[发明专利]一种大范围高线性度调频激光器

说明书

一种大范围高线性度调频激光器，包括：反射型半导体光放大器，MEMS光开关阵列，模斑转换器，薄膜铌酸锂光栅阵列。本发明采用RSOA提供增益，结合MEMS光开关对具有不同中心频率的薄膜铌酸锂光栅的选择，实现大范围频率调节。通过在铌酸锂光栅上施加电场来实现小范围内的高线性度频率扫描。本发明对工艺不敏感，具有很好的工业和商业应用前景。

技术领域

本发明涉及激光器，特别是一种基于半导体增益、MEMS光开关和薄膜铌酸锂光栅的大范围高线性度调频激光器。

背景技术

调频连续波(FMCW)技术通过产生一个高线性度的啁啾信号，可以用来对目标同时进行测距和测速，在激光雷达领域具有重要应用。技术上由于集成全固态激光雷达技术的发展，例如光相控阵(OPA)和透镜辅助光束偏转(LABS)等技术，需要FMCW光源具有两种频率调谐性：一种是大范围调节，要求在工作波长附近几十甚至上百nm可以实现输出波长(频率)的连续或离散调谐，大范围频率调节是为了配合光栅实现发射光束指向的偏转，速度应达到微秒级来确保较快的扫描速度。另一种是小范围调节，指能够在几十GHz的范围内实现高线性度的频率扫描，其功能是在某个特定频率及光束指向上实现FMCW测量。

实现这种FMCW光源有诸多方案，例如波长/频率可调激光器结合外调制、外腔激光器结合片上可调滤波器等。但这些方案或者成本较高、或者速度较慢、或者工艺一致性差需要单个校准，并不能满足大规模商用的需求。

综述所述，需要一种FMCW光源，其输出频率调节能同时兼顾快速大范围调节和小范围高线性度扫频，且具有较好的工艺一致性，可适用于大规模商业应用。

此外，作为与本发明相关的几种对比技术，在此进行逐一描述和分析。

技术一：可调激光器结合外调制。通过一个传统的可调激光器来实现输出频率的大范围调节，同时在激光器后连接外部单边带调制器及扫频微波源，来实现频率的小范围高线性度扫描。这种方案需要昂贵的单边带调制器和扫频微波源，成本和功耗都很高。

技术二：半导体反射式放大器(RSOA)结合机械式反射型可调滤波器。这属于一种外腔式激光器。机械式反射型可调滤波器由一个衍射光栅构成，通过机械式旋转衍射光栅的角度，来实现输出频率调节。但即使采用压电陶瓷的光栅旋转方式，其大范围频率调节的切换速度也在ms级别，无法达到所需的微秒级。而小范围产生高线性度的扫频信号时，由于压电陶瓷控制电压与光栅旋转角度之间的非线性映射，需要逐个产品进行标定，不利于工业或商业应用。

技术三：反射型半导体光放大器(RSOA)结合集成谐振腔型可调滤波器。这同样是一种外腔激光器，与技术二的区别在于用集成谐振腔(例如基于硅、氮化硅、铌酸锂等材料的微环、微盘)来实现反射型可调滤波器。为了确保单频输出，必须采用双谐振腔结构，典型如两个具有不同自由谱程(FSR)的微环，利用游标卡尺效应在RSOA的增益带宽内产生单一谐振频率。但由于微环谐振频率对工艺误差的极端敏感性，几乎无法精确控制制备出的微环的谐振频率位置，导致每个产品都需要对微环的谐振特性进行独立标定，无论是产生大范围频率调节，还是小范围高线性度扫频，都十分不便，实用性有限。

技术四：掺铒铌酸锂分布反馈式(DFB)激光器(在先申请201911389509.9)。通过在掺铒铌酸锂波导上制备布拉格光栅，实现DFB激光器，并通过在光栅上施加电场，来对输出频率进行调节。这种方案只能在几十GHz的范围内实现频率调节，无法实现在几十nm大范围的频率调节。此外，掺铒激光器需要先通过电泵浦产生980nm或1480nm的泵浦激光，再用泵浦激光泵浦产生1550nm附近的信号光，泵浦效率很低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于反射型半导体光放大器(RSOA)、微机电系统(MEMS)光开关和薄膜铌酸锂光栅的大范围高线性度调频激光器。本发明采用RSOA提供增益，结合MEMS光开关对具有不同中心频率的薄膜铌酸锂光栅的选择，实现大范围频率调节。通过在铌酸锂光栅上施加电场来实现小范围内的高线性度频率扫描。该方案对工艺不敏感，具有很好的工业和商业应用前景。