CN101222118A - 一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 - Google Patents
一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101222118A CN101222118A CNA2007101790322A CN200710179032A CN101222118A CN 101222118 A CN101222118 A CN 101222118A CN A2007101790322 A CNA2007101790322 A CN A2007101790322A CN 200710179032 A CN200710179032 A CN 200710179032A CN 101222118 A CN101222118 A CN 101222118A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- mmi
- integrated
- lasers
- main
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了属于微波光子学领域的光电子器件制备技术范围，尤其涉及一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件。该集成光电子器件由主激光器和从激光器平行放置在衬底上，在衬底上依次外延下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，将它们集成在一起，将主、从两个激光器的一端通过一个多模干涉器或者一个微环结构实现调制边带的耦合，进行注入锁定；再通过多模干涉器耦合输出，进行拍差，就可以获得高频微波。因此，可以通过调节一个DFB激光器的工作温度和注入电流，从而实现激射波长的差异，进而达到边带注入锁定的效果。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
技术领域
本发明属于微波光子学领域的光电子器件制备技术范围，尤其涉及一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件。
技术背景
采用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，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。例如，我国长途传输网中光纤通信的比重已超过80％。长途干线的通信容量由于采用光纤通信技术而大大提高，单根光纤的数据容量已经可以高达10 Tb/s。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。例如，目前采用的综合业务服务网(ISDN)的通信速率为128 kb/s，非对称数字用户环线(ADSL)的通信速率为上行1 Mb/s，下行8 Mb/s，而IEEE802.11标准规定的无线接入速率最大为55 Mb/s。以上的接入技术由于接入速率较低，难以支持支持高速无线局域网、IEEE 1394无线链路、固定的无线接入系统和家用电视传输系统等多种业务的需求。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(800 MHz～1.9 GHz)频率更高的毫米波(30GHz～300 GHz)，可以支持传输速率超过Gb/s的高速无线接入。在毫米微波波段中，频率处于60 GHz附近的电磁波更被认为是进行高速语音、数据通信，甚至支持Internet的最佳选择。原因主要是由于60 GHz波具有以下的特点：
1.处于自由运行(unlicensed operation)波段：在2001年，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)留出57～64 GHz的毫米波波段作为商用无线通信应用。
2.传输距离短：60 GHz波段处于氧气的强吸收区域，其吸收损耗高达16dB/km。
3.方向性好：由于60GHz波的频率较高，因而波束发散角度很小，其99.9％波束能量发散角仅为4.7°。
由于60GHz毫米波具有上述特点，在应用于高速无线接入业务时具有如下的优点：
1.由于60GHz波具有7GHz的连续自由运行带宽，因而可以支持高达2.5Gb/s的传输速率。同时，在应用60GHz无线进行接入服务时，运营商无需花费大量的时间和金钱来向政府办理运营执照，从而可以有效地降低运营成本。
2.由于60GHz波传输距离短并且方向性好，因此难以被窃听，具有高度的保密性。
3.同时，60GHz波大气吸收强烈和波束发散较小，使得在一个较小的区域内由同一个频率同时支持多个用户或是在不同的区域内同时运行不同的业务，而不需要考虑互相间的串扰。因此用户间串扰低，并可以实现频率的重复使用。
正是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，利用光波差频产生微波或者毫米波的技术主要包括锁模激光器、光锁相环、边带注入锁定等方案。下面，对边带注入锁定方案的原理进行说明，以便理解本发明提出的新器件的特点和优势。
理论上，将两个频率差为f的激光器输出的光信号耦合在一起，就可以利用光电探测器的平方检波效应得到频率为f的微波信号。但是，作为光通信用的光源，半导体激光器的线宽比较大，一个普通的分布反馈型(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器的线宽往往在MHz的量级，因此两个独立的DFB激光器进行自由拍频后，得到的微波信号的相位噪声很大，无法满足无线通信的要求。一个解决办法是利用注入锁定(Injection Locking)来实现低相位噪声。
理论研究和实验均已表明，把一个激光器发出的光注入到另一个激光器中，其中，被注入的激光器称为从激光器(slave)，另一个激光器称为主激光器(master)，如果两个激光器自由工作时的波长足够接近(波长差通常在pm量级)，而且注入光的功率足够大，那么从激光器的波长将等于主激光器，同时两个激光器输出光的相位差保持恒定不变。这种现象就是注入锁定。将光外差法和注入锁定结合起来产生微波或毫米波信号，可以大大降低相位噪声。图1是目前现有的一种利用光外差法和注入锁定来产生毫米波信号的系统示意图，它包括一个波长可调谐的主激光器1、一个LiNbO3调制器2、一个隔离器5，两个3 dB耦合器6、两个从激光器7。LiNbO3调制器2在输入交流信号和一定的直流偏置的情况下对主激光器1输出的光进行调制，因此在LiNbO3调制器2的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率的n个阶次(n为1至10之间的整数)的调制边带。这束光经过一个3 dB耦合器6分别注入到两个从激光器7中。如果调节主激光器的波长，使得LiNbO3调制器输出光谱中的某两个调制边带(设它们的频率分别为f1和f2)与两个从激光器正好分别满足注入锁定的条件，那么从激光器激射的频率将被分别锁定在f1和f2上。此时，这两束频率分别为f1和f2的光由于是锁定后所得，因此其相位也均与主激光器保持恒定。这两束光经过3dB耦合器耦合之后，进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为f2-f1而且相位噪声较小的微波。
除了上述通过两个边带分别锁定两个从激光器的方案之外，还可以采用图2所示的系统来实现。该系统中只包括一个从激光器7。主激光器1输出的光经过LiNbO3调制器2调制后，注入到从激光器7中。设调制频率为f，调节主激光器的波长，使得其第k阶(k≤n)调制边带与从激光器正好满足注入锁定的条件，那么从激光器的频率将被锁定在第k阶调制边带上，而且其相位与中心波长处的光相同。用锁定后的第k阶边带处的光与中心波长处的光进行拍差，就可以获得频率为kf且相位噪声较小的微波。
目前报道的利用边带注入锁定产生微波的文章中，绝大多数都是采用分立器件搭建的系统，利用边带注入锁定产生微波的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。
发明内容
本发明的目的是提供了一种利用光外差法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由主激光器和从激光器平行放置在衬底上，在衬底上依次外延下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，将它们集成在一起。通过改变主激光器的注入电流对主激光器进行直接调制，而从激光器工作在直流状态；设主激光器的调制频率设为f，则在其中心波长两侧会出现间隔为f的n个阶次(n为1至1 0之间的整数)的调制边带，主激光器和从激光器通过多模干涉器MMI或者用一个微环耦合在一起，使得主激光器的调制边带能够注入从激光器，当主激光器的第k阶(k≤n)调制边带与从激光器正好满足注入锁定的条件，那么从激光器的频率将被该阶调制边带锁定；锁定后的第k阶边带处的光与中心波长处的光进行拍差，就可以获得频率为kf且相位噪声较小的微波，从而实现利用多模干涉器或者微环结构来实现主、从两个激光器的耦合，实现了光生微波系统的单片集成。
所述激光器采用分布反馈型(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器。
所述主、从两个DFB激光器采用具有相同周期的光栅结构，这样可以采用相对简单许多的全息曝光方式制作光栅。可以通过调节DFB激光器的注入电流和工作温度来引入波长偏移，保证两个激光器的波长有一定的偏差，使主激光器的第k阶调制边带与从激光器满足注入锁定的条件，实现高性能、低成本的集成器件。
所述双端多模干涉器耦合式光生微波集成器件和微环耦合式光生微波集成器件的输出端采用抗反镀膜，抗反镀膜后的端面反射率范围在10-4到10％之间，可以减小输出端的端面反射率对注入锁定的影响以及提高集成器件的输出功率。
所述集成器件包括下述三种结构：
一种单端多模干涉器MMI(multi-mode interference，)耦合式光生微波集成器件，器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极17。该器件集成了两个DFB激光器和一个多模干涉器。其中，两个DFB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21的一端与MMI 19相连，利用MMI实现主激光器20向从激光器21的注入，同时将两个激光器的光耦合在一起输出。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
一种双端多模干涉器MMI耦合式光生微波集成器件。器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极17。该器件集成了两个DFB激光器和两个MMI。其中，两个DFB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21的两端均与MMI 19相连，其中MMI 19a实现主激光器20向从激光器21的注入，该MMI的输出端面有高反镀膜；MMI 19b将两个激光器的光耦合在一起输出，该MMI的输出端面有抗反镀膜。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间各有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
一种微环耦合式光生微波集成器件，器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极17。该器件集成了两个DFB激光器、一个MMI和一个微环。其中，两个DFB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21之间有一个微环23，利用微环实现主激光器20向从激光器21的注入。主激光器20和从激光器21的一端与MMI 19相连，该MMI的输出端面有抗反镀膜，可以将两个激光器的光耦合在一起输出。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
本发明的有益效果是利用多模干涉器或者微环结构来实现两个DFB激光器的耦合，从而实现了光生微波系统的单片集成。
附图说明
图1为光生微波的双边带锁定系统示意图。
图2为光生微波的单边带锁定系统示意图。
图3为单端MMI耦合式光生微波集成器件。
图4为双端MMI耦合式光生微波集成器件。
图5为微环耦合式光生微波集成器件。
图中的各个数字标号分别对应于：1.波长可调谐的主激光器；2.LiNbO3调制器；3.调制器直流偏置；4.调制器交流输入；5.隔离器；6.3 dB耦合器；7.从激光器；8.N电极；9.衬底和下包层；10.下波导层；11.多量子阱有源层；12.光栅层；13.上波导层；14.上包层；15.SiO2绝缘层；16.欧姆接触层；17.P电极；18.脊波导；19.MMI段；20.主激光器；21.从激光器；22.电隔离段；23.微环。
具体实施方式
本发明提供了一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件。下面结合附图对本发明予以说明。图3所示为单端MMI耦合式光生微波集成器件；图4所示为双端MMI耦合式光生微波集成器件；图5所示为微环耦合式光生微波集成器件。在本器件结构图中，两个DFB激光器20和21平行放置集成在一起，其中20就是主激光器，21是从激光器。通过改变主激光器的注入电流对主激光器20进行直接调制，而从激光器21工作在直流状态，设主激光器20的调制频率设为f，则在其中心波长两侧会出现间隔为f的n个阶次(n为1至10之间的整数)的调制边带。主激光器20和从激光器21的一端用一个多模干涉器(multi-modeinterference，MMI)19或者用一个微环(microring)23耦合在一起，利用多模干涉器端面的镜面反射或者微环的耦合及滤波效应，使得主激光器20的光能够注入从激光器21，若主激光器20的第k阶(k≤n)调制边带与从激光器21正好满足注入锁定的条件，那么从激光器21的频率将被该阶调制边带锁定；主激光器20和从激光器21用多模干涉器耦合作为输出，那么锁定后的第k阶边带处的光与中心波长处的光进行拍差，就可以获得频率为kf且相位噪声较小的微波，从而实现利用多模干涉器或者微环结构来实现主、从两个激光器的耦合，实现了光生微波系统的单片集成。
为使主激光器20的第k阶调制边带与从激光器22满足注入锁定的条件，需要保证两个激光器的波长有一定的偏差。为了简化制作工艺，本发明还提出在所述的两个DFB激光器20和21中采用具有相同周期的光栅结构，这样可以采用相对简单许多的全息曝光方式制作光栅，又可以通过调节DFB激光器的注入电流和工作温度来引入波长偏移，实现高性能、低成本的集成器件。相比于其他获得激射波长差异的方法，调节DFB激光器的注入电流和工作温度的优点在于方法的简化和成本的降低。从制作工艺角度来看，调节注入电流和工作温度远比制作非均匀光栅简单。
为了进一步优化器件性能，本发明还提出，可以在两个DFB激光器20和21的两端各用一个多模干涉器19进行耦合，其中一端的多模干涉器19a的作用是将主激光器20的调制边带注入从激光器21，为提高注入的效率，在多模干涉器的端面采用高反镀膜，高反镀膜后的断面反射率可以接近100％；另一端的多模干涉器19b的作用是将两个DFB激光器20和21的光耦合在一起进行输出，为减小输出端的端面反射率对注入锁定的影响以及提高集成器件的输出功率，可以在集成器件的输出端采用抗反镀膜，抗反镀膜后的端面反射率范围在10-4到10％之间。
当使用多模干涉器将主激光器20的第k阶边带耦合注入至从激光器21中的时候，若19的调制频率较低，那么它的各阶调制边带的间距会很小，这样邻近的调制边带会对锁定的稳定性造成不利的影响。为了进一步优化该集成器件的工作性能，本发明还提出，可以采用一个微环结构23将两个DFB激光器20和21耦合在一起，利用微环的窄带滤波特性，使得主激光器20只有某一个调制边带能够通过微环注入从激光器21，这样就能消除过于邻近的调制边带对锁定的影响。
为了提高电流注入的效率和集成器件的输出功率，减小多模干涉器或者微环对光的损耗，本发明还提出，可以在多模干涉器19和微环23上注入电流以引入增益，这样就可以控制主激光器20注入从激光器21的效率，而且也可以调节集成器件的输出功率。
图3是一种单端多模干涉器(multi-mode interference，MMI)耦合式光生微波集成器件。器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极17。该器件集成了两个DFB激光器和一个单端多模干涉器。其中，两个DFB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21的一端与MMI 19相连，利用MMI实现主激光器20向从激光器21的注入，同时将两个激光器的光耦合在一起输出。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
图4是一种双端多模干涉器(multi-mode interference，MMI)耦合式光生微波集成器件。器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极1 7。该器件集成了两个DFB激光器和两个MMI。其中，两个DFB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21的两端均与MMI 19相连，其中MMI 19a实现主激光器20向从激光器21的注入，该MMI的输出端面有高反镀膜；MMI 19b将两个激光器的光耦合在一起输出，该MMI的输出端面有抗反镀膜。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间各有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
图5是一种微环(microring)耦合式光生微波集成器件。器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层9、下波导层10、多量子阱有源层11、光栅层12、上波导层13、上包层14、欧姆接触层16。在N型衬底9和欧姆接触层16上分别镀有N型电极8和P型电极17。该器件集成了两个DFB激光器、一个MMI和一个微环。其中，两个DEB激光器分别是主激光器20和从激光器21，它们平行放置，采用脊波导结构18，脊波导两侧用SiO2绝缘层15填平。主激光器20和从激光器21之间有一个微环23，利用微环实现主激光器20向从激光器21的注入。主激光器20和从激光器21的一端与MMI 19相连，该MMI的输出端面有抗反镀膜，可以将两个激光器的光耦合在一起输出。主激光器20、从激光器21与MMI 19之间有一段电隔离段22，该段没有欧姆接触层16，用以实现各器件之间的电隔离。
下面介绍一下本发明装置的三个实施例，即单端及双端MMI耦合式光生微波集成器件和微环耦合式光生微波集成器件：
实施例1工作波长在1550nm波段内的InGaAsP/InP基单端MMI耦合式光生微波集成器件(图3所示的结构)。
器件的外延材料如下所述。首先在n型衬底材料上一次外延、n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱(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。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MMI区域内的光栅。然后二次外延100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×1017cm-2)、1.7μm厚P型InP限制层(掺杂浓度从3×1017cm-2逐渐变化为1×1018cm-2)和100 nm厚的p型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度＞1×1019cm-2)。
两个DFB激光器均采用脊波导结构，长度均为400μm，脊宽均为3μm，高1.5μm。两个DFB激光器平行放置，相距12μm，一端用多模干涉器耦合，多模干涉器宽15μm，长200μm。DFB激光器与多模干涉器相连的地方有长度为40μm的电隔离区，此区域内的欧姆接触层被腐蚀掉。DFB激光器的脊波导和MMI两侧均用SiO2绝缘层来填平，脊顶上的SiO2被腐蚀掉和金属电极连接。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。
本实例的特征参数为：制成的集成器件中，单个DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。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 工作波长在1550nm波段内的InGaAsP/InP基双端MMI耦合式光生微波集成器件(图4所示的结构)。
器件的外延材料如下所述。首先在n型衬底材料上一次外延、n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱(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。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MMI区域内的光栅。然后二次外延100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×1017cm-2)、1.7μm厚P型InP限制层(掺杂浓度从3×1017cm-2逐渐变化为1×1018cm-2)和100 nm厚的p型InGaAs欧姆接触层(掺杂浓度＞1×1019cm-2)。
两个DFB激光器均采用脊波导结构，长度均为400μm，脊宽均为3μm，高1.5μm。两个DFB激光器平行放置，相距12μm，两端分别用两个多模干涉器耦合，多模干涉器宽15μm，长200μm。DFB激光器与多模干涉器相连的地方有长度为40μm的电隔离区，此区域内的欧姆接触层被腐蚀掉。DFB激光器的脊波导和MMI两侧均用SiO2绝缘层来填平，脊顶上的SiO2被腐蚀掉和金属电极连接。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。器件的一端有抗反镀膜，镀膜后反射率小于1％，另一端有高反镀膜，镀膜后反射率接近100％。
本实例的特征参数为：制成的集成器件中，单个DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。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-84 dBc/Hz的微波。
实施例3 工作波长在1550nm波段内的InGaAsP/InP基微环耦合式光生微波集成器件(图5所示的结构)。
器件的外延材料如下所述。首先在n型衬底材料上一次外延、n型InP缓冲层(厚度200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱(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。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微环和MMI区域内的光栅。然后二次外延100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×1017cm-2)、1.7μm厚P型InP限制层(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(掺杂浓度＞1×1019cm-2)。
两个DFB激光器均采用脊波导结构，长度均为400μm，脊宽均为3μm，高1.5μm。两个DFB激光器平行放置，相距13.7μm，一端用微环耦合实现注入，另一端用多模干涉器耦合进行输出。多模干涉器宽15μm，长200μm。微环的直径是10.5μm，它的脊宽是0.5μm，脊高是1.5μm，微环侧壁与DFB激光器脊波导的侧壁最近处的距离是0.1μm。DFB激光器与多模干涉器相连的地方有长度为40μm的电隔离区，此区域内的欧姆接触层被腐蚀掉。DFB激光器及微环的脊波导和MMI两侧均用SiO2绝缘层来填平，脊顶上的SiO2被腐蚀掉和金属电极连接。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。MMI的输出端有抗反镀膜，镀膜后反射率小于1％。
本实例的特征参数为：制成的集成器件中，单个DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微环在1550nm波段上有5GHz宽的滤波通带。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 (6)
1.一种利用光外差法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由主激光器和从激光器平行放置在衬底上，在衬底上依次外延下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，将它们集成在一起，通过改变主激光器的注入电流对主激光器进行直接调制，而从激光器工作在直流状态，设主激光器的调制频率设为f，则在其中心波长两侧会出现间隔为f的n个阶次的调制边带，其中n为1至10之间的整数；主激光器和从激光器通过多模干涉器MMI或者用一个微环结构耦合在一起，使得主激光器的光能够注入从激光器，当主激光器的第k阶调制边带与从激光器正好满足注入锁定的条件，那么从激光器的频率将被该阶调制边带锁定，其中k≤n；锁定后的第k阶边带处的光与中心波长处的光进行拍差，就可以获得频率为kf且相位噪声较小的微波，从而实现利用多模干涉器或者微环结构来实现主、从两个激光器的耦合，实现了光生微波系统的单片集成。
2.根据权利要求1所述利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于，所述激光器采用分布反馈型DFB半导体激光器。
3.根据权利要求1或2所述利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于，所述主、从两个DFB激光器采用具有相同周期的光栅结构，这样可以采用相对简单许多的全息曝光方式制作光栅，通过调节DFB激光器的注入电流和工作温度来引入波长偏移，保证两个激光器的波长有一定的偏差，使主激光器的第k阶调制边带与从激光器满足注入锁定的条件，又实现高性能、低成本的集成器件。
4.根据权利要求1所述利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于，所述主、从两个激光器的两端各用一个多模干涉器进行耦合，其中一端的多模干涉器的作用是将主激光器的调制边带注入从激光器，另一端的多模干涉器的作用是将主激光器和从激光器的光耦合在一起进行输出。
5.根据权利要求1所述利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于，所述主激光器和从激光器的输出端采用抗反镀膜，抗反镀膜后的端面反射率范围在10-4到10％之间，可以减小输出端的端面反射率对注入锁定的影响以及提高集成器件的输出功率。
6.根据权利要求1所述利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件，其特征在于，所述集成器件包括下述三种结构：
1)一种单端多模干涉器MMI耦合式光生微波集成器件，器件的外延结构依次是：N型衬底和下包层(9)、下波导层(10)、多量子阱有源层(11)、光栅层(12)、上波导层(13)、上包层(14)、欧姆接触层(16)，在N型衬底(9)和欧姆接触层(16)上分别镀有N型电极(8)和P型电极(17)；该器件集成了两个DFB激光器和一个多模干涉器，其中，两个DFB激光器分别是主激光器(20)和从激光器(21)，它们平行放置，采用脊波导结构(18)，脊波导两侧用SiO2绝缘层(15)填平；主激光器(20)和从激光器(21)的一端与MMI(19)相连，利用MMI实现主激光器(20)向从激光器(21)的注入，同时将两个激光器的光耦合在一起输出，主激光器(20)、从激光器(21)与MMI(19)之间有一段电隔离段(22)，该段没有欧姆接触层(16)，用以实现各器件之间的电隔离；
2)一种双端多模干涉器MMI耦合式光生微波集成器件，该器件的外延结构与1)单端多模干涉器耦合式光生微波集成器件相同，其差别是该器件集成了两个DFB激光器和两个MMI，其中，两个DFB激光器分别是主激光器(20)和从激光器(21)，它们平行放置，采用脊波导结构(18)，脊波导两侧用SiO2绝缘层(15)填平；主激光器(20)和从激光器(21)的两端均与MMI相连，其中MMI(19a)实现主激光器(20)向从激光器(21)的注入，该MMI的输出端面有高反镀膜；MMI(19b)将两个激光器的光耦合在一起输出，该MMI(19b)的输出端面有抗反镀膜，主激光器(20)、从激光器(21)与MMI(19a)和MMI(19b)之间各有一段电隔离段(22)，该两段中没有欧姆接触层(16)，用以实现各器件之间的电隔离；
3)一种微环耦合式光生微波集成器件，该器件的外延结构与1)单端多模干涉器耦合式光生微波集成器件相同，其差别是该器件集成了两个DFB激光器、一个MMI和一个微环；其中微环(23)放置在主激光器(20)和从激光器(21)之间，利用微环实现主激光器(20)向从激光器(21)的注入；主激光器(20)和从激光器(21)的一端与MMI(19)相连，该MMI(19)的输出端面有抗反镀膜，可以将两个激光器的光耦合在一起输出，主激光器(20)、从激光器(21)与MMI(19)之间有一段电隔离段(22)，该段没有欧姆接触层(16)，用以实现各器件之间的电隔离。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2007101790322A CN101222118B (zh) | 2007-12-10 | 2007-12-10 | 一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2007101790322A CN101222118B (zh) | 2007-12-10 | 2007-12-10 | 一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101222118A true CN101222118A (zh) | 2008-07-16 |
| CN101222118B CN101222118B (zh) | 2010-09-08 |
Family
ID=39631769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2007101790322A Expired - Fee Related CN101222118B (zh) | 2007-12-10 | 2007-12-10 | 一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101222118B (zh) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101895061A (zh) * | 2010-08-03 | 2010-11-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种利用光栅实现高功率相干出光的半导体激光器 |
| CN102215066A (zh) * | 2011-06-09 | 2011-10-12 | 中国科学院半导体研究所 | 单边带调制的光生微波载波信号产生装置 |
| CN101674132B (zh) * | 2009-09-23 | 2012-01-25 | 中国人民解放军理工大学 | 一种多点高频微波信号产生方法 |
| WO2013156641A1 (es) * | 2012-04-18 | 2013-10-24 | Universidad De Cantabria | Sistema de generación óptica de señales |
| CN104503023A (zh) * | 2014-12-23 | 2015-04-08 | 中国科学院半导体研究所 | 基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片 |
| CN104662677A (zh) * | 2012-09-28 | 2015-05-27 | 佳能株式会社 | 光源和包括光源的光学相干层析成像装置 |
| CN106067650A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-11-02 | 中国科学院半导体研究所 | 基于放大反馈激光器的啁啾微波产生装置 |
| CN108169930A (zh) * | 2013-03-12 | 2018-06-15 | 协同微波公司 | 集成的自注入锁定锁相环光电振荡器 |
| CN111193183A (zh) * | 2020-03-01 | 2020-05-22 | 福建中科光芯光电科技有限公司 | 一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法 |
| CN112310808A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-02-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种多波长的半导体激光器结构及制备方法 |
| CN113132013A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-07-16 | 西南交通大学 | 一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片 |
-
2007
- 2007-12-10 CN CN2007101790322A patent/CN101222118B/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101674132B (zh) * | 2009-09-23 | 2012-01-25 | 中国人民解放军理工大学 | 一种多点高频微波信号产生方法 |
| CN101895061A (zh) * | 2010-08-03 | 2010-11-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种利用光栅实现高功率相干出光的半导体激光器 |
| CN102215066A (zh) * | 2011-06-09 | 2011-10-12 | 中国科学院半导体研究所 | 单边带调制的光生微波载波信号产生装置 |
| WO2013156641A1 (es) * | 2012-04-18 | 2013-10-24 | Universidad De Cantabria | Sistema de generación óptica de señales |
| US10109762B2 (en) | 2012-09-28 | 2018-10-23 | Canon Kabushiki Kaisha | Light source and optical coherence tomography apparatus including the light source |
| CN104662677A (zh) * | 2012-09-28 | 2015-05-27 | 佳能株式会社 | 光源和包括光源的光学相干层析成像装置 |
| CN108169930A (zh) * | 2013-03-12 | 2018-06-15 | 协同微波公司 | 集成的自注入锁定锁相环光电振荡器 |
| CN104503023A (zh) * | 2014-12-23 | 2015-04-08 | 中国科学院半导体研究所 | 基于多模干涉器结构的外调制型少模光通信发射芯片 |
| CN106067650A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-11-02 | 中国科学院半导体研究所 | 基于放大反馈激光器的啁啾微波产生装置 |
| CN111193183A (zh) * | 2020-03-01 | 2020-05-22 | 福建中科光芯光电科技有限公司 | 一种单片集成的平衡探测器芯片及其制备方法 |
| CN112310808A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-02-02 | 中国科学院半导体研究所 | 一种多波长的半导体激光器结构及制备方法 |
| CN112310808B (zh) * | 2020-10-29 | 2023-03-14 | 中国科学院半导体研究所 | 一种多波长的半导体激光器结构及制备方法 |
| CN113132013A (zh) * | 2021-05-19 | 2021-07-16 | 西南交通大学 | 一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片 |
| CN113132013B (zh) * | 2021-05-19 | 2022-04-29 | 西南交通大学 | 一种直调型多信道协同的可重构微波光子采集芯片 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101222118B (zh) | 2010-09-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101222118B (zh) | 一种利用光外差法产生高频微波的集成光电子器件 | |
| CN100570970C (zh) | 利用soa四波混频效应产生高频微波的集成光电子器件 | |
| CN101566777B (zh) | 基于边带注入锁定用于产生高频微波的集成光电子器件 | |
| CN1266851C (zh) | 用于混合光纤－无线系统中双工通信的方法和设备 | |
| Zhang et al. | A full-duplex WDM-RoF system based on tunable optical frequency comb generator | |
| CN100570969C (zh) | 基于fp激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件 | |
| CN104796376B (zh) | 基于滤波器组的多载波调制的无源光网络下行传输系统 | |
| Khawaja et al. | Wireless hybrid mode locked lasers for next generation radio-over-fiber systems | |
| US7933524B2 (en) | Apparatus for and method of generating millimeter waves | |
| Lin et al. | Two-color laser diode for 54-Gb/s fiber-wired and 16-Gb/s MMW wireless OFDM transmissions | |
| CN104617486A (zh) | 单片集成式多波长半导体锁模激光器 | |
| CN102098108B (zh) | 光生微波信号源及方法 | |
| Liu et al. | A low cost structure of radio-over-fiber system compatible with WDM-PON | |
| Cao et al. | Long reach hybrid fiber-wireless system with remote up-conversion and local exchange | |
| CN102355302A (zh) | 基于光学相位锁定的终端可选择频段/带宽的rof传输方法 | |
| Xie et al. | Bidirectional WDM multi-nodes analog radio-over-fiber mobile fronthaul link enhanced by photonic integrated devices | |
| Seena et al. | A full duplex radio over fiber system using fiber Bragg grating filter | |
| Shizhong et al. | Advance in microwave photonics | |
| Pan et al. | Widely tunable amplified feedback laser with beating-frequency covering 60-GHz band | |
| Amiri et al. | LTE smart grid performance gains with additional remote antenna units via radio over fiber using a microring resonator system | |
| CN102324983A (zh) | 基于迈克尔逊干涉仪的光域多波长信号产生系统 | |
| CN108521300B (zh) | 一种光载无线射频信号产生装置及方法 | |
| Kim et al. | All-optical frequency up-conversion technique using four-wave mixing in semiconductor optical amplifiers for radio-over-fiber applications | |
| CN103563274B (zh) | 一种光器件、无线信号发射装置及系统 | |
| Zhu et al. | The Improved Optical Heterodyne Scheme for RoF Systems Based on Optical Carrier Suppression and Optical Injection Locking Techniques |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100908 Termination date: 20141210 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |