CN104078839A - 基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，其包括：衬底和上层结构，其中：上层结构形成在衬底上；上层结构包括电注入或光注入的微盘光子分子激光器和两个条形输出波导，微盘光子分子激光器制作在衬底上的中间部分；两个条形输出波导制作在衬底上，并与微盘光子分子激光器形成侧向耦合或垂直耦合；两个条形输出波导在同一侧分别设有端口，以输出微盘光子分子激光器中的拍频光脉冲同步信号。本发明可在有电信号或光信号注入到两个微盘激光器时，输出两路频率相同、脉宽固定、相位互补的光脉冲串，实现脉冲产生频率处于微波波段的片上光脉冲同步信号源。

Description

基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源

技术领域

本发明涉及光通信、半导体光电子集成和微波光子学领域，更具体地，涉及一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，在有电信号或光信号注入到两个微盘构成的微盘光子分子激光器时，能够通过两个条形波导侧向耦合或者垂直耦合分别输出两路频率相同、脉宽固定、相位互补的光脉冲串，产生光脉冲的频率处于微波波段。

背景技术

在雷达发射系统中，各级放大链之间及各级放大链中的调制开关都需要脉冲同步信号，脉冲同步信号之间必须保证严格的时序才能使发射机正常工作，同时，雷达发射机与监测器之间的同步也要依靠脉冲同步信号。随着近些年来雷达技术的不断发展，尤其是测速雷达所测量的速度范围不断提高，其对于高脉冲重复频率的脉冲同步信号的要求也不断提高。此外，随着多种高精密仪器设备在实验科学中的广泛应用，完成一次科学实验经常会需要对多个设备进行精确地触发控制，例如自上世纪七十年代发展起来的Particle Image Velocimetry(粒子图像测速)技术，完成一次实验需要精确地控制脉冲激光器、摄像机、Q开关、图像采集卡以及多种系统外设进行同步工作，这就需要通过产生多路脉冲同步信号来驱动各个设备进行精确地配合，而且随着测量精度与测量技术的不断提高，对于脉冲同步信号的要求也日益提高。传统脉冲同步信号一般采用分立元件搭建逻辑电路或通过FPGA等数字可编程单元来产生，其传输速度和抗电磁干扰性能较差。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的光源。同时，由两个共面的微盘激光器构成的微盘分子激光器，因其特别的光学特性而被用于实现诸如低阈值半导体激光器、光学开关、生物光学传感等多种光电子器件。半导体光电子集成技术经过几十年的发展，目前已实现多种与微电子元件对应的片上光电子元件，但对于能够实现脉冲产生频率处于微波波段的片上光脉冲同步信号源的考虑相对较少。

发明内容

本发明的目的在于解决如何在片上产生两路或多路脉冲产生频率处于微波波段的光脉冲同步信号的问题，提出一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步器信号源，从而实现脉冲产生频率处于微波波段的片上光脉冲同步信号源。

本发明提供的基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，该光脉冲同步信号源包括：衬底和上层结构，其中：

所述上层结构形成在所述衬底上；

所述上层结构包括电注入或光注入的微盘光子分子激光器和两个条形输出波导，其中：

所述微盘光子分子激光器制作在所述衬底上的中间部分；

两个条形输出波导制作在所述衬底上，并与所述微盘光子分子激光器形成侧向耦合或垂直耦合；

所述两个条形输出波导在同一侧分别设有端口，以输出微盘光子分子激光器中的拍频光脉冲同步信号。

其中，所述衬底的制作材料选自：IV族半导体材料及其化合物、III-V、II-VI、IV-VI族化合物、有机半导体材料、蓝宝石。

其中，所述微盘光子分子激光器包括两个侧向耦合的微盘，这两个侧向耦合的微盘制作在衬底上。

其中，每个微盘包括：下限制层、有源层、上限制层，其中：

所述下限制层制作在所述衬底上，为圆形或正多边形；

所述有源区制作在所述下限制层上，其形状与下限制层相同；

所述上限制层制作在所述有源区上，其形状与下限制层相同。

其中，所述微盘光子分子激光器的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其制作材料选自IV族半导体材料及其化合物、III-V、II-VI、IV-V族化合物、有机半导体材料，所述有源区为半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构。

其中，所述两个侧向耦合的微盘之间存在一定间隔或间隔为零，并以此控制耦合的强度。

其中，所述微盘光子分子激光器的激发方式为光注入或电注入，其两个微盘能够独立控制注入的强度。

其中，所述两个条形输出波导分布于所述微盘光子分子激光器的两侧，所述条形输出波导的宽度不超过两个微盘的半径，且呈轴对称或中心对称分布。

其中，所述两个条形输出波导与微盘侧向耦合的间隙以及垂直耦合的间隔为零或一定间隔。

其中，所述条形输出波导为单模波导或多模波导，与微盘的耦合为强耦合或弱耦合。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明属于片上半导体光电集成器件，与传统同步信号源相比，具有体积小、功耗低、抗电磁干扰性能良好等优点。

2、本发明所输出的光脉冲同步信号的产生频率处于微波波段，可以实现很高的脉冲重复频率。

3、本发明所包括的结构具有良好的对称性，通过拍频产生的光脉冲同步信号的脉宽固定，相位互补特性优异。

4、本发明可通过连接分束器等分光元件扩展多路光脉冲同步信号。

5、本发明可通过调节温度或两个微盘间距来控制光脉冲产生频率，可以满足多种不同应用的需要。

附图说明

图1是基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源的俯视结构示意图；

图2是基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源的立体结构示意图，图2(a)中，两个条形输出波导采用侧向耦合方式，图2(b)中，两个条形输出波导采用垂直耦合方式；

图3是本发明光脉冲同步信号源与分束器等分光元件连接或与光脉冲同步信号接收元件连接的立体结构示意图；

图4是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源通过两个输出波导输出的光脉冲同步信号的功率波形图；

图5是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的两个微盘构成的微盘光子分子激光器中所激发的同一TM模式的正、反对称模式之间的频率差值示意图；

图6是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的两个微盘构成的微盘光子分子激光器中所激发的同一TM模式的正、反对称模式的品质因子随两个微盘间距增加的变化示意图；

图7是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的，波导采用侧向耦合输出方式时，两个微盘构成的微盘光子分子激光器与两条波导之间的模式耦合输出效率随微盘与波导间距的变化示意图；

图8是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的，采用侧向耦合输出方式时，两个微盘构成的微盘光子分子激光器与两条波导之间的模式耦合输出效率随波导宽度的变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源的俯视结构示意图，图2是基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源的立体结构示意图，图2(a)中，两个条形输出波导采用侧向耦合方式，图2(b)中，两个条形输出波导采用垂直耦合方式，请参阅图1和图2，本发明提出一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，所述光脉冲同步信号源包括：衬底1和上层结构2，其中：

所述上层结构2形成在所述衬底1上；

其中，所述衬底1的形状为矩形或圆形，衬底1的制作材料可以是公知的IV族半导体材料及其化合物，以及III-V、II-VI、IV-VI族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材料、蓝宝石等。

所述上层结构2包括微盘光子分子激光器22和两个条形输出波导23，其中，所述微盘光子分子激光器22制作在所述衬底1上的中间部分，两个条形输出波导23通过半导体平面工艺制作在所述衬底1上，并与所述微盘光子分子激光器22侧向耦合或垂直耦合，所述两个条形输出波导23在相同一侧分别设有端口，以输出微盘光子分子激光器22中的拍频光脉冲同步信号。

其中，所述微盘光子分子激光器22在垂直于衬底1的方向上为圆形或正多边形结构。

所述微盘光子分子激光器22包括两个侧向耦合的微盘，所述两个侧向耦合的微盘通过半导体平面工艺制作在衬底上，且每个微盘包括：下限制层201、有源层202、上限制层203，其中：

所述下限制层201制作在所述衬底1上，采用与衬底1同样的材料或与衬底晶格相匹配的材料，或键合在晶格不匹配的衬底材料上，所述下限制层201为圆形或正多边形；

所述有源区202制作在所述下限制层201上，其形状与下限制层201相同；

所述上限制层203制作在所述有源区202上，其形状与下限制层201相同。其中，所述微盘光子分子激光器22的激发方式可采用光注入或电注入方式，且其两个微盘可以独立控制注入的强度。

在本发明一实施例中，所述两个侧向耦合的微盘形状及尺寸相同，比如均为圆形或正多边形，并处于同一平面上。

在本发明一实施例中，所述两个侧向耦合的微盘之间存在一定间隔或间隔为零，并以此控制耦合的强度。

在本发明一实施例中，两个条形输出波导23分布于所述微盘光子分子激光器22的两侧，所述条形输出波导23的宽度不超过两个微盘的半径，且呈轴对称或中心对称分布。

所述两个条形输出波导23可以是与微盘的垂直结构相同的侧向耦合波导或制作在衬底上与微盘垂直耦合的波导。

其中，两个条形输出波导23与微盘侧向耦合的间隙通过光刻控制可以是零或一定间隔，垂直耦合的间隔可以通过材料结构和键合方式控制是零或一定间隔。

其中，所述条形输出波导23为单模波导或多模波导，与微盘的耦合可以是强耦合波导或弱耦合波导。

另外，两个条形输出波导23可以与微盘光子分子激光器22具有相同的结构和材料，或者是其他波导材料和结构，波导深度可以是浅刻蚀(弱耦合)或强刻蚀(强耦合)。

图2所示为根据本发明具体实施例的光脉冲同步信号源的立体结构示意图，其中，微盘光子分子激光器22为由下限制层201、有源区202和上限制层203构成的平板波导结构，各层的厚度没有限制，在实际工艺中可根据需要调节。微盘光子分子激光器22和两个条形输出波导23的四周为低折射率材料(包括空气)。构成微盘光子分子激光器22的每一个微盘在垂直于衬底1的方向上为圆柱形(或正多边形)结构，其横截面最好为矩形。微盘光子分子激光器22的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其材料可以是公知的各种IV族半导体材料和其化合物以及III-V、II-VI、IV-V工族化合物等半导体材料，也可以是有机半导体材料和其他固体激光器有源材料。微盘光子分子激光器22有源区可以是半导体材料、量子阱、量子线、量子点、量子级联等各种结构。本发明中，衬底1、下限制层201和上限制层203不一定是必须的，只要能够形成微盘光子分子激光器22实现激射即可。

在具体制作工艺上，微盘光子分子激光器22可以通过采用干法刻蚀或湿法化学刻蚀等方法将外延片腐蚀到下限制层或衬底，而未腐蚀的区域作为微盘光子分子激光器22。微盘光子分子激光器22两侧的两个条形输出波导23进行侧向耦合输出时，如图2(a)所示，两个条形输出波导23可以与微盘光子分子激光器22同时制作出来，它们具有相同的材料和结构，也可以先制作出微盘光子分子激光器22，然后再生长其他波导材料，进行腐蚀等工艺，制作出与微盘光子分子激光器22材料、结构和刻蚀深度不同的输出波导；微盘光子分子激光器22两侧的两个条形输出波导23进行垂直耦合输出时，如图2(b)所示，可以先制作出微盘光子分子激光器22，然后再通过键合方式将与微盘光子分子激光器22材料、结构相同或不同的输出波导制作出来。两个条形输出波导23的作用在于，在其相同一侧的两个端口定向输出微盘光子分子激光器22中的拍频光脉冲同步信号，它的长度没有限制，其相同一侧的两个端口可与其他光电子器件进行集成。

图3是本发明光脉冲同步信号源与分束器等分光元件连接或与光脉冲同步信号接收元件连接的立体结构示意图，如图3所示，本发明是一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，其产生的光脉冲同步信号可通过两个条形输出波导23相同一侧的两个端口定向输出，这两个端口可与分束器等分光元件3连接或与光脉冲同步信号接收元件3′连接，从而转为多路光脉冲同步信号或对光脉冲信号作进一步的处理(包括整形、放大等)。

本发明基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步器信号源的工作原理如下：

在有电信号或光信号同时注入到两个微盘激光器时，两个微盘构成的微盘光子分子激光器中所激发的同一TM模式的正、反对称模式之间产生拍频，拍频频率等于两个模式的频率差且处于微波波段，并且该拍频信号会在两个微盘中严格交替振荡。通过两个条形波导进行侧向耦合或垂直耦合时，两个条形波导会分别交替输出两路产生频率与拍频频率相等，脉宽固定、相位互补的光脉冲串，可以作为双路光脉冲同步信号，或再接分束器等分光元件分成多路相同信号作为多路光脉冲同步信号，通过调节温度或两个微盘间距可以控制正、反对称模式之间的频率差值产生变化，以此来控制光脉冲产生频率，从而实现脉冲产生频率处于微波波段的片上光脉冲同步信号源。

图4是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源通过两个输出波导输出的光脉冲同步信号的归一化功率波形图，该实施例中，两个微盘的直径均为4μm，两个条形波导的宽度均为0.4μm，两个微盘与波导之间的间距均为0.3μm，有源层折射率为3.2，其余部分折射率均为1，其中，端口1与端口2的位置如图2中所示，其中，图4(a)中两个微盘的间距为0.1μm，图4(b)中两个微盘的间距为0.2μm，图4(c)中两个微盘的间距为0.3μm，图4(d)中两个微盘的间距为0.4μm。由于端口1与端口2输出的光脉冲信号实际上产生自微盘光子分子激光器中同一TM模式的正、反对称模式的拍频，该拍频光信号在两个微盘中严格交替振荡，因此端口1与端口2产生的光脉冲信号在各微盘间距下都保持脉宽固定，两路光脉冲信号频率一致，均等于拍频频率，处于微波波段，同时相位严格互补。

图5是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的两个微盘的微盘光子分子激光器中所激发的同一TM模式的正、反对称模式之间的频率差值示意图，也就是两个条形输出波导输出的光脉冲同步信号的产生频率，随两个微盘间距增加的变化。对于所计算的微盘光子分子激光器来说，在两个微盘间距在0.5μm以下时，正、反对称模式之间的频率差值处于微波波段。随着两个微盘间距逐渐增加，两个微盘间的侧向耦合也逐渐减弱，微盘光子分子激光器的正、反对称模式之间的分裂也逐渐减弱，直至两个模式不再分裂，拍频现象消失，条形输出波导的两个输出端口将不再输出光脉冲同步信号。

图6是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的两个微盘构成的微盘光子分子激光器中所激发的同一TM模式的正、反对称模式的品质因子随两个微盘间距增加的变化示意图。从图6中可以看出，两种模式的品质因子都很高，可以同时在微盘光子分子激光器中运转，并且随着两个微盘间距逐渐增加，两种模式的品质因子逐渐趋于一致。

图7和图8分别是利用二维有限时域差分(FDTD)进行数值计算得到的，在两个条形输出波导采用侧向耦合输出方式时，两个微盘构成的微盘光子分子激光器与两个条形波导之间模式耦合输出效率随微盘与波导间距或波导宽度的变化示意图。耦合输出效率定义为从两个输出波导向外输出光功率与微盘光子分子激光器向外辐射光功率之比，从图7和图8中可以看出微盘与波导间距或波导宽度变化均会影响两个条形波导的耦合输出效率，制作器件时应根据工艺条件进行合理的选择。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 (10)

1.一种基于波导耦合微盘光子分子激光器的光脉冲同步信号源，其特征在于，该光脉冲同步信号源包括：衬底和上层结构，其中：

所述上层结构形成在所述衬底上；

所述上层结构包括电注入或光注入的微盘光子分子激光器和两个条形输出波导，其中：

所述微盘光子分子激光器制作在所述衬底上的中间部分；

两个条形输出波导制作在所述衬底上，并与所述微盘光子分子激光器形成侧向耦合或形成垂直耦合；

所述两个条形输出波导在同一侧分别设有端口，以输出微盘光子分子激光器中的拍频光脉冲同步信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述衬底的制作材料选自：IV族半导体材料及其化合物、III-V、II-VI、IV-VI族化合物、有机半导体材料、蓝宝石。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微盘光子分子激光器包括两个侧向耦合的微盘，这两个侧向耦合的微盘制作在衬底上。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，每个微盘包括：下限制层、有源层、上限制层，其中：

所述下限制层制作在所述衬底上，为圆形或正多边形；

所述有源区制作在所述下限制层上，其形状与下限制层相同；

所述上限制层制作在所述有源区上，其形状与下限制层相同。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述微盘光子分子激光器的尺寸为激射波长的几倍到上千倍，其制作材料选自IV族半导体材料及其化合物、III-V、II-VI、IV-V族化合物、有机半导体材料，所述有源区为半导体材料、量子阱、量子线、量子点或量子级联结构。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述两个侧向耦合的微盘之间存在一定间隔或间隔为零，并以此控制耦合的强度。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微盘光子分子激光器的激发方式为光注入或电注入，其两个微盘能够独立控制注入的强度。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两个条形输出波导分布于所述微盘光子分子激光器的两侧，所述条形输出波导的宽度不超过两个微盘的半径，且呈轴对称或中心对称分布。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述两个条形输出波导与微盘侧向耦合的间隙以及垂直耦合的间隔为零或一定间隔。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述条形输出波导为单模波导或多模波导，与微盘的耦合为强耦合或弱耦合。