CN103944063B - 集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器 - Google Patents

Abstract

一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，包括：一电注入回音壁模式激光器；一主激光器位于电注入回音壁模式激光器的光路上；一光分束器的输入端与电注入回音壁模式激光器的输出端连接；一高速光电探测器的输入端与光分束器的传输端连接；一射频放大器的输入端与高速光电探测器的输出端连接；一射频耦合器的输入端与射频放大器的输出端连接；一射频滤波器的输入端与射频耦合器的一输出端连接，其输出端与电注入回音壁模式激光器的控制端连接；其中所述的各部件均制作在一衬底上。本发明实现了光学回路的片上光互连。

Description

集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器

技术领域

本发明专利涉及微波光子学，主要涉及一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，更具体的是本专利提出了基于光注入回音壁模式激光器的集成可调谐光电振荡器的片上集成方案，和应用了尺寸小、功耗低的回音壁模式激光器。

背景技术

光作为信息传输的载体，具有宽带、高速、低损耗、无干扰等电子没有的优势，因此以光电转换为基础的片上光互连技术在过去十几年中发展迅速，与传统的微电子产品相比，其具有传输速度快、带宽大、抗干扰性强等优点。以回音壁模式微盘激光器为代表的光学微腔激光器是利用侧壁全反射来实现对光场的强限制，腔中产生了品质因子极高的回音壁(Wispering-Gallery，WG)模式，具有很小的模式体积、低功耗、高速率的特点，适合制备片上光互连中的光源。直接调制的微腔激光器，可以直接将加载到回音壁模式微腔激光器上的电信号转换为光信号，与采用激光器和调制器集成实现电信号到光信号转换的方式相比，具有小尺寸、能耗小、易于集成的优势，具有重要的应用前景。然而，与其他的微腔激光器相比，完整的微盘激光器的直接调制并不理想，已报道的小信号调制的3dB带宽均在在10GHz以下。我们通过波导直连微盘激光器，实现了微盘激光器的定向输出，并发现波导引入的损耗可以适当的降低微腔的Q值，从而可以使得激光器的调制带宽得到了一定程度的提升，并在半径为10μm的AlGaInAs/InP微盘激光器中实现了13GHz的小信号调制带宽。光注入锁定技术在最近二十年中得到了迅速发展，将其应用于半导体激光器，可以减少啁啾效应，增强调制带宽以及降低宽带噪声。基于光注入锁定技术分布反馈激光器(DFB)，垂直腔面发射激光器(VCSEL)等半导体激光器已被验证可以有效提高激光器直接电流调制的调制带宽，但是光注入锁定技术用于片上光互联的WG模式微腔激光器中的应用还没有报道。

光电振荡器(OEO：Optoelectronic Oscillator)是一种光、电微波/毫米波信号发生装置。它的基本结构是利用光源、电光调制器、高速光电探测器、电滤波器所构成的一个反馈回路，实现高品质的光、电微波信号产生。然而这种系统存在的缺点是需要一个增益足够强的高速功率放大器才能将系统噪声放大至振荡阈值形成起振。基于光注入的直接调制半导体激光器的引入可以很好的解决这个问题，目前已报道的基于直接调制垂直腔面激光器(VCSEL)的光电振荡器可以获得20GHz的高频信号输出。但是由于垂直腔面激光器的结构特点，该系统在应用于片上光互连体系的过程中依然存在功耗大，不易集成等特点。

发明内容

本发明的目的是提出一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，其是将可调谐的主激光器与支持回音壁模式的从激光器集成，通过无源光波导把输出光导入回音壁模式微腔激光器，产生的高频振荡信号，通过高速光电探测器转换为射频信号，并通过射频电学回路实现信号提纯并反馈至回音壁模式微腔激光器，实现射频信号的锁定，实现了光学回路的片上光互连。

本发明提供一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，包括：

一电注入回音壁模式激光器；

一主激光器，其位于电注入回音壁模式激光器的光路上，该主激光器为可调谐激光器，用于为电注入回音壁模式激光器提供注入光信号；

一光分束器，该光分束器的输入端与电注入回音壁模式激光器的输出端连接，用于将输入的光信号分为两路，一路用于输出和监测，另一路用于传输；

一高速光电探测器，该高速光电探测器的输入端与光分束器的传输端连接，用于将高速光信号转化为射频信号；

一射频放大器，其输入端与高速光电探测器的输出端连接，用于放大射频电信号；

一射频耦合器，其输入端与射频放大器的输出端连接，该射频耦合器的输出端分为两路，用于射频电信号的耦合输出；

一射频滤波器，其输入端与射频耦合器的一输出端连接，该射频滤波器的输出端与电注入回音壁模式激光器的控制端连接，其滤波带宽和滤波频率可调谐，用于滤除射频信号的噪声，只保留振荡频率附近的电信号；

其中所述电注入回音壁模式激光器、主激光器、光分束器、高速光电探测器、射频放大器、射频耦合器和射频滤波器均制作在一衬底上。

本发明的有益效果是，通过光学回路的片上集成，提供了可以同时产生光学微波信号和电学射频信号的光电振荡器，为片上光互连所需的高速、可调谐、低噪声的信号源提供了可能，也为OEO系统的片上应用提供更为实用的解决方案。

附图说明

为了更清楚地介绍本发明的上述目的和优点，本说明将结合实例及附图来进一步说明，其中：

图1是基于光注入回音壁模式激光器的集成可调谐光电振荡器总体结构示意图。

图2是本发明实例提供的圆柱形回音壁模式激光器的功率一电流曲线。

图3是本发明实例提供的圆柱形回音壁模式激光器在注入电流为45毫安时测得的光谱图。

图4是本发明实例提供的半径为15微米的圆柱形回音壁模式激光器在无光注入情况下，45毫安注入电流下的小信号调制的响应曲线。

图5是本发明实例提供的圆柱形回音壁模式激光器在35毫安注入电流下，在外加光注入功率分别为0.3毫瓦、0.6毫瓦和1毫瓦的情况下测得的光谱。

图6是本发明实例提供的圆柱形回音壁模式激光器在外加光注入分别为0.3毫瓦、0.6毫瓦和1毫瓦情况下，35毫安注入电流下的小信号调制的响应曲线。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，包括：

一电注入回音壁模式激光器1，所述的电注入回音壁模式激光器1通过闭合腔体边界内侧的全反射，限制光在腔体内部保持稳定的行波传输模式。以支持回音壁模式的圆盘型微腔激光器为例，其具有体积小、品质因子高、阈值低等特点，是光互连的理想光源之一。但是由于圆对称性，光在腔内侧壁处为强限制，因此圆盘型微腔激光器的定向输出性较差。通过直接与圆盘相连的输出波导，可以实现激光的定向输出，根据理论计算，对于半径为10μm波导宽度为2μm的圆盘型微腔激光器，其定向输出效率超过90％。激光器的耦合输出方式可以但不限于与输出波导的直连耦合输出，也可以是通过纵向倏逝波耦合与硅波导耦合输出。激光器的形状不限于圆柱形，可以是正方体、长方体、六方体等各种形状。其中衬底可以是硅、镓砷、铟磷和蓝宝石衬底，微腔激光器的谐振腔应由限制层和有源层构成。电注入回音壁模式激光器1的耦合输出方式可以但不限于与输出波导的直连耦合输出，也可以是通过纵向倏逝波耦合与硅波导耦合输出。应用到该专利的电注入回音壁模式激光器1应为室温连续激射的直接调制激光器，其通过波导直接耦合输出或者倏逝波耦合输出的激光应具有20dB及以上的边模抑制比，通过单模光纤的耦合输出功率应在20μW及以上；另外电注入回音壁模式激光器1的电极应为微带电极，用于实现高速电信号对其进行调制。

一主激光器2，其位于电注入回音壁模式激光器1的光路上，该主激光器2为可调谐激光器，用于为电注入回音壁模式激光器1提供注入光信号，主激光器2的波长和功率均为可调，其形式可以是圆盘形微腔激光器，其输出光通过输出波导注入回音壁模式激光器1。主激光器2的材料与电注入回音壁模式激光器1相同，连接它们的波导材料可以与其相同，也可以为与有源材料键合的SOI材料，通过键合的方式将主激光器2和电注入回音壁模式激光器1的激光耦合进硅波导，实现激光在光学回路的传输。

一光分束器3，该光分束器3的输入端与电注入回音壁模式激光器1的输出端连接，用于将输入的光信号分为两路，一路用于输出和监测，另一路用于传输；光分束器集成在芯片上，也就是在一只芯片上实现1：1等分路；然后，将输出监测端的光通过耦合输入进光纤并进行封装；另一传输端的光通过波导传输进高速光电探测器4。

一高速光电探测器4，该高速光电探测器4的输入端与光分束器3的传输端连接，用于将高速光信号转化为射频信号，所述的高速光电探测器4的探测带宽覆盖产生射频电信号的频率；该高速光电探测器4耦合并将接收的光信号转换成射频信号，之后从微带电极输出至电学回路。

上述的电注入回音壁模式激光器1、主激光器2、光分束器3和高速光电探测器4构成了光信号传输模块，其可以是III-V族有源材料或者是与III-V族有源材料外延片键合的SOI片，通过烧焊的方式与电路板集成，该方法成本较低，且易于集成，可以提供射频电信号和高频低噪声的光信号输出。高速电信号经由微带线传输，经过处理后一路作为射频电信号进行输出，另一路进入射频滤波器7并通过微带线将谐振频率附近的高频电信号传输回光传输模块并加载到回音壁模式激光器1上。

一射频放大器5，其输入端与高速光电探测器4的输出端连接，用于获得足够大的射频输出功率，该射频放大器可以作为模块集成到光电振荡器内。

一射频耦合器6，其输入端与射频放大器5的输出端连接，该射频耦合器6的输出端分为两路，一路用于将射频信号输出，另一路用于定向输出射频信号经过射频滤波器7的滤波后，作为反馈信号，加到电注入回音壁模式激光器1上；通过该反馈过程，使得输出的微波光信号和射频电信号带宽不断缩小，从而达到抑制噪声，降低带宽的效果，实现低啁啾，低噪声，窄带宽的光电振荡回路。

一射频滤波器7，其输入端与射频耦合器6的一输出端连接，该射频滤波器7的输出端与电注入回音壁模式激光器1的微带电极连接，其滤波带宽和滤波频率可调谐，进入射频滤波器7的信号经过滤波，去除射频信号中的噪声信号，只留下振荡频率附近的信号。该信号重新加载到回音壁模式激光器1上实现信号的反馈与锁定技术，形成一个闭合的光电环路结构，并通过控制可调谐滤波器的波长，与注入光的波长相匹配，实现低相位噪声的射频信号的控制和稳定输出。

其中所述电注入回音壁模式激光器1、主激光器2、光分束器3、高速光电探测器4、射频放大器5、射频耦合器6和射频滤波器7均制作在一衬底上。

其中所述衬底的材料为硅。该集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器的制作方法可以是：首先应在SOI片上制备一个包含光分束器的无源波导回路，然后将III-V族有源材料外延片通过直接键合、BCB键合或者氧化硅键合等方式与SOI片键合，在键合后的III-V族有源材料外延片上通过平面半导体工艺制作出回音壁模式激光器1，主激光器2和高速光电探测器4，在制作过程中应保证器件与SOI上波导的对准以保证纵向消逝波耦合的耦合输出效率。另一种集成方案可以是利用选区生长技术或量子阱混杂技术来提供回音壁模式微腔激光器1，主激光器2和高速光电探测器4所需的有源材料区域和传输波导所需的无源材料区域的单片集成，在同一基片上实现具有多种增益峰的量子阱的集成，然后分别选区制作有源器件和传输波导，以保证较低的传输损耗。在单片集成的芯片上，利用半导体工艺制备出回音壁模式微腔激光器1，主激光器2，光分束器3和高速光电探测器4。

图2是给出了本发明中回音壁模式激光器的实例，半径为15微米输出波导宽度为2微米的圆柱形回音壁模式激光器1的功率-电流曲线。该曲线表明器件实现了室温连续电注入激射。

图3是给出了本发明提供的实例圆柱形回音壁模式激光器在连续偏置电流为45mA时候光谱图，激射的模式峰值波长在1562nm附近。该圆柱形回音壁模式激光器实现了良好的单模工作，边摸抑制比大于30dB。

图4是给出了本发明提供的实例圆柱形回音壁模式激光器在偏执电流为11毫安时测得的小信号调制响应曲线。该圆柱形回音壁模式激光器的小信号调制3dB带宽为8.1GHz。这个结果证明该圆柱形回音壁模式激光器可以实现几个GHz的电信号转化为光信号。

图5是给出了本发明提供的实例，圆柱形回音壁模式激光器在偏执电流为45毫安时，注入激光器2的出射光经过环形器注入圆柱形回音壁模式激光器所监测到的光谱。主激光器的光功率为0.6毫瓦，圆柱形回音壁模式激光器出射波长分别比主激光器波长小0.137、0.117、0.099和0.078纳米。

图6是给出了本发明提供的实例，圆柱形回音壁模式激光器在偏执电流为45毫安时，主激光器的出射光经过环形器注入回音壁模式激光器后的小信号曲线。主激光器的光功率为0.6毫瓦，出射波长分别比回音壁模式激光器的工作波长小0.137、0.117、0.099和0.078纳米。从图5结果中可以看出，当回音壁模式激光器注入光后产生了明显的振荡信号。

提供的实例结果证明，图1所示的主激光器2的出射光注入图1所示的回音壁模式激光器1中，可以产生共振的光信号。该光信号通过经过高速探测器转化为射频信号，然后经过射频放大器放大，然后经过射频滤波器进行信号提纯，滤除噪声，即可将射频信号加载到回音壁模式微腔激光器上形成闭合反馈回路。最终可以形成稳定的，高纯度的射频信号的输出。该实例结果验证了这种基于光注入回音壁模式激光器的集成可调谐光电振荡器的可行性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，包括：

一电注入回音壁模式激光器，该电注入回音壁模式激光器通过闭合腔体边界内侧的全反射，限制光在腔体内部保持稳定的行波传输模式，该电注入回音壁模式激光器应为室温连续激射的直接调制激光器，其输出的激光应具有20dB及以上的边模抑制比，耦合输出功率应在20μW及以上；

一主激光器，其位于电注入回音壁模式激光器的光路上，该主激光器为可调谐激光器，用于为电注入回音壁模式激光器提供注入光信号；

一光分束器，该光分束器的输入端与电注入回音壁模式激光器的输出端连接，用于将输入的光信号分为两路，一路用于输出和监测，另一路用于传输；

一高速光电探测器，该高速光电探测器的输入端与光分束器的传输端连接，用于将高速光信号转化为射频信号；

一射频放大器，其输入端与高速光电探测器的输出端连接，用于放大射频电信号；

一射频耦合器，其输入端与射频放大器的输出端连接，该射频耦合器的输出端分为两路，用于射频电信号的耦合输出；

一射频滤波器，其输入端与射频耦合器的一输出端连接，该射频滤波器的输出端与电注入回音壁模式激光器的控制端连接，其滤波带宽和滤波频率可调谐，用于滤除射频信号的噪声，只保留振荡频率附近的电信号；

其中所述电注入回音壁模式激光器、主激光器、光分束器、高速光电探测器、射频放大器、射频耦合器和射频滤波器均制作在一衬底上。

2.根据权利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，其中所述的主激光器的波长和功率均为可调，用于为回音壁模式微腔激光器提供注入光。

3.根据权利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，其中所述的高速光电探测器的探测带宽覆盖产生射频电信号的频率。

4.根据权利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光电振荡器，其中所述衬底的材料为硅。