一种混合集成双平衡调制DFB激光器及双平衡调制系统的制作方法

本发明涉及光电子领域，尤其涉及一种混合集成双平衡调制dfb激光器及双平衡调制系统。

背景技术：

光载无线通信技术(radio-over-fiber,rof)作为一种依附于光纤的通信技术，具有低损耗、带宽大、泛在接入等特点，是解决通信发展瓶颈的一项关键技术。

现有技术条件下，由于作为rof通信系统中光源模块的模拟调制激光器存在成本高、非线性失真严重等问题，rof通信技术的发展受到了很大的制约。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种混合集成双平衡调制dfb激光器及双平衡调制系统，解决光载无线通信现有技术中的激光器的非线性失真、信号不稳定、动态范围小等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种混合集成双平衡调制dfb激光器，包括第一激光器芯片和第二激光器芯片，该第一激光器芯片和该第二激光器芯片均为dfb激光器，并且并联封装在同一个管壳内，该第一激光器芯片的输出口和该第二激光器芯片的输出口合路到同一个平面光波导耦合器，该平面光波导耦合器的输出口通过耦合光纤输出，该平面光波导耦合器也封装在该管壳内。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，该第一激光器芯片和该第二激光器芯片并列相邻集成在同一芯片bar条上，具有相同的材料外延结构并且共用同一热沉，该第一激光器芯片和该第二激光器芯片的间距范围是250微米至2毫米。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，该第一激光器芯片和该第二激光器芯片均为脊波导结构，该脊波导的宽度范围为1.5μm至3μm，脊波导的高度1.6μm。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，该第一激光器芯片和所述第二激光器芯片具有相同的分层结构，由下向上依次是：负电极，n型衬底，n型inp缓冲层，晶格匹配ingaasp波导层，应变ingaasp多量子阱层，ingaasp光栅材料层，p型晶格匹配ingaasp波导层，p型inp限制层，sio2绝缘层，p型ingaas欧姆接触层，正电极。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，该n型inp缓冲层的厚度是200nm，掺杂浓度为1.1×10¹⁸cm^-3；该晶格匹配ingaasp波导层的厚度是100nm，无掺杂；该应变ingaasp多量子阱层包括7个量子阱，该量子阱的阱宽8nm，垒宽10nm，0.5％压应变，晶格匹配材料；该ingaasp光栅材料层的厚度是50nm；该p型晶格匹配ingaasp波导层的厚度是100nm，掺杂浓度1.0×10¹⁷cm^-3；该p型inp限制层的厚度是1.7μm，掺杂浓度范围是3.0×10¹⁷cm^-3至2.0×10¹⁸cm^-3；该sio2绝缘层的厚度范围是200nm-400nm；该p型ingaas欧姆接触层的厚度是100nm，掺杂浓度>5.0×10¹⁸cm^-3。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，在该ingaasp光栅材料层设置有通过重构-等效啁啾技术制作的取样光栅结构，该第一激光器和该第二激光器的该取样光栅结构的周期可调。

在本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中，该第一激光器芯片和该第二激光器芯片的该取样光栅结构是基于重构-等效啁啾技术制作的等效λ/4相移光栅、等效λ/8相移光栅、等效切趾光栅、等效周期节距调制cpm光栅、等效多相移mps光栅、非对称等效相移光栅或非对称等效切趾光栅。

本发明还提供了一种双平衡调制系统，包括上述的混合集成双平衡调制dfb激光器实施例，以及射频分束器，该射频分束器的输入口连接射频信号源，该射频分束器的两个输出口分别连接第一t型偏置器的输入口和第二t型偏置器的输入口，该第一t型偏置器的输出口连接该混合集成双平衡调制dfb激光器中的该第一激光器芯片的射频输入口，该第二t型偏置器的输出口连接该混合集成双平衡调制dfb激光器中的该第二激光器芯片的射频输入口，该射频射频信号源输出的无线电射频信号经过该射频分束器分路后，分别经过该第一t型偏置器和该第二t型偏置器注入到该混合集成双平衡调制dfb激光器中的该第一激光器芯片和该第二激光器芯片，分别对该第一激光器芯片和该第二激光器芯片产生的激光进行调制，然后再通过该混合集成双平衡调制dfb激光器中的该平面光波导耦合器合路输出。

在本发明双平衡调制系统另一实施例中，该射频分束器是具有两个输出口且等功率分配的射频分束器。

在本发明双平衡调制系统另一实施例中，该双平衡调制系统还包括与该耦合光纤相连接的光电探测器，以及与该光电探测器电连接的放大器。

本发明的有益效果是：本发明混合集成双平衡调制dfb激光器实施例包括封装在同一个管壳内的第一激光器芯片、第二激光器芯片和平面光波导耦合器，第一激光器芯片的输出口和第二激光器芯片的输出口合路到平面光波导耦合器，平面光波导耦合器的输出口连接耦合光纤。本发明双平衡调制系统实施例则包括上述混合集成双平衡调制dfb激光器，以及相互连接的射频分束器、第一t型偏置器和第二t型偏置器，由射频信号源产生的无线电射频信号通过射频分束器分成两路，分别通过第一t型偏置器和第二t型偏置器注入到第一激光器芯片和第二激光器芯片，从而对分别第一激光器芯片和第二激光器芯片产生的激光进行调制，然后再由平面光波导耦合器进行合路。通过上述混合集成双平衡调制dfb激光器和双平衡调制系统可以将无线射频信号平衡稳定调制第一激光器芯片和第二激光器芯片产生的激光上，激光的波长能够得到精确控制，输出的调制信号在功率动态范围、环境适应性、信号非失真性、稳定性等方面具有明显优势。

附图说明

图1是根据本发明混合集成双平衡调制dfb激光器一实施例的组成图；

图2是根据本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例的激光器芯片的结构图；

图3是根据本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例的激光器芯片的结构图；

图4是根据本发明双平衡调制系统一实施例的组成图；

图5是根据本发明双平衡调制系统另一实施例中第二激光器芯片单独工作时的三阶交调信号频谱图；

图6是根据本发明双平衡调制系统另一实施例中第一激光器芯片和第二激光器芯片均工作时的三阶交调信号频谱图；

图7是根据本发明双平衡调制系统另一实施例中第二激光器芯片单独工作时的无杂散动态范围测试图；

图8是根据本发明双平衡调制系统另一实施例中第一激光器芯片和第二激光器芯片均工作时的无杂散动态范围测试图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1是根据本发明混合集成双平衡调制dfb激光器一实施例的组成图，该实施例包括第一激光器芯片11和第二激光器芯片12，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12均为dfb(distributedfeedbacklaser，即分布式反馈激光器)激光器，并且并联封装在同一个管壳13内，第一激光器芯片11的输出口和第二激光器芯片12的输出口合路到同一个平面光波导耦合器(planarlight-wavecircuit,plc)14，平面光波导耦合器14的输出口通过耦合光纤15输出，平面光波导耦合器14也封装在管壳13内。具体而言，平面光波导耦合器14可以是阵列波导光栅(awg)也可以是多模干涉耦合器(mmi)。阵列波导光栅的耦合损耗小，要求激光器芯片的波长与阵列波导光栅的通道波长一一对应，对激光器芯片波长控制精度要求较高，需要两个激光器波长精确对准阵列波导光栅的通道波长，这时需要对激光的波长控制精准。多模干涉耦合器的耦合损耗较大，但对激光器的波长无选择性要求。

这里，平面光波导耦合器14将第一激光器芯片11输出的激光和第二激光器芯片12输出的激光进行了合路，并且，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12和平面光波导耦合器14集成到同一个管壳13内，缩小了光学系统的体积，并且处在相同的工作环境中，保证了两个激光器芯片和平面光波导耦合器的相对稳定，可以提高激光器平衡调制的持续稳定性。

图2是根据本发明混合集成双平衡调制dfb激光器另一实施例中第一激光器芯片和第二激光器芯片的截面示意图。这里，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12并列相邻集成在同一根bar条上，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12具有相同的材料外延结构并且共用同一热沉，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12的间距d1范围是250微米至2毫米。

进一步的，第一激光器芯片11和第二激光器芯片12均为脊波导结构，该脊波导的宽度w1范围为1.5μm至3μm，脊波导的高度h1是1.6μm。

这里，将实现第一、二激光器芯片平行设置到同一bar条上，便于bar条切割，同时保持第一、二激光器芯片位置的相对固定，且保持良好的电隔离以保证两个激光器芯片可以同时单独运转，第一、二激光器芯片分别拥有各自的电极。

结合图2，进一步可以从图3看出，第一激光器芯片和第二激光器芯片具有相同的分层结构，由下向上依次是：负电极21，n型inp衬底22，n型inp缓冲层23，晶格匹配ingaasp波导层24，应变ingaasp多量子阱层25，ingaasp光栅材料层26，p型晶格匹配ingaasp波导层27，p型inp限制层28，sio2绝缘层29，p型ingaas欧姆接触层210，正电极211。

这里，第一激光器芯片和第二激光器芯片之间具有较好电隔离和热隔离，第一、第二激光器芯片的电极间的电阻值要在1000ω以上。通过调节第一、第二激光器芯片供电电极之间的注入电流可以分别对第一、第二激光器芯片的波长进行微调。

优选的，对于图3所示的第一激光器芯片和第二激光器芯片的分层结构，还具体给出了各分层的厚度及材料特性。其中，n型inp缓冲层23的厚度是200nm，掺杂浓度为1.1×10¹⁸cm^-3；晶格匹配ingaasp波导层24的厚度是100nm，无掺杂；应变ingaasp多量子阱层25的特点是包括7个量子阱，量子阱的阱宽8nm，垒宽10nm，0.5％压应变，晶格匹配材料；ingaasp光栅层26的厚度是50nm；p型晶格匹配ingaasp波导层27的厚度是100nm，掺杂浓度1.0×10¹⁷cm^-3；p型inp限制层28的厚度是1.7μm，掺杂浓度范围是：3.0×10¹⁷cm^-3渐变至2.0×10¹⁸cm^-3；sio2绝缘层29的厚度范围是200nm-400nm；p型ingaas欧姆接触层210的厚度是100nm，掺杂浓度>5.0×10¹⁸cm^-3。

优选的，对于ingaasp光栅材料层26，第一激光器芯片和第二激光器芯片均在该层利用重构-等效啁啾技术设计制作取样光栅的光栅结构，并且通过调节取样光栅的周期精确确定第一激光器芯片和第二激光器芯片的激光波长。

这里的重构-等效啁啾技术主要是基于利用中国专利号zl200610038728.9、名称为“基于重构—等效啁啾技术制备半导体激光器的方法及装置”中国发明专利中的方法手段。重构-等效啁啾技术采用特殊的取样布拉格光栅的影子光栅等效实现非取样光栅的光谱特性，一般采用取样光栅的+1或-1级子光栅。基于重构-等效啁啾技术的光栅结构一般由两步制作完成，第一步是利用传统全息曝光技术制作均匀的种子光栅，取样周期一般为几百纳米，第二步是利用特别设计的取样结构，通常取样周期一般为几微米，通过普通的光刻技术进行二次曝光，得到基于重构-等效啁啾技术的取样光栅结构。基于重构-等效啁啾技术的原理，通过设计复杂的取样周期结构可以等效实际光栅的效果，将激光器中的光栅结构的制作由纳米级精度降低到了微米级精度，不仅降低了光栅制作的难度和时间成本，同时该技术对dfb激光器波长具有更高的控制精度，目前波长控制精度可达±0.1nm。

进一步的，第一激光器芯片和第二激光器芯片的取样光栅的光栅结构是基于重构-等效啁啾技术的等效λ/4相移光栅、等效λ/8相移光栅、等效切趾光栅、等效周期节距调制cpm光栅、等效多相移mps光栅、非对称等效相移光栅、非对称等效切趾光栅等。

优选的，基于重构-等效啁啾技术的取样光栅结构参数与激光器输出波长的关系如下(1)式所示：

其中，λ±1是取样光栅的±1级等效子光栅对应的布拉格波长，也是激光器的激射波长。neff是激光器的有效折射率，λ是取样光栅的取样周期，λ0＝2neffλ0是种子光栅的布拉格波长，λ0是均匀种子光栅周期。在种子光栅周期λ0确定的情况下，改变取样光栅的取样周期λ即可改变激光器的出射波长。

另外，根据重构-等效啁啾的技术原理，dfb激光器中的相移完全可以通过在取样光栅图案中引入取样周期尺度的相移来等效实现。

优选的，如切趾结构的光栅，可以通过改变取样光栅的占空比来实现等效切趾效果，取样光栅中±1级子光栅的折射率调制系数与种子光栅的折射率调制系数满足(2)式：

其中，δn±1是取样光栅的±1级等效光栅的折射率调制，δns是种子光栅的折射率调制，γ是取样占空比，通过调节取样光栅不同位置的取样占空比即可以得到等效的切趾光栅效果。

优选的，如周期节距调制cpm结构的光栅，其cpm区的取样光栅周期与非cpm区的取样光栅周期存在关系如(3)：

λ2是cpm区取样周期，λ1＝λ是非cpm区取样光栅的取样周期，ψ是等效相移，d是cpm区光栅长度。可根据需要的相移大小计算和选取合适的取样周期和cpm区长度。

优选的，第一、第二激光器芯片中光栅的相移/啁啾位置可以位于每个激光器芯片的中心，也可以位于偏离激光器芯片中心±15％的区域内。

第一激光器芯片和第二激光器芯片基于上述结构及工作原理，满足第一激光器芯片和第二激光器芯片的工作波长利用重构-等效啁啾技术精确控制。并且，利用重构等效啁啾技术设计和制作第一、第二激光器芯片中的复杂光栅结构，有效的提高单个激光器芯片的基本性能，包括单模特性、稳定性、波长精确性等，同时降低制作难度，便于工业化生产。

另外，图3所示的第一激光器芯片和第二激光器芯片分别具有独立的供电电极，均包括正电极和负电极，负电极21位于最下层，正电极211位于最上层。其中，第一激光器芯片设置有独立的第一激光器供电电极，通过向第一激光器芯片供电电极输入不同的直流偏置电流调节第一激光器芯片的激射波长；第二激光器芯片设置有独立的第一激光器供电电极，通过向从激光器供电电极输入不同的直流偏置电流调节从激光器的激射波长。

由此可见，第一激光器芯片和第二激光器芯片的激射波长由重构-等效啁啾光栅的布拉格波长决定，即由取样光栅的取样周期决定。通过设计第一、第二激光器芯片光栅结构的取样周期，让第一、第二激光器芯片的输出波长进行精准的控制。另外，再进一步通过调节第一、第二激光器芯片的偏置电流对频率失谐量进行微调，进一步保证对第一激光器芯片的激射波长与第二激光器芯片的激射波长更加精确的进行控制，提高激光器芯片的单模特性。

本发明还提供了基于上述混合集成双平衡调制dfb激光器的双平衡调制系统。图4显示了一个优选的双平衡调制系统实施例，其中包括上述的混合集成双平衡调制dfb激光器41实施例，以及射频分束器42，射频分束器42的输入口连接射频信号源43，射频分束器42的两个输出口分别连接第一t型偏置器44的输入口和第二t型偏置器45的输入口，第一t型偏置器44的输出口连接混合集成双平衡调制dfb激光器41的第一激光器芯片411的射频输入口，第二t型偏置器45的输出口连接混合集成双平衡调制dfb激光器41的第二激光器芯片422的射频输入口。这里，射频输入口通常是再进一步电连接到激光器芯片的供电电极，如供电电极的正极。另外，射频信号源43输出的无线电射频信号经过射频分束器42分路后，分别经过第一t型偏置器44和第二t型偏置器45注入到连接混合集成双平衡调制dfb激光器41中的第一激光器芯片411和第二激光器芯片412，分别对第一激光器芯片411和第二激光器芯片412产生的激光进行调制，然后再通过混合集成双平衡调制dfb激光器41中的平面光波导耦合器413合路输出。

从本发明双平衡调制系统实施例的工作原理上来看，当第一激光器芯片和第二激光器芯片输出的激光分别被频率为ω1和ω2的两个射频信号同时调制时，则由于非线性效应产生的距离这两个基频信号最近的三阶交调(imd3)信号频率为2ω1-ω2和2ω2-ω1。以2ω1-ω2频率分量为例，两激光器芯片输出的对应三阶交调(imd3)分量的幅度值可分别用以下形式表示：

经过平面光波导耦合器混合后，两者叠加后得到：

其中：

易知(7)式在相位差时有最大值，而在时有最小值(其中m＝0,±1,±2…)。考虑到对两激光器芯片施加的是完全相同的射频调制信号，即理论上二者的调制信号功率相同；同时考虑到理想情况下两个激光器芯片通道的性能相对平均，所选择的t型偏置器的偏置两个电流值虽不一定相同但较为接近，两激光器芯片在相应偏置位置的出光功率也相差无几，因此理论上有a1≈a2。在实际应用中，还可以通过进一步细微调节两激光器芯片的控制电流使得δ＝π，即当两个三阶交条(imd3)分量的相位差为π，即满足时，计算可得：

因此当经过耦合光纤耦合输出时，imd3对应的光功率几乎为0。与此同时，两个基频信号由于近似同相位因而在上述叠加过程中较少或基本不受到衰减，故基频信号与imd3信号之间的功率差异明显增大，非线性失真得到明显抑制。

这里，第一t型偏置器44和第二t型偏置器45带有直流偏置的放大器，能够将输入的射频信号放大区偏置到有效保真的放大范围内，避免信号失真。因此，第一t型偏置器44设置有直流电压偏置端441，第二t型偏置器45也设置有直流电压偏置端451。当从射频分束器42分路后的两路射频信号功率大小可能会有差异，那么可以分别通过调节第一t型偏置器44的偏置电压，以及第二t型偏置器45的偏置电压，使得从第一t型偏置器44和第二t型偏置器45输出的射频信号功率相同，并且均保持了信号不失真。但是，直流电压偏置端441的偏置电压与直流电压偏置端451的偏置电压可能设置的大小不同。

另外，使用t型偏置器把输入的射频信号与直流偏置信号进行合路，通过t型偏置器的输出口输出，这样t型偏置器可以将直流信号和射频信号合在一起提供给激光器芯片。

优选的，射频分束器42是具有两个输出口且等功率分配的射频分束器。通过这种等功率分路的射频分束器可以保证从射频分束器的两个输出口输出的射频信号功率大小相同，因此进入第一t型偏置器44和第二t型偏置器45的射频信号功率也相同，因此对直流电压偏置端441的偏置电压与直流电压偏置端451的偏置电压可以以相同的电压进行同步调控。

图4中的混合集成双平衡调制dfb激光器41中的平面光波导耦合器413连接有耦合光纤输出，优选的，耦合光纤进一步连接光电探测器，以及与光电探测器电连接有放大器。由此，可以完成光电转换，以及对转换后的电信号进一步进行功率放大。

以下结合图5至图8所示实施例，具体说明双平衡调制系统实施例的技术效果。

图5和图6显示了本申请双平衡调制系统实施例三阶交调信号测试图，由射频分束器输出频率为5.98ghz和6ghz的两路混合射频信号同时对混合集成双平衡调制dfb激光器中的第一激光器芯片和第二激光器芯片进行调制，也就是说射频信号源同时输出这两个频率的无线射频信号，并且这两个频率的射频信号是等功率输出的。其中，图5是第一激光器芯片单独工作时的三阶交调频谱图，即第一激光器芯片的注入电流为48ma，第二激光器芯片的注入电流为0ma时的三阶交调信号，可以看出图5中的基模信号(也可称之为基频信号或基波信号，就是上述5.98ghz和6ghz射频信号)与三阶交调信号之间的功率差为27.2db。图6是第一激光器芯片注入电流为48ma，第二激光器芯片注入电流为43ma时的三阶交调信号，可以看出基模信号与三阶交调信号之间的功率差为34.6db。可以看出，该双平衡调制系统实施例使得其中的混合集成双平衡调制dfb激光器的调制过程中的非线性失真减小，与第一激光器芯片单独工作时相比，其三阶交调信号降低了7.4db，较大程度上改变了模拟直调激光器的调制性能。

图7和图8显示了本申请双平衡调制系统另一实施例的无杂散动态范围结果图，仍由射频分束器分别输出频率为5.98ghz和6ghz的两路射频信号分别对混合集成双平衡调制dfb激光器中的第一激光器芯片和第二激光器芯片进行调制。其中，图7是第一激光器芯片单独工作时的无杂散动态范围结果图，即第一激光器芯片注入电流为48ma，第二激光器芯片注入电流为0ma时的无杂散动态范围结果，可以看出基模信号(也可称之为基频信号或基波信号)与三阶交调信号之间的无杂散动态范围(sfdr)为88db〃hz^2/3。图8是第一激光器芯片注入电流为48ma，第二激光器芯片注入电流为43ma时的无杂散动态范围结果，其无杂散动态范围(sfdr)为93db〃hz^2/3。可以看出该双平衡调制系统实施例与第一激光器芯片单独工作时相比，其无杂散动态范围提高了5db，这意味着采用本发明混合集成双平衡调制dfb激光器实施例可以在更大的功率范围内对无线射频信号进行调制。

由此可见，本发明混合集成双平衡调制dfb激光器以及双平衡调制系统。其中，混合集成双平衡调制dfb激光器包括封装在同一个管壳内的第一激光器芯片、第二激光器芯片和平面光波导耦合器，第一激光器芯片的输出口和第二激光器芯片的输出口合路到平面光波导耦合器，平面光波导耦合器的输出口连接耦合光纤。双平衡调制系统包括上述混合集成双平衡调制dfb激光器，以及相互连接的射频分束器、第一t型偏置器和第二t型偏置器。通过上述混合集成双平衡调制dfb激光器和双平衡调制系统可以将无线射频信号平衡稳定调制第一激光器芯片和第二激光器芯片产生的激光上，激光的波长能够得到精确控制，输出的调制信号在功率动态范围、环境适应性、信号非失真性、稳定性等方面具有明显优势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。