位调制器施加三角形电压波形，产生线性频率啁啾。电压扫描范围设置在-2.75至-5.75伏之间，以优化频率调谐的线性度，重复频率为100千赫。
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2 J' W0 n7 I: m; h9 Z图8：提取的啁啾频率（蓝线）和残余频率误差（红线）。

- h  g; r, v7 f! r7 G: t0 T3 d提取的瞬时频率偏移显示出优异的线性度，均方根频率误差仅为1.8兆赫，频率非线性度（1-r2）为1 × 10??。这种高水平的线性度是在没有任何反馈控制或预失真技术的情况下实现的。
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) W% ]# J" k4 ?7 i3 p快速频率啁啾
1 N+ @' s8 {  c, J% F. \对于激光雷达应用，快速频率啁啾对提高像素率和图像帧率至关重要。研究了激光器在高达1兆赫调制频率下的性能。


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图9：在200、500、800千赫和1兆赫调制频率下测得的实时波形、提取的芯片频率和残余频率误差。
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随着调制频率从100千赫增加到1兆赫，均方根频率误差从4兆赫增加到12兆赫，而啁啾范围略微从1.78千兆赫缩小到1.65千兆赫。这证明了激光器在高调制速度下仍能保持良好性能。

原理验证测距实验
" `4 D0 @2 l5 k( y# n/ E' X/ O: l为了展示激光器在FMCW激光雷达应用中的潜力，使用延迟长度为50米的光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构进行了概念验证光学测距实验。
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图10：光纤测距实验中测得的拍频信号波形（蓝线）和提取的芯片频率（橙线）。
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激光器在1555纳米波长下工作，调制频率为100千赫。从参考MZI提取的频率啁啾为1.5千兆赫，对应于单程延迟的理论测距分辨率为20厘米。

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. h! a/ K9 n- F5 \/ x. n图11：拍频信号的傅里叶变换谱及其洛伦兹拟合。

通过分析拍频信号的傅里叶变换谱，在50米距离处实现了51厘米的空间探测分辨率，无需外部主动反馈环路或预失真技术。

- S) \# W' \) P2 d结论
本文介绍了专为激光雷达应用设计的创新集成FMCW可调谐激光器。该激光器展示了51纳米的宽波长调谐范围，低至16千赫的窄线宽，以及高达1兆赫重复频率的高度线性频率啁啾。无需复杂的外部控制机制即可生成如此高质量的频率调制信号，使该激光器成为下一代FMCW激光雷达系统的理想选择。
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在单个InP芯片上实现增益段、相位调制器和波长滤波器等所有组件的单片集成，展示了紧凑和成本效益高的激光雷达解决方案的潜力。随着该领域研究的不断进步，可以期待性能和集成度的进一步提升，为FMCW激光雷达技术在自动驾驶、工业机器人等各种应用中的广泛采用奠定基础。

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参考文献
; K0 s0 k* B8 S# y+ _) [! \[1] L. Zhang, M. Gagino, A. Millan-Mejia, K. A. Williams, and V. Dolores Calzadilla, "Directly modulated FMCW tunable laser with highly linear frequency chirp and narrow linewidth," APL Photonics, vol. 9, no. 10, p. 106101, Oct. 2024, doi: 10.1063/5.0222059.

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