CN103941518A - 基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器 - Google Patents

Abstract

一种基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，包括：一入射光源；一光放大器，其位于入射光源的光路上，用于调节光功率；一可调谐微环谐振腔，其位于入射光源的光路上，用于产生可调节的MHz量级光学振荡波形；一光信号测试***，其位于入射光源的光路上，用于测试输出光的信号；一反馈控制***，其输入端与光信号测试***的输出端连接，其输出端与光放大器的控制端连接，其控制端与可调谐微环谐振腔的电极引脚连接，该反馈控制***0提取输出光信号的码型和频率信息，并控制微型加热器的电流大小和持续时间，以及控制光放大器的输出光功率。本发明的工艺与CMOS工艺兼容，便于集成化和小型化，其抗外界干扰性能好，输出振荡频率和波形稳定性高。

Description

基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器

技术领域

本发明涉及光通信和光子信息处理领域，尤其涉及全光通信中基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器。 

背景技术

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。而全光振荡器可以用于光学时钟信号产生和信号路由选择等。目前产生光学振荡的一般方法是使用电信号频率发生器与电光调制器，将电学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高频电信号发生器和电光调制器，因此功耗大，且不利于全光集成和快速路由选择。 

基于硅基微盘可以实现全光振荡，例如T.J.Johnson等人发表的文章(“Self—induced optical modulation of the transmission through a high—Q silicon microdisk resonator，”Opt.Express14(2)，2006：817—831)，该微盘采用悬空结构，周围为空气层，采用光纤进行耦合，因此其热扩散时间和载流子寿命很难通过工艺手段实现大范围调节，也就意味着基于该结构实现的全光振荡的频率只能在非常狭窄的范围内变化。采用的悬空结构和光纤耦合方式由于缺少外力限制，因此稳定性较差，且在强入射光下出现光机械振荡现象，因而较难实现长时间稳定振荡波形。 

而本发明的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器的主要结构为硅基微盘谐振腔，其采用平面设计结构，光传输波导周围为低折射率介质材料，因而机械稳定性非常好，抗干扰性能非常好；在低折射率介质材料四周合理加入高导电介质材料，通过设计结构尺寸，可以灵活控制光传输波导周围的热扩散时间，从而实现大范围调节振荡频率的目 的。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其基于硅基微环谐振腔将入射连续光波直接调制为周期振荡光波，调节微环谐振腔热扩散时间可实现100kHz一100MHz的振荡频率变化范围，调节入射光波长和功率可快速实现超过一个倍频程的频率调节范围以及振荡波形占空比从0到1连续变化，硅基微环谐振腔结构的制备与CMOS工艺兼容，抗干扰性能好，频率和波形稳定性高。 

本发明提供一种基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，包括： 

一入射光源； 

一光放大器，其位于入射光源的光路上，用于调节光功率； 

一可调谐微环谐振腔，其位于入射光源的光路上，用于产生可调节的MHz量级光学振荡波形； 

一光信号测试***，其位于入射光源的光路上，用于测试输出光的信号； 

一反馈控制***，其输入端与光信号测试***的输出端连接，其输出端与光放大器的控制端连接，其控制端与可调谐微环谐振腔的电极引脚连接，该反馈控制***0提取输出光信号的码型和频率信息，并控制微型加热器的电流大小和持续时间，以及控制光放大器的输出光功率。 

本发明的有益效果是，提供一种基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其基于硅基微环谐振腔热光非线性效应和自由载流子色散效应共同作用，将一束连续光波直接调制成为周期振荡光波，振荡频率和振荡波形占空比均具有可调节性，且调节简单；调节微环谐振腔热扩散时间可实现振荡频率范围为100kHz～100MHz，调节入射光功率和波长可实现振荡频率变化范围超过一个倍频程，振荡波形占空比从0到1变化；制作硅基微环谐振腔结构的工艺与CMOS工艺兼容，便于集成化和小型化，其抗外界干扰性能好，输出振荡频率和波形稳定性高。 

附图说明

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： 

图1为本发明的基于硅基微环谐振腔实现可调全光振荡器的工作流程示意图。 

图2为本发明的硅基微环谐振腔环形波导横截面示意图。 

图3中(a)为本发明实施例中，入射光波长相对谐振波长红移600pm时实验测试的输出光振荡波形图。 

图3中(b)为本发明实施例中，入射光波长相对谐振波长红移1000pm时实验测试的输出光振荡波形图。 

图4为本发明实施例中模拟得到的不同频率失谐下输出光振荡频率曲线、波形占空比曲线图。 

具体实施方式

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热光调谐机构的可调全光振荡器，包括： 

一入射光源10，所述的入射光源10输出单波长连续波； 

一光放大器20，其位于入射光源10的光路上，用于调节光功率，所述的光放大器20是掺铒光纤放大器，或半导体光放大器； 

一可调谐微环谐振腔30，其位于入射光源10的光路上，用于产生可调节的光学振荡波形，振荡频率范围在100kHz～100MHz；所述的可调谐微环谐振腔30包括： 

一光学谐振结构，该光学谐振结构由一直波导31和一环形波导32组成，其中直波导31两端为锥形波导耦合结构； 

一温度调节结构，该温度调节结构由一微型加热器33和电极引脚34组成； 

其中直波导31和环形波导32是条形结构、脊形结构或slot结构；直波导31与环形波导32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32的光谱图谐振峰消光比超过5dB；直波导31与环形波导32的横截面尺寸为高度小于500纳米，宽度小于1微米，且保证最少有一个 光传播模式；直波导31和环形波导32的材料包括绝缘体上硅310’和在绝缘体上硅310’上制作的覆盖层311’；覆盖层311’的材料是二氧化硅或氮化硅；覆盖层311’上涂覆金属导电材料制作微型加热器33，用于控制环形波导32的温度，并降低环形波导32的温度扩散时间；覆盖层311’的厚度应保证光在环形波导32中传输时具有较小的传输损耗，且能够有效降低温度扩散时间，例如厚度为1～3微米；环形波导32四周可以制作金属导电通孔，以进一步降低环形波导32的温度扩散时间，金属导电通孔距离硅波导中心的最小距离应不影响光在环形波导32中的传输行为，例如该距离为2～5微米。 

由于环形波导32中心硅波导的横截面尺寸均小于1微米，对传输光模式有更大的束缚能力，因此实现全光振荡需要的入射光功率更低，例如毫瓦量级。使用的硅基微环谐振腔的材料和结构均可以通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现，因此便于集成化和小型化；由于制作的硅基微环谐振腔为平面集成结构，其抗外界扰动能力强，稳定性高。 

环形波导32中的非线性效应有克尔效应、双光子吸收效应、自由载流子吸收效应、自由载流子色散效应和热光效应。一方面，双光子吸收、自由载流子吸收和波导线性吸收作用可以导致波导温度升高，发生热光效应，增大波导折射率；由于波导温度通过热扩散等方式降低，因而采用热扩散时间表征温度变化的快慢程度。另一方面，自由载流子色散减小波导的折射率，恰好与热光效应的作用相反，而影响自由载流子浓度的最主要因素是双光子吸收效应，即与环形波导内的光强有关；由于自由载流子浓度主要靠非平衡的电子与空穴对复合来降低，因而采用自由载流子寿命表征自由载流子浓度衰减的快慢程度。对于硅基纳米线波导而言，热扩散时间的量级通常为毫秒到微秒量级，其受到波导结构、覆盖层材料和尺寸等因素影响；自由载流子寿命的量级通常为纳秒量级，其主要受到波导侧壁粗糙度的影响。当热光效应和自由载流子色散效应对折射率变化量的影响在同一个数量级，或相差较小时，输出光发生自脉动现象，即输出光波形发生振荡。振荡频率受到材料热扩散时间的影响，量级通常在MHz左右，范围为100kHz100MHz。 

为了使输出光出现光强振荡现象，要求环形波导32的自由载流子寿 命和热扩散时间保持一定关系，例如热扩散时间比自由载流子寿命大13个数量级，使得当入射光功率超过非线性阈值功率时，自由载流子色散效应对环形波导32折射率的最大变化绝对值与热光效应对环形波导32折射率的最大变化绝对值具有相近的数值。对于器件的设计要求为：环形波导32中无深能级复合中心，自由载流子寿命在纳秒量级；在不影响光在波导中正常传输的条件下，在环形波导32的左右或上下覆盖高热扩散系数材料，如金属导电通孔或金属导线，提高热扩散速度，降低热扩散时间。 

输出光的可调节性质是指输出振荡光的占空比从0变化到1，输出光的频率变化范围可以覆盖1个甚至多个倍频程。实现输出光的可调节性质通过调节入射光源10的输出光波长与环形波导30的谐振波长的相对位置，调节入射光经光放大器20之后的功率来实现。前者调节环形波导32的折射率实现对其线性谐振波长的调节，即通过反馈控制***50控制微型加热器33的电流大小和时间长短来控制环形波导32的温度，进而调节环形波导32的折射率；后者通过反馈控制***50控制光放大器20的输出光功率。反馈控制***50采取实时反馈控制方法，即实时监测输出振荡光波的频率和占空比，快速调节环形波导32的线性谐振波长和光放大器20的输出功率，实现振荡器输出频率和波形稳定的目的。 

一光信号测试***40，其位于入射光源10的光路上，用于测试输出光的信号；光信号测试***40包括一分束器41，该分束器41输出端分别连接有一光功率计42和一信号检测***43；其中信号检测***43包括一高速示波器和/或频谱仪和/或光谱仪。 

一反馈控制***50，其输入端与光信号测试***40的输出端连接，其输出端与光放大器20的控制端连接，其控制端与可调谐微环谐振腔30的电极引脚34连接，该反馈控制***50提取输出光信号的码型和频率信息，并控制微型加热器33的电流大小和持续时间，以及光放大器20的输出光功率。 

本实施例中，为了更直观了解输出光的振荡效果，我们以某一尺寸下的硅基微环谐振腔为例，但是实际出现光学振荡的硅基微环谐振腔不限于这一种具体尺寸。环形波导32的半径为10微米，截面形状为脊形，脊高220nm，宽500nm，平板区高度60nm，波导上覆盖2微米二氧化硅，并在 其上沉积金属铝。距离波导4微米的位置制作金属铝通孔，降低环形波导32的热扩散系数。根据实验数据反推得到该微环波导中载流子寿命约为3ns，热扩散时间约为120ns。实验测试得到不同相对波长(△λ)下的输出光振荡图形，如图3中(a)(b)所示，输出光的形状和频率随相对波长而有所区别。输出光振荡频率、波形占空比与相对波长之间的关系曲线如图4所示，振荡频率和波形占空比随相对波长发生变化，波形占空比变化范围接近0—1。很显然，固定入射光功率，只需要略微改变入射光相对波长，就可以很灵活地调控输出光的振荡频率和振荡波形。由于受到特定结构的硅基微环谐振腔具有固定的热扩散时间的影响，该硅基微环谐振腔的输出振荡频率范围为11MHz到17MHz。 

需要指出，实现全光振荡输出并不限于本实施例中举出的特定硅基微环谐振腔结构。根据一般性判据条件，即降低环形波导32的热扩散时间并增大环形波导32内的载流子寿命，使热光效应和载流子色散效应对波导折射率改变的绝对值在同一个数量级，则可以在较低入射光功率下观察到明显的输出光振荡现象。 

Claims (10)

1.一种基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，包括：

一入射光源；

一光放大器，其位于入射光源的光路上，用于调节光功率；

一可调谐微环谐振腔，其位于入射光源的光路上，用于产生可调节的MHz量级光学振荡波形；

一光信号测试***，其位于入射光源的光路上，用于测试输出光的信号；

一反馈控制***，其输入端与光信号测试***的输出端连接，其输出端与光放大器的控制端连接，其控制端与可调谐微环谐振腔的电极引脚连接，该反馈控制***0提取输出光信号的码型和频率信息，并控制微型加热器的电流大小和持续时间，以及控制光放大器的输出光功率。

2.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的入射光源输出单波长连续波。

3.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，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。

4.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的可调谐微环谐振腔包括：

一光学谐振结构，该光学谐振腔结构由一直波导和一环形波导组成，其中直波导两端为锥形波导耦合结构；

一温度调节结构，该温度调节结构由一微型加热器和电极引脚组成。

5.根据权利要求4所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的直波导和环形波导是条形结构、脊形结构或slot结构。

6.根据权利要求5所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的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6所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的直波导与环形波导的横截面尺寸为高度小于500纳米，宽度小于1微米，且保证最少有一个光传播模式。

8.根据权利要求7所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，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。

9.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的覆盖层的材料是二氧化硅或氮化硅。

10.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔热光调谐机构的可调全光振荡器，其中所述的光信号测试***包括：

一分束器，该分束器输出端分别连接有一光功率计和一信号检测***；其中信号检测***包括一高速示波器和/或频谱仪和/或光谱仪。