CN110137782A - 光电振荡器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括光学芯片和微波芯片的光电振荡器。所述光学芯片是基于集成光学材料基底制作不同光电子器件实现的，光电子器件包括：激光器组件；模式选择器件，与激光器组件相耦接，并被配置为接收来自所述激光器组件的激光，并对所述激光进行选模；光延时单元，与所述模式选择器件相耦接；和探测器，与所述光延时单元相耦接。所述微波芯片基于半导体材料基底上制作微波元件来形成的微波集成电路，微波元件包括：微波处理电路，配置为接收探测器的微波信号，并对微波信号进行信号处理；耦合器，与微波处理电路相耦接，并被配置为将经处理的微波信号的一部分提供给相移器，并输出另一部分；和相移器，被配置为将经相移的微波信号馈送回激光器组件。

Description

光电振荡器
技术领域
本发明涉及集成微波光子学技术领域，尤其涉及一种低相噪、可调谐、混合集成的光电振荡器。
背景技术
微波光子技术被认为是解决目前信息网路所面临的速率和容量瓶颈问题的关键技术之一，其既有电子技术灵活的优点，也有光子技术宽带、可重构和抗干扰的优点。低相位噪声的微波信号被广泛地应用在雷达系统等军事领域，所以高纯度的微波信号产生一直是微波光子学研究的重点。基于光电振荡器可以产生极高纯度的相位噪声，军用级光电振荡器相位噪声可以低至-140dBc/Hz@10kHz。因此，光电振荡器的研究今年来受到了各国科研机构的广泛重视。
传统的光电振荡器主要使用激光器、长光纤、调制器、探测器、滤波器等分立器件组成，尽管能产生高质量的微波信号，但是其体积、重量大，容易受到震动和温度等外界环境的干扰，很难在战场等复杂环境持续稳定地工作。不仅如此，由于其采用多个分立器件，成本较高，同时对整个系统的供电和能耗有着不小的要求，从而导致传统的光电振荡器系统体积大、重量重，成本高和稳定性难以保证等不足之处。
因此，需要一种体积小、重量轻、稳定性高且可调谐的光电振荡器，其能够产生低相噪的微波输出。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的主要目的在于提供一种光电振荡器，以至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
根据本发明的一个方面，提供了一种光电振荡器，包括：光学芯片和微波芯片。所述光学芯片是基于集成光学材料基底制作不同光电子器件实现的，所述光电子器件包括：激光器组件，所述激光器组件配置为发射激光；模式选择器件，与所述激光器组件相耦接，并被配置为接收来自所述激光器组件的激光，并对所述激光进行选模；光延时单元，与所述模式选择器件相耦接，并被配置为从所述模式选择器件接收经选模的光以进行能量存储；和探测器，与所述光延时单元相耦接，并被配置为接收来自光延时单元的储能光，并根据接收到的储能光生成微波信号。所述微波芯片是基于半导体材料基底上制作微波元件来形成的，所述微波元件包括：微波处理电路，配置为接收来自探测器的微波信号，并被配置为对所述微波信号进行信号处理；耦合器，与微波处理电路相耦接，并被配置为接收来自微波处理电路的经处理的微波信号，将所述经处理的微波信号的一部分提供给相移器，并输出所述经处理的微波信号的另一部分；以及相移器，与所述耦合器相耦接，并被配置为从耦合器接收所述经处理的微波信号的一部分，对接收到的所述部分进行相移，并将经相移的微波信号馈送回激光器组件，以调节激光器组件发射的激光。
在一个示例中，所述光延时单元是波导螺旋线，所述波导螺旋线的长度长于2m。
在另一示例中，所述波导螺旋线的长度为3m。
在另一示例中，所述激光器组件实现为配有微波接口的激光器，所述微波接口被配置为从所述耦合器接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来调节所述激光器的输出。
在另一示例中，所述激光器组件实现为激光器和与所述激光器相耦接的调制器，所述调制器被配置为从所述耦合器接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来对所述激光器的输出进行调制。
在另一示例中，所述激光器是分布式反馈激光器。
在另一示例中，所述分布式反馈激光器具有单模的输出，所述输出的中心波长为1550nm，且波长范围是可随注入电流调谐的，调谐范围为4nm。
在另一示例中，所述集成光学材料基底包括有源基底，其中所述激光器组件、所述模式选择器件、所述光延时单元、所述探测器均制作在所述有源基底上。
在另一示例中，所述集成光学材料基底包括有源基底和无源基底，其中所述激光器组件和所述探测器制作在所述有源基底上，且所述模式选择器件和所述光延时单元制作在所述无源基底上。
在另一示例中，所述有源基底是磷化铟基底。
在另一示例中，所述无源基底是氮化硅基底。
在另一示例中，所述光电振荡器还可以包括模斑转换器，制作在有源基底上，并配置为在不同基底之间进行模斑转换。
在另一示例中，光电振荡器还可以包括微带线，其中所述微波芯片通过微带线与光学芯片相连。
在另一示例中，所述微波处理电路包括微波滤波器和微波放大器，分别配置为对微波信号进行滤波和放大。
在另一示例中，所述模式选择器件包括模式选择器件和光栅之一。
附图说明
图1是根据本发明示例实施例的光电振荡器的结构框图；
图2A和图2B是根据本发明示例实施例的光电振荡器的结构框图；
图3示出了根据本发明示例实施例的一个示例的光电振荡器的结构框图；以及
图4是示出了根据本发明示例实施例的光电振荡器的示意图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了根据本发明示例实施例的光电振荡器的结构框图。
本公开提出了一种低相噪、可调谐、混合集成的光电振荡器100。如图1所述，所述光电振荡器100可以包括光学芯片110和微波芯片120。所述光学芯片110是通过在基于集成光学材料基底制作不同光电子器件实现的，所述光电子器件包括激光器组件111、模式选择器件112、光延时单元113以及探测器114。具体地，激光器组件111的输出被传送到模式选择器件112以进行选模。经过选模的光被传送至光延时单元113以进行储能。储能后的光被发送给探测器114。探测器114接收储能后的光并对其进行检测，从而产生微波信号并将微波信号传送至微波芯片120。所述微波芯片120可以是基于半导体材料基底上制作微波元件来形成的。所述微波元件包括微波处理电路121、耦合器122以及相移器123。由探测器114产生的微波信号经微波处理电路121进行信号处理。然后，经过信号处理的微波信号的一部分经由耦合器122划分为两个部分，其中一个部分经相移器123移相后被用作反馈信号并被提供给激光器组件111以调节激光器组件111发射的激光，且另一部分通过电耦合器122耦合输出，从而实现低相噪且可调谐的微波输出。
光学芯片110可以实现在有源基底上，例如，磷化铟基底。此时，激光器组件111、模式选择器件112、光延时单元113以及探测器114可以均制作在例如磷化铟基底的有源基底上，且在上述光电子器件之间可以存在用于连通的波导，例如，无源波导。
激光器组件111可以是能够接收微波信号的任意波导激光器组件。例如，可以将所述激光器组件111实现为配有微波接口的激光器。此时，所述微波接口被配置为从所述耦合器123接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来调节所述激光器的输出。作为另一示例，所述激光器组件111还实现为激光器和与所述激光器相耦接的调制器，所述调制器被配置为从所述耦合器123接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来对所述激光器的输出进行调制。此时，激光器可以是分布式反馈激光器。所述分布式反馈激光器可以具有中心波长为1550nm的单模输出，其波长是可随注入电流调谐的，且调谐范围为4nm。
来自激光器组件111的激光输出可以被传送至模式选择器件112，以进行选模。模式选择器件112可以是具有模式选择机制的光学器件，例如，高Q谐振腔、光栅等。在一个示例中，可以采用Q值高达约107量级且自由光谱范围大于40GHz的高Q谐振腔作为模式选择器件112。
经过选模的光被传送至光延时单元113，以实现最大限度的链路储能。具体地，光延时单元113可以实现为波导螺旋线。更具体地，所述波导螺旋线可以具有相对较长的长度，从而代替传统光电振荡器中的长光纤来实现储能，减小了信号的不稳定性。在一个示例中，所述波导螺旋线的长度优选地大于2m。更优选地，所述波导螺旋线的长度为3m。此外，波导螺旋线可以具有多种形状，例如圆形、方形、三角形或其他任意形状。通过构造如本发明所提出的具有较长长度的波导型光延时单元，有可能得到低相噪的微波信号。
另外，微波芯片120可以实现在例如砷化镓基底的微波基底上。在这种情况下，微波处理电路121、电耦合器122和相移器123可以均制作在所述砷化镓基底上。应注意，根据设计需要，微波基底可以是有源的微波基底和/或无源的微波基底。此外，微波芯片120可以通过微带线与光学芯片110相连。在一个示例中，所述微波处理电路121可以包括诸如微波滤波器和微波放大器的元件。此时，所述信号处理是指经微波滤波器进行滤波和经微波放大器进行放大。
如上所述，根据本发明示例实施例的光电振荡器基于集成光学材料基底制作集成光电子器件并在半导体材料基底上制作集成微波器件，可以实现混合集成的光电振荡器，从而使得所得光电振荡器能够实现体积小、重量轻和稳定性高的特点。此外，根据本发明示例实施例的光电振荡器通过制作具有较长长度的波导螺旋线和模式选择器件并通过将由此生成的微波信号馈送回激光器组件以进行反馈，来实现低相噪、可调谐的微波信号输出。
图2A和图2B示出了根据本公开示例实施例的光学振荡器的结构框图。
如图2A所示的光学振荡器200的结构与图1所示的光学振荡器100的结构相似，因此，相似的附图标记用于表示功能相同或相似的元件。应注意，光学振荡器200和光学振荡器100的不同之处仅在于：在图2A所示的实施例中，光学芯片210可以包括有源芯片210-1和无源芯片210-2二者，其中有源芯片210-1可以实现在有源基底(例如，磷化铟基底)且无源芯片210-2可以实现在无源基底(例如，氮化硅基底)上。此时，激光器组件211和探测器214可以制作在有源基底上，且模式选择器件212和光延时单元213可以制作在无源基底上，这是因为有源基底上制作的波导对信号光的吸收率较大从而使得在其上制作长度较长的光延时单元不利于储能。因此，添加无源基底并将无源光电子器件制作在无源基底上的设计能够实现降低损耗且提高系统效率的目的。
在这种情况下，有源芯片210-1和无源芯片210-2可以直接耦接(见图2A)，或者可以通过模斑转换器相耦接(见图2B)。如图2B所示，当有源芯片210-1和无源芯片210-2通过模斑转换器215-1和215-2耦接时，所述模斑转换器215-1和215-2也可以形成在所述有源基底上。此时，模斑转换器215-1可以被配置为接收来自激光器组件211的输出，在不同基底之间进行模场匹配，并向制作在无源基底中的模式选择器件212输出经过模场匹配的光，而模斑转换器215-2可以被配置为接收来自光延时单元213的光信号，在不同基底之间进行模场匹配，并向探测器214输出经模场匹配的光。这样的设计能够进一步降低系统的光损耗，提高系统效率。
可见，相比于根据图1所示的示例实施例的光电振荡器，根据图2A和图2B所示的示例实施例的光电振荡器能够有效地减小损耗并改善光电振荡器的系统效率。
图3示出了根据本发明示例实施例的一个示例的光电振荡器的结构框图。在图3所示的示例中，光学芯片310可以包括例如磷化铟的有源芯片310-1和例如氮化硅的无源芯片310-2。
如图所示，激光器组件实现为分布式反馈激光器311-1和相位调制器311-2。所述分布式反馈激光器311-1在直流电流的驱动下出射单模激光。出射的激光被传输至相位调制器311-2进行相位调制。然后，经过相位调制的光进入第一模斑转换器315-1进行模斑转换，随后耦合进入无源芯片310-2。高Q谐振腔312接收经过模斑转换的光并抑制所述光的边带，达到选模的目的。随后，经选模的光通过例如螺旋形波导的光延时单元313，以实现储能。储能后的光耦合进入有源芯片310-1上的第二模斑转换器315-2进行模斑转换。此后，光信号经波导传输后进入光电探测器314中，以产生微波信号。所产生的微波信号通过高频微带线进入微波芯片320。具体地，所产生的微波信号经过微波滤波器321-1(例如，带通型微波滤波器)以抑制带外噪声，然后经过微波放大器321-2来放大微波信号的功率。在此之后，一部分的微波信号经由耦合器322输出，而另一部分的微波信号经由耦合器322被提供给相移器323，以便在移相后被进一步加载到相位调制器311-2上以进行反馈。
图4是示出了图3所示的光电振荡器的示意图。
如图4所示，根据本发明示例实施例的光电振荡器可以包括：磷化铟芯片、氮化硅芯片和微波芯片。磷化铟芯片包括：分布式反馈激光器1、磷化铟波导2、电光相位调制器3、第一模斑转换器4、第二模斑转换器7和光电探测器8。氮化硅芯片包括高Q微环谐振腔5和波导螺旋线6。微波芯片包括：高频微带线9、微波滤波器11、微波放大器12、电耦合器13和相移器14。
在具体实施例中，分布式反馈激光器1为单模输出，其输出中心波长可以是1550nm，且波长范围可随注入电流调谐，调谐范围为4nm左右，其输出功率达3dBm。
磷化铟波导2为典型单模波导，主要用于连接磷化铟芯片上的各个光电器件，其损耗约2.5dB/cm左右。
电光相位调制器3集成在磷化铟芯片上，并被配置为基于电光效应来调制光信号。相位调制器3可以具有约0-20GHz的带宽响应，且其损耗低于约6dB。
第一模斑转换器4和第二模斑转换器7可以配置为将磷化铟波导和氮化硅波导的模场进行匹配，其单个端口的耦合损耗可以低于约1.5dB。
高Q微环谐振腔5可以具有可达约107量级的Q值，自由光谱范围大于约40GHz，主要用于抑制相位调制后信号的一个边带，实现相位调制到强度调制的转换。
波导螺旋线6的长度可以为约2m，优选地，长于2m，更优选地，长于3m。波导螺旋线6能够实现充分压低芯片产生微波信号的噪声，具有低损耗的特性，具体地，其损耗约0.5dB/m或低于0.5dB/m。
光电探测器8可以集成在磷化铟芯片上，并具有大于20GHz的带宽和约0.9A/W的响应度。
高频微带线9主要用于连接磷化铟芯片和微波芯片，其能够使由光电探测器产生的微波信号在微波芯片上的传输。例如，高频微带线9所支持信号带宽可达约20GHz。
微波滤波器11可以是带通滤波器，其对产生的微波信号进行带通滤波，例如，抑制约2-18GHz的频带之外的信号，以提高微波信号的质量。在一个示例中，微波滤波器11可以具有约25dB的带外抑制比。
微波放大器12可以放大微波信号的功率，从而保证能够输出足够功率的微波信号并且保证馈送回到相位调制器的微波信号的功率足以进行相位调制。例如，微波放大器12的增益可以为约15dB且其带宽可以相应地具有20GHz。
相移器14用于调整微波信号在传输过程中的相位关系，使微波信号更好地和光电环路长度相匹配，以提高效率。
微波耦合器13将放大后的微波信号进行分束，一部分功率作为反馈调制信号加载到相位调制器上，一部分作为低相位噪声的微波信号输出。
具有如上配置的所述磷化铟芯片、氮化硅芯片和微波芯片共同组成的光电环路构成了一个具有选模机制的反馈环路，其可以产生约-90dBc/Hz@10kHz的相位噪声，2-18GHz可调谐的微波信号。
可见，通过混合集成，如上配置的光电振荡器可以减小体积和重量，降低了功耗，提高了光电振荡器的可靠性。此外，通过引入可调谐的分布式反馈激光器、电光相位调制器和高品质因子微环谐振器，实现了输出微波信号频率的可调谐。另外，通过引入波导螺旋线，可以实现较低的相位噪声，例如，低至-90dBc/Hz@10kHz。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。例如，在不脱离本发明构思的示例实施例的前提下，高Q微环谐振器可以替换为例如光栅等其它具有模式选择机制的光学器件，且微波处理电路除了上述微波滤波器和微波放大器之外，还可以包括其他微波元件，例如，衰减器，移相器等。此外，微波滤波器和微波放大器的数量也可以不限于附图所示的数量，其可以包括更多的或更少的滤波器或放大器。也就是说，所附的附图是简化过且作为例示用，附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。
综上所述，本发明通过片上光电混合集成，极大缩小了光电振荡器的重量和体积，减少了单独复杂的外围供电系统，更利于大规模应用。
此外，还应注意的是本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
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 (15)

1.一种光电振荡器，包括：
光学芯片，其中所述光学芯片是基于集成光学材料基底制作不同光电子器件实现的，所述光电子器件包括：
激光器组件，所述激光器组件配置为发射激光；
模式选择器件，与所述激光器组件相耦接，并被配置为接收来自所述激光器组件的激光，并对所述激光进行选模；
光延时单元，与所述模式选择器件相耦接，并被配置为从所述模式选择器件接收经选模的光以进行能量存储；和
探测器，与所述光延时单元相耦接，并被配置为接收来自光延时单元的储能光，并根据接收到的储能光生成微波信号，以及
微波芯片，其中所述微波芯片是基于半导体材料基底上制作微波元件来形成的，所述微波元件包括：
微波处理电路，配置为接收来自探测器的微波信号，并被配置为对所述微波信号进行信号处理；
耦合器，与微波处理电路相耦接，并被配置为接收来自微波处理电路的经处理的微波信号，将所述经处理的微波信号的一部分提供给相移器，并输出所述经处理的微波信号的另一部分；以及
相移器，与所述耦合器相耦接，并被配置为从耦合器接收所述经处理的微波信号的一部分，对接收到的所述部分进行相移，并将经相移的微波信号馈送回激光器组件，以调节激光器组件发射的激光。
2.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述光延时单元是波导螺旋线，所述波导螺旋线的长度长于2m。
3.根据权利要求11所述的光电振荡器，其中所述波导螺旋线的长度为3m。
4.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述激光器组件实现为配有微波接口的激光器，所述微波接口被配置为从所述耦合器接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来调节所述激光器的输出。
5.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述激光器组件实现为激光器和与所述激光器相耦接的调制器，所述调制器被配置为从所述耦合器接收经相移的微波信号，并根据所述经相移的微波信号来对所述激光器的输出进行调制。
6.根据权利要求5所述的光电振荡器，其中所述激光器是分布式反馈激光器。
7.根据权利要求6所述的光电振荡器，其中所述分布式反馈激光器具有单模的输出，所述输出的中心波长为1550nm，且波长范围是可随注入电流调谐的，调谐范围为4nm。
8.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述集成光学材料基底包括有源基底，其中所述激光器组件、所述模式选择器件、所述光延时单元、所述探测器均制作在所述有源基底上。
9.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述集成光学材料基底包括有源基底和无源基底，其中所述激光器组件和所述探测器制作在所述有源基底上，且所述模式选择器件和所述光延时单元制作在所述无源基底上。
10.根据权利要求8或9所述的光电振荡器，其中所述有源基底是磷化铟基底。
11.根据权利要求9所述的光电振荡器，其中所述无源基底是氮化硅基底。
12.根据权利要求9所述的光电振荡器，还包括模斑转换器，制作在有源基底上，并配置为在不同基底之间进行模斑转换。
13.根据权利要求1所述的光电振荡器，还包括微带线，其中所述微波芯片通过微带线与光学芯片相连。
14.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述微波处理电路包括微波滤波器和微波放大器，分别配置为对微波信号进行滤波和放大。
15.根据权利要求1所述的光电振荡器，其中所述模式选择器件包括模式选择器件和光栅之一。
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