專利名稱：一種利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波光子學(xué)領(lǐng)域的光電子器件制備技術(shù)范圍，尤其涉及一種利用 光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。 技術(shù)背景采用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括 無線局域網(wǎng)、天線遠(yuǎn)程控制等。下面首先簡(jiǎn)要介紹高頻微波或者毫米波在無線通 信中的重要性，然后介紹光電子技術(shù)在毫米波無線通信中的應(yīng)用。近年來，隨著光纖網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Internet)的不斷發(fā)展，以Internet 為載體的語音、圖像、數(shù)據(jù)、視頻、以及多媒體業(yè)務(wù)大大刺激了人們對(duì)于通信速 率的需求。以波分復(fù)用技術(shù)(WDM)為基礎(chǔ)的光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并得到廣泛 應(yīng)用，已成為干線系統(tǒng)物理層最為有效的傳輸手段。例如，我國(guó)長(zhǎng)途傳輸網(wǎng)中光 纖通信的比重已超過80°/。。長(zhǎng)途干線的通信容量由于采用光纖通信技術(shù)而大大提 高，單根光纖的數(shù)據(jù)容量已經(jīng)可以高達(dá)10 Tb/s。另一方面，連接用戶終端與干 線光纖網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)的通信速率卻還處于較低的水平。例如，目前采用的綜合業(yè) 務(wù)服務(wù)網(wǎng)(ISDN)的通信速率為128kb/s，非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)線(ADSL)的通信 速率為上行1 Mb/s，下行8 Mb/s，而IEEE802. 11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無線接入速率最大 為55Mb/s。以上的接入技術(shù)由于接入速率較低，難以支持支持高速無線局域網(wǎng)、 IEEE 1394無線鏈路、固定的無線接入系統(tǒng)和家用電視傳輸系統(tǒng)等多種業(yè)務(wù)的需 求。處于整個(gè)通信鏈路之中的"first mile"(或稱為"last mile")的接入網(wǎng) 成為了高速通信技術(shù)的瓶頸，因此下一代高速接入技術(shù)成為近年來研究的熱點(diǎn)。在各種接入技術(shù)之中，高速無線接入技術(shù)由于具有終端可移動(dòng)的靈活性而備 受關(guān)注。提高傳輸速率最為行之有效的方法是采用頻率更高的電磁波作為通信載 波，因此使用比目前移動(dòng)通信載波(800 MHz 1.9 GHz)頻率更高的毫米波(30 GHz 300 GHz)，可以支持傳輸速率超過Gb/s的高速無線接入。在毫米微波波段 中，頻率處于60 GHz附近的電磁波更被認(rèn)為是進(jìn)行高速語音、數(shù)據(jù)通信，甚至支持Internet的最佳選擇。原因主要是由于60 GHz波具有以下的特點(diǎn)1. 處于自由運(yùn)行(unlicensed operation)波段在2001年，美國(guó)聯(lián)邦通 信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)留出57 64 GHz的毫 米波波段作為商用無線通信應(yīng)用。2. 傳輸距離短60 GHz波段處于氧氣的強(qiáng)吸收區(qū)域，其吸收損耗高達(dá)16 dB/km。3. 方向性好由于60GHz波的頻率較高，因而波束發(fā)散角度很小，其99.9% 波束能量發(fā)散角僅為4.7。。由于60 GHz毫米波具有上述特點(diǎn)，在應(yīng)用于高速無線接入業(yè)務(wù)時(shí)具有如下 的優(yōu)點(diǎn)1. 由于60 GHz波具有7 GHz的連續(xù)自由運(yùn)行帶寬，因而可以支持高達(dá)2. 5 Gb/s的傳輸速率。同時(shí)，在應(yīng)用60 GHz無線進(jìn)行接入服務(wù)時(shí)，運(yùn)營(yíng)商無需花費(fèi) 大量的時(shí)間和金錢來向政府辦理運(yùn)營(yíng)執(zhí)照，從而可以有效地降低運(yùn)營(yíng)成本。2. 由于60GHz波傳輸距離短并且方向性好，因此難以被竊聽，具有高度的 保密性。3. 同時(shí)，60 GHz波大氣吸收強(qiáng)烈和波束發(fā)散較小，使得在一個(gè)較小的區(qū)域 內(nèi)由同一個(gè)頻率同時(shí)支持多個(gè)用戶或是在不同的區(qū)域內(nèi)同時(shí)運(yùn)行不同的業(yè)務(wù)，而 不需要考慮互相間的串?dāng)_。因此用戶間串?dāng)_低，并可以實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用。正是由于毫米波段的微波在高速無線通信方面展現(xiàn)出的潛力，美國(guó)、日本、 德國(guó)等多個(gè)國(guó)家目前都在進(jìn)行毫米波無線接入技術(shù)的研究，其中核心的研究?jī)?nèi)容 包括接入網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、毫米波的產(chǎn)生和傳輸技術(shù)。由于毫米波具有極高的頻率，如果采用傳統(tǒng)的同軸電纜進(jìn)行傳輸則其損耗十 分嚴(yán)重。同時(shí)，采用電域的方法產(chǎn)生和處理毫米波信號(hào)也存在成本較高的問題。 一個(gè)有效的解決方案是將毫米波無線接入與光波技術(shù)相結(jié)合，利用光波作為載波 傳輸毫米波信號(hào)，可以有效的降低其傳輸損耗，即通常所說的RoF (Radio over Fiber)技術(shù)。同時(shí)，可以利用光波技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的產(chǎn)生，從而有效地降 低無線接入系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。若要在光波上加載頻率為/的毫米波，可以直接利用毫米波振蕩器產(chǎn)生頻率 為/的信號(hào)并采用高速光調(diào)制器將該信號(hào)加載到光波上。但由于目前毫米波振蕩 器和工作在毫米波頻段上的高速光調(diào)制器價(jià)格仍然十分昂貴，因此限制了接入系 統(tǒng)的成本。另一方面，可以采用光外差的方法產(chǎn)生毫米波信號(hào)，即利用兩個(gè)頻率 差為/的光信號(hào)在光電探測(cè)器中通過差頻產(chǎn)生頻率為/信號(hào)。由于這種方法不需 要毫米波振蕩器和高速光調(diào)制器，可以極大的降低系統(tǒng)成本。同時(shí)，該方法還可 以與光波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)調(diào)制多個(gè)信道，從而進(jìn)一步降低整個(gè)系統(tǒng)的成 本和簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，光差頻型毫米波無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，非 常適合于下一代的寬帶無線接入網(wǎng)。目前，利用光波差頻產(chǎn)生微波或者毫米波的技術(shù)主要包括鎖模激光器、光鎖 相環(huán)、邊帶注入鎖定等方案。下面，對(duì)邊帶注入鎖定方案的原理進(jìn)行說明，以便 理解本發(fā)明提出的新器件的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。理論上，將兩個(gè)頻率差為/的激光器輸出的光信號(hào)耦合在一起，就可以利用 光電探測(cè)器的平方檢波效應(yīng)得到頻率為/的微波信號(hào)。但是，作為光通信用的光源，半導(dǎo)體激光器的線寬比較大， 一個(gè)普通的分布反饋型(Distributed Feedback, DFB)半導(dǎo)體激光器的線寬往往在MHz的量級(jí)，因此兩個(gè)獨(dú)立的DFB激光器進(jìn)行 自由拍頻后，得到的微波信號(hào)的相位噪聲很大，無法滿足無線通信的要求。 一個(gè) 解決辦法是利用注入鎖定(Injection Locking)來實(shí)現(xiàn)低相位噪聲。理論研究和實(shí)驗(yàn)均已表明，把一個(gè)激光器發(fā)出的光注入到另一個(gè)激光器中， 其中，被注入的激光器稱為從激光器(slave),另一個(gè)激光器稱為主激光器 (master),如果兩個(gè)激光器自由工作時(shí)的波長(zhǎng)足夠接近(波長(zhǎng)差通常在pm量級(jí))， 而且注入光的功率足夠大，那么從激光器的波長(zhǎng)將等于主激光器，同時(shí)兩個(gè)激光 器輸出光的相位差保持恒定不變。這種現(xiàn)象就是注入鎖定。將光外差法和注入鎖 定結(jié)合起來產(chǎn)生微波或毫米波信號(hào)，可以大大降低相位噪聲。圖l是目前現(xiàn)有的 一種利用光外差法和注入鎖定來產(chǎn)生毫米波信號(hào)的系統(tǒng)示意圖，它包括一個(gè)波長(zhǎng) 可調(diào)諧的主激光器l、 一個(gè)LiNbO:,調(diào)制器2、 一個(gè)隔離器5，兩個(gè)3dB耦合器6、 兩個(gè)從激光器7。 LiNbO:,調(diào)制器2在輸入交流信號(hào)和一定的直流偏置的情況下對(duì)主激光器l輸出的光進(jìn)行調(diào)制，因此在LiNbO:,調(diào)制器2的輸出光譜上，中心波長(zhǎng) 周圍會(huì)產(chǎn)生間隔等于調(diào)制頻率的/2個(gè)階次"為1至io之間的整數(shù))的調(diào)制邊帶。 這束光經(jīng)過一個(gè)3 dB耦合器6分別注入到兩個(gè)從激光器7中。如果調(diào)節(jié)主激光 器的波L《使得LiNbO"周制器輸出光譜中的某兩個(gè)調(diào)制邊帶(設(shè)它們的頻率分別 為/;和A)與兩個(gè)從激光器正好分別滿足注入鎖定的條件，那么從激光器激射的頻率將被分別鎖定在《和《上。此時(shí)，這兩束頻率分別為/;和《的光由于是鎖定后所得，因此其相位也均與主激光器保持恒定。這兩束光經(jīng)過3 dB耦合器耦合之后，進(jìn)行拍差，再利用光電探測(cè)器接收，就可以得到頻率為《-/;而且相位 噪聲較小的微波。除了上述通過兩個(gè)邊帶分別鎖定兩個(gè)從激光器的方案之外，還可以采用圖2 所示的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)中只包括一個(gè)從激光器7。主激光器l輸出的光經(jīng)過 LiNbO:,調(diào)制器2調(diào)制后，注入到從激光器7中。設(shè)調(diào)制頻率為/，調(diào)節(jié)主激光器 的波長(zhǎng)，使得其第々階(A《")調(diào)制邊帶與從激光器正好滿足注入鎖定的條件， 那么從激光器的頻率將被鎖定在第A階調(diào)制邊帶上，而且其相位與中心波長(zhǎng)處的 光相同。用鎖定后的第A階邊帶處的光與中心波長(zhǎng)處的光進(jìn)行拍差，就可以獲得 頻率為A/且相位噪聲較小的微波。目前報(bào)道的利用邊帶注入鎖定產(chǎn)生微波的文章中，絕大多數(shù)都是采用分立器 件搭建的系統(tǒng)，利用邊帶注入鎖定產(chǎn)生微波的單片集成器件的報(bào)道很少。眾所周 知，分立器件搭建的系統(tǒng)往往龐大復(fù)雜，而且穩(wěn)定性差，成本也比較高。如果能 在同一襯底上將若干器件集成，實(shí)現(xiàn)光生微波的功能，將會(huì)大大減少器件的體積， 最終有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，適于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供了一種利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。 其特征在于，所述集成光電子器件由主激光器和從激光器平行放置在襯底上，在 襯底上依次外延下波導(dǎo)層、多量子阱有源層、光柵層、上波導(dǎo)層、上包層、歐姆 接觸層，將它們集成在一起。通過改變主激光器的注入電流對(duì)主激光器進(jìn)行直接 調(diào)制，而從激光器工作在直流狀態(tài)；設(shè)主激光器的調(diào)制頻率設(shè)為/，則在其中心波長(zhǎng)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)間隔為/的/7個(gè)階次("為1至IO之間的整數(shù))的調(diào)制邊帶，主 激光器和從激光器通過多模干涉器MMI或者用一個(gè)微環(huán)耦合在一起，使得主激光 器的調(diào)制邊帶能夠注入從激光器，當(dāng)主激光器的第A階(A《")調(diào)制邊帶與從激光器正好滿足注入鎖定的條件，那么從激光器的頻率將被該階調(diào)制邊帶鎖定；鎖 定后的第々階邊帶處的光與中心波長(zhǎng)處的光進(jìn)行拍差，就可以獲得頻率為A/且 相位噪聲較小的微波，從而實(shí)現(xiàn)利用多模干涉器或者微環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主、從兩個(gè) 激光器的耦合，實(shí)現(xiàn)了光生微波系統(tǒng)的單片集成。所述激光器采用分布反饋型(Distributed Feedback, DFB)半導(dǎo)體激光器。所述主、從兩個(gè)DFB激光器采用具有相同周期的光柵結(jié)構(gòu)，這樣可以采用相 對(duì)簡(jiǎn)單許多的全息曝光方式制作光柵?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)DFB激光器的注入電流和工 作溫度來引入波長(zhǎng)偏移，保證兩個(gè)激光器的波長(zhǎng)有一定的偏差，使主激光器的第 A階調(diào)制邊帶與從激光器滿足注入鎖定的條件，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的集成器件。所述雙端多模干涉器耦合式光生微波集成器件和微環(huán)耦合式光生微波集成 器件的輸出端采用抗反鍍膜，抗反鍍膜后的端面反射率范圍在10—4到10%之間， 可以減小輸出端的端面反射率對(duì)注入鎖定的影響以及提高集成器件的輸出功率。所述集成器件包括下述三種結(jié)構(gòu)一種單端多模干涉器MMI (multi-mode interference,)耦合式光生微波集 成器件，器件的外延結(jié)構(gòu)依次是N型襯底和下包層9、下波導(dǎo)層IO、多量子阱 有源層U、光柵層12、上波導(dǎo)層13、上包層14、歐姆接觸層16。在N型襯底9 和歐姆接觸層16上分別鍍有N型電極8和P型電極17。該器件集成了兩個(gè)DFB 激光器和一個(gè)多模干涉器。其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器20和從激光 器21,它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層15填平。 主激光器20和從激光器21的一端與醒I 19相連，利用畫I實(shí)現(xiàn)主激光器20向 從激光器21的注入，同時(shí)將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出。主激光器20、從 激光器21與麗I 19之間有一段電隔離段22，該段沒有歐姆接觸層16，用以實(shí) 現(xiàn)各器件之間的電隔離。一種雙端多模干涉器麗I耦合式光生微波集成器件。器件的外延結(jié)構(gòu)依次是:N型襯底和下包層9、下波導(dǎo)層10、多量子阱有源層n、光柵層12、上波導(dǎo)層13、上包層14、歐姆接觸層16。在N型襯底9和歐姆接觸層16上分別鍍有N型 電極8和P型電極17。該器件集成了兩個(gè)DFB激光器和兩個(gè)MMI。其中，兩個(gè)DFB 激光器分別是主激光器20和從激光器21，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18， 脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層15填平。主激光器20和從激光器21的兩端均與MMI 19 相連，其中廳I 19a實(shí)現(xiàn)主激光器20向從激光器21的注入，該MMI的輸出端面 有高反鍍膜；MM工19b將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出，該MMI的輸出端面有 抗反鍍膜。主激光器20、從激光器21與MMI 19之間各有一段電隔離段22，該 段沒有歐姆接觸層16，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔離。一種微環(huán)耦合式光生微波集成器件，器件的外延結(jié)構(gòu)依次是N型襯底和下 包層9、下波導(dǎo)層10、多量子阱有源層11、光柵層12、上波導(dǎo)層13、上包層14、 歐姆接觸層16。在N型襯底9和歐姆接觸層16上分別鍍有N型電極8和P型電 極17。該器件集成了兩個(gè)DFB激光器、 一個(gè)麗I和一個(gè)微環(huán)。其中，兩個(gè)DFB 激光器分別是主激光器20和從激光器21，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18， 脊波導(dǎo)兩側(cè)用SiO.,絕緣層15填平。主激光器20和從激光器21之間有一個(gè)微環(huán) 23，利用微環(huán)實(shí)現(xiàn)主激光器20向從激光器21的注入。主激光器20和從激光器 21的一端與麗I 19相連，該薩I的輸出端面有抗反鍍膜，可以將兩個(gè)激光器的 光耦合在一起輸出。主激光器20、從激光器21與MMI 19之間有一段電隔離段 22，該段沒有歐姆接觸層16，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔離。本發(fā)明的有益效果是利用多模干涉器或者微環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DFB激光器的 耦合，從而實(shí)現(xiàn)了光生微波系統(tǒng)的單片集成。


圖1為光生微波的雙邊帶鎖定系統(tǒng)示意圖。 圖2為光生微波的單邊帶鎖定系統(tǒng)示意圖。 圖3為單端MMI耦合式光生微波集成器件。 圖4為雙端麗I耦合式光生微波集成器件。 圖5為微環(huán)耦合式光生微波集成器件。圖中的各個(gè)數(shù)字標(biāo)號(hào)分別對(duì)應(yīng)于1.波長(zhǎng)可調(diào)諧的主激光器；2. LiNbO:,調(diào) 制器；3.調(diào)制器直流偏置；4.調(diào)制器交流輸入；5.隔離器；6. 3 dB耦合器； 7.從激光器；8. N電極；9.襯底和下包層；10.下波導(dǎo)層；11.多量子阱有源 層；12.光柵層；13.上波導(dǎo)層；14.上包層；15. Sl0,絕緣層；16.歐姆接觸 層；17. P電極；18.脊波導(dǎo)；19.薩I段；20.主激光器；21.從激光器；22.電隔離段；23.微環(huán)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。下面結(jié)合 附圖對(duì)本發(fā)明予以說明。圖3所示為單端MMI耦合式光生微波集成器件；圖4所 示為雙端MMI耦合式光生微波集成器件；圖5所示為微環(huán)耦合式光生微波集成器 件。在本器件結(jié)構(gòu)圖中，兩個(gè)DFB激光器20和21平行放置集成在一起，其中20 就是主激光器，21是從激光器。通過改變主激光器的注入電流對(duì)主激光器20進(jìn) 行直接調(diào)制，而從激光器21工作在直流狀態(tài)，設(shè)主激光器20的調(diào)制頻率設(shè)為/， 則在其中心波長(zhǎng)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)間隔為/的/2個(gè)階次(/2為1至IO之間的整數(shù))的調(diào) 制邊帶。主激光器20和從激光器21的一端用--個(gè)多模干涉器(multi-mode interference, MMI) 19或者用一個(gè)微環(huán)(microring) 23耦合在一起，利用多 模干涉器端面的鏡面反射或者微環(huán)的耦合及濾波效應(yīng)，使得主激光器20的光能 夠注入從激光器21，若主激光器20的第A階(A《")調(diào)制邊帶與從激光器21 正好滿足注入鎖定的條件，那么從激光器21的頻率將被該階調(diào)制邊帶鎖定；主 激光器20和從激光器21用多模干涉器耦合作為輸出，那么鎖定后的第々階邊帶 處的光與中心波長(zhǎng)處的光進(jìn)行拍差，就可以獲得頻率為i/且相位噪聲較小的微 波，從而實(shí)現(xiàn)利用多模干涉器或者微環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主、從兩個(gè)激光器的耦合，實(shí) 現(xiàn)了光生微波系統(tǒng)的單片集成。為使主激光器20的第A階調(diào)制邊帶與從激光器22滿足注入鎖定的條件，需 要保證兩個(gè)激光器的波長(zhǎng)有一定的偏差。為了簡(jiǎn)化制作工藝，本發(fā)明還提出在所 述的兩個(gè)DFB激光器20和21中采用具有相同周期的光柵結(jié)構(gòu)，這樣可以采用相 對(duì)簡(jiǎn)單許多的全息曝光方式制作光柵，又可以通過調(diào)節(jié)DFB激光器的注入電流和工作溫度來引入波長(zhǎng)偏移，實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的集成器件。相比于其他獲得激 射波長(zhǎng)差異的方法，調(diào)節(jié)DFB激光器的注入電流和工作溫度的優(yōu)點(diǎn)在于方法的簡(jiǎn) 化和成本的降低。從制作工藝角度來看，調(diào)節(jié)注入電流和工作溫度遠(yuǎn)比制作非均 勻光柵簡(jiǎn)單。為了進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，本發(fā)明還提出，可以在兩個(gè)DFB激光器20和21 的兩端各用一個(gè)多模干涉器19進(jìn)行耦合，其中一端的多模干涉器19a的作用是 將主激光器20的調(diào)制邊帶注入從激光器21，為提高注入的效率，在多模干涉器 的端面采用高反鍍膜，高反鍍膜后的斷面反射率可以接近100%;另一端的多模干 涉器19b的作用是將兩個(gè)DFB激光器20和21的光耦合在一起進(jìn)行輸出，為減小 輸出端的端面反射率對(duì)注入鎖定的影響以及提高集成器件的輸出功率，可以在集 成器件的輸出端采用抗反鍍膜，抗反鍍膜后的端面反射率范圍在10—4到10%之間。當(dāng)使用多模干涉器將主激光器20的第A階邊帶耦合注入至從激光器21中的 時(shí)候，若19的調(diào)制頻率較低，那么它的各階調(diào)制邊帶的間距會(huì)很小，這樣鄰近 的調(diào)制邊帶會(huì)對(duì)鎖定的穩(wěn)定性造成不利的影響。為了進(jìn)一步優(yōu)化該集成器件的工 作性能，本發(fā)明還提出，可以采用一個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)23將兩個(gè)DFB激光器20和21 耦合在一起，利用微環(huán)的窄帶濾波特性，使得主激光器20只有某一個(gè)調(diào)制邊帶 能夠通過微環(huán)注入從激光器21，這樣就能消除過于鄰近的調(diào)制邊帶對(duì)鎖定的影 響。為了提高電流注入的效率和集成器件的輸出功率，減小多模干涉器或者微環(huán) 對(duì)光的損耗，本發(fā)明還提出，可以在多模干涉器19和微環(huán)23上注入電流以引入 增益，這樣就可以控制主激光器20注入從激光器21的效率，而且也可以調(diào)節(jié)集成器件的輸出功率。圖3是一種單端多模干涉器(multi-raode interference,顧I)耦合式光生 微波集成器件。器件的外延結(jié)構(gòu)依次是N型襯底和下包層9、下波導(dǎo)層IO、多 量子阱有源層11、光柵層12、上波導(dǎo)層13、上包層14、歐姆接觸層16。在N 型襯底9和歐姆接觸層16上分別鍍有N型電極8和P型電極17。該器件集成了 兩個(gè)DFB激光器和一個(gè)單端多模干涉器。其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器光學(xué)諧振腔內(nèi)倍頻晶體的溫度調(diào)控方法 技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明專利屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及光學(xué)諧振腔內(nèi)倍頻晶體的溫 度調(diào)控方法， 背景技術(shù)在光學(xué)諧振腔內(nèi)倍頻晶體的現(xiàn)場(chǎng)使用中溫度應(yīng)控制在約24'C，超 過該值使倍頻晶體內(nèi)部溫度升高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低、嚴(yán)重影響功率 輸出。以往倍頻晶體的冷卻方式均采用間接水冷的方法，即將倍頻晶 體裝入傳熱好的紫銅材料中固緊應(yīng)用或在將紫銅材料外加水套冷卻。 實(shí)際工作中這些方法效果很不理想，測(cè)溫示值與真值誤差很大有時(shí)還 會(huì)導(dǎo)致倍頻晶體的損壞。發(fā)明內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的問題，克服了以往光學(xué)諧振腔內(nèi)工作 時(shí)實(shí)測(cè)倍頻晶體表面溫度誤差大、調(diào)控準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用 倍頻晶體非光學(xué)平面直接侵入循環(huán)水中進(jìn)行溫度調(diào)控的方法。即通過 溫度傳感器的測(cè)溫觸點(diǎn)直接與倍頻晶體非光學(xué)平面接觸測(cè)溫示值誤 差± 1 'C.通過溫控開關(guān)控制串聯(lián)在水路制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器中水溫調(diào)控 倍頻晶體非光學(xué)平面周圍的水溫變化。本發(fā)明技術(shù)方案采用的裝置包括壓縮機(jī)、冷凝器、水分子過濾下面介紹一下本發(fā)明裝置的三個(gè)實(shí)施例，即單端及雙端MMI耦合式光生微波 集成器件和微環(huán)耦合式光生微波集成器件
實(shí)施例1工作波長(zhǎng)在1550 nm波段內(nèi)的InGaAsP/InP基單端醒I耦合式光生 微波集成器件(圖3所示的結(jié)構(gòu))。
器件的外延材料如下所述。首先在n型襯底材料上一次外延、n型InP緩沖 層(厚度200 nm、摻雜濃度約1X101H cm—"、 100 nm厚非摻雜晶格匹配InGaAsP 波導(dǎo)層(光熒光波長(zhǎng)1.2 wm)、應(yīng)變InGaAsP多量子阱(光熒光波長(zhǎng)1. 52 u m， 7個(gè)量子阱阱寬8nm， 0. 5%壓應(yīng)變，壘寬10 nm，晶格匹配材料，光熒光波長(zhǎng) 1. 2 li m)、 70 nm厚的InGaAsP光柵材料層。接下來通過全息干涉曝光的方法制 作出光柵結(jié)構(gòu)，并通過光刻和濕法腐蝕的方法去除MMI區(qū)域內(nèi)的光柵。然后二次 外延100 nm厚p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層(光熒光波長(zhǎng)1. 2 u m，摻雜濃度約 1X1017 cm—2)、 1.7 Um厚P型InP限制層(摻雜濃度從3X1017 cm—'逐漸變化為 1X1018 cm—2)和IOO ran厚的p型InGaAs歐姆接觸層(摻雜濃度〉1X1019 cm—2)。
兩個(gè)DFB激光器均采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度均為400 "m，脊寬均為3 n m， 高1.5 um。兩個(gè)DFB激光器平行放置，相距12 u m， 一端用多模干涉器耦合， 多模干涉器寬15 um，長(zhǎng)200 um。 DFB激光器與多模干涉器相連的地方有長(zhǎng)度 為40 um的電隔離區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的歐姆接觸層被腐蝕掉。DFB激光器的脊波導(dǎo)和 醒l兩側(cè)均用Si02絕緣層來填平，脊頂上的Si02被腐蝕掉和金屬電極連接。P電 極的材料是Cr/Au合金，N電極的材料是Ti/Au合金。
本實(shí)例的特征參數(shù)為制成的集成器件中，單個(gè)DFB激光器的閾值電流典型 值為IO mA，邊模抑制比達(dá)到40 dB以上。輸出光經(jīng)光電探測(cè)器之后，可以得到 頻率在20 60 GHz、 100 kHz處相位噪聲小于-84 dBc/Hz的微波。
實(shí)施例2工作波長(zhǎng)在1550 nm波段內(nèi)的InGaAsP/InP基雙端畫I耦合式光 生微波集成器件(圖4所示的結(jié)構(gòu))。
器件的外延材料如下所述。首先在n型襯底材料上一次外延、n型InP緩沖 層(厚度200 nm、摻雜濃度約1 X 10's cm—2)、 100 nm厚非摻雜晶格匹配InGaAsP 波導(dǎo)層(光熒光波長(zhǎng)1.2 "m)、應(yīng)變InGaAsP多量子阱(光熒光波長(zhǎng)1.52 u m，20和從激光器21，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣 層15填平。主激光器20和從激光器21的一端與MMI 19相連，利用MMI實(shí)現(xiàn)主 激光器20向從激光器21的注入，同時(shí)將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出。主激 光器20、從激光器21與麗I 19之間有一段電隔離段22，該段沒有歐姆接觸層 16，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔離。
圖4是一種雙端多模干涉器(multi-mode interference,廳I)耦合式光生 微波集成器件。器件的外延結(jié)構(gòu)依次是N型襯底和下包層9、下波導(dǎo)層IO、多 量子阱有源層11、光柵層12、上波導(dǎo)層13、上包層14、歐姆接觸層16。在N 型襯底9和歐姆接觸層16上分別鍍有N型電極8和P型電極17。該器件集成了 兩個(gè)DFB激光器和兩個(gè)醒I。其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器20和從激光 器2i，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層15填平。 主激光器20和從激光器21的兩端均與羅I 19相連，其中MMI 19a實(shí)現(xiàn)主激光 器20向從激光器21的注入，該顧工的輸出端面有高反鍍膜；畫119b將兩個(gè)激 光器的光耦合在一起輸出，該MMI的輸出端面有抗反鍍膜。主激光器20、從激光 器21與麗I 19之間各有一段電隔離段22，該段沒有歐姆接觸層16，用以實(shí)現(xiàn) 各器件之間的電隔離。
圖5是一種微環(huán)(microring)耦合式光生微波集成器件。器件的外延結(jié)構(gòu) 依次是N型襯底和下包層9、下波導(dǎo)層IO、多量子阱有源層ll、光柵層12、上 波導(dǎo)層13、上包層14、歐姆接觸層16。在N型襯底9和歐姆接觸層16上分別鍍 有N型電極8和P型電極17。該器件集成了兩個(gè)DFB激光器、 一個(gè)應(yīng)I和一個(gè)微 環(huán)。其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器20和從激光器21，它們平行放置， 采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)18，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層15填平。主激光器20和從激光 器21之間有一個(gè)微環(huán)23，利用微環(huán)實(shí)現(xiàn)主激光器20向從激光器21的注入。主 激光器20和從激光器21的-端與醒I 19相連，該醒I的輸出端面有抗反鍍膜， 可以將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出。主激光器20、從激光器21與醒119 之間有一段電隔離段22，該段沒有歐姆接觸層16，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔 離。cm )o
兩個(gè)DFB激光器均采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度均為400 um，脊寬均為3 u m， 高1.5 um。兩個(gè)DFB激光器平行放置，相距13.7 u m， 一端用微環(huán)耦合實(shí)現(xiàn)注 入，另一端用多模干涉器耦合進(jìn)行輸出。多模干涉器寬15 um,長(zhǎng)200 "m。微 環(huán)的直徑是10.5 "m，它的脊寬是0.5 "m，脊高是1. 5 u m，微環(huán)側(cè)壁與DFB 激光器脊波導(dǎo)的側(cè)壁最近處的距離是0. 1 wm。 DFB激光器與多模干涉器相連的 地方有長(zhǎng)度為40 um的電隔離區(qū)，此區(qū)域內(nèi)的歐姆接觸層被腐蝕掉。DFB激光器 及微環(huán)的脊波導(dǎo)和MMI兩側(cè)均用Si02絕緣層來填平，脊頂上的SiO^皮腐蝕掉和金 屬電極連接。P電極的材料是Cr/Au合金，N電極的材料是Ti/Au合金。醒I的輸 出端有抗反鍍膜，鍍膜后反射率小于1%。
本實(shí)例的特征參數(shù)為制成的集成器件中，單個(gè)DFB激光器的閾值電流典型 值為10 mA，邊模抑制比達(dá)到40 dB以上。微環(huán)在1550 nm波段上有5 GHz寬的 濾波通帶。輸出光經(jīng)光電探測(cè)器之后，可以得到頻率在20 60 GHz、 100 kHz 處相位噪聲小于-84 dBc/Hz的微波。
權(quán)利要求
1.一種利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其特征在于，所述集成光電子器件由主激光器和從激光器平行放置在襯底上，在襯底上依次外延下波導(dǎo)層、多量子阱有源層、光柵層、上波導(dǎo)層、上包層、歐姆接觸層，將它們集成在一起，通過改變主激光器的注入電流對(duì)主激光器進(jìn)行直接調(diào)制，而從激光器工作在直流狀態(tài)，設(shè)主激光器的調(diào)制頻率設(shè)為f，則在其中心波長(zhǎng)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)間隔為f的n個(gè)階次的調(diào)制邊帶，其中n為1至10之間的整數(shù)；主激光器和從激光器通過多模干涉器MMI或者用一個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)耦合在一起，使得主激光器的光能夠注入從激光器，當(dāng)主激光器的第k階調(diào)制邊帶與從激光器正好滿足注入鎖定的條件，那么從激光器的頻率將被該階調(diào)制邊帶鎖定，其中k≤n；鎖定后的第k階邊帶處的光與中心波長(zhǎng)處的光進(jìn)行拍差，就可以獲得頻率為kf且相位噪聲較小的微波，從而實(shí)現(xiàn)利用多模干涉器或者微環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)主、從兩個(gè)激光器的耦合，實(shí)現(xiàn)了光生微波系統(tǒng)的單片集成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其特征在于，所述激光器采用分布反饋型DFB半導(dǎo)體激光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件， 其特征在于，所述主、從兩個(gè)DFB激光器采用具有相同周期的光柵結(jié)構(gòu)，這樣可 以采用相對(duì)簡(jiǎn)單許多的全息曝光方式制作光柵，通過調(diào)節(jié)DFB激光器的注入電流 和工作溫度來引入波長(zhǎng)偏移，保證兩個(gè)激光器的波長(zhǎng)有一定的偏差，使主激光器 的第A階調(diào)制邊帶與從激光器滿足注入鎖定的條件，又實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的集 成器件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其特 征在于，所述主、從兩個(gè)激光器的兩端各用一個(gè)多模干涉器進(jìn)行耦合，其中一端 的多模干涉器的作用是將主激光器的調(diào)制邊帶注入從激光器，另一端的多模干涉 器的作用是將主激光器和從激光器的光耦合在一起進(jìn)行輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其特征在于，所述主激光器和從激光器的輸出端采用抗反鍍膜，抗反鍍膜后的端面反 射率范圍在10—4到10%之間，可以減小輸出端的端面反射率對(duì)注入鎖定的影響以 及提高集成器件的輸出功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，其特 征在于，所述集成器件包括下述三種結(jié)構(gòu)1) 一種單端多模干涉器廳I耦合式光生微波集成器件，器件的外延結(jié)構(gòu)依 次是N型襯底和下包層(9)、下波導(dǎo)層(10)、多量子阱有源層(11)、光柵層(12)、上波導(dǎo)層(13)、上包層(14)、歐姆接觸層(16)，在N型襯底(9)和 歐姆接觸層(16)上分別鍍有N型電極(8)和P型電極(17);該器件集成了兩 個(gè)DFB激光器和一個(gè)多模干涉器，其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器(20) 和從激光器(21)，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(18)，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02 絕緣層(15)填平；主激光器(20)和從激光器(21)的一端與MMI (19)相連， 利用麗I實(shí)現(xiàn)主激光器(20)向從激光器(21)的注入，同時(shí)將兩個(gè)激光器的光 耦合在一起輸出，主激光器(20)、從激光器(21)與麗I (19)之間有一段電 隔離段(22)，該段沒有歐姆接觸層(16)，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔離；2) —種雙端多模干涉器EO耦合式光生微波集成器件，該器件的外延結(jié)構(gòu) 與1)單端多模干涉器耦合式光生微波集成器件相同，其差別是該器件集成了兩 個(gè)DFB激光器和兩個(gè)麗I，其中，兩個(gè)DFB激光器分別是主激光器(20)和從激 光器(2U，它們平行放置，采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(18)，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層(15) 填平；主激光器(20)和從激光器(21)的兩端均與MMI相連，其中MMI (19a) 實(shí)現(xiàn)主激光器(20)向從激光器(21)的注入，該畫I的輸出端面有高反鍍膜； 麗I (19b)將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出，該MMI (19b)的輸出端面有抗反 鍍膜，主激光器(20)、從激光器(21)與畫I (19a)和應(yīng)I (19b)之間各有一 段電隔離段(22)，該兩段中沒有歐姆接觸層(16)，用以實(shí)現(xiàn)各器件之間的電隔 離； 3) —種微環(huán)耦合式光生微波集成器件，該器件的外延結(jié)構(gòu)與1)單端多模干 涉器耦合式光生微波集成器件相同，其差別是該器件集成了兩個(gè)DFB激光器、一個(gè)麗I和一個(gè)微環(huán)；其中微環(huán)(23)放置在主激光器(20)和從激光器(21)之間，利用微環(huán)實(shí)現(xiàn)主激光器(20)向從激光器(21)的注入；主激光器(20)和 從激光器(21)的一端與腿I (19)相連，該醒I (19)的輸出端面有抗反鍍膜， 可以將兩個(gè)激光器的光耦合在一起輸出，主激光器(20)、從激光器(21)與羅I (19)之間有一段電隔離段(22)，該段沒有歐姆接觸層(16)，用以實(shí)現(xiàn)各器件 之間的電隔離。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于微波光子學(xué)領(lǐng)域的光電子器件制備技術(shù)范圍，尤其涉及一種利用光外差法產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。該集成光電子器件由主激光器和從激光器平行放置在襯底上，在襯底上依次外延下波導(dǎo)層、多量子阱有源層、光柵層、上波導(dǎo)層、上包層、歐姆接觸層，將它們集成在一起，將主、從兩個(gè)激光器的一端通過一個(gè)多模干涉器或者一個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)制邊帶的耦合，進(jìn)行注入鎖定；再通過多模干涉器耦合輸出，進(jìn)行拍差，就可以獲得高頻微波。因此，可以通過調(diào)節(jié)一個(gè)DFB激光器的工作溫度和注入電流，從而實(shí)現(xiàn)激射波長(zhǎng)的差異，進(jìn)而達(dá)到邊帶注入鎖定的效果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎，制作工藝簡(jiǎn)單，將在未來的高速通訊領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01S5/026GK101222118SQ20071017903
公開日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者孫長(zhǎng)征, 兵 熊, 毅 羅, 縉 黃 申請(qǐng)人:清華大學(xué)