【资讯】上海光机所为稳频光源“造芯”：从光电混合集成迈向下一代星载激光雷达

窄线宽、高频率稳定性的种子激光器是该雷达系统的核心部件，涉及激光稳频、光学锁相环等多种技术和大量光电元件。目前，激光雷达的种子光源由分立光电器件搭建而成（如图1所示），亟待解决尺寸大和集成度低的问题。

图1大气探测激光雷达（ACDL）种子光源系统原理图及其样机

当前，集成光电子技术正在迅速发展，芯片化的光源逐渐受到关注和研究，这为下一代星载激光雷达实现光源集成和小型化提供了可能。在激光雷达片上光源技术路线中，美国 NASA采用磷化铟技术方案，中国科学院上海光机所则在硅光技术路线研发上实现关键进展。目前，基于硅光集成方案的激光雷达种子光源正走向工程化研制，需要从封装技术、电学设计和温度控制等多个维度进行优化，从而有效抑制由环境因素引起的光频漂移，实现种子激光频率的长期恒定。

中国科学院上海光机所陈卫标团队在大气探测激光雷达的研究基础上，结合硅基光电子芯片技术和空芯光纤吸收池技术，提出了基于硅光芯片的激光雷达种子光源集成方案，其结构如图2所示。为面向激光雷达的二氧化碳、甲烷和水蒸气的探测需要，该团队在实验室环境下先后实现了1572 nm和1645 nm激光器的长期稳频。其中，1572 nm激光器的频率稳定性为0.7×10-10@1000 s，1645 nm激光器的频率稳定性为5.2×10-10@1000 s。

图2 硅光集成种子光源系统结构。（a）1572 nm种子光源；（b）1645 nm种子光源

然而，芯片化的种子光源系统在长时间尺度上易受环境温度干扰，温度变化诱导的残余幅度调制，会导致激光频率产生与温度相关的长期漂移。光谱测量发现，由芯片耦合端面反射引起的光幅度调制现象，环境温度变化引起的芯片端面耦合效率波动约0.4 dB（如图3所示）。

图3 PIC对准环路的透射率

为推进芯片化种子光源的工程化研制，研究团队在一个小型光电模块内将光子芯片（PIC）、射频单片集成电路（MMIC）和热电冷却器（TEC）通过混合集成的方式实施封装，结合射频增益自动控制（AGC）和光模块内的一级主动温控，对1572.018 nm的频率参考激光器进行长期稳频测试。测试装置如图4所示。

图4 硅光集成激光雷达种子光源系统

测试结果表明，该团队提出的集成和主动控制方案在20 h的测量时间上将参考激光器的长期频率漂移抑制至2 MHz以内。如图5所示，相较于实验台上未经集成的种子光源实验装置，该光模块及其系统频率漂移均方根（RMS）值为252 kHz。相较于集成前1.5 MHz的稳频指标，频率漂移抑制性能提升约80%。在环境温度日变化1.3 ℃的条件下，该团队提出的集成方案有效抑制了温度相关的激光频率漂移。此外，空芯光纤CO2吸收池的长期工作可靠性也在本研究中得到了初步验证。

图5（a）20 小时激光器波长漂移；（b）频率稳定性阿伦方差

面向下一代大气探测激光雷达，光电芯片技术为实现多波长、多气体组分探测提供了技术可能。未来该团队将从三个方面推进激光雷达种子光源的芯片化研制，包括：

1）推进光源集成：在光模块内实现激光器芯片集成，特别是在模块内构建自注入锁定激光器，有效优化激光器的线宽指标。

2）优化芯片设计：在PIC上实现1572 nm和1645 nm两套稳频系统的单片集成，通过优化端面模斑转换器设计，抑制光波导路径内的温度相关幅度调制。

3）超长期稳频研究：研究种子光源在周、月时间尺度上的工作稳定性，结合空间环境适应性测试，持续改进稳频模块和种子光源系统。

综上，芯片化的种子光源有望为下一代星载激光雷达提供尺寸小、质量小和集成度高的多波长长期稳频光源。该团队后续将长期致力于推进空间激光器的芯片化与核心部件升级，为国家温室气体防治战略和商用碳监测卫星组网提供高性能光引擎。

参考文献： 中国光学期刊网

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