集成的自注入锁定锁相环光电振荡器的制造方法
【专利说明】
[0001] 本申请是基于申请号为US13/796, 446、申请日为2013年3月12日的美国专利，上 述专利申请公开的内容作为本申请的参考。
技术领域
[0002] 本发明公开内容涉及一种易于实现并且价格低廉的用于控制光电振荡器（"0E0"） 的系统和方法。在优选的实施方案中，光电振荡器能够产生重复的电子正弦波或任意波和 /或连续的电调制波或脉冲光信号。
【背景技术】
[0003] 一般来说，除了电源直流（DC)功率形式的能量外，光电振荡器从光源处，如激光 器，获得栗浦持续功率。通过利用窄带滤波机制满足振荡频率所需的增益和相位特性，能量 被转换成基于有效功率转换的射频（RF)信号和微波信号。光电振荡器通常表现出低损耗 光延迟、低温度敏感性，且能以模块化结构实现。与电子振荡器相比，无论是从短期还是长 期来说，这些优点通常使得光电振荡器拥有高的品质因数和更好的稳定性。
[0004] 例如，在系列号为US13/760, 767的美国专利申请中公开的自注入锁定锁相环 (ILPLL)光电振荡器，上述专利申请公开的内容作为本申请的参考。在该申请公开的光电振 荡器中，纯正弦振荡信号的维持是通过从促进近端载波相位噪声的周围干扰源中自动过滤 出持续信号。相位噪声的减少可以通过多种方法实现，包括光纤延迟线的多个长度和定制 的光接收器，为在闭环部分的自注入锁定（IL)、自锁相环（PLL)和/或自锁模功能提供多电 性参考。这些组件均有助于在馈送到调制器的电反馈信号满足它自身在振幅和相位上的一 些振荡条件的情况下，支持自持续振荡的低噪声稳定射频振荡器结构。同时，任何相位误差 的修正均利用在自注入锁定与相位锁定环中的可调射频振荡器，及在自锁模中的光学激光 源与调制器的反馈系统提供。在系列号为US13/760, 767的美国专利申请中，光电振荡器的 频率输出受控于一些因素，例如光纤延迟长度、马赫-曾德尔调制器的工作条件以及用于 振荡信号窄带滤波的光学横向射频滤波器的带通特性。
[0005] 这类光电振荡器通常由分立的器件组成，需要大体积，具有高功耗以及生产成本 高。此外，由于大量分立部分的组装，这类光电振荡器一般都要考虑震动和G-敏感问题。这 些问题限制了光电振荡器在一些环境下的实用性及应用可能，例如商业和军事环境。
[0006] 此外，利用自注入锁定锁相环减少相位噪声并不能得到充分商业可行的产品，除 非主要低噪和高效地设计创新被考虑进来迀就一个低成本的制造工艺，以满足以较低的成 本实现不断增加的服务质量的需求。因此，光电振荡器有必要具有设计拓扑，以满足在小尺 寸和低成本中实现稳定的超低相位噪声频率合成器的设计限制。
【发明内容】
[0007] 关键是发展利用硅CMOS、BiCMOS技术集成光子组件，消除大体积和/或分立的微 波组件的需求。
[0008] 本发明的一个方案提供了用于维持振荡光信号的单片集成光电振荡电路。该振荡 电路包括具有至少一条用于接收光信号第一部分的光纤延迟线的注入锁定电路。该振荡电 路还包括具有至少两条用于接收光信号第二部分的光纤延迟线的锁相环电路。该振荡电路 进一步包括用于产生稳定振荡信号以响应每一个由光信号的第一部分衍生的注入锁定信 号和由光信号的其他部分衍生的锁相环信号的单片集成压控振荡器。稳定的振荡信号可用 于射频调制光信号。在一些方案中，至少一条光纤延迟线可集成在直径大约为1英寸或更 小的心轴上。该心轴被树脂乳液所覆盖。注入锁定电路的光纤延迟线具有比锁相环电路的 每一条光纤延迟线都短的长度，以分别显著的改进远端和近端相位噪声。
[0009] 在本发明的一些方案中，振荡电路进一步包括至少一个耦合到锁相环电路的相位 探测器，并用于确定在至少两条光纤延迟线中每一条传播的各自信号间的相位差。
[0010] 包括在振荡电路中的压控振荡器可包括耦合到注入锁定电路的谐振器。谐振器用 于接收光信号的第一部分衍生出来的处理信号。谐振器还可被耦合到一对动态调谐的谐振 器中。每一个动态调谐的谐振器都可被耦合到锁相环电路的各自光纤延迟线中，并用于接 收光信号的其他部分衍生出来的处理信号。在一些方案中，谐振器可电容地耦合到每一个 动态调谐的谐振器中。谐振器可以是微带线谐振器，且可以是超介质的消逝模组合网络。谐 振器的相位可被相位调谐电路动态调谐，相位调谐电路耦合到谐振器和动态调谐的谐振器 中的每一个。
[0011] 本发明的另一个方案提供的光电振荡器包括提供光信号的调制器以及用来接收 部分光信号的第一、第二和第三光电探测器。第一、第二和第三光电探测器中的每一个都具 有输出，这些输出分别耦合到第一、第二和第三放大器。该振荡器还可包括相位探测器，用 于接收来自第一光电探测器的第一射频信号和来自第二放大器的具有比第一射频信号更 长延迟的第二射频信号。该相位探测器可用来确定第一和第二射频信号之间的相位差。振 荡器还进一步包括压控振荡器，用于接收来自第三光电探测器的第三射频信号，以及用于 接收来自相位探测器的电信号。压控振荡器可用于输出振荡信号以响应电信号和第三射频 信号中的每一个。振荡信号可用来控制调制器的输出。调制器、光滤波器、光电探测器、放 大器、相位探测器以及压控振荡器中的每一个均可通过应用诸如ΒΙ-CMOS集成的硅光子技 术集成在集成电路上。
[0012] 在本发明的一些方案中，调制器可以是具有电光聚合物的光学马赫-曾德尔调 制器。光学马赫-曾德尔调制器进一步包括发色团混合物和电光聚合物。调制器器件可与 光子带隙结构集成作为慢波结构，以增强聚合物的有效电光特性。调制器在波长为1550nm 时可表现出大约等于l〇〇pm/V或者更大的电光系数，或者在波长为1060nm时表现出大约为 1150pm/V的电光系数，表现出大约等于1. 5dB/cm或更少的光损耗，且表现出大约等于0. 5V 或者更小的半波电压。调制器可在大约lOV/ym到大约20〇ν/μπι之间的电场下被侧向极 化或横向极化，在一些方案中温度大约为ll〇°C。在一些方案中，调制器可以是具有厚度大 约为2_或者更厚的基板上的微带线。调制器在单模准横电磁波模式中可工作在高达大约 等于60GHz，根据基板的宽度而定。
[0013] 在本发明进一步的方案中，第三光滤波器可包括法布里-珀罗激光二极管，能够 将部分由第三光滤波器接收的光信号的边模抑制在至少为75dB的比率。在另一些方案中， 振荡器进一步包括可调相位偏移光纤布拉格光栅和相位调制器。那些组件中的每一个均可 集成在集成电路中。在一些方案中，调制器包括通过改变光栗浦波长能够调谐振动器振动 频率的移频器。
[0014] 振荡器可包括回音壁模式谐振器以代替电滤波组件。
[0015] 相比由分立组件构成的振荡器，本发明的振荡器可实现显著减少功耗。在一些方 案中，振荡器的射频组件消耗大约200mW或者更少的功率。振荡器的调制器可通过驱动器 驱动，利用大约500mW或者更少的功率。振荡器可工作电源电压大约等于2伏特或者更少。
[0016] 本发明的另一个方案是使用分布反馈激光器或长法布里-珀罗的InGaAs/InP激 光二极管的光源、电吸收调制器（EAM)、InGaAs/InP的光学光电探测器以及用于光电探测 信号的放大和用于在压控振荡器（VC0)中振荡信号的产生的电子电路实现单片集成光源 的可能性。该电子电路可使用同质结或异质结场效应晶体管（如MOSFET、MESFET、MISFET、 HEMT)实现。在该单片集成电路的另一变形中，长腔激光二极管和电吸收调制器均可与半导 体光学放大器（S0A)、用于有源锁模的相位调制器以及用于主动监测的光电探测器集成在 一起。无论是联运振荡频率相关的自驱动振荡器还是消逝耦合的压控振荡器，都可用来驱 动电吸收调制器。
【附图说明】
[0017] 图la和图lb是本发明一些实施例的振荡器的功能框图。
[0018] 图2是本发明一个实施例的可调谐射频振荡器的功能框图。
[0019] 图3是本发明一个实施例的多级耦合谐振器和超介质消逝模谐振器的品质因数 (Q)的绘制图形。
[0020] 图4a是本发明一个实施例的图2中可调谐射频振荡器的印刷电路板布局的图例。
[0021] 图4b是本发明一个实施例的图2中可调谐射频振荡器的相位噪声的数据仿真。
[0022] 图5是本发明一个实施例的光纤延迟电缆的品质因数（Q)的绘制图形。
[0023] 图6a_6d是本发明一个实施例相关的沿着马赫-曾德尔调制器长度的硅光子基马 赫-曾德尔调制器（MZM)的强度绘制图形。
[0024] 图7是本发明一个实施例的图6中调制器工作特性的数据仿真。
【具体实施方式】
[0025] 本发明详细描述了具有频率和相位稳定性的集成光电振荡器的制备指南，相比普 通的光电振荡器系统所获得的频率和相位稳定性，本发明的光电振荡器需要更窄的通道分 辨率（由于，如，相位噪声的减少）和更精确地锁定频率（由于，如，降低的温度敏感性）。