集成的自注入鎖定鎖相環(huán)光電振蕩器的制造方法
【專利說明】
[0001] 本申請是基于申請?zhí)枮閁S13/796, 446、申請日為2013年3月12日的美國專利，上 述專利申請公開的內(nèi)容作為本申請的參考。
技術(shù)領域
[0002] 本發(fā)明公開內(nèi)容涉及一種易于實現(xiàn)并且價格低廉的用于控制光電振蕩器（"0E0"） 的系統(tǒng)和方法。在優(yōu)選的實施方案中，光電振蕩器能夠產(chǎn)生重復的電子正弦波或任意波和 /或連續(xù)的電調(diào)制波或脈沖光信號。
【背景技術(shù)】
[0003] 一般來說，除了電源直流（DC)功率形式的能量外，光電振蕩器從光源處，如激光 器，獲得栗浦持續(xù)功率。通過利用窄帶濾波機制滿足振蕩頻率所需的增益和相位特性，能量 被轉(zhuǎn)換成基于有效功率轉(zhuǎn)換的射頻（RF)信號和微波信號。光電振蕩器通常表現(xiàn)出低損耗 光延遲、低溫度敏感性，且能以模塊化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。與電子振蕩器相比，無論是從短期還是長 期來說，這些優(yōu)點通常使得光電振蕩器擁有高的品質(zhì)因數(shù)和更好的穩(wěn)定性。
[0004] 例如，在系列號為US13/760, 767的美國專利申請中公開的自注入鎖定鎖相環(huán) (ILPLL)光電振蕩器，上述專利申請公開的內(nèi)容作為本申請的參考。在該申請公開的光電振 蕩器中，純正弦振蕩信號的維持是通過從促進近端載波相位噪聲的周圍干擾源中自動過濾 出持續(xù)信號。相位噪聲的減少可以通過多種方法實現(xiàn)，包括光纖延遲線的多個長度和定制 的光接收器，為在閉環(huán)部分的自注入鎖定（IL)、自鎖相環(huán)（PLL)和/或自鎖模功能提供多電 性參考。這些組件均有助于在饋送到調(diào)制器的電反饋信號滿足它自身在振幅和相位上的一 些振蕩條件的情況下，支持自持續(xù)振蕩的低噪聲穩(wěn)定射頻振蕩器結(jié)構(gòu)。同時，任何相位誤差 的修正均利用在自注入鎖定與相位鎖定環(huán)中的可調(diào)射頻振蕩器，及在自鎖模中的光學激光 源與調(diào)制器的反饋系統(tǒng)提供。在系列號為US13/760, 767的美國專利申請中，光電振蕩器的 頻率輸出受控于一些因素，例如光纖延遲長度、馬赫-曾德爾調(diào)制器的工作條件以及用于 振蕩信號窄帶濾波的光學橫向射頻濾波器的帶通特性。
[0005] 這類光電振蕩器通常由分立的器件組成，需要大體積，具有高功耗以及生產(chǎn)成本 高。此外，由于大量分立部分的組裝，這類光電振蕩器一般都要考慮震動和G-敏感問題。這 些問題限制了光電振蕩器在一些環(huán)境下的實用性及應用可能，例如商業(yè)和軍事環(huán)境。
[0006] 此外，利用自注入鎖定鎖相環(huán)減少相位噪聲并不能得到充分商業(yè)可行的產(chǎn)品，除 非主要低噪和高效地設計創(chuàng)新被考慮進來迀就一個低成本的制造工藝，以滿足以較低的成 本實現(xiàn)不斷增加的服務質(zhì)量的需求。因此，光電振蕩器有必要具有設計拓撲，以滿足在小尺 寸和低成本中實現(xiàn)穩(wěn)定的超低相位噪聲頻率合成器的設計限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 關(guān)鍵是發(fā)展利用硅CMOS、BiCMOS技術(shù)集成光子組件，消除大體積和/或分立的微 波組件的需求。
[0008] 本發(fā)明的一個方案提供了用于維持振蕩光信號的單片集成光電振蕩電路。該振蕩 電路包括具有至少一條用于接收光信號第一部分的光纖延遲線的注入鎖定電路。該振蕩電 路還包括具有至少兩條用于接收光信號第二部分的光纖延遲線的鎖相環(huán)電路。該振蕩電路 進一步包括用于產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩信號以響應每一個由光信號的第一部分衍生的注入鎖定信 號和由光信號的其他部分衍生的鎖相環(huán)信號的單片集成壓控振蕩器。穩(wěn)定的振蕩信號可用 于射頻調(diào)制光信號。在一些方案中，至少一條光纖延遲線可集成在直徑大約為1英寸或更 小的心軸上。該心軸被樹脂乳液所覆蓋。注入鎖定電路的光纖延遲線具有比鎖相環(huán)電路的 每一條光纖延遲線都短的長度，以分別顯著的改進遠端和近端相位噪聲。
[0009] 在本發(fā)明的一些方案中，振蕩電路進一步包括至少一個耦合到鎖相環(huán)電路的相位 探測器，并用于確定在至少兩條光纖延遲線中每一條傳播的各自信號間的相位差。
[0010] 包括在振蕩電路中的壓控振蕩器可包括耦合到注入鎖定電路的諧振器。諧振器用 于接收光信號的第一部分衍生出來的處理信號。諧振器還可被耦合到一對動態(tài)調(diào)諧的諧振 器中。每一個動態(tài)調(diào)諧的諧振器都可被耦合到鎖相環(huán)電路的各自光纖延遲線中，并用于接 收光信號的其他部分衍生出來的處理信號。在一些方案中，諧振器可電容地耦合到每一個 動態(tài)調(diào)諧的諧振器中。諧振器可以是微帶線諧振器，且可以是超介質(zhì)的消逝模組合網(wǎng)絡。諧 振器的相位可被相位調(diào)諧電路動態(tài)調(diào)諧，相位調(diào)諧電路耦合到諧振器和動態(tài)調(diào)諧的諧振器 中的每一個。
[0011] 本發(fā)明的另一個方案提供的光電振蕩器包括提供光信號的調(diào)制器以及用來接收 部分光信號的第一、第二和第三光電探測器。第一、第二和第三光電探測器中的每一個都具 有輸出，這些輸出分別耦合到第一、第二和第三放大器。該振蕩器還可包括相位探測器，用 于接收來自第一光電探測器的第一射頻信號和來自第二放大器的具有比第一射頻信號更 長延遲的第二射頻信號。該相位探測器可用來確定第一和第二射頻信號之間的相位差。振 蕩器還進一步包括壓控振蕩器，用于接收來自第三光電探測器的第三射頻信號，以及用于 接收來自相位探測器的電信號。壓控振蕩器可用于輸出振蕩信號以響應電信號和第三射頻 信號中的每一個。振蕩信號可用來控制調(diào)制器的輸出。調(diào)制器、光濾波器、光電探測器、放 大器、相位探測器以及壓控振蕩器中的每一個均可通過應用諸如ΒΙ-CMOS集成的硅光子技 術(shù)集成在集成電路上。
[0012] 在本發(fā)明的一些方案中，調(diào)制器可以是具有電光聚合物的光學馬赫-曾德爾調(diào) 制器。光學馬赫-曾德爾調(diào)制器進一步包括發(fā)色團混合物和電光聚合物。調(diào)制器器件可與 光子帶隙結(jié)構(gòu)集成作為慢波結(jié)構(gòu)，以增強聚合物的有效電光特性。調(diào)制器在波長為1550nm 時可表現(xiàn)出大約等于l〇〇pm/V或者更大的電光系數(shù)，或者在波長為1060nm時表現(xiàn)出大約為 1150pm/V的電光系數(shù)，表現(xiàn)出大約等于1. 5dB/cm或更少的光損耗，且表現(xiàn)出大約等于0. 5V 或者更小的半波電壓。調(diào)制器可在大約lOV/ym到大約20〇ν/μπι之間的電場下被側(cè)向極 化或橫向極化，在一些方案中溫度大約為ll〇°C。在一些方案中，調(diào)制器可以是具有厚度大 約為2_或者更厚的基板上的微帶線。調(diào)制器在單模準橫電磁波模式中可工作在高達大約 等于60GHz，根據(jù)基板的寬度而定。
[0013] 在本發(fā)明進一步的方案中，第三光濾波器可包括法布里-珀羅激光二極管，能夠 將部分由第三光濾波器接收的光信號的邊模抑制在至少為75dB的比率。在另一些方案中， 振蕩器進一步包括可調(diào)相位偏移光纖布拉格光柵和相位調(diào)制器。那些組件中的每一個均可 集成在集成電路中。在一些方案中，調(diào)制器包括通過改變光栗浦波長能夠調(diào)諧振動器振動 頻率的移頻器。
[0014] 振蕩器可包括回音壁模式諧振器以代替電濾波組件。
[0015] 相比由分立組件構(gòu)成的振蕩器，本發(fā)明的振蕩器可實現(xiàn)顯著減少功耗。在一些方 案中，振蕩器的射頻組件消耗大約200mW或者更少的功率。振蕩器的調(diào)制器可通過驅(qū)動器 驅(qū)動，利用大約500mW或者更少的功率。振蕩器可工作電源電壓大約等于2伏特或者更少。
[0016] 本發(fā)明的另一個方案是使用分布反饋激光器或長法布里-珀羅的InGaAs/InP激 光二極管的光源、電吸收調(diào)制器（EAM)、InGaAs/InP的光學光電探測器以及用于光電探測 信號的放大和用于在壓控振蕩器（VC0)中振蕩信號的產(chǎn)生的電子電路實現(xiàn)單片集成光源 的可能性。該電子電路可使用同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)場效應晶體管（如MOSFET、MESFET、MISFET、 HEMT)實現(xiàn)。在該單片集成電路的另一變形中，長腔激光二極管和電吸收調(diào)制器均可與半導 體光學放大器（S0A)、用于有源鎖模的相位調(diào)制器以及用于主動監(jiān)測的光電探測器集成在 一起。無論是聯(lián)運振蕩頻率相關(guān)的自驅(qū)動振蕩器還是消逝耦合的壓控振蕩器，都可用來驅(qū) 動電吸收調(diào)制器。
【附圖說明】
[0017] 圖la和圖lb是本發(fā)明一些實施例的振蕩器的功能框圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明一個實施例的可調(diào)諧射頻振蕩器的功能框圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明一個實施例的多級耦合諧振器和超介質(zhì)消逝模諧振器的品質(zhì)因數(shù) (Q)的繪制圖形。
[0020] 圖4a是本發(fā)明一個實施例的圖2中可調(diào)諧射頻振蕩器的印刷電路板布局的圖例。
[0021] 圖4b是本發(fā)明一個實施例的圖2中可調(diào)諧射頻振蕩器的相位噪聲的數(shù)據(jù)仿真。
[0022] 圖5是本發(fā)明一個實施例的光纖延遲電纜的品質(zhì)因數(shù)（Q)的繪制圖形。
[0023] 圖6a_6d是本發(fā)明一個實施例相關(guān)的沿著馬赫-曾德爾調(diào)制器長度的硅光子基馬 赫-曾德爾調(diào)制器（MZM)的強度繪制圖形。
[0024] 圖7是本發(fā)明一個實施例的圖6中調(diào)制器工作特性的數(shù)據(jù)仿真。
【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明詳細描述了具有頻率和相位穩(wěn)定性的集成光電振蕩器的制備指南，相比普 通的光電振蕩器系統(tǒng)所獲得的頻率和相位穩(wěn)定性，本發(fā)明的光電振蕩器需要更窄的通道分 辨率（由于，如，相位噪聲的減少）和更精確地鎖定頻率（由于，如，降低的溫度敏感性）。