CN108169930A - 集成的自注入锁定锁相环光电振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明详细介绍了具有频率和相位稳定性的集成光电振荡器(100)的制造指南，该振荡器在一个相对较小的尺寸(相比高阶电实现射频滤波器的较大尺寸)具有较高的频率选择性，降低温度敏感性以及减少频率漂移。集成光学组件(101、103、105、107)和射频振荡器(140)可使用利用CMOS和BiCMOS技术的硅光子和微电子集成，消除大体积和/或分立的光学和微波组件的需求。

Description

集成的自注入锁定锁相环光电振荡器

本申请是基于申请号为US13/796,446、申请日为2013年3月12日的美国专利，上述专利申请公开的内容作为本申请的参考。

技术领域

本发明公开内容涉及一种易于实现并且价格低廉的用于控制光电振荡器(“OEO”)的系统和方法。在优选的实施方案中，光电振荡器能够产生重复的电子正弦波或任意波和/或连续的电调制波或脉冲光信号。

背景技术

一般来说，除了电源直流(DC)功率形式的能量外，光电振荡器从光源处，如激光器，获得泵浦持续功率。通过利用窄带滤波机制满足振荡频率所需的增益和相位特性，能量被转换成基于有效功率转换的射频(RF)信号和微波信号。光电振荡器通常表现出低损耗光延迟、低温度敏感性，且能以模块化结构实现。与电子振荡器相比，无论是从短期还是长期来说，这些优点通常使得光电振荡器拥有高的品质因数和更好的稳定性。

例如，在系列号为US13/760,767的美国专利申请中公开的自注入锁定锁相环(ILPLL)光电振荡器，上述专利申请公开的内容作为本申请的参考。在该申请公开的光电振荡器中，纯正弦振荡信号的维持是通过从促进近端载波相位噪声的周围干扰源中自动过滤出持续信号。相位噪声的减少可以通过多种方法实现，包括光纤延迟线的多个长度和定制的光接收器，为在闭环部分的自注入锁定(IL)、自锁相环(PLL)和/或自锁模功能提供多电性参考。这些组件均有助于在馈送到调制器的电反馈信号满足它自身在振幅和相位上的一些振荡条件的情况下，支持自持续振荡的低噪声稳定射频振荡器结构。同时，任何相位误差的修正均利用在自注入锁定与相位锁定环中的可调射频振荡器，及在自锁模中的光学激光源与调制器的反馈系统提供。在系列号为US13/760,767的美国专利申请中，光电振荡器的频率输出受控于一些因素，例如光纤延迟长度、马赫-曾德尔调制器的工作条件以及用于振荡信号窄带滤波的光学横向射频滤波器的带通特性。

这类光电振荡器通常由分立的器件组成，需要大体积，具有高功耗以及生产成本高。此外，由于大量分立部分的组装，这类光电振荡器一般都要考虑震动和G-敏感问题。这些问题限制了光电振荡器在一些环境下的实用性及应用可能，例如商业和军事环境。

此外，利用自注入锁定锁相环减少相位噪声并不能得到充分商业可行的产品，除非主要低噪和高效地设计创新被考虑进来迁就一个低成本的制造工艺，以满足以较低的成本实现不断增加的服务质量的需求。因此，光电振荡器有必要具有设计拓扑，以满足在小尺寸和低成本中实现稳定的超低相位噪声频率合成器的设计限制。

发明内容

关键是发展利用硅CMOS、BiCMOS技术集成光子组件，消除大体积和/或分立的微波组件的需求。

本发明的一个方案提供了用于维持振荡光信号的单片集成光电振荡电路。该振荡电路包括具有至少一条用于接收光信号第一部分的光纤延迟线的注入锁定电路。该振荡电路还包括具有至少两条用于接收光信号第二部分的光纤延迟线的锁相环电路。该振荡电路进一步包括用于产生稳定振荡信号以响应每一个由光信号的第一部分衍生的注入锁定信号和由光信号的其他部分衍生的锁相环信号的单片集成压控振荡器。稳定的振荡信号可用于射频调制光信号。在一些方案中，至少一条光纤延迟线可集成在直径大约为1英寸或更小的心轴上。该心轴被树脂乳液所覆盖。注入锁定电路的光纤延迟线具有比锁相环电路的每一条光纤延迟线都短的长度，以分别显著的改进远端和近端相位噪声。

在本发明的一些方案中，振荡电路进一步包括至少一个耦合到锁相环电路的相位探测器，并用于确定在至少两条光纤延迟线中每一条传播的各自信号间的相位差。

包括在振荡电路中的压控振荡器可包括耦合到注入锁定电路的谐振器。谐振器用于接收光信号的第一部分衍生出来的处理信号。谐振器还可被耦合到一对动态调谐的谐振器中。每一个动态调谐的谐振器都可被耦合到锁相环电路的各自光纤延迟线中，并用于接收光信号的其他部分衍生出来的处理信号。在一些方案中，谐振器可电容地耦合到每一个动态调谐的谐振器中。谐振器可以是微带线谐振器，且可以是超介质的消逝模组合网络。谐振器的相位可被相位调谐电路动态调谐，相位调谐电路耦合到谐振器和动态调谐的谐振器中的每一个。

本发明的另一个方案提供的光电振荡器包括提供光信号的调制器以及用来接收部分光信号的第一、第二和第三光电探测器。第一、第二和第三光电探测器中的每一个都具有输出，这些输出分别耦合到第一、第二和第三放大器。该振荡器还可包括相位探测器，用于接收来自第一光电探测器的第一射频信号和来自第二放大器的具有比第一射频信号更长延迟的第二射频信号。该相位探测器可用来确定第一和第二射频信号之间的相位差。振荡器还进一步包括压控振荡器，用于接收来自第三光电探测器的第三射频信号，以及用于接收来自相位探测器的电信号。压控振荡器可用于输出振荡信号以响应电信号和第三射频信号中的每一个。振荡信号可用来控制调制器的输出。调制器、光滤波器、光电探测器、放大器、相位探测器以及压控振荡器中的每一个均可通过应用诸如BI-CMOS集成的硅光子技术集成在集成电路上。

在本发明的一些方案中，调制器可以是具有电光聚合物的光学马赫–曾德尔调制器。光学马赫–曾德尔调制器进一步包括发色团混合物和电光聚合物。调制器器件可与光子带隙结构集成作为慢波结构，以增强聚合物的有效电光特性。调制器在波长为1550nm时可表现出大约等于100pm/V或者更大的电光系数，或者在波长为1060nm时表现出大约为1150pm/V的电光系数，表现出大约等于1.5dB/cm或更少的光损耗，且表现出大约等于0.5V或者更小的半波电压。调制器可在大约10V/μm到大约200V/μm之间的电场下被侧向极化或横向极化，在一些方案中温度大约为110℃。在一些方案中，调制器可以是具有厚度大约为2mm或者更厚的基板上的微带线。调制器在单模准横电磁波模式中可工作在高达大约等于60GHz，根据基板的宽度而定。

在本发明进一步的方案中，第三光滤波器可包括法布里-珀罗激光二极管，能够将部分由第三光滤波器接收的光信号的边模抑制在至少为75dB的比率。在另一些方案中，振荡器进一步包括可调相位偏移光纤布拉格光栅和相位调制器。那些组件中的每一个均可集成在集成电路中。在一些方案中，调制器包括通过改变光泵浦波长能够调谐振动器振动频率的移频器。

振荡器可包括回音壁模式谐振器以代替电滤波组件。

相比由分立组件构成的振荡器，本发明的振荡器可实现显著减少功耗。在一些方案中，振荡器的射频组件消耗大约200mW或者更少的功率。振荡器的调制器可通过驱动器驱动，利用大约500mW或者更少的功率。振荡器可工作电源电压大约等于2伏特或者更少。

本发明的另一个方案是使用分布反馈激光器或长法布里-珀罗的InGaAs/InP激光二极管的光源、电吸收调制器(EAM)、InGaAs/InP的光学光电探测器以及用于光电探测信号的放大和用于在压控振荡器(VCO)中振荡信号的产生的电子电路实现单片集成光源的可能性。该电子电路可使用同质结或异质结场效应晶体管(如MOSFET、MESFET、MISFET、HEMT)实现。在该单片集成电路的另一变形中，长腔激光二极管和电吸收调制器均可与半导体光学放大器(SOA)、用于有源锁模的相位调制器以及用于主动监测的光电探测器集成在一起。无论是联运振荡频率相关的自驱动振荡器还是消逝耦合的压控振荡器，都可用来驱动电吸收调制器。

附图说明

图1a和图1b是本发明一些实施例的振荡器的功能框图。

图2是本发明一个实施例的可调谐射频振荡器的功能框图。

图3是本发明一个实施例的多级耦合谐振器和超介质消逝模谐振器的品质因数(Q)的绘制图形。

图4a是本发明一个实施例的图2中可调谐射频振荡器的印刷电路板布局的图例。

图4b是本发明一个实施例的图2中可调谐射频振荡器的相位噪声的数据仿真。

图5是本发明一个实施例的光纤延迟电缆的品质因数(Q)的绘制图形。

图6a-6d是本发明一个实施例相关的沿着马赫-曾德尔调制器长度的硅光子基马赫-曾德尔调制器(MZM)的强度绘制图形。

图7是本发明一个实施例的图6中调制器工作特性的数据仿真。

具体实施方式

本发明详细描述了具有频率和相位稳定性的集成光电振荡器的制备指南，相比普通的光电振荡器系统所获得的频率和相位稳定性，本发明的光电振荡器需要更窄的通道分辨率(由于，如，相位噪声的减少)和更精确地锁定频率(由于，如，降低的温度敏感性)。因此，数据可以在给定的通信带宽中以较低的误码率传输。此外，射频信号和光信号，在给定的低相位噪声特性下，可用作模数转换器的宽带信息和一些其他的数字处理功能的电采样和光采样的稳定时钟。

本发明的另一目的是提供集成光电滤波系统，该系统在相对小的尺寸(相比高阶电实现射频滤波器的较大尺寸)具有较高的频率选择性，降低温度敏感性以及减少频率偏移。

本发明的又一目的是实现一个振荡系统，该系统允许将给定波长的光能量转换成稳定的、光谱纯净的可减少近端载波(在偏移频率为1MHz或者更少时)相位噪声的射频/微波参考信号。本发明的另一目的是提供低成本的可调谐振动系统的制备指南，在该系统中能够通过调节光源波长来合成任何精确的射频频率，以满足在高分散光子带隙光纤中新射频频率的振荡条件。理想的频率合成是通过调谐外腔来控制激光波长获得的。

本发明的这些和其他目的有助于得到具有输出信号比本领域所知振荡器所输出的信号更纯净的振荡器。例如，本领域所知的射频振荡器在10kHz偏移时，最好情况下可获得噪声减少大约为-110到大约-120dBC/Hz。与此相反，本发明的微加工光电振荡器，利用硅光子与硅基低噪CMOS电路组合，在10kHz偏移时可得到相位噪声接近-150dBC/Hz。

通过获得更纯净的信号，本发明的光电振荡器能够维持频率通道彼此接近，并表现出噪声减少、相位控制、相位误差减少以及误码率减少，足以在成本效益和规模有效的方式上使紧密堆积的频率通道保持分隔。保持频率通道分隔是特别重要的依赖于高阶分频蜂窝技术，例如正交频分复用(OFDM)或高阶相移键控(PSK)。本发明的光电振荡器还可应用在基站、雷达系统、高清晰度的遥感系统、计时系统、或频率合成器。

附图中示出至少一些具有上述优点的光电振荡器的实施例，进一步的详细说明在下面的描述中。本领域中的普通技术人员能够以本说明书的记载而不背离其精神和范围内作出修改和变型。因此，图示所阐述的仅用于示例的目的，而不应被视为本发明的限制范围。

现在参照附图，图1a中说明性地描绘了本发明实施例的光电振荡器100的功能框图。该振荡器100包括高功率可调谐光源102，如具有外腔的激光器和光调制器104。光源102提供高功率光源用于振荡器100的运行。光源的强度可以通过调制器104进行调制，以产生随时间变化的光信号，例如正弦波光波形。调制器104可以是马赫-曾德尔调制器，能够分裂和重组输入信号、能够在干涉仪的两个分离臂产生180度的信号相位偏移以达到信号的消除。调制器104可偏置在从正交点到夹断点的范围内的不同的操作点。操作点的建立可用于线性运算和非线性二次谐波的产生。

调制器104输出的光信号可被分裂成多个输出信号。在一些实施例中，该信号可被光定向耦合器(未示出)分裂。定向耦合器可将信号均匀的分裂到不同的光纤电缆101、103和105之中。在图1a的实施例中，这些电缆串联耦合。在其他实施例中，这些电缆可并联耦合。

除了图1a中所示的将信号分裂到光纤电缆中外，光信号还可被分裂以提供振荡器100外部使用的光输出(未示出)。除了光输出信号，振荡器100还可以输出持续振荡电输出信号。该持续的电输出可以由光电振荡器的电线路中的任意点输出，如图1a的实线所示。同样的，光信号输出可以由光电振荡器的光学连接(除了激光器102和调制器104之间的连接点)中的任意点输出，如图1a的虚线所示。

调制器104输出的光信号可以用类似于在系列号为US13/760767的美国专利申请中描述的处理方法进行处理。处理过程可包括光纤延迟线中的传播、光滤波和光信号到电信号的转换。处理过程还可包括进一步滤波、放大、相位比较以及电信号的锁定。处理过的信号接着可被当作电输入反馈到调制器104。电输入可提供反馈用于适当维持射频振荡器100产生的信号的稳定性(如，阻止信号的相位偏移、阻止信号的频率偏移等)。

在图1a的实施例中，沿着短延迟光电缆101传播的光信号可被光电探测器111转换为电信号，并被窄带射频放大器121放大。这个信号接着被用作注入锁定信号控制压控振荡器(VCO)140，其中利用短光纤延迟线在短时间周期内可使远端载波相位噪声减少。同样的，沿着中等延迟光电缆103和长延迟光纤电缆105传播的光信号可分别被光电探测器113和115转换为电信号，并分别被窄带射频放大器123和125放大。该信号接着被相位探测器130比较，且相位探测器130的输出被用于控制压控振荡器140，其中，近端载波相位噪声低于1MHz需要至少5μs的延迟。不同于美国专利申请系列号为US13/760767的美国专利申请中的自注入锁定锁相环振荡器的结构，本集成方法使用短延迟的自注入锁定和相对较长延迟的自锁相环。

长延迟光电缆105可进一步包括拉曼放大器，以减少信号因长延迟的长度而衰减(从而允许较长的延迟线，否则可能不需要拉曼放大器)。拉曼放大可在利用硅光波导的光学非线性效应的硅光子中来实现。

另外，长延迟线105可被耦合到光滤波器107中，例如使用光子带隙(PBG)光纤的可调谐嵌套循环光滤波器。可调谐滤波器可包括偏振敏感的Hi-Bi光纤，或者具有两个或更多的光耦合器的多臂级联滤波器，其中光耦合器使用双锥形设计的串联功率分裂/合并或光波导的平行的功率分裂/合并。

在一些实施例中，光纤延迟线可具有大的色散系数，以实现当光源波长发生移位时射频振荡器的有效调谐。在一些实施例中，色散系数可达到大约等于1000ps/nmkm，且在波长大约等于1550nm，调谐为10nm时，实现大约等于20MHz/km的调谐。因此，随着光源波长发生偏移，可调谐滤波器的带通频率可发生改变，且振荡器的振荡条件可在新的频率中被满足。光学可调谐嵌套循环滤波器是用于控制在射频频谱中新接受的模。频率偏移Δf遵循以下关系式：

其中，f是初始振荡频率，τ是调谐前的光纤延迟时间，τ_D是色散光纤中波长调谐后延迟时间。新确定的振荡频率能够维持同样低的相位噪声，且能够被预调以满足频率合成器的要求。

图1b描述了图1a光电振荡器100在锁模结构中的功能框图。除了根据图1a中描述的连接外，在图1b的锁模结构中，相位探测器130电耦合到光源102和/或调制器104，并因此显著减少利用大量支持模式锁模的近端相位噪声。通过将相位探测器130耦合到光源102和调制器104中的一个或两个来实现的锁模技术，可包括任意模抑制、模注入、模耦合、模组合、多模注入耦合或消逝模耦合。锁模有利于锁定每一个光源102和/或调制器104的光模以固定相位输出，并因此显著减少近端载波相位噪声。在一些实施例中，锁模技术利用延迟元件(如光纤或电缆)为足够的持续时间储存能量，利用消逝模耦合和光延迟线的动态模间距实现零或最小化频率偏移。由于光纤从实质上具有温度敏感性，导致有效的长度和折射率随温度而引起变化，振荡器需要控制电路来调节有效的光纤长度，以防止跳模现象，从而降低近端载波相位噪声。结合自注入和锁模技术，有源负反馈产生均匀固定的模间距，从而减少因工作温度变化引起的频率漂移。

振荡器100可被制造成利用硅光子和Bi-CMOS集成的集成器件。例如，光纤电缆101、103和105可以集成在小尺寸的心轴上，各心轴的直径大约等于1英寸或更小。在一些实施例中，为了机械稳定性，心轴可用树脂乳液覆盖。光电探测器111、113和115可以是单片集成硅和/或异质结Si_1-x-Ge_x光电二极管。特别的，光电探测器115可为高功率处理的光电二极管。放大器121、123和125可包括用于负反馈放大的SiGeHBT器件。

如上述的硅基组件，压控振荡器140也可以是本领域所知的硅CMOS基压控振荡器(如克拉普振荡器、科耳波兹振荡器等)。在一个实施例中，压控振荡器140可包括变容二极管，如MOS变容二极管、肖特基二极管或者反向偏置的PN结二极管变容二极管，或其他功能为压控电容器的半导体器件。变容二极管的有效电容随着接收自射频放大器123和125的处理信号的电压变化而变化。通过调整或调谐压控振荡器140中的变容二极管的有效电容，压控振荡器140的谐振频率可以反过来被调整。

图2是图1中相位探测器130和压控振荡器140示例性功能框图。图2中所示的振荡电路的工作原理类似于此前公开的专利号为US7,088,189的专利中的压控振荡器/振荡器，上述专利申请公开的内容作为本申请的参考。该专利公开的与本发明的振荡器之间的一个显著不同的是，此前公开的振荡器能够仅锁相环，而在本发明的振荡器能够自注入锁定锁相环，并因此实现更加显著近端载波相位噪声降低。

如图2所示，压控振荡器/振荡器200包括一对三端口设备202和204，它们与示出的其他模块耦合在一起。更具体地，设备202和204中的每一个均包括三个端口，分别为202₁、202₂和202₃以及204₁,204₂和204₃。第一个设备202的第一端口202₁被耦合到可调谐相位耦合网络208和偏置网络212中。可调谐相位耦合网络208还被耦合到第二个设备204的第一端口204₁，其中端口204₁还被耦合到偏置网络216中。可调谐相位耦合网络208还被耦合到调谐电压块220中。调谐电压块220被耦合到动态调谐耦合谐振网络224、228中，其中动态调谐耦合谐振网络224、228被分别耦合到每个三端口设备的第三端口202₃、204₃。

三端口器件优选地包括双极晶体管，其中三端口器件的第一、二、第三端口包括双极晶体管的集电极、基极和发射极节点。另一方面，三端口器件可包括场效应晶体管，其中三端口器件的第一、第二和第三端口包括场效应晶体管的集电极、基极和发射极节点。一般来说，三端口器件最好包括任何可实现在任意两个端口提供180度的相移的三端口器件。

调谐电压块220进一步被耦合到包括两个输入端232₁和232₂的动态调整组合网络232中。输入端232₁和232₂的每一个接收输入信号238、240，输入信号238、240存在于每个器件的第二端口202₂和204₂。动态调整组合网络232组合输入信号238、240并产生运行在输入信号238、240二次谐波的射频信号。射频信号可通过包括缓冲区、低噪声放大器和带通滤波器的电子组件250耦合到调制器104或其他器件。

振荡器200进一步包括相位探测网络或耦合到谐振网络224、228之间的相位探测器260，以及组合网络232，如图所示。相位探测器网络260可通过利用以常规方式设置的分频器、放大器和平衡混频器来实现。分频器可包括MC10EL32，由安森美半导体公司制造，放大器和平衡混频器可分别包括产自德州仪器的运算放大器TL071和产自协同微波公司的混频器，协同微波公司为本发明的受让人。相位探测器网络260动态补偿在宽带操作期间每个振荡器之间的相位误差。相位探测器网络260探测自由运行频率的随机波动，并将这些波动转换为相位误差。相位误差接着反馈到组合网络232并在调谐操作期间用于控制缓冲信号250的相位和频率。相位误差还反馈到动态调谐耦合谐振器网络224、228，并用于调谐每个三端口器件的振荡频率。

振荡器200进一步包括消逝模谐振组合网络206。在一些实施例中，例如图2的实施例，消逝模谐振组合网络206为使用微带线谐振器的超介质谐振器。超介质谐振器的特性是它具有负介电常数和负磁导率，并且能够使消逝模波放大而不退化。因此，包括超介质消逝模谐振器可在振荡器200(或其他自治电路)中产生负载Q倍增效应(有效地增加与电路的相位噪声相关的电路Q值的影响)。与使用多耦合平面谐振器相比，利用的消逝模谐振器是有利的。图3描述了消逝模谐振器与多耦合平面谐振器之间Q(品质因数)的差异，针对从大约等于2GHz到大约等于15GHz的工作频率范围图绘。如图3所示，消逝模谐振器能够在工作频率为大约等于2GHz到大约等于15GHz的范围内得到大于1000的品质因数。图3进一步描述了利用超介质消逝模谐振器的一个优点，它在消逝模放大体制(在大约8GHz到大约12GHz)中获得更大的Q。在这种体制中，可获得大于1500的品质因数Q，且模退化不会降低Q，直到工作频率达到大约等于15GHz。

超介质消逝模谐振组合网络206耦合(如，电容的耦合)到动态调谐耦合谐振器网络224和228的每一个。超介质消逝模谐振组合网络206作为消逝模(EM)的缓冲区，为给定的一段信号周期存储一部分耦合到谐振网络的多余射频(RF)能量，使得器件的导通角可被减少，从而在给定的一段时间内减少平均噪声性能。

在图2中，超介质消逝模谐振组合网络206还被耦合到调谐电压块220中。因此，调谐电路220可作为可变电容器工作，因谐振器的消逝现象从而提高负载Q因数。超介质消逝模谐振组合网络206可利用反馈控制信号(如由光电探测器111、113和115探测的以及由窄带射频放大器121、123和125促进的各种延迟的光电振荡器信号)来控制。微波载波通过锁定光相位调制到自由光谱范围的谐振器来产生，这是在10GHz的区域中产生的。此外，这个载波通过标准光电二极管来探测。可调谐相位耦合网络208还被耦合到超介质消逝模谐振组合网络206中，以动态调谐谐振波的相位。

振荡器200优选以下方式工作。窄带射频放大器123和125的电输出分别输入到动态调谐耦合谐振器网络224和228中。同样的，窄带射频放大器121的电输出输入到超介质消逝模谐振组合网络206中。这些信号在压控振荡器的谐振被控制下，提供了注入锁定(IL)和锁相环的性能。包括各种模块的电路元件，如二极管，电阻，电容，谐振腔等，被选择来使得三端口器件202、204中的每一个以基本频率f₀振荡。随着调谐电压模块220的电压电平被调整，工作的基本频率f₀出现像输入信号238、240被调谐超过振荡器的工作范围的情况，如优选的倍频带。这些信号238、240接着被组合进组合网络232，以产生工作在两倍基本频率2f₀的信号，这些动态调谐是伴随着调谐电压模块220的电压水平的调整而进行的。部分来自组合网络232的信号通过包括缓冲区、低噪放大器和带通滤波器250的电子电路被馈送到调制器104中。部分信号还被当作可调谐输出信号(如，工作在输入信号的二次谐波的信号)输出。

来自组合网络232的选择部分信号与来自超介质消逝模谐振组合网络206的选择部分信号均被反馈回调谐电压块220。部分信号接着被馈送到可调谐相位耦合网络208中，并用来动态调谐输入信号238、240的相位，使得这些信号的每一个在相位调谐时保持其相位。部分信号还被馈送到动态调谐耦合谐振器网络224、228的每一个，使得模块238中的频率f₀与模块240中的频率一样。因此，随着调谐电压V_调谐被调整，端口202₂和204₂每一个的信号频率f₀是通过耦合谐振器网络224、228来调谐其工作的频带，且相位耦合网络208使两个器件202、204保持以基本频率f₀工作在反相模式(如推拉行为)，而第二谐波2f₀相长干涉(如双推行为)倍频带。此外，相位探测器网络260以上面描述的方式工作，以动态补偿在宽带操作期间的相位误差。

图4a是图1a、图1b和图2中的振荡器100利用CMOS和/或微电子制造技术单片集成的印刷电路板(PCB)的图例。如图4a所示，振荡器100的设计拓扑结构是相当适合硅制造技术的，且能通过本领域一般技术人员制造并具有所描述的小巧的外形。图4b图绘了上述振荡器的相位噪声，针对工作在大约10GHZ的振荡器，沿着工作频率范围大约等于1KHz到30MHz之间进行图绘。

图5图绘描述了上述工作在大约10GHz的光纤延迟线的品质因数(Q)。这些Q因数的结果被用于一些具有不同衰减因数的光纤电缆长度的计算，且最佳长度的确定决定于给定光纤衰减系数时的最高预测Q因数。根据结果，已发现，当光纤电缆的长度大约为21.7km时，具有衰减因数大约为0.2dB/km的光纤电缆获得最大Q因数(即在周期内的能量存储与能量耗散比)。因此，具有衰减因数大约为0.2dB/km的光纤电缆的最佳长度大约为21.7km。在此类实施例中，得到光纤电缆的Q因数为1.2E6。

如上所述，组合网络232的输出可被反馈到调制器104，以在振荡器100中获得自注入锁定和自锁相环。调制器具有能够在使用硅光子的硅衬底上与振荡器100集成的方式实现的拓扑结构。例如，调制器104可为具有马赫-曾德尔干涉仪的光学马赫-曾德尔调制器(MZM)。这样的调制器与硅微电子技术兼容，且适合于金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)，特别是用于互补金属氧化物场效应晶体管(C-MOS)。

马赫曾-德尔调制器可用具有强电光(EO)特性(在波长为1550nm时r₃₃>500pm/V，且在波长为1060nm时更强1150pm/V)的宾主聚合物的组合来实现。该聚合物可使用标准结构或光子带隙结构作为慢波结构。电光聚合物产品基于多种电纺和极化在硅衬底上实现理想光电性能的稳定聚合物。马赫曾-德尔调制器可使用非线性光学(NLO)发色团混杂聚合物系统来实现，该系统表现出超快(如，皮秒)速度并具有大光电系数(100pm/V或更大)和低光损耗(1.5dB/cm或更少)。宾主系统可使用发色团的物理混合物和电光聚合物主体来形成。

在本发明的一些实施例中，电光聚合物基马赫-曾德尔调制器可使用电场的控制极化来稳定在大约10V/μm到大约200V/μm之间，优选地，在大约75V/μm到大约150V/μm之间。这可在110℃左右的温度下使用热学和光学辅助极化过程组合。电极化技术在接近玻璃熔体(即，在110℃左右)的温度中进行，极化偶极子在富氮环境下随着温度逐渐降低能保持极化。在本发明的一些实施例中，控制极化可涉及侧向电极化。在其他实施例中，它可涉及横向电极化。

具有硅基压控振荡器的电光聚合物基马赫-曾德尔调制器及其相关的控制电路的高效集成，是低成本和高效率的生产的一个重要方面。具有电光聚合物(即，与硅光子兼容)的调制器的使用优于其他基于绝缘体的调制器的使用，如铌酸锂(LiNbO₃)基调制器。然而，为了覆盖工作频率的有效范围，调制器的长度必须仔细选择。如以下公式所示，调制的最大工作频率f_最大与它的长度L成反比:

其中，c为真空中的光速，n_eff为电光材料的有效折射率折射，且ε_eff为电光材料的有效射频介电常数。由于在铌酸锂的光学和射频频率上的有效折射率的巨大差异，使用这种材料的调制器的最大工作频率是相对有限的。相反的，非线性聚合物系统在光学和射频频率上的有效折射率之间具有相对小的差异，且因此工作在较大的最大工作频率。

此外，需要夹断电压V_π施加在调制器的一端，以引起通过该端的光波产生180度的相位偏移(相对于调制器的另一端的光波)，从而，在马赫-曾德尔干涉仪中通过消波效应(即破坏性干扰或破坏性组合)有效地切割调制信号。这个电压V_π可表达为：

其中，λ为光波的波长，n为光波导的折射率，r为电光系数，d为调制器电极之间的间隔，且Γ为光限制因数。从上面的公式中可看出，具有较高光电系数的调制器需要施加较低的电压(V_π)以获得180的相位偏移。由于电光聚合物具有比大约为100pm/V更大的r值(相对于具有大约30pm/V的r值的铌酸锂)，电光聚合物基马赫-曾德尔调制器需要更低的V_π。因此，本发明中电光聚合物基调制器，具有长度大约等于1cm(为了获得如上所述的更大的最大工作频率)，在V_π低至0.5V时可获得180度的相位偏移，相对于同样尺寸中的铌酸锂马赫-曾德尔调制器在V_π为5V时所获得的相位偏移来说。

与铌酸锂相比，电光聚合物马赫-曾德尔调制器进一步的性能优势可见于具有长度为1cm的调制器仿真中。马赫-曾德尔调制器的设计是与窄带放大器集成，以获得统一的闭环增益。为了在波长为1550nm且相关强度噪声(RIN)值为-155dB/Hz时获得12dBm的光源功率，调制器铌酸锂基系统需要30dB的放大器，且系统底噪水平为-133dBm/Hz。相比之下，对于光电聚合物基系统来说，9dB的放大器增益就足够了，且系统底噪水平为-152dBm/Hz。下面的表格进一步突出使用电光聚合物马赫-曾德尔调制器仿真的性能优点，并与铌酸锂作比较，其中两种拓扑结构均为L＝1cm。

电光参数	铌酸锂	电光聚合物
			电光系数,r	30pm/V	735pm/V
长度L＝1cm的Vπ	5V	0.5V
			窄带放大器增益	30dB	9dB
底噪	-133dBm/Hz	-152dBm/Hz

在进一步的实施例中，调制器可以是来自非线性发色团具有很高的电光系数的极化聚酰亚胺，发色团偶极取向的程度高，且在1.3μm时具有1250pm/V的大r值。通过改变交联剂的电子特性，温度窗口被优化以获得最佳性能的硬度材料。宾主光电聚合物可具有低的稳定温度，因发色团没有连接至聚合物基质且可自由旋转。宾主光电聚合物在新发色团的评价中是非常有用的，因为这些聚合物容易制备且容易极化。

图6a-6d描述了硅光子基马赫-曾德尔调制器的强度绘制图形，该调制器利用硅兼容电光(EO)聚合物材料实现。在图6中，横向极化电光聚合物基马赫-曾德尔调制器依据在干涉仪每条腿以及输入输出端光场的横向和纵向组件进行仿真。马赫-曾德尔调制器各个位置的强度值在光波导尺寸中，同时在侧向和横向方向几微米的范围内被描绘。马赫-曾德尔调制器的电波导为可与振荡器单片集成的微带传输线。马赫-曾德尔调制器的工作点可以是正交点或闭合点，以产生显性基波或显性二次谐波。

图7描述图6a-6d中集成的马赫-曾德尔调制器设计的工作特性，工作在波长为1550nm且电光系数大约在735pm/V条件下，使用标准波导结构或光子带隙作结构为慢波结构。在图7的仿真结果中，微带线具有高达大约60GHz的模拟的单模横电磁波操作，基板的厚度为大约等于2mm。

上述光电振荡器的单片集成在一些附加方面是有困难的。例如，尽管利用长光纤延迟线可以在Q因数产生显著增益，但长延时也会引起非常小的模间距。为了使多模光电振荡器系统以稳定的频率起作用，该光电振荡器必须能够以低边模抑制比(SMSR)抑制边模。尽管使用附加电子环路可提高边模抑制比，但这仅能使模间距更大且光电振荡器依然受跳频的影响，例如在启动时。虽然注入锁定(如，光电振荡器与单异质结光电晶体管(HPT)振荡器或电子振荡器的耦合)可减轻这些问题并产生单模输出，但这样的设计将导致成本的显着增加。

针对上述问题，多模注入锁定效应可并入到使用法布里-珀罗激光二极管(FP-LD)的光电振荡器系统中。使用激光二极管，单个光电振荡器模可被锁定，且其他不匹配的模由于增益竞争和相位同步效应而被抑制。这保证了振荡频率调制频率被同步在单模操作中，进而无需任何更多的高速光电器件加入光电振荡器系统。激光二极管的设置可导致75dB的单模抑制比或更好。

光电振荡器系统的可调性也是一个重要的问题。由于光纤延迟线的长度长，传统的光电振荡器一般具有密集间距振荡模，且具有相对小频率调谐范围(例如，在MHz级别的范围)的固定微波带通滤波器(MBPF)必须应用于保证单频振荡。本发明允许使用在光域实现的可调谐微波带通滤波器并入光电振荡器。频率调谐的一种可行技术是通过改变入射光波的波长或法布里-珀罗激光二极管的纵模来进行。可以通过改变操作温度、电流注入和/或具有外部腔的激光器的外腔长度改变波长。然而，温度和电流注入的变化可经常恶化持续微波信号的质量。频率调谐的另一种可行技术是通过使用双端口调相(PM)和线性啁啾光纤布拉格光栅来进行。通过调谐线性啁啾光纤布拉格光栅的色散实现频率调谐。然而，确保大频率可调范围要求色散的可调范围必须非常大，这在实际应用中很难实现的。

另一个问题是，所产生的微波的频率通常很低，由于该频率明显受限于调制器的带宽和微波带通放大器的中心频率。该频率可以在两个不同波长中使用两个光载波代替单个光载波。在这样的设置中，马赫-曾德尔调制器可在一个波长中被偏置在正交点，以产生基本振荡，且在其他波长中被偏置在输送点，以产生倍频操作。然而，这种设置因漂移而会导致稳定性差。虽然偏振调制器(PolM)可解决偏置漂移的问题，但倍频光电振荡器仍然需要固定的微波带通放大器，且再次为光电振荡器系统留下相对有限的频率调谐范围。

上述的问题可利用宽带可调谐倍频光电振荡器来解决，该振荡器组合了基于调相和相位偏移光纤布拉格光栅的光学微波带通放大器(PS-FBG)。这样的光电振荡器的主要优势是：(1)它能够在光电振荡器环路中使用低频组件时产生倍频微波信号，(2)它通过简单调谐入射光波的波长可实现宽带频率调谐。此外，无需偏置控制。这简化了实施，且提高了操作的稳定性。调相和相位偏移光纤布拉格光栅可以潜在地集成在光学集成电路芯片中，这将显著提高其整体性能。

在具有移频器(FS)的光电振荡器系统中，其振荡频率可通过改变光泵浦波长来调谐。相比于具有马赫-曾德尔调制器的光电振荡器的可调性，这样的设置能够为给定的放大器增益和激光输出增加的射频输出功率。

光电振荡器的光学存储元件通常是光纤延迟线。然而，使用这种存储元件，在操作光电振荡器系统中增加了一定难度。首先，延迟线是相对大体积的，且会使光电振荡器的运输困难。其次，延迟线需要温度稳定，因此需要大量的功率(如，有源温度控制器)。最后，延迟线能够产生非常接近载波(几十千赫)的伪峰，这在一些应用中是不利的。

鉴于这些困难，在一些实施例中，光纤延迟线可由超高Q回音壁模式(WGM)光谐振器代替。回音壁模式光谐振器通过激光捕获光及限定振荡频率(通过谐振器的自由光谱范围限定)储存能量。使用回音壁模式技术光谐振器通常是紧凑的，不会在射频频谱产生延迟引起的伪峰，且兼容紧凑的温度控制系统。因此，使用回音壁模式技术可以产生便携式的光电振荡器，它能够产生超纯微波信号。这在许多应用中，如在航天工程中，是非常理想的功能，只要能妥善解决任何澶噪声或者应力/应变特性。这功能还允许的持续信号的调相，而不是强度调制。强度调制器是环境敏感的器件(当器件的高稳定性为必需时这是不需要的，例如，纯音的生成)，而调相涉及到差分相位强度转换，对电光漂移具有较小敏感(如，慢电荷再分配)。由于谐振器实际上是不平衡干涉仪，显然它对差分相位强度转换是有用的。与标准的差分光学调相技术一样，回音壁模式光学谐振器在非常高的调制速度(如，>10Gb/s)提供优越的性能。同时，超高Q回音壁模式光谐振器的结构是与芯片集成兼容的，并因此作为可行的和可移动的超纯微波发生源。

本发明公开的光电振荡器系统的一个优点是，它可以产生非常高频率的信号(例如，100GHz)。一般来说，为了产生这样的高频信号，光电振荡器需要通常较贵且难以实现的高频组件(如，100GHz的光电探测器、100GHz的强度调制器、100GHz的射频放大器等)。本发明的光电振荡器实际上可利用相对低频的光学和微波器件产生高频信号。这一方面的设计可通过双回路的光电振荡器进行建模，该振荡器工作在低频且使用直接调制的分布式反馈(DFB)激光器。通过注入连续光波到直接调制的分布式反馈激光器，并适当地调节注入功率以及偏振，激光二极管被注入锁定，从而产生高次谐波。谐波次数可通过改变自主运行的分布式反馈激光器和连续光波之间的频率差来控制。仿真数据预测，100GHz的微波可从具有光学和电子器件的光电振荡器产生，且光电振荡器的工作频率不超过10GHz。

本发明公开的可调谐光电振荡器系统的另一个优点是它具有相对低的相位噪声。可调谐光电振荡器的相位噪声性能直接与光纤长度有关，即，增加光纤长度导致光电振荡器的相位噪声减少。然而，光电振荡器生成多个共振频率，并具有与光纤长度成反比的模间距。因此，增加光纤长度也会导致增加不必要的模。在光电振荡器系统的反馈环路中加进极窄带通射频滤波器可抑制不必要的模。此外，射频滤波器的频率选择性可以通过使用多回路结构(如，附加的光学回路、附加的电气回路)放宽。然而，在比最长反馈回路的模间距更宽的光谱范围内频率调谐是很难实行的，因为任何频率的改变直接关系到环路长度的改变。在双环路结构中电移相器与标准高通滤波器连接可用来产生具有超宽调谐范围的可调谐光电振荡器，从而解决这些难题。

总之，上述的光电振荡器系统利用硅(CMOS、BiCMOS、HBTs)基板单片集成光学组件(如电光基马赫-曾德尔调制器、光电二极管、硅拉曼放大器等)和射频电子器件，在传统光电振荡器的尺寸、重量以及功率上表现出显著的减少。此外，本发明公开的光电振荡器系统在光电振荡器集成和分立版本的射频功耗中表现出显著的减少。由分立组件制成的光电振荡器可包括使用多达10-20W射频放大器，而本发明的光电振荡器的整个集成射频链的使用低于200mW。更进一步，集成组件能够在小于2V的电压下工作(例如，硅器件)，且不需要匹配分立组件一般需要的输入输出驱动器。此外，调制器的驱动器通常使用大约等于500mW的功耗。

虽然本发明在这里参照特定实施例进行描述，但应当理解的是，这些实施例仅说明了本发明的原理及应用。因此，应当理解的是，说明性的实施例可以有其他的修改，且其它设计可在不脱离本发明的权利要求所限定的精神和范围内被设计出来。

Claims (19)

1.具有单片集成硅光子结构的光电振荡器，包括：

调制器，用于提供光信号；

第一光电探测器，用于转换部分光信号为电信号，第一光电探测器具有被耦合到第一放大器的输出；

光滤波器，用于接收部分光信号，光滤波器具有被耦合到第二光电探测器的输出，第二光电探测器用于转换部分光信号为电信号，第二光电探测器具有被耦合到第二放大器的输出；

第三光电探测器，用于转换部分光信号为电信号，第三光电探测器具有被耦合到第三放大器的输出；

相位探测器，用于接收来自第一光电探测器的第一射频信号和来自第二放大器的第二射频信号，第二射频信号具有比第一射频信号更长延迟，相位探测器用于确定第一和第二射频信号之间的相位差；以及

压控振荡器，用于接收来自第三光电探测器的第三射频信号，以及用于接收来自相位探测器的电信号，其中压控振荡器被用来输出振荡信号以响应电信号和第三射频信号中的每一个，振荡信号被用来控制调制器的输出，

其特征在于：调制器、光电探测器、放大器、光滤波器、相位探测器以及压控振荡器中的每一个被集成在集成电路中。

2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：调制器为包括电光聚合物的光学马赫-曾德尔调制器。

3.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：光学马赫-曾德尔调制器包括发色团的混合物和电光聚合物。

4.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器在波长大约为1550nm时表现出大约为100pm/V或者更大的电光系数。

5.根据权利要求4所述的光电振荡器，其特征在于：调制器与光子带隙结构集成在一起。

6.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器在波长大约为1060nm时表现出大约为1150pm/V的电光系数。

7.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器表现出大约等于1.5dB/cm或者更少的光损耗。

8.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器表现出大约等于0.5V或者更小的夹断电压。

9.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器在大约10V/μm到大约200V/μm之间的电场时被侧向极化或横向极化。

10.根据权利要求9所述的光电振荡器，其特征在于：调制器在大约110℃的温度中被极化。

11.根据权利要求2所述的光电振荡器，其特征在于：调制器为具有厚度为大约等于2mm或者更厚的基板上的微带线，调制器具有单模准横电磁波操作高达大约为60GHz。

12.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：光滤波器包括能够将部分由光滤波器接收的光信号的边模抑制在至少为75dB的比率的法布里-珀罗激光二极管。

13.根据权利要求1所述的光电振荡器，进一步包括可调相位偏移光纤布拉格光栅和相位调制器，光栅和相位调制器均集成在集成电路中。

14.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：调制器包括通过改变光泵浦波长能够调谐振动器振动频率的移频器。

15.根据权利要求1所述的光电振荡器，进一步包括回音壁模式谐振器。

16.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：所述振荡器的射频组件的功耗为大约等于200mW或者更少，且调制器利用大约等于500mW或更少的功耗来驱动。

17.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：所述振荡器能够通过具有大约等于2伏特或者更少的电源电压工作。

18.根据权利要求1所述的光电振荡器，其特征在于：所述第二光电探测器包括高功率处理光电二极管。

19.根据权利要求1所述的光电振荡器，包括InGaAs/InP基光源、电吸收调制器、光学放大器和移相器。