CN114124239B - 一种集成化光电振荡器及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种集成化光电振荡器及系统，集成化光电振荡器包括自下而上依次层叠布置的基底、下包层、铌酸锂薄膜和上包层；铌酸锂薄膜上布置有相位调制器、光子晶体光纤谐振腔和探测器；相位调制器包括铌酸锂波导；光子晶体光纤谐振腔具有输入端光纤和输出端光纤；输入端光纤与铌酸锂波导耦合连接；输出端光纤与探测器耦合连接。本申请提供的集成化光电振荡器将相位调制器、光子晶体光纤谐振腔以及探测器一体集成在铌酸锂薄膜上，即将分立的光学元件进行混合一体集成，使得该光电振荡器整体结构更加紧凑，有利于缩小光电振荡器的体积，此外，利用铌酸锂薄膜相位调制器取代传统大尺寸体材料的相位调制器，提高了系统的集成度，有利于系统小型化。

Description

一种集成化光电振荡器及系统
技术领域
本申请涉及光电振荡器技术领域，尤其涉及一种集成化光电振荡器及系统。
背景技术
近年来国内外开始关注运用微波光子结合技术的光生微波源用于雷达、卫星通信、电子对抗中微波本振信号的产生。目前光生微波产生方法主要包括电光调制、光外差、光谐波、光电振荡器等。相对于其他方法，光电振荡器(OEO)技术利用光纤的低损耗、大储能特性，通过光纤储能和延迟的方法，能产生高频谱纯度的微波电信号输出，是一种可实现频率精度、稳定度、相位噪声性能都显著优于传统电振荡器和其它光学本振源的新型振荡源。目前已得到了相位噪声优于－140dBc/Hz@10kHz的10GHz低相噪微波本振输出。不过随着微波光子雷达研究不断深入，早期光生微波源为了确保OEO工作在单一模式，必须采用高选择带通滤波器。通常采用电学带通滤波器。电学带通滤波器有两个限制，其一是不可调或者非常有限的可调范围，因此产生的微波信号通常为固定频率或者小可调范围。其二是高频电学带通滤波器通常具有高的频率，为了确保单一频率工作，带宽要非常小，因此限制其高频工作，因此传统基于光纤环谐振腔的分立光电子器件构建的光生微波源虽然显著优于传统电振荡器和其它光学本振源，但是其包含多个有源器件、结构复杂、体积较大，为此，本申请提出一种集成化光电振荡器及系统。
发明内容
本申请的目的是针对现有技术中的不足，基于铌酸锂薄膜材料高电光系数、易于集成的特点和空心光子晶体光纤谐振腔光学高延时、尺寸小等特点，提供一种集成度高、制备工艺简单、易于封装的集成化光电振荡器及系统。
第一方面，本申请提供一种集成化光电振荡器，包括自下而上依次层叠布置的基底、下包层、铌酸锂薄膜和上包层；所述铌酸锂薄膜上布置有相位调制器、光子晶体光纤谐振腔和探测器；所述相位调制器包括铌酸锂波导；所述光子晶体光纤谐振腔具有输入端光纤和输出端光纤；所述输入端光纤与所述铌酸锂波导耦合连接；所述输出端光纤与所述探测器耦合连接。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述铌酸锂波导包括模斑转换波导和直波导；所述模斑转换波导和所述直波导采用干法刻蚀工艺制作于所述铌酸锂薄膜中。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述基底为表面抛光的硅晶片。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述上包层和所述下包层分别为二氧化硅层。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述探测器为Ge探测器或InGaAs高速探测器。
根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述铌酸锂薄膜的厚度为300～1000nm。
第二方面，本申请提供一种包括上述集成化光电振荡器的集成化光电振荡器系统，该集成化光电振荡器系统还包括：光源、电学滤波器、电学放大器以及射频耦合器；所述光源发出的光经所述相位调制器、所述光子晶体光纤谐振腔后射入所述探测器，所述探测器将光信号转换为射频电信号，射频电信号经所述电学滤波器滤波和所述电学放大器放大后输入至所述射频耦合器；所述射频耦合器的输出端作为所述集成化光电振荡器系统的输出端，并连接至所述相位调制器的输入端。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请提供的集成化光电振荡器将相位调制器、光子晶体光纤谐振腔以及探测器一体集成在同一基片(铌酸锂薄膜)上，即将分立的光学元件进行混合一体集成，使得该光电振荡器整体结构更加紧凑，有利于缩小光电振荡器的体积，此外，利用铌酸锂薄膜相位调制器取代传统大尺寸体材料的相位调制器，提高了系统的集成度，有利于系统小型化。
附图说明
图1为本申请实施例1提供的集成化光电振荡器的结构示意图；
图2为本申请实施例1提供的集成化光电振荡器的铌酸锂波导的俯视结构示意图；
图3为图2中A-A剖视结构示意图；
图4为本申请实施例1提供的集成化光电振荡器的光子晶体光纤谐振腔的结构示意图；
图5为本申请实施例2提供的集成化光电振荡器系统的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、集成化光电振荡器；2、基底；3、下包层；4、铌酸锂薄膜；5、上包层；6、电极；7、相位调制器；8、光子晶体光纤谐振腔；8-1、输入端光纤；8-2、输出端光纤；9、探测器；10-1、模斑转换波导；10-2、直波导；11、光源；12、电学滤波器；13、电学放大器；14、射频耦合器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
请参考图1至图4，本实施例提供一种集成化光电振荡器，包括自下而上依次层叠布置的基底2、下包层3、铌酸锂薄膜4和上包层5；其中基底2为表面抛光的硅晶片，上包层5和下包层3分别为二氧化硅层，铌酸锂薄膜4的厚度为300～1000nm。
所述铌酸锂薄膜4上布置有相位调制器7、光子晶体光纤谐振腔8和探测器9；所述相位调制器7包括铌酸锂波导和起调制作用的电极6，电极6位于所述上包层5的上表面；所述铌酸锂波导包括模斑转换波导10-1和直波导10-2；所述模斑转换波导10-1和所述直波导10-1采用干法刻蚀工艺制作于所述铌酸锂薄膜4中；所述光子晶体光纤谐振腔8的结构如图4所示，其具有输入端光纤8-1和输出端光纤8-2；所述输入端光纤8-1与所述铌酸锂波导的所述直波导10-2相对远离所述模斑转换波导10-1的一端采用端面直接耦合进行光互连；所述输出端光纤8-2与所述探测器9的输入端耦合连接；所述探测器9为Ge探测器或InGaAs高速探测器。
在使用时，光束依次经过所述相位调制器7、所述光子晶体光纤谐振腔8和所述探测器9，具体地，所述光束依次经过所述模斑转换波导10-1、所述直波导10-2后经所述输入端光纤8-1射入所述光子晶体光纤谐振腔8，再经所述输出端光纤8-2射入所述探测器9。
本实施例提供的集成化光电振荡器，将相位调制器7、光子晶体光纤谐振腔8以及探测器9一体集成在同一基片(铌酸锂薄膜4)上，即将分立的光学元件进行混合一体集成，使得该光电振荡器整体结构更加紧凑，并利用铌酸锂薄膜相位调制器取代传统大尺寸体材料的相位调制器，提高了系统的集成度，有利于系统小型化的发展需求。
实施例2
请参考图5，本实施例提供一种集成化光电振荡器系统，该系统包括如实施例1所述的集成化光电振荡器1、光源11、电学滤波器12、电学放大器13以及射频耦合器14；所述光源11靠近所述相位调制器7设置，具体地靠近所述相位调制器7的模斑转换波导10-1；所述电学滤波器12为MEMs带通滤波器；所述电学放大器13为GaAs低噪声射频放大器，噪声系数小于等于2；所述射频耦合器14为GaAs射频耦合器，耦合系数在15～20dB之间。
所述光源11发出的光首先由所述模斑转换波导10-1进入所述相位调制器7，然后经所述直波导10-2、所述输入端光纤8-1进入所述光子晶体光纤谐振腔8后，经所述输出端光纤8-2射出，从所述输出端光纤8-2输出的光信号被所述探测器9转换为射频电信号，射频电信号经所述电学滤波器12进行滤波、经所述电学放大器13进行放大后进入所述射频耦合器14，经所述射频耦合器14后分成两路，其中一路输入到所述相位调制器7中，形成一个环路，当满足环路增益大于1时，则发生振荡，最终经所述射频耦合器14的另一路振荡输出稳定的微波信号。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种集成化光电振荡器，其特征在于，包括自下而上依次层叠布置的基底(2)、下包层(3)、铌酸锂薄膜(4)和上包层(5)；所述铌酸锂薄膜(4)上布置有相位调制器(7)、光子晶体光纤谐振腔(8)和探测器(9)；所述相位调制器(7)包括铌酸锂波导和起调制作用的电极(6)；所述电极(6)位于所述上包层(5)的上表面；所述铌酸锂波导包括模斑转换波导(10-1)和直波导(10-2)；所述模斑转换波导(10-1)和所述直波导(10-2)采用干法刻蚀工艺制作于所述铌酸锂薄膜(4)中；所述光子晶体光纤谐振腔(8)具有输入端光纤(8-1)和输出端光纤(8-2)；所述输入端光纤(8-1)与所述铌酸锂波导耦合连接；所述输出端光纤(8-2)与所述探测器(9)耦合连接。
2.根据权利要求1所述的集成化光电振荡器，其特征在于，所述基底(2)为表面抛光的硅晶片。
3.根据权利要求1所述的集成化光电振荡器，其特征在于，所述上包层(5)和所述下包层(3)分别为二氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的集成化光电振荡器，其特征在于，所述探测器(9)为Ge探测器或InGaAs高速探测器。
5.根据权利要求1所述的集成化光电振荡器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜(4)的厚度为300～1000nm。
6.一种包含如权利要求1-5任一项所述集成化光电振荡器(1)的集成化光电振荡器系统，其特征在于，还包括：光源(11)、电学滤波器(12)、电学放大器(13)以及射频耦合器(14)；所述光源(11)发出的光经所述相位调制器(7)、所述光子晶体光纤谐振腔(8)后射入所述探测器(9)，所述探测器(9)将光信号转换为射频电信号，射频电信号经所述电学滤波器(12)滤波和所述电学放大器(13)放大后输入至所述射频耦合器(14)；所述射频耦合器(14)的输出端作为所述集成化光电振荡器系统的输出端，并连接至所述相位调制器(7)的输入端。
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