CN101399615B - 半导体光器件以及时钟恢复方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体光器件以及时钟恢复方法和装置。所述半导体光器件的外延片的两个端面设置有端面抗反射膜，所述端面抗反射膜用于对接收到的光信号进行梳状滤波处理，其端面反射率根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率而设定，从而使得半导体光器件输出的时钟信号的质量控制在设定的范围内。本发明通过适当地选择半导体光器件的端面反射率，从而可以实现不同速率的全光时钟恢复，使恢复出来的时钟信号的质量控制在设定的范围内。

Description

半导体光器件以及时钟恢复方法和装置
技术领域
本发明涉及光网络领域，尤其涉及一种半导体光器件以及时钟恢复方法和装置。
背景技术
在高速大容量的光网络中，存在一些因素会明显地影响光信号的质量，比如，码型，线路的损耗，光放大器的ASE(Amplified SpontaneousEmission，放大的自发辐射)噪声、GVD(Group Velocity Dispersion，群速度色散)、PMD(Polarisation Mode Dispersion，偏振模色散)和非线性效应等都会影响到信号的形状、光信噪比和消光比，使脉冲展宽并产生定时抖动，从而导致信号质量劣化。
3R(Regenration，Reshaping，Retiming，再生、重整形和重定时)再生是解决上述问题的有效方法。3R再生中的全光时钟恢复是实现光定时的关键技术。在高速OTDM(Optical Time Division Multiplexing，光时分复用)系统中，从高速的OTDM信号中恢复出基频光时钟是实现全光解复用和全光分插复用的关键。在光分组交换中，实现分组头和分组的同步也需要从分组头或者分组中快速恢复出光时钟。因此，全光时钟恢复是下一代高速大容量光通信网络中的关键技术。
全光时钟恢复技术要在光网络中得以实际利用，关键是寻找一种结构简单、容易实现、时钟建立时间短、输出抖动小、输出幅度均衡的实现方案。
现有技术中一种时钟恢复方案为：FP(Fabry-Perot，法布里-珀罗)滤波器方案。该方案的实现原理示意图如图1所示，利用FP滤波器从输入的RZ(return to zero code，归零码)光信号中恢复出时钟信号。RZ光信号的光频谱由连续谱分量和若干线状谱分量组成，FP滤波器具有的梳状滤波器特性如图2所示，横坐标表示频率，纵坐标表示信号幅度，利用FP滤波器可以选出光载频分量fc和线状谱分量fc+f0或fc-f0(f0为数据时钟频率)，从而实现光时钟信号恢复。
在实现本发明的过程中，发明人发现上述FP滤波器的缺点为：该方案受限于FP滤波器的精细度参数(F参数)，需要FP滤波器的F参数很大，并且要求F参数的自由光谱范围和输入信号的速率严格匹配，这就对FP滤波器的腔长精确度有很高要求。否则，恢复出的时钟质量会大大下降。因此，该方案恢复出的时钟幅度不均匀。
现有技术中另一种时钟恢复方案为：对上述FP滤波器方案进行改进，在FP滤波器后面串接SOA(Semiconductor Optical Amplifier，半导体激光放大器)，该方案的实现原理示意图如图3所示。该方案克服了上述对FP滤波器的F参数的苛刻要求。上述SOA工作在增益和饱和状态，对FP滤波器输出的时钟信号进行幅度均衡，改善输出信号质量，从而对恢复出来的时钟进行优化。
在实现本发明的过程中，发明人发现上述改进后的FP滤波器方案的缺点为：该方案需要用到两个分立的器件，并且要精确控制进入SOA的入射功率，系统复杂度和成本提高，不易集成。该方案还要保证FP滤波器的FSR(free spectrum range，自由光谱范围)必须和入射信号的速率严格匹配。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体光器件以及时钟恢复方法和装置。从而可以克服现有的时钟恢复方案集成度不高、受限于滤波器的精细度参数的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种半导体光器件，包括：衬底、缓冲层、上下限制层、盖层、接触层和上下电极，包括：在外延片的两个端面设置有端面抗反射膜；
所述端面抗反射膜，用于对接收到的光信号进行梳状滤波处理，其端面反射率根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率而设定，从而使得半导体光器件输出的时钟信号的质量控制在设定的范围内。
一种时钟恢复装置，包括：
信号输入单元，用于接收输入的光信号，将所述光信号传输给半导体光器件；
半导体光器件，用于对接收到的光信号进行梳状滤波处理，从所述光信号中恢复出时钟信号，将所述时钟信号传输给信号输出单元；其端面抗反射膜的的端面反射率根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率而设定，从而使得所述时钟信号的质量控制在设定的范围内；
信号输出单元，用于将所述时钟信号输出。
一种时钟恢复方法，包括：
半导体光器件接收输入的光信号，对所述光信号进行梳状滤波处理，从所述光信号中恢复出时钟信号；根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率设定所述半导体光器件的端面抗反射膜的端面反射率，使得所述时钟信号的质量控制在设定的范围内。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率，适当地选择半导体光器件的端面反射率，具有较低的反射率和较低的精细度，从而可以容忍半导体光器件的自由光谱范围和输入光信号的速率不匹配，使恢复出来的时钟信号的质量控制在设定的范围内。克服了现有方案对FP滤波器的F参数的苛刻要求的问题。
本发明所述时钟恢复装置的结构简单，可以单片集成，便于实现。
附图说明
图1为现有技术中FP滤波器时钟恢复方案的实现原理示意图；
图2为现有技术中FP滤波器时钟恢复方案中的FP滤波器具有的梳状滤波器特性示意图；
图3为现有技术中改进后的FP滤波器时钟恢复方案的实现原理示意图；
图4为本发明所述全光时钟恢复装置的实施例的结构示意图；
图5为本发明所述半导体光器件的外延片的实施例1的结构示意图；
图6为本发明所述半导体光器件的外延片的实施例2的结构示意图；
图7为本发明所述具有不同端面反射率的时钟恢复装置从80Gb/sRZ信号中恢复时钟的不同输出结果示意图；
图8为本发明所述半导体光器件的抗反射膜的反射率与输出时钟的幅度抖动率的对应关系示意图；
图9为本发明所述增加了时钟增强单元的时钟恢复装置的实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供的一种半导体光器件以及时钟恢复方法和装置。
下面结合附图来详细描述本发明，本发明所述时钟恢复装置的实施例的结构示意图如图4所示，包括：信号输入单元、半导体光器件和信号输出单元。
信号输入单元，接收输入的光信号，并将该光信号通过输入光纤传输给半导体光器件。
半导体光器件对该光信号进行梳状滤波处理后，从光信号中恢复出时钟信号，将所述时钟信号传输给输出光纤。
信号输出单元，通过输出光纤将所述时钟信号输出。
通过将上述半导体光器件的端面反射率控制在某一范围内，从而控制输出的光时钟质量在设定的最佳范围内。通过将上述半导体光器件的有源区长度进行合理设计，从而使得恢复的时钟信号频率等于梳状滤波的频率间隔。所述光时钟质量包括：时钟信号的幅度抖动率、眼张开度、Q因子中的至少一项。
上述半导体光器件的外延片的实施例1的结构如图5所示，包括：衬底、缓冲层、上下限制层、有源层、盖层、接触层、上下电极和端面抗反射膜等模块，下面分别介绍各个模块。
衬底采用n-InP(n型磷化铟)材料。
缓冲层采用0.5μm厚的n-InP材料。
上下限制层都是采用晶格匹配的非掺杂的InGaAsP(磷砷化铟镓)、中心波长为1.2μm、0.1μm厚的材料，上下限制层构成双异质结结构。
有源层采用体材料或量子阱材料，并引入不同的应变方式。有源层具有比上下限制层更高的折射率，起光波导的作用，使得光信号限制在有源层传输，实现传导的作用。光信号通过有源层，激发有源层高能级电子向低能级跃迁，辐射光子，从而增大光信号功率，实现放大的作用。在该实施例1中，采用混合应变方式的量子阱InGaAsP，应变方式包括1％的压应变和0.95％的张应变。有源层厚50nm，中心波长为1.57μm。通过对有源区长度进行适当设计，可以使梳状滤波间隔等于输入信号的模式之间的间隔，则恢复的时钟信号的频率等于输入信号的模式之间的间隔。在该实施例1中，有源区长度取为536μm，可以恢复出80Gb/s的时钟信号。
盖层采用1.5μm厚的p-InP(p型磷化铟)材料。
接触层采用0.3μm厚的重p型掺杂的InGaAs材料。
端面抗反射膜可采用SiOx(氧化硅)、SixNy(氮化硅)、ZrOx(氧化锆)、TiOx(氧化钛)等材料，也可采用多层膜系技术，镀制的抗反射膜应使得半导体光器件具有梳状滤波的功能，并通过设定所述端面抗反射膜所采用的材料以及材料的厚度，从而使端面反射率控制在某一范围内，从而将输出的光时钟质量控制在设定的最佳范围内。
上述实施例1中的半导体光器件的制造可使用MOCVD(MetalorganicChemical Vapor Deposition，金属有机物化学汽相沉积)外延技术，该外延技术的处理过程为：先在衬底上设置缓冲层；在缓冲层上设置下限制层；在下限制层上设置有源层；在有源层上设置上限制层；在上限制层上设置盖层；在盖层上设置接触层；在外延片上蒸镀上电极和下电极；把外延片设置成条形，使得有源区长度符合需要输出的时钟频率要求；最后在外延片两个端面镀制抗反射膜。
上述半导体光器件的外延片的结构的实施例2的结构如图6所示，包括：衬底、缓冲层、上下限制层、有源层、掩膜、电流阻挡层、盖层、接触层、上下电极和端面抗反射膜等模块，增加了掩膜和电流阻挡层，用于提高有源层电子受激辐射速率，增加载流子(包括电子和空穴)的利用率和对光子的限制作用，更有效地将载流子限制在有源层，提高外延片的质量。下面分别介绍各个模块。
衬底采用n-InP材料，
缓冲层采用0.5μm厚的n-InP材料。
上下限制层都是采用晶格匹配的非掺杂的InGaAsP、中心波长为1.2μm、0.1μm厚的材料，上下限制层构成双异质结结构。
有源层采用体材料或量子阱材料，并引入不同的应变方式。在该实施例2中，采用混合应变方式的量子阱InGaAsP，应变方式包括1％的压应变和0.95％的张应变。有源层厚50nm，中心波长为1.57μm。通过对有源区长度进行适当设计，可以使梳状滤波间隔等于输入信号的模式之间的间隔，则恢复的时钟信号的频率等于输入信号的模式之间的间隔。在该实施例2中，有源区长度取为536μm，可以恢复出80Gb/s的时钟信号。
掩膜采用0.2μm厚的SiO2材料。
电流阻挡层通过二次外延设置，形成p-n-p异质结有源结构，有效地将载流子限制在有源区。
盖层采用1.5μm厚的p-InP材料。
接触层采用0.3μm厚的重p型掺杂的InGaAs。
端面抗反射膜可采用SiOx、SixNy、ZrO2、TiOx等材料，也可采用多层膜系技术，镀制的抗反射膜应使得半导体光器件具有梳状滤波的功能，并使端面反射率控制在某一范围内，从而控制输出的光时钟质量在最佳范围内。
上述实施例2中的半导体光器件的制造可使用MOCVD外延技术，该外延技术的处理过程为：先在衬底上设置缓冲层；在缓冲层上生长下限制层；在下限制层上生长有源层；在有源层上生长上限制层；在上限制层上沉积一层SiO2掩膜。在掩膜两个端面通过二次外延生长技术生长p-n-p电流阻挡层；通过三次外延生长技术在电流阻挡层上生长盖层；在盖层上生长接触层；在外延片上蒸镀上电极和下电极；把外延片解理成条形，使得有源区长度符合需要输出的时钟频率要求；最后在外延片两个端面镀制抗反射膜，镀制的抗反射膜应使得半导体光器件具有梳状滤波的功能，并使端面反射率控制在某一范围内，从而将输出的光时钟质量控制在最佳范围内。
上述半导体光器件要实现时钟恢复功能，需要合理设计有源区长度和抗反射膜的反射率。
半导体光器件有源区的长度需要合理设计。通过对有源区长度进行合理设计，使梳状滤波间隔等于输入信号的模式之间的间隔，则恢复的时钟信号的频率等于输入信号的模式之间的间隔频率。
有源区长度L的选择需要根据输入信号的速率、有源区有效折射率来决定，有源区长度L的计算公式如下述公式1所示：
L = λ 2 2 n · Δλ 公式1
上述公式1中的L为谐振腔有源区长度；λ为输入信号光波的中心波长；n为谐振腔有源区有效折射率；Δλ为输入信号速率对应的波长间隔。因此，在实际应用中，可以通过调整时钟恢复装置的工作电流，来调整谐振腔有源区有效折射率，从而对有源区长度L进行调整。
在本发明的实施例中，80Gb/s信号入射时，入射波长取1550nm，等效折射率取3.5，Δλ为0.64nm，对应的梳状滤波器间隔频率为80GHz，则谐振腔有源区长度应大概为536μm，可以恢复出80GHz的时钟。
在实际应用中，需要对上述时钟恢复装置接收的偏置电流进行合理偏置，并使输入信号平均功率达到一定值，从而保证上述时钟恢复装置工作于增益饱和状态。在本发明的实施例中，取偏置电流为250mA，输入信号平均功率为3mW。
抗反射膜反射率的设计对上述时钟恢复装置的实现至关重要。一般有源区解理面的菲涅耳反射率约为30％，所以在解理面上还需要设置镀制抗反射膜来减小反射率，通过设计抗反射膜的反射率R1和R2，使时钟恢复装置具有梳状滤波功能，将输入信号的多个模式滤出来。
普通SOA的抗反射膜反射率是10-6，本发明的实施例中取抗反射膜的反射率为0.1。因此，本发明的实施例中的抗反射膜反射率比普通SOA高得多，镀制过程要简单的多，半导体光器件的制作实现也比普通SOA简单很多。
具有不同端面反射率的时钟恢复装置从80Gb/sRZ信号中恢复时钟的不同输出结果示意图如图7所示。在图7中，横坐标表示时间，纵坐标表示输出的时钟信号的幅度，从上往下分别是输入信号波形和4组由具有不同端面反射率的时钟恢复装置输出的时钟信号，该4组时钟恢复装置对应的不同反射率分别为10-6、10-2、10-1和0.4。
从图7可见，反射率为10-6时起到的是放大作用，也就是实现了SOA的放大功能，而反射率为10-1时，时钟幅度抖动率最小，输出的时钟信号质量最好。抗反射膜的反射率与输出时钟的幅度抖动率的对应关系示意图如图8所示，在图8中，横坐标是抗反射膜的反射率，纵坐标是输出时钟的幅度抖动率，抖动率最小表明输出时钟的脉冲的幅度最均衡，输出时钟的质量最好。因此，端面反射率不能太大也不能太小，需要根据实际情况进行优化设计。
在实际应用中，可以根据时钟恢复装置输出的时钟幅度抖动率来寻找优化的端面发射率，幅度抖动率定义为输出光时钟信号最大峰值功率与最小峰值功率之差跟两者之和的比值。
时钟恢复装置的增益频谱由下述公式2来计算：
G = ( 1 - R 1 ) ( 1 - R 2 ) G s 1 + R 1 · R 2 · G s 2 - 2 R 1 R 2 · G s · cos θ 公式2
上述公式2中的R1和R2为谐振腔前后端面的反射率，这里R1＝R2，Gs为单程增益(即相同参数下普通SOA增益)，θ为单程相位改变。其中单程增益Gs与输入信号的功率、放大器有源区的长度、注入电流等参数相关，并可由下述公式3和公式4计算得出：
0 = I qV - N τ c - Γg N ( N - N T ) P avg Ahc / λ 公式3
Gs＝exp[(ГgN(N-NT)-αint)LSOA]     公式4
上述公式3和公式4中的载流子浓度N和单程增益Gs是要求的未知数，其他都是放大器的参数或者工作条件：I为偏置电流，q为基本电荷量，τc为载流子恢复时间，Г为模场限制因子，gN为微分增益系数，NT为透明载流子浓度，V为有源区体积，A为有源区横截面的面积，hc/λ为对应特定波长的光子能量，Pavg为输入信号的平均光功率，αint为有源区内部损耗系数。
寻找优化的端面反射率可通过数值仿真或者实验方法获得。本发明的实施例使用数值仿真的方法获得优化的端面反射率，具体计算方法如下：
首先，利用傅立叶变换方法计算输入信号的频谱，再乘以时钟恢复装置的增益频谱，得到输出信号的频谱。对该输出信号的频谱做反傅立叶变换得到时域光信号，即得到输出的光时钟。然后，计算出光时钟信号的幅度抖动率。
之后，通过不但改变端面反射率得到不同的增益频谱，从而得出不同的幅度抖动率，由此寻找最小幅度抖动率对应的端面反射率，该端面反射率即为最优的端面反射率。
上述本发明的实施例中的时钟恢复装置进一步还可以包括时钟增强单元，增加了时钟增强单元的时钟恢复装置的实施例的结构示意图如图9所示。图9中的时钟增强单元为光纤延时干涉仪，NRZ、DPSK信号等输入信号经过光纤延时干涉仪后，时钟分量得到放大，该输入信号再通过上述时钟恢复装置即可恢复出时钟信号。所述时钟增强单元还可以是保偏光纤环镜、SOA和光纤布拉格光栅的组合等。
精细度参数由FP滤波器的端面反射率决定，由于FP滤波器的端面反射率很高(70％以上)，精细度也相应较高，高精确度容易受光信号波长扰动的影响，造成恢复的光时钟信号幅度抖动率较大。本发明提供的半导体光器件根据恢复的时钟信号质量设定端面反射率，具有较低的反射率(如10％)和较低的精细度，使得恢复的时钟信号质量最佳。
FP滤波器具有较高反射率，使得滤波器对单一波长的滤波带宽较小，如果滤波器的自由光谱范围和输入光信号的速率不匹配，即输入光信号的时钟分量落于滤波带宽之外，则恢复不了光时钟信号或者恢复的时钟信号质量较差。本发明提供的半导体光器件根据恢复的时钟信号质量设定端面反射率，反射率相对较低，滤波带宽也相对较大，因此对半导体光器件的自由光谱范围和输入光信号的速率不匹配容忍也较大。
综上所述，通过适当地选择上述时钟恢复装置的半导体光器件的有源区长度和端面反射率，可实现不同速率的全光时钟恢复，并控制时钟信号的质量在最佳范围内。
本发明所述时钟恢复装置的结构简单，可以单片集成，便于实现，克服现有的时钟恢复方案集成度不高、受限于滤波器的精细度参数的问题，因而，具有很高的实用价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种半导体光器件，包括：衬底、缓冲层、上下限制层、盖层、接触层和上下电极，其特征在于，包括：在外延片的两个端面设置有端面抗反射膜；
所述端面抗反射膜，用于对接收到的光信号进行梳状滤波处理，所述端面抗反射膜的端面反射率根据半导体光器件输出的不同时钟信号的不同幅度抖动率的比较结果，被设置在设定的范围内，从而使得半导体光器件输出的时钟信号的质量控制在设定的范围内。
2.根据权利要求1所述的半导体光器件，其特征在于，还包括：在下限制层和上限制层之间设置有源层；
所述有源层，用于对半导体光器件接收到的光信号进行传输和放大，其长度根据有源层有效折射率而设定，使得所述半导体光器件输出的时钟信号的频率等于所述梳状滤波处理的间隔频率。
3.根据权利要求2所述的半导体光器件，其特征在于，还包括：掩膜和电流阻挡层；所述掩膜设置在上限制层上，在所述掩膜的两个端面设置电流阻挡层。
4.一种时钟恢复装置，其特征在于，包括：
信号输入单元，用于接收输入的光信号，将所述光信号传输给半导体光器件；
半导体光器件，用于对接收到的光信号进行梳状滤波处理，从所述光信号中恢复出时钟信号，将所述时钟信号传输给信号输出单元；
通过分析所述半导体光器件输出的不同时钟信号的不同幅度抖动率的比较结果，设置所述半导体光器件的端面抗反射膜的端面反射率在设定的范围内，使得所述时钟信号的质量控制在设定的范围内；
信号输出单元，用于将所述时钟信号输出。
5.根据权利要求4所述的时钟恢复装置，其特征在于：
所述半导体光器件，还用于对接收到的光信号在其有源层内进行传输和放大，其有源层的长度根据有源层有效折射率而设定，从而使得所述时钟信号的频率等于所述梳状滤波处理的间隔频率。
6.一种时钟恢复方法，其特征在于，包括：
半导体光器件接收输入的光信号，对所述光信号进行梳状滤波处理，从所述光信号中恢复出时钟信号；根据半导体光器件输出的时钟信号的幅度抖动率设定所述半导体光器件的端面抗反射膜的端面反射率，使得所述时钟信号的质量控制在设定的范围内；
通过分析半导体光器件输出的不同时钟信号的不同幅度抖动率的比较结果，设置所述半导体光器件的端面抗反射膜的端面反射率在设定的范围内。
7.根据权利要求6所述的时钟恢复方法，其特征在于，还包括：
所述半导体光器件对接收到的光信号在其有源层内进行传输和放大，根据所述半导体光器件的有源层有效折射率设定所述半导体光器件的有源层的长度，使得所述时钟信号的频率等于所述梳状滤波处理的间隔频率。
8.根据权利要求6或7所述的时钟恢复方法，其特征在于，还包括：
通过设定所述半导体光器件的工作电流，从而设定所述有源层的有效折射率，进而设定所述半导体光器件的有源层长度。
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