基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件

摘要

本发明公开了属于光电子器件技术领域的一种基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件，具体地说是一种利用FP激光器双纵模注入锁定产生高频微波的单片光子集成器件，在同一芯片上集成一个DFB激光器和一个FP激光器，对DFB激光器进行直接调制或者外调制，它的两个调制边带去锁定FP激光器的两个相邻纵模，被锁定的两个相邻纵模进行拍差，通过光探测器进行接收，就可以获得高频微波。本发明将相关半导体光电子器件实现了单片集成，集成度高、结构新颖，既能提高性能又能大大减少器件的体积，有利于提高系统的稳定性；并且制作工艺简单、成本低、成品率高，适于大规模生产和应用，在未来的高速通讯领域具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件。

技术背景

本发明是一种基于法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，FP)激光器双纵模注入锁定的光生微波单片光子集成器件，然后通过光外差来产生高频微波，其应用范围十分广泛，包括无线局域网、天线远程控制等。下面首先简要介绍高频微波或者毫米波在无线通信中的重要性，然后介绍光电子技术在毫米波无线通信中的应用。

近年来，随着光纤网络和互联网络(Internet)的不断发展，以Internet为载体的语音、图像、数据、视频、以及多媒体业务大大刺激了人们对于通信速率的需求。以波分复用技术(WDM)为基础的光纤通信技术迅速发展并得到广泛应用，已成为干线系统物理层最为有效的传输手段。但另一方面，连接用户终端与干线光纤网络的接入网的通信速率却还处于较低的水平。目前，处于整个通信链路之中的“first mile”(或称为“last mile”)的接入网成为了高速通信技术的瓶颈，因此下一代高速接入技术成为近年来研究的热点。在各种接入技术之中，高速无线接入技术由于具有终端可移动的灵活性而备受关注。提高传输速率最为行之有效的方法是采用频率更高的电磁波作为通信载波，因此使用比目前移动通信载波(800MHz～1.9GHz)频率更高的毫米波(30GHz～300GHz)，可以支持传输速率超过Gb/s的高速无线接入。由于毫米波段的微波在高速无线通信方面展现出的潜力，美国、日本、德国等多个国家目前都在进行毫米波无线接入技术的研究，其中核心的研究内容包括接入网系统结构、毫米波的产生和传输技术。

由于毫米波具有极高的频率，如果采用传统的同轴电缆进行传输则其损耗十分严重。同时，采用电域的方法产生和处理毫米波信号也存在成本较高的问题。一个有效的解决方案是将毫米波无线接入与光波技术相结合，利用光波作为载波传输毫米波信号，可以有效的降低其传输损耗，即通常所说的RoF(Radio overFiber)技术。同时，可以利用光波技术实现毫米波信号的产生，从而有效地降低无线接入系统的复杂度和成本。

若要在光波上加载频率为f的毫米波，可以直接利用毫米波振荡器产生频率为f的信号并采用高速光调制器将该信号加载到光波上。但由于目前毫米波振荡器和工作在毫米波频段上的高速光调制器价格仍然十分昂贵，因此限制了接入系统的成本。另一方面，可以采用光外差的方法产生毫米波信号，即利用两个频率差为f的光信号在光电探测器中通过差频产生频率为f信号。由于这种方法不需要毫米波振荡器和高速光调制器，可以极大的降低系统成本。同时，该方法还可以与光波分复用技术相结合，同时调制多个信道，从而进一步降低整个系统的成本和简化系统结构。因此，光差频型毫米波无线接入网结构简单，成本低廉，非常适合于下一代的宽带无线接入网。目前，利用光外差法产生微波或者毫米波的技术主要包括双波长激光器、锁模激光器、光锁相环、边带注入锁定等方案。下面，对边带注入锁定方案的原理进行说明，以便理解本发明提出的新器件的特点和优势。

理论上，将两个频率差为f的激光器输出的光信号耦合在一起，就可以利用光电探测器的平方检波效应得到频率为f的微波信号。但是，作为光通信用的光源，半导体激光器的线宽比较大，一个普通的分布反馈型(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器的线宽往往在MHz的量级，因此两个独立的DFB激光器进行自由拍频后，得到的微波信号的相位噪声很大，无法满足无线通信的要求。一个解决办法是利用注入锁定(Injection Locking)来实现低相位噪声。

理论研究和实验均已表明，把一个激光器发出的光注入到另一个激光器中，其中，被注入的激光器称为从激光器(slave)，另一个激光器称为主激光器(master)，如果两个激光器自由工作时的波长足够接近(波长差通常在pm量级)，而且注入光的功率足够大，那么从激光器的波长将等于主激光器，同时两个激光器输出光的相位差保持恒定不变。这种现象就是注入锁定。将光外差法和注入锁定结合起来产生微波或毫米波信号，可以大大降低相位噪声。图1是目前现有的一种利用光外差法和注入锁定来产生毫米波信号的系统示意图，它包括一个波长可调谐的主激光器1、一个外调制器2、一个隔离器5，两个3dB耦合器6、两个从激光器7。外调制器对主激光器输出的光进行调制，因此在外调制器的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率的一系列阶次的调制边带。这束光经过一个3dB耦合器分别注入到两个从激光器中。如果调节主激光器的波长，使得外调制器输出光谱中的某两个调制边带(设它们的频率分别为f₁和f₂)与两个从激光器正好分别满足注入锁定的条件，那么从激光器激射的频率将被分别锁定在f₁和f₂上。此时，这两束频率分别为f₁和f₂的光由于是锁定后所得，因此其相位也均与主激光器保持恒定。这两束光经过3dB耦合器耦合之后，进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为f₂-f₁而且相位噪声较小的微波。在该系统中，总共使用了三个激光器并且在两个激光器中发生注入锁定，系统较为复杂，在稳定性上存在一定问题。近年来，有人(M.Ogusu，K.Inagaki，et al，“Carrier Generation and Data Transimission on Millimeter-Wave BandsUsing Two-Mode Locked Fabry-Perot Slave Lasers”，IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques，vol.51，No.2，pp.382～391，2003)提出利用法布里-珀罗腔(Fabry-Perot，FP)激光器多纵模工作的特性，使它的两个纵模同时被主激光器的两个调制边带锁定，这样可以减少系统的复杂度。该系统示意图如图2所示，它包括一个波长可调谐的主激光器1、一个外调制器2、一个环路器8和一个作为从激光器的FP激光器9。如果需要产生频率为f的毫米波载波，那么需要控制FP激光器的腔长，使其纵模间隔为f。设FP激光器波导的有效折射率为n_eff，光在真空中的速度为c(等于3×10⁸m/s)，腔长为L，那么FP激光器的纵模间隔为c/2n_effL。如果需要产生频率为f的毫米波载波，那么可以控制FP激光器的腔长L，使其纵模间隔为f。再对主激光器进行调制，调制频率为f/2N(N为正整数)，这样其+N阶和-N阶调制边带的频率差就是f。调节主激光器波长，使得其+N阶和-N阶调制边带与FP激光器的某两个相邻的纵模正好分别满足注入锁定的条件，那么FP激光器的这两个相邻纵模的相位将与主激光器保持恒定。这两个相邻纵模进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为f而且相位噪声较小的微波。

目前报道的光外差法产生微波的文章中，绝大多数都是采用分立器件搭建的系统，而单片集成器件的报道很少。众所周知，分立器件搭建的系统往往庞大复杂，而且稳定性差，成本也比较高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件，在同一衬底上将若干器件集成，实现光生微波的功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件，在同一芯片上集成一个DFB激光器段22和一个FP激光器段23，具体实现方案为：

在N型衬底11上依次生长如下外延层：下包层12、下波导层13、多量子阱有源层14、光栅层15、上波导层16、上包层17、欧姆接触层19；

整个器件分为两段，一段为DFB激光器段22，另一段作为FP激光器段23；两段之间有一段区域去除下包层12以上的部分形成隔离槽24，形成该DFB激光器段22和FP激光器段23的电隔离，同时形成FP激光器的一个反射端面；

光栅层15上在生长过程中制作出光栅结构，并去除FP激光器段23区域内的光栅；

整个器件采用脊波导21结构，外延层生长完成后在上包层17上制作出脊波导21，并在脊波导21两侧用SiO₂绝缘层18来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂；

在N型衬底11和欧姆接触层19上分别镀有N型电极10和P型电极20。

所述DFB激光器段22的长度为300～500μm，隔离槽24的长度为1～5μm，FP激光器段23的长度L与产生的微波的频率f之间满足f＝c/2n_effL，其中，c是真空中光速，n_eff是FP激光器波导的有效折射率。

所述DFB激光器段22作为主激光器，对其输出光进行调制后产生的两个调制边带去锁定FP激光器段23的两个相邻纵模，被锁定的两个相邻纵模进行拍差，通过光探测器进行接收，就可以获得高频微波。

所述脊波导21的宽度为2～4μm，高度为1.3～1.6μm，并且在制作过程中其刻蚀深度不穿透上包层17。

所述集成器件进一步包括，在DFB激光器段22和隔离槽24之间增加一个电吸收调制器段25，对DFB激光器段22进行外调制，并在DFB激光器段22和电吸收调制器段25之间增加一个电隔离段26。

在所述电吸收调制器段25的区域内脊波导21的高度为3.8～4.2μm，在下包层12上制作并且在制作过程中其刻蚀深度不穿透下包层12；脊波导21两侧用SiO₂绝缘层18来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。

所述电吸收调制器段25的长度为50～150μm，电隔离段26的长度为30～50μm，并所述电隔离段26处无P型电极20和欧姆接触层19。

本发明的有益效果是，将相关半导体光电子器件实现了单片集成，集成度高、结构新颖，既能提高性能又能大大减少器件的体积，有利于提高系统的稳定性；并且制作工艺简单、成本低、成品率高，适于大规模生产和应用，在未来的高速通讯领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是基于调制边带注入锁定的光生微波系统示意图；

图2是基于FP激光器双纵模注入锁定的光生微波系统示意图；

图3是集成了DFB激光器和FP激光器，基于FP激光器双纵模注入锁定的光生微波单片集成器件；

图4是集成了DFB激光器、EA调制器和FP激光器，基于FP激光器双纵模注入锁定的光生微波单片集成器件。

图中的各个数字标号分别对应于：1.波长可调谐的主激光器；2.LiNbO₃调制器；3.调制器直流偏置；4.调制器交流输入；5.隔离器；6.3 dB耦合器；7.从激光器；8.环路器；9.FP激光器；10.N电极；11.衬底；12.下包层；13.下波导层；14.多量子阱有源层；15.光栅层；16.上波导层；17.上包层；18.SiO₂绝缘层；18.欧姆接触层；20.P电极；21.脊波导；22.DFB激光器段；23.FP激光器段；24.隔离槽；25.EA调制器段；26.电隔离段。

具体实施方式

本发明提供了一种基于FP激光器注入锁定的光生微波单片光子集成器件。本器件由一个DFB激光器22和一个FP激光器23集成而成，其中DFB激光器22作为主激光器，FP激光器23作为从激光器。通过控制FP激光器23的腔长，使得其纵模间隔为f。对DFB激光器22进行直接调制，或者集成一个电吸收(Electroabsorption，EA)调制器25进行外调制，从而产生一系列调制边带。设调制频率为f/2N(N为正整数)，这样其+N阶和-N阶调制边带的频率差就是f。通过调节DFB激光器的注入电流或者温度来调节其波长，使得其+N阶和-N阶调制边带与FP激光器的某两个相邻的纵模正好分别满足注入锁定的条件，那么FP激光器的这两个相邻纵模的相位将与主激光器保持恒定。这两个相邻纵模进行拍差，再利用光电探测器接收，就可以得到频率为f而且相位噪声较小的微波。

下面结合附图和实施例对本发明的光生微波单片光子集成器件进行进一步的说明，以下实施例分别是在对DFB激光器进行直接调制和外调制的基础上，利用FP激光器双纵模注入锁定产生高频微波的单片光子集成器件。

实施例1

图3是一种集成了DFB激光器和FP激光器，基于FP激光器双纵模注入锁定的光生微波单片集成器件。工作波长在1550nm波段内，在DFB激光器直接调制的基础上，利用FP激光器双纵模注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基单片光子集成器件。

该器件将在同一芯片上集成了一个DFB激光器22和一个FP激光器23。

首先，器件的外延材料如下所述。通过金属有机化学气相沉积(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)法，首先在n型衬底11材料上一次外延，依次生长n型InP下包层12(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层13(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱14(光荧光波长1.52μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2μm)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层15。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除FP激光器区域内的光栅。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层16(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层17(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层19(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导21结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导，脊宽均为3μm，高1.5μm。通过等离子增强化学气相淀积(Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition，PECVD)的方法在脊波导两侧用SiO₂绝缘层18来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极20和N电极10。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。其中，P电极包括两个部分：一部分长400μm，作为DFB激光器22的P电极；另一部分长780μm，作为FP激光器23的P电极。两部分P电极之间有一段5μm长的区域，该区域通过电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)干法刻蚀的方法刻出隔离槽24，其刻蚀深度需要达到下包层，形成该DFB激光器22和FP激光器23的电隔离，同时可以形成FP激光器23的一个反射端面。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。FP激光器的阈值电流典型值为20mA。微波信号加载在DFB激光器注入电流上，实现DFB激光器的直接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到频率在60GHz、距离载波100kHz处的单边带相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例2

图4是一种集成了DFB激光器、电吸收(Electroabsorption，EA)调制器和FP激光器，基于FP激光器双纵模注入锁定的光生微波单片集成器件。工作波长在1550nm波段内，在DFB激光器外调制的基础上，利用FP激光器双纵模注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基单片光子集成器件。

该器件将在同一芯片上集成了一个DFB激光器22、一个EA调制器25和一个FP激光器23。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底11材料上一次外延，依次生长n型InP下包层12(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层13(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱14(光荧光波长1.52μm，7个量子阱：阱宽8nm，0.5％压应变，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1.2μm)、70nm厚的InGaAsP光栅材料层15。接下来通过全息干涉曝光的方法制作出光栅结构，并通过光刻和湿法腐蚀的方法去除EA调制器和FP激光器区域内的光栅。然后再利用MOCVD二次外延生长100nm厚p型晶格匹配InGaAsP波导层16(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层17(掺杂浓度从3×10¹⁷cm^-2逐渐变化为1×10¹⁸cm^-2)和100nm厚的p型InGaAs欧姆接触层19(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导21结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导，脊宽均为3μm，DFB激光器段22和FP激光器段23的脊波导高1.5μm，EA段25的脊波导高4μm。通过等离子增强化学气相淀积(Plasma Enhanced ChemicalVapour Deposition，PECVD)的方法在脊波导两侧用SiO₂绝缘层18来填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极20和N电极10。P电极的材料是Cr/Au合金，N电极的材料是Ti/Au合金。其中，P电极包括三个部分，其长度分别是400μm、100μm和780μm，它们依次是作为DFB激光器22、EA调制器25和FP激光器23的P电极。DFB激光器22和EA调制器25的P电极之间有一段40μm长的区域26，该区域的欧姆接触层19被腐蚀掉，形成DFB激光器22和EA调制器25的电隔离。EA调制器25和FP激光器23的P电极之间有一段5μm长的区域，该区域通过电感耦合等离子体(Inductively CoupledPlasma，ICP)干法刻蚀的方法刻出隔离槽24，其刻蚀深度需要达到下包层，形成该EA调制器25和FP激光器23的电隔离，同时可以形成FP激光器23的一个反射端面。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，DFB激光器的阈值电流典型值为10mA，边模抑制比达到40dB以上。FP激光器的阈值电流典型值为20mA。微波信号加载在DFB激光器注入电流上，实现DFB激光器的直接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到频率在60GHz、距离载波100kHz处的单边带相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。