基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，包括：一入射光源；一低頻電光調(diào)制系統(tǒng)，其位于入射光源的光路上；一光放大器，其輸入端與低頻電光調(diào)制系統(tǒng)的輸出端連接；一高頻脈沖發(fā)生器，其輸入端與光放大器的輸出端連接，輸出1GHz-100GHz的可調(diào)高頻脈沖信號(hào)；一光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，其輸出端與高頻脈沖發(fā)生器的輸出端連接；一反饋控制系統(tǒng)，其輸入端與光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的輸出端連接。本發(fā)明制備與CMOS工藝兼容，輸出脈沖穩(wěn)定性高，抗干擾性能好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信和光子信息處理領(lǐng)域，尤其涉及全光信號(hào)處理中基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源。
【背景技術(shù)】
[0002]在光通信和光子信息處理領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)全光控制一直是人們努力追求的方向。而全光高頻脈沖源可以用于光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)路由選擇等。目前產(chǎn)生光學(xué)高頻振蕩脈沖的一般方法是使用高頻電信號(hào)發(fā)生器與高頻電光調(diào)制器，將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)移到光信號(hào)上。但是這種方法的最大弊端是必須使用價(jià)格昂貴的高頻電信號(hào)發(fā)生器，功耗大，且不便集成化和小型化。
[0003]另一種方法是采用微光機(jī)械(MEMS)諧振腔結(jié)構(gòu)，諧振腔可以采用懸臂式微盤(pán)結(jié)構(gòu)，或者懸空式光子晶體結(jié)構(gòu)，如美國(guó)耶魯大學(xué)H.X.Tang研究小組采用的方法(XiankaiSun， Xufeng Zhang, and Hong X.Tang, High-Q silicon optomechanical microdiskresonators at gigahertz frequencies，Appl.Phys.L.100，173116，2012 ；Xiankai Sun，Xufeng Zhang, Menno Poot，Chi Xiong, and Hong X.Tang, A superhigh-frequencyoptoelectromechanical system based on a slotted photonic crystal cavity, Appl.Phys.L.101，221116，2012)。但是，基于微光機(jī)械諧振腔結(jié)構(gòu)制備的全光脈沖的振蕩頻率通常固定，或僅有微弱的調(diào)節(jié)范圍。此外，該結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程需要更精密的控制，因此不便于采用CMOS集成工藝和大規(guī)模應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其是基于硅基微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)GHz高頻脈沖，調(diào)節(jié)微環(huán)諧振腔的載流子壽命可以實(shí)現(xiàn)高頻脈沖頻率在lGHz-lOOGHz范圍內(nèi)任意調(diào)控，調(diào)節(jié)入射光波長(zhǎng)和功率可以快速實(shí)現(xiàn)脈沖頻率在超過(guò)一個(gè)倍頻程范圍內(nèi)任意調(diào)控，硅基微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)、載流子壽命控制結(jié)構(gòu)和電極引腳的制備與CMOS工藝兼容,輸出脈沖穩(wěn)定性高,抗干擾性能好。
[0005]本發(fā)明提供一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，包括:
[0006]一入射光源；
[0007]—低頻電光調(diào)制系統(tǒng)，其位于入射光源的光路上；
[0008]—光放大器，其輸入端與低頻電光調(diào)制系統(tǒng)的輸出端連接；
[0009]一高頻脈沖發(fā)生器，其輸入端與光放大器的輸出端連接，輸出lGHz-lOOGHz的可調(diào)高頻脈沖信號(hào)；
[0010]—光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，其輸出端與高頻脈沖發(fā)生器的輸出端連接；
[0011]一反饋控制系統(tǒng)，其輸入端與光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的輸出端連接。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，提供一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其是基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)在低頻調(diào)制光波上自動(dòng)加載GHz及以上高頻脈沖信號(hào)，高頻脈沖的頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)硅基微環(huán)諧振腔的載流子壽命實(shí)現(xiàn)lGHz-lOOGHz范圍變化，固定載流子壽命時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)入射光功率和波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)超過(guò)一個(gè)倍頻程的脈沖信號(hào)輸出調(diào)控，制作硅基微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)、載流子壽命控制結(jié)構(gòu)和電極引腳的工藝與CMOS工藝兼容,便于集成化和小型化,輸出脈沖穩(wěn)定性高,抗干擾性能好。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，其中:
[0014]圖1為本發(fā)明的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)高頻脈沖光源的工作流程示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)高頻脈沖光源的環(huán)形波導(dǎo)橫截面示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)高頻脈沖光源的輸出脈沖時(shí)域波形示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中入射光為調(diào)制矩形波時(shí)，入射光波長(zhǎng)相對(duì)諧振波長(zhǎng)藍(lán)移50pm時(shí)計(jì)算得到的輸出光振蕩波形圖。
[0018]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中入射光為調(diào)制矩形波時(shí)，固定入射光波長(zhǎng)相對(duì)位置，輸出光振蕩頻率隨入射光強(qiáng)的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明提供一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，包括:
[0020]一入射光源10，為可調(diào)諧單波長(zhǎng)激光器，輸出單波長(zhǎng)連續(xù)波，該單波長(zhǎng)連續(xù)波的波長(zhǎng)一般略小于環(huán)形波導(dǎo)42的線性諧振波長(zhǎng)；
[0021]一低頻電光調(diào)制系統(tǒng)20，其位于入射光源10的光路上，包括電光調(diào)制器21和低頻任意波發(fā)生器22，該低頻電光調(diào)制系統(tǒng)20輸出的光信號(hào)為調(diào)制矩形波，該調(diào)制矩形波的高功率波形的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于環(huán)形波導(dǎo)42的熱擴(kuò)散時(shí)間，例如小于100納秒，相鄰高功率矩形波的間隔時(shí)間遠(yuǎn)大于環(huán)形波導(dǎo)42的熱擴(kuò)散時(shí)間，例如大于I毫秒，因此熱光效應(yīng)的影響可以忽略，雙光子吸收引起的自由載流子色散效應(yīng)起主要作用，此時(shí)高頻脈沖發(fā)生器40的輸出光振蕩頻率在吉赫茲量級(jí)，范圍可以覆蓋lGHz-lOOGHz。
[0022]一光放大器30，其輸入端與低頻電光調(diào)制系統(tǒng)20的輸出端連接，該光放大器30是摻鉺光纖放大器，或半導(dǎo)體光放大器；
[0023]一高頻脈沖發(fā)生器40，其輸入端與光放大器30的輸出端連接，輸出lGHz-lOOGHz的可調(diào)高頻脈沖信號(hào)；所述的高頻脈沖發(fā)生器40包括光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)，該光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)包括一直波導(dǎo)41和一環(huán)形波導(dǎo)42，其中直波導(dǎo)41兩端制作錐形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)；該高頻脈沖發(fā)生器40還包括一載流子壽命控制結(jié)構(gòu)43和電極引腳44。
[0024]其中直波導(dǎo)41和環(huán)形波導(dǎo)42為脊形結(jié)構(gòu)，橫截面尺寸為高度小于500納米，脊形波導(dǎo)寬度小于I微米，且保證最少有一個(gè)光傳播模式；直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)之間的間距為幾十納米至幾百納米，所選的間距使環(huán)形波導(dǎo)42的光譜圖諧振峰消光比超過(guò)5dB ;直波導(dǎo)41和環(huán)形波導(dǎo)42的材料包括絕緣體上硅410和在絕緣體上硅410上制作的覆蓋層420 ;覆蓋層420是二氧化硅或氮化硅，覆蓋層420的厚度應(yīng)較大，以避免對(duì)環(huán)形波導(dǎo)42的熱擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生較大影響，例如覆蓋層420的厚度應(yīng)不小于2微米；環(huán)形波導(dǎo)42的熱擴(kuò)散時(shí)間比載流子壽命大4個(gè)數(shù)量級(jí)及以上。
[0025]載流子壽命控制結(jié)構(gòu)43制作在環(huán)形波導(dǎo)42上，該載流子壽命控制結(jié)構(gòu)43包括P+硅431、N+硅432、P++硅433、N++硅434、導(dǎo)電通孔435和連接線436 ;其中導(dǎo)電通孔435和N++硅、P++硅形成良好的歐姆接觸；摻雜后的硅波導(dǎo)電學(xué)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為PIN型，且波導(dǎo)內(nèi)的光能量主要在本征硅區(qū)402，以降低光傳輸損耗；導(dǎo)電通孔435距離本征硅區(qū)402的距離應(yīng)較遠(yuǎn)，以避免影響本征硅區(qū)402的熱擴(kuò)散時(shí)間，例如該距離不小于4微米。為了有效降低環(huán)形波導(dǎo)42中的載流子壽命，在載流子壽命控制結(jié)構(gòu)43兩端施加反向偏壓，使得環(huán)形波導(dǎo)42中載流子壽命小于1ns，載流子壽命越小，自脈動(dòng)頻率越高。
[0026]本發(fā)明的原理依賴(lài)于環(huán)形波導(dǎo)42的非線性性質(zhì)，由于入射矩形波所具有的特點(diǎn)，即兩個(gè)高功率矩形之間的時(shí)間間隔遠(yuǎn)長(zhǎng)于環(huán)形波導(dǎo)42的熱擴(kuò)散時(shí)間，因此環(huán)形波導(dǎo)42內(nèi)的熱量不會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，即可以忽略環(huán)形波導(dǎo)42的熱光效應(yīng)。此時(shí)需要考慮的非線性效應(yīng)包括:克爾效應(yīng)，雙光子吸收效應(yīng)，自由載流子吸收效應(yīng)和自由載流子色散效應(yīng)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)位于諧振波長(zhǎng)附近時(shí)，環(huán)形波導(dǎo)42起到積累光能量的作用，從而提高環(huán)形波導(dǎo)42中的光強(qiáng)度，并激發(fā)雙光子吸收效應(yīng)；與此同時(shí)，雙光子吸收產(chǎn)生自由載流子電子和空穴對(duì)，自由載流子引起自由載流子吸收和自由載流子色散，分別影響環(huán)形波導(dǎo)42中的光傳輸損耗和折射率。當(dāng)載流子壽命小于1ns，且入射光功率超過(guò)臨界閾值時(shí)，自由載流子色散效應(yīng)和環(huán)形波導(dǎo)42的光反饋相互作用，使得環(huán)形波導(dǎo)42內(nèi)的光傳輸狀態(tài)從穩(wěn)定態(tài)突變到振蕩態(tài)，而自由載流子壽命決定了輸出脈沖的頻率在GHz以上。輸出脈沖時(shí)域圖形示意圖如圖3所示。
[0027]—光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)50,其輸出端與高頻脈沖發(fā)生器40的輸出端連接,該光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)50包括一分束器51、一光功率計(jì)52和一信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)53,其中信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)53包括高速示波器和/或頻譜儀和/或光譜儀；
[0028]—反饋控制系統(tǒng)60,其輸入端與光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)50的輸出端連接,該光反饋系統(tǒng)60提取輸出光信號(hào)的碼型和頻率信息，并控制入射光源10的輸出光波長(zhǎng)，控制低頻電光調(diào)制系統(tǒng)20輸出矩形脈沖的形狀和持續(xù)時(shí)間,控制光放大器30的輸出光功率，以及控制加載到電極引腳44的電壓值；該反饋控制系統(tǒng)60可以實(shí)現(xiàn)輸出光的振蕩波形和頻率長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的目的。
[0029]本實(shí)施例中，為了更直觀了解輸出光的高頻自脈動(dòng)振蕩效果，我們以某一尺寸下的硅基微環(huán)諧振腔為例，但是實(shí)現(xiàn)可調(diào)高頻脈沖光源需要的硅基微環(huán)諧振腔不限于這一種具體尺寸。環(huán)形波導(dǎo)42的半徑為5微米，采用脊形結(jié)構(gòu)，脊形寬度為550nm,高度為400nm,平板區(qū)高度為180nm，橫截面有效面積為0.254平方微米，載流子壽命為150ps，波導(dǎo)線性損耗為IcnT1。圖4為當(dāng)入射光強(qiáng)為3 X 106ff/cm2 (對(duì)應(yīng)的光功率為7.6mff)，入射光波長(zhǎng)相對(duì)諧振波長(zhǎng)藍(lán)移50pm時(shí),輸出光強(qiáng)時(shí)域振蕩圖。圖5為輸出光振蕩頻率與輸入光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線圖，該圖清晰地顯示，通過(guò)調(diào)整入射光功率可以實(shí)現(xiàn)振蕩頻率從3GHz到14GHz超寬頻調(diào)制輸出。[0030]為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例中載流子壽命為150ps，以及波導(dǎo)線性損耗IcnT1，需要制作PIN電極結(jié)構(gòu)，在電極兩端施加反向偏壓，以使環(huán)形波導(dǎo)42中的非平衡載流子快速被外電場(chǎng)掃到脊形波導(dǎo)之外，從而有效降低載流子壽命。為了有效降低波導(dǎo)損耗，制作的脊形波導(dǎo)的本征硅區(qū)402寬度應(yīng)較寬，使波導(dǎo)內(nèi)光盡可能在本征硅區(qū)402內(nèi)傳輸，以降低摻雜區(qū)載流子對(duì)光的散射和吸收；P++硅433和N++硅434距離本征硅區(qū)402的距離應(yīng)較遠(yuǎn)，降低高摻雜區(qū)對(duì)光傳輸?shù)奈論p耗作用。
[0031]需要指出，實(shí)現(xiàn)GHz全光振蕩需要的微環(huán)尺寸并不限于本實(shí)施例中所列舉的尺寸。一般性判據(jù)條件為:盡可能降低波導(dǎo)線性損耗，盡可能降低波導(dǎo)橫截面積，制作PIN結(jié)并施加反向偏壓使載流子壽命盡可能小，由此可實(shí)現(xiàn)硅基微環(huán)輸出GHz量級(jí)可調(diào)高頻脈沖。
【權(quán)利要求】
1.一種基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，包括: 一入射光源； 一低頻電光調(diào)制系統(tǒng)，其位于入射光源的光路上； 一光放大器，其輸入端與低頻電光調(diào)制系統(tǒng)的輸出端連接； 一高頻脈沖發(fā)生器，其輸入端與光放大器的輸出端連接，輸出1GHZ-100GHZ的可調(diào)高頻脈沖信號(hào)； 一光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，其輸出端與高頻脈沖發(fā)生器的輸出端連接； 一反饋控制系統(tǒng)，其輸入端與光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的入射光源為可調(diào)諧單波長(zhǎng)激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的低頻電光調(diào)制系統(tǒng)包括電光調(diào)制器和低頻任意波發(fā)生器，該低頻電光調(diào)制系統(tǒng)輸出的光信號(hào)為調(diào)制矩形波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的光放大器是摻鉺光纖放大器，或半導(dǎo)體光放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的高頻脈沖發(fā)生器包括光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)，該光學(xué)諧振結(jié)構(gòu)包括一直波導(dǎo)和一環(huán)形波導(dǎo)，其中直波導(dǎo)兩端制作錐形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)；該高頻脈沖發(fā)生器還包括一載流子壽命控制結(jié)構(gòu)和電極引腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)為脊形結(jié)構(gòu)，橫截面尺寸為高度小于500納米，脊形波導(dǎo)寬度小于I微米，且保證最少有一個(gè)光傳播模式；直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)之間的間距為幾十納米至幾百納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)的材料包括絕緣體上硅和在絕緣體上硅上制作的覆蓋層；覆蓋層是二氧化硅或氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的載流子壽命控制結(jié)構(gòu)制作在環(huán)形波導(dǎo)上，該載流子壽命控制結(jié)構(gòu)包括P+硅、N+硅、P++硅、N++硅、導(dǎo)電通孔和連接線；導(dǎo)電通孔和N++硅、P++硅形成良好的歐姆接觸；摻雜后的硅波導(dǎo)電學(xué)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為PIN型，且波導(dǎo)內(nèi)的光能量主要在本征硅區(qū)，以降低傳輸損耗。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)包括一分束器、一光功率計(jì)和一信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括高速示波器和/或頻譜儀和/或光譜儀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基微環(huán)諧振腔載流子色散效應(yīng)的可調(diào)高頻脈沖光源，其中所述的光反饋系統(tǒng)提取輸出光信號(hào)的碼型和頻率信息，并控制入射光源的輸出光波長(zhǎng)、控制低頻電光調(diào)制系統(tǒng)輸出矩形脈沖的形狀和持續(xù)時(shí)間、控制光放大器的輸出光功率，以及控制加載到電極引腳的電壓值。
【文檔編號(hào)】G02F1/35GK103941516SQ201410187559
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】陳少武, 張利斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所