專利名稱：利用soa四波混頻效應(yīng)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)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用S0A四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生 高頻微波的集成光電子器件。
技術(shù)背景本發(fā)明是一種基于半導(dǎo)體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)四波混頻效應(yīng)的單片光子集成器件，通過光外差來產(chǎn)生高頻微波，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。但另一方面，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。目前，處于整個通信 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。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。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、日本、德國等多個國家目前都在進(jìn)行毫米波無線接入技術(shù)的研究，其中核心的研究內(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，.采用電域的方法產(chǎn)生和處理毫米波信號也存在成本較高的問題。 一個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，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，可以利用光波技術(shù)實現(xiàn)毫米波信號的產(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/的信號并采用高速光調(diào)制器將該信號加載到光波上。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，即利用兩個頻率 差為/的光信號在光電探測器中通過差頻產(chǎn)生頻率為/信號。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，該方法還可 以與光波分復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，同時調(diào)制多個信道，從而進(jìn)一步降低整個系統(tǒng)的成 本和簡化系統(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，利用光外差法產(chǎn)生微波或者毫米波的 技術(shù)主要包括雙波長激光器、鎖模激光器、光鎖相環(huán)、邊帶注入鎖定等方案。最 近，文獻(xiàn)(T. Wang， M. .Chen， H. Chen and S. Xie, "Millimetre-wave signal generation using FWM effect in S0A，， ， Electronics Letters, vol. 43, No. 1, pp. 36 38， 2007)中報道了一種利用S0A的非線性效應(yīng)來產(chǎn)生毫米波的方 法，其系統(tǒng)如圖l所示。在該文獻(xiàn)中，先用LiNbCU周制器對一個半導(dǎo)體激光器進(jìn) 行調(diào)制，會產(chǎn)生兩個一階調(diào)制邊帶。設(shè)激光器輸出光的頻率為"(,，調(diào)制頻率為 w，那么兩個一階邊帶的頻率分別為"。+ "和"。-w。這兩個一階調(diào)制邊帶 依次通過摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifer， EDFA)放大，并通過一個帶通濾波器濾出EDFA產(chǎn)生的放大的自發(fā)輻射，然后進(jìn)入半導(dǎo)體光放大器。 由于半導(dǎo)體光放大器的尺寸較小，通常都在1 mm以下，所以很容易滿足相位匹 配的條件，從而發(fā)生四波混頻效應(yīng)(four-wave mixing, F麵)。當(dāng)發(fā)生四波混頻 效應(yīng)時，那么兩個一階調(diào)制邊帶可以作為泵浦光，產(chǎn)生兩個新頻率的光，其頻率 分別為3"和"。-3 ，同時，這兩束新產(chǎn)生的光的相位是相關(guān)的，與作 為光源的半導(dǎo)體激光器的相位保持恒定，因此，這兩束光進(jìn)行拍差，再利用光電 探測器接收，就可以得到頻率為6"而且相位噪聲較小的微波。S0A對半導(dǎo)體激 光器調(diào)制邊帶四波混頻產(chǎn)生毫米波信號是一個新的研究方向。目前報道的光外差法產(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)，而單片集成器件的報道很少。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。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，特別提供了一種利用S0A四波混頻效應(yīng) 產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種利用S0A四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，該器件在N型 襯底上依次生長如下外延層下包層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。器件集成了一個分布反饋(Distributed Feedback, DFB)激光器21和一個 SOA 23。采用脊波導(dǎo)20結(jié)構(gòu)，脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層17填平。DFB激光器21 和S0A 23的頂面和底面上分別制作了一層P型電極17和一層N型電極10。 DFB 激光器21和S0A 23相連的地方有一段電隔離段22，該段沒有P型電極17和歐 姆接觸層18，用以實現(xiàn)各器件之間的電隔離。所述DFB激光器的輸出光產(chǎn)生的兩個一階調(diào)制邊帶作為S0A四波混頻效應(yīng)的泵浦光，產(chǎn)生兩個頻率差更大的光，進(jìn)行拍差。其中DFB激光器段的長度為300 500ixm, SOA段的長度為200 300 u m，電 隔離段的長度為30 50 u m，所述集成光電子器件的SOA采用端面抗反鍍膜或彎 曲波導(dǎo)，控制光的反饋率在0.01% 10%之間。另外集成光電子器件在DFB激光器和SOA之間還可以集成一個電吸收 (Electroabsorption， EA)調(diào)制器，對DFB激光器進(jìn)行間接調(diào)制。此時所述EA調(diào)制器段的長度為50 150iira。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明所述的集成光電子器件實現(xiàn)了單片集成，具 有集成度高、成本低、成品率高、制作方法簡單而又能提高性能的優(yōu)點。


圖1基于S0A四波混頻效應(yīng)的光生微波系統(tǒng)示意2集成了 DFB激光器、S0A，基于S0A四波混頻效應(yīng)的光生微波單片集成器件圖3集成了DFB激光器、EA調(diào)制器和SOA，基于S0A四波混頻效應(yīng)的光生 微波單片集成器件圖中的各個數(shù)字標(biāo)號分別為1. DFB激光器；2. LiNb(U周制器；3.調(diào)制器 直流偏置；4.調(diào)制器交流輸入；5. EDFA; 6.帶通濾波器；7.可變衰減器；8. 隔離器；9. S0A; 10. N電極；11.襯底和下包層；12.下波導(dǎo)層；13.多量子 阱有源層；14.光柵層；15.上波導(dǎo)層；16.上包層；17. Si02絕緣層；18.歐 姆接觸層；19. P電極；20.脊波導(dǎo)；21. DFB段；22.電隔離段；23. S0A段； 24. EA調(diào)制器段。
具體實施方式
下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供了一種基于S0A四波混頻效應(yīng)的光生微波單片光子集成器件。本 器件由多個器件集成，其中作為光源的是一個分布反饋(Distributed Feedback,該激光器進(jìn)行直接調(diào)制，或者集成一個電吸收調(diào)制器 (Electroabsorption Modulator, EAM) 24進(jìn)行間接調(diào)制，從而產(chǎn)生兩個一階調(diào) 制邊帶。設(shè)激光器的頻率為"。，調(diào)制頻率為Q，那么兩個一階邊帶的頻率分別 為"。+Q和"。-Q。然后再在其后集成一個S0A 23，通過S0A 23的四波混頻 效應(yīng)可以產(chǎn)生兩個新頻率的光，其頻率分別為"。+ 3Q和"。-3Q。這兩束新 產(chǎn)生的光的相位是相關(guān)的，與作為光源的21的相位保持恒定，因此，這兩束光 進(jìn)行拍差，再利用光電探測器接收，就可以得到頻率為6Q而且相位噪聲較小的 微波。為了進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，本發(fā)明還提出，在S0A釆用端面抗反鍍膜或者彎 曲波導(dǎo)，這樣一方面可以抑制激光器激射時的法布里-珀羅腔(Fabry-Perot， FP) 模式，同時還可以減小SOA輸出端面反射回DFB激光器的光，從而避免外反射對 激光器線寬的不良影響?？狗村兡ず蟮亩嗣娣瓷渎史秶?0—4到10%之間。下面介紹一下本發(fā)明裝置的兩個實施例，分別是在對DFB激光器進(jìn)行直接調(diào) 制和間接調(diào)制的基礎(chǔ)上，利用S0A四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的單片光子集成器 件。實施例1參照圖2所示，工作波長在1550 nm波段內(nèi)，在DFB激光器直接調(diào)制的基礎(chǔ) 上，利用S0A四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的InGaAsP/InP基單片光子集成器件。 該器件將一個DFB激光器21和一個S0A 23集成在同一個芯片上。 首先，器件的外延材料如下所述。通過M0CVD法，首先在n型襯底材料上一 次外延，依次生長n型InP下包層ll (厚度200 nm、摻雜濃度約1X1018 cm—2)、 100 nm厚非慘雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層12(光熒光波長1. 2 u m)、應(yīng)變InGaAsP 多量子阱13 (光熒光波長1.52 um， 7個量子阱阱寬8nm， 0. 5%壓應(yīng)變，壘寬 10 nm，晶格匹配材料，光熒光波長1.2 um)、 70 nm厚的InGaAsP光柵材料層 14。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SOA區(qū)域內(nèi)的光柵。然后再利用M0CVD 二次外延生長100 nm厚p型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層15 (光熒光波長1. 2 u m，摻雜濃度約1 X 1017 cm—2)、 1.7 um厚P型InP上包層16 (摻雜濃度從3X 1017 cm—'逐漸變化為1 X 1018 cm—2) 和100 nm厚的p型InGaAs歐姆接觸層18 (摻雜濃度〉1 X 1019 cnf2)。整個器件采用脊波導(dǎo)20結(jié)構(gòu)，通過光刻和干法刻蝕的方法制作出脊波導(dǎo)， 脊寬均為3 ym，高1.5 ym。通過等離子增強化學(xué)氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical Vapour D印osition， PECVD)的方法在脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層17來 填平，然后腐蝕掉脊頂上的Si02。用濺射的方法制作P電極19和N電極10。 P 電極的材料是Cr/Au合金，N電極的材料是Ti/Au合金。其中，P電極包括兩個 部分 一部分長400 tim，作為DFB激光器21的P電極；另一部分長200 u m， 作為S0A部分23的P電極。兩部分P電極之間有一段40 um長的區(qū)域22，該區(qū) 域的歐姆接觸層被腐蝕掉，形成該DFB激光器和SOA的電隔離段。在SOA采用端 面抗反鍍膜或者彎曲波導(dǎo)，以降低端面反射造成的光反饋，使得光的反饋率在IO.4 到10%之間。本實例的特征參數(shù)為制成的集成器件中，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。微波信號加載在DFB激光器注入電流上，實現(xiàn)DFB激光器的直接調(diào)制。輸出光經(jīng)光電探測器之后，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。 實施例2參照圖3所示，工作波長在1550 nm波段內(nèi)，在Dra激光器間接調(diào)制的基礎(chǔ) 上，利用SOA四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的InGaAsP/工nP基單片光子集成器件。該器件將一個DFB激光器21、 一個EA調(diào)制器24和一個S0A 23集成在同一 個芯片上。首先，器件的外延材料如下所述。通過MOCVD法，首先在n型襯底材料上一 次外延，依次生長n型InP下包層ll (厚度200 nm、摻雜濃度約1X1018 cnf2)、 100 nm厚非摻雜晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層12(光熒光波長1. 2 y m)、應(yīng)變InGaAsP多量子阱13 (光熒光波長1.52 ym， 7個量子阱阱寬8mn， 0. 5°/。壓應(yīng)變，壘寬 10 nm，晶格匹配材料，光熒光波長1.2 um)、 70 nm厚的InGaAsP光柵材料層 14。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EA和S0A區(qū)域內(nèi)的光柵。然后再利用M0CVD 二次外延生長100 nm厚 P型晶格匹配InGaAsP波導(dǎo)層15 (光熒光波長1. 2 y m，摻雜濃度約1 X 1017 cnf2)、 1.7 um厚P型InP上包層16 (摻雜濃度從3X 1017 cnf2逐漸變化為1 X 1018 cm—2) 和100 nm厚的p型InGaAs歐姆接觸層18 (摻雜濃度〉1X1019 cm—2)。整個器件采用脊波導(dǎo)20結(jié)構(gòu)，通過光刻和干法刻蝕的方法制作出脊波導(dǎo)， 脊寬均為3 ym， DFB段和S0A段的脊波導(dǎo)高L5 u m， EA段的脊波導(dǎo)高4 um。。 通過等離子增強化學(xué)氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical Vapour D印osition, PECVD)的方法在脊波導(dǎo)兩側(cè)用Si02絕緣層17來填平，然后腐蝕掉脊頂上的Si02。 用濺射的方法制作P電極19和N電極10。 P電極的材料是Cr/Au合金，N電極的 材料是Ti/Au合金。其中，P電極包括三個部分，其長度分別是400 nm、 100 w m 和200 um，它們依次是作為DFB激光器21、 EA調(diào)制器24和SOA 23的P電極。 相鄰兩部分P電極之間有一段40 um長的區(qū)域22，該區(qū)域的歐姆接觸層被腐蝕 掉，形成該DFB激光器與EA調(diào)制器、EA調(diào)制器與SOA的電隔離。在SOA采用端 面抗反鍍膜或者彎曲波導(dǎo)，以降低端面反射造成的光反饋，使得光的反饋率在10—4 到10%之間。本實例的特征參數(shù)為制成的集成器件中，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。微波信號加載在EA調(diào)制器的反向電場上， 實現(xiàn)DFB激光器的間接調(diào)制。輸出光經(jīng)光電探測器之后，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SOA四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件，該器件在N型襯底上依次生長如下外延層下包層、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，在N型襯底和歐姆接觸層上分別鍍有N型電極和P型電極，其特征在于所述集成光電子器件均采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊波導(dǎo)兩側(cè)用SiO2絕緣層填平，并集成一個分布反饋DFB激光器和一個半導(dǎo)體光放大器SOA；DFB激光器和SOA的頂面和底面上分別制作了一層P型電極和一層N型電極，DFB激光器和SOA相連的地方有一段電隔離段，且該電隔離段處無P型電極和歐姆接觸層；DFB激光器的輸出光產(chǎn)生的兩個一階調(diào)制邊帶作為SOA四波混頻效應(yīng)的泵浦光，產(chǎn)生兩個頻率差更大的光，進(jìn)行拍差。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用SOA四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的集成 光電子器件，其特征在于所述DFB激光器段的長度為300 500um， SOA段的 長度為200 300um，電隔離段的長度為30 50 y m。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用SOA四波混頻效應(yīng)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在DFB激光器和SOA之間集成一 個EA調(diào)制器，對DFB激光器進(jìn)行間接調(diào)制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用SOA四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的集成 光電子器件，其特征在于所述EA調(diào)制器段的長度為50 150um。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種利用SOA四波混頻效應(yīng)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的SOA采用端面抗反鍍膜或 彎曲波導(dǎo)，控制光的反饋率在0.01% 10%之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用SOA四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生高頻微波的集成光電子器件。該集成光電子器件均采用脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊波導(dǎo)兩側(cè)用SiO₂絕緣層填平，并集成一個分布反饋DFB激光器和一個半導(dǎo)體光放大器SOA。DFB激光器和SOA的頂面和底面上分別制作了一層P型電極和一層N型電極，DFB激光器和SOA相連的地方有一段電隔離段，且該電隔離段處無P型電極和歐姆接觸層；DFB激光器的輸出光產(chǎn)生的兩個一階調(diào)制邊帶作為SOA四波混頻效應(yīng)的泵浦光，產(chǎn)生兩個頻率差更大的光，進(jìn)行拍差。該器件具有集成度高、成本低、成品率高、制作方法簡單而又能提高性能的優(yōu)點。
文檔編號H01S5/50GK101222121SQ20071017942
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月13日
發(fā)明者孫長征, 兵 熊, 毅 羅, 縉 黃 申請人:清華大學(xué)