基于高Q值氮化硅微環反射鏡的窄線寬單模光纖激光器

章元玨　李漁　陳明華

摘要：實現了一種基于片上高Q值氮化硅（Si3N4）微環反射鏡的單模光纖激光器。利用微環反射鏡的窄線寬特性，可以在使用較長增益光纖的同時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。實驗中，采用長度為12 cm的摻鉺光纖作為增益介質。通過在摻鉺光纖的兩端分別使用布拉格光柵（FBG）和微環反射鏡，構建了一個基于法布里-珀羅（FP）諧振效應的光纖激光器，微環反射鏡的Q值達到2.5×105。獲得了線寬為8 kHz的單頻激光輸出。

關鍵詞： 光纖激光器；集成光器件；微環；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等人制作了第一臺基于布拉格反射鏡構建的1 550 nm單模光纖激光器[1]。數年后，又發展出分布式布拉格反射鏡（DBR）的激光器結構。由于這種結構簡單、緊湊并且具有很高的魯棒性，因此近年來基于DBR結構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領域中都有廣泛應用，如相干光通信、激光雷達（LIDAR）和最近的引力波探測等。

在使用布拉格光纖光柵（FBG）構建光纖激光器的研究中，已經實現了千赫茲的窄線寬輸出[3]，在文獻[4]的研究中，其線寬甚至達到百赫茲量級。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，我們使用硅基微環反射鏡來代替窄帶FBG，其中微環反射鏡的Q值達2.5×105，帶寬僅為800 MHz。使用高Q值微環作為反射鏡的激光器，在單縱模工作時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Schawlow-Towns[5]的相關公式，較長的諧振腔可以進一步改善線寬特性。最終，我們成功地利用片上微環反射鏡和FBG構建了一個單模窄線寬激光器。

1 基于微環的單模窄線寬

激光器原理和設計

1.1 高Q值微環反射鏡

TriPleXTM 氮化硅波導技術是目前主流的與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容的集成光子平臺。它具有損耗低，結構緊湊的優勢。因此，我們可以采用這種技術實現具備高Q值、高反射率特性的硅基片上微環反射鏡。TriPleXTM 波導技術的3類典型結構之一的雙條形波導結構如圖1a）所示。該波導在水平方向上的寬度為1.2 μm，垂直方向上由3層薄膜構成，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。該波導的傳輸損耗低至0.1 dB/cm，彎曲損耗在波導彎曲半徑超過70 μm 時就可以忽略不計。圖1b）顯示了該波導所支持的橫電波模式（TE0）的電場分布圖，這個模式在真空波長為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TriPleXTM波導平臺的光纖耦合器，對TE0模式進行了專門設計，使其不支持橫磁波模式（TM0）的傳輸，具有高達20 dB的偏振抑制比。

為了實現窄線寬的單模激光器，在設計微環反射鏡時，主要應考慮以下3方面的特性：自由譜區（FSR）、反射率和Q值。首先，為了保證單模激光的產生，微環的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）計算出微環反射鏡的半徑：

[FSR=λ2/（2πRng）] （1）

其中，λ為中心波長，R為微環半徑，ng為波導的群折射率。當FSR的值為1 nm，λ為1 550 nm，ng為1.715時，通過計算可以得知，微環的半徑必須小于233 μm。另一方面，半徑越小的微環反射鏡所實現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盡可能地減小微環的半徑。最終，我們選擇125 μm這樣一個典型值作為微環反射鏡的半徑。由公式（1）計算可得，此時微環反射鏡的FSR約為2 nm。

微環反射鏡的Q值與激光器的腔長相關，構建光纖激光器時，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更長。在其他參數不變的情況下，微環的Q值與總線波導和微環間的功率耦合系數k成反比。為了獲得較大的Q值，應該采用較小的k值。但k值同時也決定著微環反射鏡的反射率，k值越小，反射率越低。圖2a）中顯示了功率耦合系數k值與Q值和反射率的關系。考慮到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損耗太大，我們需要選取一個合適的k值。光纖和芯片之間的耦合損耗估計約為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。在具體設計時，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為1 dB/cm，所以光纖的長度至少要有9 cm，相對的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，相應的反射率不小于-1 dB，Q值約為3×105。與k值相關聯的微環物理參數為總線波導和微環之間的間隔，它們的關系具體如圖2b）中所示，當k為0.008時，間隔大約為1 240 nm。

1.2 單模和窄線寬

在我們的激光器結構中，一端為傳統的光纖光柵反射單元，另一端為高Q微環反射鏡，因此它的諧振腔可以看成由2個腔級聯而成：一個是由芯片反射單元和光纖光柵構成的法布里-珀羅（FP）腔，其腔損包含了光纖與芯片間的耦合損耗；另一個是則是前文討論的高Q微環腔。當激光諧振腔長為13 cm時（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，其最近邊模可被抑制3 dB以上。當激光激射時，腔內存在的模式競爭將進一步抑制邊模振蕩。因此，我們可以判斷圖3情況下的激光腔將能產生單模的激光輸出。

根據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]為腔內的光功率。冷腔線寬[Δvc]的計算如式（3）：

[Δvc=v0Qc=βc2πnL] （3）

其中，β為單程損耗，[n]為增益介質的折射率，[L]為線性腔腔長。由于光纖激光器腔長遠大于半導體激光器，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，而半導體激光器為兆赫茲量級。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，激光器的腔長對激光器線寬的影響更大。FBG的帶寬通常大于0.1 nm，而微環反射鏡可以取得更小的帶寬。盡管芯片和光纖的耦合會帶來較大的損耗，但通過合理的設計，窄線寬帶來的優勢可以彌補損耗增大帶來的負面影響并進一步減小線寬。

當然，噪聲的引入同樣會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，一個緊湊的激光器結構將會減輕這些噪聲的影響。

2 激光器實驗設置和結果

將微環反射鏡與普通單模光纖耦合后，在一端測量其反射譜，結果如圖4所示。測量得到的微環參數與設計時存在一些差別，這是因為工藝上的誤差造成的。從放大圖可以看出微環反射鏡的Q值為2.5×105。腔內的激光從一端的FBG處透射輸出，FBG的反射率為90%。FBG的反射率同時影響激光腔的損耗和從激光腔內輸出的光功率大小，因此可通過對FBG反射率進行優化進一步提高激光器性能。

光纖激光器的結構如圖5所示。與傳統的DBR結構不同，我們用微環反射鏡替代一端的FBG。由于微環反射鏡的窄線寬特性，允許我們使用較長的增益介質。在實驗中，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為110 dB/m，數值孔徑為0.2，在1 550 nm處的模場直徑為6.5 μm。為了構建線性諧振腔，將一個FBG熔接在EDF的一端，EDF的另一端與芯片反射鏡耦合。微環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，調節反射鏡的反射峰，從而使得反射峰落在FBG的反射帶內。

激光器實驗結果如圖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，當泵浦功率達到280 mW時，激光器漸趨飽和。由于線性腔的損耗較大，加之增益介質提供的增益不足，導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，經由一個帶通濾波器過濾帶外噪聲，然后分為兩束。其中一束經由聲光移頻器移頻200 MHz，另一束則經過5 km光纖的延遲。之后，將兩束光拍頻的結果輸入電譜儀中分析。為了推斷線寬的數值，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，在假設激光器線寬滿足洛倫茲線型前提下，相應的3 dB線寬為8 kHz。

3 結束語

我們成功實現了高Q值微環反射鏡，并基于微環反射鏡構建了一個窄線寬光纖激光器，得到了8 kHz的激光輸出。采用更高增益的增益介質，并減少耦合損耗，可以有效提高激光器的輸出和線寬性能。由于微環還具有可調諧的特性，因此可以嘗試構建可調諧激光器。隨著硅基光子學的進一步發展，片上的光系統將會有更多的功能和應用。如果將光纖激光器的輸出端設計在芯片上，該激光器可以為片上后端的光處理系統提供光源。

致謝

本文實驗得到了清華大學電子工程系楊益協助，相關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

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[6] LAX M. Classical Noise. V. Noise in Self-Sustained Oscillators[J]. Physical Review Letters， 1967， 160（2）：290endprint