在激光器設(shè)計里，窄線寬和快速調(diào)諧常常是一對矛盾。

傳統(tǒng)外腔二極管激光器（ECDL）能把線寬壓到kHz甚至百Hz量級，靠的是機(jī)械轉(zhuǎn)動光柵或移動腔鏡來調(diào)諧頻率。機(jī)械運動的慣性決定了調(diào)諧速度的上限——再快也快不過幾十kHz。另一條路是電流調(diào)制的DFB激光器，調(diào)諧可以很快，但電流變化會同時改變載流子濃度，引入額外的頻率啁啾和線寬展寬。

Deeplight的DLT-FT-1550走了一條不同的技術(shù)路線：把壓電致動器直接做到光子芯片上。北京泰坤工業(yè)設(shè)備有限公司將該產(chǎn)品引入國內(nèi)市場，以下圍繞這一技術(shù)點展開。

壓電致動，不是新概念，但上芯片是

壓電材料在外加電壓下會產(chǎn)生形變，這個物理效應(yīng)很早就被用于精密位移控制。Deeplight的不同之處在于：他們把壓電薄膜材料單片集成到了氮化硅（Si?N?）光子芯片上。氮化硅波導(dǎo)在近紅外波段損耗極低，適合構(gòu)建高Q值諧振腔，這是窄線寬的物理基礎(chǔ)。壓電致動器就做在諧振腔旁邊，通電后產(chǎn)生應(yīng)變，直接改變光程，從而調(diào)諧激光頻率。

關(guān)鍵是“單片集成"這四個字。不是把分離的壓電元件粘上去，而是在芯片制造流程中就把壓電材料沉積、圖形化、連接到光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上。工藝路線基于成熟的MEMS制造技術(shù)，這意味著可重復(fù)性和良率有保障。

比熱調(diào)諧快兩個數(shù)量級，比電流調(diào)諧更干凈

激光頻率調(diào)諧常見的手段有三種：熱調(diào)諧、載流子注入調(diào)諧、機(jī)械調(diào)諧。壓電調(diào)諧跟它們比有什么優(yōu)勢？

跟熱調(diào)諧比：熱調(diào)諧靠改變溫度來移動折射率，響應(yīng)時間在毫秒到秒級。壓電致動的響應(yīng)速度比熱調(diào)諧快兩個數(shù)量級以上。DLT-FT-1550的致動帶寬大于2 MHz，從直流開始保持平坦響應(yīng)。這意味著你給它一個高速變化的電壓信號，激光頻率能線性跟隨，不會在幾十kHz處就開始衰減。

跟載流子注入調(diào)諧比：電流調(diào)諧雖然快，但載流子濃度的變化會改變增益介質(zhì)的折射率和吸收特性，引入額外的頻率啁啾和強(qiáng)度噪聲。壓電調(diào)諧是純機(jī)械式的應(yīng)變，不改變載流子狀態(tài)，調(diào)諧過程更“干凈"——不引入額外損耗，也不產(chǎn)生寄生調(diào)幅。

跟機(jī)械調(diào)諧比：傳統(tǒng)ECDL靠電機(jī)或壓電堆棧推動光柵，宏觀機(jī)械運動有慣性、有諧振、有回差。DLT-FT-1550的壓電致動器是微米尺度的薄膜結(jié)構(gòu)，質(zhì)量極小，沒有宏觀機(jī)械滯后。

一個參數(shù)說明問題：掃頻非線性

壓電致動的線性度直接體現(xiàn)在一個關(guān)鍵指標(biāo)上：掃頻非線性。在FMCW激光雷達(dá)中，激光頻率隨時間線性變化，如果掃頻不是直線，測距分辨率就會下降。傳統(tǒng)做法是用硬件參考干涉儀或軟件算法來做線性化校正。

DLT-FT-1550在10–100 kHz掃頻速率下，均方根非線性低于0.5%，典型值可到0.1%。Deeplight稱其為“無線性化FMCW操作"——對于工程應(yīng)用來說，這意味著可以省掉一套參考干涉儀，或者減少校準(zhǔn)工作量。

窄線寬沒有被犧牲

壓電調(diào)諧速度快，但會不會把窄線寬搞丟了？數(shù)據(jù)表明沒有。本征線寬（洛倫茲型）典型值低于10 Hz，上限100 Hz。氮化硅高Q值諧振腔負(fù)責(zé)守住窄線寬，壓電致動器負(fù)責(zé)快速掃頻——各司其職。在緊湊的蝶形封裝內(nèi)同時實現(xiàn)大于1 GHz的調(diào)諧范圍和亞百Hz的線寬，這在傳統(tǒng)架構(gòu)里并不容易做到。

一點總結(jié)

壓電材料上光子芯片，這件事的意義不在于“用了壓電"，而在于把調(diào)諧執(zhí)行器從激光器外部搬到了芯片內(nèi)部，而且是用半導(dǎo)體工藝批量制造的。對于相干傳感、FMCW激光雷達(dá)這類既需要窄線寬又需要快速掃頻的應(yīng)用來說，這條技術(shù)路線提供了一個不同于傳統(tǒng)外腔或電流調(diào)制的選項。

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