CN109038182A - 一种太赫兹波发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹波发射器，该发射器主要包括微腔激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器。三部分通过集成或部分集成形成不同结构的太赫兹波发射器。外部调制信号可以通过调制微腔激光器电流、半导体光放大器电流或光电二极管偏置电压输入太赫兹波发射器。

Description

一种太赫兹波发射器

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件领域，尤其涉及一种基于微腔半导体激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器集成的太赫兹波发射器。

背景技术

光谱位于微波和光波之间的太赫兹波因其具有优良的传播特性，在短距离通信、成像、传感和光谱学等领域有着重大的应用前景。太赫兹技术在通信、医疗、环境和安检等领域已经得到了广泛的应用。亚太赫兹和太赫兹范围的波源(以下简称太赫兹波源)对于应用是必不可少的，并且基于电子、光子和光电子技术的不同太赫兹波源产生方法已经被提出。其中，光电方法产生的太赫兹波，因其高的性能和与集成技术兼容的特性受到越来越多人们的青睐。例如，太赫兹发射器由集成的两个分布布拉格反馈激光器、光放大器和高速的光电二极管混频器构成，两个激光器发射的不同频率激光在光电二极管混频器中产生拍频信号产生太赫兹波。但是因为分布布拉格反馈激光器结构复杂，并且还需要两个激光器，使得整体的制作工艺变得困难、昂贵。因此，这种方法存在很大的缺陷，本发明提出了几种高效稳定，集成度高，制作简单的太赫兹波发射器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

光电方法产生的太赫兹波，因其高的性能和与集成技术兼容的特性受到越来越多人们的青睐，常见的太赫兹波产生方法是由集成的两个分布布拉格反馈激光器、光放大器和高速的光电二极管混频器构成，两个激光器发射的不同频率激光在光电二极管混频器中产生拍频信号产生太赫兹波，但是分布布拉格反馈激光器结构复杂，并且还需要两个激光器，使得整体的制作工艺变得困难、昂贵，因此制作简单有效稳定的太赫兹波产生装置十分必要。

(二)技术方案

本发明提供了一种太赫兹波发射器，该太赫兹波发射器包括：双模微腔激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器，其中：

双模微腔激光器用于产生太赫兹波；

半导体光放大器用于将太赫兹波进行功率放大；

光电二极管混频器用于发射放大后的太赫兹波。

可选地，外部调制信号通过调制双模微腔激光器电流、半导体光放大器电流或光电二极管偏置电压输入太赫兹波发射器。

可选地，双模微腔激光器和半导体光放大器集成在同一外延片上，之间通过刻蚀凹槽绝缘。

可选地，光电二极管混频器的外延结构包括：漂移层、渐变层、吸收层和扩散层。

可选地，双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器之间通过光纤实现光耦合。

可选地，双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器之间混合集成实现光耦合。

可选地，双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器之间采用倒装焊接集成实现光耦合。

可选地，双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器采用单片集成实现光耦合。

可选地，半导体光放大器上依次覆盖p型阻抗匹配层和光电二极管混频器。

可选地，光电二极管放大器上制备有光输入波导，通过调整p型阻抗匹配层的厚度和介电常数来调整光波导到吸收层的光传输功率。

(三)有益效果

本发明基于微腔半导体激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器，通过集成及部分集成生成不同集成程度的太赫兹波发射器。该结构采用一个微腔激光器做太赫兹波源，结构简单，频率可调，并且一个微腔内存在两种具有相关性的模式，以产生稳定的不同频率的太赫兹波；微腔激光器发射的太赫兹波通过半导体光放大器，可以得到足够强的激光输出功率，而后经过单片集成或混合集成的光电二极管混频器将太赫兹波发射出去。该太赫兹波的装置结构简单，制得的太赫兹波稳定，频率调节方便，集成度高，工艺简单。

附图说明

图1是用于刻蚀双模微腔激光器的外延片结构；

图2是正方形微腔激光器结构示意图；

图3是正方形微腔激光器典型的电流-电压和电流-功率特性曲线；

图4是正方形双模微腔激光器的驱动电流和波长差之间函数关系曲线；

图5是不同注入电流下，正方形双模微腔激光器的输出光谱图；

图6是光电二极管混频器的外延层结构示意图；

图7是单行载流子光探测器的结构示意图；

图8是单行载流子光探测器的响应速度特性曲线；

图9是集成蝶形天线的单行载流子光探测器的结构示意图；

图10是微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片的截面图结构示意图；

图11是太赫兹波检测的装置图；

图12是具有两种波长的微腔激光器输出的光谱图；

图13是对应于图12所示的激光输出，利用单行载流子光探测器产生的太赫兹波；

图14是微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器芯片混合集成的结构示意图；

图15是倒装焊技术键合集成的太赫兹波源芯片结构示意图；

图16是单片集成激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器的太赫兹波源集成模块结构图。

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。

本发明为集成的太赫兹波发射器，其主要包括微腔激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器三部分，外部调制信号可以通过调制激光器电流、半导体光放大器电流或光电二极管偏置电压输入太赫兹波源模块。

微腔激光器：如图1所示为用于刻蚀双模微腔激光器的外延片结构，其在n型衬底上依次外延n型接触层、缓变层、有源层、缓变层，p型接触层，其中，有源层为量子阱做的异质结。外延片可以通过传统的方法生长，如MOCVD技术。图2为通过刻蚀图1所示外延片的得到的直连输出波导的正方形微腔激光器，得到具有正方形形状的p型接触层和在其顶部的电流注入窗口。正方形的尺寸等腔的结构参数和操作时的驱动电流可以控制正方形微腔激光器的电压-电流特性和电流-功率特性，例如，图3则为边长(图2中表示为a)为30μm，波导宽度(图2中表示为Wg)为2.5μm，电流注入窗口的宽度(图2中表示为W)为4μm时正方形微腔激光器的电压-电流特性和电流-功率特性；图4则是双模微腔激光器的波长差和驱动电流的关系，表明驱动电流可以控制两个波长的频率差；图5显示了不同驱动电流下，激光的激射光谱，可以看出双模激光器的激射波长在1563nm附近。

光电二极管混频器：如图6所示为光电二极管混频器的外延结构，为充分利用超快的操作速度和高的入射功率冗余，使用单行载流子光探测器，即电子在厚度小于300nm的吸收层产生，在厚度小于600nm的漂移层的强电场下加速。图7为单行载流子光探测器的结构，在该探测器中，InP衬底对波长为1550nm范围的光是透明的，入射的光被单行载流子光探测器的下表面反射进入小面积的光吸收区。光二极管的面积可以做的非常小(大约6μm)用来减少结间电容，实现高速的太赫兹波的响应，如图8所示是结区半径为6μm的单行载流子光探测器的高速响应特性，可以看出响应的截止频率高达110GHz。为了使光汇聚到面积较小的光二极管区和光二极管的有效输出，因此在该单行载流子光探测器的衬底上集成了透镜和天线，透镜可以使半导体光放大器出射的光汇聚在光二极管区域，可以用离子束刻蚀或者先在InP衬底上制作硬光刻胶掩模再利用等离子刻蚀掩模转印技术来制作透镜；天线可以通过合理设计，实现光二极管的有效输出，如图9，给出了在同一基板的绝缘层上制备蝶形天线的方案。

半导体光放大器：制作该半导体光放大器所用外延片与激光器的外延片相同，因此在本发明中将其与激光器集成在同一衬底上。如图10所示，为微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片的截面图结构，半导体光放大器的波导和激光器的出射波导有相同的宽度，波导的长度可以控制光增益，在半导体光放大器波导上设计P型接触层。在激光器和半导体光放大器之间刻蚀凹槽用来绝缘，使其注入电流可以独立进行调节。

放大的输出光耦合进光纤，进入光电二极管混频器，以产生太赫兹波，产生的太赫兹波从连接在二极管混频器的蝶形天线中辐射出去。

基于双模微腔激光器的太赫兹发生器可行性，我们进行了如下验证：

通过制作以上的结构的器件，利用不同频率的两束激光在光电二极管混频器中拍频产生太赫兹波。用微腔激光器、外置的光纤放大器(掺铒光纤放大器)和单行载流子光探测器证实了太赫兹波的产生。

图11是该太赫兹波的检测装置图，利用锥形光纤实现微腔激光器和掺铒光纤放大器的光耦合以及掺铒光纤放大器(大约是32dB的增益)和单行载流子光探测器的光耦合，实验中单行载流子光探测器的特性与图8一致。

图12是在1550nm附近双波长微腔激光器的输出光谱，测试中所用的正方形微腔激光器是边长为16μm的正方形微腔激光器。

图13是单行载流子光探测器输出频率为103.2GHz时的太赫兹信号，对应波长间隔为0.82nm的双模激光器。

通过以上装置和方法证实了利用双模微腔激光器和拍频方法产生太赫兹信号是可行的。

根据激光器和半导体集成芯片与光电二极管混频器芯片的集成程度和集成方式的不同，本发明提供了以下几种具体实施例。

具体实施例1

上述激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器芯片分别与光纤封装形成分离的模块，模块之间通过光纤连接构成太赫兹波发射结构。

具体实施例2

激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器芯片混合集成构成太赫兹波源模块：采用混合集成技术形成紧凑的集成模块。

图14所示为微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器芯片混合集成的结构示意图。光电二极管芯片的透镜制作在光电二极管衬底的后侧，通过主动对准技术，可以使半导体光放大器的波导和光电二极管芯片的透镜之间进行光耦合，当微腔激光器和半导体光放大器与光电二极管混频器都处于工作状态时，可通过调节光电二极管混频器的位置使光电二极管输出信号的功率最大，实现两个芯片的低损耗耦合。在光电二极管衬底的侧表面制作太赫兹天线，由于光电二极管芯片衬底的介电常数比陶瓷衬底的介电常数高很多，所以太赫兹波可以从光电二极管芯片表面的透镜侧有效地辐射。

具体实施例3

激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器芯片倒装焊集成构成太赫兹源模块：利用倒装焊可以形成更紧凑的集成模块。

图15所示为倒装焊技术键合集成的太赫兹波源芯片结构示意图，该芯片由微腔激光器和带有末端倾斜反射面的半导体光放大器的集成芯片与一个在光电二极管基板的背面制作有透镜的光电二极管混合器芯片构成。这两个芯片通过倒装焊技术键合集成，可以通过透明InP衬底进行光耦合，通过主动对准技术或者被动的双平面精确对准技术进行芯片位置的对准。当采用被动对准技术时，芯片的位置可以通过回流焊技术自对准，从而使两芯片之间实现较低的光耦合损耗。

堆叠的芯片键合在有光电二极管的陶瓷基台上，构成太赫兹波源模块。在光电二极管芯片的光电二极管侧表面上制备太赫兹天线，由于光电二极管芯片衬底的介电常数远高于陶瓷衬底，因此太赫兹波可以从光电二极管表面的透镜侧有效地辐射。

具体实施例4

激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器单片集成构成太赫兹波源模块。

图16所示为单片集成激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器的太赫兹波源集成模块，光电二极管混频器制作在半导体光放大器波导的顶端，与上述不同的是在半导体光放大器波导的上盖层和混频器P型层之间增加了中间匹配层，外延片的结构与上述一致。下波导盖板和上吸收层之间的中间层为光波阻抗匹配层，可以通过优化阻抗匹配层的厚度和介电常数(由材料的组分决定)实现光波导到吸收层的最小光功率传输。应该注意的是，工作在太赫兹波段的光电二极管混频器的宽度和长度应该设计的足够小，使其电容最小。并在相同的衬底上，集成一个天线以实现太赫兹波的有效发射。

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)

1.一种太赫兹波发射器，其特征在于，该太赫兹波发射器包括：双模微腔激光器、半导体光放大器和光电二极管混频器，其中：

双模微腔激光器用于产生太赫兹波；

半导体光放大器用于将所述太赫兹波进行功率放大；

光电二极管混频器用于发射所述放大后的太赫兹波。

2.根据权利要求1所述太赫兹波发射器，其特征在于，外部调制信号通过调制所述双模微腔激光器电流、半导体光放大器电流或光电二极管偏置电压输入太赫兹波发射器。

3.根据权利要求1所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述双模微腔激光器和所述半导体光放大器集成在同一外延片上，之间通过刻蚀凹槽绝缘。

4.根据权利要求1所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述光电二极管混频器的外延结构包括：漂移层、渐变层、吸收层和扩散层。

5.根据权利要求3所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与所述光电二极管混频器之间通过光纤实现光耦合。

6.根据权利要求3所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与所述光电二极管混频器之间混合集成实现光耦合。

7.根据权利要求3所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与所述光电二极管混频器之间采用倒装焊接集成实现光耦合。

8.根据权利要求3所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述双模微腔激光器和半导体光放大器的集成芯片与光电二极管混频器采用单片集成实现光耦合。

9.根据权利要求8所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述半导体光放大器上依次覆盖p型阻抗匹配层和光电二极管混频器。

10.根据权利要求9所述太赫兹波发射器，其特征在于，所述光电二极管放大器上制备有光输入波导，通过调整所述p型阻抗匹配层的厚度和介电常数来调整所述光波导到所述吸收层的光传输功率。