集成光子设备和方法技术

完全集成的光子相干微波发生器包括在与III

【技术实现步骤摘要】
集成光子设备和方法


[0001]本专利技术各方面和实施例最普遍地涉及集成光子学领域，具体是涉及集成光子激光器和微波设备、方法和应用，并且最具体地涉及集成光子相干微波发生器、相关联的方法和应用。

技术介绍

[0002]光谱纯的微波有许多应用，包括但不限于无线通信、雷达、成像、时钟和高速电子设备。与电学方法相比，光子技术在产生高度相干的微波方面更胜一筹，因为激光波具有高相干性，并且光分割和光电下变频显著抑制了相位噪声。迄今为止，已经开发了各种光子方法来产生微波；例如，光电振荡器(OEO)、双频激光器、布里渊激光器、克尔孤子微频梳以及本领域已知的其他技术。光电振荡器依赖于长的、低损耗的光延迟线，这在集成芯片级平台上实现是具有挑战性的。尽管已经报道了开发芯片级OEO的努力，但与台式OEO相比，它们的性能相当差。尽管通过双频激光器产生的微波的频率在很大范围内可调，但它们通常会表现出显著的相位噪声。布里渊激光的产生依赖于超高Q二氧化硅微盘谐振器或光纤激光器，并且其不能完全集成在芯片级平台上。克尔孤子微梳虽然可以产生高度相干的微波，却表现出非常低的能量效率。

技术实现思路

[0003]专利技术人已经认识到，通过本文公开和要求保护的因素和实施例，可以有利地解决上文概述的相关技术问题并且减轻已知的技术挑战。本文公开的设备和方法实现了具有优于当前和过去的有益效果和改进的光子微波产生方法。外部激光腔能够直接在激光腔内对激光模式进行高速电光调制；通过电光调制和直接在激光腔内产生电光梳实现激光模式的相位锁定；通过锁相梳状激光模式产生高相干微波；将电光调制的III
‑
V锁相梳状激光器完全集成在芯片级平台上。
[0004]一个示例性方面是能够产生相干微波输出的电光/光子设备。该设备在本文中可以被称为集成光子相干微波发生器。在示例性的非限制性实施例中，集成光子相干微波发生器包括集成外腔激光器，该集成外腔激光器由在与III
‑
V增益元件集成的合适激光腔材料平台(包括驱动电极)上的基于高Q谐振器的外腔形成。高Q谐振器激光腔还包括一个或多个反射镜。激光器可运转地产生锁相激光梳状输出。相关联的电子器件可运转地耦合到集成光子外腔激光器，其中相干微波输出由设备可操作地实现。
[0005]在示例性的非限制性实施例中，III
‑
V增益元件可以边缘耦合到合适激光腔平台，或者异质地集成在激光腔平台的表面上/表面中。可操作地耦合到集成光子外腔激光器的相关电子器件包括通过下变频将激光模式的拍频转换为RF/微波状态的光学探测器，以及能够调节微波相位的RF/微波移相器。在示例性的非限制性实施例中，集成光子相干微波发生器可以包括如下，并且可以单独地或以本领域普通技术人员将理解的各种组合包括所公开的部件、元件、连接、特征、实施方式等：
[0006]其中合适的高Q谐振器激光腔材料是电光材料中的一种，包括铌酸锂(LiNbO3)、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、GaN、AlN、钛酸钡(BaTiO3)、KTP、铌酸钾(KNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)，或通过将这些电光材料中的一种与介电材料(例如氮化硅和二氧化硅)集成而形成的复合介质，条件是外部激光腔可以以比谐振器(和/或激光腔)的往返时间更快的速度调制，如技术人员将理解的。
[0007]其中，所述高Q谐振器是环形微谐振器；
[0008]其中，所述高Q谐振器是跑道型微谐振器；
[0009]还包括相位调制器；
[0010]其中所述III
‑
V增益元件是与所述激光腔材料平台边缘耦合的反射式半导体光放大器(RSOA)；
[0011]其中，所述III
‑
V增益元件是异质地集成在所述激光腔材料平台的表面中/表面上；
[0012]其中，所述一个或多个腔反射镜是Sagnac环形镜；
[0013]其中所述一个或多个腔反射镜是布拉格反射镜；
[0014]还包括光耦合器；
[0015]其中，所述光耦合器是2
×
2多模干涉(MMI)耦合器；
[0016]其中，所述高Q谐振器外腔包括具有驱动电极的相位调制器，而不包括高Q微谐振器；
[0017]其中相关联的电子器件包括窄带RF/微波滤波器；
[0018]其中相关联的电子器件包括RF/微波放大器；
[0019]其中，所述相关联的电子器件设置在不同于所述外部激光腔平台的平台上。
[0020]一个示例性方面是一种在集成光子平台上产生相干微波输出的方法。在示例性的非限制性实施例中，该方法包括以下步骤：提供集成外腔激光器，其中该集成外腔激光器包括合适材料制作的波导平台，波导平台包含有由自由光谱范围f
R
表征的高Q微谐振器，集成驱动电极，一个或更多个腔反射镜，以及与该激光外腔波导平台集成的III
‑
V增益元件；产生具有与高Q微谐振器的谐振频率匹配的光谱的多频梳状激光输出；探测激光输出并将激光模式的拍频下变频为具有梳状光谱的射频(RF)和/或微波频率范围，其中该梳状光谱的频率间隔为n个f
R
，其中n是整数且n＝1,2,3
……
；将该RF/微波信号反馈到高Q微谐振器以电光调制谐振器并锁相激光模式，从而产生了锁相激光梳来显著增强输出微波的相干性并支持再生微波振荡；以及调节反馈微波的相位，以便通过电光调制使锁模强度最大化。
[0021]在替代的示例性的非限制性实施例中，该方法包括以下步骤：提供集成高Q激光腔平台，该集成高Q激光腔平台包括具有驱动电极的相位调制器而不包括高Q微谐振器，以及将下变频的电信号反馈到相位调制器。在这种情况下，激光腔本身用作高Q谐振器。与上述描述类似，集成外腔激光器产生频率模式间隔f
R
现在等于激光腔的自由光谱范围的梳状激光模式。利用检测到的微波对相位调制器进行电光调制产生激光梳状模式的相位锁定，从而产生锁相激光梳，这又增强了所产生的微波的相干性并支持再生微波振荡。
[0022]在示例性的非限制性实施例中，该方法可以包括如下，并且可以单独地或以本领域普通技术人员将理解的各种组合包括所公开的步骤、部件、元件、连接、特征、实施方式等：
[0023]还包括用来制作高Q谐振器波导平台的如下电光材料的一种，所述电光材料包括铌酸锂(LiNbO3)、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、GaN、AlN、钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂(LiTaO3)、KTP、铌酸钾(KNbO3)，或通过将这些电光材料中的一种与诸如氮化硅或二氧化硅的介电材料集成而形成的复合介质，条件是外部激光腔以比谐振器(和/或激光腔)的往返时间更快的速度调制；
[0024]还包括根据需要放大微波输出的功率以支持再生微波振荡；
[0025]还包括滤除宽带微波噪声(以及高次谐波，如果需要的话)，以便增加微波输出的相干性和光谱纯度。
附图说明
[0026]图1示出了根据本专利技术的示例性实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成光子设备，包括：集成外腔激光器，包括合适材料制成的波导平台，波导平台包含高Q谐振器和集成驱动电极，以及设置在所述平台中/上的至少一个激光腔端反射镜，和与所述平台耦合的激光增益元件；光学探测器，可运转地耦合到所述集成外腔激光器，且被设置为接收激光输出；以及射频(RF)和/或微波移相器，具有可运转地耦合到所述光学探测器的输入和可运转地耦合到所述集成激光器平台的输出。2.根据权利要求1所述的集成光子设备，其中所述高Q谐振器是环型和跑道型微谐振器中的一种。3.根据权利要求2所述的集成光子设备，还包括设置在所述探测器光学下游的窄带RF/微波滤波器。4.根据权利要求2所述的集成光子设备，还包括RF/微波放大器，所述RF/微波放大器具有可操作地耦合到所述集成激光器平台的输出。5.根据权利要求1所述的集成光子设备，其中用来制作包含所述高Q谐振器的平台的合适材料是铌酸锂(LiNbO3)、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、AlN、GaN、钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂(LiTaO3)、KTP、铌酸钾(KNbO3)中的一种，或通过将这些材料中的一种与诸如氮化硅或二氧化硅的介电材料集成而形成的复合介质。6.根据权利要求2所述的集成光子设备，其中所述至少一个激光腔端反射镜是Sagnac镜。7.根据权利要求2所述的集成光子设备，其中所述至少一个激光腔端反射镜是布拉格光栅镜。8.根据权利要求2所述的集成光子设备，其中所述激光增益元件是III
‑
V反射式半导体光放大器(RSOA)。9.根据权利要求8所述的集成光子设备，其中所述RSOA边缘耦合到所述激光腔平台。10.根据权利要求2所述的集成光子设备，还包括适于电光调制所述激光腔的集成相位调制器。11.根据权利要求10所述的集成光子设备，还包括设置在所述检测器光学下游的窄带RF/微波滤波器。12.根据权利要求10所述的集成光子设备，还包括RF/微波放大器，所述RF/微波放大器具有可操作地耦合到所述集成激光器平台的输出。13.根据权利要求10所述的集成光子设备，其中用来制作包含所述高Q谐振器的平台的合适材料是铌酸锂(LiNbO3)、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、AlN、GaN、钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂(LiTaO3)、KTP、铌酸钾(KNbO3)中的一种，或通过将这些材料中的一种与诸如氮化硅或二氧化硅的介电材料集成而形成的复合介质。14.根据权利要求10所述的集成光子设备，其中所述高Q谐振器是环型和跑道型微谐振器中的一种。15.根据权利要求10所述的集成光子设备，其中所述至少一个激光腔端反射镜是Sagnac镜。16.根据权利要求10所述的集成光子设备，其中所述至少一个激光腔端反射镜是布拉
格光栅镜。17.根据权利要求10所述的集成光子设备，其中所述激光增益元件是反射式半导体光放大器(RSOA)。18.根据权利要求17所述的集成光子设备，其中所述RSOA边缘耦合到所述激光腔平台。19.根据权利要求17所述的集成光子设备，还包括光耦合器，所述光耦合器适于将光耦合进或耦合出所述谐振器，并将所述激光输出耦合到所述探测器。20.根据权利要求1所述的集成光子设备，其中所述集成外腔激光器由具有集成驱动电极的相位调制器、增益元件和至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙炫，
申请(专利权)人：孙炫，
类型：发明
国别省市：