半導(dǎo)體芯片及對(duì)其進(jìn)行配置的方法
【專利摘要】提供了半導(dǎo)體芯片及對(duì)其進(jìn)行配置的方法。光學(xué)增益相片被附接到半導(dǎo)體襯底。集成光子電路處于半導(dǎo)體襯底上，并且光學(xué)增益芯片光學(xué)被耦合到集成光子電路以由此形成激光腔。集成光子電路包括有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器。有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器光學(xué)被耦合在一起。
【專利說明】
半導(dǎo)體芯片及對(duì)其進(jìn)行配置的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及娃上的外部腔激光器(external cavity laser)，并且更具體地涉及 硅上的溫度不敏感外部腔激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)腔或光學(xué)諧振器是形成針對(duì)光波的駐波諧振器的反射鏡(mirror)的布置。光 學(xué)腔是激光器的主要部件，其包圍增益介質(zhì)并提供對(duì)激光的反饋。它們還可以被使用在光 學(xué)參量振蕩器（optical parametric oscillator)和一些干涉儀（interferometer)中。被 局限于腔中的光反射多次，從而產(chǎn)生振動(dòng)某些共振頻率的駐波。產(chǎn)生的駐波樣式(pattern) 被稱為模式(mode)?？v向模式僅在頻率上不同，而橫向模式針對(duì)不同頻率而不同并且具有 跨光束的橫截面的不同強(qiáng)度樣式。
[0003] 不同的諧振器類型通過兩個(gè)反射鏡的焦距和其間的距離進(jìn)行區(qū)別。平面鏡由于將 其對(duì)準(zhǔn)到所需要的精度的困難而不經(jīng)常使用。幾何結(jié)構(gòu)(諧振器類型）必須被選擇使得光束 保持穩(wěn)定，這意味著光束的大小不會(huì)隨著多次反射而連續(xù)地增長。諧振器類型還被設(shè)計(jì)為 滿足諸如最小光斑(beam waist)或在腔內(nèi)部不具有焦點(diǎn)的其他準(zhǔn)則。光學(xué)腔被設(shè)計(jì)為具有 大Q因子，這意味著光束將在幾乎沒有衰減的情況下反射很多次。因此，光束的頻率線寬度 相較于激光器的頻率非常小。
[0004] 局限于諧振器中的光將從反射鏡反射多次，并且由于干涉的效應(yīng)，僅僅輻射的某 些樣式和頻率將由諧振器維持，而其他被相消干擾抑制。總體上，在光通過諧振器的每個(gè)往 返(round-trip)上再生(reproduce)的福射樣式是最穩(wěn)定的，并且這些是諧振器的固有模 式(eigenmode)，被稱為模式。
[0005] 諧振器模式能夠被劃分成兩種類型:縱向模式，其在頻率上與彼此不同；以及橫向 模式，其可以在光的頻率和強(qiáng)度樣式兩者上不同。諧振器的基本或基礎(chǔ)橫向模式是高斯光 束（Gaussian beam)。
[0006] 最常見類型的光學(xué)腔包括兩個(gè)相面對(duì)的平面鏡(平鏡)或球面鏡。這些中最簡單的 是并行平面腔或法布里一珀羅(Fabry-Pgrot)腔，其包括兩個(gè)相對(duì)的平面鏡。并行平面腔諧 振器因此常常被使用在微芯片激光器、微腔激光器和半導(dǎo)體激光器中。在這些情況中，取代 了使用單獨(dú)的反射鏡，可以直接將反射光學(xué)涂層涂覆到激光介質(zhì)本身。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種半導(dǎo)體芯片。芯片包括被附接到半導(dǎo)體襯底的光學(xué)增 益芯片和在半導(dǎo)體襯底上的集成光子電路。光學(xué)增益芯片光學(xué)被耦合到集成光子電路以由 此形成激光腔。集成光子電路包括有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波 器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器。有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位 調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵 濾波器被光學(xué)親合在一起。
[0008] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種配置半導(dǎo)體芯片的方法。方法包括提供被附接到半導(dǎo) 體襯底的光學(xué)增益芯片，以及提供在半導(dǎo)體襯底上的集成光子電路。光學(xué)增益芯片光學(xué)被 耦合到集成光子電路以由此形成激光腔。集成光子電路包括有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器 元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波 器。有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮?出親合器波段反射光學(xué)光柵濾波器光學(xué)被親合在一起。
[0009] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，提供一種半導(dǎo)體芯片。半導(dǎo)體芯片包括被附接到半導(dǎo)體襯底的 光學(xué)增益芯片、N端口解復(fù)用濾波器和在半導(dǎo)體襯底上的多個(gè)集成光子電路。光學(xué)增益芯片 被光學(xué)耦合到多個(gè)集成光子電路以由此形成激光腔。多個(gè)集成光子電路各自包括具有無源 相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器、有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件以及 腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器。具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器、有源腔 內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器光學(xué)被耦合在一起。N端口解復(fù)用濾波器 被配置為將不同波長的光提供給多個(gè)集成光子電路中的個(gè)體集成光子電路。
[0010] 通過本發(fā)明的技術(shù)意識(shí)到額外的特征和優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)描述本發(fā)明的其他實(shí)施例 和方面并且將其視為要求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。為了更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征， 引用說明書和附圖。
【附圖說明】
[0011] 被認(rèn)為是本發(fā)明的主題被特別指出并被明顯地要求保護(hù)在本說明書的結(jié)尾處的 權(quán)利要求中。本發(fā)明的前述描述和其他特征以及優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖進(jìn)行的下面的詳細(xì)描述 變得顯而易見，在附圖中：
[0012] 圖1圖示了根據(jù)一實(shí)施例的硅芯片上的激光器的單頻率腔示意圖；
[0013] 圖2圖示了根據(jù)一實(shí)施例的硅芯片上的激光器的單頻率腔示意圖；
[0014] 圖3A圖示了示出根據(jù)實(shí)施例的相位如何變化以及無源相位補(bǔ)償溫度如何對(duì)應(yīng)地 變化的圖表；
[0015] 圖3B圖示了根據(jù)實(shí)施例的具有細(xì)節(jié)的無源腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)相位補(bǔ)償元件的示 意圖；
[0016] 圖4圖示了根據(jù)實(shí)施例的示例腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器；
[0017] 圖5A圖示了根據(jù)實(shí)施例的有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件作為寬帶 熱光調(diào)諧器的實(shí)施方式；
[0018] 圖5B圖示了根據(jù)實(shí)施例的有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件作為窄帶 熱光調(diào)諧器的另一實(shí)施方式；
[0019] 圖6圖示了根據(jù)實(shí)施例的示例輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器；
[0020] 圖7圖示了根據(jù)實(shí)施例的模式轉(zhuǎn)換器的示例；
[0021] 圖8圖示了根據(jù)實(shí)施例的功率監(jiān)測器的示例實(shí)施方式；
[0022] 圖9圖示了根據(jù)實(shí)施例的硅芯片上的激光器的多頻率圖；
[0023] 圖10圖示了根據(jù)實(shí)施例的硅芯片上的激光器的另一多頻率圖；以及
[0024] 圖11圖示了根據(jù)實(shí)施例的配置半導(dǎo)體芯片的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 盡管激光可能是最純粹形式的光，但是其不是單一的純粹頻率或波長。所有激光 器產(chǎn)生在特定自然帶寬或頻率范圍上的光。激光器的工作帶寬主要由激光器由其構(gòu)造的增 益介質(zhì)(gain medium)和由激光器可以在其上工作的頻率范圍（被稱為增益帶寬）確定。
[0026] 用于確定激光器的發(fā)射頻率的第二因素是激光器的光學(xué)腔(或諧振腔）。在最簡單 的情況下，這包括彼此相面對(duì)的包圍激光器的增益介質(zhì)（同樣地該布置被稱為法布里一珀 羅腔）的兩個(gè)平面鏡(平鏡）。由于光是波，當(dāng)在腔的反射鏡之間彈射時(shí)，光將與其本身相長 地且相消地干涉，從而導(dǎo)致在反射鏡之間的駐波或模式的形成。這些駐波形成頻率的離散 集合，被稱為腔的縱向模式（longitudinal mode)。這些模式僅僅是自我再生的光的頻率并 且允許由諧振腔振蕩，而光的所有其他頻率被相消干涉抑制。針對(duì)簡單平面鏡腔，被允許的 模式是針對(duì)其反射鏡的分隔距離L是光的波長λ的一半的確切倍數(shù)的那些模式，使得L = qA/ 2，其中q是被稱為模式階數(shù)(mode order)的整數(shù)。
[0027] 在簡單的激光器中，這些模式中的每個(gè)獨(dú)立地振蕩，在彼此之間沒有固定關(guān)系，基 本上如同全部發(fā)射在稍微不同的頻率的光的獨(dú)立激光器的集合。在每個(gè)模式中的光波的個(gè) 體階段不固定并且可以由于諸如激光器的材料中的熱變化（即溫度)之類的情況而隨機(jī)地 變化。在具有僅僅幾個(gè)振蕩模式的激光器中，在模式之間的干涉能夠?qū)е略诩す馄鬏敵鲋?的跳動(dòng)(beating)效應(yīng)，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的波動(dòng)。在具有數(shù)千模式的激光器中，這些干涉效應(yīng) 傾向于平均到接近恒定的輸出強(qiáng)度。
[0028] 實(shí)施例被配置為提供溫度不敏感（即熱不敏感)光學(xué)激光腔。根據(jù)實(shí)施例，硅上的 溫度不敏感外部腔激光器提供各種益處：
[0029] (1)成本降低能夠通過簡化激光器制作(fabrication)和消除作為產(chǎn)率局限的工 作波長容差來實(shí)現(xiàn)。激光頻率通過具有高制作精度和沒有額外成本的固有可調(diào)諧性的用硅 制作的部件來設(shè)置。
[0030] (2)激光頻率的穩(wěn)定能夠通過在工作范圍中的任何期望溫度處的硅制作部分中的 有源器件或無源器件來實(shí)現(xiàn)。
[0031 ] (3)相對(duì)強(qiáng)度噪聲(Relative intensity noise--RIN)可以通過腔長度增加和 高消光腔內(nèi)光學(xué)濾波器(high-extinction intra-cavity optical filter)來減少(性能 改善）。
[0032] (4)在無源腔中使用的窄帶濾波器可以通過按收發(fā)器比特率的的時(shí)間門控調(diào)制器 來實(shí)現(xiàn)芯片上硅隔離器。
[0033] ( 5 ) 111-V芯片與記錄計(jì)劃分布式反饋（p I an_of-record d i s tr ibut ed feedback--DFB)激光器相同，除了光柵(grating)制作步驟由激光器供應(yīng)商省略。
[0034] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1圖示了根據(jù)實(shí)施例的硅芯片100上的激光器的單頻率腔示意 圖。硅芯片100是激光器或激光器系統(tǒng)。盡管硅可以被討論作為示例芯片和襯底材料，但是 應(yīng)理解可以利用包括鍺片的其他半導(dǎo)體材料。
[0035] 硅芯片100具有安裝在硅芯片100的襯底30(例如晶片)上的III-V芯片IOtJII-V芯 片10還可以被稱為III-V裸片、III-V半導(dǎo)體芯片、和/或光學(xué)增益芯片/介質(zhì)，如本領(lǐng)域技術(shù) 人員將理解的。安裝在硅芯片100的襯底30上的III-V芯片10的組合可以被稱為混合式硅激 光器?；旌鲜焦杓す馄魇怯晒韬虸II-V族半導(dǎo)體材料兩者制作的半導(dǎo)體激光器。III族和V族 是周期表上的指代?；旌鲜酵緩嚼肐II-V半導(dǎo)體材料的發(fā)光性質(zhì)結(jié)合硅的加工成熟度來 在能夠與其他硅光子器件集成的晶片上制作電驅(qū)動(dòng)激光器。
[0036] III-V芯片10可以是激光二極管，激光二極管是電栗浦半導(dǎo)體激光器，其中有源 (增益)介質(zhì)由半導(dǎo)體二極管的類似于在發(fā)光二極管中發(fā)現(xiàn)的p-n結(jié)的p-n結(jié)(P型摻雜區(qū)和η 型摻雜區(qū)）形成。激光二極管在電學(xué)上是PIN二極管(也被稱為p-i-n二極管），其是在ρ型(P) 半導(dǎo)體區(qū)與η型(N)半導(dǎo)體區(qū)之間具有寬的未摻雜的本征（intrinsic--1)半導(dǎo)體區(qū)的二 極管。P型區(qū)和η型區(qū)通常被重?fù)诫s，因?yàn)樗鼈儽挥糜跉W姆接觸。激光二極管的有源(增益）區(qū) 處于本征（I)區(qū)中，并且載體（即，電子和空穴)分別從N區(qū)和P區(qū)被栗入到本征（I)區(qū)中。盡管 在簡單的P-N二極管上進(jìn)行了初始二極管激光器研究，但是現(xiàn)代激光器使用雙異質(zhì) (double-heterostructure)實(shí)施方式，其中載體和光子被局限以便使其用于重組和光生成 的幾率最大化。與在電子器件中使用的普通二極管不同，針對(duì)激光二極管的目標(biāo)在于所有 載體在I區(qū)中重組并且因此產(chǎn)生光。因此，激光二極管使用直接帶隙半導(dǎo)體來制作。激光二 極管外延結(jié)構(gòu)使用晶體生長技術(shù)中的一個(gè)來生長，通常從N摻雜襯底開始并且使I摻雜活性 層生長，跟隨有P摻雜包覆層(cladding layer)以及接觸層?；钚詫油ǔ０孔于澹涮?供較低閾值電路和較高效率。對(duì)特定激光二極管進(jìn)行供電的方法是使用光學(xué)栗浦(optical pumping)。光學(xué)栗浦的半導(dǎo)體激光器（optically pumped semiconductor lasers-- OPSL)使用III-V半導(dǎo)體芯片10作為增益介質(zhì)，并且使用另一激光器(常常是另一二極管激 光器)作為栗浦源。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解使用III-V半導(dǎo)體芯片來使用和操作激光器。
[0037] 回來參照?qǐng)DI，III-V芯片10在一個(gè)端部上具有高后反射（high rear reflective--HR)涂層面元（facet) 12并且在另一端部上具有抗反射 (antiref Iective--AR)涂層面元14。光在III-V芯片10的增益區(qū)（本征區(qū)（I))中強(qiáng)度增 加。
[0038] III-V芯片10被附接/安裝到硅芯片100并且通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何倒裝 芯片(fl ip-chip)或引線鍵合選項(xiàng)來對(duì)準(zhǔn)以進(jìn)行光學(xué)耦合。III-V芯片10 (例如，混合式硅激 光器)是由硅和III-V族半導(dǎo)體材料兩者制作的光源，其中III-V族半導(dǎo)體材料可以包括例 如銦（III)磷化物(V)、鎵(III)砷化物(V)、氮(V)、等1模式轉(zhuǎn)換器16被耦合到III-V芯片 10。在一種情況下，模式轉(zhuǎn)換器16可以與以如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的針對(duì)低插入損耗和 反射的類似要求將分布式反饋激光器(DFB)耦合所需要的模式轉(zhuǎn)換器相同。模式轉(zhuǎn)換器16 (還被稱為模式大小轉(zhuǎn)換器)包括允許在不同大小的模式之間的高效耦合的光學(xué)器件。模式 (大小)轉(zhuǎn)換器(或模式大小適配器)是能夠被用于擴(kuò)展或收縮(contract)橫向空間維度中 的模式的光學(xué)器件。例如，模式轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒓す舛O管中的波導(dǎo)的非常微小模式擴(kuò)展到 適合于光學(xué)濾波器的模式的大小。
[0039]模式轉(zhuǎn)換器16將III-V芯片10耦合到波導(dǎo)(waVeguide)20。盡管示意性地被示出為 完全在III-V芯片10的外部，但是應(yīng)理解模式轉(zhuǎn)換部件16還可以包括制作在III-V芯片10上 的部件，例如具有主要增益波導(dǎo)部分的不同維度的有源或無源波導(dǎo)部分。波導(dǎo)20連接到硅 芯片100上的各種腔內(nèi)光學(xué)元件120、130和140,如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的。示出的腔內(nèi)光學(xué) 元件120和130的順序是任意的并且不意味著限制性的。應(yīng)預(yù)見到，腔內(nèi)光學(xué)元件120和130 的任意順序是可能的。腔內(nèi)光學(xué)元件120、130、140可以是制作在硅芯片100的硅襯底30上的 外部集成光子電路25。
[0040] 激光腔24被形成在III-V增益芯片10與外部集成光子電路25之間，具體在HR面元 12與波段反射光柵140之間。為了提供針對(duì)下面的討論的基礎(chǔ)，電場E的主導(dǎo)極性的幅值或 激光諧振器中的模式幅度將被描述為時(shí)間t和縱向位置z的函數(shù)。坐標(biāo)系被定義使得III-V 芯片(元件10)的HR面元(元件12)是z = 0。針對(duì)模式幅度的表達(dá)式可以之后由函數(shù)Ε(ω，z， t，T)=Af〇rward(z) · ei(GJt-k(tJ'z'T)z)+A reverse(z) · θ"Μω'ζ'τ)ζ-ω?)描述。實(shí)值A(chǔ) fcirward(Z)和Areverse (ζ)函數(shù)定義遭受來自腔內(nèi)元件的損失和增益的激光器中的向前傳播場和向后傳播場的幅 度。剩余的變量被定義如下：ω是感興趣光學(xué)模式的角頻率;T是局部溫度（即，嚴(yán)格地為T (z));k(co，z，T)是針對(duì)給定縱向位置和溫度的給定角頻率的光學(xué)模式的波矢量。為清楚起 見，來自腔內(nèi)元件的反射的效應(yīng)被忽略并且與從通過腔內(nèi)濾波器發(fā)射得到的相位變化相關(guān) 聯(lián)的細(xì)節(jié)被忽略。所有腔內(nèi)元件被處置為具有任意的k(z，ω，T)特性的波導(dǎo)。
[0041] 如定義的激光腔之后支持由諧振器的往返相長干涉條件確定的縱向模式ω〇， ω 1，…ω心連續(xù)統(tǒng)（continuum)。如在本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的，當(dāng)往返傳播的累積光學(xué)相位Φ 等于2π的整數(shù)倍時(shí)滿足該干涉條件。使用以上慣例并且將針對(duì)給定模式角頻率和局部溫度 的波動(dòng)反射光柵140內(nèi)的有效反射的位置定義為ζ〃（ ω，Τ)，往返相位由以下給出：
[0042]
[0043]為了簡化分析，將分別針對(duì)III-V芯片10和硅外部腔25考慮均勻的頻率無關(guān)模式 有效指數(shù)nm-v(T)和nSi(T)的情況。針對(duì)在III-V芯片10與硅外部腔25之間的界面的縱向坐 標(biāo)之后被定義為Z 7，其中兩個(gè)腔的長度分別一分為二為Lm-V和Lsi(T)。娃外部腔25的長度 仍然在該分析中由于ζ〃（ ω，T)而被認(rèn)為是依賴溫度的，但是頻率依賴性被忽略。得到的往 返相位能夠之后簡單地通過在有效指數(shù)、角頻率和光的真空速度c面元擴(kuò)展光矢量來表示 作為位置的函數(shù)：
[0044]
[0045] 強(qiáng)制執(zhí)行相位匹配條件，工作模式的角頻率c〇m可以被表示為：
[0046]
[0047] 現(xiàn)在，下面在以上對(duì)c〇m(T)的影響的上下文中討論在外部集成光子電路25中的腔 內(nèi)光學(xué)元件120、130、140的另外的細(xì)節(jié)。
[0048]腔內(nèi)光學(xué)元件120是具有等于或小于腔法布里一珀羅(F-P)共振的自由光譜范圍 的全寬半峰(ful 1-width half-maximum--FWHM)的腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120。該 濾波器的目的是要提供通過損耗鑒別（loss discriminatio)的工作縱向模式選擇，使得濾 波器諧振頻率被有源調(diào)諧為以期望的為中心，同時(shí)提供針對(duì)相鄰縱向模式COm^1和 ωω+1的充分的往返腔損耗鑒別以防止不期望的模式到達(dá)激光閾值并提供充分的邊模式抑 制比率（side mode suppression ratio)。腔內(nèi)濾波器的窄帶寬得到與差Δω = | c〇f-com| 的幅值成比例的激光輸出功率的減少。這使得激光器的輸出功率能夠被監(jiān)測為用于通過任 一模式的有源控制使腔內(nèi)濾波器諧振頻率與縱向工作模式匹配的反饋參數(shù)。
[0049]腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120的諧振頻率之后通過消熱(athermal)設(shè)計(jì)或有 源控制、根據(jù)溫度而在激光器操作全程中被保持恒定（除了啟動(dòng)初始化或在有意地調(diào)制的 情況下）。針對(duì)帶通濾波器的消熱設(shè)計(jì)的示例包括通過改變硅/二氧化硅干涉儀中的波導(dǎo)寬 度和長度或在硅納米線環(huán)式諧振器濾波器上引入諸如TiO 2的消極熱光材料包層 (cladding)的模式熱光系數(shù)補(bǔ)償。有源控制的示例包括基于溫度傳感器反饋信號(hào)來控制集 成加熱器功率。
[0050] 在諸如環(huán)式諧振器的低自由光譜范圍濾波器的情況下，腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾 波器120還必須被設(shè)計(jì)為使得自由光譜范圍大于波段反射光柵140的FWHM反射帶寬的一半。 該條件確保帶通濾波器的其他縱向模式階數(shù)不提供備選的低往返損耗的縱向激光腔工作 模式。
[0051] 腔內(nèi)光學(xué)元件130是有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130。有源腔內(nèi)傳 輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130可以包括寬帶波導(dǎo)部分或窄帶濾波器，例如在全通傳 輸相位控制配置中的一個(gè)或多個(gè)環(huán)式諧振器濾波器。有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧 器元件130被配置為基于諸如激光器輸出功率的適當(dāng)?shù)姆答亝?shù)的測量值來在激光器操作 的經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟确秶ɡ纾?攝氏度到85攝氏度）內(nèi)將往返腔相位調(diào)節(jié)為恒定值。有源腔內(nèi) 傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130提供激光器工作模式的往返相位φ的有源控制，并 且這意味著有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130需要控制相位的功率。在往返 腔相位的先前討論的上下文中，在環(huán)境溫度T amb上被供電到升高的溫度△ Tt_的給定波長 Lt_的有源相位調(diào)諧器130經(jīng)由通過調(diào)諧器的有效熱光系！
調(diào)節(jié)△ T將工作模式頻率 控制為恒定值ω /，也就是獨(dú)立于Tamb :
[0052]
[0053]腔內(nèi)光學(xué)元件140是為激光器輸出耦合器同時(shí)根據(jù)溫度減少凈往返相位變化(net round trip phase change)的具有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ?band)反射光柵。針對(duì)帶內(nèi)反射率 的有關(guān)設(shè)計(jì)范圍在5%與80%之間。如針對(duì)元件120所討論的，具有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ畏?射光柵140的全寬半峰(FWHM)反射率帶寬必須小于帶通光學(xué)濾波器120的無光譜范圍的兩 倍。
[0054]波段反射光柵140的無源相位補(bǔ)償性質(zhì)通過設(shè)計(jì)有效反射鏡位置的溫度依賴性z〃 (ω，T)來完成，以得到更短的有效硅腔長度Lsi(T)，同時(shí)增大溫度以分別補(bǔ)償III-V和硅波
導(dǎo)的位置有效熱光系藝 期望設(shè)計(jì)條件則是： s
[0055]
[0056] 該設(shè)計(jì)方法針對(duì)具體設(shè)計(jì)的工作溫度范圍將期望激光器縱向工作模式的往返相 位限制在小的總相位變化范圍內(nèi)。持續(xù)的單一模式操作要求在激光操作的經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟确?圍（例如，〇攝氏度到85攝氏度)上、剩余的往返相位改變處于有源腔內(nèi)傳輸模式熱光相位調(diào) 諧器130的控制范圍內(nèi)，例如牡。假設(shè)腔往返相位變化關(guān)于溫度是單調(diào)的，則示例情況則可 以被表示為：
[0057]
[0058] 無源相位補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)可以通過光柵的有效反射鏡位置的溫度依賴性來理解，并且 因此Ls1 2〃（〇^，1')。針對(duì)均勻的光柵，來自光柵的輸入的有效反射鏡位置^^(?，1')可以根 據(jù)耦合強(qiáng)度κ( ω，T)和總光柵長度Lg被寫為：
[0059]
[0060] 針對(duì)熱補(bǔ)償?shù)淖詈唵蔚男问剑詈蠌?qiáng)度溫度依賴性能夠使κ( ω，Τ)最大化，使得有 效光柵長度被減小以補(bǔ)償激光腔的剩余部分的積極熱光系數(shù)。該補(bǔ)償水平可以對(duì)于具有強(qiáng) 反射光柵的短激光器是足夠的。
[0061 ] 對(duì)凈腔熱光系數(shù)(net cavity thermo-optic coefficient)的更強(qiáng)補(bǔ)償可以以恰 當(dāng)設(shè)計(jì)的啁嗽光柵（chirped grating)來實(shí)現(xiàn)。在啁嗽光柵中，有效指數(shù)η和光柵間距 (pitch) Λ能夠根據(jù)位置而變化。針對(duì)給定頻率ω，得到最大反射率的光柵間距Amax( ω，η) 被近似為：
[0062]
[0063] 在先前的變量定義的上下文中考慮針對(duì)往返腔相位的無源相位補(bǔ)償?shù)木€性啁嗽 光柵的設(shè)計(jì)。光柵中的有效指數(shù)將被近似為恒定的并且等于未受干擾的硅腔n Sl(T)。根據(jù)位 置的光柵間距將根據(jù)啁嗽速率f和對(duì)應(yīng)于針對(duì)在參考溫度To處的標(biāo)稱(nominal)工作模式 的最大反射率調(diào)節(jié)的中心間距ω m來寫為：
[0064]
[0065] 為了簡化分析，我們可以將有效反射鏡位置處置為被定義為其中光柵間距使針對(duì) 在溫度T處的工作模式角頻率的反射率最大化的點(diǎn)。我們之后對(duì)以該效應(yīng)可以提供的溫 度獲得硅腔長度Ls i的變化感興趣。替換來自先前方程的變量，相對(duì)于溫度取導(dǎo)數(shù)并忽視高 階項(xiàng)，我們可以獲得以下關(guān)系：
[0066]
[0067] 利用針對(duì)無源熱光相位補(bǔ)償準(zhǔn)則的先前設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來實(shí)現(xiàn)熱不敏感激光操作，所需 要的光_咽瞅參教可以^后被參教化為，
[0068]
[0069]該近似的啁嗽參數(shù)被導(dǎo)出并被提供以提供離散設(shè)計(jì)實(shí)例但是不是針對(duì)所公開的 激光腔的嚴(yán)格準(zhǔn)則。耦合和有效指數(shù)溫度依賴性兩者都必須被考慮以選擇正確的啁嗽參 數(shù)。一般地，所需要的啁嗽參數(shù)得到"紅啁嗽"光柵，使得dA/dz是正值。應(yīng)當(dāng)指出，該準(zhǔn)則與 選擇負(fù)d Λ/dz以改進(jìn)噪聲特性的傳統(tǒng)外部腔啁嗽光柵設(shè)計(jì)相反。在該配置中的正d Λ/dz啁 嗽設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)通過由緊湊集成腔設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的大縱向激光腔模式無光譜范圍消除。
[0070]硅芯片100上的激光器系統(tǒng)的激光束(輸出）由功率監(jiān)測器18監(jiān)測。功率監(jiān)測器18 耦合到波導(dǎo)20。硅芯片100上的激光器系統(tǒng)中的功率監(jiān)測被用于控制腔內(nèi)相位以維持有效 單模式操作，用于無錯(cuò)誤鏈接操作，并且用于使用在工作溫度(例如，0-85Γ)上的激光器。 功率監(jiān)測器18可以是腔內(nèi)（即，在激光腔24中）和/或在輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波 器140之后。在一個(gè)情況下，使功率監(jiān)測器18在輸出親合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140之 后但是在任何其他集成系統(tǒng)部件之前可以是較好的實(shí)施方式(但不一定是必需的）。功率監(jiān) 測器18可以是從輸出波導(dǎo)20對(duì)接親合(butt coupled)到小接頭（small tap)(例如，1 %方 向親合器）的普通檢測器和/或內(nèi)聯(lián)功率檢測器（inline power detector)，例如收集來自 缺陷狀態(tài)吸收的光子生成的載體的側(cè)向硅PIN二極管。
[0071]圖2圖示了根據(jù)另一實(shí)施例的硅芯片100上的激光器的單頻率腔示意圖。圖2中的 硅芯片100上的激光器的單頻率腔示意圖與圖1相同，除了具有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ畏瓷涔?柵140的腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性被省略，使得激光輸出耦合器光柵由具有與元件140共享的 所有其他反射特性的標(biāo)準(zhǔn)波段反射光柵150限定。
[0072]如以上在圖1中所指出的，圖2中的硅芯片1002包括具有等于或小于腔法布里一珀 羅(F-P)諧振的無光譜范圍的兩倍的全寬半峰(FWHM)的腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120、 有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130、具有在10%與50%之間的范圍中的波段 中反射率和等于或大于帶通光學(xué)濾波器120的無光譜范圍的兩倍的全寬半峰(FWHM)帶寬的 輸出親合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140。娃芯片100上的激光器系統(tǒng)的激光束(輸出）由功 率監(jiān)測器18監(jiān)測。由于在圖2中省略了具有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的無源腔內(nèi)光 學(xué)相位補(bǔ)償特性，但是圖2中的硅芯片100必須完全依賴于維持有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué) 相位調(diào)諧器元件130中的相同相位φ，這意味著需要更多的功率來維持激光束的相位。
[0073] 傳輸函數(shù)(transmission function)是腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120和法布 里一珀羅(F-P)腔的積。傳輸函數(shù)形式上是針對(duì)給定統(tǒng)一幅度和相位輸入模式的單一輸出 模式的各種光學(xué)頻率的幅度和相位特性。備選地，傳輸函數(shù)可以被定義為針對(duì)感興趣的各 種輸入和輸出模式的光學(xué)系統(tǒng)的瞬態(tài)脈沖響應(yīng)的傅里葉變換。
[0074] 針對(duì)具有良好邊模式抑制比率的單一模式操作，腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器 120的FWHM應(yīng)當(dāng)小于法布里一珀羅(F-P)自由光譜范圍（FSR)。在腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾 波器120與法布里一珀羅無光譜范圍(FSR)之間的）低比率是較好的。無光譜范圍(FSR)是在 干涉儀或衍射光學(xué)元件的兩個(gè)連續(xù)的反射的或傳輸?shù)墓鈱W(xué)強(qiáng)度最大值或最小值之間的光 學(xué)頻率或波長的間隔。
[0075] 在傳統(tǒng)可調(diào)諧激光器中，在將腔內(nèi)濾波器波長移動(dòng)(例如通過轉(zhuǎn)動(dòng)衍射光柵）以使 F-P和濾波器模型相匹配的同時(shí)調(diào)節(jié)腔長度。未能同步地調(diào)節(jié)兩者(腔長度和腔內(nèi)濾波器波 長)導(dǎo)致模式跳躍或多模式操作。
[0076] 如本文所指出的，溫度變化導(dǎo)致激光束的波長/相位變化。根據(jù)實(shí)施例，溫度不敏 感激光器操作由腔設(shè)計(jì)和/或有源控制提供。腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120波長通過有 源控制(有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130)和/或消熱設(shè)計(jì)(具有無源相位補(bǔ) 償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻诺臒o源腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性)而在操作全程(除了激光器啟動(dòng)初始化 之外）中保持恒定。腔內(nèi)濾波器的峰值傳輸角頻率之后被認(rèn)為在操作中是恒定的并且獨(dú) 立于環(huán)境溫度。通過使如由腔內(nèi)或腔外光學(xué)功率監(jiān)測器18測量的輸出功率最大化，而將法 布里一珀羅腔（g卩，激光腔24)的激光模式通過在溫度上將腔內(nèi)相位有源控制在經(jīng)補(bǔ)償?shù)耐?返相位變化內(nèi)來鎖定到腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120。這可以通過考慮傳輸腔內(nèi)濾波 器的在諧振角頻率處的光學(xué)帶通濾波器傳輸T fllter(COf)與在工作激光器模式的角頻率處 的光學(xué)帶通濾波器傳輸Tfllter(Com)之間的比率TR來理解：
[0077]
[0078]由于大于1的TR的任何值導(dǎo)致激光器輸出功率相對(duì)于其中ωη= 〇^的情況的減少， 所以其是針對(duì)溫度無關(guān)的穩(wěn)定化激光器工作頻率的期望工作條件。確保濾波器FWHM(在腔 內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器中）與法布里一泊羅模式間隔（Fabry-Perot mode spacing一一FSR)的比率小于1:1保證強(qiáng)的與輸出功率相關(guān)的錯(cuò)誤信號(hào)以用于對(duì)腔內(nèi)相位 的魯棒控制。該條件還確保ω 總是小于針對(duì)TR〈2的ω 或ω m+1的TR，從而確保反饋回 路具有充分大的錯(cuò)誤信號(hào)以持續(xù)地在工作溫度范圍上在激光腔的單一縱向模式中控制操 作?；诒O(jiān)測功率監(jiān)測器18,有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130調(diào)節(jié)激光腔24 中的光的相位并且因此控制如由方程53描述的co m。激光波長可以之后在操作的溫度范圍 中被維持而不經(jīng)歷法布里一珀羅模式階數(shù)的變化（即沒有模式跳躍）以維持無錯(cuò)誤鏈接操 作。
[0079]要指出，下面為便于理解而非限制而提供副標(biāo)題。
[0080]無源熱光相位補(bǔ)償
[0081] 圖3A圖示了示出（III-V芯片10的HII-V增益區(qū)如何隨著工作溫度的變化而改變 激光束的相位的圖300。由于襯底30上的溫度的增加，存在III-V增益區(qū)波形302中的相位的 增加（即相位變化)和得到波形305的現(xiàn)有技術(shù)硅無源腔中的相位的增加（即相位變化）。波 形302和305兩者都示出隨著硅芯片100的溫度的增加的相位的增加。然而，具有無源相位補(bǔ) 償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性的無源相位補(bǔ)償波形310無源地被配置為 補(bǔ)償(III-V芯片10的HII-V增益區(qū)的相位變化并且補(bǔ)償?shù)玫降牡湫凸锜o源腔305的相位變 化。現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)將要求有源相位控制（即在功率之外）以補(bǔ)償圖3A中示出的相位的增加但 是圖1不會(huì)(必要地)需要有源相位控制，盡管源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130 可以（可選地)被利用。即使在圖1中的硅芯片100中利用有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào) 諧器元件130,由有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130需要較少的功率，因?yàn)榫?有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的無源腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性補(bǔ)償相位變化。
[0082] 圖3B圖示了根據(jù)實(shí)施例的具有無源熱光相位補(bǔ)償?shù)募?xì)節(jié)的具有無源相位補(bǔ)償?shù)?波段反射光柵140的無源腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性的示意圖。在一個(gè)情況下，具有無源相位補(bǔ) 償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的無源腔內(nèi)光學(xué)相位補(bǔ)償特性可以是在左側(cè)具有較小間距以補(bǔ)償對(duì) 應(yīng)于硅芯片100的溫度的增加的(光的）相位的增加的分布式反射器光柵。具有無源相位補(bǔ) 償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的左側(cè)更靠近III-V芯片10并指向III-V芯片10,而右側(cè)進(jìn)一步遠(yuǎn)離 III-V芯片10。間距（線性地和/或逐漸地)從左邊增大到右邊(較小間距到較寬間距），使得 在右側(cè)上的較寬間距補(bǔ)償對(duì)應(yīng)于(硅芯片100的)溫度的減小的相位的減小。因此，當(dāng)硅芯片 1 〇〇的襯底30上的溫度(在工作溫度(例如，0-85 °C)內(nèi)）增大和/或減小時(shí)，存在對(duì)應(yīng)于的間 距變化(從小間距到寬間距）以匹配具有無源相位補(bǔ)償?shù)牟ǘ畏瓷涔鈻?40的無源腔內(nèi)光學(xué) 相位補(bǔ)償特性的相位/波長的變化。在左側(cè)上的較小間距反射具有高溫度(較高相位和較小 波長)的光，而在右側(cè)上的較寬間距反射具有較低溫度(較低相位和較長波長)的光。
[0083]腔內(nèi)濾波器
[0084]圖4圖示了根據(jù)實(shí)施例的示例腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120。在一個(gè)實(shí)施方式 中，腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120可以是環(huán)式諧振器的任何配置，例如具有適合于激光 腔結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)?shù)臒o光譜范圍（FSR)和帶寬的馬赫曾德爾(Mach-Zehnder)和/或光柵傳輸模 式濾波器。在該實(shí)施方式中，圖4示出了具有用于輸入和輸出管的連接波導(dǎo)20的環(huán)式諧振 器。環(huán)式諧振器具有接收功率以便控制環(huán)式諧振器的溫度的加熱器(例如，電阻器或電阻元 件）。環(huán)式諧振器的濾波器諧振頻率要在激光器操作中被維持。在示例腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶 通濾波器120中，圖4示出了前上方途徑，其是被熱控制（由此控制環(huán)式諧振頻率)到高于硅 芯片100中的激光器系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)操作環(huán)境溫度的恒定溫度的一階環(huán)式諧振器濾波器。 [0085]還被稱為光學(xué)環(huán)式諧振器的環(huán)式諧振器是一組波導(dǎo)，其中至少一個(gè)是耦合到光輸 入和輸出的特定排序的閉合回路。這些可以是但不限于波導(dǎo)。在光學(xué)環(huán)式諧振器后面的概 念使用光并服從在相長干涉和總內(nèi)部反射后面的性質(zhì)。當(dāng)諧振波長/頻率的光從輸入波導(dǎo) 穿過回路時(shí)，光由于相長干涉而在多個(gè)往返上加強(qiáng)強(qiáng)度并被輸出到用作檢測器波導(dǎo)的輸出 總線波導(dǎo)。因?yàn)閮H僅選擇的幾個(gè)波長將在回路內(nèi)的諧振處，所以光學(xué)環(huán)式諧振器用作濾波 器。額外地，兩個(gè)或更多個(gè)環(huán)式波導(dǎo)可以被耦合到彼此以形成加/減光學(xué)濾波器。
[0086] 有源往返相位控制
[0087]圖5A和5B示出了根據(jù)實(shí)施例的有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130的 兩個(gè)不同示例。盡管提供了示例，但是在總范圍大致為（~)4π的情況下相位控制的任何方 法是合適的。
[0088] 圖5Α圖示了有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130作為寬帶熱光調(diào)諧器 的實(shí)施方式(其可以是優(yōu)選的但不一定是必需的），因?yàn)閷拵峁庹{(diào)諧器的零幅度響應(yīng)和易 于控制。寬帶熱光調(diào)諧器具有其中光進(jìn)入和傳出的波導(dǎo)20和加熱器505。電流可以被施加到 加熱器505以有源地控制往返相位。
[0089] 圖5Β圖示了根據(jù)實(shí)施例的有源腔內(nèi)傳輸模式熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130作為窄 帶熱光調(diào)諧器(環(huán)式諧振器全通濾波器）的另一實(shí)施方式。窄帶熱光調(diào)諧器也是合適的，但 是增加了針對(duì)諧振頻率控制的復(fù)雜度。窄帶熱光調(diào)諧器示出具有兩個(gè)環(huán)式諧振器510的波 導(dǎo)20,并且每個(gè)環(huán)式諧振器具有用于控制帶寬的加熱器505。
[0090] 還要指出，可以在硅腔中和/或在III-V裸片中利用載體注入調(diào)諧器，但是載體注 入調(diào)諧器增加幅度波動(dòng)的復(fù)雜度。
[0091] 反射器
[0092] 圖6圖示了根據(jù)實(shí)施例的示例輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140。在一個(gè)實(shí) 施方式中，輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140可以是標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)壁(sidewall)光柵(部 分蝕刻或完全蝕刻），其是針對(duì)基本激光器操作的具有在10%與50%之間的帶內(nèi)反射率的 適當(dāng)?shù)妮敵鲴詈掀鳌?cè)壁光柵的帶內(nèi)反射率由（III-V芯片10的）III-V電流增益特性、無源 腔損耗、耦合效率以及輸出功率確定。
[0093] 側(cè)壁光柵的帶寬可以被設(shè)計(jì)為在沒有復(fù)合腔內(nèi)濾波器特性的配置中具有針對(duì)非 激光濾波器階數(shù)峰值(例如，在一個(gè)情況下，峰值可以大于(>)3dB)的至少1分貝（dB)抑制反 射率，否則復(fù)合腔內(nèi)濾波器特性抑制備選的濾波器階數(shù)傳輸率。使用側(cè)壁光柵，包括了隨著 根據(jù)增大的溫度的有效腔長度的減小的往返腔相位的補(bǔ)償。
[0094]模式轉(zhuǎn)換器
[0095]圖7圖示了根據(jù)實(shí)施例的模式轉(zhuǎn)換器16的示例?？梢詰?yīng)用到絕緣體上硅(SOI)波導(dǎo) 模式耦合器的任何標(biāo)準(zhǔn)激光器和封裝策略。效率和反射率的要求與針對(duì)穩(wěn)定單一模式操作 的要求綁定在一起。理想反射率Ie4(通過有角度的面元界面能夠?qū)崿F(xiàn))可以被放松為與允 許III-V裸片IOHR背面涂層面元12和輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140(例如，輸出 耦合器光柵)主導(dǎo)腔法布里一珀羅特性的高效率耦合方案中的1% -樣高。
[0096] 功率監(jiān)測器
[0097] 圖8圖示了根據(jù)實(shí)施例的功率監(jiān)測器的示例實(shí)施方式。功率監(jiān)測器18可以具有連 接到P+摻雜硅接觸的N+摻雜硅接觸。波導(dǎo)20通過功率監(jiān)測器18側(cè)向地連接。在功率監(jiān)測器 18中生成與波導(dǎo)功率(即光束)成比例的光電流，并且光電流垂直于波導(dǎo)20流動(dòng)。
[0098] 由激光器系統(tǒng)中的功率監(jiān)測器18監(jiān)測的功率對(duì)于控制腔內(nèi)相位是重要的在工作 溫度上使用所提出的激光器來維持高效單一模式操作以用于無錯(cuò)誤鏈接操作。
[0099] 功率監(jiān)測器18可以是腔內(nèi)的和/或在輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140(即 輸出耦合器光柵)之后。將功率監(jiān)測器18定位在輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140之 后但是在任何其他集成系統(tǒng)部件之前可以是更好的實(shí)施方式(但不一定是必需的）。
[0100]功率監(jiān)測器18可以是從輸出波導(dǎo)20對(duì)接耦合到小接頭（例如，1%方向耦合器）的 普通檢測器和/或內(nèi)聯(lián)功率檢測器，例如收集來自缺陷狀態(tài)吸收的光子生成的載體的側(cè)向 硅PIN二極管。
[0101] 現(xiàn)在離開副標(biāo)題，討論圖9和圖10中的多波長操作。多波長操作可以采用N端口解 復(fù)用濾波器，例如由MZI針對(duì)收發(fā)器應(yīng)用開發(fā)的馬赫曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer--MZI) CWDM 濾波器。
[0102] 圖9圖示了根據(jù)實(shí)施例的硅芯片100上的激光器的多頻率腔示意圖。在圖9中，硅芯 片100現(xiàn)在包括(直接)被定位在模式轉(zhuǎn)換器16之后的粗(Coarse)N端口波分復(fù)用(WDM)解復(fù) 用(multiplexing)濾波器905。粗N端口WDM解復(fù)用濾波器905的輸入端口（IN)連接到模式轉(zhuǎn) 換器16以接收光，并且粗N端口 WDM解復(fù)用濾波器905的輸出端口連接到其各自的I-N個(gè)電路 25。如能夠看到的，存在多個(gè)輸出端口。例如，粗N端口 WDM解復(fù)用濾波器905可以在輸入端處 接收來自模式轉(zhuǎn)換器16的處于不同波長的光，使得粗N端口 WDM解復(fù)用濾波器905按波長將 光解復(fù)用(分離)并將每個(gè)波長的光輸出給個(gè)體輸出端口。輸出端口連接到電路25,并且I-N 個(gè)電路25各自包括腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120、有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件 130和具有無源相位補(bǔ)償元件的波段光柵140。在這種情況下，硅芯片100被配置為輸出多個(gè) 光束，其中每個(gè)處于不同波長。
[0103] 轉(zhuǎn)到圖10,根據(jù)實(shí)施例的硅芯片100上的激光器的另一多頻率腔示意圖。圖10類似 于圖9,除了腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120被省略，因?yàn)榇諲端口 WDM解復(fù)用濾波器905是 充分地窄帶以消除對(duì)單獨(dú)的光學(xué)帶通濾波器120的需要。在圖10中，粗N端口 WDM解復(fù)用濾波 器905現(xiàn)在是滿足腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120的所有先前描述的參數(shù)的窄帶N端口 WDM解復(fù)用濾波器。圖10是圖2中示出的激光器的多頻率示意圖，并且硅芯片100現(xiàn)在包括 (直接)被定位在模式轉(zhuǎn)換器16之后的窄帶N端口波分復(fù)用(CWDM)解復(fù)用濾波器905。如以上 所指出的，窄帶N端口WDM解復(fù)用濾波器905的輸入端口連接到模式轉(zhuǎn)換器16以接收光，并且 粗N端口 WDM解復(fù)用濾波器905的輸出端口連接到其各自的I-N個(gè)電路25。例如，窄帶N端口 WDM解復(fù)用濾波器905可以在輸入端處接收來自模式轉(zhuǎn)換器16的處于不同波長的光，使得窄 帶N端口 WDM解復(fù)用濾波器905按波長將光解復(fù)用(分離)并將每個(gè)波長的光輸出給個(gè)體輸出 端口。輸出端口連接到電路25，并且I-N個(gè)電路25中的每個(gè)包括有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧 器元件130和輸出耦合器波段反射光柵光學(xué)濾波器140。在這種情況下，硅芯片100被配置為 輸出多個(gè)光束，其中每個(gè)處于不同波長。除了包含了窄帶N端口 WDM解復(fù)用濾波器905并移除 了腔內(nèi)傳輸模式光學(xué)帶通濾波器120之外，圖10中的硅芯片100如圖1中所討論的操作。
[0104] 圖11圖示了根據(jù)實(shí)施例的配置半導(dǎo)體芯片100的方法1100?，F(xiàn)在可以參考圖1、2、9 和10。在框1105處，將光學(xué)增益芯片10附接到半導(dǎo)體襯底30上。
[0105] 在框1110處，提供在半導(dǎo)體襯底30上的集成光子電路25,并且將光學(xué)增益芯片10 光學(xué)親合到集成光子電路25以由此形成激光腔24。
[0106] 在框1115處，集成光子電路25包括具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué) 光柵濾波器140、有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130以及腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器120。
[0107] 在框1120處，將具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器140、有 源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件130以及腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器120光學(xué)耦合在一起。
[0108] 模式轉(zhuǎn)換器16被耦合在光學(xué)增益芯片10與集成光子電路25之間。具有無源相位補(bǔ) 償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器140被配置為在一定溫度范圍上將凈往返相位變 化減少到4JT內(nèi)的。溫度范圍是0-85攝氏度。
[0109] 具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器140包括分布式反射器 光柵元件(例如，如圖3所示）。分布式反射器光柵元件在第一端部處具有較小間距并且在第 二端部處具有較寬間距。分布式反射器光柵元件被配置為通過經(jīng)增大的指數(shù)約定（index contract)、利用增大的溫度來縮短激光腔24的有效腔(長度）。分布式反射器光柵元件具有 細(xì)長方向（例如長度)和寬度方向。分布式反射器光柵元件沿著細(xì)長方向（例如，長度)改變 間距以使得分布式反射器光柵元件從在第一端部處的較小間距變化并且增大到在第二端 部處的較寬間距。
[0110] 當(dāng)N端口解復(fù)用濾波器905被包含在硅芯片100上時(shí)，硅芯片100包括具有無源相位 補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器140(如圖9和10所示）。盡管圖9和10示出不同 的實(shí)施方式。N端口解復(fù)用濾波器905被配置為將不同波長的光提供給多（I-N)個(gè)集成光子 電路25中的個(gè)體集成光子電路。在圖9和10中，模式轉(zhuǎn)換器16被耦合在光學(xué)增益芯片10與粗 N端口 WDM解復(fù)用濾波器905之間。
[0111] 將指出，各種半導(dǎo)體器件制作方法可以被用于制作本文討論的部件/元件，如本領(lǐng) 域技術(shù)人員理解的。在半導(dǎo)體器件制作中，各種處理步驟落入四種大致類別:沉積、去除、圖 案化以及電性質(zhì)的修改。
[0112] 沉積是將材料生長、涂覆或以其他方式轉(zhuǎn)移到晶片上的任何工藝?？捎玫募夹g(shù)包 括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、電化學(xué)沉積(ECD)、分子束外延(MBE)以及較新 的原子層沉積(ALD)以及其他。
[0113] 移除是將材料從晶片去除的任何工藝:示例包括工藝(濕或干）以及化學(xué)機(jī)械平坦 化（chemical-mechanical planarization--CMP)、等等。
[0114] 圖案化是對(duì)被沉積材料的成形或更改，并且一般被稱為光刻。例如，在傳統(tǒng)光刻 中，晶片被涂覆有被稱為光刻膠的化學(xué)品；之后，被稱為光刻機(jī)的機(jī)器使掩膜聚焦、對(duì)準(zhǔn)和 移動(dòng)，暴露在短波長光下面的晶片的選擇部分;被暴露區(qū)通過顯影液來洗掉。在蝕刻或其他 處理之后，剩余的光刻膠被去除。圖案化還包括電子束光刻。
[0115] 電性質(zhì)的修改可以包括摻雜，例如摻雜晶體管源極和漏極，一般通過擴(kuò)散和/或通 過離子注入。這些摻雜工藝跟隨有爐退火或快速熱退火(RTA)。退火用于激活所植入的摻雜 劑。
[0116] 附圖中的流程圖和框圖圖示了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)、方法和計(jì)算機(jī)程 序產(chǎn)品的可能實(shí)施方式的體系結(jié)構(gòu)、功能和操作。在這一點(diǎn)上，流程圖或框圖中的每個(gè)框可 以表示包括用于實(shí)施(一個(gè)或多個(gè))指定的邏輯功能的一個(gè)或多個(gè)可執(zhí)行指令的指令的模 塊、片段或部分。在一些備選實(shí)施方式中，框中指出的功能可以不以附圖中指出的順序發(fā) 生。例如，取決于涉及的功能，連續(xù)示出的兩個(gè)框?qū)嶋H上可以基本上同時(shí)地被運(yùn)行，或各框 可以有時(shí)以相反的順序被運(yùn)行。還將指出，框圖和/或流程圖中的每個(gè)框以及框圖和/或流 程圖中的框的組合能夠通過執(zhí)行指定功能或動(dòng)作或執(zhí)行專用硬件和計(jì)算機(jī)指令的組合的 基于專用硬件的系統(tǒng)來實(shí)施。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種半導(dǎo)體芯片，包括： 光學(xué)增益芯片，所述光學(xué)增益芯片被附接到半導(dǎo)體襯底；以及 在所述半導(dǎo)體襯底上的集成光子電路，所述光學(xué)增益芯片被光學(xué)耦合到所述集成光子 電路以由此形成激光腔，其中所述集成光子電路包括： 有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件； 腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器；以及 具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器； 其中所述有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、所述腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源 相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲇H合器波段反射光學(xué)光柵濾波器被光學(xué)親合在一起。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片，還包括被耦合在所述光學(xué)增益芯片與所述集成 光子電路之間的模式轉(zhuǎn)換器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑ǘ?反射光學(xué)光柵濾波器被配置為在一溫度范圍上將凈往返相位變化減少到切內(nèi)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體芯片，其中所述溫度范圍是0-85攝氏度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體芯片，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑ǘ?反射光學(xué)光柵濾波器包括分布式反射器光柵元件。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體芯片，其中所述分布式反射器光柵元件在第一端部處 具有較小間距并且在第二端部處具有較寬間距； 其中所述分布式反射器光柵元件被配置為通過增大的指數(shù)約定、利用增大的溫度來縮 短所述激光腔的有效腔。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體芯片，其中所述分布式反射器光柵元件具有細(xì)長方向 和寬度方向； 其中所述分布式反射器光柵元件沿著所述細(xì)長方向改變間距以使得所述分布式反射 器光柵元件從在所述第一端部處的所述較小間距變化并且增大到在所述第二端部處的所 述較寬間距。8. -種配置半導(dǎo)體芯片的方法，所述方法包括： 提供被附接到半導(dǎo)體襯底的光學(xué)增益芯片；以及 提供在所述半導(dǎo)體襯底上的集成光子電路，所述光學(xué)增益芯片被光學(xué)耦合到所述集成 光子電路以由此形成激光腔，其中所述集成光子電路包括： 有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件； 腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器；以及 具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器； 其中所述有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、所述腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器以及具有無源 相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲇H合器波段反射光學(xué)光柵濾波器被光學(xué)親合在一起。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括將模式轉(zhuǎn)換器耦合在所述光學(xué)增益芯片與所述 集成光子電路之間。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔?學(xué)光柵濾波器被配置為在一溫度范圍上將凈往返相位變化減少到切內(nèi)。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述溫度范圍是0-85攝氏度。12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔?學(xué)光柵濾波器包括分布式反射器光柵元件。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述分布式反射器光柵元件在第一端部處具有 較小間距并且在第二端部處具有較寬間距； 其中所述分布式反射器光柵元件被配置為通過增大的指數(shù)約定、利用增大的溫度來縮 短所述激光腔的有效腔。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述分布式反射器光柵元件具有細(xì)長方向和寬 度方向； 其中所述分布式反射器光柵元件沿著所述細(xì)長方向改變間距以使得所述分布式反射 器光柵元件從在所述第一端部處的所述較小間距變化并且增大到在所述第二端部處的所 述較寬間距。15. -種半導(dǎo)體芯片，包括： 光學(xué)增益芯片，所述光學(xué)增益芯片被附接到半導(dǎo)體襯底； N端口解復(fù)用濾波器；以及 在所述半導(dǎo)體襯底上的多個(gè)集成光子電路，所述光學(xué)增益芯片被光學(xué)耦合到所述多個(gè) 集成光子電路以由此形成激光腔，其中所述多個(gè)集成光子電路各自包括： 具有無源相位補(bǔ)償?shù)妮敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器； 有源腔內(nèi)熱光光學(xué)相位調(diào)諧器元件；以及 腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器； 其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑ǘ畏瓷涔鈱W(xué)光柵濾波器、所述有源腔內(nèi)熱 光光學(xué)相位調(diào)諧器元件、所述腔內(nèi)光學(xué)帶通濾波器被光學(xué)耦合在一起;并且 其中所述N端口解復(fù)用濾波器被配置為將不同波長的光提供給所述多個(gè)集成光子電路 中的個(gè)體集成光子電路。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體芯片，還包括被耦合在所述光學(xué)增益芯片與所述N端 口解復(fù)用濾波器之間的模式轉(zhuǎn)換器。17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體芯片，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑?段反射光學(xué)光柵濾波器被配置為在一溫度范圍上將凈往返相位變化減少到切內(nèi)。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體芯片，其中所述溫度范圍是0-85攝氏度。19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體芯片，其中具有無源相位補(bǔ)償?shù)乃鲚敵鲴詈掀鞑?段反射光學(xué)光柵濾波器包括分布式反射器光柵元件。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的半導(dǎo)體芯片，其中所述分布式反射器光柵元件在第一端部 處具有較小間距并且在第二端部處具有較寬間距； 其中所述分布式反射器光柵元件被配置為通過增大的指數(shù)約定、利用增大的溫度來縮 短所述激光腔的有效腔。
【文檔編號(hào)】H01S5/14GK106058641SQ201610218109
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日 公開號(hào)201610218109.1, CN 106058641 A, CN 106058641A, CN 201610218109, CN-A-106058641, CN106058641 A, CN106058641A, CN201610218109, CN201610218109.1
【發(fā)明人】J·S·奧爾卡特
【申請(qǐng)人】國際商業(yè)機(jī)器公司