基于硅基氮化硅三微环外腔反馈的S波段可调谐窄线宽激光器

李尧; 梁磊; 宋悦; 陈泳屹; 雷宇鑫; 贾鹏; 邱橙; 王玉冰; 宋俊峰; 胡小龙; 秦莉; 宁永强; 王立军

doi:10.37188/CJL.20260041

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基于硅基氮化硅三微环外腔反馈的S波段可调谐窄线宽激光器

器件制备及器件物理 | 更新时间：2026-09-11

- 基于硅基氮化硅三微环外腔反馈的S波段可调谐窄线宽激光器
  增强出版
- S-band Tunable Narrow-linewidth Laser Based on Silicon Nitride Three-microring External Cavity Feedback
- 发光学报 2026年47卷第7期页码：1259-1268
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所特种发光科学与技术全国重点实验室，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学光电学院，北京 100049
  3.吉光半导体科技有限公司，吉林长春 130022
  4.吉林大学电子科学与工程学院集成光电子全国重点实验室吉林大学实验区，吉林长春 130012
- 作者简介：
  
  李尧（1999-），男，山东青岛人，硕士研究生，2023年于哈尔滨理工大学获得学士学位，主要从事硅基混合集成可调谐激光器的研究。E-mail： liyao232@mails.ucas.ac.cn
  梁磊（1985-），男，山东日照人，博士，研究员，博士生导师，2014年于吉林大学获得博士学位，主要从事半导体光放大器及硅基集成激光器的研究。E-mail： liangl@ciomp.ac.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2023YFB2805100);国家自然科学基金(62227819;62535009;62574201;62574202);吉林省科技发展计划项目(SKL202302027);中国工程院院地合作项目(JL2024-02);中国科学院长春光学精密机械与物理研究所“旭光”和“曙光”人才培养计划项目
- DOI：10.37188/CJL.20260041
  中图分类号： TN248.4
- CSTR：32170.14.CJL.20260041
- 收稿：2026-02-03，
  
  修回：2026-02-28，
  
  纸质出版：2026-07-25
- 稿件说明：
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李尧,梁磊,宋悦等.基于硅基氮化硅三微环外腔反馈的S波段可调谐窄线宽激光器[J].发光学报,2026,47(07):1259-1268.

LI Yao,LIANG Lei,SONG Yue,et al.S-band Tunable Narrow-linewidth Laser Based on Silicon Nitride Three-microring External Cavity Feedback[J].Chinese Journal of Luminescence,2026,47(07):1259-1268.
李尧,梁磊,宋悦等.基于硅基氮化硅三微环外腔反馈的S波段可调谐窄线宽激光器[J].发光学报,2026,47(07):1259-1268. DOI： 10.37188/CJL.20260041. CSTR： 32170.14.CJL.20260041.

LI Yao,LIANG Lei,SONG Yue,et al.S-band Tunable Narrow-linewidth Laser Based on Silicon Nitride Three-microring External Cavity Feedback[J].Chinese Journal of Luminescence,2026,47(07):1259-1268. DOI： 10.37188/CJL.20260041. CSTR： 32170.14.CJL.20260041.

摘要

面向调频连续波光学相控阵激光雷达对宽调谐、窄线宽光源的需求，提出了一种覆盖S波段的氮化硅三微环外腔可调谐窄线宽激光器。该设计采用低损耗Si₃N₄波导与InP基反射式半导体光放大器混合集成，通过三微环游标滤波机制实现88 nm（1 450~1 538 nm）的宽调谐范围，并利用长外腔结构与高

值微环将线宽压缩至约0.89 kHz，同时结合可调Sagnac环形反射镜优化反馈稳定性。仿真结果表明，该激光器在调谐范围、线宽及边模抑制比等方面均满足调频连续波光学相控阵激光雷达系统对S波段光源的要求，而且其S波段输出不仅适配Ge/Si探测器的高响应特性，还可作为现有C+L波段光源的频谱补充，未来通过片上集成可实现S+C+L全波段覆盖，为支持大角度扫描的全固态激光雷达提供高性能、可扩展的光源解决方案。

Abstract

To address the demand for widely tunable， narrow-linewidth light sources in frequency-modulated continuous-wave （FMCW） optical phased array （OPA） LiDAR， this paper presents an S-band tunable narrow-linewidth laser based on a silicon nitride triple-micro-ring external cavity. The design utilizes hybrid integration of low-loss Si₃N₄ waveguides and an InP-based reflective semiconductor optical amplifier. Through a triple-micro-ring vernier filtering mechanism， a broad tuning range of 88 nm （1 450-1 538 nm） is achieved， while a long external cavity structure combined with high-

micro-rings narrows the linewidth to approximately 0.89 kHz. Feedback stability is further enhanced by incorporating a tunable Sagnac loop reflector. Simulation results confirm that the laser meets key requirements， including tuning rang

e， linewidth， and side‑mode suppression ratio， for S‑band sources in FMCW OPA LiDAR systems. Moreover， the S‑band output not only matches the high responsivity of Ge/Si photodetectors but also spectrally complements existing C‑ and L‑band sources. Future on‑chip integration could enable full S+C+L band coverage， offering a high‑performance and scalable laser solution for solid‑state LiDAR supporting wide‑angle beam steering.

关键词

Keywords

references

CHEN B S ， LI Y Z ， XIE Q J ， et al . SiN-on-SOI optical phased array LiDAR for ultra-wide field of view and 4D sensing ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2024 ， 18 （ 10 ）： 2301360 . doi: 10.1002/lpor.202301360 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202301360

HULME J C ， DOYLEND J K ， HECK M J R ， et al . Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner ［J］. Opt. Express ， 2015 ， 23 （ 5 ）： 5861 . doi: 10.1364/oe.23.005861 http://dx.doi.org/10.1364/oe.23.005861

HECHT J J O . Lidar for self-driving cars ［J］. Opt. Photonics News ， 2018 ， 29 （ 1 ）： 26 - 33 . doi: 10.1364/opn.29.1.000026 http://dx.doi.org/10.1364/opn.29.1.000026

MA W C ， TAN S ， WANG K K ， et al . Practical two-dimensional beam steering system using an integrated tunable laser and an optical phased array ［J］. Appl. Opt. ， 2020 ， 59 （ 32 ）： 9985 - 9994 . doi: 10.1364/ao.403314 http://dx.doi.org/10.1364/ao.403314

BIANCONI S ， RIBES-PLEGUEZUELO P ， SILVESTRI F . Requirements for next-generation integrated photonic FMCW LiDAR sources ［J］. Nat. Commun. ， 2025 ， 16 （ 1 ）： 6739 . doi: 10.1038/s41467-025-62027-y http://dx.doi.org/10.1038/s41467-025-62027-y

YANG C J ， LIANG L ， QIN L ， et al . Advances in silicon-based， integrated tunable semiconductor lasers ［J］. Nanophotonics ， 2023 ， 12 （ 2 ）： 197 - 217 . doi: 10.1515/nanoph-2022-0699 http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2022-0699

FAN Y W ， VAN REES A ， VAN DER SLOT P J M ， et al . Hybrid integrated InP-Si 3 N 4 diode laser with a 40-Hz intrinsic linewidth ［J］. Opt. Express ， 2020 ， 28 （ 15 ）： 21713 - 21728 . doi: 10.1364/oe.398906 http://dx.doi.org/10.1364/oe.398906

GUO Y Y ， ZHAO R L ， ZHOU G Q ， et al . Thermally tuned high-performance III-V/Si 3 N 4 external cavity laser ［J］. IEEE Photonics J. ， 2021 ， 13 （ 2 ）： 1500813 . doi: 10.1109/jphot.2021.3068529 http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2021.3068529

WANG S X ， LIN Z J ， WANG Q ， et al . High-performance integrated laser based on thin-film lithium niobate photonics for coherent ranging ［J］. Laser Photonics Rev. ， 2024 ， 18 （ 10 ）： 2400224 . doi: 10.1002/lpor.202400224 http://dx.doi.org/10.1002/lpor.202400224

LI X T ， QU H ， WANG W P ， et al . A novel on-chip bridged balanced photodetector with high common-mode rejection ratio （~49 dB） for FMCW LiDAR ［C］. Proceedings of the Optical Fiber Communication Conference （OFC）， San Diego ， 2025 ： M3J.2 .

GUO Y Y ， ZHOU L J ， ZHOU G Q ， et al . Hybrid external cavity laser with a 160-nm tuning range ［C］. Proceedings of the 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics （CLEO）， San Jose ， 2020 ： 1 - 2 . doi: 10.1364/cleo_si.2020.stu3m.2 http://dx.doi.org/10.1364/cleo_si.2020.stu3m.2

GUO Y Y ， LI X H ， JIN M H ， et al . Hybrid integrated external cavity laser with a 172-nm tuning range ［J］. APL Photonics ， 2022 ， 7 （ 6 ）： 066101 . doi: 10.1063/5.0088119 http://dx.doi.org/10.1063/5.0088119

XU W H ， GUO Y Y ， LI X H ， et al . Fully integrated solid-state LiDAR transmitter on a multi-layer silicon-nitride-on-silicon photonic platform ［J］. J. Lightwave Technol. ， 2023 ， 41 （ 3 ）： 832 - 840 . doi: 10.1109/jlt.2022.3204096 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2022.3204096

YANG C J ， LI Y ， CUI Q ， et al . Narrow-linewidth， high-power， widely-tunable Ⅲ-Ⅴ/Si 3 N 4 hybrid integrated external cavity laser ［J］. Opt. Laser Technol. ， 2025 ， 186 ： 112627 . doi: 10.1016/j.optlastec.2025.112627 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.112627

孙媛媛，李政，钟咏兵，等 . 2 μm工作波长下氮化硅槽波导特性研究［J］. 传感器技术与应用， 2023 ， 11 （ 2 ）： 9 . doi: 10.12677/jsta.2023.112014 http://dx.doi.org/10.12677/jsta.2023.112014

SUN Y Y ， LI Z ， ZHONG Y B ， et al . Study on characteristics of silicon nitride slot waveguide at 2 μm operating wavelength ［J］. J. Sensor Technol. Appl. ， 2023 ， 11 （ 2 ）： 9 . （in Chinese） . doi: 10.12677/jsta.2023.112014 http://dx.doi.org/10.12677/jsta.2023.112014

LIU C ， LU L J ， GUO Y Y ， et al . Hybrid integrated frequency-modulated continuous-wave laser with synchronous tuning ［J］. J. Lightwave Technol. ， 2022 ， 40 （ 16 ）： 5636 - 5645 . doi: 10.1109/jlt.2022.3177962 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2022.3177962

张杨博文 . 用于FMCW激光雷达的环形谐振器波长可调谐特性研究［D］. 西安：西安工业大学， 2024 .

ZHANG Y B W . Study on Wavelength Tunable Characteristics of Ring Resonator for FMCW LiDAR ［D］. Xi’an ： Xi’an Technological University ， 2024 . （in Chinese）

PAN B W ， BOURDERIONNET J ， BILLAULT V ， et al . Ⅲ-Ⅴ-on-Si 3 N 4 widely tunable narrow-linewidth laser based on micro-transfer printing ［J］. Photonics Res. ， 2024 ， 12 （ 11 ）： 2508 . doi: 10.1364/prj.530925 http://dx.doi.org/10.1364/prj.530925

HE A ， GUO X H ， WANG K N ， et al . Low loss， large bandwidth fiber-chip edge couplers based on silicon-on-insulator platform ［J］. J. Lightwave Technol. ， 2020 ， 38 （ 17 ）： 4780 - 4786 . doi: 10.1109/jlt.2020.2995544 http://dx.doi.org/10.1109/jlt.2020.2995544

LIU Z H ， SUN J J ， LI Z H ， et al . Low-loss， large-bandwidth multi-tip edge coupler for heterogeneous chip integration with large-mode-field-diameter ［J］. Opt. Express ， 2025 ， 33 （ 23 ）： 48035 - 48048 . doi: 10.1364/oe.575018 http://dx.doi.org/10.1364/oe.575018

FAN Y W ， OLDENBEUVING R M ， ROELOFFZEN C G ， et al . 290 Hz intrinsic linewidth from an integrated optical chip-based widely tunable InP-Si 3 N 4 hybrid laser ［C］. Proceedings of the 2017 Conference on Lasers and Electro-Optics （CLEO）， San Jose ， 2017 ： JTh5C.9 . doi: 10.1364/cleo_at.2017.jth5c.9 http://dx.doi.org/10.1364/cleo_at.2017.jth5c.9

REN Y K ， XIONG B ， YU Y L ， et al . Widely and fast tunable external cavity laser on the thin film lithium niobate platform ［J］. Opt. Commun. ， 2024 ， 559 ： 130415 . doi: 10.1016/j.optcom.2024.130415 http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130415

GUO Y Y ， LI X H ， XU W H ， et al . A hybrid-integrated external cavity laser with ultra-wide wavelength tuning range and high side-mode suppression ［C］. Proceedings of the 2022 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition （OFC）， San Diego ， 2022 ： 1 - 3 . doi: 10.1364/ofc.2022.tu3d.4 http://dx.doi.org/10.1364/ofc.2022.tu3d.4

JI X C ， BARBOSA F A S ， ROBERTS S P ， et al . Ultra-low-loss on-chip resonators with sub-milliwatt parametric oscillation threshold ［J］. Optica ， 2017 ， 4 （ 6 ）： 619 - 624 . doi: 10.1364/optica.4.000619 http://dx.doi.org/10.1364/optica.4.000619

PORCEL M A G ， HINOJOSA A ， JANS H ， et al . ［INVITED］ Silicon nitride photonic integration for visible light applications ［J］. Opt. Laser Technol. ， 2019 ， 112 ： 299 - 306 . doi: 10.1016/j.optlastec.2018.10.059 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.10.059

CHEN C ， WEI F ， HAN X Y ， et al . Hybrid integrated Si 3 N 4 external cavity laser with high power and narrow linewidth ［J］. Opt. Express ， 2023 ， 31 （ 16 ）： 26078 - 26091 . doi: 10.1364/oe.487850 http://dx.doi.org/10.1364/oe.487850

YU C ， ZHANG M ， LIANG L ， et al . Advancements in transfer printing techniques and their applications in photonic integrated circuits ［J］. Light Sci. Appl. ， 2025 ， 14 （ 1 ）： 396 . doi: 10.1038/s41377-025-02064-w http://dx.doi.org/10.1038/s41377-025-02064-w

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