CN114172017B - 微波光子集成直调激光器芯片电路及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微波光子集成直调激光器芯片电路及激光器。该电路包括：微波/毫米波集成电路芯片的输入端用于接收电信号，输出端用于输出电信号；激光器芯片与微波/毫米波集成电路芯片的输出端连接，并设置在微波/毫米波集成电路芯片上，用于将电信号转换为光信号进行输出；光电探测器芯片设置在微波/毫米波集成电路芯片上，且与激光器芯片的设置位置对应，用于接收激光器芯片输出的光信号，并根据光信号对激光器芯片进行反馈控制。本发明实现了光器件与微波/毫米波电路的单片系统集成，提高了直调激光器芯片的频率特性，同时由于各个芯片的体积小，使得集成后的微波光子集成直调激光器芯片的体积也比较小、集成化程度高和一致性高。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种微波光子集成直调激光器芯片电路及激光器。
背景技术
微波光子学是一门发展迅速的交叉学科，它在国防、科学技术以及日常生活的许多方面都得到了越来越广泛的应用。微波光子学主要研究利用光电子学的器件和方法来实现微波/毫米波信号的产生、传输分配和处理等功能。未来对微波光子学提出新的挑战：实现更高速度、带宽、处理能力及动态范围的同时，要求器件和系统具有尺寸小、重量轻、功耗低等特性。
高速直接调制半导体激光器是目前微波光子系统、光纤通信中使用的主要光源器件，具有电光直接转换、响应速度快、体积小、寿命长等特点，其还由于结构简单、经济和容易实现等优点占有重要的地位。目前高速直接调制半导体激光器多采用分立激光器芯片、探测器芯片、电感、电容等器件混合集成的组装方式，将分立的激光器芯片贴装在陶瓷载体上，同时将背光探测器芯片、激光器芯片的偏置电路和输入匹配电路等贴装在陶瓷载体上，集成光电器件的陶瓷载体再装配到激光器封装管壳内，实现高速电光调制的功能，但这样就会引入较大的寄生参数，进而影响器件的高频特性；同时由于分立器件的体积比较大、一致性差，影响器件的集成化、小型化，不利于器件的一致性。
发明内容
本发明实施例提供了一种微波光子集成直调激光器芯片电路及激光器，以解决现有技术中高速直接调制半导体激光器的高频特性和一致性差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种微波光子集成直调激光器芯片电路，包括：微波/毫米波集成电路芯片、激光器芯片和光电探测器芯片；
所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端用于接收电信号，所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端用于输出处理后的电信号；
所述激光器芯片与所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端连接，并设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，用于将接收到的所述处理后的电信号转换为光信号进行输出；
所述光电探测器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，且与所述激光器芯片的设置位置对应，用于接收所述激光器芯片输出的光信号，并对所述光信号进行转换成数字电信号，根据所述数字电信号通过微波/毫米波集成电路芯片对所述激光器芯片进行反馈控制。
在一种可能的实现方式中，所述激光器芯片包括发光二极管；
所述发光二极管的阴极端连接所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端，所述发光二极管的阳极端接地。
在一种可能的实现方式中，所述激光器芯片通过金锡合金焊接或金金键合的方式与所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端连接。
在一种可能的实现方式中，所述激光器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上的边缘位置。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测器芯片为侧面感光的光电探测器，且感光侧面与所述激光器芯片的发光位置对应，以接收所述激光器芯片发出的光信号。
在一种可能的实现方式中，所述微波/毫米波集成电路芯片，包括：微波放大子电路、微波匹配子电路和偏置子电路；
所述微波放大子电路的输入端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端，所述微波放大子电路的输出端连接所述微波匹配子电路的输入端，所述微波匹配子电路的输出端连接所述偏置子电路的输出端后作为所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端，所述偏置子电路的输入端连接预设电压，用于为所述激光器芯片提供所需电压。
在一种可能的实现方式中，所述偏置子电路包括：电容和电感；
所述电容的一端分别连接所述电感的一端后作为所述偏置子电路的输入端，所述电容的另一端接地；
所述电感的另一端作为所述偏置子电路的输出端。
在一种可能的实现方式中，所述光电探测器芯片还用于与控制芯片连接，所述偏置子电路的输入端连接所述控制芯片，所述光电探测器芯片接收所述激光器芯片输出的光信号，转换为反馈电信号发送给所述控制芯片，所述控制芯片将所述反馈电信号转换为数字信号，并根据所述数字信号以及所述激光器芯片的光信号对应的光功率计算输出电流，将所述输出电流输入所述偏置子电路的输入端控制激光器芯片发出的光信号。
第二方面，本发明实施例提供了一种激光器，包括上述任一实施例所述的微波光子集成直调激光器芯片电路。
本发明实施例提供一种微波光子集成直调激光器芯片电路及激光器，通过采用光电异构集成的设计方法，解决了光器件与微波/毫米波集成电路不同材料体系器件的单片集成，实现了光器件与微波/毫米波电路的单片系统集成，从而较现有技术中的分立器件组装方式调高了器件的高频特性，同时由于各个芯片的体积小，使得集成后的微波光子集成直调激光器芯片的体积也比较小，集成化程度高，使得微波光子集成直调激光器芯片的一致性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微波光子集成直调激光器芯片电路的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的微波光子集成直调激光器芯片电路的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的激光器芯片的伏安特性曲线的示意图；
图4是本发明实施例提供的激光器芯片的电流和出射光强的关系的示意图；
图5是本发明微波光子集成直调激光器芯片电路的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的一种微波光子集成直调激光器芯片电路的结构示意图，微波光子集成直调激光器芯片电路，包括：微波/毫米波集成电路芯片10、激光器芯片20和光电探测器芯片30。
所述微波/毫米波集成电路芯片10的输入端用于接收电信号，所述微波/毫米波集成电路芯片10的输出端用于输出处理后的电信号；
所述激光器芯片20与所述微波/毫米波集成电路芯片10的输出端连接，并设置在所述微波/毫米波集成电路芯片10上，用于将接收到的所述处理后的电信号转换为光信号进行输出；
所述光电探测器芯片30设置在所述微波/毫米波集成电路芯片10上，且与所述激光器芯片20的设置位置对应，用于接收所述激光器芯片20输出的光信号，并对所述光信号进行转换成数字电信号，根据所述数字电信号通过微波/毫米波集成电路芯片10对所述激光器芯片20进行反馈控制。
上述微波光子集成直调激光器芯片电路，对光电异构集成直接调制激光器芯片的电路，采用光电异构集成的设计方法，解决了光器件与微波/毫米波集成电路不同材料体系器件的单片集成，实现了光器件与微波/毫米波电路的单片系统集成，从而较现有技术中的分立器件组装方式调高了器件的高频特性，同时由于各个芯片的体积小，使得集成后的微波光子集成直调激光器芯片的体积也比较小，集成化程度高，使得微波光子集成直调激光器芯片的一致性高。
在一实施例中，如图2所示，所述微波/毫米波集成电路芯片10，包括：微波放大子电路101、微波匹配子电路102和偏置子电路103；
所述微波放大子电路101的输入端为所述微波/毫米波集成电路芯片10的输入端，所述微波放大子电路101的输出端连接所述微波匹配子电路102的输入端，所述微波匹配子电路102的输出端连接所述偏置子电路103的输出端后作为所述微波/毫米波集成电路芯片10的输出端，所述偏置子电路103的输入端连接预设电压，用于为所述激光器芯片20提供所需电压。电信号输入微波放大子电路101，经微波放大子电路101放大电信号后，微波匹配子电路102对放大的电信号进行匹配处理，与偏置子电路103输入的电信号结合输入到激光器芯片20中，使得激光器芯片20输出包含输入电信号的光信号。
微波放大子电路101、微波匹配子电路102和偏置子电路103共同构成微波/毫米波集成电路芯片10，采用通用的CMOS工艺，微波/毫米波集成电路芯片10的集成尺寸与位置遵循基本的集成电路原理。需要说明的是，微波/毫米波集成电路芯片10可以为PCB版上设置金属图案，然后在对应的位置上焊接微波放大子电路101、微波匹配子电路102和偏置子电路103，得到如图2所示微波/毫米波集成电路芯片10的平面示意图。
微波/毫米波集成电路芯片10采用半导体(如：GaAs、GaN、Si基)集成电路工艺制备得到，可以实现直接调制激光器芯片20的微波放大子电路101、微波匹配子电路102、偏置子电路103等集成芯片，实现对激光器芯片20、光电探测器芯片30等器件的光电异构集成的载体。
偏置子电路103输入的预设电压用于为所述激光器芯片20提供所需电压，以使得激光器芯片20的电压处于死区电压边缘，如图3，激光器芯片20在0V时并不会表现出相应的伏安特性曲线的线性段，微波放大子电路101的输入端输入的电信号通过微波匹配子电路102进入激光器芯片20后，激光器芯片20可以发出光信号，此时激光器芯片20的电压由死区电压进入线性区。死区电压的范围可以为±1V。
可选的，如图2所示，所述偏置子电路103包括：电容和电感；
所述电容的一端分别连接所述电感的一端后作为所述偏置子电路103的输入端，所述电容的另一端接地；
所述电感的另一端作为所述偏置子电路103的输出端。
在一实施例中，所述激光器芯片20包括发光二极管；
所述发光二极管的阴极端连接所述微波/毫米波集成电路芯片10的输出端，所述发光二极管的阳极端接地。参见图2所示，发光二极管的阴极端分别连接微波匹配子电路102的输出端以及所述偏置子电路的输出端。
所述激光器芯片20通过金锡合金焊接或金金键合的方式与所述微波/毫米波集成电路芯片10的输出端连接。从而实现激光器芯片20与底层微波/毫米波集成电路芯片10堆叠集成，实现激光器芯片20与微波/毫米波集成电路芯片10的信号互连。通过激光器芯片20的底部与微波/毫米波集成电路芯片10的金属连接可以实现激光器芯片20的快速散热，同时微波/毫米波集成电路芯片10上连接的其他金属器件，也可以进一步快速散热。
所述激光器芯片20设置在所述微波/毫米波集成电路芯片10上的边缘位置。如图5所示，将激光器芯片20设置在所述微波/毫米波集成电路芯片10上的右侧边缘位置，这样激光器芯片20所固有的发射角发出的光斑比较紧密，光斑不易被微波/毫米波集成电路芯片10上的其他器件遮挡，光电探测器芯片30也几乎可以接收到全部的光，从而提高光电探测器芯片30探测到的光信号的准确度，辅助实现激光器芯片20输出光功率的准确控制。
在一实施例中，所述光电探测器芯片30为侧面感光的光电探测器，且感光侧面与所述激光器芯片的发光位置对应，以接收所述激光器芯片20发出的光信号。参见图5，激光束打到光电探测器芯片30的侧面，侧面为光电探测器芯片30的感光面。
再结合图2，所述光电探测器芯片30还用于与控制芯片40连接，所述偏置子电路103的输入端连接所述控制芯片40，所述光电探测器30接收所述激光器芯片20输出的光信号，转换为反馈电信号发送给所述控制芯片40，所述控制芯片40将所述反馈电信号转换为数字信号，并根据所述数字信号以及所述激光器芯片20的光信号对应的光功率计算输出电流，将所述输出电流输入所述偏置子电路103的输入端控制激光器芯片20发出的光信号，为激光器芯片20提供稳定电流源，使激光器芯片20的电压在线性区进行调节，可以发出希望得到的光信号，如图3所示，这样可以实现激光器芯片20直接反馈控制，使得可以精确控制激光器芯片20的光功率输出。
如图4所示，输入激光器芯片20的电流和激光器芯片20发出的光强的关系示意图，随着电流的增大，激光器芯片20发出的光强增加，当输入的电流达到一定值时，激光器芯片20发出的光信号对应的光强逐渐趋于平稳。
上述微波光子集成直调激光器芯片电路，采用光电芯片三维堆叠异构集成设计，解决了光器件与微波/毫米波集成电路不同材料体系器件的单片集成，实现了光器件与微波/毫米波电路的单片系统集成，从而较现有技术中的分立器件组装方式提高了直调激光器芯片的频率特性，实现宽带直调激光器芯片，同时由于各个芯片的体积小，使得集成后的微波光子集成直调激光器芯片的体积也比较小，集成化程度高，使得微波光子集成直调激光器芯片的一致性高。同时激光器芯片设置在微波/毫米波集成电路芯片的边缘位置，并采用侧面感光的光电探测器芯片，从而提高光电探测器芯片探测到的光信号的准确度，辅助实现激光器芯片输出光功率的准确控制。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明实施例还提供一种激光器，包括上述任一实施例提供的微波光子集成直调激光器芯片电路，并且具有上述任一实施例提供的微波光子集成直调激光器芯片电路带来的有益效果。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，包括：微波/毫米波集成电路芯片、激光器芯片和光电探测器芯片；
所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端用于接收电信号，所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端用于输出处理后的电信号；
所述激光器芯片通过金锡合金焊接或金金键合的方式与所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端连接，并设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，用于将接收到的所述处理后的电信号转换为光信号进行输出；
所述光电探测器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上，且与所述激光器芯片的设置位置对应，用于接收所述激光器芯片输出的光信号，并对所述光信号进行转换成数字电信号，根据所述数字电信号通过微波/毫米波集成电路芯片对所述激光器芯片进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述激光器芯片包括发光二极管；
所述发光二极管的阴极端连接所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端，所述发光二极管的阳极端接地。
3.根据权利要求1所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述激光器芯片设置在所述微波/毫米波集成电路芯片上的边缘位置。
4.根据权利要求1所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述光电探测器芯片为侧面感光的光电探测器，且感光侧面与所述激光器芯片的发光位置对应，以接收所述激光器芯片发出的光信号。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述微波/毫米波集成电路芯片，包括：微波放大子电路、微波匹配子电路和偏置子电路；
所述微波放大子电路的输入端为所述微波/毫米波集成电路芯片的输入端，所述微波放大子电路的输出端连接所述微波匹配子电路的输入端，所述微波匹配子电路的输出端连接所述偏置子电路的输出端后作为所述微波/毫米波集成电路芯片的输出端，所述偏置子电路的输入端连接预设电压，用于为所述激光器芯片提供所需电压。
6.根据权利要求5所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述偏置子电路包括：电容和电感；
所述电容的一端分别连接所述电感的一端后作为所述偏置子电路的输入端，所述电容的另一端接地；
所述电感的另一端作为所述偏置子电路的输出端。
7.根据权利要求5所述的微波光子集成直调激光器芯片电路，其特征在于，所述光电探测器芯片还用于与控制芯片连接，所述偏置子电路的输入端连接所述控制芯片，所述光电探测器芯片接收所述激光器芯片输出的光信号，转换为反馈电信号发送给所述控制芯片，所述控制芯片将所述反馈电信号转换为数字信号，并根据所述数字信号以及所述激光器芯片的光信号对应的光功率计算输出电流，将所述输出电流输入所述偏置子电路的输入端控制激光器芯片发出的光信号。
8.一种激光器，其特征在于，包括上述权利要求1-7中任一项所述的微波光子集成直调激光器芯片电路。
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2021
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