专利名称：使用锥形波导的集成垂直波长(去)复用器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光子技术领域，更具体地说，涉及III-V复合半导体材料 的光子集成电路。
背景技术：
受带宽需求量大的各种应用的驱动，光宽带接入网络已经在过去几年得到 了飞速的发展，成为在同一光纤上向用户终端传输数据、视频和语音的新的三 重播放(tripleplay)电信业务的核心。光纤向接入网的深入渗透伴随着沿光纤 链路驱动数据流量所需的光学器件的大量部署。具体而言，需要在每个光路末 端或/和网络用户接口处设置用于接收下行数据流和发送上行数据信号的光收 发器。因此，制造这些器件时的成本效率和容量比例縮放性正逐渐成为大规模 生产的主要要求。
因此，将不同的功能单片集成在一个光子芯片(photonic chip)内的光子 集成电路(PIC)，因其能够使用高容量半导体晶圆生产技术实现复杂光学电路 的生产，成为了备受关注的技术和器件解决方案。这一技术提供了动态减小器 件占用面积(footprint)的能力，避免了多次封装的问题，消除了多次光学对 准，并最终在消费光子产品的量产时达到了前所未有的成本效率和容量可縮放 性。
实际应用中，当有源波导器件(active waveguide device)例如激光或光电 检测器与无源波导器件(passive waveguide device)以及波导电路的元件相结 合，在芯片上通过最小的、优选仅仅一个光输入和/或输出端口形成高度功能集成的光子系统时，pic技术的优势变得特别令人瞩目。由于通过电学装置发
出、检测或有意地改变(例如，调制)光信号的有源器件通常都是由人造半导 体制成的，该人造半导体具有带隙结构以适应其特定应用的功能和波长范围，
该半导体是PIC的基底材料的自然选择。例如，磷化铟(InP)和相关的III-V 半导体是用于光纤通信的pic所用的通用材料系统，因为它们唯一允许在感兴 趣的频谱范围(例如1310nm和1490nm (或1555nm)频带)内工作的有源和 无源器件被结合在同一 InP基底上。
由于由外延生长的半导体异质结构制成的PIC内的任何波导器件的功能 是通过其频带结构预先确定的，更具体地说，是通过特征在于在所有波导层中 具有最窄带隙的波导核心层的带隙波长(以下称为波导带隙波长)预先确定的， 功能不同的器件是由不同但相容的半导体材料制成的。这是一个基本要求，对 PIC和设计和生产两者都具有深远的影响。具有不同波导核心区的多个波导器 件的单片集成本质上可通过以下三种方法之一来实现
□直接对接耦合(direct butt-coupling);利用执行多步外延生长的能力， 包括选定区域的蚀刻和再生长，以提供期望的半导体材料，其使用穿 过PIC芯片的公共垂直平面来进行水平方向上的空间区分； □改进的对接耦合(modified butt-couping);利用单次外延生长周期内 半导体材料生长的选定区域后生长(post-growth)更改来形成所需半 导体材料区，也在穿过pic芯片的垂直导向公共平面上进行空间区分; 以及
□渐逝场耦合(evanescent-field coupling);在单个外延生长步骤内生长 的垂直分隔开但光耦合的波导，被用来提供期望的半导体材料，其现 在以PIC芯片的公共垂直堆叠来区分。 尽管这三种主要的集成技术每一种都具有自己的优点和缺点，只有最后一 种，以下称为垂直集成，能够使得在每一波导器件被单独优化的同时仅仅使用 一个外延生长步骤和标准的半导体生产工艺例如干和湿蚀刻来生产出整个 PIC。因此，基于商业可用的半导体工艺，将设计灵活性和成本有效的生产方 法的适用性相结合，使得垂直集成方法成为用于瞄准逐渐形成的消费光子市场的各种应用的唯一多功能PIC平台。
光通信领域内的这种市场的一个例子是宽带光接入市场，其中所需的用于 接收、处理和发送不同波长的光信号的双向光收发器的比例是光器件工业中所
不常见的，而是接近电子消费产品。因此，用于宽带光接入的基于PIC的光收
发器为垂直集成平台提供了一种诱人且自然的应用。
使用这种半导体平台的PIC设计者所面对的一个主要挑战是在功能不同
且垂直方向上分开的光波导之间提供有效的光信号转换，从而提供对性能要求 的遵从性和对高容量生产工艺的偏差的强解决方案。在同一光子电路内的不同 组合中检测、处理和发出不同波长范围内的光信号的这种光纤传输系统应用 中，功能和结构不同的光波导之间的这些垂直转换应该还具有不同程度的波长
特异性，且该波长特异性是PIC设计空间内的另一变量。特别是，在垂直集成 技术领域内存在提供波长配置(以下称为垂直波长(去)复用器(VWM))的 需求，以实现垂直方向上合并和分离不同波长范围内的光信号，从而在使用中， 每个特定波长范围内的信号从指定波长(通用)的输入波导转到到通用(这一 指定波长)的输出波导，而不会明显地与其他指定波长的波导相互影响。
尽管对PIC技术内的这种VWM有核心要求，在现有技术中还没有出现 对VWM的已知一般解决方案。现有技术中出现的最接近的相关设计与波长选 择性定向耦合器相关，并是基于谐振栅格辅助耦合的(例如R.C. Alfemess， et al., "Grating-assisted InGaAsp InP vertical co-directional coupler filter", i5/ )^. 丄e".， Vol. 55， P. 2011, 1989)或谐振渐逝场耦合的。谐振渐逝场耦合被进一步细 分为使用平面波导的解决方案(例如，V. Magnin， et al， "Design and Optimization of a丄3/1.55-(im Wavelength Selective p-i-n Photodiode Based on Multimode Diluted Waveguide",舰￡户/zo组歸wo/.丄e".， Vol. 17， No. 2, pp. 459-461， 2005)、直脊形波导(straight ridge waveguides)(例如，C. Wu， et al., "A Vertically Coupled InGaAsP/InP Directional Coupler Filter of Ultra-narrow Bandwidth", /五五五尸/zoto". 7k^"o/ogy丄幼.，Vol. 3, No. 6， pp. 519-521， 1991)和锥形脊形波导 (tapered ridge waveguides)(例如，C.-W. Lee et al.， "Asymmetric Waveguides Vertical Couplers for Polarization-Independent Coupling and Polarizarion-ModeSplitting", / Z妙麵ve Tec/wo/" Vol. 23, No. 4， pp. 1818-1826， 2005)。
对谐振栅格辅助设计的分析显示，这些仅适合于窄波长通带应用并要求栅 格是形成在用于分隔垂直结合的波导的层内的。这使得一步外延生长的使用行
不通，该一步外延生长是垂直集成平台的一个重要优点，其实现了在m-v半 导体材料上制造器件的高产量和低成本方法。
在谐振渐逝场耦合设计中，垂直集成的波导之间的传递沿传播轴以预订的 距离发生，这一位置针对光信号的波长是特定的。这大大限制了设计者设计电 路的自由度，也限制了谐振渐逝场耦合设计仅能用于窄通带应用。
此外，任一窄波长通带设计要求严密的制造公差，因为即使外延结构或/ 和器件布置的很小偏差也会导致中心波长偏移出特定通带并导致该器件对于 预期的应用是无用的。这将明显地降低了生产产量，并因此增加了符合性能的
pic器件的生产成本。
因此，通过为m-v半导体pic技术内的垂直集成方法提供增加的设计、 制造和使用灵活度来提供一种消除现有技术中的约束的解决方案将是具有优 势的。如果该方案兼容标准的半导体材料，采用仅使用一个外延生长步骤的外 延半导体结构生长方法，并支持多个垂直集成的波导器件(其中的每个波导器 件工作在与具体应用相对应的波长通带内的不同工作波长范围内)，则将更进 一步具有优势。
发明内容
本发明的目的是用于多个波长范围内的光信号的可控低损耗转换的非谐
振型绝热VWM，该光信号在相同的公共波导内同向(co-directionally)或双 向传播到多个垂直间隔开的波长指定的波导内，其中每个波导对应于特定的波 长范围，从而该公共和指定的波导都单片集成到同一半导体基底上。
拫据本发明，提供了一种半导体基底，以一个生长步骤在该基底上生长的 外延半导体结构，带隙波长正好低于任何工作波长的公共波导，以及具有不同 带隙波长的多个波长指定的波导，所有的波导形成在所述外延结构内并按带隙 波长增加的顺序垂直集成，通过半导体蚀刻工艺侧向定义并沿公共传播方向对准，其中，在公共波导内传播的多个预定波长范围内的光信号可通过将该光信 号向上转移而从这一波导转换入多个指定波导内，以及通过将该光信号向下转 移而从多个指定波导转换入这一波导。
导向的光信号从公共波导到每个指定波导的绝热垂直转换，取决于光信号
的波长、外延结构和波导布置(waveguide layout),从而在使用时，转换以由 电路设计者定义的一定距离发生，指定波导的带隙波长越长，这一波长内的导 向光在被绝热转移到合适的指定波导之前在公共波导内传播得越远。这一波导 和公共波导之间的每个指定波导的工作波长内的光转换的设计控制，通过多级 侧向逐渐变小来实现以适配沿传播方向预定距离的两个波导之间的波阻。
这一方法有利地实现了在公共波导内同向或双向传播的光信号在这一波 导和多个垂直集成的指定波导之间的垂直分离/合并，从而使得工作在不同波 长内的波导器件能够单片集成在同一基底上，且该公共波导连接至光电路的输 入/输出光端口或/和其他部分。
所述类型中最简单的集成光子配置是二-波长VWM，其中两个指定波导
形成工作在两个不同波长;u和义2内的波导器件，；u>;i2，垂直集成到同一基底 上，该基底位于连接至共用光输入或输出端口的公共波导之上，从而使得具有 较短工作波长的指定波导(以下称为第一指定波导)位置更靠近光电路的该共 用输入或输出端口，并比具有较长工作波长的指定波导(以下称为第二指定波 导)处于外延结构的更低级。
二-波长VWM内以及用于此的任何其他VWM内的公共波导，实质上是 无源波导，因为其带隙波长正好低于在VWM内传播的光信号的任何工作波
长。由于其关系到指定器件，这些指定器件既可以是无源波导(指定波长明显 短于带隙波长)，也可以是有源波导(指定波长接近或高于带隙波长)，或者是
无源和指定波导的任意组合。通常，无源波导用于将PIC的输入/输出光端口 连接至PIC的其他部分，但是它也可以是另一集成光子电路配置的一部分，例
如可以是定向耦合器或任何类型的平面(去)复用器，其在工作时不需要光-
电或电-光转换。通常，具有PIN结构的有源波导相反地用于提供光-电或电-
光转换，例如光信号的生成(激光器)或检测(光电检测器)。在以下描述的二-波长VWM的典型实施例中，两指定波导均是有源波导，但本领域的普通技术人员很容易得知如何将相同的设计和工作原理扩展到无源波导或有源和无源波导的组合。
在二-波长VWM的第一典型实施例中，第一指定波导器件是激光器，第二指定波导器件是光电检测器，因此能够实现单片集成的双向收发器，其中输入的光信号在较长波长内接收，而输出的光信号在较短的波长内生成。在^二1310nm且义2二1490nm (或可替换选择的1555nm)的特定情况下，这一实施例涉及用于光纤入户(FTTH)无源光网络内的光网络单元(ONU)应用的单光纤双向光收发器。
在二-波长VWM的第二典型实施例中，第一指定波导器件是该检测器，而第二指定波导器件是该激光器，因而能够实现单片集成的逆双向收发器，其中输入的光信号在较短的波长内检测到，而输出的光信号在较长的波长内生成。在^二1490nm (或可选择替换的1555nm)且^ = 1310nm的特定情况下，这一实施例涉及用于FTTH无源光网络内的光路终端(OLT)应用的单光纤双向光收发器。
在二-波长VWM的第三典型实施例中，第一和第二指定波导器件两者都是激光器，从而实现单片集成的双色发射器，其中输出的光信号在两个不同的波长范围内单独地生成。
在二-波长VWM的第四典型实施例中，第一和第二指定波导两者都是光
电检测器，从而实现单片集成的双色接收器，其中输入的光信号在两个不同波长范围内单独地检测到。
对本领域的普通技术人员显而易见的是，具有多波长的发射器和接收器的其他组合也是可能的，具有无源或有源波导之间或其组合的多个等级的进一步集成.
下面将结合附图对本发明的典型实施例进行描述，附图中
图1是提供具有一个公共波导和两个指定波导的二-波长集成VWM的本发明二个实施例的三维立体示意图2a是二-波长接收器实施例中的光信号流的示意图；图2b是二-波长发射器实施例中的光信号流的示意图；图2c是具有较短波长的发射器和较长波长的接收器的双向收发器内的光
信号流的示意图2d是具有较短波长的收发器和较长波长的发射器的双向收发器内的光信号流的示意图2e是用于图1的双工器(diplexer)的一个实施例的典型外延结构的示意图3a定义了图1所示的实施例的三个截面的位置，该截面垂直于传播方
向；
图3b呈现了图1所示实施例的第一截面内第一波长A, = 1310nm内的导向光学模式(opticalmode)的二维轮廓；该截面内，第二波长义2= 1555nm内的导向光学模式的二维轮廓近似于第一波长々二1310nm内的；
图3c呈现了图1所示实施例的第二截面内看到的第一波长;U二1310nm内
的导向光学模式的二维轮廓；
图3d呈现了图1所示实施例的第二截面内看到的第二波长A2二1555nm内
的导向光学模式的二维轮廓；
图3e呈现了图l所示实施例的第三截面内看到的第二波长义2二1555nm内的导向光学模式的二维轮廓；
图4呈现了第一和第二波长^二1310nm和A2=1555nm内的传播模式的有效指数(effective index),以图2所示的本发明的实施例内的第一指定波导的锥形宽度的函数绘制出；
图5是本发明提供具有改进的滤波特性的二-波长集成VWM的另一典型实施例的三维立体示意图。
具体实施例方式
图1示出了本发明提供二-波长VWM 150的第一实施例的三维立体示意图，特征在于一个公共波导110和两个指定波导120和130，集成在同一半导体基底100上。
这三个波导110到130中的每个波导具有通过带隙波长AG定义的导向层，该带隙波长;i(3长于周围覆层内的波长。公共波导no的导向层内的带隙波长Ao)短于第一指定波导120的带隙波长;icH，第一指定波导120的带隙波长/^
进而短于第二指定波导13o的带隙波长&2，即/ia)<;icH<aC2。换言之，所有这
三个波导110到130都垂直集成，并通过半导体处理步骤在纵向上(即传播方
向)按照它们的导向层内增长的带隙波长的顺序进行区分。
假设有两个工作波长范围，以波长;i,ioi和义2io2为中心，以下简便起见
称为工作波长A 101和;i2 102。两个工作波长A 101和/12 102均长于公共波导
的带隙波长，并接近或低于他们的对应指定波导的导向层内的带隙波长，即
义G0〈义1 (2)〈义G2 (l)o
本领域的普通技术人员理解的是，来自群III和V的直接带隙半导体具有折射率n，该折射率取决于其带隙波长;i(j和光场波长A之间的关系，从而在任何给定;i下，义e越长，n越高，但是对于任意给定&，在义=^的临近区域内反常色散的窄波长范围外侧义越长，n越低。因此理解的是，图l所示的波导配置中，在任意工作波长下，三个波导110到130中每个波导内的导向层具有的折射率高于临近层内的折射率，其是这一层周围的光场的垂直限制(verticalconfinement)的条件o
然而，这一条件对于这样的限制实际发生来说是不足够的。导向层的折射率高于临近层以支持局限于这一层周围的导向模式的这一能力，还取决于波导的侧向结构。具体来说，若该蚀刻在这一层之上停止的话，通过垂直蚀刻侧向定义的脊形波导(ridge waveguide)内的所述导向层总是支持至少一种导向模式，这种情况在以下被称为浅蚀刻脊形波导，但是若蚀刻穿通这一层的话，不支持任何导向模式，这种情况在以下被称为深蚀刻脊形波导，且脊的宽度w比某关键的截止宽度(cut-offwidth) Wco还窄。最后的参数取决于波长，从而
对于给定的层结构和波导布置，义越短，wc;o(;i)越窄，；i越长，W (义)越宽，
从而实现波长敏感的导向，当对于给定的脊宽w，根据截止条件Wco(;ia )二"H;确定的比;ico短的波长下的光场被导向，而较长波长下的光场未被导向。图i所示的波导配置的层结构和布置，被设计成对于公共波导no具有浅
蚀刻脊形波导112，对于第一指定波导120具有深蚀刻脊形波导122、 124、 126，对于第二指定波导130具有深蚀刻脊形波导132和134，从而在使用时，对于任何给定光偏振
O在两个波长^ 101和义2 102中的每一个下，公共波导110仅支持一种导向光学模式；
O第一指定波导120具有其基本模式的截止波长高于第一波长^101
且低于第二波长&102，即义^;iaM^l2;以及〇第二指定波导130具有其基本模式的截止波长高于第二波长义2102，即&02>&。第一和第二指定波导120和130实际仅在他们的导向层作为深蚀刻脊的一部分出现且脊的宽度大于脊的截止宽度时，分别可导向这些层内的光场。因此，通过将层结构设计成以公共和指定波长波导为特征从而使公共波导110内的弱导向光学模式与其上的指定波导短暂耦合，以及通过使指定波导120和130内的脊形层(ridge layers)侧向逐渐变小，便可创建公共波导110内的光学模式绝热地转移到第一和第二指定波导120、 130内的条件。
在二-波长VWM 150内，第一指定波导锥状部122与公共波导层110上的锥状部112的结合，用于在公共波导110和第一指定波导120之间的两个方向中的任一方向上绝热地传输波长^101下的光信号，并且同样，第二指定波导锥状部132与第二指定波导脊下的第一指定波导120脊级的另一锥状部128的结合，用于在公共波导IIO和第二指定波导130之间的两个方向中任一方向上绝热地传输波长A2 102下的光信号。依据本发明这一实施例的层结构和波导布置的设计，提供了单片集成的二-波长VWM150，其中在公共波导内同向或双向传播的不同波长范围内的两光信号，可从两个不同的指定波长波导内垂直(去J复用。
图1所示的这一实施例中还示出了指定触点125和127结合接地触点116和118，用于向第一指定波导120的两个不同的波导部分124和126 (分别例如激光二极管和背光监视器光电二极管)提供有源功能性，这两个波导部分通
过窄且深的沟槽140来彼此电隔离。所示的第二指定波导130具有单个接地触点129和单个驱动触点131，例如在光电检测器内。
现在，参见图2a，示出了图1的二-波长VWM 150的第一种可能配置的光信号流。参见图2a，示出了二-波长接收器的实施例，其中，较短波长信号211，例如^二1310nm，与下部的第一指定波导120耦合并被吸收。第二较长波长光信号212，例如^二1555nm，通过与公共波导110相连的公共光端口进入该设备，穿过第一指定波导而未被其明显影响，并进而耦合至上部的第二指定波导130并在其内被吸收。
图2b示出了图1的二-波长VWM 150的第二种可能的配置的光信号流。参见图2b，示出了二-波长发射器的实施例，其中，较短波长信号221，例如^二1310nm，在下部的第一指定波导120内生成并耦合至公共波导110。第二较长波长光信号222，例如义2二1555nm，在上部的第二指定波导130内生成并同样地耦合至公共波导110，通过该公共波导110，其到达公共光端口而未被第一指定波导明显影响。
图2c示出了二-波长VWM 150的第三种可能的配置的光信号流，其中，其被配置成ONU双向收发器。此处，第一较短波长信号231 ，例如= 1310nm，在下部的第一指定波导120内生成并耦合至公共波导110以从二-波长VWM150中传送。第二较长波长光信号232，例如义2二1555nm，通过公共光端口耦合进入二-波长VWM 150的VWM公共波导110内，光信号在其内传播而未被第一指定波导明显影响，直到该光信号耦合至上部的第二指定波导130并在其内被吸收。
图2d示出了二-波长VWM 150的第四种可能的配置的光信号流，其中其被配置成OLT双向收发器。此处，第一较短波长信号241，例如A二1310nm，被耦合进入二-波长VWM 150的公共波导110内，并进而进入下部的第一指定波导120并在其内被吸收。第二较长波长光信号242，例如义2二1555nm，在上部的第二指定波导130内生成并进而耦合至公共波导110，该光信号在其内传播到光端口而未被第一指定波导明显影响，以便从二-波长VWM 150中传送。进一步的详细描述将结合图2e所示的典型层结构来给出，该层结构利于图1中的第一实施例的布置，与图2c的ONU双向收发器配置相关的二-波长VWM 150。 二-波长VWM 150提供有1310nm激光器以生成输出的光信号，并提供有1555nm光电检测器以用于接收输入的光信号。该器件结构在半绝缘InP基底250上示出并包括
层251 lpm厚，非有意掺杂的InP缓冲层；
层252 0.6pm厚，公共波导110的非有意掺杂的GalnAsPUo二1000nm)
导向层；
层253 0.4pm厚，重N-掺杂InP光学隔离/电N-接触层；
层254 0.2nm厚，第一指定波导120的N-掺杂GaInAsPaG= lOOOnm)
单独限制异质结构导向层；层255O.llpm厚，第一指定波导120的非有意掺杂的GalnAsP/GalnAsP
紧补偿多量子井a(3=1310nm)导向层；层256 O.lpm厚，第一指定波导120的P-掺杂GaInAsPU(3= 1000nm)
单独限制异质结构导向层；层257 0.4pm厚，重P-掺杂InP光学隔离/电P-接触层；层258 0.085(im厚，第二指定波导130的非有意掺杂GalnAsP (&二
1654nm)导向层；层259 1.5pm厚，重N-掺杂InP光学覆盖/电N-接触层。参见图1，第二指定波导130的深蚀刻脊134和其锥状部132两者均通过从顶面穿过层258和259向下到层257的顶部的蚀刻来形成。第一指定波导120的深蚀刻脊124和126，以及对应的锥状部122，都是通过从层257的顶部穿过层254到257向下到层253的顶部的蚀刻来形成。最后，公共波导110的浅蚀刻脊112是通过从层253的顶部穿过这一层向下到层252的顶部的蚀刻来形成。
对于具有上述典型层结构的二-波长VWM150，公共、第一和第二波导脊110、 120和130的直线部分的宽度分别是4.0^m、 2.2pm和4.5拜。每个指定波导120和130中的侧向锥状部的宽度从直线部分开始逐渐改变到在锥状部122和132的尖端大约是0.5pm。
第一指定波导120内垂直集成的激光器的激光腔可通过例如在层257内、 激光器的P-触点125的两面上提供蚀刻的分布式布拉格(Bragg)反射器来形 成。具有一后段(back-end)功率监控器以控制激光输出是非常有利的，这在 图1所示的集成器件的情况下，很容易通过将监控器光学对接耦合至激光器来 进行设置，因为这两者共用同样的第一指定波导120。分别将激光器和监控器 部分124和126电隔离，是通过向下到N-接触层253并相对于垂直于传播方 向的平面倾斜大约7-8度的窄且深的沟槽140来实现的。
本领域的普通技术人员理解的是，通过PIC的应用和性能目的确定的集成 部件的材料系统、层结构和布置，并不限于这一典型实施例。例如，代替1555nm 范围内的较长工作波长，同样的原理可用于设计具有1490nm范围内的较长工 作波长的器件；或者，代替仅在器件的层结构内使用GalnAsP四元材料，可 将GaAlInAs四元材料加入该层结构内，特别是，形成工作在1310nm波长范 围内的激光器的量子井有源区(active region)。
现在，参见图3a，示出了二-波长VWM 150的三个截面301-303的位置， 每个截面都垂直于传播方向。第一截面301位于二-波长VWM 150中两光信 号A 101和义2 102均限制在公共波导110内的部分内。第二截面302位于二-波长VWM 150中第一光信号A 101垂直限制在第一指定波导120内而第二光 信号;12102仍然被限制在公共波导110内的部分内。最后，第三截面303位于 二-波长VWM 150中第二光信号102被限制在第二指定波导130内的部分内。 每个截面上A 101和义2 102的光学模式轮廓在图3b到图3e中示出。
图3b中所示的是典型的二-波长VWM 150的叠加有与第一和第二波长即 ^二1310nm 101和^二1555nm 102内的信号相对应的二维模式轮廓的波导截 面301。可以看出，在两工作波长中每一工作波长下，公共波导110仅支持一 种导向模式轮廓310，且在两种波长之间模式形状有微小的区别。
然而，第二截面302内的情况却非常不同，其中参见图3c，在波长^ = 1310nm 101下仅支持的二维模式是垂直限制在这一波导的导向层周围的模 式，如模式轮廓320所示，并且因此，耦合至第一指定波导的深蚀刻脊部。相反，图2d示出了波长^二1555nml02下的二维模式，其仍然垂直限制在公共 波导110的导向层内并仅仅通过其渐逝场与第一指定波导120的脊部相互作 用。
因此，尽管使用第一指定波导110的导向层的导向模式的限制因子针对第 一波长A二1310nm 101很高，同时针对第二波长义2=1555證102可被维持在 非常低的级别，例如低于1%。这使得公共波导110内的波长;i2二1555nm102 可沿二-波长VWM 150进一步传播并到达第二指定波导120，而不会与第一指 定波导IIO发生任何明显的交互。
参照图3e，示出了第三截面303，其中第二指定波导130具有深蚀刻脊部， 其高度和宽度足够支持波长^二1555nm 102中的光学模式，它垂直地限制在 它的导向层中，这从模式轮廓330可以明显看出。
现在，参见图4，光信号从公共波导到指定波导的传递，通过两个波长A 二1310nm 101和义2二1555nm 102中每个波长下传播模式的有效指数(effective index)与第一指定波导的锥状部的宽度之间的计算关系400来示出。这些仿 真中使用的集成部件的层结构和布置是图2e和图2a中分别详细示出的二-波 长VWM 150的层结构和布置。
从图表400可以清楚的看出，图4中示出的两条曲线均显示了较低和较高 有效指数下两种不同状态之间的转换，该转换因波导的深蚀刻脊部的宽度的改 变而产生。前者对应于主要限制在公共波导内的光学模式，而后者对应于主要 限制在第一指定波导的导向层内的光学模式。两种状态中的任一状态下，脊部 的宽度对模式的有效指数的影响不是非常明显，因为光场被强力地垂直限制在 脊部之下(下部状态)或之内(上部状态)的导向层内。然而，在转换范围内， 因改变脊部的宽度而导致的有效指数的改变，确实是非常明显的，因为这是传 播模式的光场从一个垂直限制模式(公共波导内)转换到另一模式(第一指定 波导内)的区域。
图4所示的图表400中需要重点指出的是第二波长/l2二1555nm 102下传 播模式的转换区域相对于第一波长A二1310nm 101下传播模式的转换区域的 偏移。从图4中可以看出，对应于主要限制在第一指定波导的导向层内的传播模式的较高有效指数状态，在第二波长义2二1555nm 102下并未达到，直到脊 部的宽度超出了4.0^im-4.5^im，如第二波长曲线402所示。相反，对于第一波 长^二1310nm101，同样的脊部宽度刚超出2.(^m-2.5pm便达到了 ，如第一波 长曲线401所示。
对于第一指定波导120的直线部分的宽度为2.2^m的实施例，如此处所 仿真的，第二波长;i2二1555nm 102下的传播模式的有效指数大约是0.06，低 于其在上部状态内的值，需要达到该值以使这一波长内的光场垂直限制在第一 指定波导120的导向层内。这是传播模式的有效指数的一个相当重要的区别， 其实现了波长义,-1310nml01和;i2-1555nml02的置信垂直(去)复用，即 使有不可避免的制造公差。仿真表明，典型的二-波长VWM 150内从公共波 导110传递到第二指定波导130的第二波长义2二1555nm 102下光信号的总插 入损耗，可被降低到低于ldB。
图3和图4所示的二-波长VWM内的传播模式的二维轮廓和有效指数的 数字仿真，是基于使用商业的波束传播方法仿真器和多层异质结构的光学性能 的显微镜计算的，在以下参考文献中己有描述V丄Tosltikhin， "Optical properties of semiconductor heterostmctures for active photonic device modeling", L Sc/e廳& rec/wo/og^， Vol. A18， pp. 605-609, 2000。
光电检测器的低插入损耗是本发明的在现有方法上采用集成ONU双工器 的形式的实施例的一个优点，其中，较短波长激光器和较长波长光电检测器既 可以是通过使用多生长步骤技术直线对接耦合的，参见例如Koch等的美国专 利5,031,188，也可以是通过使用一步外延生长垂直渐逝场耦合的，参见例如 O'Donnell等的美国专利申请US/2005/0249504。每种现有技术方法中，较长 波长光信号在耦合至光电检测器的有源波导之前，一直通过激光器的有源波导 传播。
由于重要的自由载体(free carrier),激光器的和激光监控器的波导的有源 和重掺杂接触层内的主要中介带(例如，J. Taylor and V.I. Tolstikhin， "Intervalence band absorption in Inp and related materials for optoelectronic device modeling",々 p/.Vol. 87, pp. 1054-1059， 2000)吸收，导致了光电检测器的不可接受的高插入损耗，即使光电检测器的较长波长工作范围内的光信号 在经过较短带隙波长激光器和激光监测器的波导时不经历直接带间吸收。以上 描述的实施例由于较长波长光信号被保持在公共波导内而未经由较短波长指 定波导耦合，从而消除了这一点。
本领域的普通技术人员很清楚的是，以上参照图1-3公开且通过图2e内 的二-波长VWM结构进行数字仿真的结果示出的垂直(去)复用的基本原理， 并不限于这些实施例，且相反，对于以所述类型的一个公共波导和两个指定波 导为特征的集成光学配置来说是一般性的。二-波长VWM的层结构和布置的 各种改进，例如以实现特定性能目标为目的的改进，是在该同一基本设计和工 作原理的框架内可以想得到的。
图5示出了对本发明第一实施例的这样一个改进的示意图，提供了二-波 长集成VWM 500，目的在于改进其波长滤波性能并从而降低两波长内光信号 之间可能的串扰(cross-talk),这是需要解决的一个非常重要的实际问题，特 别是在一个(发射的)信号比其他(接收的)信号强得多的收发器配置中。
一种改进中，第一指定波导由两个垂直堆叠的导向层组成，即第一双核层 530和第二双核层540，每层能够支持以该层为中心的垂直限制光学模式，其 中至少下部的一层是带隙波长正好低于第一(最短)工作波长的无源波导。参 见图5，在该二-波长集成VWM500的垂直堆叠结构内，双核第一指定层仍位 于公共波导520之上且位于第二指定波导550之下。然而，双核波导允许两步 侧向逐渐变小，这增加了器件的灵活性，并为指定波长内的光信号提供了可以 最小插入损耗从公共波导520转换到第二双核层540内的能力(例如，F. Wu， V. Tolstikhin, et al, Two画Step Lateral Taper Spot-Size Converter for Efficient Coupling to InP-Based Photonic Intergrated Circuits,尸raceed 5!P/五，Vol. 5577， pp. 213-220， 2004)。
如图所示，二-波长集成VWM 500内的第一器件组件560 (例如光发射器 或光电检测器，用于处理第一光信号A-1310nm 101)，由第一双核层530内 的第一双核锥状部531、第二双核层540内的第二双核锥状部541和第一双核 组件542来形成。二-波长集成VWM 500内的第二器件组件(例如光电检测器，用于处理第二光信号;i2二1555nm 102)，由第一双核层530内的第三双核 锥状部533、第二双核层540内的第四双核锥状部545、第二指定波导550内 的第 指定锥状部551和第一指定器件部分552来形成。
根据二-波长VWM 150作出的二-波长集成VWM 500的另一种改进中， 在第一器件组件560和第二器件组件580之间插入额外的组件570。该额外的 组件被插入在传播方向上由双核层530和540形成的第一指定波导的末端和第 二指定波导550的起始端之间。如图所示，该额外的组件570包括第一双核层 530内的第五双核锥状部532、第二双核层540内的第六双核锥状部543以及 也位于第二双核层540内的第二双核组件544。当第一指定波导是以发射激光 或吸收功能为特征的有源波导的情况下，该额外的组件(其上可或可不具有触 点)向PIC设计者提供了一种可控方法，若为第二双核组件544增加触点，以 吸收第一波长A = 1310nm 101内的残留光信号，而不影响第二波长A2 = 1555nm 102内的光信号。这可例如用于改进二-波长集成VWM 500的滤波性 能并降低第一波长A二1310nm101到第二波长A2= 1555nm 102的串扰。或者， 第一器件组件560可特别设计来用于提取并处理第一波长^二1310nm 101的 重要部分，例如使用高速光接收器(photoreceiver)检测编码数字数据，并提 供第一波长A = 1310nm 101的剩余部分给该额外的组件570，例如提供低速监 控信号以用于控制二-波长集成VWM 500的操作的一个方面或其工作所处的 光学模块。
对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，以上两种改进中的任一者或 两者可根据需求加入VWM设计中而不会改变这一集成部件的设计和操作原理。
此外，根据该集成VWM的同一设计和操作原理，对三核或多核第一指定 波导和其处于第二指定波导之前的两个或多个额外的组件的任何一般化归纳， 都是可能的。同样，以上描述的实施例可以扩展到提供VWM工作的更多数量 的离散波长或波带。这样的VWM器件的例子包括稀疏波分复用(CWDM) 和密集波分复用(DWDM)。
根据本发明还可以得出各种其它的实施例而不脱离本发明的精神实质或<formula>formula see original document page 23</formula>
权利要求
1、一种实现在III-V半导体材料系统内的集成光子配置，其特征在于，包括半导体基底，所述基底用于支持外延半导体生长；生长在所述半导体基底上的外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个生长步骤生长，并包括公共波导，所述公共波导位于所述外延半导体结构内的预定位置，以用于支持预定的第一波长范围内的光信号的传播并以至少一个带隙波长为特征；以及与所述公共波导在光学上间隔预定距离排列的多个指定波导中的至少一个，所述多个指定波导设置在所述公共波导之上以增加带隙波长且每个指定波导都支持预定第二波长范围内的光信号的传播，所述预定的第二波长范围位于所述预定的第一波长范围内。
2、 根据权利要求1所述的集成光子配置，其特征在于，所述公共波导的带隙波长比所述多个指定波导的预定第二波长范围中任一者低至少第一预定波长偏移量。
3、 根据权利要求1到2中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述公共波导的带隙波长比所述多个指定波导的预定第二波长范围中任一者低至少第二预定波长偏移量。
4、 根据权利要求1到3中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中任一个的带隙波长接近或高于所述多个指定波导中前一指定波导的工作波长，所述前一指定波导是所述多个指定波导中选定的指定波导之下最靠近的一个，所述指定波导的带隙波长位于所述前一指定波导的第三预定波长范围内。
5、 根据权利要求1到4中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，耦合至公共波导并在所述公共波导内传播且具有位于所述预定第一波长范围内的工作波长的光信号，被绝热地传递到所述多个指定波导中的一个指定波导内，而未显著地与所述多个指定波导中的任何其他指定波导进行交互，所述多个指定波导中的所述一个指定波导至少是依据光信号的工作波长来确定的。
6、 根据权利要求1到5中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的一个指定波导内生成的发射的光信号被绝热地传递给公共波导而未显著地与所述多个指定波导中的任何其他指定波导进行交互；所述发射的光信号位于所述多个指定波导中的所述一个指定波导的预定第二波长范围内并位于所述公共波导的预定第一波长范围内。
7、 根据权利要求1到6中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的每个指定波导包括至少一波导电路，所述波导电路包括光发射器和光检测器之一。
8、 根据权利要求1到7中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的每个指定波导包括至少一波导电路，所述波导电路至少根据应用于该指定波导的电极的偏压用作光发射器和光检测器之一。
9、 根据权利要求1到8中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的每个指定波导包括光发射器。
10、 根据权利要求1到9中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的每个指定波导包括光检测器。
11、 根据权利要求1到10中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的至少一个指定波导包括至少一光发射器和第一光检测器，且所述多个指定波导中的至少一个其他指定波导包括第二光检测器。
12、 根据权利要求l到ll中任一项所述的集成光子配置，其特征在于，所述多个指定波导中的至少一个指定波导包括光发射器，且所述多个指定波导中的至少一个其他指定波导包括光调制器。
13、 一种使用III-V半导体材料系统处理光信号的方法，其特征在于，包括提供一半导体基底，所述基底用于支持外延半导体生长；在所述半导体基底上生长出外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个生长步骤生长，所述生长的外延半导体结构提供至少公共波导，所述公共波导位于所述外延半导体结构内的预定位置，以用于支持预定的第一波长范围内的光信号的传播并以至少一带隙波长为特征；以及与所述公共波导在光学上间隔预定距离排列的多个指定波导中的至少一个，所述多个指定波导设置在所述公共波导之上以增加带隙波长且每个指定波导都支持预定第二波长范围内的光信号的传播，所述预定的第二波长范围位于所述预定的第一波长范围内。
14、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供所述公共波导包括提供带隙波长比所述多个指定波导的预定第二波长范围中任一者低至少第一预定波长偏移量的光波导。
15、 根据权利要求1到14所述的方法，其特征在于，提供所述公共波导包括提供具有的带隙波长比所述多个指定波导的预定第二波长范围中任一者低至少第二预定波长偏移量的光波导。
16、 根据权利要求1到15所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定波导中的任一个指定波导包括带隙波长接近或高于所述多个指定波导中前一指定波导的工作波长的任一指定波导，所述前一指定波导是所述多个指定波导中该任一指定波导之下最靠近的一个，所述指定波导的带隙波长位于所述前一指定波导的第三预定波长范围内。
17、 根据权利要求1到16所述的方法，其特征在于，提供耦合至公共波导并在所述公共波导内传播且具有位于所述预定第一波长范围内的工作波长的光信号，导致所述光信号被绝热地传递到所述多个指定波导中的一个指定波导内，而未显著地与所述多个指定波导中的任何其他指定波导进行交互，所述多个指定波导中的所述一个指定波导至少是依据光信号的工作波长来确定的。
18、 根据权利要求1到17所述的方法，其特征在于，生成所述多个指定波导中的一个指定波导内发射的光信号，导致所述发射的光信号被绝热地传递给公共波导而未显著地与所述多个指定波导中的任何其他指定波导进行交互；所述发射的光信号位于所述多个指定波导中的所述一个指定波导的预定第二波长范围内并位于所述公共波导的预定第一波长范围内。
19、 根据权利要求1到18所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导中的每个指定波导包括提供光发射器和光检测器的至少之一 。
20、 根据权利要求1到19所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导中的每个指定波导包括提供至少一波导电路，所述波导电路至少根据应用 于该指定波导的电极的偏压用作光发射器和光检测器之一。
21、 根据权利要求1到20所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导中的每个指定波导包括提供光发射器。
22、 根据权利要求1到21所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导中的每个指定波导包括提供光检测器。
23、 根据权利要求1到22所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导屮的至少一个指定波导包括提供光发射器和第一光检测器，且提供所述多 个指定波导中的至少一个其他指定波导包括提供第二光检测器。
24、 根据权利要求1到23所述的方法，其特征在于，提供所述多个指定 波导中的至少一个指定波导包括提供光发射器，且提供所述多个指定波导中的 至少一个其他指定波导包括提供光调制器，所述光调制器用于调制由所述光发 射器发射的光信号。
25、 —种计算机可读存储介质，其特征在于，其内存储有依据预定计算设 备格式的数据，且通过合适的计算设备执行所述数据，提供一电路，包括半导体基底，所述基底用于支持外延半导体生长；生长在所述半导体基底上的外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个 生长步骤生长，并包括公共波导，所述公共波导位于所述外延半导体结构内的预定位置，以 用于支持预定的第一波长范围内的光信号的传播并以至少一个带隙波长 为特征；以及与所述公共波导在光学上间隔预定距离排列的多个指定波导中的至 少一个，所述多个指定波导设置在所述公共波导之上以增加带隙波长且每 个指定波导都支持预定第二波长范围内的光信号的传播，所述预定的第二 波长范围位于所述预定的第一波长范围内。
26、 一种计算机可读存储介质，其特征在于，其内存储有依据预定计算设备格式的数据，且通过合适的计算设备执行所述数据，提供一种使用m-v半导体材料系统处理光信号的方法，包括提供一半导体基底，所述基底用于支持外延半导体生长；在所述半导体基底上生长出外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个 生长步骤生长，所述生长的外延半导体结构提供至少公共波导，所述公共波导位于所述外延半导体结构内的预定位置，以用于支持预定的第一波长范围内的光信号的传播并以至少一带隙波长为特征；以及与所述公共波导在光学上间隔预定距离排列的多个指定波导中的至 少一个，所述多个指定波导设置在所述公共波导之上以增加带隙波长且每 个指定波导都支持预定第二波长范围内的光信号的传播，所述预定的第二 波长范围位于所述预定的第一波长范围内。
全文摘要
本发明描述了一种实现在多层III-V半导体结构内的集成光子配置，包括半导体基底；以一个生长步骤生长在该基底上的外延半导体结构；公共波导；以及多个指定波长的波导；所述波导使用现有的半导体处理技术形成在该外延结构内。每个波导由其核心区域的带隙波长来定义，所有波导以递增带隙波长的顺序垂直设置；公共波导设置在该结构的底部，具有最长带隙波长的指定波长波导设置在该结构的顶部。使用时，公共波导的带隙波长正好低于任何工作波长，从而提供出每个工作波长通过公共波导低损耗传播到其指定波导的条件。本发明公开一种用于多个波长光信号的波长去复用(复用)方法，通过将其从公共波导垂直分离到各波长指定波导或从各指定波长波导合并到公共波导内，该光信号在集成光子配置内同向—或双向传播。
文档编号G02B6/12GK101529292SQ200780028493
公开日2009年9月9日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者芳 吴, 瓦莱里·I·托希凯恩 申请人:奥尼奇普菲托尼克斯有限公司