CN102237637A - 用于全光时钟恢复的rec双波长激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于全光时钟恢复的基于重构等效啁啾(reconstruction equivalent chirp,REC)技术的双波长激光器,属于光通信领域的光电子器件技术领域。该光电子器件将两个采用REC技术的分布反馈(DFB)半导体激光器集成在同一个衬底上,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。两个分布反馈半导体激光器具有相同周期的光栅结构,其光栅抽样周期不同,从而造成两个分布反馈激光器的激射光波长存在一定差异,进而可用于全光时钟恢复。本发明结构新颖,制作工艺简单,将在未来的高速光纤通讯领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域的光电子器件制备技术领域,特别涉及一种用于全光时钟恢复的集成光电子器件。
背景技术
目前光通信网络中比较成熟的光时钟恢复技术是基于光-电-光的过程来实现的。也就是说,先将光信号转换成电信号,然后利用锁相环、压控振荡器等电子学常规方法从电信号中进行时钟信号的提取,然后再将电时钟信号调制到光波上,最终得到光时钟。然而随着光通信技术的发展,光通信网络的数据量越来越大,单信道的传输速率正在由10Gb/s向40Gb/s发展。如此高的比特率已经接近了电子器件本身的物理极限,通过光-电-光的过程来进行时钟提取会变得十分困难。于是,基于光-光的过程来进行时钟提取的技术,也就是全光时钟恢复技术在近年来得到了广泛的研究和发展。
在众多全光时钟恢复技术中,两段式分布耦合(Two-SectionDistributed Feedback,TS-DFB)半导体激光器是一个相对比较简单的方案。TS-DFB激光器由两个DFB激光器组成。这两个DFB激光器的波导有效折射率或光栅的布拉格波长存在一定差异,因此两个DFB激光器的激射波长存在一定差异,从而激发出两个模式。这两个模式再拍频就可以形成TS-DFB激光器的自脉动。
当波长和强度满足一定条件的光信号注入到上述TS-DFB激光器中时,输出脉冲的频率和相位将被锁定到输入光信号的时钟上,从而实现全光时钟恢复。这种全光时钟恢复有两种模式:非相干模式和相干模式,其原理如图1所示。
在非相干模式中,输入的光信号的波长和TS-DFB激光器的本征波长存在一定间隔,一般大于1nm。这样的光信号注入到TS-DFB激光器后,会对第一DFB激光器段的载流子进行密度调制。这样,第一DFB激光器段的激射模式1两边将产生两个边带3,它们与激射模式1的频率间隔等于光信号的时钟频率。如果其中一个边带具有足够大的功率,并且波长与第二DFB激光器段的激射模式2足够接近,那么第二DFB激光器段就会被这个边带锁定。这样,TS-DFB激光器的两个激射模式的拍频频率就正好是输入光信号的时钟频率,从而实现了全光时钟恢复。这种模式是通过注入光信号对激光器载流子的密度进行调制而实现的,所以对注入光信号的波长和偏振状态是不敏感的,但是注入光的功率往往要求较大,从而有利于实现载流子密度调制。
在相干模式中,输入光信号的载波波长4与TS-DFB激光器的一个激射波长1非常接近,使得注入光信号中由时钟信号产生的两个相干的模式分别锁定住TS-DFB激光器的两个激射模式,从而得到和输入光信号时钟同频同相的输出脉冲。相干模式对输入光信号的波长、偏振要求较高,但是需要的注入功率相对非相干模式来说要小一些。
对于TS-DFB来说,一个关键的技术环节就是使得其两个DFB激光器的激射波长存在一定间隔,目前常用的做法包括:利用电子束曝光的方法使两个DFB激光器的光栅周期不一样;或者设法使两个DFB激光器的波导有效折射率存在差别,例如两个DFB激光器的脊波导宽度存在μm量级的差别,从而影响其有效折射率。这些做法在工艺上无论是成本还是难度都较大,影响其实用化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种用于全光时钟恢复的REC双波长激光器。通过集成至少两个单独的抽样光栅结构的DFB段,造成激射波长的差异,从而可以利用非相干模式或相干模式实现全光时钟恢复。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明依据其具体实施方式提供一种用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,包括:相互连接的第一DFB激光器段、第二DFB激光器段,以及设在第一DFB激光器段与第二DFB激光器段的连接处的电隔离区,所述第一DFB激光器段、第二DFB激光器段及电隔离区均具有依次相连的外延层及依次相连的脊波导结构,每个外延层包括依次外延生长在N型衬底上的下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层,所述脊波导结构制作在所述上包层上;所述第一DFB激光器段及第二DFB激光器段还分别具有外延生长在所述脊波导结构上的欧姆接触层、以及填平所述脊波导结构两侧部分的绝缘层;并且,在所述N型衬底上镀有N电极,在所述欧姆接触层上镀有P电极。
其中,所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段的光栅层上均制有光栅结构,所述光栅结构具有相同的光栅周期。
其中,所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段的光栅层为抽样光栅结构,并且在光栅层中央抽样周期跳变半个周期,实现重构等效啁啾。
其中,所述第一DFB激光器段的长度为300~500μm,所述第二DFB激光器段的长度为300~500μm,所述电隔离区的长度为30~50μm。
其中,所述脊波导结构中的脊波导的宽度为2~4μm,高度为0.5~2.5μm。
其中,还包括:设置在所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段之间的调相段,用于对光场进行调相,在所述第一DFB激光器段与所述调相段之间、及所述调相段与所述第二DFB激光器段之间分别设置电隔离区。
其中,所述调相段不具有光栅结构,且其结构与所述第一DFB激光器段或第二DFB激光器段的结构相同。
其中,所述调相段的长度为100~500μm,两个电隔离区的长度均为30~50μm。
其中,其输出端面采用抗反射镀膜。
(三)有益效果
本发明集成了至少两个单独的抽样光栅结构的DFB激光器段。由于DFB激光器的激射波长与光栅周期及光栅抽样周期相关,因此可通过使这两个DFB激光器的光栅抽样周期存在一定差别,造成它们光栅的有效布拉格波长存在一定差异,从而实现激射波长的差异(0.01nm~1nm量级)。这样,就可以利用非相干模式或相干模式实现全光时钟恢复。
附图说明
图1是利用两段式分布耦合激光器进行全光时钟恢复的光谱示意图;
图2是集成了两个DFB激光器的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器;
图3是集成了两个DFB激光器和一个调相段的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器;
图4是利用REC双波长激光器进行全光时钟恢复的系统示意图;
图5是采用REC技术的抽样光栅结构示意图。
图中:1、第一段DFB激光器的激射模式;2、第二段DFB激光器的激射模式;3、边带;4、注入光信号的载波波长;5、N电极;6、含下包层的衬底;7、下波导层;8、多量子阱有源层;9、光栅层;10、上波导层;11、上包层;12、SiO2绝缘层;13、欧姆接触层;14、P电极;15、脊波导;16、端面;17、第一DFB激光器段;18、第二DFB激光器段;19、电隔离区;20、调相段;21、输入光信号;22、环行器;23、用于全光时钟恢复的REC双波长激光器;24、光栅抽样周期P;25、光栅中央抽样周期跳变长度D;26、光栅周期Λ。
具体实施方式
本发明是一种用于全光时钟恢复的基于重构等效啁啾(reconstruction equivalent chirp,REC)技术的双波长激光器,可用于光数字通信网络。它通过接收的数据信号中来同步地提取光时钟信号,这个过程称为光时钟恢复。提取出来的光时钟信号可以作为后续进行信号处理时的时间基准,从而用于光3R再生、复用/解复用、光交换等信号处理过程。
本发明提供的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,通过非相干模式或者相干模式,实现全光时钟恢复。为实现上述功能,本发明采用的具体实施方式如下所述:
如图2所示,本发明的REC双波长激光器包括:第一DFB(Distributed Feedback,DFB)激光器段17、第二DFB激光器段18、以及设在第一DFB激光器段17与第二DFB激光器段18的连接处的电隔离区19。第一DFB激光器段17、第二DFB激光器段18及电隔离区19均具有依次连接的外延层及依次连接的脊波导15结构,外延层包括:在包含下包层的衬底6上生长出的下波导层7、多量子阱有源层8、光栅层9、上波导层10、上包层11。脊波导15结构制作在上包层11上。如图2所示,第一DFB激光器段17及第二DFB激光器段18还分别具有外延生长在脊波导15结构上的欧姆接触层13、以及覆盖或填平所述脊波导结构两侧部分的SiO2绝缘层12。
并且,在N型衬底6上镀有N电极5,在第一DFB激光器段17及第二DFB激光器段18的欧姆接触层13上镀有P电极14,在光栅层9上制有光栅结构。
电隔离区19没有P电极14和欧姆接触层13,用以实现两个DFB激光器段之间的电隔离。第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18,具有相同的光栅结构。
其中,第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18的长度均为300~500μm,电隔离区19的长度为30~50μm。脊波导15的宽度为2~5μm。为增强光信号注入的强度,在所述器件的输出端面16采用抗反射镀膜,控制光的反射率在0.01%~10%之间。
所述两个DFB激光器的光栅结构采用REC技术,如图5所示。假设光栅抽样周期24为P,光栅中央抽样周期跳变长度25为D,抽样光栅占空比为1/2。对于抽样光栅结构会有多阶模式存在,作为主模的-1阶模的等效相位变化θ为:
通过调节D的大小来控制主模的相位变化,如果取D=P,就可以得到一个等效的π相移,这样就可以使得-1阶模单模激射。对于除了-1阶模以外的其他模,在所述DFB激光器中不能激射。首先除了0阶模和-2阶模以外的其他模式因为其获得增益或者有效折射率调制因子远远小于-1阶模,所以可以忽略不计。其次,抽样光栅占空比为1/2,根据傅里叶展开可知-2阶模的折射率调制因子几乎为0,因此-2阶模比主模要微弱的多。对于0阶模,通过计算可以得到0阶与-1阶模在P取6μm时波长差大约为50nm,因为通常半导体激光器增益频谱的3dB带宽大约为50nm,因此0阶模的光场增益非常的小,所以0阶模的阈值电流远大于主模。因此,0阶模和-1阶模的阈值电流差能够保证-1阶模在较大光功率输出的情况下单模工作。
所述两个DFB激光器段的光栅结构抽样周期存在一定差异,该差异可以使得所述第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18的激射光频率差为20~200GHz。光栅层9的光栅周期为Λ,两个DFB激光器段的光栅抽样周期之间的差距为ΔP,不妨假设第一DFB激光器段17的抽样周期为P,第二DFB激光器段18的抽样周期为P+ΔP。neff是DFB激光器波导的有效折射率,那么两个DFB激光器段在相同温度和相同注入电流密度下的激射波长分别为:
所以可以得到两个DFB激光器段的波长差为:
这个波长差还可以通过调节两个DFB激光器段的注入电流来对所述激射光频率差实现调谐。上述两个DFB激光器段在相同温度和相同注入电流密度下的激射波长差对应的频率差可以表示为:
其中,c是真空中光速,λ0为光数字通信网络所用的波长,一般在1550nm附近。如果输入光信号的时钟频率为F,那么只要F和Δf足够接近,就可以实现全光时钟恢复。这个频率差Δf还可以通过调节两个DFB激光器段的注入电流来对所述激射光频率差实现调谐。
为了进一步优化所述器件的工作性能,本发明还提出,在所述第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18之间增加一个不含光栅结构调相段20,对光场进行调相,所述调相段20在与第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18的相邻部位分别含有一个电隔离区19,该段没有P电极14和欧姆接触层13,用以实现两个DFB激光器和调相段20之间的电隔离。
调相段20的长度为100~500μm,采用脊波导15结构,脊波导15两侧用SiO2绝缘层12覆盖或填平。
REC双波长激光器应用于图4所示的系统中。光信号21经过一个环形器22注入到用于全光时钟恢复的REC双波长激光器23中。输入光信号的时钟频率为F,波长为λ0。调节所述器件两个DFB激光器以及调相段的注入电流,使得其激射的频率差Δf接近输入光信号的时钟频率为F。根据输入光信号21的注入光信号的载波波长4的不同,可以分别采用非相干模式或者相干模式来进行全光时钟恢复。
如果输入的光信号21的注入光信号的载波波长4和所述REC双波长激光器的本征波长存在一定间隔(一般大于1nm),则采用非相干模式。光信号21注入到用于全光时钟恢复的REC双波长激光器23后,会对第一DFB激光器段17的载流子进行密度调制。这样,第一DFB激光器段的激射模式1两边将产生两个边带3,它们与第一段DFB激光器的激射模式1的频率间隔等于光信号的时钟频率。由于其中一个边带具有足够大的功率,并且波长与第二DFB激光器段18的第二段DFB激光器的激射模式2足够接近,所以第二DFB激光器段18就会被这个边带锁定。这样所述REC双波长激光器的两个激射模式的拍频频率就正好是输入光信号的时钟频率,从而实现了全光时钟恢复。
如果输入的光信号21的光信号的载波波长4和REC双波长激光器的本征波长非常接近,则采用相干模式。由于输入光信号的载波波长4与REC双波长激光器的一个第一段DFB激光器的激射模式1非常接近,使得注入光信号中由时钟信号产生的两个相干的模式分别锁定住所述器件的两个激射模式,从而得到和输入光信号时钟同频同相的输出脉冲。
下面结合附图和实施例对本发明的光生微波集成光电子器件进行进一步的说明。
实施例1:
图2是一种集成了两个DFB激光器的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器。工作波长在1550nm波段内,通过非相干模式或者相干模式实现全光时钟恢复的InGaAsP/InP基集成光电子器件。
该器件在一个芯片上集成了两个分布反馈激光器,分别是第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18。
首先,器件的外延材料如下所述。通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法,首先在n型衬底材料做第一次外延,生长出n型InP下包层,形成含下包层的衬底6(厚度200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2),再依次外延生长出100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层7(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱8(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9。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出采用了REC技术的抽样光栅结构,光栅周期均匀,但两个DFB激光器段抽样周期不同。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层10(光荧光波长1.2μm,掺杂浓度约1×1017cm-2)、1.7μm厚P型InP上包层11(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13(掺杂浓度>1×1019cm-2)。
整个器件采用脊波导15结构,通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导15,脊宽均为3μm,高1.5μm。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15两侧用SiO2绝缘层12来覆盖或填平,然后腐蚀掉脊顶上的SiO2。用溅射的方法制作P电极14和N电极5。P电极14的材料是Cr/Au合金,N电极5的材料是Ti/Au合金。其中,P电极14包括两个部分:一部分长400μm,作为第一DFB激光器段17的P电极14;另一部分长400μm,作为第二DFB激光器段18的P电极14。第一DFB激光器段17与第二DFB激光器段18的之间有一段40μm长的区域,该区域的欧姆接触层被腐蚀掉,形成第一DFB激光器段17与第二DFB激光器段18的电隔离区19。在输出端面16进行抗反射镀膜,以增强光信号注入的强度,使得光的反射率在10-4到10%之间。
本实例的特征参数为:制成的集成器件中,两个DFB激光器的阈值电流典型值均为10mA,边模抑制比达到40dB以上。应用图4所示系统,可以对时钟频率为20~200GHz的光信号进行全光时钟恢复,其时间抖动小于200fs。
实施例2:
图3是一种集成了两个DFB激光器和一个调相段的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器。工作波长在1550nm波段内,通过非相干模式或者相干模式实现全光时钟恢复的InGaAsP/InP基集成光电子器件。
该器件在一个芯片上集成了两个分布反馈激光器,分别是第一DFB激光器段17和第二DFB激光器段18,还集成了一个调相段20。
首先,器件的外延材料如下所述。通过金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)法,首先在n型衬底材料做第一次外延,生长出n型InP下包层,形成含下包层的衬底6(厚度200nm、掺杂浓度约1×1018cm-2),再依次生长100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层7(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱8(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9。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出采用了REC技术的抽样光栅结构,光栅周期均匀,但两个DFB激光器段抽样周期不同,并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除调相段20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10(光荧光波长1.2μm,掺杂浓度约1×1017cm-2)、1.7μm厚P型InP上包层11(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13(掺杂浓度>1×1019cm-2)。
整个器件采用脊波导15结构,通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导15,脊宽均为3μm,高1.5μm。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15两侧用SiO2绝缘层12来覆盖或填平,然后腐蚀掉脊顶上的SiO2。用溅射的方法制作P电极14和N电极5。P电极14的材料是Cr/Au合金,N电极5的材料是Ti/Au合金。其中,P电极14包括三个部分:一部分长400μm,作为第一DFB激光器段17的P电极14;一部分长200μm,作为调相段20的P电极14;另一部分长400μm,作为第二DFB激光器段18的P电极14。第一DFB激光器段17与调相段20之间、调相段20与第二DFB激光器段18的之间均有一段40μm长的区域,该区域的欧姆接触层被腐蚀掉,形成第一DFB激光器段17与调相段20之间、调相段20与第二DFB激光器段18的之间的电隔离区19。在输出端面16进行抗反射镀膜,以增强光信号注入的强度,使得光的反射率在10-4到10%之间。
本实例的特征参数为:制成的集成器件中,两个DFB激光器的阈值电流典型值均为10mA,边模抑制比达到40dB以上。应用图4所示系统,可以对时钟频率为20~200GHz的光信号进行全光时钟恢复,其时间抖动小于200fs。
本发明将相关半导体光电子器件实现了单片集成,集成度高、结构新颖,既能提高性能又能大大减少器件的体积,有利于提高系统的稳定性;并且制作工艺简单、采用普通全息干涉曝光就可以制作光栅,成本低、成品率高,适于大规模生产和应用,在未来的高速光纤通讯领域具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,包括:相互连接的第一DFB激光器段、第二DFB激光器段,以及设在第一DFB激光器段与第二DFB激光器段的连接处的电隔离区,
所述第一DFB激光器段、第二DFB激光器段及电隔离区均具有依次相连的外延层及依次相连的脊波导结构,每个外延层包括依次外延生长在N型衬底上的下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层,所述脊波导结构制作在所述上包层上;
所述第一DFB激光器段及第二DFB激光器段还分别具有外延生长在所述脊波导结构上的欧姆接触层、以及填平所述脊波导结构两侧部分的绝缘层;
并且,在所述N型衬底上镀有N电极,在所述欧姆接触层上镀有P电极。
2.根据权利要求1所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段的光栅层上均制有光栅结构,所述光栅结构具有相同的光栅周期。
3.根据权利要求1所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段的光栅层为抽样光栅结构,并且在光栅层中央抽样周期跳变半个周期,实现重构等效啁啾。
4.根据权利要求1所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述第一DFB激光器段的长度为300~500μm,所述第二DFB激光器段的长度为300~500μm,所述电隔离区的长度为30~50μm。
5.根据权利要求1所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述脊波导结构中的脊波导的宽度为2~4μm,高度为0.5~2.5μm。
6.如权利要求1所述的全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于还包括:
设置在所述第一DFB激光器段和第二DFB激光器段之间的调相段,用于对光场进行调相,
所述第一DFB激光器段与所述调相段之间、及所述调相段与所述第二DFB激光器段之间分别设置电隔离区。
7.根据权利要求6所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述调相段不具有光栅结构,且其结构与所述第一DFB激光器段或第二DFB激光器段的结构相同。
8.根据权利要求6所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,所述调相段的长度为100~500μm,两个电隔离区的长度均为30~50μm。
9.根据权利要求1或6所述的用于全光时钟恢复的REC双波长激光器,其特征在于,其输出端面采用抗反射镀膜。
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