基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源的制作方法
【专利摘要】一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，包括：一入射光源；一低频电光调制系统，其位于入射光源的光路上；一光放大器，其输入端与低频电光调制系统的输出端连接；一高频脉冲发生器，其输入端与光放大器的输出端连接，输出1GHz-100GHz的可调高频脉冲信号；一光信号测试系统，其输出端与高频脉冲发生器的输出端连接；一反馈控制系统，其输入端与光信号测试系统的输出端连接。本发明制备与CMOS工艺兼容，输出脉冲稳定性高，抗干扰性能好。
【专利说明】基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通信和光子信息处理领域，尤其涉及全光信号处理中基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源。
【背景技术】
[0002]在光通信和光子信息处理领域，实现全光控制一直是人们努力追求的方向。而全光高频脉冲源可以用于光学时钟信号产生和信号路由选择等。目前产生光学高频振荡脉冲的一般方法是使用高频电信号发生器与高频电光调制器，将高频电信号转移到光信号上。但是这种方法的最大弊端是必须使用价格昂贵的高频电信号发生器，功耗大，且不便集成化和小型化。
[0003]另一种方法是采用微光机械(MEMS)谐振腔结构，谐振腔可以采用悬臂式微盘结构，或者悬空式光子晶体结构，如美国耶鲁大学H.X.Tang研究小组采用的方法(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，基于微光机械谐振腔结构制备的全光脉冲的振荡频率通常固定，或仅有微弱的调节范围。此外，该结构的制备过程需要更精密的控制，因此不便于采用CMOS集成工艺和大规模应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其是基于硅基微环谐振腔结构实现GHz高频脉冲，调节微环谐振腔的载流子寿命可以实现高频脉冲频率在lGHz-lOOGHz范围内任意调控，调节入射光波长和功率可以快速实现脉冲频率在超过一个倍频程范围内任意调控，硅基微环谐振腔结构、载流子寿命控制结构和电极引脚的制备与CMOS工艺兼容,输出脉冲稳定性高,抗干扰性能好。
[0005]本发明提供一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，包括:
[0006]一入射光源；
[0007]—低频电光调制系统，其位于入射光源的光路上；
[0008]—光放大器，其输入端与低频电光调制系统的输出端连接；
[0009]一高频脉冲发生器，其输入端与光放大器的输出端连接，输出lGHz-lOOGHz的可调高频脉冲信号；
[0010]—光信号测试系统，其输出端与高频脉冲发生器的输出端连接；
[0011]一反馈控制系统，其输入端与光信号测试系统的输出端连接。
[0012]本发明的有益效果是，提供一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其是基于硅基微环谐振腔载流子色散效应在低频调制光波上自动加载GHz及以上高频脉冲信号，高频脉冲的频率可以通过调节硅基微环谐振腔的载流子寿命实现lGHz-lOOGHz范围变化，固定载流子寿命时可以通过调节入射光功率和波长实现超过一个倍频程的脉冲信号输出调控，制作硅基微环谐振腔结构、载流子寿命控制结构和电极引脚的工艺与CMOS工艺兼容,便于集成化和小型化,输出脉冲稳定性高,抗干扰性能好。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细描述，其中:
[0014]图1为本发明的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应实现可调高频脉冲光源的工作流程示意图。
[0015]图2为本发明的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应实现可调高频脉冲光源的环形波导横截面示意图。
[0016]图3为本发明的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应实现可调高频脉冲光源的输出脉冲时域波形示意图。
[0017]图4为本发明实施例中入射光为调制矩形波时，入射光波长相对谐振波长蓝移50pm时计算得到的输出光振荡波形图。
[0018]图5为本发明实施例中入射光为调制矩形波时，固定入射光波长相对位置，输出光振荡频率随入射光强的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0019]请参阅图1和图2所示，本发明提供一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，包括:
[0020]一入射光源10，为可调谐单波长激光器，输出单波长连续波，该单波长连续波的波长一般略小于环形波导42的线性谐振波长；
[0021]一低频电光调制系统20，其位于入射光源10的光路上，包括电光调制器21和低频任意波发生器22，该低频电光调制系统20输出的光信号为调制矩形波，该调制矩形波的高功率波形的持续时间远小于环形波导42的热扩散时间，例如小于100纳秒，相邻高功率矩形波的间隔时间远大于环形波导42的热扩散时间，例如大于I毫秒，因此热光效应的影响可以忽略，双光子吸收引起的自由载流子色散效应起主要作用，此时高频脉冲发生器40的输出光振荡频率在吉赫兹量级，范围可以覆盖lGHz-lOOGHz。
[0022]一光放大器30，其输入端与低频电光调制系统20的输出端连接，该光放大器30是掺铒光纤放大器，或半导体光放大器；
[0023]一高频脉冲发生器40，其输入端与光放大器30的输出端连接，输出lGHz-lOOGHz的可调高频脉冲信号；所述的高频脉冲发生器40包括光学谐振结构，该光学谐振结构包括一直波导41和一环形波导42，其中直波导41两端制作锥形波导耦合结构；该高频脉冲发生器40还包括一载流子寿命控制结构43和电极引脚44。
[0024]其中直波导41和环形波导42为脊形结构，横截面尺寸为高度小于500纳米，脊形波导宽度小于I微米，且保证最少有一个光传播模式；直波导与环形波导之间的间距为几十纳米至几百纳米，所选的间距使环形波导42的光谱图谐振峰消光比超过5dB ;直波导41和环形波导42的材料包括绝缘体上硅410和在绝缘体上硅410上制作的覆盖层420 ;覆盖层420是二氧化硅或氮化硅，覆盖层420的厚度应较大，以避免对环形波导42的热扩散系数产生较大影响，例如覆盖层420的厚度应不小于2微米；环形波导42的热扩散时间比载流子寿命大4个数量级及以上。
[0025]载流子寿命控制结构43制作在环形波导42上，该载流子寿命控制结构43包括P+硅431、N+硅432、P++硅433、N++硅434、导电通孔435和连接线436 ;其中导电通孔435和N++硅、P++硅形成良好的欧姆接触；掺杂后的硅波导电学结构类型为PIN型，且波导内的光能量主要在本征硅区402，以降低光传输损耗；导电通孔435距离本征硅区402的距离应较远，以避免影响本征硅区402的热扩散时间，例如该距离不小于4微米。为了有效降低环形波导42中的载流子寿命，在载流子寿命控制结构43两端施加反向偏压，使得环形波导42中载流子寿命小于1ns，载流子寿命越小，自脉动频率越高。
[0026]本发明的原理依赖于环形波导42的非线性性质，由于入射矩形波所具有的特点，即两个高功率矩形之间的时间间隔远长于环形波导42的热扩散时间，因此环形波导42内的热量不会产生累积效应，即可以忽略环形波导42的热光效应。此时需要考虑的非线性效应包括:克尔效应，双光子吸收效应，自由载流子吸收效应和自由载流子色散效应。当入射光波长位于谐振波长附近时，环形波导42起到积累光能量的作用，从而提高环形波导42中的光强度，并激发双光子吸收效应；与此同时，双光子吸收产生自由载流子电子和空穴对，自由载流子引起自由载流子吸收和自由载流子色散，分别影响环形波导42中的光传输损耗和折射率。当载流子寿命小于1ns，且入射光功率超过临界阈值时，自由载流子色散效应和环形波导42的光反馈相互作用，使得环形波导42内的光传输状态从稳定态突变到振荡态，而自由载流子寿命决定了输出脉冲的频率在GHz以上。输出脉冲时域图形示意图如图3所示。
[0027]—光信号测试系统50,其输出端与高频脉冲发生器40的输出端连接,该光信号测试系统50包括一分束器51、一光功率计52和一信号监测系统53,其中信号监测系统53包括高速示波器和/或频谱仪和/或光谱仪；
[0028]—反馈控制系统60,其输入端与光信号测试系统50的输出端连接,该光反馈系统60提取输出光信号的码型和频率信息，并控制入射光源10的输出光波长，控制低频电光调制系统20输出矩形脉冲的形状和持续时间,控制光放大器30的输出光功率，以及控制加载到电极引脚44的电压值；该反馈控制系统60可以实现输出光的振荡波形和频率长时间稳定的目的。
[0029]本实施例中，为了更直观了解输出光的高频自脉动振荡效果，我们以某一尺寸下的硅基微环谐振腔为例，但是实现可调高频脉冲光源需要的硅基微环谐振腔不限于这一种具体尺寸。环形波导42的半径为5微米，采用脊形结构，脊形宽度为550nm,高度为400nm,平板区高度为180nm，横截面有效面积为0.254平方微米，载流子寿命为150ps，波导线性损耗为IcnT1。图4为当入射光强为3 X 106ff/cm2 (对应的光功率为7.6mff)，入射光波长相对谐振波长蓝移50pm时,输出光强时域振荡图。图5为输出光振荡频率与输入光强之间的关系曲线图，该图清晰地显示，通过调整入射光功率可以实现振荡频率从3GHz到14GHz超宽频调制输出。[0030]为了实现本实施例中载流子寿命为150ps，以及波导线性损耗IcnT1，需要制作PIN电极结构，在电极两端施加反向偏压，以使环形波导42中的非平衡载流子快速被外电场扫到脊形波导之外，从而有效降低载流子寿命。为了有效降低波导损耗，制作的脊形波导的本征硅区402宽度应较宽，使波导内光尽可能在本征硅区402内传输，以降低掺杂区载流子对光的散射和吸收；P++硅433和N++硅434距离本征硅区402的距离应较远，降低高掺杂区对光传输的吸收损耗作用。
[0031]需要指出，实现GHz全光振荡需要的微环尺寸并不限于本实施例中所列举的尺寸。一般性判据条件为:尽可能降低波导线性损耗，尽可能降低波导横截面积，制作PIN结并施加反向偏压使载流子寿命尽可能小，由此可实现硅基微环输出GHz量级可调高频脉冲。
【权利要求】
1.一种基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，包括: 一入射光源； 一低频电光调制系统，其位于入射光源的光路上； 一光放大器，其输入端与低频电光调制系统的输出端连接； 一高频脉冲发生器，其输入端与光放大器的输出端连接，输出1GHZ-100GHZ的可调高频脉冲信号； 一光信号测试系统，其输出端与高频脉冲发生器的输出端连接； 一反馈控制系统，其输入端与光信号测试系统的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的入射光源为可调谐单波长激光器。
3.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的低频电光调制系统包括电光调制器和低频任意波发生器，该低频电光调制系统输出的光信号为调制矩形波。
4.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的光放大器是掺铒光纤放大器，或半导体光放大器。
5.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的高频脉冲发生器包括光学谐振结构，该光学谐振结构包括一直波导和一环形波导，其中直波导两端制作锥形波导耦合结构；该高频脉冲发生器还包括一载流子寿命控制结构和电极引脚。
6.根据权利要求5所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的直波导和环形波导为脊形结构，横截面尺寸为高度小于500纳米，脊形波导宽度小于I微米，且保证最少有一个光传播模式；直波导与环形波导之间的间距为几十纳米至几百纳米。
7.根据权利要求5所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的直波导和环形波导的材料包括绝缘体上硅和在绝缘体上硅上制作的覆盖层；覆盖层是二氧化硅或氮化硅。
8.根据权利要求5所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的载流子寿命控制结构制作在环形波导上，该载流子寿命控制结构包括P+硅、N+硅、P++硅、N++硅、导电通孔和连接线；导电通孔和N++硅、P++硅形成良好的欧姆接触；掺杂后的硅波导电学结构类型为PIN型，且波导内的光能量主要在本征硅区，以降低传输损耗。
9.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的光信号测试系统包括一分束器、一光功率计和一信号监测系统，其中信号监测系统包括高速示波器和/或频谱仪和/或光谱仪。
10.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔载流子色散效应的可调高频脉冲光源，其中所述的光反馈系统提取输出光信号的码型和频率信息，并控制入射光源的输出光波长、控制低频电光调制系统输出矩形脉冲的形状和持续时间、控制光放大器的输出光功率，以及控制加载到电极引脚的电压值。
【文档编号】G02F1/35GK103941516SQ201410187559
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】陈少武, 张利斌 申请人:中国科学院半导体研究所