硅基高Q值微谐振腔光电振荡器的基础研究

Silicon optoelectronic integration is the trend of development of a new generation high-speed semiconductor optoelectronic devices, the development of a new generation information technology makes claims for microwave frequency source such as high frequency(>10GHz), low phase noise (-120dBc/Hz@10kHz), on-chip integrated requirements.It is difficult to meet the low phase noise and high frequency single mode operation condition by using the traditional oscillator of microwave filter (dielectric oscillator, crystal oscillator) and optical fiber as the energy storage element.This project proposes a structure scheme of optoelectronic oscillator of silicon based high Q value micro resonator, focusing on generality key scientific problems in high Q value resonant mechanism, photoelectric noise mechanism of photoelectric oscillating loop and environment parameter coupling characteristics of optical coupling enhancement of silicon based nano optical waveguide microcavity, to carry out research on silicon based high Q value micro cavity structure theoretical simulation and design,analysis of dynamic characteristics and noise characteristics of optoelectronic oscillation loop, to breakthrough key technology for silicon based high Q value micro cavity structure parameters maching manufacturing, feedback control and noise separation of optoelectronic oscillation loop, high frequency, high stability, low phase noise microwave signal output are achieved, laying the foundation for silicon-based integrated optoelectronic oscillator.

硅基光电子集成是新一代高速半导体光电子器件的发展趋势，新一代信息技术的发展对微波频率源提出了高频（>10GHz）、低相噪（-120dBc/Hz@10kHz）、可片上集成的要求。采用微波滤波器的传统振荡器（电介质振荡器、晶体振荡器）和光纤作为储能元件的光电振荡器，难以同时满足低相噪和高频单模的运转条件。本项目提出一种硅基高Q值微谐振腔光电振荡器的结构方案，围绕硅基纳米光波导微腔光耦合增强的高Q值谐振机理、光电振荡环路光电噪声机理与环境参量的耦合特征等共性关键科学问题，开展硅基高Q值微腔结构理论模拟与设计、光电振荡环路动力学特性分析和噪声特性的研究，突破硅基高Q值微腔结构参数匹配制造、光电振荡环路的反馈控制与噪声分离等关键技术，实现高频、高稳定度、低相噪的微波信号输出，为硅基集成化的光电振荡器奠定基础。

硅基光电子集成是新一代高速半导体光电子器件的发展趋势，新一代信息技术产业如新型计算、高速互联、量子计算、第五代移动通信（5G）、“未来网络”核心技术等领域，对微波频率源提出了高频、低相噪、可片上集成的要求。本项目提出了硅基高Q值微谐振腔光电振荡器（Optoelectronic Oscillator, OEO）的结构方案，基于微腔高Q值、低模式体积和可芯片集成的特性，可实现储能、选频和OEO的单片集成。围绕硅基纳米光波导微腔光耦合增强的高Q值谐振机理、光电振荡环路光电噪声机理与环境参量的耦合特征等共性关键科学问题，开展了以下三个方面内容的研究：硅基高Q值微腔激发WGM模式下的OEO环路动力学特性研究、面向芯片集成式OEO的高Q微谐振腔的理论模拟及结构优化设计、OEO环路光电噪声机理与环境参量的耦合特征。实验测得了该OEO方案自由频谱范围为2.137GHz，可以振荡出从2.137GHz到19.233GHz的微波信号，实测该OEO结构方案在10kHz频率偏移处的相位噪声为-100.54dBc/Hz，同时，本项目基于谐振频偏技术，对其高精度可调谐特性进行了研究，得到了调谐精度为20kHz，调谐范围为260kHz的实验结果。该项目研究成果为实现高频、高稳定度、低相噪、高精度可调谐的微波信号输出提供了新的技术方案，为硅基集成化的光电振荡器提供了新的研究思路。