CN108563041A - 一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 - Google Patents
一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108563041A CN108563041A CN201810373454.1A CN201810373454A CN108563041A CN 108563041 A CN108563041 A CN 108563041A CN 201810373454 A CN201810373454 A CN 201810373454A CN 108563041 A CN108563041 A CN 108563041A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- oam
- layer
- signal projectors
- light emitting
- emitting devices
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 31
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 17
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 12
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000009933 burial Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 8
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 6
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 239000000686 essence Substances 0.000 description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 241000931526 Acer campestre Species 0.000 description 1
- BSYNRYMUTXBXSQ-UHFFFAOYSA-N Aspirin Chemical compound CC(=O)OC1=CC=CC=C1C(O)=O BSYNRYMUTXBXSQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N benzocyclobutene Chemical compound C1=CC=C2CCC2=C1 UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1237—Lateral grating, i.e. grating only adjacent ridge or mesa
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/0155—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption
- G02F1/0157—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction modulating the optical absorption using electro-absorption effects, e.g. Franz-Keldysh [FK] effect or quantum confined stark effect [QCSE]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种产生光子轨道角动量(OAM)信号的光发射器件,本发明实施例提供的被调制的OAM信号的光发射器件包括制作在同一衬底上的OAM信号发射器和EA调制器,由EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号。因此,本发明实施例提供的光发射器件能产生强度被调制的OAM信号,该方法适用于InP基、GaAs基甚至GaN基等多种外延材料,可用于产生多个波段的高速光子轨道角动量信号,满足不同的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域的光发射器件制备技术领域,特别涉及一种产生光子轨道角动量(OAM)信号的光发射器件。
背景技术
光子中的多个物理量,比如频率、相位或偏振态等被用于在光通信中承载信息。近些年来,光子的轨道角动量(OAM)成为研究的热点方向之一,特别是OAM可作为自由空间量子信息的物理载体的重要选择,这将对量子通信领域带来重要的影响。随着量子保密通信技术的发展,OAM越来越受到人们的高度重视,并在很多领域得到了广泛的研究和应用。
具有螺旋波前的涡旋光束携带OAM信号,即OAM信息的相位随方位角变化,比如E~exp(jlφ),其中l为OAM信号的拓扑荷数,也是其阶数。对信息传输领域来说,除了已经被广泛应用的波长、振幅、相位和偏振外,OAM信号提供了一个新的自由度。由于OAM信号在理论上存在无限个正交态,使其在提升频谱效率和通信系统容量方面具有极大的应用潜力,对满足未来10-30年间通信容量2-3个数量级的增长需求,具有非常重要的意义。
目前已有诸多通过空间光的方法实现OAM信号的报导,例如螺旋相位板、基于柱面透镜的模式变换器以及通过空间光调制器(SLM)产生的叉状光栅全息图。但是此类方法体积较大,成本较高且稳定性较差。更重要的是,难以实现光子集成和高速调制。因此在通信方面,更倾向于基于芯片的解决方案。目前的OAM信号发射器绝大多数集成在硅片或绝缘衬底上的硅(SOI)芯片上,2014年出了电开关OAM,该器件引入加热电阻对OAM信号的阶数进行热调,但是热调的方法限制了其调制速率只能达到10kHz左右,难以满足快速信息传输的需要。
光通信方面,已有大量激光器和调制器的报导,可达到几十甚至百Gb/s的高速电吸收(EA)调制器与分布反馈(DFB)激光器的集成器件(EML)阵列已实现,但是尚无方法产生强度被调制的OAM信号,从而不能产生多个波段的高速光子轨道角动量信号,不能满足不同的应用需求。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供一种产生OAM信号的光发射器件,该光发射器件能产生强度被调制的OAM信号。
本发明实施例是这样实现的:
一种产生光子轨道角动量OAM信号的光发射器件,包括:在同一衬底上的OAM信号发射器和电吸收EA调制器,EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号,其中,OAM信号发射器采用基于环形腔的角向光栅结构;环形腔内存在回音壁模式WGM;光栅通过对WGM进行提取实现OAM光束的垂直出射;
所述OAM信号发射器产生的OAM信号的阶数l由下式决定:
l=M-N (1)
其中M为环形腔内的周期数,N为光栅数量;
所述OAM信号发射器的谐振波长λring满足:
Mλring/nring=2πR (2)
其中nring为环形腔内有效折射率,R为环形腔半径。
一种产生OAM信号的光发射器件,包括:在同一衬底上的分布反馈DFB激光器、OAM信号发射器和EA调制器,DFB激光器产生激光并耦合到OAM信号发射器中,EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号,其中,OAM信号发射器采用基于环形腔的角向光栅结构;环形腔内存在WGM,光栅通过对WGM进行提取实现OAM光束的垂直出射;
所述OAM信号发射器产生的OAM信号的阶数l由下式决定:
l=M-N (3)
其中M为环形腔内的周期数,N为光栅数量;
所述OAM信号发射器的谐振波长λring满足:
Mλring/nring=2πR (4)
其中nring为环形腔内有效折射率,R为环形腔半径。
所述OAM信号发射器采用同一外延层结构,由衬底往上,依次包括:下包层、下内包层和下波导层、量子阱或多量子阱有源层、上波导层和上内包层、上包层和欧姆接触层,在n型衬底下方镀有n型电极,在欧姆接触层上镀有DFB激光器或/和EA调制器的p电极,其中,量子阱或多量子阱有源层为高折射率的芯层,下内包层和下波导层以及上波导层和上内包层的折射率次之,下包层和上包层的折射率最低。
所述OAM信号发射器采用深刻蚀脊波导结构,刻穿量子阱层并深入到衬底中;
所述OAM信号发射器采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口刻蚀至上内包层上方。
所述EA调制器采用深刻蚀脊波导结构,刻穿量子阱层并深入到衬底中。
在所述EA调制器的P电极和n衬底之间设置绝缘层或低介电常数层。
所述DFB激光器采用浅刻蚀脊波导结构,多量子阱层不刻蚀。
所述DFB激光器的光栅结构采用掩埋光栅结构。
所述DFB激光器的光栅结构采用侧壁光栅结构。
如上可见,本发明实施例提供的被调整的OAM信号的光发射器件包括制作在同一衬底上的OAM信号发射器和EA调制器,由EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号。因此,本发明实施例提供的光发射器件能产生强度被调制的OAM信号,该方法适用于InP基、GaAs基甚至GaN基等多种外延材料,可用于产生多个波段的高速光子轨道角动量信号,满足不同的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的产生OAM信号的光发射器件实施例一结构示意图;
图2为本发明实施例提供的产生OAM信号的光发射器件实施例二结构示意图;
图3为本发明实施例提供的产生OAM信号的光发射器件实施例三结构示意图;
图4为本发明实施例提供的产生OAM信号的光发射器件实施例四结构示意图。
附图标记说明
1-n电极;2-含下包层的衬底;3-下内包层和下波导层;4-量子阱或多量子阱有源层;5-上波导层和上内包层;6-上包层;7-欧姆接触层;8-SiO2或BCD材料绝缘层;9-EA调制器p电极;10-EA调制器;11-OAM信号发射器;12-EA调制OAM信号发射器区;13-采用顶部光栅的OAM信号发射器的横截面;14-DFB激光器p电极;15-掩埋光栅;16-DFB激光器段;17-EA直调OAM发生器段;18-采用顶部光栅的直调OAM信号发射器的横截面;19-侧壁光栅。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下参照附图并举实施例,对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供的OAM信号的光发射器件包括制作在同一衬底层上的OAM信号发射器和EA调制器,由EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号。因此,本发明实施例提供的光发射器件能产生强度被调制的OAM信号,该方法适用于InP基、GaAs基甚至GaN基等多种外延材料,可用于产生多个波段的高速光子轨道角动量信号,满足不同的应用需求。
具体地说,本发明实施例提供了两种产生强度被调制的OAM信号的光发射器件,并提供了两种与DFB激光器集成的OAM信号调制的方法,用以实现利用OAM强度的高速信号产生,以下实施例适用于InP基、GaAs基甚至GaN基等多种外延材料。可用于产生不同波段、满足多种应用要求的高速OAM信号。
本发明实施例采用的OAM信号发射器具体包括:
OAM信号发射器采用基于环形腔的角向光栅结构,光栅可采用顶部光栅或侧壁光栅。环形腔内存在回音壁模式(WGM),即光强的周期性分布。光栅对WGM进行提取,可实现OAM光束的垂直出射。该信号发射器产生的OAM信号的阶数l由下式决定:
l=M-N (1)
其中M为WGM的阶数,也就是环形腔内的周期数,N为光栅数量。
OAM信号发射器的谐振波长λring满足
Mλring/nring=2πR (2)
其中nring为环形腔内有效折射率,R为环形腔半径。
当在OAM信号发射器增加EA调制器的时候,即将OAM信号发射器和EA调制器设置集成在一个衬底上时,可以产生高速的OAM信号,实现几十甚至一百Gb/s的调制速率。更进一步地,在OAM信号发射器增加EA调制器的基础上,增加DFB激光器,更加有利于调制出高速的OAM信号进行发射。
实施例一
本实施例是EA调制器与OAM信号发射器的集成方案,如图1所示。图1为本发明实施例提供的产生OAM信号的光发射器件实施例一结构示意图,包括:
该器件依次外延生长在n型衬底上,从n型衬底上依次包括如下外延层,下包层2、下内包层和下波导层3、量子阱或多量子阱有源层4、上波导层和上内包层5、上包层6和欧姆接触层7,在n型衬底下方镀有n型电极1,在欧姆接触层7上镀有EA调制器p电极9。其中量子阱或多量子阱有源层4为高折射率的芯层,下内包层和下波导层3以及上波导层和上内包层5的折射率次之,下包层2和上包层6的折射率最低。
本器件由两部分组成:深刻蚀的EA调制器10和OAM信号发射器11。EA调制器10长度约为100μm,采用高脊波导结构,即刻蚀穿过量子阱或多量子阱有源层4并深入到n型衬底上,脊高约为3μm,脊宽约为2μm。EA调制器10的上包层6的高度约为1.3μm~1.7μm,上包层6上方有约为200nm厚的欧姆接触层7,欧姆接触层上制作p电极9。为了提高EA调制器10的调制器速度,在EA调制器p电极9下加有约2μm厚的二氧化硅(SiO2)绝缘层或者介电常数更低的(苯并环丁烯)BCB材料8。
OAM信号发射器11的脊宽约为0.8μm,亦采用高脊波导结构,刻蚀底面距离下内包层和下波导层3大约1μm以上。由于衬底的折射率较高,只有当高脊波导的量子阱或多量子阱有源层4距离底面足够远的时候,才可阻止光场向衬底泄露。环形腔的直径(R)为10μm的量级,腔内的WGM阶数M由直径R、谐振波长λring,通过公式(2)决定。OAM信号发射器11采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口约为0.22×0.22μm2,光栅孔为浅刻蚀,即刻蚀至上波导层和上内包层5上方,如图1中的插图13所示。该方案中产生的OAM信号的阶数l由WGM阶数M和光栅数量N决定,如公式(1)所示。OAM信号发射器11的上包层6的高度约为0.5μm~0.8μm,上包层6上方无欧姆接触层7和p电极9。
当EA调制器10上不加电压时,激光可以通过并且耦合到OAM信号发射器11中。当EA调制器10上加反向偏压时,激光被吸收,OAM信号发射器11中便无法出射光束。因此,通过在EA调制器10上加高速信号,可控制该器件的开关。EA调制器10的高脊波导结构可以有效降低结电容,在EA调制器p电极下填充低介电常数的材料,比如SiO2或BCB可以有效降低焊盘电容,从而增加调制速率。
当EA调制器10处于“开”的状态,即不加反向偏压时,激光可以传输并且通过滑轮耦合结构耦合到OAM信号发射器11中。当入射波长λring和环形腔直径R满足公式(2),即激光波长位于环形腔的谐振波长处时,在OAM信号发射器11的环形腔中可得到有效的WGM,即形成周期性的光强分布,通过环上光栅提取此WGM可实现OAM光束的垂直发射。当EA调制器10处于“关”的状态,即加反向偏压时,激光无法通过,则不能出射OAM光束。由此可见此EA调制器10与OAM信号发射器11的集成器件可以得到高速调制的OAM信号。
实施例二DFB激光器+EA调制器+OAM信号发射器
本发明实施例为DFB激光器、EA调制器和OAM信号发射器的集成方案,如图2所示,图2为本发明实施例提供的OAM信号的光发射器件实施例二结构示意图。通过DFB激光器产生特定波长的激光,将其耦合到OAM信号发射器中激发OAM光束,EA调制器对OAM信号进行强度调制。该实施例集高速调制和OAM信号的产生于一身,使其相对于其它OAM信号产生的器件都有独一无二的优势。
具体来说,该器件依次外延生长在n型衬底上的如下外延层:下包层2、下内包层和下波导层3、量子阱或多量子阱有源层4、上波导层和上内包层5、上包层6、欧姆接触层7,在n型衬底下方镀有n型电极1,在欧姆接触层7上镀有调制器p电极9和DFB激光器p电极14。其中量子阱或多量子阱有源层4为高折射率的芯层,下内包层和下波导层3以及上波导层和上内包层5的折射率次之,下包层2和上包层6的折射率最低。
本器件由三部分组成:浅刻蚀的DFB激光器16、深刻蚀的EA调制器10和深刻蚀的OAM信号发射器11。DFB激光器16长400μm,采用低脊波导结构,即刻蚀至上波导层5上方,脊高为约为1.5μm~2μm,脊宽约为1~2μm。DFB激光器16的上包层6的高度约为1.3μm~1.7μm,DFB激光器16的上包层6上方有约为200nm厚的欧姆接触层7,欧姆接触层7上制作DFB激光器p电极14。DFB激光器16的光栅结构可采用图2中的掩埋光栅15或者图4中的侧壁光栅19,即DFB激光器16采用浅刻蚀脊波导结构,多量子阱层不刻蚀。
EA调制器10长度约为100μm,采用高脊波导结构,即刻穿量子阱层4并深入到衬底中,脊高约为3μm,脊宽约为2μm。EA调制器10的上包层6和欧姆接触层7的高度与DFB激光器相同,欧姆接触层上制作EA调制器p电极9。DFB激光器16与EA调制器10的之间有一段40μm长的区域的欧姆接触层7被腐蚀掉,形成DFB激光器16与EA调制器10的电隔离区。为了提高EA调制器10速率,在EA调制器p电极9下加有约2μm厚SiO2绝缘层或者介电常数更低的BCB材料8。
OAM信号发射器11的脊宽约为0.8μm,亦采用高脊波导结构,刻蚀底面距离下内包层和下波导层3的1μm以上。环形腔的直径R为10μm的量级,腔内的WGM阶数M由直径R、谐振波长λring和公式(2)决定。OAM信号发射器11采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口约为0.22×0.22μm2,光栅孔为浅刻蚀,即刻蚀至上波导层和上内包层5上方,如图2中插图13所示。本方案产生的OAM阶数l由WGM阶数M和光栅数量N决定,如公式(1)所示。OAM信号发射器11的上包层6的高度约为0.5μm~0.8μm,上包层6上方无欧姆接触层7和EA调制器p电极9。
采用直流电源泵浦DFB激光器16,当泵浦电流超过阈值电流后,可以产生特定波长的激光。激光波长λDFB由下式决定:
λDFB=mΛ/(2nDFB) (3)
其中nDFB为DFB激光器的有效折射率,Λ为光栅周期,m为光栅阶数,为获得较高的耦合系数,一般采用一阶或者二阶光栅。
DFB激光器16区域的浅刻蚀结构可以减少非辐射复合损耗,从而降低阈值;通过精确控制掩埋光栅的周期和脊波导的尺寸可以得到精准波长的激光。
当EA调制器10上不加电压时,激光可以通过并且耦合到OAM信号发射器11中。当EA调制器10上加反向偏压时,激光被吸收,OAM信号发射器11中便无法出射光束。因此,通过在EA调制器10上加高速信号,可控制该器件的开关。EA调制器的高脊波导结构可以有效降低结电容,在电极台下填充低介电常数的诸如SiO2或BCB材料可以有效降低焊盘电容,从而增加调制速率。
当EA调制器10处于“开”的状态,即不加反向偏压时,激光可以传输并且通过滑轮耦合结构耦合到OAM信号发射器10中。当DFB激光器16的波长λDFB与环形腔的谐振波长λring相等时,在OAM信号发射器10的环形腔中可得到有效的WGM,即形成周期性的光强分布,通过环上光栅提取此WGM可实现OAM光束的垂直发射。当EA调制器10处于“关”的状态,即加反向偏压时,激光无法通过,则不能出射OAM光束。由此可见,此集成器件可以产生高速调制的OAM信号,无需外接激光器。
实施例三直接EA调制OAM信号发射器
本实施例为EA直接调制OAM信号发射器17,如图3所示,图3为本发明实施例提供的OAM信号的光发射器件实施例三结构示意图。该器件依次外延生长在n型衬底上的如下外延层:下包层2、下内包层和下波导层3、量子阱或多量子阱有源层4、上波导层和上内包层5、上包层6、欧姆接触层7,在n型衬底下方镀有n型电极1,在欧姆接触层上镀有EA调制器p电极9。其中量子阱或多量子阱有源层4为高折射率的芯层,下内包层和下波导层3以及上波导层和上内包层5的折射率次之,下包层2和上包层6的折射率最低。
本方案中直接于OAM信号发射器上实施EA调制。OAM信号发射器11部分脊宽约为0.8μm,采用高脊波导结构,刻蚀底面距离下波导层1μm以上。环形腔的直径R为100μm的量级,腔内的WGM阶数M由直径R、谐振波长λring和公式(2)决定。OAM信号发射器11采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口约为0.22×0.22μm2,光栅孔为浅刻蚀,即刻蚀至上波导层和上内包层5上方,如图3中插图18所示。本方案产生的OAM阶数l由WGM阶数M和光栅数量N决定,如公式(1)所示。
OAM信号发射器11的上包层6的高度约为0.4μm~1μm,上包层上方有约为200nm厚的欧姆接触层7,欧姆接触层7上制作EA调制器p电极9,可采用透明电极或图3中所示的环形周期性电极等来避免对OAM光束的遮挡。若采用周期性地电极,电极的周期数要大于50才能确保不引入其它的干扰模式。为了提高EA调制器速度,在EA调制器p电极9加有约2μm厚的SiO2绝缘层或者介电常数更低的BCB材料8。
当EA调制器处于“开”的状态,即在EA调制器p电极9上不加反向偏压时,激光可以传输并且通过耦合结构耦合到OAM信号发射器11中。当入射波长λring和环形腔直径R满足公式(2),即激光波长位于环形腔的谐振波长处时,在OAM信号发射器的环形腔中可得到有效的WGM,即形成周期性的光强分布,通过环上光栅提取此WGM可实现OAM光束的垂直发射。当OAM信号发射器11上的电极加反向偏压时,环形腔内吸收损耗非常大,便无法出射光束。因此,通过在OAM信号发射器11上加直接调制,可以得到高速的OAM信号。
实施例四:DFB激光器+直接EA调制OAM信号发射器
本实施例为DFB激光器16和直接调制OAM信号发射器17的集成方案,如图4所示,图4为本发明实施例提供的OAM信号的光发射器件实施例四结构示意图。该器件依次外延生长在n型衬底上的如下外延层:下包层2、下内包层和下波导层3、量子阱或多量子阱有源层4、上波导层和上内包层5、上包层6、欧姆接触层7,在n型衬底下方镀有n型电极1,在欧姆接触层上镀有EA调制器p电极9。其中量子阱或多量子阱有源层4为高折射率的芯层,下内包层和下波导层3以及上波导层和上内包层5的折射率次之,下包层2和上包层6的折射率最低。
本器件由两部分组成:浅刻蚀的DFB激光器16、深刻蚀的直接EA调制OAM信号发射器17。DFB激光器长400μm,采用低脊波导结构,即刻蚀至上波导层和上内包层5上方,脊高为约0.7μm~1.2μm,脊宽约为1~2μm。DFB激光器16区的上包层6的高度约为0.4μm~1μm,上包层6上方有约为200nm厚的欧姆接触层7,欧姆接触层上制作DFB激光器p电极14。DFB激光器16的光栅结构可采用图2中的掩埋光栅15或者图4中的侧壁光栅19。
本方案中直接于OAM信号发射器上实施EA调制。OAM信号发射器11部分脊宽约为0.8μm,采用高脊波导结构,刻蚀底面距离下波导层1μm以上。环形腔的直径R为100μm的量级,腔内的WGM阶数M由直径R、谐振波长λring和公式(2)决定。OAM信号发射器11采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口约为0.22×0.22μm2,光栅孔为浅刻蚀,即刻蚀至上波导层和上内包层5上方,如图4中插图18所示。本方案产生的OAM阶数l由WGM阶数M和光栅数量N决定,如公式(1)所示。
OAM信号发射器11的上包层6的高度约为0.4μm~1μm,上包层上方有约为200nm厚的欧姆接触层7,欧姆接触层7上制作EA调制器p电极9,可采用透明电极或图3中所示的环形周期性电极等来避免对OAM光束的遮挡。若采用周期性地电极,电极的周期数要大于50才能确保不引入其它的干扰模式。为了提高EA调制器速度,在EA调制器p电极9加有约2μm厚的SiO2绝缘层或者介电常数更低的BCB材料8。
采用直流电源泵浦DFB激光器16,当泵浦电流超过阈值电流后,可以产生特定波长的激光。激光波长λDFB由下式决定:
λDFB=mΛ/(2nDFB) (3)
其中nDFB为DFB激光器16的有效折射率,Λ为光栅周期,m为光栅阶数,为获得较高的耦合系数,一般采用一阶或者二阶光栅。
DFB激光器16区域的浅刻蚀结构可以减少非辐射复合损耗,从而降低阈值;通过精确控制掩埋光栅的周期和脊波导的尺寸可以得到精准波长的激光。
当EA调制器处于“开”的状态,即在EA调制器p电极9上不加反向偏压时,激光可以传输并且通过耦合结构耦合到OAM信号发射器11中。当DFB激光器16的波长λDFB与环形腔的谐振波长λring相等时,在OAM信号发射器11的环形腔中可得到有效的WGM,即形成周期性的光强分布,通过环上光栅提取此WGM可实现OAM光束的垂直发射。当OAM信号发射器11上的电极加反向偏压时,环形腔内吸收损耗非常大,便无法出射光束。因此,通过在OAM信号发射器11上加直接调制,可以得到高速的OAM信号,且此器件无需外接激光器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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,均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种产生光子轨道角动量OAM信号的光发射器件,其特征在于,包括:在同一衬底上的OAM信号发射器和电吸收EA调制器,EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号,其中,OAM信号发射器采用基于环形腔的角向光栅结构;环形腔内存在回音壁模式WGM;光栅通过对WGM进行提取实现OAM光束的垂直出射;
所述OAM信号发射器产生的OAM信号的阶数l由下式决定:
l=M-N (1)
其中M为环形腔内的周期数,N为光栅数量;
所述OAM信号发射器的谐振波长λring满足:
Mλring/nring=2πR (2)
其中nring为环形腔内有效折射率,R为环形腔半径。
2.一种产生OAM信号的光发射器件,其特征在于,包括:在同一衬底上的分布反馈DFB激光器、OAM信号发射器和EA调制器,DFB激光器产生激光并耦合到OAM信号发射器中,EA调制器调制OAM信号发射器发送强度被调制的OAM信号,其中,OAM信号发射器采用基于环形腔的角向光栅结构;环形腔内存在WGM,光栅通过对WGM进行提取实现OAM光束的垂直出射;
所述OAM信号发射器产生的OAM信号的阶数l由下式决定:
l=M-N (3)
其中M为环形腔内的周期数,N为光栅数量;
所述OAM信号发射器的谐振波长λring满足:
Mλring/nring=2πR (4)
其中nring为环形腔内有效折射率,R为环形腔半径。
3.如权利要求1或2所述的光发射器件,其特征在于,所述OAM信号发射器采用同一外延层结构,由衬底往上,依次包括:下包层、下内包层和下波导层、量子阱或多量子阱有源层、上波导层和上内包层、上包层和欧姆接触层,在n型衬底下方镀有n型电极,在欧姆接触层上镀有DFB激光器或/和EA调制器的p电极,其中,量子阱或多量子阱有源层为高折射率的芯层,下内包层和下波导层以及上波导层和上内包层的折射率次之,下包层和上包层的折射率最低。
4.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,所述OAM信号发射器采用深刻蚀脊波导结构,刻穿量子阱层并深入到衬底中;
所述OAM信号发射器采用孔状的顶部光栅,光栅孔洞的开口刻蚀至上内包层上方。
5.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,所述EA调制器采用深刻蚀脊波导结构,刻穿量子阱层并深入到衬底中。
6.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,在所述EA调制器的P电极和n衬底之间设置绝缘层或低介电常数层。
7.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,所述DFB激光器采用浅刻蚀脊波导结构,多量子阱层不刻蚀。
8.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,所述DFB激光器的光栅结构采用掩埋光栅结构。
9.如权利要求3所述的光发射器件,其特征在于,所述DFB激光器的光栅结构采用侧壁光栅结构。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810373454.1A CN108563041B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201810373454.1A CN108563041B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN108563041A true CN108563041A (zh) | 2018-09-21 |
CN108563041B CN108563041B (zh) | 2021-07-23 |
Family
ID=63536601
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201810373454.1A Active CN108563041B (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN108563041B (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109564362A (zh) * | 2016-11-23 | 2019-04-02 | 洛克利光子有限公司 | 光电装置 |
CN111370994A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 长春理工大学 | 上电极中置电极对角分布垂直腔面发射半导体激光器 |
CN113296188A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-24 | 上海交通大学 | 光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法 |
CN114156732A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-08 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种激光芯片及光模块 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1426138A (zh) * | 2001-12-10 | 2003-06-25 | 中国科学院半导体研究所 | 混合波导结构电吸收调制分布反馈激光器和制作方法 |
CN1452284A (zh) * | 2003-05-01 | 2003-10-29 | 清华大学 | 分布反馈半导体激光器与电吸收调制器集成光源及制法 |
CN102338940A (zh) * | 2011-08-31 | 2012-02-01 | 清华大学 | 基于环腔的电吸收调制器 |
CN105891950A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-08-24 | 福州大学 | 一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器 |
CN107462948A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-12 | 东北大学 | 具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用 |
-
2018
- 2018-04-24 CN CN201810373454.1A patent/CN108563041B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1426138A (zh) * | 2001-12-10 | 2003-06-25 | 中国科学院半导体研究所 | 混合波导结构电吸收调制分布反馈激光器和制作方法 |
CN1452284A (zh) * | 2003-05-01 | 2003-10-29 | 清华大学 | 分布反馈半导体激光器与电吸收调制器集成光源及制法 |
CN102338940A (zh) * | 2011-08-31 | 2012-02-01 | 清华大学 | 基于环腔的电吸收调制器 |
CN105891950A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-08-24 | 福州大学 | 一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器 |
CN107462948A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-12 | 东北大学 | 具有非对称光栅的环状光纤及其在轨道角动量产生中的应用 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
MICHAEL J. STRAIN ET AL: "Fast electrical switching of orbital angular momentum modes using ultra-compact integrated vortex emitters", 《NATURE COMMUNICATIONS》 * |
曹磊 ET AL: "新型InP基光子轨道角动量集成激光器设计与仿真", 《半导体光电》 * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109564362A (zh) * | 2016-11-23 | 2019-04-02 | 洛克利光子有限公司 | 光电装置 |
CN109564362B (zh) * | 2016-11-23 | 2023-12-12 | 洛克利光子有限公司 | 光电装置 |
CN111370994A (zh) * | 2020-03-18 | 2020-07-03 | 长春理工大学 | 上电极中置电极对角分布垂直腔面发射半导体激光器 |
CN113296188A (zh) * | 2021-04-29 | 2021-08-24 | 上海交通大学 | 光子集成芯片上的轨道角动量滤波器实现方法 |
CN114156732A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-08 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 一种激光芯片及光模块 |
WO2023093052A1 (zh) * | 2021-11-29 | 2023-06-01 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光模块 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN108563041B (zh) | 2021-07-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108563041A (zh) | 一种产生光子轨道角动量信号的光发射器件 | |
US8929415B2 (en) | Photonic crystal cavities and related devices and methods | |
JP2959902B2 (ja) | 半導体レーザとそれを有する装置とその製造方法 | |
CN101566777B (zh) | 基于边带注入锁定用于产生高频微波的集成光电子器件 | |
US10985524B1 (en) | High-power hybrid silicon-photonics laser | |
CN102820615B (zh) | 高速激光设备 | |
JP2009542033A (ja) | 電気的にポンピングされる半導体エバネッセント・レーザー | |
US9762027B2 (en) | Beam steering modulated VCSEL | |
CN112467516B (zh) | 一种面发射oam光束的分布反馈激光器及其调制方法 | |
CN108767656A (zh) | 相干光源部件 | |
Hou et al. | Monolithic 40-GHz Passively Mode-Locked AlGaInAs–InP 1.55-$\mu $ m MQW Laser With Surface-Etched Distributed Bragg Reflector | |
CN104953468A (zh) | 四段式放大反馈混沌光发射激光器结构 | |
CN100570969C (zh) | 基于fp激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件 | |
TWI229484B (en) | Distributed feedback laser for isolator-free operation | |
Polasi et al. | Data rates transmission, operation performance speed and figure of merit signature for various quadurature light sources under spectral and thermal effects | |
JP4147858B2 (ja) | 光デバイスおよびその製造方法 | |
Koch et al. | Mode locked and distributed feedback silicon evanescent lasers | |
Rosborough et al. | Integrated transmitter for deep space optical communications | |
JP3799062B2 (ja) | 光通信装置及びシステム | |
TW200537143A (en) | Integrated optical wave guide for light generated by a bipolar transistor | |
CN100416951C (zh) | 一种产生超短光脉冲的单片集成器件的制作方法 | |
US6678444B2 (en) | Low power fiberoptic relay for radio communications | |
CN101719630A (zh) | 一种用于全光时钟恢复的弯曲波导双波长激光器 | |
KR100243659B1 (ko) | 복합 기능 광소자 및 그 제조 방법 | |
CN219677768U (zh) | 产生径向偏振柱矢量光束的太赫兹量子级联激光器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |