让PICs腾飞

基于InP和GaAs的光子集成电路（PIC）有望大幅削减系统的尺寸、重量和功率，这些系统将部署在太空和飞机上，并用于各种传感应用领域。

作者：JONATHAN KLAMKIN, PAUL VERRINDER, VICTORIA ROSBOROUGH

AND FENGQIAO SANG，UNIVERSITY OF CALIFORNIA

SANTA BARBARA。

我们这个时代最强大的技术之一是光子集成电路 (photonic integrated circuit ，PIC)。通过在单个芯片上集成所有必需的功能，PIC 在系统级显著地降低了成本、尺寸和重量，同时提高了性能、稳定性和可靠性。

为了生产这种多面光子器件，晶片的加工方式类似于对社会带来革命性变化的电子电路。然而，所使用的材料可能会有所不同。虽然硅是制造电子电路的首选半导体材料，但那些利用光子学的半导体也可以由InP和GaAs形成。这两种III-V族化合物材料都是有吸引力的选择，因为它们能够实现光源增益材料的单片集成及其放大。

PIC的先驱们开发这项技术时考虑到了其在电信领域的应用。他们关注的是中心波段，即C波段，它的光谱范围从1530 nm到1565 nm，这是一个光纤波导超低损耗传输相对应的光谱范围。然而，最近，PIC在涉及O波段(即1260 nm到1360 nm之间)的应用中也引起巨大关注，例如数据中心内和数据中心间的光学互连。

不过，请注意，PICs的潜力并不仅局限于这些波长，也不限于通信领域，甚至也不限于地面应用。这里有远超出这些界限的机会，比如我们目前在加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)正在探索的方向。我们的目标是PICs的空间和机载应用，即自由空间通信、气体遥感激光雷达和地形激光雷达。我们在自由空间通信方面的工作重点是扩展InP基 PIC的功率处理能力。这方面的成功为更高的数据速率和更长的链路距离打开了大门。我们的InP基 PIC平台的输出功率已超过了250 mW，远远高于以往所演示的任何结果。

我们还在参与NASA资助的一个名为IMPRESS LIDAR的项目中取得了新进展，IMPRESS LIDAR—遥感地球科学激光雷达集成微光子学的简称（Micro-Photonics for Remote Earth Science Sensing Lidar）。通过这个项目，我们已经展示了第一个以大气二氧化碳为目标、基于PIC的全功能气体遥感激光雷达系统。该系统工作在以1572.335 nm为中心的相对较弱的吸收线附近，该波长落在通信L波段内(即1565-1625 nm)，使我们能够利用成熟的InP基PIC技术。通过这个项目，我们已经能够证明，与NASA的合作者用分立组件建造的系统相比，系统体积缩小了100多倍。

我们团队探索的另一条途径是开发基于GaAs的PIC，它将操作扩展到其他光谱领域。这种可调谐激光PIC专为10XX nm波长开发，与衍射光学元件配合使用时具有光束操纵能力。

用InP基 PICs实现气体传感

我们的InP基PIC平台配备了高效率激光器，可在1.2 μm至1.6 μm范围内提供广泛的波长覆盖。该平台是二氧化碳主动遥感的理想之选，可以用传感波长为1572.335 nm的激光光源，使用30 GHz的传感窗口来完成。基于PIC的二氧化碳传感方法与由现有商业光学元件组成的有源遥感系统相比具有许多优点，后者会受到其尺寸、重量和高功率消耗的影响。通常，传感实验是在近地轨道上进行的，以最大限度地减少将大型航天器送入轨道所带来的高昂成本。我们的PIC技术的优势之一是，它有可能使系统更加紧凑和节能，它可以实现在发射更频繁的小型航天器上更多地部署这种形式的传感器。

图1. III-V PIC制造工艺概述

我们生产的PIC是用我们所说的偏移量子阱平台设计和制造的。我们在低损耗的波导芯上沉积多量子阱，使之与垂直光学模式的中心略有偏移。采用这种方法使我们能够选择性地移除阱以形成彼此分立的有源区和无源区。这些区域之间的耦合程度很高，通常在90%到95%之间，反射由倾斜的界面控制。有源区保留了势垒，在激光腔和光学放大器中提供了增益。与此同时，无源区(没有势垒)包含反射镜、滤光器、相位调谐元件和光调制器，以及各部分和组件之间的互连(用于InP CO₂有源传感器开发的偏移式量子阱PIC平台侧视图见图2(a))。

为了形成我们的光栅，在定义了有源区和被动区之后，刻蚀进了波导核心层。采用这种方法使我们能够形成样本光栅分布布拉格反射器(SGDBR)激光器，为有源传感器提供前导和跟随激光器。这些激光器将用于产生光子的增益部分与后SGDBR镜、前SGDBR镜和相位调谐部分相结合。由于激光器的各个部分是电隔离的，所以每个部分都可以单独寻址。除了为激光器提供增益外，有源部分还可以用来形成:在反向偏置下工作的光电二极管；以及在电流注入下工作的半导体光学放大器。该放大器可以补偿无源波导损耗，可提高PIC的输出功率。

用扫描电子显微镜获得的图像显示了制造过程中的各种结果(见图2(b)至(e))。即使使用光学显微镜，也可以使用激光雷达识别设计用于感知二氧化碳的PIC的各种组件。该PIC面积约为0.8×8.3 mm²，采用无源波导和定向耦合器来路由光信号，并连接有源和无源元件。先导激光器之后是一个定向耦合器和一个相位调制器，后者起到稳定激光器的作用。跟随激光器之后是定向耦合器和半导体光学放大器，结合了高速衬垫配置，能够对高消光脉冲进行编码。定向耦合器利用来自前导和跟随者光器的一小部分信号，将组合发送到高速光电二极管。

图2。(a)一个偏移量量子势垒PIC平台的简化侧视图。扫描电子显微镜图像(b)用于取样光栅分布布拉格反射器(SGDBR)激光器的制作的光栅的顶视图，(c)制作的脊形波导的横截面，(d)两个平行的波导的平面图，以及(e)具有1μm间距的定向耦合器的平面图。(f)完全制造的二氧化碳激光雷达PIC的顶视光学显微镜图像。

我们的基于PIC的二氧化碳传感架构，如图3所示，具有一个被绝对参考单元锁定到1572.335 nm二氧化碳吸收线的引导激光器。集成的相位调制器以125 MHz的频率驱动，能够实现频率调制技术的使用。混频器向输出信号馈送，提取误差信号，馈送到控制伺服进行信号滤波和处理，耦合到前导激光器的相位段，实现锁定。利用用于拍音检测的高速光电探测器的光学锁相环，使跟随激光器能够偏移锁定到前导激光器+/-15 GHz。跟随器激光器的输耦合到半导体光放大脉冲雕刻器，该脉冲雕刻器帮助产生所需的用于气体采样的频率步进脉冲序列。

图3. PIC远程激光雷达二氧化碳传感体系结构及测试原理图。

图4(a)显示了绝对参考单元的测量误差信号和气体传输的图示，该绝对参考单元使用先导激光进行测量。我们用1秒的栅极时间测量了30分钟的稳定度，并比较了有和没有反馈的性能，以表征稳定电路的相对影响(参见图4(b))。在没有反馈的情况下，峰值频率稳定度通常为675 MHz，频率标准偏差为86 MHz。引入反馈产生了巨大的影响，测量显示峰间稳定度降低到2.75 MHz，标准偏差下降到465 kHz。

一旦引导器激光器稳定下来，跟随激光就可以偏置锁定在它上面。我们的测量结果表明，引入光学锁相环后，激光器的峰值稳定度从1.36 GHz降至29 kHz，标准偏差从181 MHz降至3.61 kHz。

我们团队对此PIC进行的其他测量表明：稳定的引导激光器和跟随激光器的光谱可以偏移1-15 GHz(见图4(d))；并且，利用跟随引导激光器的半导体光放大器可以产生示范性脉冲，当驱动电流在0-100 mA范围内波动时，消光率达到40分贝(见图4(e))。我们还产生了频率阶跃脉冲序列，可以在单独的加压管室中测量二氧化碳样品(结果如图4(f)所示)。总而言之，我们的一组测量结果证实了我们的PIC二氧化碳激光雷达系统可以全面运行。

图4. (a)二氧化碳参比单元吸收和用于稳定前导激光器的鉴频误差信号。参照物是用二氧化碳加压的管子。(b)前导激光器和外腔激光器之间的节拍，并有和没有反馈到前导激光相位段。（c） 在有无光学锁相环（OPLL）接合的情况下，主从激光器之间的拍音。（d） 当跟随激光器从1-15 GHz偏移量调谐时，从引导和跟随激光器测量的重叠光谱。（e） 通过将半导体光放大器上的偏置从0 mA扫至100 mA而产生的示例性1µs脉冲。脉冲上升时间为262 ns，下降时间为169 ns。（f） 测量CO₂测试单元的吸收以及洛伦兹拟合。拟合的最大半宽（FWHM）为1.6 GHz。

具有GaAs基PICs的地形激光雷达

由于今天的机载地形激光雷达系统往往是由商用组件（如分立光学元件）构建的，这限制了它们在大型航天器或飞机上的部署。其中一个例子是美国宇航局（NASA）的陆地、植被和冰传感器，它安装在Beechcraft B200 King Air上。毋容置疑，为了能够部署在小型卫星（如立方体卫星）上，需要大幅减少尺寸、重量和功率，这些要求可以通过PIC技术来实现。

对于地形激光雷达而言，激光的波长通常接近1000 nm，其光谱范围内的大气吸收相对较低，并得益于高灵敏度探测器的存在。由于该波长区域需要砷化镓材料平台，我们已将PIC平台用于该III-V体系。我们制造了一种可广泛调谐的激光器，其中心波长接近1030 nm，可与衍射光学元件结合用于光束控制。调整激光波长可以改变光栅元件的反射角度，并有效地控制光束，实现更广泛的表面覆盖。

我们的激光器由增益部分、用于粗波长调谐的前后反射镜和用于精细波长调谐的相位部分组成（侧视图示意图见图5（a），制造芯片的俯视显微镜图像见图5（b），安装在载体上的激光芯片的扫描电子显微镜图像见图5（c），金属基底与芯片间的键合连接）。

图5.(a)GaAs基宽调谐激光器的侧视示意图，(b)所制造激光器的俯视光学显微镜图像，以及(c)安装和引线键合激光芯片的俯视扫描电子显微镜图像。

为了调整激光器的输出波长，我们在反射镜和相位部分施加电流。粗波长调谐通过调谐前后反射镜来完成，而精调谐则通过调整相位部分来实现。我们的测量显示，八个不同的激光输出光谱重叠，显示出大约22 nm的粗波长调谐（见图6（a）），以及使用相位段进行更精细的波长调谐（见图6（b））。我们还绘制了等高线图，显示了激光波长作为前后镜调谐的函数，并展示了完整的调谐能力（见图6（c））。

图6.(a)显示22 nm调谐范围的重叠光谱，(b)具有相位段的精细波长调谐，(c)显示波长作为前后镜电流的函数的等高线图，以及(d)功率输出作为电流的函数(带放大和不带放大)。

我们还研究了半导体光放大器提高PIC输出功率的能力(参见图6(d))。对于没有半导体光放大的常规激光器，在100 mA的驱动电流下，输出功率略高于35 mW。对于该驱动电流，当等效激光器与偏置为100 mA的半导体光学放大器相结合时，总输出功率超过75 mW(参见图6(d)中的红色曲线)。

我们为空间和机载激光雷达开发的两个PIC平台——用于大气CO₂主动传感的InP PIC平台和用于地形激光雷达的砷化镓PIC平台—突显了这项技术在大幅削减这些应用系统尺寸、重量和功率方面的前景。有了这些优点，这些系统在小型空间平台上的部署频率应该会增加。为了进一步实现这一目标，在近期内，我们将向NASA的合作者提供硬件，以便他们能够在实验室环境中进行自己的传感实验。同时，我们将努力实现更紧密的电子集成，因为这可能会导致更轻、更小和更节俭的系统。除此之外，我们的计划还包括通过持续合作进行一些空间鉴定，如辐射测试，并与NASA合作，将我们的技术提升到新的技术准备水平—这被视为“仪器计划”。

作者感谢NASA的资金支持、Joseph Fridlander、Shannon Lee、Mark Stephen、Jeffrey Chen、Kenji Numata、Stephan Kawa、Fabrizio Gambini、Guangning Y ang、Michael Krainak和Larry Coldren的技术支持，以及与Parminder Ghuman和Amber Emory的技术讨论。

进一步阅读

Ø      H. Zhao et al. “High-Power Indium Phosphide Photonic Integrated Circuits,” IEEE J. Sel. T op. Quantum Electron. 25 1 (2019) 

Ø      H. Zhao et al. “High Power Indium Phosphide Photonic Integrated Circuit Platform” 2019 Device Research Conference (DRC) 

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Ø      J. B. Abshire et al. “Measuring atmospheric CO2 for the NASA ascends mission: The CO2 laser sounder approach” IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (2012)