半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置的製作方法

2023-07-06 20:27:06 2

專利名稱：：半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及光網絡領域，尤其涉及一種半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置。
背景技術：
：在高速大容量的光網絡中，存在一些因素會明顯地影響光信號的質量，比如，碼型，線路的損耗，光放大器的ASE(AmplifiedSpontaneousEmission,放大的自發輻射)噪聲、GVD(GroupVelocityDispersion,群速度色散)、PMD(PolarisationModeDispersion,偏振模色散)和非線性效應等都會影響到信號的形狀、光信噪比和消光比，使脈沖展寬並產生定時抖動，從而導致信號質量劣化。3R(Regenration，Reshaping,Retiming,再生、重整形和重定時)再生是解決上述問題的有效方法。3R再生中的全光時鐘恢復是實現光定時的關鍵技術。在高速OTDM(OpticalTimeDivisionMultiplexing,光時分復用)系統中，從高速的OTDM信號中恢復出基頻光時鐘是實現全光解復用和全光分插復用的關鍵。在光分組交換中，實現分組頭和分組的同步也需要從分組頭或者分組中快速恢復出光時鐘。因此，全光時鐘恢復是下一代高速大容量光通信網絡中的關鍵技術。全光時鐘恢復技術要在光網絡中得以實際利用，關鍵是尋找一種結構簡單、容易實現、時鐘建立時間短、輸出抖動小、輸出幅度均衡的實現方案。現有技術中一種時鐘恢復方案為FP(Fabry-Perot,法布裡-珀羅)濾波器方案。該方案的實現原理示意圖如圖1所示，利用FP濾波器從輸入的RZ(returntozerocode,歸零碼)光信號中恢復出時鐘信號。RZ光信號的光頻譜由連續譜分量和若干線狀譜分量組成，FP濾波器具有的梳狀濾波器特性如圖2所示，橫坐標表示頻率，縱坐標表示信號幅度，利用FP濾波器可以選出光載頻分量fc和線狀譜分量化+fO或fc-f0(fO為數據時鐘頻率)，從而實現光時鐘信號恢復。在實現本發明的過程中，發明人發現上述FP濾波器的缺點為該方案受限於FP濾波器的精細度參數(F參數)，需要FP濾波器的F參數很大，並且要求F參數的自由光譜範圍和輸入信號的速率嚴格匹配，這就對FP濾波器的腔長精確度有很高要求。否則，恢復出的時鐘質量會大大下降。因此，該方案恢復出的時鐘幅度不均勻。現有技術中另一種時鐘恢復方案為對上述FP濾波器方案進行改進，在FP濾波器後面串接SOA(SemiconductorOpticalAmplifier,半導體雷射放大器)，該方案的實現原理示意圖如圖3所示。該方案克服了上迷對FP濾波器的F參數的苛刻要求。上述SOA工作在增益和飽和狀態，對FP濾波器輸出的時鐘信號進行幅度均衡，改善輸出信號質量，從而對恢復出來的時鐘進行優化。在實現本發明的過程中，發明人發現上述改進後的FP濾波器方案的缺點為該方案需要用到兩個分立的器件，並且要精確控制進入SOA的入射功率，系統複雜度和成本提高，不易集成。該方案還要保證FP濾波器的FSR(freespectrumrange,自由光^普範圍)必須和入射4言號的速率嚴4各匹配。
發明內容本發明的目的是提供一種半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置。從而可以克服現有的時鐘恢復方案集成度不高、受限於濾波器的精細度參數的問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種半導體光器件，包括襯底、緩衝層、上下限制層、蓋層、接觸層和上下電極，包括在外延片的兩個端面設置有端面抗反射膜；所述端面抗反射膜，用於對接收到的光信號進行梳狀濾波處理，其端面反射率根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率而設定，從而使得半導體光器件輸出的時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。一種時鐘恢復裝置，包括信號輸入單元，用於接收輸入的光信號，將所述光信號傳輸給半導體光器件；半導體光器件，用於對接收到的光信號進行梳狀濾波處理，從所述光信號中恢復出時鐘信號，將所述時鐘信號傳輸給信號輸出單元；其端面抗反射膜的的端面反射率根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率而設定，從而使得所述時鐘信號的質量控制在設定的範圍內；信號輸出單元，用於將所述時鐘信號輸出。一種時鐘恢復方法，包括半導體光器件接收輸入的光信號，對所述光信號進行梳狀濾波處理，從所述光信號中恢復出時鐘信號；根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率設定所述半導體光器件的端面抗反射膜的端面反射率，使得所述時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明通過根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率，適當地選擇半導體光器件的端面反射率，具有較低的反射率和較低的精細度，從而可以容忍半導體光器件的自由光譜範圍和輸入光信號的速率不匹配，使恢復出來的時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。克服了現有方案對FP濾波器的F參數的苛刻要求的問題。本發明所述時鐘恢復裝置的結構簡單，可以單片集成，便於實現。圖1為現有技術中FP濾波器時鐘恢復方案的實現原理示意圖；圖2為現有技術中FP濾波器時鐘恢復方案中的FP濾波器具有的梳狀濾波器特性示意圖；圖3為現有技術中改進後的FP濾波器時鐘恢復方案的實現原理示意圖；圖4為本發明所述全光時鐘恢復裝置的實施例的結構示意圖；圖7為本發明所述具有不同端面反射率的時鐘恢復裝置從80Gb/sRZ信號中恢復時鐘的不同輸出結果示意圖；圖8為本發明所述半導體光器件的抗反射膜的反射率與輸出時鐘的幅度抖動率的對應關係示意圖；圖9為本發明所述增加了時鐘增強單元的時鐘恢復裝置的實施例的結構示意圖。具體實施方式本發明提供的一種半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置。下面結合附圖來詳細描述本發明，本發明所述時鐘恢復裝置的實施例的結構示意圖如圖4所示，包括信號輸入單元、半導體光器件和信號輸出單元。信號輸入單元，接收輸入的光信號，並將該光信號通過輸入光纖傳輸給半導體光器件。半導體光器件對該光信號進行梳狀濾波處理後，從光信號中恢復出時鐘信號，將所述時鐘信號傳輸給輸出光纖。信號輸出單元，通過輸出光纖將所述時鐘信號輸出。通過將上述半導體光器件的端面反射率控制在某一範圍內，從而控制輸出的光時鐘質量在設定的最佳範圍內。通過將上述半導體光器件的有源區長度進行合理設計，從而使得恢復的時鐘信號頻率等於梳狀濾波的頻率間隔。所述光時鐘質量包括時鐘信號的幅度抖動率、眼張開度、Q因子中的至少一項。上述半導體光器件的外延片的實施例1的結構如圖5所示，包括襯底、緩衝層、上下限制層、有源層、蓋層、接觸層、上下電極和端面抗反射膜等模塊，下面分別介紹各個模塊。襯底釆用n-lnP(n型磷化銦)材料。緩衝層採用0.5)um厚的n-lnP材料。上下限制層都是採用晶格匹配的非摻雜的lnGaAsP(磷砷化銦鎵)、中心波長為1.2jum、0.1jum厚的材津牛，上下限制層構成雙異質結結構。有源層採用體材料或量子阱材料，並引入不同的應變方式。有源層具有比上下限制層更高的折射率，起光波導的作用，使得光信號限制在有源層傳輸，實現傳導的作用。光信號通過有源層，激發有源層高能級電子向低能級躍遷，輻射光子，從而增大光信號功率，實現放大的作用。在該實施例1中，採用混合應變方式的量子阱lnGaAsP，應變方式包括1%的壓應變和0.95%的張應變。有源層厚50nm，中心波長為1.57iam。通過對有源區長度進行適當設計，可以使梳狀濾波間隔等於輸入信號的模式之間的間隔，則恢復的時鐘信號的頻率等於輸入信號的模式之間的間隔。在該實施例1中，有源區長度取為536nm，可以恢復出80Gb/s的時鐘信號。蓋層採用1.5ym厚的p-lnP(p型磷化銦)材料。接觸層採用0.3jum厚的重p型摻雜的lnGaAs材料。端面抗反射膜可採用SiOx(氧化矽)、SixNy(氮化矽)、ZrOx(氧化鋯)、TiOx(氧化鈦)等材料，也可採用多層膜系技術，鍍制的抗反射膜應使得半導體光器件具有梳狀濾波的功能，並通過設定所述端面抗反射膜所採用的材料以及材料的厚度，從而使端面反射率控制在某一範圍內，從而將輸出的光時鐘質量控制在設定的最佳範圍內。上述實施例1中的半導體光器件的製造可4吏用MOCVD(MetalorganicChemicalVaporDeposition,金屬有才幾物化學汽相沉積)夕卜延技術，該夕卜延技術的處理過程為先在襯底上設置緩衝層；在緩沖層上設置下限制層；在下限制層上設置有源層；在有源層上設置上限制層；在上限制層上設置蓋層；在蓋層上設置接觸層；在外延片上蒸鍍上電極和下電極；把外延片設置成條形，使得有源區長度符合需要輸出的時鐘頻率要求；最後在外延片兩個端面鍍制抗反射膜。上述半導體光器件的外延片的結構的實施例2的結構如圖6所示，包括襯底、緩衝層、上下限制層、有源層、掩膜、電流阻擋層、蓋層、接觸層、上下電極和端面抗反射膜等模塊，增加了掩膜和電流阻擋層，用於提高有源層電子受激輻射速率，增加載流子(包括電子和空穴)的利用率和對光子的限制作用，更有效地將載流子限制在有源層，提高外延片的質量。下面分別介紹各個模塊。襯底採用n-lnP材料，緩沖層採用0.5jum厚的n-lnP材料。上下限制層都是採用晶格匹配的非摻雜的InGaAsP、中心波長為1.2nm、0.1)Lim厚的材料，上下限制層構成雙異質結結構。有源層採用體材料或量子阱材料，並引入不同的應變方式。在該實施例2中，採用混合應變方式的量子阱lnGaAsP，應變方式包括1%的壓應變和0.95%的張應變。有源層厚50nm，中心波長為1.57Mm。通過對有源區長度進行適當設計，可以使梳狀濾波間隔等於輸入信號的模式之間的間隔，則恢復的時鐘信號的頻率等於輸入信號的^f莫式之間的間隔。在該實施例2中，有源區長度取為536iim,可以恢復出80Gb/s的時鐘信號。掩膜採用0.2iim厚的Si02材料。電流阻擋層通過二次外延設置，形成p-n-p異質結有源結構，有效地將載流子限制在有源區。蓋層採用1.5jum厚的p-lnP材料。接觸層採用0.3jum厚的重p型摻雜的lnGaAs。端面抗反射膜可採用SiOx、SixNy、Zr〇2、TiOx等材料，也可採用多層膜系技術，鍍制的抗反射膜應使得半導體光器件具有梳狀濾波的功能，並使端面反射率控制在某一範圍內，從而控制輸出的光時鐘質量在最佳範圍內。技術的處理過程為先在襯底上設置緩衝層；在緩衝層上生長下限制層；在下限制層上生長有源層；在有源層上生長上限制層；在上限制層上沉積一層Si02掩膜。在掩膜兩個端面通過二次外延生長技術生長p-n-p電流阻擋層；通過三次外延生長技術在電流阻擋層上生長蓋層；在蓋層上生長接觸層；在外延片上蒸鍍上電極和下電極；把外延片解理成條形，使得有源區長度符合需要輸出的時鐘頻率要求；最後在外延片兩個端面鍍制抗反射膜，鍍制的抗反射膜應使得半導體光器件具有梳狀濾波的功能，並使端面反射率控制在某一範圍內，從而將輸出的光時鐘質量控制在最佳範圍內。上述半導體光器件要實現時鐘恢復功能，需要合理設計有源區長度和抗反射膜的反射率。半導體光器件有源區的長度需要合理設計。通過對有源區長度進行合理設計，使梳狀濾波間隔等於輸入信號的模式之間的間隔，則恢復的時鐘信號的頻率等於輸入信號的模式之間的間隔頻率。有源區長度L的選擇需要根據輸入信號的速率、有源區有效折射率來決定，有源區長度L的計算公式如下述公式1所示丄=^~公式1上述公式1中的L為諧振腔有源區長度；義為輸入信號光波的中心波長；n為諧振腔有源區有效折射率；AA為輸入信號速率對應的波長間隔。因此，在實際應用中，可以通過調整時鐘恢復裝置的工作電流，來調整諧振腔有源區有效折射率，從而對有源區長度L進行調整。在本發明的實施例中，80Gb/s信號入射時，入射波長取1550nm，等效折射率取3.5,A義為o.64nm，對應的梳狀濾波器間隔頻率為80GHz，則諧振腔有源區長度應大概為536jum,可以恢復出80GHz的時鐘。在實際應用中，需要對上述時鐘恢復裝置接收的偏置電流進行合理偏置，並使輸入信號平均功率達到一定值，從而保證上述時鐘恢復裝置工作於增益飽和狀態。在本發明的實施例中，取偏置電流為250mA，輸入信號平均功率為3mW。抗反射膜反射率的設計對上述時鐘恢復裝置的實現至關重要。一般有源區解理面的菲涅耳反射率約為30%，所以在解理面上還需要設置鍍制抗反射膜來減小反射率，通過設計抗反射膜的反射率R1和R2，使時鐘恢復裝置具有梳狀濾波功能，將輸入信號的多個模式濾出來。普通SOA的抗反射膜反射率是IO-6，本發明的實施例中取抗反射膜的反射率為0.1。因此，本發明的實施例中的抗反射膜反射率比普通SOA高得多，鍍制過程要簡單的多，半導體光器件的製作實現也比普通SOA簡單很多。具有不同端面反射率的時鐘恢復裝置從80Gb/sRZ信號中恢復時鐘的不同輸出結果示意圖如圖7所示。在圖7中，橫坐標表示時間，縱坐標表示輸出的時鐘信號的幅度，從上往下分別是輸入信號波形和4組由具有不同端面反射率的時鐘恢復裝置輸出的時鐘信號，該4組時鐘恢復裝置對應的不同反射率分別為icr6、10-2、1o"和o.4。從圖7可見，反射率為10—6時起到的是放大作用，也就是實現了SOA的放大功能，而反射率為10_1時，時鐘幅度抖動率最小，輸出的時鐘信號質量最好。抗反射膜的反射率與輸出時鐘的幅度抖動率的對應關係示意圖如圖8所示，在圖8中，橫坐標是抗反射膜的反射率，縱坐標是輸出時鐘的幅度抖動率，抖動率最小表明輸出時鐘的脈沖的幅度最均衡，輸出時鐘的質量最好。因此，端面反射率不能太大也不能太小，需要根據實際情況進行優化設計。在實際應用中，可以根據時鐘恢復裝置輸出的時鐘幅度抖動率來尋找優化的端面發射率，幅度抖動率定義為輸出光時鐘信號最大峰值功率與最小峰值功率之差跟兩者之和的比值。時鐘恢復裝置的增益頻譜由下述公式2來計算tableseeoriginaldocumentpage12上述公式2中的R1和R2為諧振腔前後端面的反射率，這裡R1:R2，Gs為單程增益(即相同參數下普通SOA增益)，6為單程相位改變。其中單程增益Gs與輸入信號的功率、放大器有源區的長度、注入電流等參數相關，並可由下述公式3和公式4計算得出formulaseeoriginaldocumentpage12上述公式3和公式4中的載流子濃度N和單程增益Gs是要求的未知數，其他都是放大器的參數或者工作條件l為偏置電流，q為基本電荷量，^為載流子恢復時間，r為模場限制因子，gN為微分增益係數，NT為透明載流子濃度，V為有源區體積，A為有源區橫截面的面積，^"為對應特定波長的光子能量，Pavg為輸入信號的平均光功率，"'w為有源區內部損耗係數。施例使用數值仿真的方法獲得優化的端面反射率，具體計算方法如下首先，利用傅立葉變換方法計算輸入信號的頻i普，再乘以時鐘恢復裝置的增益頻譜，得到輸出信號的頻譜。對該輸出信號的頻譜做反傅立葉變換得到時域光信號，即得到輸出的光時鐘。然後，計算出光時鐘信號的幅度抖動率。之後，通過不但改變端面反射率得到不同的增益頻譜，從而得出不同的幅度抖動率，由此尋找最小幅度抖動率對應的端面反射率，該端面反射率即為最優的端面反射率。上述本發明的實施例中的時鐘恢復裝置進一步還可以包括時鐘增強單元，增加了時鐘增強單元的時鐘恢復裝置的實施例的結構示意圖如圖9所示。圖9中的時鐘增強單元為光纖延時幹涉儀，NRZ、DPSK信號等輸入信號經過光纖延時幹涉儀後，時鐘分量得到放大，該輸入信號再通過上述時鐘恢復裝置即可恢復出時鐘信號。所述時鐘增強單元還可以是保偏光纖環鏡、SOA和光纖布拉格光柵的組合等。精細度參數由FP濾波器的端面反射率決定，由於FP濾波器的端面反射率很高(70%以上)，精細度也相應較高，高精確度容易受光信號波長擾動的影響，造成恢復的光時鐘信號幅度抖動率較大。本發明提供的半導體光器件根據恢復的時鐘信號質量設定端面反射率，具有較低的反射率(如10%)和較低的精細度，使得恢復的時鐘信號質量最佳。FP濾波器具有較高反射率，使得濾波器對單一波長的濾波帶寬較小，如果濾波器的自由光i普範圍和輸入光信號的速率不匹配，即輸入光信號的時鐘分量落於濾波帶寬之外，則恢復不了光時鐘信號或者恢復的時鐘信號質量較差。本發明提供的半導體光器件根據恢復的時鐘信號質量設定端面反射率，反射率相對較低，濾波帶寬也相對較大，因此對半導體光器件的自由光語範圍和輸入光信號的速率不匹配容忍也較大。綜上所述，通過適當地選擇上述時鐘恢復裝置的半導體光器件的有源區長度和端面反射率，可實現不同速率的全光時鐘恢復，並控制時鐘信號的質量在最佳範圍內。本發明所述時鐘恢復裝置的結構簡單，可以單片集成，便於實現，克服現有的時鐘恢復方案集成度不高、受限於濾波器的精細度參數的問題，因而，具有很高的實用價值。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。權利要求1、一種半導體光器件，包括襯底、緩衝層、上下限制層、蓋層、接觸層和上下電極，其特徵在於，包括在外延片的兩個端面設置有端面抗反射膜；所述端面抗反射膜，用於對接收到的光信號進行梳狀濾波處理，其端面反射率根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率而設定，從而使得半導體光器件輸出的時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。2、根據權利要求1所述的半導體光器件，其特徵在於，所述端面抗反射膜的端面反射率根據半導體光器件輸出的不同時鐘信號的不同幅度抖動率的比較結果，被設置在設定的範圍內。3、根據權利要求1或2所述的半導體光器件，其特徵在於，還包括在下限制層和上限制層之間設置有源層；所述有源層，用於對半導體光器件接收到的光信號進行傳輸和放大，其長度根據有源層有效折射率而設定，使得所述半導體光器件輸出的時鐘信號的頻率等於所述梳狀濾波處理的間隔頻率。4、根據權利要求3所述的半導體光器件，其特徵在於，還包括掩膜和電流阻擋層中的至少一項；所述掩膜設置在上限制層上，在所述掩膜的兩個端面設置電流阻擋層。5、一種時鐘恢復裝置，其特徵在於，包括信號輸入單元，用於接收輸入的光信號，將所述光信號傳輸給半導體光器件；半導體光器件，用於對接收到的光信號進行梳狀濾波處理，從所述光信號中恢復出時鐘信號，將所述時鐘信號傳輸給信號輸出單元；其端面抗反射膜的端面反射率根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率而設定，從而使得所述時鐘信號的質量控制在設定的範圍內；信號輸出單元，用於將所述時鐘信號輸出。6、根據權利要求5所述的時鐘恢復裝置，其特徵在於所述半導體光器件，還用於對接收到的光信號在其有源層內進行傳輸和放大，其有源層的長度根據有源層有效折射率而設定，從而使得所述時鐘信號的頻率等於所述梳狀濾波處理的間隔頻率。7、一種時鐘恢復方法，其特徵在於，包括半導體光器件接收輸入的光信號，對所述光信號進行梳狀濾波處理，從所述光信號中恢復出時鐘信號；根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率設定所述半導體光器件的端面抗反射膜的端面反射率，使得所述時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。8、根據權利要求7所述的時鐘恢復方法，其特徵在於，還包括所述半導體光器件對接收到的光信號在其有源層內進行傳輸和放大，根據所述半導體光器件的有源層有效折射率設定所述半導體光器件的有源層的長度，使得所述時鐘信號的頻率等於所述梳狀濾波處理的間隔頻率。9、根據權利要求7或8所述的時鐘恢復方法，其特徵在於，還包括通過分析半導體光器件輸出的不同時鐘信號的不同幅度抖動率的比較結果，設置所述半導體光器件的端面抗反射膜的端面反射率在設定的範圍內。10、根據權利要求7或8所述的時鐘恢復方法，其特徵在於，還包括通過設定所述半導體光器件的工作電流，從而設定所述有源層的有效折射率，進而設定所述半導體光器件的有源層長度。全文摘要本發明提供了一種半導體光器件以及時鐘恢復方法和裝置。所述半導體光器件的外延片的兩個端面設置有端面抗反射膜，所述端面抗反射膜用於對接收到的光信號進行梳狀濾波處理，其端面反射率根據半導體光器件輸出的時鐘信號的幅度抖動率而設定，從而使得半導體光器件輸出的時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。本發明通過適當地選擇半導體光器件的端面反射率，從而可以實現不同速率的全光時鐘恢復，使恢復出來的時鐘信號的質量控制在設定的範圍內。文檔編號H04B10/02GK101399615SQ20071012253公開日2009年4月1日申請日期2007年9月26日優先權日2007年9月26日發明者宇餘,煒傅,張新亮申請人:華為技術有限公司;華中科技大學