CN100570970C

CN100570970C - 利用soa四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件

Info

Publication number: CN100570970C
Application number: CNB2007101794253A
Authority: CN
Inventors: 孙长征; 黄缙; 熊兵; 罗毅
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: CN101222121A

Abstract

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件。所述集成光电子器件均采用脊波导结构，脊波导两侧用SiO₂绝缘层填平，集成为一个分布反馈DFB激光器段和一个SOA段；DFB激光器段和SOA段的顶面和底面上分别制作了一层P型电极一层N型电极，DFB激光器段和SOA段相连的地方有一段电隔离段，且该电隔离段处没有P型电极和欧姆接触层，用于实现DFB激光器段和SOA段的电隔离，DFB激光器段的输出光产生的两个一阶调制边带作为SOA段四波混频效应的泵浦光，产生两个频率差更大的光，进行拍差。本发明结构新颖，制作工艺简单，将在未来的高速通讯领域具有广泛的应用前景。

Description

利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件。

技术背景

本发明是一种基于半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)四波混频效应的单片光子集成器件，通过光外差来产生高频微波，其应用范围十分广泛，包括无线局域网、天线远程控制等。下面首先简要介绍高频微波或者毫米波在无线通信中的重要性，然后介绍光电子技术在毫米波无线通信中的应用。

近年来，随着光纤网络和互联网络(Internet)的不断发展，以Internet为载体的语音、图像、数据、视频、以及多媒体业务大大刺激了人们对于通信速率的需求。以波分复用技术(WDM)为基础的光纤通信技术迅速发展并得到广泛应用，已成为干线系统物理层最为有效的传输手段。但另一方面，连接用户终端与干线光纤网络的接入网的通信速率却还处于较低的水平。目前，处于整个通信链路之中的“first mile”(或称为“last mile”)的接入网成为了高速通信技术的瓶颈，因此下一代高速接入技术成为近年来研究的热点。在各种接入技术之中，高速无线接入技术由于具有终端可移动的灵活性而备受关注。提高传输速率最为行之有效的方法是采用频率更高的电磁波作为通信载波，因此使用比目前移动通信载波(800MHz～1.9GHz)频率更高的毫米波(30GHz～300GHz)，可以支持传输速率超过Gb/s的高速无线接入。由于毫米波段的微波在高速无线通信方面展现出的潜力，美国、日本、德国等多个国家目前都在进行毫米波无线接入技术的研究，其中核心的研究内容包括接入网系统结构、毫米波的产生和传输技术。

由于毫米波具有极高的频率，如果采用传统的同轴电缆进行传输则其损耗十分严重。同时，采用电域的方法产生和处理毫米波信号也存在成本较高的问题。一个有效的解决方案是将毫米波无线接入与光波技术相结合，利用光波作为载波传输毫米波信号，可以有效的降低其传输损耗，即通常所说的RoF(Radio overFiber)技术。同时，可以利用光波技术实现毫米波信号的产生，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。

若要在光波上加载频率为f的毫米波，可以直接利用毫米波振荡器产生频率为f的信号并采用高速光调制器将该信号加载到光波上。但由于目前毫米波振荡器和工作在毫米波频段上的高速光调制器价格仍然十分昂贵，因此限制了接入系统的成本。另一方面，可以采用光外差的方法产生毫米波信号，即利用两个频率差为f的光信号在光电探测器中通过差频产生频率为f信号。由于这种方法不需要毫米波振荡器和高速光调制器，可以极大的降低系统成本。同时，该方法还可以与光波分复用技术相结合，同时调制多个信道，从而进一步降低整个系统的成本和简化系统结构。因此，光差频型毫米波无线接入网结构简单，成本低廉，非常适合于下一代的宽带无线接入网。目前，利用光外差法产生微波或者毫米波的技术主要包括双波长激光器、锁模激光器、光锁相环、边带注入锁定等方案。最近，文献(T.Wang，M.Chen，H.Chen and S.Xie，“Millimetre-wave signal generationusing FWM effect in SOA”，Electronics Letters，vol.43，No.1，pp.36～38，2007)中报道了一种利用SOA的非线性效应来产生毫米波的方法，其系统如图1所示。(图中1.半导体激光器；2.LiNbO₃调制器；3.调制器直流偏置；4.调制器交流输入；5.EDFA；6.带通滤波器；7.可变衰减器；8.隔离器；9.半导体光放大器SOA)，在该文献中，先用LiNbO₃调制器2对一个半导体激光器1进行调制，会产生两个一阶调制边带。设激光器输出光的频率为ω₀，调制频率为ω，那么两个一阶边带的频率分别为ω₀+ω和ω₀-ω。这两个一阶调制边带依次通过EDFA 5(Erbium-Doped Fiber Amplifer，EDFA掺铒光纤放大器)放大，并通过一个带通滤波器6滤出EDFA5产生的放大的自发辐射，然后进入半导体光放大器SOA 9。由于半导体光放大器SOA 9的尺寸较小，通常都在1mm以下，所以很容易满足相位匹配的条件，从而发生四波混频效应(four-wave mixing，FWM)。当发生四波混频效应时，那么两个一阶调制边带可以作为泵浦光，产生两个新频率的光，其频率分别为ω₀+3ω和ω₀-3ω，同时，这两束新产生的光的相位是相关的，与作为光源的半导体激光器1的相位保持恒定，因此，这两束光进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为6ω而且相位噪声较小的微波。SOA对半导体激光器调制边带四波混频产生毫米波信号是一个新的研究方向

目前报道的光外差法产生微波的文章中，绝大多数都是采用分立器件搭建的系统，而单片集成器件的报道很少。众所周知，分立器件搭建的系统往往庞大复杂，而且稳定性差，成本也比较高。如果能在同一衬底上将若干器件集成，实现光生微波的功能，将会大大减少器件的体积，最终有利于提高系统的稳定性，适于大规模生产和应用，而这正是本发明的目的。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足，特别提供了一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件。

本发明的技术方案如下：

一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，该器件在N型衬底上依次生长如下外延层：衬底和下包层11、下波导层12、多量子阱有源层13、光栅层14、上波导层15、上包层16、欧姆接触层18；在N型衬底和下包层11下面和欧姆接触层18上面分别镀有N型电极10和P型电极19，其特征在于：

所述集成光电子器件均采用脊波导结构，脊波导20两侧用SiO₂绝缘层17填平，集成为一个分布反馈DFB激光器段21和一个SOA段23；

DFB激光器段21和SOA段23的顶面和底面上分别制作了一层P型电极19和一层N型电极10，DFB激光器段21和SOA段23相连的地方有一段电隔离段22，且该电隔离段处设有P型电极19和欧姆接触层18，用于实现DFB激光器段21和SOA段23的电隔离；

DFB激光器段21的输出光产生的两个一阶调制边带作为SOA段23四波混频效应的泵浦光，产生两个频率差更大的光，进行拍差。

所述DFB激光器段的长度为300-500μm，SOA段的长度为200-300μm，电隔离段的长度为30-50μm。

所述集成光电子器件在DFB激光器段21和SOA段23之间集成一个EA电吸收调制器24，对DFB激光器1进行间接调制。

所述EA电吸收调制器的长度为50-150μm。

所述集成光电子器件中SOA采用端面抗反镀膜或者弯曲波导，控制光的反馈率在0.01-10％之间。

本发明的有益效果在于：本发明所述的集成光电子器件实现了单片集成，具有集成程度高、成本低、成品率高、制作方法简单而又能提高性能等优点。

附图说明

图1基于SOA四波混频效应的光生微波系统示意图。

图2集成了DFB激光器、SOA，基于SOA四波混频效应的光生微波单片集成器件。

图3集成了DFB激光器、EAM电吸收调制器和SOA，基于SOA四波混频效应的光生微波单片集成器件。

图中的各个数字标号分别对应于：1.半导体激光器；2.LiNbO₃调制器；3.调制器直流偏置；4.调制器交流输入；5.EDFA；6.带通滤波器；7.可变衰减器；8.隔离器；9.半导体光放大器SOA；10.N电极；11.衬底和下包层；12.下波导层；13.多量子阱有源层；14.光栅层；15.上波导层；16.上包层；17.SiO₂绝缘层；18欧姆接触层；19.P电极；20.脊波导；21.DFB激光器段；22.电隔离段；23.SOA段；24.EAM电吸收调制器。

具体实施方式

本发明提供了一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，下面通过附图和实施例对本发明做进一步详细说明。该集成光电子器件是一种基于SOA四波混频效应的光生微波单片光子集成器件。其中作为光源的是一个分布反馈(Distributed Feedback，DFB)DFB激光器段21。对该激光器进行直接调制，或者集成一个EAM电吸收调制器(Electroabsorption Modulator，EAM)24进行间接调制，从而产生两个一阶调制边带。设激光器的频率为ω₀，调制频率为Ω，那么两个一阶边带的频率分别为ω₀+Ω和ω₀-Ω。然后再在其后集成一个SOA段23，通过SOA的四波混频效应可以产生两个新频率的光，其频率分别为ω₀+3Ω和ω₀-3Ω。这两束新产生的光的相位是相关的，与作为光源的21的相位保持恒定，因此，这两束光进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为6Ω而且相位噪声较小的微波。

为了进一步优化器件性能，本发明还提出，在SOA段23的两端采用抗反镀膜或弯曲波导，这样一方面可以抑制激光器激射时的法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，FP)模式，同时还可以减小SOA段23输出端面反射回DFB激光器段21的光，从而避免外反射对激光器线宽的不良影响。抗反镀膜后的端面反射率范围在10^-4到10％之间。

下面介绍一下本发明装置的两个实施例，分别是在对DFB激光器进行直接调制和间接调制的基础上，利用SOA四波混频效应产生高频微波的单片光子集成器件。

实施例1

如图2所示，工作波长在1550nm波段内，在DFB激光器直接调制的基础上，利用SOA四波混频效应产生高频微波的InGaAsP/InP基单片光子集成器件。

该器件将一个DFB激光器段21和一个SOA段23集成在同一个芯片上。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底材料上一次外延，依次生长n型InP衬底和下包层11(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层12(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱有源层13(光荧光波长1.52μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2μm)、70nm厚的InGaAsP光栅层14。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除SOA段区域内的光栅。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP上波导层15(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层16(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层18(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导20，脊宽均为3μm，高1.5μm。通过等离子增强化学气相淀积(Plasma Enhanced ChemicalVapour Deposition，PECVD)的方法在脊波导20两侧用SiO₂绝缘层17来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法在N型衬底和下包层11下面和欧姆接触层18上面分别镀有N型电极和P型电极。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。其中，P电极包括两个部分：一部分长400μm，作为DFB激光器段21的P电极；另一部分长200μm，作为SOA段23的P电极。两部分P电极之间有一段40μm长的区域，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成该DFB激光器段和SOA段的电隔离段22。在SOA段的端面采用抗反镀膜或者弯曲波导，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反馈率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，DFB激光器段的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在DFB激光器段注入电流上，实现DFB激光器段的直接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到频率在20～60GHz、100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例2

如图3所示，工作波长在1550nm波段内，在DFB激光器间接调制的基础上，利用SOA四波混频效应产生高频微波的InGaAsP/InP基单片光子集成器件。

该器件将一个DFB激光器段21、一个EAM电吸收调制器24和一个SOA段23集成在同一个芯片上。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底材料上一次外延，依次生长n型InP衬底和下包层11(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层12(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱有源层13(光荧光波长1.52μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2μm)、70nm厚的InGaAsP光栅层14。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除EAM和SOA段区域内的光栅。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP上波导层15(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层16(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层18(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导20，脊宽均为3μm，DFB激光器段和SOA段的脊波导20高1.5μm。EAM电吸收调制器24的脊波导20高4μm。通过等离子增强化学气相淀积(Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition，PECVD)的方法在脊波导20两侧用SiO₂绝缘层17来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法在N型衬底和下包层11下面和欧姆接触层18上面分别镀有N型电极和P型电极。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。其中，P电极包括三个部分：其长度分别是400μm，100μm和200μm，它们依次是作为DFB激光器段21、EAM电吸收调制器24和SOA段的P电极；相邻两部分P电极之间有一段40μm长的区域，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成该DFB激光器段与EAM电吸收调制器、EAM电吸收调制器和SOA段的电隔离段22。在SOA段的端面采用抗反镀膜或者弯曲波导，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反馈率在10^-4到10％之间。作为SOA段23的P电极。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底材料上一次外延，依次生长n型InP下包层11(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层12(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱有源层13(光荧光波长1.52μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2μm)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层14。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除EA和SOA区域内的光栅。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层15(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层16(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层18(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导20结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导，脊宽均为3μm，DFB段和SOA段的脊波导高1.5μm，EA段的脊波导高4μm。。通过等离子增强化学气相淀积(Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，PECVD)的方法在脊波导两侧用SiO₂绝缘层17来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极19和N电极10。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。其中，P电极包括三个部分，其长度分别是400μm、100μm和200μm，它们依次是作为DFB激光器21、EA调制器24和SOA 23的P电极。相邻两部分P电极之间有一段40μm长的区域22，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成该DFB激光器与EA调制器、EA调制器与SOA的电隔离。在SOA的端面采用抗反镀膜或者弯曲波导，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反馈率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在EA调制器的反向电场上，实现DFB激光器的间接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到频率在20～60GHz、100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

Claims

1.一种利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，该器件在N型衬底上依次生长如下外延层：衬底和下包层(11)、下波导层(12)、多量子阱有源层(13)、光栅层(14)、上波导层(15)、上包层(16)、欧姆接触层(18)；在N型衬底和下包层(11)下面和欧姆接触层(18)上面分别镀有N型电极(10)和P型电极(19)，其特征在于：

所述集成光电子器件均采用脊波导结构，脊波导(20)两侧用SiO₂绝缘层(17)填平，集成为一个分布反馈DFB激光器段(21)和一个SOA段(23)；DFB激光器段(21)和SOA段(23)的顶面和底面上分别制作了一层P型电极(19)和一层N型电极(10)，DFB激光器段(21)和SOA段(23)相连的地方有一段电隔离段(22)，且该电隔离段处设有P型电极(19)和欧姆接触层(18)，用于实现DFB激光器段(21)和SOA段(23)的电隔离；DFB激光器段(21)的输出光产生的两个一阶调制边带作为SOA段(23)四波混频效应的泵浦光，产生两个频率差更大的光，进行拍差。

2.根据权利要求1所述利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于：所述DFB激光器段的长度为300-500μm，SOA段的长度为200-300μm，电隔离段的长度为30-50μm。

3.根据权利要求1所述利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于：所述集成光电子器件在DFB激光器段(21)和SOA段(23)之间集成一个EAM电吸收调制器(24)，对DFB激光器段(21)进行间接调制。

4.根据权利要求3所述利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于：所述EAM电吸收调制器的长度为50-150μm。

5.根据权利要求1所述利用SOA四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于：所述集成光电子器件中SOA段采用端面抗反镀膜或者弯曲波导，控制光的反馈率在0.01-10％之间。