基于边带注入锁定用于产生高频微波的集成光电子器件

摘要

基于边带注入锁定用于产生高频微波的集成光电子器件，属于微波光子学领域的光电子器件制备技术领域，尤其涉及基于边带注入锁定用于产生高频微波的集成光电子器件。该集成光电子器件将两个从激光器集成在同一个衬底上，在衬底上依次外延下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，通过Y分支波导或多模干涉器将两个从激光器耦合在一起，从而实现外置主激光器调制边带的注入，进行注入锁定；再通过Y分支波导或多模干涉器耦合输出，进行拍差，就可以获得高频微波。本发明还可以进一步集成一个主激光器以及一个电吸收调制器，进一步提高集成度。本发明结构新颖，制作工艺简单，将在未来的高速通讯领域具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子学领域的光电子器件制备技术领域，特别涉及一种利用边带注入锁定产生高频微波的集成光电子器件。

技术背景

本发明是一种用边带注入锁定产生高频微波的集成光电子器件，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(Radioover Fiber)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3，两个3dB耦合器4、两个分立的从激光器5。外调制器2对主激光器1输出的光进行调制，因此在外调制器2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4分别注入到两个分立的从激光器5中。如果调节主激光器1的波长，使得外调制器2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)与两个分立的从激光器5正好分别满足注入锁定的条件，那么分立的从激光器5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1保持恒定。这两束光经过3dB耦合器4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。

目前报道的利用边带注入锁定产生微波的文章中，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。如果能在同一衬底上将若干器件集成，实现光生微波的功能，将会大大减少器件的体积，最终有利于提高系统的稳定性，适于大规模生产和应用。

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利用边带注入锁定产生高频微波的集成光电子器件，在同一衬底上将若干器件集成，实现光生微波的功能。

本发明的特征之一在于，是一种在同一芯片上集成了两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。该器件依次外延生长在N型衬底上的如下外延层：下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，在所述N型衬底上镀有N型电极，在所述欧姆接触层上镀有P电极。该器件在所述上包层上制作脊波导结构，在所述脊波导结构的两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，脊顶上的SiO₂绝缘层被腐蚀。按两段依次分别集成在所述脊波导结构两端上的从激光器段和Y分支波导段，其中，所述的从激光器段由两个作为从激光器的分布反馈激光器构成，所述两个分布反馈分布反馈激光器的同侧端用所述Y分支波导耦合，在所述两个分布反馈激光器与所述Y分支波导相连处有一个电隔离区，在该电隔离区没有所述P电极和所述欧姆接触层。另外，在所述光栅层上在生长过程中制作出光栅结构，并去除所述Y分支波导段内的光栅结构。

本发明的特征之二在于，是一种在同一芯片上集成了两个从激光器的多模干涉器耦合式光生微波集成光电子器件。该器件依次外延生长在N型衬底上的如下外延层：下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，在所述N型衬底上镀有N型电极，在所述欧姆接触层上镀有P电极，该器件在所述上包层上制作脊波导结构，在所述脊波导结构的两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，脊顶上的SiO₂绝缘层被腐蚀，按两段依次分别集成在所述脊波导结构两端上的从激光器段和多模干涉器段，其中，所述的从激光器段有两个相互平行且都作为从激光器的分布反馈激光器构成，所述两个分布反馈分布反馈激光器的同侧端用所述多模干涉器耦合，在所述两个分布反馈激光器与所述多模干涉器相连处有一个电隔离区，在该电隔离区没有所述P电极和所述欧姆接触层。另外，在所述光栅层上在生长过程中制作出光栅结构，并去除所述多模干涉器段内的光栅结构。

本发明的特征之三在于，是一种在同一芯片上集成了一个主激光器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。该器件依次外延生长在N型衬底上的如下外延层：下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，在所述N型衬底上镀有N型电极，在所述欧姆接触层上镀有P电极。该器件在所述上包层上制作脊波导结构，在所述脊波导结构的两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，脊顶上的SiO₂绝缘层被腐蚀。按四段依次分别集成在所述脊波导结构上的主激光器段、第一Y分支波导段、由两个平行的分布反馈激光器构成的从激光器段、以及第二Y分支波导段，其中，所述主激光器段由一个独立的分布反馈激光器构成，所述从激光器段，其中两个作为从激光器的分布反馈激光器两端分别和所述第一Y分支波导段、第二Y分支波导段中的Y分支波导耦合。所述主激光器段和所述第一Y分支波导段相连接处有一个电隔离区，在该电隔离区没有所述P电极和所述欧姆接触层。所述从激光器段和所述第一Y分支波导段相连接处有一个电隔离区，在该电隔离区没有所述P电极和所述欧姆接触层。所述从激光器段和所述第二Y分支波导段相连接处有一个电隔离区，在该电隔离区没有所述P电极和所述欧姆接触层。另外，在所述光栅层上在生长过程中制作出光栅结构，并去除所述第一Y分支波导段、第二Y分支波导段内的光栅结构。

此外，在所述主激光器段与所述第一Y分支波导段之间可以增加一个电吸收调制器段，对所述主激光器段进行外调制，并且在所述主激光器段与所述电吸收调制器段之间、在所述电吸收调制器段于所述第一Y分支波导段之间各增加一个所述的电隔离区。所述电吸收调制器段在所述下包层上制作脊波导结构，并且在制作过程中其刻蚀深度不穿透下包层，该脊波导两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂绝缘层。

本发明的特征之四在于，是一种在同一芯片上集成了一个主激光器、两个从激光器的多模干涉器耦合式光生微波集成光电子器件，该器件依次外延生长在N型衬底上的如下外延层：下包层、下波导层、多量子阱有源层、光栅层、上波导层、上包层、欧姆接触层，在所述N型衬底上镀有N型电极，在所述欧姆接触层上镀有P电极。该器件在所述上包层上制作脊波导结构，在所述脊波导结构的两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，脊顶上的SiO₂绝缘层被腐蚀。按四段依次分别集成在所述脊波导结构上的主激光器段、第一多模干涉器段、由两个平行的分布反馈激光器构成的从激光器段、以及第二多模干涉器段，其中，所述主激光器段，由一个独立的分布反馈激光器构成，所述从激光器段，由两个相互平行的分布反馈激光器作为两个从激光器构成，所述主激光器的一端与所述第一多模干涉器段相连，所述两个从激光器的一端与所述第一多模干涉器段相耦合，该两个从激光器的另一端与所述第二多模干涉器相耦合。所述主激光器段与所述第一多模干涉器段相连处、所述从激光器段与所述第一多模干涉器段相连处、所述从激光器段与所述第二多模干涉器段相连处，均各有一个点隔离区，其中没有所述P电极和欧姆接触层。另外，在所述光栅层上在生长过程中制作出光栅结构，并去除所述第一多模干涉器段、第二多模干涉器段内的光栅结构。

此外，在所述主激光器段与所述第一多模干涉器段之间增加一个电吸收调制器段，对所述主激光器段进行外调制，并且在所述主激光器段与所述电吸收调制器段之间、在所述电吸收调制器段于所述第一多模干涉器段之间各增加一个所述的电隔离区。所述电吸收调制器段在所述下包层上制作脊波导结构，并且在制作过程中其刻蚀深度不穿透下包层，该脊波导两侧用SiO₂绝缘层来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂绝缘层。

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良好的应用前景。

附图说明

图1是基于边带注入锁定的光生微波系统示意图；

图2是集成了两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件；

图3是应用了图2所示器件的光生微波系统示意图；

图4是集成了两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件；

图5是应用了图4所示器件的光生微波系统示意图；

图6是集成了一个主激光器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件；

图7是集成了一个主激光器、一个EA调制器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件；

图8是集成了一个主激光器、两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件；

图9是集成了一个主激光器、一个EA调制器、两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件；

各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.外调制器；3.隔离器；4.3dB耦合器；5.分立的从激光器；6.环形器；7.集成了两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件；8.集成了两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件；9.N电极；10.含下包层的衬底；11.下波导层；12.多量子阱有源层；13.光栅层；14上波导层；15.上包层；16.SiO₂绝缘层；17.欧姆接触层；18.P电极；19.脊波导；20.输出端面；21a.两个DFB激光器；21b.一个DFB激光器；22.从激光器段；23.Y分支波导段(23a.第一Y分支波导段；23b.第二Y分支波导段)；24.电隔离区；25.MMI段(25a.第一MMI段；25b.第二MMI段)；26.主激光器段；27.EA调制器段。

具体实施方式

本发明提供了一种用边带注入锁定产生高频微波的集成光电子器件，然后通过光外差来产生高频微波。为实现上述功能，本发明采用的技术方案有以下几种：

1.一种集成了两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。如图2所示，该器件在N型衬底10上依次生长如下外延层：下包层10、下波导层11、多量子阱有源层12、光栅层13、上波导层14、上包层15、欧姆接触层17。在N型衬底10和欧姆接触层17上分别镀有N型电极9和P电极18。该器件集成了两个作为从激光器22的分布反馈(Distributed Feedback，DFB)激光器21a和一个Y分支波导23。所述两个从激光器22的一端用Y分支波导23耦合起来。采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。从激光器22和Y分支波导23相连的地方有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

其中从激光器段22的长度为300～500μm，Y分支波导23的长度为200～500μm，电隔离区24的长度为30～50μm，所述集成光电子器件的Y分支波导端面20采用抗反射镀膜，控制光的反射率在0.01％～10％之间。

所述集成器件应用于图3所示的系统中。可调谐激光器1作为主激光器。外调制器2对可调谐激光器1输出的光进行调制，若调制频率为f，因此在外调制器2的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。这束光经过一个环形器6注入到所述集成器件7中。两个从激光器22工作在直流状态。如果调节可调谐激光器1的波长，使得外调制器2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)与所述集成器件7中的两个从激光器22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件7中的两个从激光器22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，因此其相位也均与可调谐激光器1保持恒定。这两束光经过环形器6输出，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高频微波。

为了提高光注入的效率和集成器件的输出功率，减小Y分支波导23对光的损耗，本发明还提出，可以在Y分支波导23上注入电流以引入增益，这样就可以控制主激光器1注入从激光器22的效率，而且也可以调节集成器件的输出功率。

2.一种集成了两个从激光器的多模干涉器(Multi-Mode Interference，MMI)耦合式光生微波集成光电子器件。如图4所示，该器件在N型衬底10上依次生长如下外延层：下包层10、下波导层11、多量子阱有源层12、光栅层13、上波导层14、上包层15、欧姆接触层17。在N型衬底10和欧姆接触层17上分别镀有N型电极9和P电极18。该器件集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a和一个多模干涉器(MMI)25。所述两个从激光器22平行放置，它们的一端用MMI 25耦合起来。采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。从激光器22和MMI 25相连的地方有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

其中从激光器段22的长度为300～500μm，MMI段25的长度为200～400μm，电隔离区24的长度为30～50μm，所述集成光电子器件的MMI端面20采用抗反射镀膜，控制光的反射率在0.01％～10％之间。

所述集成器件应用于图5所示的系统中。可调谐激光器1作为主激光器。外调制器2对可调谐激光器1输出的光进行调制，若调制频率为f，因此在外调制器2的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。这束光经过一个环形器6注入到所述集成器件8中。两个从激光器22工作在直流状态。如果调节可调谐激光器1的波长，使得外调制器2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)与所述集成器件8中的两个从激光器22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件8中的两个从激光器22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，因此其相位也均与可调谐激光器1保持恒定。这两束光经过环形器6输出，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高频微波。

为了提高光注入的效率和集成器件的输出功率，减小MMI 25对光的损耗，本发明还提出，可以在MMI 25上注入电流以引入增益，这样就可以控制主激光器1注入从激光器22的效率，而且也可以调节集成器件的输出功率。

3.一种集成了一个主激光器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。如图6所示，该器件在N型衬底10上依次生长如下外延层：下包层10、下波导层11、多量子阱有源层12、光栅层13、上波导层14、上包层15、欧姆接触层17。在N型衬底10和欧姆接触层17上分别镀有N型电极9和P电极18。该器件集成了一个作为主激光器26的DFB激光器21b、两个作为从激光器22的DFB激光器21a和两个Y分支波导23。主激光器26的一端与一个Y分支波导23a相连接。两个从激光器22平行放置，它们的两端均用Y分支波导23耦合起来。采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。主激光器26与Y分支波导23a相连的地方、从激光器22与Y分支波导23相连的地方均有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

其中主激光器段26的长度为300～500μm，从激光器段22的长度为300～500μm，Y分支波导23的长度为200～500μm，电隔离区24的长度为30～50μm，所述集成光电子器件的输出端面20采用抗反射镀膜，控制光的反射率在0.01％～10％之间。

通过调制注入电流，对所述主激光器26进行直接调制，若调制频率为f，因此在主激光器26的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。两个从激光器22工作在直流状态。主激光器的输出光经由Y分支波导23a分别注入两个从激光器22。通过调节主激光器26的电流或温度来调节其波长，使得主激光器26的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22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件中的两个从激光器22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26保持恒定。这两束光经由Y分支波导23b耦合至一起，进行拍差然后输出，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高频微波。

为了提高光注入的效率和集成器件的输出功率，减小Y分支波导23对光的损耗，本发明还提出，可以在Y分支波导23上注入电流以引入增益，这样就可以控制主激光器26注入从激光器22的效率，而且也可以调节集成器件的输出功率。

另外所述集成光电子器件在主激光器26和Y分支波导23a之间还可以集成一个电吸收(Electroabsorption，EA)调制器27，对主激光器26进行外调制，如图7所示。此时所述EA调制器段27的长度为50～150μm。EA调制器27也采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。主激光器26与EA调制器27相连的地方、EA调制器27与Y分支波导23a相连的地方均有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

利用EA调制器27对所述主激光器26进行外调制，若调制频率为f，因此在EA调制器27的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。两个从激光器22工作在直流状态。EA调制器27的输出光经由Y分支波导23a分别注入两个从激光器22。通过调节主激光器26的电流或温度来调节其波长，使得EA调制器27的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22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件中的两个从激光器22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26保持恒定。这两束光经由Y分支波导23b耦合至一起，进行拍差然后输出，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高频微波。

4.一种集成了一个主激光器、两个从激光器的多模干涉器(MMI)耦合式光生微波集成光电子器件。如图8所示，该器件在N型衬底10上依次生长如下外延层：下包层10、下波导层11、多量子阱有源层12、光栅层13、上波导层14、上包层15、欧姆接触层17。在N型衬底10和欧姆接触层17上分别镀有N型电极9和P电极18。该器件集成了一个作为主激光器26的DFB激光器21b、两个作为从激光器22的DFB激光器21a和两个MMI 25。主激光器26的一端与一个MMI 25a相连接。两个从激光器22平行放置，两端均用MMI 25耦合起来。采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。主激光器26与MMI 25a相连的地方、从激光器22与MMI 25相连的地方均有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

其中主激光器段26的长度为300～500μm，从激光器段22的长度为300～500μm，MMI段25的长度为200～400μm，电隔离区24的长度为30～50μm，所述集成光电子器件的输出端面20采用抗反射镀膜，控制光的反射率在0.01％～10％之间。

通过调制注入电流，对所述主激光器26进行直接调制，若调制频率为f，因此在主激光器26的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。两个从激光器22工作在直流状态。主激光器26的输出光经由MMI 25a分别注入两个从激光器22。通过调节主激光器26的电流或温度来调节其波长，使得主激光器26的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22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件中的两个从激光器22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26保持恒定。这两束光经由MMI 25b耦合至一起，进行拍差然后输出，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高频微波。

为了提高光注入的效率和集成器件的输出功率，减小MMI 25对光的损耗，本发明还提出，可以在MMI 25上注入电流以引入增益，这样就可以控制主激光器26注入从激光器22的效率，而且也可以调节集成器件的输出功率。

另外所述集成光电子器件在主激光器26和MMI 25a之间还可以集成一个电吸收(EA)调制器27，对主激光器26进行外调制，如图9所示。此时所述EA调制器段27的长度为50～150μm。EA调制器27也采用脊波导19结构，脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16覆盖或填平。主激光器26与EA调制器27相连的地方、EA调制器27与MMI 25a相连的地方均有一段电隔离区24，该段没有P电极18和欧姆接触层17，用以实现各器件之间的电隔离。

利用EA调制器27对所述主激光器26进行外调制，若调制频率为f，因此在EA调制器27的输出光谱上，中心波长周围会产生间隔等于调制频率f的一系列阶次的调制边带。两个从激光器22工作在直流状态。EA调制器27的输出光经由MMI 25a分别注入两个从激光器22。通过调节主激光器26的电流或温度来调节其波长，使得EA调制器27的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22正好分别满足注入锁定的条件，那么所述集成器件中的两个从激光器22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26保持恒定。这两束光经由MMI 25b耦合至一起，进行拍差然后输出，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高频微波。

下面结合附图和实施例对本发明的光生微波集成光电子器件进行进一步的说明。

实施例1图2是一种集成了两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在使用外置分立的可调谐激光器和外调制器进行注入的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a和一个Y分支波导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10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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Y分支波导23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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，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19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括三个部分：一部分长400μm，呈“Y”型，作为Y分支波导23的P电极18；另外两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18。从激光器22与Y分支波导23的之间有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成从激光器22和Y分支波导23的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。应用图3所示系统，通过外置分立的可调谐激光器和外调制器注入调制边带。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例2图4是一种集成了两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在使用外置分立的可调谐激光器和外调制器进行注入的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a和一个MMI 25。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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MMI 25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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

两个从激光器22采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，脊宽均为3μm，高1.5μm。MMI 25宽20μm，长400μm。通过PECVD的方法在脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括三个部分：一部分作为MMI25的P电极18；另外两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18。从激光器22与MMI 25的之间有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成从激光器22和MMI 25的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。应用图5所示系统，通过外置的可调谐激光器和外调制器注入调制边带。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例3图6是一种集成了一个主激光器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在主激光器直接调制的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a、一个作为主激光器26的DFB激光器21b和两个Y分支波导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10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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Y分支波导23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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，脊宽均为3μm，高1.5μm。通过PECVD的方法在脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括五个部分：一部分长400μm，作为主激光器26的P电极18；有两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18；另外两部分均长400μm，呈“Y”型，作为Y分支波导23的P电极18。主激光器26与Y分支波导23a之间、从激光器22与Y分支波导23的之间均有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成主激光器26和Y分支波导23a、从激光器22和Y分支波导23的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，主激光器和两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在主激光器注入电流上，实现主激光器的直接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例4图7是一种集成了一个主激光器、一个EA调制器、两个从激光器的Y分支波导耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在利用EA调制器对主激光器进行外调制的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a、一个作为主激光器26的DFB激光器21b、一个EA调制器27和两个Y分支波导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10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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27和Y分支波导23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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，脊宽均为3μm，EA调制器段27的脊高为4μm，其余部分脊高1.5μm。通过PECVD的方法在脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括六个部分：一部分长400μm，作为主激光器26的P电极18；一部分长100μm，作为EA调制器27的P电极18；有两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18；另外两部分均长400μm，呈“Y”型，作为Y分支波导23的P电极18。主激光器26与EA调制器27之间、EA调制器27与Y分支波导23a之间、从激光器22与Y分支波导23的之间均有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成主激光器26和EA调制器27、EA调制器27和Y分支波导23a、从激光器22和Y分支波导23的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，主激光器和两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在EA调制器的反向电场上，实现主激光器的外调制。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例5图8是一种集成了一个主激光器、两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在主激光器直接调制的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a、一个作为主激光器26的DFB激光器21b和两个MMI 25。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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MMI 25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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，脊宽均为3μm，高1.5μm。MMI 25宽20μm，长400μm。通过PECVD的方法在脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括五个部分：一部分长400μm，作为主激光器26的P电极18；有两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18；另外两部分作为MMI 25的P电极18。主激光器26与MMI 25a之间、从激光器22与MMI 25的之间均有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成主激光器26和MMI 25a、从激光器22和MMI 25的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，主激光器和两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在主激光器注入电流上，实现主激光器的直接调制。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。

实施例6图9是一种集成了一个主激光器、一个EA调制器、两个从激光器的MMI耦合式光生微波集成光电子器件。工作波长在1550nm波段内，在利用EA调制器对主激光器进行外调制的基础上，利用边带注入锁定产生高频微波的InGaAsP/InP基集成光电子器件。

该器件在一个芯片上集成了两个作为从激光器22的DFB激光器21a、一个作为主激光器26的DFB激光器21b、一个EA调制器27和两个MMI 25。

首先，器件的外延材料如下所述。通过MOCVD法，首先在n型衬底10材料上一次外延，依次生长n型InP下包层10(厚度200nm、掺杂浓度约1×10¹⁸cm^-2)、100nm厚非掺杂晶格匹配InGaAsP波导层11(光荧光波长1.2μm)、应变InGaAsP多量子阱12(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13。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27和MMI 25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14(光荧光波长1.2μm，掺杂浓度约1×10¹⁷cm^-2)、1.7μm厚P型InP上包层15(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17(掺杂浓度＞1×10¹⁹cm^-2)。

整个器件采用脊波导19结构，通过光刻和干法刻蚀的方法制作出脊波导19，脊宽均为3μm，EA调制器段27的脊高为4μm，其余部分脊高1.5μm。MMI 25宽20μm，长400μm。通过PECVD的方法在脊波导19两侧用SiO₂绝缘层16来覆盖或填平，然后腐蚀掉脊顶上的SiO₂。用溅射的方法制作P电极18和N电极9。P电极18的材料是Cr/Au合金，N电极9的材料是Ti/Au合金。其中，P电极18包括六个部分：一部分长400μm，作为主激光器26的P电极18；一部分长100μm，作为EA调制器27的P电极18；有两部分平行放置，长度均为400μm，相距14μm，作为两个从激光器22的P电极18；另外两部分作为MMI25的P电极18。主激光器26与EA调制器27之间、EA调制器27与MMI 25a之间、从激光器22与MMI 25的之间均有一段40μm长的区域24，该区域的欧姆接触层被腐蚀掉，形成主激光器26和EA调制器27、EA调制器27和MMI 25a、从激光器22和MMI 25的电隔离区。在输出端面20进行抗反射镀膜，以降低端面反射造成的光反馈，使得光的反射率在10^-4到10％之间。

本实例的特征参数为：制成的集成器件中，主激光器和两个从激光器的阈值电流典型值均为10mA，边模抑制比达到40dB以上。微波信号加载在EA调制器的反向电场上，实现主激光器的外调制。输出光经光电探测器之后，可以得到中心频率在20～60GHz且频偏100kHz处相位噪声小于-84dBc/Hz的微波。