基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片。包括III‑V族化合物半导体材料基底、两个可调谐激光器、光调制器和多模干涉耦合器；可调谐激光器、光调制器、多模干涉耦合器和光波导均集成于III‑V族化合物半导体材料基底上；两个可调谐激光器呈并联布置，其中一个可调谐激光器经光调制器连接至多模干涉耦合器输入端，另一个可调谐激光器直接连接至多模干涉耦合器的输入端；上述器件均通过光波导连接。相比于传统的太赫兹发射器，本发明专利技术结构简单，可集成于单片光子芯片上，能实现真正的片上系统SoC；同时其频率灵活连续可调且覆盖较长的传输频率窗口，从而大幅度降低了太赫兹通信系统的复杂度。

【技术实现步骤摘要】
基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片
本专利技术属于太赫兹(THz)光谱
，具体涉及一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间(30μm-3mm)，所以亦称其为亚毫米波。太赫兹波在物理、化学、生命科学、医学成像、安全检查、产品检测、高频无线通信等应用领域都具有十分重要的研究价值和广泛的应用前景。人类社会对太赫兹辐射的认识已经有近一百年的历史，但与发展成熟的毫米波和远红外光技术相比，太赫兹波的产生技术仍然十分落后，缺乏能够室温下工作的高效率、可调谐、低成本、小型化的太赫兹波产生方法，导致人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限，因此在电磁波谱中这一频段被称为“太赫兹鸿沟(THzGap)”。这大大阻碍了太赫兹波技术在各领域中的推广应用。可批量生产的小型化、低成本半导体器件是未来十年大规模部署商用太赫兹通讯系统的关键技术。由于结构简单、频率灵活可调，双波长激光器拍频是太赫兹通信产生THz信号的首选方案，在理论上可实现谱线宽度极窄的THz波辐射。拍频原理如下：当两束频率分别为f1，f2的光波输入到光电导开关混频器或光探测器上时，由于响应速度的限制，光电导开关混频器或光探测器只能对频率为|f1-f2|的光拍频信号进行响应，如果|f1-f2|在太赫兹波段，器件将以该频率产生载流子并在外电场作用下加速，然后通过天线连续辐射出该频率的太赫兹波。通过调节双波长激光器的频率差，即可产生太赫兹波。因此基于这种技术的太赫兹波光源具有室温工作、波谱范围宽、可调谐等优势。在商业化应用中，基于III-V族化合物半导体材料的单片光子集成芯片(PhotonicIntegratedCircuit，简称PIC)的双波长光源在尺寸、成本、可靠性、大批量生产等方面比基于体积固态或光纤激光器的解决方案具有更明显的优势。通过光子集成方式将多个有源和无源器件单元实现单片集成，将可进一步减小体积、耦合损耗，提高稳定性，降低封装和测试复杂度。因此单片光子集成是目前实现商业化高性能太赫兹系统最有前途的光源解决方案。目前产生连续太赫兹辐射的方法可分为电子学和光子学两种方法，但两种方法都存在一定的局限性。利用电子学产生太赫兹的方法有返波管(BWO)、迴旋管(Gyrotron)、自由电子激光器(FEL)、固态电子学倍频等。它们体积庞大，能耗高，价格昂贵，设备维护繁琐，应用受到很大限制。利用光子学产生太赫兹的方法也有较多的报道，如通过高功率CO2激光器泵浦气体池产生太赫兹波、光学差频(DFG)、太赫兹参量产生/振荡器(TPG/TPO)、光学Cherenkov辐射效应等。这些方法同样存在电光效率低，体积重量大，无法实现小型化等根本问题。至今可调谐双波长半导体激光器技术还存在诸多不足，研发工作依然滞后，限制了太赫兹技术的推广应用。本专利技术将可调谐双波长激光器拍频产生太赫兹源与单片光子集成技术相结合，为实现小型化、高性能、低成本的太赫兹光源提供了新颖的技术方案，能极大地促进太赫兹技术的研究与市场应用。
技术实现思路
本专利技术针对未来太赫兹无线通信系统的光源需求，提供了一种基于III-V族化合物半导体材料基底和并联式双可调谐激光源的新型单片光子集成芯片，通过系统深入地权衡器件设计和优化外延结构，实现室温连续工作、频率可调谐、高功率、低成本、小型化，工作在通讯波段(如：1310nm，1550nm)的高速调制太赫兹光源单片集成芯片。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术包括半导体材料基底、两个可调谐激光器(TunableLaser，简称TL)、光调制器(Modulator)和多模干涉耦合器(MMI)；可调谐激光器、光调制器、多模干涉耦合器和光波导均集成于半导体材料基底上；两个可调谐激光器呈并联布置，其中一个可调谐激光器经光调制器连接至多模干涉耦合器输入端，另一个可调谐激光器直接连接至多模干涉耦合器的输入端；其中一个可调谐激光器与光调制器之间、光调制器与多模干涉耦合器之间、另一个可调谐激光器与多模干涉耦合器之间均通过光波导连接。两个可调谐激光器分别产生两路波长可调谐的激光信号，其中一路激光信号经光调制器调制后输入多模干涉耦合器，另一路激光信号直接输入多模干涉耦合器；2×1多模干涉耦合器将两路激光信号进行合波后输出。所述可调谐激光器是指波长可调谐的半导体激光器，例如分布反馈(DFB)半导体激光器、分布布拉格反射(DBR)半导体激光器或采样光栅分布布拉格反射(SG-DBR)激光器等。所述半导体材料基底采用III-V族化合物半导体材料作为光子集成芯片的基底。III-V族化合物半导体材料：例如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)等都是天然的直接带隙材料，其价带顶和导带底位于波矢k空间中同一位置，电子、空穴复合无需交换动量，因此具有很高的发光效率。并且InP、GaAs及其固溶物InGaAsP、InGaAlAs等可以覆盖光通信常用的O波段(1260-1360nm，中心波长为1310nm)与C+L波段(C波段：1530-1565nm，中心波长为1550nm；L波段：1565-1625nm)。同时，由于III-V族化合物半导体材料在低场和高场下均具有较高的电子迁移率，可以提升激光器的工作速度和降低损耗。光子集成芯片的有源区是在衬底上采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)法(或分子束外延(MBE)等其他生长方法)外延生长的InGaAsP多量子阱(MQW)材料，通过改变半导体可调谐激光器有源区的材料折射率实现激光器的波长调谐。所述光调制器可采用马赫曾德调制器(MZM)或电吸收调制器(EAM)等。光调制器、多模干涉耦合器和光波导均为无源结构，两个可调谐激光器为有源结构，多个有源结构和无源结构通过光子集成方式实现单片集成。本专利技术的太赫兹源单片光子集成芯片，其体积较小，芯片长宽一般都为毫米量级。通过改变两个可调谐激光器的输出波长差得到连续可调的太赫兹波源。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术采用高性能高速III-V族化合物半导体基调制器与双波长激光器光源的单片集成，实现可直接加载高速数字信号的芯片级太赫兹光源技术。相比于传统的太赫兹发射器，本专利技术实现了真正的片上系统SoC(SystemonChip)。2)本专利技术的集成芯片工作波长与光纤通讯波长匹配，有望应用于5G通讯标准后的下一代支持100Gb/s以及更高的高速太赫兹通讯系统。3)本专利技术的集成芯片频率灵活连续可调且覆盖较长的传输频率窗口，从而大幅度降低了太赫兹通信系统的复杂度。4)本专利技术体积小、成本低、稳定性高，能在室温下工作，且有利于批量化生产，能满足无线通信市场高性能、低成本、大批量生产的商业产品需求。附图说明图1为本专利技术的THz源单片光子集成芯片示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。...

【技术保护点】
1.一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片，其特征在于，包括半导体材料基底、两个可调谐激光器、光调制器和多模干涉耦合器；可调谐激光器、光调制器、多模干涉耦合器和光波导均集成于半导体材料基底上；/n两个可调谐激光器呈并联布置，其中一个可调谐激光器经光调制器连接至多模干涉耦合器输入端，另一个可调谐激光器直接连接至多模干涉耦合器的输入端；其中一个可调谐激光器与光调制器之间、光调制器与多模干涉耦合器之间、另一个可调谐激光器与多模干涉耦合器之间均通过光波导连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片，其特征在于，包括半导体材料基底、两个可调谐激光器、光调制器和多模干涉耦合器；可调谐激光器、光调制器、多模干涉耦合器和光波导均集成于半导体材料基底上；
两个可调谐激光器呈并联布置，其中一个可调谐激光器经光调制器连接至多模干涉耦合器输入端，另一个可调谐激光器直接连接至多模干涉耦合器的输入端；其中一个可调谐激光器与光调制器之间、光调制器与多模干涉耦合器之间、另一个可调谐激光器与多模干涉耦合器之间均通过光波导连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片，其特征在于，两个可调谐激光器分别产生两路波长可调谐的激光信号，其中一路激光信号经光调制器调制后输入多模干涉耦合器，另一路激光信号直接输入多模干涉耦合器；2×1多模干涉耦合器将两路激光信号进行合波后输出。


3.根据权利要求1所述的一种基于并联式双可调谐激光器的太赫兹源单片光子集成芯片，...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊婉姝，吉晨，李玉苗，郭乾文，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33