集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器的制造方法
【專利摘要】一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，包括：一電注入回音壁模式激光器；一主激光器位于電注入回音壁模式激光器的光路上；一光分束器的輸入端與電注入回音壁模式激光器的輸出端連接；一高速光電探測器的輸入端與光分束器的傳輸端連接；一射頻放大器的輸入端與高速光電探測器的輸出端連接；一射頻耦合器的輸入端與射頻放大器的輸出端連接；一射頻濾波器的輸入端與射頻耦合器的一輸出端連接，其輸出端與電注入回音壁模式激光器的控制端連接；其中所述的各部件均制作在一襯底上。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了光學(xué)回路的片上光互連。
【專利說明】集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及微波光子學(xué)，主要涉及一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，更具體的是本專利提出了基于光注入回音壁模式激光器的集成可調(diào)諧光電振蕩器的片上集成方案，和應(yīng)用了尺寸小、功耗低的回音壁模式激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光作為信息傳輸?shù)妮d體，具有寬帶、高速、低損耗、無干擾等電子沒有的優(yōu)勢，因此以光電轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)的片上光互連技術(shù)在過去十幾年中發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)的微電子產(chǎn)品相t匕，其具有傳輸速度快、帶寬大、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。以回音壁模式微盤激光器為代表的光學(xué)微腔激光器是利用側(cè)壁全反射來實(shí)現(xiàn)對光場的強(qiáng)限制，腔中產(chǎn)生了品質(zhì)因子極高的回音壁(Wispering-Gallery，WG)模式，具有很小的模式體積、低功耗、高速率的特點(diǎn)，適合制備片上光互連中的光源。直接調(diào)制的微腔激光器，可以直接將加載到回音壁模式微腔激光器上的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，與采用激光器和調(diào)制器集成實(shí)現(xiàn)電信號到光信號轉(zhuǎn)換的方式相t匕，具有小尺寸、能耗小、易于集成的優(yōu)勢，具有重要的應(yīng)用前景。然而，與其他的微腔激光器相比，完整的微盤激光器的直接調(diào)制并不理想，已報(bào)道的小信號調(diào)制的3dB帶寬均在在IOGHz以下。我們通過波導(dǎo)直連微盤激光器，實(shí)現(xiàn)了微盤激光器的定向輸出，并發(fā)現(xiàn)波導(dǎo)引入的損耗可以適當(dāng)?shù)慕档臀⑶坏腝值，從而可以使得激光器的調(diào)制帶寬得到了一定程度的提升，并在半徑為ΙΟμπι的AlGalnAs/InP微盤激光器中實(shí)現(xiàn)了 13GHz的小信號調(diào)制帶寬。光注入鎖定技術(shù)在最近二十年中得到了迅速發(fā)展，將其應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器，可以減少啁啾效應(yīng)，增強(qiáng)調(diào)制帶寬以及降低寬帶噪聲?；诠庾⑷腈i定技術(shù)分布反饋激光器(DFB)，垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)等半導(dǎo)體激光器已被驗(yàn)證可以有效提高激光器直接電流調(diào)制的調(diào)制帶寬，但是光注入鎖定技術(shù)用于片上光互聯(lián)的WG模式微腔激光器中的應(yīng)用還沒有報(bào)道。
[0003]光電振蕩器(0E0:0ptoelectronic Oscillator)是一種光、電微波/毫米波信號發(fā)生裝置。它的基本結(jié)構(gòu)是利用光源、電光調(diào)制器、高速光電探測器、電濾波器所構(gòu)成的一個反饋回路，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的光、電微波信號產(chǎn)生。然而這種系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)是需要一個增益足夠強(qiáng)的高速功率放大器才能將系統(tǒng)噪聲放大至振蕩閾值形成起振?；诠庾⑷氲闹苯诱{(diào)制半導(dǎo)體激光器的引入可以很好的解決這個問題，目前已報(bào)道的基于直接調(diào)制垂直腔面激光器(VCSEL)的光電振蕩器可以獲得20GHz的高頻信號輸出。但是由于垂直腔面激光器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該系統(tǒng)在應(yīng)用于片上光互連體系的過程中依然存在功耗大，不易集成等特點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，其是將可調(diào)諧的主激光器與支持回音壁模式的從激光器集成，通過無源光波導(dǎo)把輸出光導(dǎo)入回音壁模式微腔激光器，產(chǎn)生的高頻振蕩信號，通過高速光電探測器轉(zhuǎn)換為射頻信號，并通過射頻電學(xué)回路實(shí)現(xiàn)信號提純并反饋至回音壁模式微腔激光器，實(shí)現(xiàn)射頻信號的鎖定，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)回路的片上光互連。
[0005]本發(fā)明提供一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，包括:
[0006]一電注入回音壁模式激光器；
[0007]—主激光器，其位于電注入回音壁模式激光器的光路上，該主激光器為可調(diào)諧激光器，用于為電注入回音壁模式激光器提供注入光信號；
[0008]—光分束器，該光分束器的輸入端與電注入回音壁模式激光器的輸出端連接，用于將輸入的光信號分為兩路，一路用于輸出和監(jiān)測，另一路用于傳輸；
[0009]—高速光電探測器，該高速光電探測器的輸入端與光分束器的傳輸端連接，用于將高速光信號轉(zhuǎn)化為射頻信號；
[0010]一射頻放大器，其輸入端與高速光電探測器的輸出端連接，用于放大射頻電信號;
[0011]一射頻耦合器，其輸入端與射頻放大器的輸出端連接，該射頻耦合器的輸出端分為兩路，用于射頻電信號的耦合輸出；
[0012]一射頻濾波器，其輸入端與射頻耦合器的一輸出端連接，該射頻濾波器的輸出端與電注入回音壁模式激光器的控制端連接，其濾波帶寬和濾波頻率可調(diào)諧，用于濾除射頻信號的噪聲，只保留振蕩頻率附近的電信號；
[0013]其中所述電注入回音壁模式激光器、主激光器、光分束器、高速光電探測器、射頻放大器、射頻耦合器和射頻濾波器均制作在一襯底上。
[0014]本發(fā)明的有益效果是，通過光學(xué)回路的片上集成，提供了可以同時產(chǎn)生光學(xué)微波信號和電學(xué)射頻信號的光電振蕩器，為片上光互連所需的高速、可調(diào)諧、低噪聲的信號源提供了可能，也為OEO系統(tǒng)的片上應(yīng)用提供更為實(shí)用的解決方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]為了更清楚地介紹本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)，本說明將結(jié)合實(shí)例及附圖來進(jìn)一步說明，其中:
[0016]圖1是基于光注入回音壁模式激光器的集成可調(diào)諧光電振蕩器總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實(shí)例提供的圓柱形回音壁模式激光器的功率一電流曲線。
[0018]圖3是本發(fā)明實(shí)例提供的圓柱形回音壁模式激光器在注入電流為45毫安時測得的光譜圖。
[0019]圖4是本發(fā)明實(shí)例提供的半徑為15微米的圓柱形回音壁模式激光器在無光注入情況下，45毫安注入電流下的小信號調(diào)制的響應(yīng)曲線。
[0020]圖5是本發(fā)明實(shí)例提供的圓柱形回音壁模式激光器在35毫安注入電流下，在外加光注入功率分別為0.3毫瓦、0.6毫瓦和I毫瓦的情況下測得的光譜。
[0021]圖6是本發(fā)明實(shí)例提供的圓柱形回音壁模式激光器在外加光注入分別為0.3毫瓦、0.6毫瓦和I毫瓦情況下，35毫安注入電流下的小信號調(diào)制的響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，包括:[0023]一電注入回音壁模式激光器1，所述的電注入回音壁模式激光器I通過閉合腔體邊界內(nèi)側(cè)的全反射，限制光在腔體內(nèi)部保持穩(wěn)定的行波傳輸模式。以支持回音壁模式的圓盤型微腔激光器為例，其具有體積小、品質(zhì)因子高、閾值低等特點(diǎn)，是光互連的理想光源之一。但是由于圓對稱性，光在腔內(nèi)側(cè)壁處為強(qiáng)限制，因此圓盤型微腔激光器的定向輸出性較差。通過直接與圓盤相連的輸出波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)激光的定向輸出，根據(jù)理論計(jì)算，對于半徑為IOym波導(dǎo)寬度為2μπι的圓盤型微腔激光器，其定向輸出效率超過90%。激光器的耦合輸出方式可以但不限于與輸出波導(dǎo)的直連耦合輸出，也可以是通過縱向倏逝波耦合與硅波導(dǎo)耦合輸出。激光器的形狀不限于圓柱形，可以是正方體、長方體、六方體等各種形狀。其中襯底可以是硅、鎵砷、銦磷和藍(lán)寶石襯底，微腔激光器的諧振腔應(yīng)由限制層和有源層構(gòu)成。電注入回音壁模式激光器I的I禹合輸出方式可以但不限于與輸出波導(dǎo)的直連I禹合輸出，也可以是通過縱向倏逝波耦合與硅波導(dǎo)耦合輸出。應(yīng)用到該專利的電注入回音壁模式激光器I應(yīng)為室溫連續(xù)激射的直接調(diào)制激光器，其通過波導(dǎo)直接耦合輸出或者倏逝波耦合輸出的激光應(yīng)具有20dB及以上的邊模抑制比，通過單模光纖的耦合輸出功率應(yīng)在20 μ W及以上；另外電注入回音壁模式激光器I的電極應(yīng)為微帶電極，用于實(shí)現(xiàn)高速電信號對其進(jìn)行調(diào)制。
[0024]一主激光器2，其位于電注入回音壁模式激光器I的光路上，該主激光器2為可調(diào)諧激光器，用于為電注入回音壁模式激光器I提供注入光信號，主激光器2的波長和功率均為可調(diào)，其形式可以是圓盤形微腔激光器，其輸出光通過輸出波導(dǎo)注入回音壁模式激光器
I。主激光器2的材料與電注入回音壁模式激光器I相同，連接它們的波導(dǎo)材料可以與其相同，也可以為與有源材料鍵合的SOI材料，通過鍵合的方式將主激光器2和電注入回音壁模式激光器I的激光耦合進(jìn)硅波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)激光在光學(xué)回路的傳輸。
[0025]—光分束器3,該光分束器3的輸入端與電注入回音壁模式激光器I的輸出端連接，用于將輸入的光信號分為兩路，一路用于輸出和監(jiān)測，另一路用于傳輸；光分束器集成在芯片上，也就是在一只芯片上實(shí)現(xiàn)1:1等分路；然后，將輸出監(jiān)測端的光通過耦合輸入進(jìn)光纖并進(jìn)行封裝；另一傳輸端的光通過波導(dǎo)傳輸進(jìn)高速光電探測器4。
[0026]—高速光電探測器4,該高速光電探測器4的輸入端與光分束器3的傳輸端連接，用于將高速光信號轉(zhuǎn)化為射頻信號，所述的高速光電探測器4的探測帶寬覆蓋產(chǎn)生射頻電信號的頻率；該高速光電探測器4耦合并將接收的光信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，之后從微帶電極輸出至電學(xué)回路。
[0027]上述的電注入回音壁模式激光器1、主激光器2、光分束器3和高速光電探測器4構(gòu)成了光信號傳輸模塊，其可以是II1-V族有源材料或者是與II1-V族有源材料外延片鍵合的SOI片，通過燒焊的方式與電路板集成，該方法成本較低，且易于集成，可以提供射頻電信號和高頻低噪聲的光信號輸出。高速電信號經(jīng)由微帶線傳輸，經(jīng)過處理后一路作為射頻電信號進(jìn)行輸出，另一路進(jìn)入射頻濾波器7并通過微帶線將諧振頻率附近的高頻電信號傳輸回光傳輸模塊并加載到回音壁模式激光器I上。
[0028]一射頻放大器5，其輸入端與高速光電探測器4的輸出端連接，用于獲得足夠大的射頻輸出功率，該射頻放大器可以作為模塊集成到光電振蕩器內(nèi)。
[0029]—射頻I禹合器6,其輸入端與射頻放大器5的輸出端連接,該射頻I禹合器6的輸出端分為兩路，一路用于將射頻信號輸出，另一路用于定向輸出射頻信號經(jīng)過射頻濾波器7的濾波后，作為反饋信號，加到電注入回音壁模式激光器I上；通過該反饋過程，使得輸出的微波光信號和射頻電信號帶寬不斷縮小，從而達(dá)到抑制噪聲，降低帶寬的效果，實(shí)現(xiàn)低啁啾，低噪聲，窄帶寬的光電振蕩回路。
[0030]—射頻濾波器7,其輸入端與射頻稱合器6的一輸出端連接,該射頻濾波器7的輸出端與電注入回音壁模式激光器I的微帶電極連接，其濾波帶寬和濾波頻率可調(diào)諧，進(jìn)入射頻濾波器7的信號經(jīng)過濾波，去除射頻信號中的噪聲信號，只留下振蕩頻率附近的信號。該信號重新加載到回音壁模式激光器I上實(shí)現(xiàn)信號的反饋與鎖定技術(shù)，形成一個閉合的光電環(huán)路結(jié)構(gòu)，并通過控制可調(diào)諧濾波器的波長，與注入光的波長相匹配，實(shí)現(xiàn)低相位噪聲的射頻信號的控制和穩(wěn)定輸出。
[0031 ] 其中所述電注入回音壁模式激光器1、主激光器2、光分束器3、高速光電探測器4、射頻放大器5、射頻耦合器6和射頻濾波器7均制作在一襯底上。
[0032]其中所述襯底的材料為娃。該集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器的制造方法可以是:首先應(yīng)在SOI片上制備一個包含光分束器的無源波導(dǎo)回路，然后將II1-V族有源材料外延片通過直接鍵合、BCB鍵合或者氧化硅鍵合等方式與SOI片鍵合，在鍵合后的II1-V族有源材料外延片上通過平面半導(dǎo)體工藝制作出回音壁模式激光器1，主激光器2和高速光電探測器4，在制作過程中應(yīng)保證器件與SOI上波導(dǎo)的對準(zhǔn)以保證縱向消逝波耦合的耦合輸出效率。另一種集成方案可以是利用選區(qū)生長技術(shù)或量子阱混雜技術(shù)來提供回音壁模式微腔激光器1，主激光器2和高速光電探測器4所需的有源材料區(qū)域和傳輸波導(dǎo)所需的無源材料區(qū)域的單片集成，在同一基片上實(shí)現(xiàn)具有多種增益峰的量子阱的集成，然后分別選區(qū)制作有源器件和傳輸波導(dǎo)，以保證較低的傳輸損耗。在單片集成的芯片上，利用半導(dǎo)體工藝制備出回音壁模式微腔激光器1，主激光器2，光分束器3和高速光電探測器4。
[0033]圖2是給出了本發(fā)明中回音壁模式激光器的實(shí)例，半徑為15微米輸出波導(dǎo)寬度為2微米的圓柱形回音壁模式激光器I的功率-電流曲線。該曲線表明器件實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)電注入激射。
[0034]圖3是給出了本發(fā)明提供的實(shí)例圓柱形回音壁模式激光器在連續(xù)偏置電流為45mA時候光譜圖，激射的模式峰值波長在1562nm附近。該圓柱形回音壁模式激光器實(shí)現(xiàn)了良好的單模工作，邊摸抑制比大于30dB。
[0035]圖4是給出了本發(fā)明提供的實(shí)例圓柱形回音壁模式激光器在偏執(zhí)電流為11毫安時測得的小信號調(diào)制響應(yīng)曲線。該圓柱形回音壁模式激光器的小信號調(diào)制3dB帶寬為
8.1GHz0這個結(jié)果證明該圓柱形回音壁模式激光器可以實(shí)現(xiàn)幾個GHz的電信號轉(zhuǎn)化為光信號。
[0036]圖5是給出了本發(fā)明提供的實(shí)例，圓柱形回音壁模式激光器在偏執(zhí)電流為45毫安時，注入激光器2的出射光經(jīng)過環(huán)形器注入圓柱形回音壁模式激光器所監(jiān)測到的光譜。主激光器的光功率為0.6毫瓦，圓柱形回音壁模式激光器出射波長分別比主激光器波長小
0.137,0.117,0.099 和 0.078 納米。
[0037]圖6是給出了本發(fā)明提供的實(shí)例，圓柱形回音壁模式激光器在偏執(zhí)電流為45毫安時，主激光器的出射光經(jīng)過環(huán)形器注入回音壁模式激光器后的小信號曲線。主激光器的光功率為0.6毫瓦，出射波長分別比回音壁模式激光器的工作波長小0.137,0.117,0.099和0.078納米。從圖5結(jié)果中可以看出，當(dāng)回音壁模式激光器注入光后產(chǎn)生了明顯的振蕩信號。
[0038]提供的實(shí)例結(jié)果證明，圖1所示的主激光器2的出射光注入圖1所示的回音壁模式激光器I中，可以產(chǎn)生共振的光信號。該光信號通過經(jīng)過高速探測器轉(zhuǎn)化為射頻信號，然后經(jīng)過射頻放大器放大，然后經(jīng)過射頻濾波器進(jìn)行信號提純，濾除噪聲，即可將射頻信號加載到回音壁模式微腔激光器上形成閉合反饋回路。最終可以形成穩(wěn)定的，高純度的射頻信號的輸出。該實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了這種基于光注入回音壁模式激光器的集成可調(diào)諧光電振蕩器的可行性。
[0039]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，包括: 一電注入回音壁模式激光器； 一主激光器，其位于電注入回音壁模式激光器的光路上，該主激光器為可調(diào)諧激光器，用于為電注入回音壁模式激光器提供注入光信號； 一光分束器，該光分束器的輸入端與電注入回音壁模式激光器的輸出端連接，用于將輸入的光信號分為兩路，一路用于輸出和監(jiān)測，另一路用于傳輸； 一高速光電探測器，該高速光電探測器的輸入端與光分束器的傳輸端連接，用于將高速光信號轉(zhuǎn)化為射頻信號； 一射頻放大器，其輸入端與高速光電探測器的輸出端連接，用于放大射頻電信號；一射頻耦合器，其輸入端與射頻放大器的輸出端連接，該射頻耦合器的輸出端分為兩路，用于射頻電信號的耦合輸出； 一射頻濾波器，其輸入端與射頻耦合器的一輸出端連接，該射頻濾波器的輸出端與電注入回音壁模式激光器的控制端連接，其濾波帶寬和濾波頻率可調(diào)諧，用于濾除射頻信號的噪聲，只保留振蕩頻率附近的電信號； 其中所述電注入回音壁模式激光器、主激光器、光分束器、高速光電探測器、射頻放大器、射頻耦合器和射頻濾波器均制作在一襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，其中所述的電注入回音壁模式激光器通過閉合腔體邊界內(nèi)側(cè)的全反射，限制光在腔體內(nèi)部保持穩(wěn)定的行波傳輸模式，該激光器應(yīng)為室溫連續(xù)激射的直接調(diào)制激光器，其輸出的激光應(yīng)具有20dB及以上的邊模抑制比，耦合輸出功率應(yīng)在20 μ W及以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，其中所述的主激光器的波長和功率均為可調(diào)，用于為回音壁模式微腔激光器提供注入光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，其中所述的高速光電探測器的探測帶寬覆蓋產(chǎn)生射頻電信號的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成化的基于光注入回音壁模式激光器的光電振蕩器，其中所述襯底的材料為硅。
【文檔編號】H01S5/10GK103944063SQ201410160064
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】鄒靈秀, 黃永箴, 呂曉萌, 龍衡, 劉博文, 杜云 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所