CN112366522A - 高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产品和应用 - Google Patents

高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产品和应用，包括：半导体光放大器阵列，为N个波长的通道提供增益；相位延迟线阵列，包含不同长度的相位延迟线，分别补偿各波长通道的增益光由于色散效应带来的不同有效光程差；平坦化的阵列波导光栅，对经过有效光程差补偿的增益光进行多路复用，将N路光脉冲信号复用为1路光脉冲信号；饱和吸收体，并与阵列波导光栅形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；半导体光放大器用于对所述饱和吸收体的输出脉冲进行增益并输出，具有体积小、质量轻、功耗低、稳定性高和耐电磁干扰的特点，能够输出高重频多波长超短脉冲，可以完美应用于高速光子模数转换器。

Description

高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产 品和应用
技术领域
本发明属于化合物半导体光子集成技术领域，具体涉及一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产品和应用。
背景技术
高重频多波长半导体超短脉冲光子集成芯片可以完美的产生多路不同波长且同步的高速率光脉冲信号，通过波分复用(WDM)技术最终产生重复频率高达100GHz、200GHz至N×100GHz的高质量光脉冲信号序列。该芯片可以为下一代100GHz继而之后更高速的高速光子模数转换器(ADC)系统中的核心光脉冲源提供一个高性能、小型化、低成本，可批量生产的理想芯片级解决方案。模数转换器ADC的作用是将真实世界中连续变换的模拟信号转换为计算机可以读懂并处理的离散的数字信号的器件。ADC在现代通讯网络系统中有着重要的地位，且其应用极度广泛，如在雷达系统、高速高分辨率的图像和视频显示、基站的接收机以及高性能传输器和控制器中等。
现如今的ADC多为传统电学ADC，其受限于“电子瓶颈”只能处理带宽不超过10GHz的信号，难以达到更高速度。随着光电子技术的发展，光子ADC的概念被提出，其利用光子学超高带宽的优势克服电子ADC的抖动问题，突破当前技术瓶颈将ADC的性能拔高到新的水平。但是目前光子ADC都是基于分立器件实现，体积和功耗较大，系统的稳定性也随之降低，极大地限制了光子ADC的应用。
目前，国际上已报道的产生多波长短脉冲光源的方案主要有用谱切割方式，或光纤锁模激光器、外腔式主动锁模激光器等。上述所有产生多波长脉冲的方法多数系统结构复杂、且需要诸多精密光学元件，体积庞大，价格昂贵，更重要的是难以达到高重频的脉冲输出，不是应用于光采样电量化ADC的高重频多波长光源的良选。国内对于多波长锁模激光器的研究也一直在进行，但主要集中在光纤锁模激光器。
半导体锁模光子集成芯片因其结构紧凑、波长调谐灵活、工作高效等优点，近年来成为诸多科学工作者研究的热点对象。如前文所说，由于目前光采样电量化ADC都是基于分立器件实现，体积大、功耗高、系统的稳定性低，使得光子ADC的应用随之受限。
目前，国内外对多波长半导体锁模激光芯的研究已经取得了一定的成果。在2010年，英国格拉斯哥大学的Lianping Hou等人使用量子阱混杂(QWI)技术首次实现了四波长半导体锁模激光器，但四通道的输出频率不完全一致。加州理工学院此前报道了由9个并行的碰撞锁模激光器(CPM)构成的集成芯片，9个锁模激光器只能独立工作。总的来说，各方案具有诸多缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法及产品，该锁模光子集成芯片具有体积小、质量轻、功耗低、稳定性高和耐电磁干扰的特点，能够输出高重频多波长超短脉冲。
本发明的另一目的是提供一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片作为高速光子模数转换器的发射光源的应用。
为实现上述发明的，本发明提供的技术方案为：
第一方面，一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，设计所述锁模光子集成芯片包括的部件有半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、阵列波导光栅、饱和吸收体以及半导体光放大器，相邻部件之间通过无源波导连接；
其中，所述半导体光放大器阵列分别单独为N个不同波长的通道提供增益，N为大于等于2的整数；
所述相位延迟线阵列维度与所述半导体光放大器阵列维度相同，所述相位延迟线阵列包含由无源波导材质制作的不同长度的相位延迟线，各个长度的相位延迟线分别补偿各波长通道的增益光由于色散效应产生的不同有效光程差；
所述阵列波导光栅采用平坦化设计，用于对经过有效光程差补偿的增益光进行多路复用，将N路光脉冲信号复用为1路光脉冲信号；
所述饱和吸收体连接在所述阵列波导光栅的输出端，并与阵列波导光栅形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；
所述半导体光放大器用于对所述饱和吸收体的输出脉冲进行增益并输出；
在锁模光子集成芯片的设计方法中，设计所述饱和吸收体设于锁模光子集成芯片的腔长的1/M处，对所述半导体光放大器阵列和所述半导体光放大器施加正向电流，在饱和吸收体施加反向偏置电压，能够实现M倍于基频的高重频光脉冲输出。
第二方面，一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片，通过上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法得到。
本发明提供的锁模光子集成芯片具有的有益效果至少包括：
部件之间通过无源波导连接，将所有部件紧密地结合到一起，解决了分离器件会产生的器件之间的耦合损耗、无法压缩的体积和高成本、功耗大等问题；各个波长通过平坦化的阵列波导光栅决定，免去传统DFB、DBR激光器中复杂的光栅制作和光栅掩埋生长工艺，提高器件成品率，降低了器件成本，同时，平坦化AWG的引入，使得整个芯片产生的多波长脉冲信号谱线更窄，脉冲质量更高。
第三方面，一种高速光子模数转换器，包括上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片作为光源。
由于上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片具有以上有益效果，使得上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片可以完美应用于高速光子模数转换器上，打破传统模数转换器速度瓶颈，为100GHz、200GHz以及之后更高速率的网络建设提供技术保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例提供的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的结构示意图，图中N＝10,图示为10通道的锁模光子集成芯片；
图2(a)和图2(b)分别是实施例提供的FP激光器未增加阵列波导光栅和增加阵列波导光栅的光谱图。
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，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的结构示意图。如图1所示，该高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片按照光信号传输方向依次包括的部件有由N个(N为大于等于2的整数，根据需求任意设置)半导体光放大器(SOA)组成的半导体光放大器阵列(SOA Array)、由N个(与SOA阵列中SOA数量相同)不同长度和弯曲程度的无源相位延迟线组成的相位延迟线阵列(Delay Lines)、阵列波导光栅(AWG)、共用的饱和吸收体(SA)、半导体光放大器(SOA Amp)，部件之间通过无源波导相连接。其中，半导体光放大器阵列中的N个SOA分别为N个波长的通道提供增益，不同长度和弯曲程度的无源相位延迟线对各个波长通道由于色散效应带来的有效光程差进行了补偿，平坦化设计的AWG对经过有效光程差补偿的宽普增益光进行波长选择，与连接在其输出端的共用SA形成N个独立而又同步的波长锁模通道，最后输出脉冲光通过SOA Amp实现增益并输出。实际制备时，SOA Array、Delay Lines、平坦化的AWG、SA、SOA Amp五个部件制作在同一衬底上，并由无源波导相连，这五个部件以及将其连接起来的无源波导连同器件两端的解理面(CleavedFacet)共同形成了高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片。
在制备实施例提供的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片时，只需要调整SOA Array和SOA Array中的半导体增益材料，并保证调整后的半导体增益材料可以产生足够的增益即可以获得满足激光输出条件的任何波段的脉冲光。上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的输出脉冲频率也是可调的，可调范围极广，可以为1至几百GHz。其中，单片集成半导体锁模激光器的重复频率可以通过增加谐波阶数来提升，而提高谐波阶数可以通过设计调整锁模光子集成芯片结构来实现。在锁模光子集成芯片结构中，设计将SA结构位于锁模光子集成芯片腔长的1/M处，其中，M为整数，可以根据需求任意设置M值，SA区两侧的SOA Array增益区和SOA Amp增益区被施加正向电流，在SA区施加反向偏置电压，在一定条件下可提升脉冲整形作用实现M倍于基频的高重频光脉冲输出。
上述锁模光子集成芯片通过引入半导体可饱和吸收体达到锁模条件。工作时在增益区加正向电流形成增益，而吸收区加反向偏压来提供锁模启动机制，从而获得较窄的连续脉冲输出。
在上述锁模光子集成芯片中引入AWG结构时，AWG的插入损耗会直接影响了光脉冲的宽度，使得通过AWG通道的脉冲宽度比锁模之后的脉冲宽度宽很多。图2(a)和图2(b)分别是实施例提供的激光器未增加阵列波导光栅和增加阵列波导光栅的光谱图。分析图2(a)换热图2(b)可以得到，插入AWG会引入AGW的插入损耗。
为了解决AWG的插入损耗影响光脉冲宽度的问题，实施例中，在锁模光子集成芯片引入平坦化的AWG，得到一个平坦化的传输带宽。在所述阵列波导光栅的波导入射面设计有产生双重高斯模场的多模干涉仪来提升阵列波导光栅的传输带宽。
在设计锁模光子集成芯片的过程中，可以采用FROG(Frequency-ResolvedOptical Grating)来测试输出的脉冲信号的啁啾特性。FROG脉冲分析仪可以实现对脉冲在时域和频域的强度和相位测试，从而得到脉冲信号的全部信息，FROG在更加准确的测量脉冲宽度的同时还能够测试出锁模脉冲的相位和啁啾信息。
在用FROG分析锁模脉冲的啁啾特性之后，可以分析研究DC源(在SOA Array和SOAAmp增益区施加的正向电流与SA区施加的反向偏压)和外部RF源(RF的功率和频率)对减小脉冲宽度的影响。从而使锁模光子集成芯片的时间带宽积临近脉冲型的转换极限值(确定的常数)，来有效地降低输出脉冲的啁啾。
在设计锁模光子集成芯片时，还发现锁模光子集成芯片在工作中产生的光脉冲时间抖动会直接影响光采样ADC的性能。在光子ADC实际应用系统中，锁模光子集成芯片输出的光脉冲信号需要具有较低的时间抖动，来满足100G ADC需求。
为了大大降低输出光脉冲信号的时间抖动，对锁模光子集成芯片采用混合锁模方式。具体地，在所述饱和吸收体上增加外部RF源和偏置器，利用偏置器将施加于饱和吸收体的反向偏置电压和RF时钟信号合并到一起，利用地-信号(GS)探针施加在饱和吸收体以实现混合锁模。
在研究的过程中发现，锁模光子集成芯片的输出脉冲信号宽度对外部RF时钟源的调谐频率和输出功率很敏感。因此，实施例通过优化RF时钟信号的输出频率和输出功率以降低锁模光子集成芯片的光脉冲时间抖动。经过探究得到，当RF时钟信号的输出功率大于20dBm时光脉冲时间抖动降低到1ps以下。
上述锁模光子集成芯片具有体积小、质量轻、功耗低、稳定性高和耐电磁干扰的特点，便于日后大规模批量生产用于网络建设部署。不仅如此，高重频多波长短脉冲源在基于当前波分复用(WDM)技术的核心网，甚至下一代光混合模式时分-波分复用(OTDM-WDM)核心网、光无源接入网(OTDM-WDM PON)中，都会有大量且重要的应用。
实施例还提供了一种高速光子模数转换器，上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片作为高速光子模数转换器的光源。
由于上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片具有以上有益效果，使得上述高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片可以完美应用于高速光子模数转换器上，利用锁模光子集成芯片来产生超稳定的光脉冲序列进行采样，可以应用于高采样率的光子ADC中。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，设计所述锁模光子集成芯片包括的部件有半导体光放大器阵列、相位延迟线阵列、阵列波导光栅、饱和吸收体以及半导体光放大器，相邻部件之间通过无源波导连接；
其中，所述半导体光放大器阵列分别单独为N个不同波长的通道提供增益，N为大于等于2的整数；
所述相位延迟线阵列维度与所述半导体光放大器阵列维度相同，所述相位延迟线阵列包含由无源波导材质制作的不同长度的相位延迟线，各个长度的相位延迟线分别补偿各波长通道的增益光由于色散效应产生的不同有效光程差；
所述阵列波导光栅采用平坦化设计，用于对经过有效光程差补偿的增益光进行多路复用，将N路光脉冲信号复用为1路光脉冲信号；
所述饱和吸收体连接在所述阵列波导光栅的输出端，并与阵列波导光栅形成N个独立而又同步的不同波长锁模光脉冲通道；
所述半导体光放大器用于对所述饱和吸收体的输出脉冲进行增益并输出。
2.如权利要求1所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，设计所述饱和吸收体设于锁模光子集成芯片的腔长的1/M处，对所述半导体光放大器阵列和所述半导体光放大器施加正向电流，在饱和吸收体施加反向偏置电压，能够实现M倍于基频的高重频光脉冲输出。
3.如权利要求1所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，在所述阵列波导光栅的波导入射面设计有多模干涉仪来提升阵列波导光栅的传输带宽。
4.如权利要求1所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，通过控制锁模光子集成芯片的时间带宽积临近脉冲型的转换极限值，来降低输出脉冲的啁啾。
5.如权利要求1所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，在所述饱和吸收体上增加外部RF源和偏置器，利用偏置器将施加于饱和吸收体的反向偏置电压和RF时钟信号合并到一起，利用地-信号探针施加在饱和吸收体以实现混合锁模。
6.如权利要求5所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法，其特征在于，通过优化RF时钟信号的输出功率和输出频率以降低锁模光子集成芯片的光脉冲时间抖动。
7.一种高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片，其特征在于，通过权利要求1～6任一项所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片的设计方法得到。
8.一种高速光子模数转换器，其特征在于，包括所述权利要求6所述的高重频多波长超短脉冲的锁模光子集成芯片作为光源。
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