專利名稱：具有集成調(diào)制器陣列和混合鍵合的多波長激光器陣列的發(fā)射器-接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及光學，更具體地說，本發(fā)明涉及光學互連 和通信。
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背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務的增長速率趕超語音業(yè)務，越來越需要快速 且有效的基于光學的技術(shù)，從而推動了光纖通信的需求。在密集波分
復用(DWDM)系統(tǒng)和千兆位(GB)以太網(wǎng)系統(tǒng)中通過相同光纖傳
送多個光學信道提供了利用由纖維光學提供的空前容量(信號帶寬) 15的簡單方法。系統(tǒng)中的常用光學組件包括波分復用(WDM)發(fā)射器
和接收器、濾光器(如衍射光柵、薄膜型濾波器、布拉格(Bragg)光
纖光柵、陣列波導光柵)、光插分復用器和激光器。
激光器是通過受激發(fā)射發(fā)光、產(chǎn)生具有從紅外到紫外范圍內(nèi)的頻
諳的相干光束并可用于各種各樣應用的熟知設(shè)備。例如，在光學通信 20或聯(lián)網(wǎng)應用中，可利用半導體激光器來產(chǎn)生光或光束，可在這些光或
光束上編碼和傳送數(shù)據(jù)或其它信息。
光學通信或聯(lián)網(wǎng)應用中所用的其它設(shè)備有基于光纖的布拉格光
柵。布拉格光纖光柵是光纖芯部材料的折射率沿光纖長度周期性變化
的光纖，這可通過將光敏芯部暴露至強光學干涉圖樣而形成。因為折 25射率沿光纖長度變化，所以布拉格光纖光柵會反射特定波長處的光
束，而允許其它波長傳播通過光纖。
布拉格光纖光柵的局限性在于，通過布拉格光纖光柵反射的特定
波長基本上是固定的。因此，如果要反射不同波長的光，就要利用不同的布拉格光纖光柵。在一些已知的布拉格光纖光柵中，可以通過以 物理或機械方法拉伸布拉格光纖光柵的光纖以改變光纖的長度來提 供對所反射波長的標稱調(diào)整。這種技術(shù)的缺點在于，對所反射波長的 調(diào)整量相對較小，并且光纖會因拉伸的物理應力和應變而受到損壞。
5 光學通信中使用的額外設(shè)備還包括作為寬帶DWDM聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和
千兆位(GB)以太網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件的光學發(fā)射器。目前，大多數(shù) 光學發(fā)射器都是基于多個固定波長的激光器與外部調(diào)制器的組合的， 或在一些情況下是基于直接調(diào)制的激光器的。在對由激光器產(chǎn)生的光 進行調(diào)制之后，利用外部復用器對它進行復用，然后發(fā)送給光纖網(wǎng)絡(luò)， 10 在光纖網(wǎng)絡(luò)中，可通過光開光進4亍^:大、或指引、或》文大和指引。因 為激光器通常產(chǎn)生固定波長，所以每個傳輸信道使用獨立的激光器和 調(diào)制器。但是，制造激光器和關(guān)聯(lián)組件的成本很高，并且利用獨立的 組件用于要傳送的光的每個波長會很昂貴且低效。
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附圖中舉例而非限制性地示出本發(fā)明。
圖1是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的集成半導體調(diào)制器多波 長激光器陣列的 一個實例的圖。
圖2是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導可在集成半導體調(diào)制器多 20 波長激光器陣列中采用的多個示范激光器中的一個激光器的橫截面 側(cè)視圖。
圖3是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導可在集成半導體調(diào)制器多 波長激光器中采用的多個示范激光器中的一個激光器的另一橫截面 圖。
25 圖4是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的光相位調(diào)制器的一個實
例的橫截面圖，其中該光相位調(diào)制器包括光波導和單側(cè)共平面接觸 器，并且在光調(diào)制器中采用的pn結(jié)界面處具有耗盡區(qū)域。
圖5是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的示范系統(tǒng)的圖，該示范
7系統(tǒng)包括具有集成半導體調(diào)制器和混合鍵合的多波長激光器的超高容量發(fā)射器-接收器。
具體實施例方式
5 公開用于提供具有集成半導體調(diào)制器陣列和混合^:合的多波長
激光器陣列的超高容量發(fā)射器-接收器的方法和裝置。在以下描述中，闡述了眾多具體細節(jié)，以便充分理解本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，不需要釆用該具體細節(jié)也可實現(xiàn)本發(fā)明。在其它情況下，沒有詳細描述熟知的材料或方法，以免使本發(fā)明晦澀難懂。
10 整篇說明書中提到"一個實施例"或"實施例"時表示，結(jié)合該
實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個實施例中 因此，在整篇說明書的各個地方出現(xiàn)短語"在一個實施例中"或"在實施例中"時不一定都指相同的實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以按照任何合適的方式組合這些特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性。
15另夕卜，將明白，本文提供的圖是出于向本領(lǐng)域的技術(shù)人員說明的目的，
并且附圖不一定按比例繪制。
為了說明，圖1是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的集成半導體
調(diào)制器多波長激光器陣列ioi的一個實例的圖。在所示實例中，多波長激光器陣列101從單個半導體材^T牛層103才是供多個連續(xù)波(cw)
20光束119A、 119B.....119N。在一個實例中，單個半導體材料層103
是絕緣體上硅(SOI)晶片的硅層。在所描繪的實例中，每個光束119A、
119B..... 119N都是具有主要由相應激光器的增益和腔反射譜寬確
定的激光器譜寬的寬帶激光器輸出。示范多波長激光器陣列101包括^沒置在單個半導體材料層103中的多個光波導105A、105B、...、105N。
25 在所示實例中，圖1中示出"N"個光波導以表示這些光波導。將明白，根據(jù)本發(fā)明的教導，這些波導可表示兩個或兩個以上光波導。換種說法，根據(jù)本發(fā)明的教導，N大于或等于2。在一個實例中，這些光波導是設(shè)置在單個半導體材料層103中的硅脊形(rib)波導、條形波導等。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，這些光波導105A、 105B.....
105N中的每個光波導包括沿光波導在相應反射器107A/109A、
107B/109B..... 107N/109N之間界定(defme)的光腔。根據(jù)本發(fā)明的
5 教導，在各個實例中，反射器可包括半導體材料103中的一個或多個光柵、半導體材料103的刻面上的反射涂層、或用于界定這些光波導105A、 105B、 ...、 105N中的光腔的其它合適的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的教導，在另一個實例中，在半導體材料103中界定環(huán)形諧振腔120A、120B.....120N，并且它們均光耦合到這些光波導105A、 105B.....
10105N中的相應的光波導，從而沿相應光波導界定光腔。在包括反射
器107A/109A、 107B/109B..... 107N/109N的示范光腔中，不包含
環(huán)形諧振腔120A、120B、...、120N。在包舍環(huán)形諧振腔120A、 120B、...、120N的示范光腔中，不包含所包含的反射器107A/109A、107B/109B..... 107N/109N。
15 單個增益介質(zhì)材料條123橫跨這些光波導105A、 105B.....105N
鄰接單個半導體材料層103。在另一個實例中，可以在多波長激光器陣列101中包含多于一個單個增益介質(zhì)材料條123。但是，根據(jù)本發(fā)明的教導，在這樣的實例中，每個單個增益介質(zhì)材料條123設(shè)置成橫跨多個光波導。在一個實例中，單個增益介質(zhì)材料條123是包括諸如
20 InP的m-V族半導體材料的in-V族半導體條。具體來說，單個增益介質(zhì)材料條123是例如橫跨SOI晶片的硅層中的這些硅脊形波導的"頂部"倒裝芯片鍵合或晶片鍵合的基于多量子阱(MQW)的單個InP
增益芯片。因此，m-v族激光器的陣列形成有沿這些光波導10SA、
105B..... 105N中的每個光波導界定的增益介質(zhì)-半導體材料界面。
25 根據(jù)本發(fā)明的教導，因為如圖所示橫跨這些光波導鍵合的單個增益介質(zhì)材料條123的鍵合不存在任何對準問題，所以提供和制造激光器陣列的成本是附接和對準各個分立的激光器(如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)等)的成本的一小部分。在一個實例中，多個功率監(jiān)視器111A、 111B..... 111N分別光
耦合到光波導105A、 105B..... 105N。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個
實例中，這些功率監(jiān)視器111A、 111B..... 111N可包括設(shè)置在單個
半導體材料層103中的集成氦離子摻雜半導體波導光檢測器或合適的5離子注入半導體波導光檢測器、集成SiGe光檢測器等中的一個或多
個，以用于監(jiān)視從相應激光器輸出的這些光束119A、 119B.....119N。
多個光調(diào)制器113A、 113B..... 113N設(shè)置在單個半導體材料層
103中。在這些光調(diào)制器113A、 U3B、 ...113N是如圖所示的Si調(diào)制器的一個實例中，其中的每個調(diào)制器包括具有兩個臂的Mach-Zehnder10 干涉儀(MZI)。在一個實例中，Si調(diào)制器可以按10-40Gbs及以上的
速度操作。光調(diào)制器113A、 113B.....113N中的每個MZI的臂中的
至少一個臂包括相應的光移相器115A、 115B..... 115N，以用于調(diào)
制每個相應MZI的每個臂之間的相移，從而調(diào)制光束。因此，這些光
調(diào)制器113A、 113B..... 113N中的每個光調(diào)制器光耦合到上述多個
15光波導中的相應的光波導，以便調(diào)制從相應的光波導105A、 105B、…、
105N內(nèi)界定的光腔發(fā)出的相應光束119A、 119B..... 119N。
在其它實例中，將明白，根據(jù)本發(fā)明的教導，可以利用其它合適
的技術(shù)來實現(xiàn)上述多個光調(diào)制器113A、 113B..... 113N。例如，根
據(jù)本發(fā)明的教導，可通過利用與檢測器和激光器相同或類似的晶片鍵20 合機制，通過利用光電應變硅，或通過直接調(diào)制激光器，或通過采用其它合適的光調(diào)制技術(shù)，來提供其它光調(diào)制器。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在所示實例中，復用器117耦合到這些光調(diào)
制器115A、 115B.....115N,以便將所調(diào)制的光束119A、 119B.....
119N組合成單個光束121。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，復用25器117是波長選擇性陣列波導光柵(AWG)，多波長激光器陣列101利用它來從所調(diào)制的光束119A、 119B和119N選擇所需的波長入i、入2、 ...AN，并將所調(diào)制的光束119A、 119B和119N的選定波長組合成光束121。才艮據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，復用器in具有例如約1 x l mm的相對較小的尺寸，它將裝配到包括單個半導體材料層103的單個管芯上。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在如圖l所示的實例中，在單個半導體材料層103中還可包含或集成有控制電路161。例如，在一個實例中，單5個半導體材料層103是硅，并且控制電路161可以直接集成在^圭中。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，控制電路161可以經(jīng)過電耦合以便控制和/或監(jiān)視多波長激光器陣列101、上述多個功率監(jiān)視器111A、
111B..... 111N、上述多個光調(diào)制器113A、 113B..... 113N、或設(shè)
置在單個半導體材料層103中的其它設(shè)備或結(jié)構(gòu)中的任意一個或多10 個。
圖2是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的示范激光器的橫截面?zhèn)纫晥D，該示范激光器可以是在圖1中的集成半導體調(diào)制器多波長激光器陣列101中示出的多個激光器之一。如圖2所示，激光器225集成在包含單個半導體層203的SOI晶片中，其中在單個半導體層203與
15 村底層231之間設(shè)置有隱埋氧化層229。在一個實例中，單個半導體層203和襯底層231由硅制成。如圖所示，光波導205設(shè)置在單個半導體層203中。在一個實例中，光波導205 ^^脊形波導，并且在反射器207與209之間界定有光腔227。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，反射器207和209是布拉格反射器。
20 與圖1中的單個增益介質(zhì)材料條123類似，如圖2所示，單個增
益介質(zhì)材料條223橫跨(across)光波導205的"頂部"、鄰接(adjoining)光波導205 4定合到單個半導體材料層203的"頂部"。因此，沿著光波導205平行于沿光波導205的光束的傳播方向存在增益介質(zhì)-半導體材料界面233。在一個實例中，單個增益介質(zhì)材料條223是III-V族增
25 益介質(zhì)，并且在光波導205與單個增益介質(zhì)材料條223之間存在迅衰(evanescent)光耦合。取決于光波導205的波導尺寸，光才莫的一部分位于III-V族增益^^質(zhì)內(nèi)，并且光才莫的一部分位于光波導205的脊形區(qū)域內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的教導，在具有MQW作為增益介質(zhì)并且具有基于硅
ii波導的反射器作為鏡子的實例中，利用光腔227獲得激光發(fā)射。在圖 2中，用通過ni-V族增益介質(zhì)223而在光腔227內(nèi)在反射器207與209 之間來回反射的光束219示出激光發(fā)射。根椐本發(fā)明的教導，在所示 實例中，反射器209具部分反射性，以便在圖2的右側(cè)輸出光束219。 5 根據(jù)本發(fā)明，在一個實例中，激光器225是寬帶激光器，并且反射器 207和209因此不需要是光腔227的窄帶反射器或布拉格光柵，由此 在很大程度上減少了制造復雜度。
圖3是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的激光器325的一個實例 的橫截面圖，該激光器325可用作集成半導體調(diào)制器多波長激光器中 10 的在上文中結(jié)合圖1或圖2說明和描述的多個激光器之一。如圖所示， 其中包括SOI晶片，它具有設(shè)置在單個半導體材料層303與半導^H" 底331之間的隱埋氧化層329。在所示實例中，硅脊形波導305設(shè)置 在單個半導體材料層303中。
繼續(xù)如圖3所示的實例，單個增益介質(zhì)材料條323鍵合在光波導 15 305的頂部之上。如圖3中的實例所示，示出位于光波導305的脊形 區(qū)域內(nèi)的光模319的部分，并且光模319的部分位于單個增益介質(zhì)材 料條323內(nèi)部，這取決于光波導305的尺寸，其中在單個增益介質(zhì)材 料條323與光波導305之間具有迅衰耦合。如圖3所示，單個增益介 質(zhì)材料條323的一個實例包括p型摻雜ffl-V族半導體材料，如InP或 20 其它合適的ni-v族材料。在一個實例中，單個增益介質(zhì)材料條323還 包括多量子阱(MQW)材料。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中， 單個增益介質(zhì)材料條323鍵合到并鄰接光波導305的脊形區(qū)域。如圖 所示，接觸器341也耦合到單個增益介質(zhì)材料條323。
在如圖3所示的實例中，示出導電4定合設(shè)計，其中根據(jù)本發(fā)明的 25教導，通過光波導305的硅執(zhí)行電流注入，以便操作和電泵擊(pump ) 激光器325。因此，硅脊形波導305包括n型摻雜。在所示實例中， 接觸器343和345耦合到光波導305的平板區(qū)域的外部。因此，根據(jù) 本發(fā)明的教導，通過接觸器341、單個增益介質(zhì)材料條323、 n型摻雜光波導305將電流注入到接觸器343和345,以便操作激光器325。
圖4是一般性地示出根據(jù)本發(fā)明的教導的光相位調(diào)制器401的一 個實例的橫截面圖，其中光相位調(diào)制器401包括光波導427和單側(cè)共 平面接觸器413，并且在光調(diào)制器中采用的pn結(jié)界面447處具有耗盡 5區(qū)域433。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，可使用光相位調(diào)制器
401以取代圖1中的光調(diào)制器113A、 113B..... 113N的光相位調(diào)制
器115A、 115B..... 115N中的一個或多個光相位調(diào)制器。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在如圖4所示的實例中，示出在通過射頻(RF ) 源445施加的行波信號455中存在基本為零的外部驅(qū)動電壓時的pn
10 結(jié)界面447處的耗盡區(qū)域433。對于一個實例，在耗盡區(qū)域433中基 本無任何自由電荷載流子，而在耗盡區(qū)域433的外部，由于n型和p 型摻雜，存在自由電荷載流子。如所示實例中所示，光相位調(diào)制器401 包括光波導427,該光波導427包括具有相反摻雜類型的鄰接的半導 體材料區(qū)域403和405。在所示實例中，將光波導427示為是包括脊
IS形區(qū)域429和平板區(qū)域431的脊形波導。由所示實例可見，在光波導 427的脊形區(qū)域429的"上角"以及平板區(qū)域431的"側(cè)面"，通過 光波導427的光束的傳播光才莫421的強度微乎其微。在所示實例中， 將光束示為是通過光波導427傳播"進入頁"。在其它實例中，將明 白，可釆用其它類型的合適的波導，如條波導等。在一個實例中，半
20導體材料包括硅(Si)。例如，區(qū)域403可包括n型硅，而區(qū)域405 可包括p型硅，以使得耗盡區(qū)域433外部的n型硅中的自由電荷載流 子是電子，而耗盡區(qū)域433外部的p型硅中的自由電荷載流子是空穴。 在其它實例中，半導體材料可包括其它合適類型的半導體材料，如鍺 (Ge) 、 Si/Ge等。在一個實例中， 一個實例中的區(qū)域403和405具
25 有的摻雜濃度使得區(qū)域403與405之間的pn結(jié)界面447因內(nèi)建電場 而反向偏置。根據(jù)本發(fā)明的教導，在另一個實例中，區(qū)域403和405 的摻雜極性可相反。
圖4中的實例還表明，光相位調(diào)制器401包含在SOI晶片中，并且因此包括設(shè)置在另一個半導體層409與半導體材料區(qū)域405之間的 隱埋氧化層407。如圖所示，光相位調(diào)制器401還包括緩沖層絕緣材 料423，該材料423還用作光波導427的覆蓋材料。在所示實例中， 光相位調(diào)制器401還包括-沒置在通過光波導427的光才莫421的光路外 5 部的較高摻雜區(qū)域437、 441和443。因為在通過光波導421的光沖莫 423的光路外部設(shè)置有較高摻雜區(qū)域437、 441和443,所以光損耗得 以減小。在所示實例中，較高摻雜區(qū)域437是n+十摻雜，這是與區(qū)域 403相同的摻雜類型，并且較高摻雜區(qū)域441是p+十摻雜，這是與區(qū) 域405相同的摻雜類型(p)。在所示實例中，較高摻雜區(qū)域437、 441
10 和443的摻雜濃度比沿光波導427的光才莫421的光路內(nèi)的區(qū)域403和 405的摻雜濃度高。
如圖所示，較高摻雜區(qū)域441和443對稱地鄰接并耦合到區(qū)域405 的相應的相反側(cè)面。相比之下，根據(jù)本發(fā)明的教導，較高摻雜區(qū)域非 ，十稱地鄰接并只耦合到區(qū)域403的兩個相反側(cè)面中的一個側(cè)面。光相
15 位調(diào)制器還包括通過緩沖層絕緣材料423、分別通過通路449、 451和 453分別耦合到較高摻雜區(qū)域437、 441和443的共平面接觸器 (contact)413、 417和419。如圖所示，共平面接觸器413、 417和419 也位于通過光波導427的光模421的光路外部。對于一個實例，共平 面接觸器413、 417和419包括具有高電導率和低電阻的金屬。根據(jù)
20 本發(fā)明的教導，在所示實例中，共平面接觸器413、 417和419與為 高頻行波信號傳輸而設(shè)計的金屬電極組合并連接。
如所示實例中所示，共平面接觸器413的一端經(jīng)過耦合以便從RF 源445接收行波信號455。共平面接觸器413的另一端端接到耦合到 諸如地的參考電壓的負載阻抗或終端負栽457。另外，共平面接觸器
25 417和419耦合到諸如地的參考電壓。因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，通 過行波信號455、通過較高摻雜區(qū)域437、 441和443施加外部驅(qū)動電 壓，來調(diào)整區(qū)域403與405之間的pn結(jié)界面447的偏壓。根據(jù)本發(fā) 明的教導，較高摻雜濃度的較高摻雜區(qū)域437、 441和443有助于改善共平面接觸器413、 417和419與半導體材料區(qū)域403和405間的 電耦合。根據(jù)本發(fā)明的教導，這種經(jīng)過改善的電耦合減小了金屬接觸 器413、 417和419與半導體材料區(qū)域403和405之間的接觸電阻， 由此減小了行波信號455的RF衰減，從而改善了光相位調(diào)制器401 5 的電性能。根據(jù)本發(fā)明的教導，減小的RF衰減和良好的光電波速度 匹配實現(xiàn)了光相位調(diào)制器401的更快速的切換時間和設(shè)備速度。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在所示實例中，通過RF源445對共平面接 觸器413的一端施加行波信號455,以便調(diào)整光波導427的區(qū)域403 與405之間的pn結(jié)界面447處的耗盡區(qū)域433的大小或厚度。如圖
10所示，耗盡區(qū)域433與通過光波導427傳播的光束的光才莫421重疊。 在如圖4所示的示范設(shè)備中，光波和RF微波沿波導共同傳播。當RF 相位速度與光學群速度匹配時，響應所施加的電場，光束經(jīng)歷相移。 因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，設(shè)備速度不受RC時間常數(shù)的限制。
對于一個實例，耦合到共平面接觸器413、 417和419的較高摻
15 雜區(qū)域437、 441和443的相應寬度、高度和相對位置設(shè)計成用于獲 得速度匹配。例如，RF相位速度一般由設(shè)備電感和電容確定。通過 改變金屬接觸器幾何形狀和半導體以及電介質(zhì)層厚，可以改變電感和 電容值，又可使RF相位速度與光學群速度匹配。這稱為"真實"相 位速度匹配。在另一個實例中，相位速度可通過例如利用反相電極設(shè)
20 計來"假"匹配。另外，摻雜分布和金屬電極可設(shè)計成用于獲得小RF 衰減。例如，根據(jù)本發(fā)明的教導，需要小于6dB來實現(xiàn)利用行波驅(qū)動 方案的好處。
對于一個實例，當沒有外部驅(qū)動電壓時或當來自行波信號455的 外部驅(qū)動電壓基本為零時，光波導427的區(qū)域403與405之間的pn 25 結(jié)界面447處的耗盡區(qū)域433是由區(qū)域403和405的摻雜濃度引起的 內(nèi)建電場的結(jié)果。但是，根據(jù)本發(fā)明的教導，當經(jīng)由行波信號455施 加非零外部驅(qū)動電壓時，光波導427的區(qū)域403與405之間的pn結(jié) 界面447處的反偏壓會增加，由此導致對應的耗盡區(qū)域433變得大得
15多或厚得多。由于耗盡區(qū)域433變大或變厚，所以沿通過光波導427 的光路傳播的光束421的模式有更大的橫截面積與基本不含自由電荷 載流子的耗盡區(qū)域重疊并且傳播通過該耗盡區(qū)域。
才艮據(jù)本發(fā)明的教導，通過如圖所示響應驅(qū)動信號445而調(diào)制光波 5 導427的區(qū)域403與405之間的pn結(jié)界面447處的耗盡區(qū)域433，得 以響應經(jīng)由行波信號455施加的外部驅(qū)動電壓，通過調(diào)制耗盡區(qū)域433 的大小而調(diào)制沿著引導光束421通過的光波導427的光路的自由電荷 載流子的總濃度。因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，響應行波信號455,因 此調(diào)制沿通過光波導427的光路傳播的光束421的相位。
10 在操作中，沿通過井€盡區(qū)域433的光路引導光束通過光波導427。
通過共平面接觸器413對光波導427施加行波信號455，以便調(diào)制或 調(diào)整耗盡區(qū)域433的厚度，從而調(diào)制沿通過光波導427的光路的自由 電荷載流子的存在或缺失。換種說法，響應通過共平面接觸器413對 光波導427施加的行波信號455,調(diào)制沿光波導427的光路的總的自
15 由電荷載流子濃度。沿著引導光束通過光波導427的光路存在或缺失 的自由電荷載流子可包括例如電子、空穴或其組合。自由電荷載流子 的存在可在光束通過時衰減光束。具體來說，沿光波導427的光路的 自由電荷載流子可通過將一些光束能量變換為自由電荷載流子能量 而衰減光束。因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，響應行波信號455而在耗盡
20區(qū)域433中存在或缺失自由電荷載流子將調(diào)制光束。
在所示實例中，由于等離子體彌散效應而調(diào)制通過自由電荷載流 子的光束的相位或光波導427中的自由電荷載流子的缺失。等離子體 彌，應是由于光電場向量與沿光波導427中的光束的光路存在的自 由電荷載流子之間的交互作用引起的。光束的電場使自由電荷載流子
25 偏極化，并且這會有效地擾亂介質(zhì)的局部介電常數(shù)。而這又會導致擾 亂光波的傳播速度，并且因此擾亂光的折射率，因為折射率就是真空 中的光速與介質(zhì)中的光速之比。因此，響應自由電荷載流子的調(diào)制而 調(diào)制光學設(shè)備401的光波導427的折射率。光學設(shè)備401的光波導42710
15
20
25
的經(jīng)過調(diào)制的折射率對應地調(diào)制通過光相位調(diào)制器401的光波導427 傳播的光束的相位。另外，自由電荷載流子受到電場的加速，并且當 光能量用盡，導致對光場的吸收。 一般來說，折射率擾亂是復數(shù)，其 實部是造成速度改變的那部分，而其虛部與自由電荷載流子吸收相 關(guān)。相移量c()由下式給定
(|) = (27c/ i)AnL (式d
其中入是光波長，An是折射率變化，且L是交互長度。在硅中存在 等離子體彌散效應的情況下，由于電子(ANe)和空穴(ANh)濃度 變化引起的折射率變化An由下式給定
m二
(式2)
其中no是本征硅的折射率，e是電子電荷，c是光的速度，e。是自由 空間的介電常數(shù)，m/和mj分別是電子和空穴的有效質(zhì)量，be和bh 是擬合參數(shù)。由于硅中的自由電荷載流子引起的光吸收系數(shù)變化A a 由下式給定
△a
斗;r c s0 0
風 線
《A 附》*
(式3)
其中^是電子遷移率，且w是空穴遷移率。
在一個實例中，光波導427的大小相對較小，其尺寸如0.5jumx 0.5 pm，以便實現(xiàn)更佳的光相位調(diào)制效率。如上所述，因為區(qū)域403 的兩個側(cè)面中只有一個側(cè)面耦合到較高摻雜區(qū)域，所以較高摻雜區(qū)域 437不對稱地鄰接并耦合到區(qū)域403。相比之下，區(qū)域405的兩個側(cè) 面都鄰接并耦合到較高摻雜區(qū)域441和443。因此，根據(jù)本發(fā)明的教 導，區(qū)域403的單側(cè)接觸具有比對稱的雙側(cè)接觸低得多的電容，并且 還有助于實現(xiàn)電信號與光信號之間的所需相位匹配、更小的RF衰減、 以及更大(在一個實例中，較接近25或50歐姆)的特性阻抗，從而
實現(xiàn)更好的驅(qū)動器-傳輸線功率耦合。
根據(jù)本發(fā)明的教導采用的行波驅(qū)動方案有助于克服光學設(shè)備101的RC時間常數(shù)電容限制，以便實現(xiàn)40GHz及以上的更快速的調(diào)制速 度，同時反向偏置的pn結(jié)調(diào)制器的上升/降落時間約為5ps或更小。 由于光相位調(diào)制器采用了行波驅(qū)動方案，光信號和微波信號沿波導 427共同傳播。如果光學群速度與RF相位速度匹配，則RF衰減將確
因為諸如共平面接觸器413的行波電極的RF特性密切地取決于pn結(jié) 和金屬圖案，所以根據(jù)本發(fā)明的教導而采用細致的i殳備"i殳計。另外， 根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，對行波電極(即，共平面接觸器 413 )的阻抗進行優(yōu)化以便與RF源445的RF驅(qū)動器阻抗匹配，從而
10實現(xiàn)更佳的微波功率耦合。
如所描繪的實例所示，共平面接觸器413用作光相位調(diào)制器的行 波電極，其傳輸線阻抗為Z0。 RF源445的負載阻抗為Z!，而終端負 載457的負載阻抗為Z2。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，負栽阻 抗Z約為25-50歐姆。因為反向偏置的pn結(jié)界面447，所以共平面接
15 觸器413是組合式共平面波導和微帶。如圖所示，共平面接觸器413 設(shè)置在pn結(jié)界面447和光波導427之上、在共平面接觸器417與419 之間，其中通路449耦合到n+十較高摻雜區(qū)域437以便將行波信號455 遞送給光波導427。共平面接觸器417和419起到雙面金屬板的作用 以便接地。在一個實例中，共平面接觸器413約為6 nm寬。共平面
20 接觸器413與側(cè)面的共平面接觸器417和419之間的間隙約為3 jxm。 共平面接觸器413、 417和419的厚度約為1.5 pm。穿過絕緣材料123 的通路449、 451和453的高度約為3 pm。
圖5是包括集成半導體調(diào)制器多波長激光器的示范光學系統(tǒng)551 的圖。將明白，圖5中示出的集成半導體調(diào)制器多波長激光器陣列的
25這個實例與之前在圖1中示出的集成半導體調(diào)制器多波長激光器類 似。例如，如圖5所示的單個半導體層103是包括多個光波導105A、
105B..... 105N的光學芯片，單個增益介質(zhì)材料條123鍵合到這些
光波導105A、105B、...、105N之上，以便創(chuàng)建分別在多個光波導105A、105B..... 105N中生成多個光束119A、 U9B..... 119N的寬帶激
光器的陣列。根據(jù)本發(fā)明的教導，這些光束119A、 119B..... 119N
經(jīng)過調(diào)制，然后通過復用器117對這些光束119A、 119B..... 119N
的選定波長進行組合以便輸出單個光束121,可通過單個光纖553將 5 該單個光束121傳送給外部光學接收器557。根據(jù)本發(fā)明的教導，在 一個實例中，集成半導體調(diào)制器多波長激光器能夠以大于1Tb/s的速 度通過單個光纖553以單個光束121中包含的這些波長傳送數(shù)椐。例 如，在集成半導體調(diào)制器多波長激光器中包含的光調(diào)制器113A、 113B.....113N以40Gb/s工作的實例中，集成半導體調(diào)制器多波長
10 激光器的總?cè)萘繉⑹荖x40Gb/s，其中N是基于波導的激光器源的總 數(shù)。在一個實例中，這些光波導105A、 105B、 ...、 105N在單個半導 體材料層103中間隔約50-100 pm。因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，在一 個實例中，可從具有小于4mm的半導體材料塊103的集成半導體調(diào) 制器多波長激光器傳送整個總線的光學數(shù)據(jù)。
15 圖5還表明，根據(jù)本發(fā)明的教導，在光學系統(tǒng)551的實例中，單
個半導體層103還可經(jīng)過井禹合以便通過單個光纖555從外部光學發(fā)射 器559接收光束521。因此，根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個所示實例中， 單個半導體層103是在較小形狀因子內(nèi)的超高容量發(fā)射器-接收器。在 所示實例中，注意，圖中將外部光學接收器557和外部光學發(fā)射器559
20 示為^_存在于相同芯片561上。在另一個實例中，將明白，外部光學 接收器557和外部光學發(fā)射器559可存在于獨立芯片上。在所示實例 中，解復用器517接收所接收的光束521，將所接收的光束521分成 多個光束519A、 519B、…519N。在一個實例中，解復用器517根據(jù) 這些光束519A、 519B、 ...519N的相應波長分割這些光束519A、
25519B、 ...519N,然后引導它們通過設(shè)置在單個半導體材料層中的多個
光波導505A、 505B..... 505N。
如所示實例所示， 一個或多個光學檢測器光耦合到這些光波導 505A、 505B..... 505N中的每個光波導以便檢測相應多個光束519A、519B、 ...519N。具體來說，在一個實例中，光檢測器陣列563A、
563B..... 563N光耦合到這些光波導505A、 505B..... 505N。在
一個實例中，光檢測器陣列563A、 563B..... 563N包括SiGe光檢
測器等，以用于檢測這些光束519A、 519B、…5麗。 5 如所描繪的實例所示，另一個單個半導體材料條523可橫跨這些
光波導505A、 505B..... 505N鍵合到單個半導體材料層103，以便
形成光耦合到這些光波導505A、 505B..... 505N的光檢測器陣列。
在一個實例中，單個半導體材料條523包括ni-v族半導體材料，以用 于創(chuàng)建光耦合到這些光波導505A、 505B.....505N的III-V族光檢測
10器。根據(jù)本發(fā)明的教導，在一個實例中，可利用與用于在這些波導
105A、 105B.....10N上鍵合單個半導體材料條123的技術(shù)和技巧類
似的技術(shù)和技巧來將單個半導體材料條523 4定合到單個半導體材料層 103。根據(jù)本發(fā)明的教導，在如圖所示基于SiGe和m-V族的光檢測器 光耦合到這些光波導505A、 505B..... 505N的情況下，可檢測這些
15光束519A、 519B..... 519N的各種波長。
根據(jù)本發(fā)明的教導，在如圖5所示的實例中，單個半導體材料層 103中還可包含或集成有控制電路561。例如，在一個實例中，單個 半導體材料層103是珪，而控制電路561可直接集成在硅中。根據(jù)本 發(fā)明的教導，在一個實例中，控制電路561可經(jīng)過電耦合以便控制和
20 /或監(jiān)視多波長激光器陣列、這些功率監(jiān)視器、這些光調(diào)制器、光檢測 器陣列、或設(shè)置在單個半導體材料層103中的其它設(shè)備或結(jié)構(gòu)中的任 意一個或多個。
在以上詳細描述中，參照其具體示范性實施例描述了本發(fā)明的方 法和裝置。但是，很明顯，在不背離本發(fā)明的更廣泛的精神和范圍的 25 情況下，可以對此做出各種修改和改變。因此，應將本說明書和附圖 視為是說明性而不是限制性的。
權(quán)利要求
1. 一種裝置，包括設(shè)置在單個半導體材料層中的多個光波導，其中所述多個光波導中的每個光波導包括沿所述光波導界定的光腔；單個增益介質(zhì)材料條，其橫跨所述多個光波導鄰接所述單個半導體材料層，從而沿所述多個光波導中的每個光波導界定增益介質(zhì)-半導體材料界面；以及設(shè)置在所述單個半導體材料層中的多個光調(diào)制器，所述多個光調(diào)制器中的每個光調(diào)制器光耦合到所述多個光波導中的相應一個光波導以便調(diào)制從所述光腔發(fā)出的相應光束。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括設(shè)置在所述單個半導體材料 層中的復用器，所述復用器光耦合到所述多個光調(diào)制器以便組合從所 述多個光調(diào)制器中的每個相應的光調(diào)制器接收的光束。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述復用器包括波長選擇性陣列波導光柵(AWG),使得從所述多個光調(diào)制器中的每個相應的光調(diào) 制器接收的光束是寬帶激光器輸出，并且所述波長選擇性AWG的輸 出包括從所調(diào)制的多個光束中選出的波長。
4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述單個半導體材料層包括絕 20 緣體上硅晶片的硅層，并且所述單個增益介質(zhì)材料條包括鍵合到所述單個半導體材料層并且迅衰耦合到所述多個光波導中的每個光波導的單個m-v族半導體材料條多量子阱增益芯片。
5. 如權(quán)利要求l所述的裝置，還包括 設(shè)置在所述單個半導體材料層中的解復用器； 設(shè)置在所述單個半導體材料層中并且光耦合到所述解復用器的 多個第二光波導；以及光耦合到所述多個第二光波導以便接收由所述多個第二光波導 接收的光束的多個第一光學檢測器。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述單個半導體材料層包括 硅，并且所述多個第一光學檢測器包括橫跨所述多個第二光波導鄰接 所述單個半導體材料層從而沿所述多個第二光波導中的每個光波導界定in - v族半導體-硅界面的第二單個m - v族半導體材料條。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述光波導中在設(shè)置在所述單個半導體材料層中的反射器之間界定所述光腔。
8. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光腔包括光耦合到所述單個半導體材料層中的所述光波導的環(huán)形諧振腔。
9. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括設(shè)置在所述單個半導體材料 10 層中且耦合到所述多個光調(diào)制器的控制電路。
10. —種方法，包括在沿設(shè)置在單個半導體材料層中的第一光波導界定的第一光腔 中發(fā)射第一光束；在沿設(shè)置在所述單個半導體材料層中的第二光波導界定的第二 15 光腔中發(fā)射第二光束，其中所述第一和笫二光波導包含在設(shè)置在所述單個半導體材料層中的多個光波導中，其中單個增益介質(zhì)材料條;f黃跨 所述多個光波導鄰接所述單個半導體材料層，從而沿所述多個光波導 中的每個光波導界定增益介質(zhì)-半導體材料界面；以及利用設(shè)置在所述單個半導體材料層中且光耦合到所述第 一和第 二光波導的相應的第一和第二光調(diào)制器來調(diào)制所述第一和第二光束。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括利用設(shè)置在所述單個半導體材料層中的復用器來組合從所述第 一和第二光調(diào)制器接收的所調(diào) 制的第一和第二光束的選定波長。
12. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中發(fā)射所述第一和笫二光束包 25 括在所述單個半導體材料層或所述單個增益介質(zhì)材料條的至少之一中注入電流。
13. 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括 利用設(shè)置在所述單個半導體材料層中的解復用器接收光束；將通過所述解復用器接收的光束分成多個接收光束，其中所述多個接收光束中的每個光束具有不同的波長；以及利用設(shè)置在所述單個半導體材料層中的相應的一個或多個光學 光檢測器來檢測具有不同波長的所述多個接收光束中的每個接收光束。
14. 一種光學系統(tǒng)，包括包括光學激光器陣列的光學芯片，所述光學芯片包括設(shè)置在單個半導體材料層中的多個光波導，其中所述多個光 波導中的每個光波導包括沿所述光波導界定的光腔； 10 單個增益介質(zhì)材料條，其橫跨所述多個光波導鄰接所述單個半導體材料層，從而沿所述多個光波導中的每個光波導界定增益介質(zhì) -半導體材料界面；以及設(shè)置在所述單個半導體材料層中的多個光調(diào)制器，所述多個 光調(diào)制器中的每個光調(diào)制器光耦合到所述多個光波導中的相應 一個 15 光波導以便調(diào)制從在所述相應光波導內(nèi)界定的所述光腔發(fā)出的相應 光束；設(shè)置在所述單個半導體材料層中的復用器，所述復用器光耦 合到所述多個光調(diào)制器以便組合從所述多個光調(diào)制器中的每個相應 的光調(diào)制器接收的光束的選定波長； 經(jīng)過光耦合以便從所述復用器接收所組合的光束的外部光學接收器；以及光耦合在所述外部光學接收器與所述復用器的輸出之間的光纖。
15. 如權(quán)利要求14所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學芯片還包括設(shè) 置在所述單個半導體材料層中的多個功率監(jiān)視器，所述多個功率監(jiān)視器中的每個功率監(jiān)視器光耦合到所述多個光波導中的相應一個光波導以便監(jiān)視從所述光腔發(fā)出的相應的光束。
16. 如權(quán)利要求14所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學芯片中的所述單個半導體材料層包括絕緣體上硅晶片的硅層，并且所述單個增益介 質(zhì)材料條包括鍵合到所述單個半導體材料層并且迅衰耦合到所述多個光波導中的每個光波導的單個m-v族半導體材料條多量子阱增益 芯片。
17.如權(quán)利要求14所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學芯片還包括設(shè)置在所述單個半導體材料層中的解復用器，其經(jīng)過光耦合以便 從外部光學發(fā)射器接收光束并將所接收的光束分成多個接收光束，其 中所述4妄收光束中的每個接收光束具有不同的波長；設(shè)置在所述單個半導體材料層中并且光耦合到所述解復用器的 10多個第二光波導；以及光耦合到所述多個第二光波導以便檢測所述接收光束的多個第 一光學檢測器。
18. 如權(quán)利要求17所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學芯片中的所述 單個半導體材料層包括硅，并且所述多個第一光學檢測器包括橫跨所述多個第二光波導鄰接所述單個半導體材料層從而沿所述多個第二光波導中的每個光波導界定m-v族半導體-硅界面的第二單個m-v族半導體材料條。
19. 如權(quán)利要求18所述的光學系統(tǒng)，其中所述光學芯片還包括光 學設(shè)置在所述單個半導體材料層中的多個第二光學檢測器，所述多個 第二光學檢測器光耦合到所述多個第二光波導以便接收所述接收光 束。
20. 如權(quán)利要求14所述的光學系統(tǒng)，還包括設(shè)置在所述單個半導 體材料層中且耦合到激光器陣列或所述多個光調(diào)制器中的一個或多 個的控制電路。
全文摘要
公開從單個半導體材料層提供多個調(diào)制光束的裝置和方法。例如，裝置包括設(shè)置在單個半導體材料層中的多個光波導。這些光波導中的每個光波導包括沿光波導界定的光腔。包括在這些光波導上鄰接單個半導體材料層的單個增益介質(zhì)材料條。沿這些光波導中的每個光波導界定了增益介質(zhì)-半導體材料界面。多個光調(diào)制器設(shè)置在單個半導體材料層中。這些光調(diào)制器中的每個光調(diào)制器光耦合到這些光波導中的相應的一個光波導，以便調(diào)制從光腔發(fā)出的相應光束。
文檔編號H01S5/10GK101485055SQ200780024782
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者A·劉, M·J·帕尼恰, R·瓊斯 申請人:英特爾公司