半导体芯片及对其进行配置的方法

半导体芯片及对其进行配置的方法
【专利摘要】提供了半导体芯片及对其进行配置的方法。光学增益相片被附接到半导体衬底。集成光子电路处于半导体衬底上，并且光学增益芯片光学被耦合到集成光子电路以由此形成激光腔。集成光子电路包括有源腔内热光光学相位调谐器元件、腔内光学带通滤波器以及具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器。有源腔内热光光学相位调谐器元件、腔内光学带通滤波器以及具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器光学被耦合在一起。
【专利说明】
半导体芯片及对其进行配置的方法
技术领域
[0001 ] 本发明涉及娃上的外部腔激光器(external cavity laser)，并且更具体地涉及 硅上的温度不敏感外部腔激光器。
【背景技术】
[0002] 光学腔或光学谐振器是形成针对光波的驻波谐振器的反射镜(mirror)的布置。光 学腔是激光器的主要部件，其包围增益介质并提供对激光的反馈。它们还可以被使用在光 学参量振荡器（optical parametric oscillator)和一些干涉仪（interferometer)中。被 局限于腔中的光反射多次，从而产生振动某些共振频率的驻波。产生的驻波样式(pattern) 被称为模式(mode)。纵向模式仅在频率上不同，而横向模式针对不同频率而不同并且具有 跨光束的横截面的不同强度样式。
[0003] 不同的谐振器类型通过两个反射镜的焦距和其间的距离进行区别。平面镜由于将 其对准到所需要的精度的困难而不经常使用。几何结构(谐振器类型）必须被选择使得光束 保持稳定，这意味着光束的大小不会随着多次反射而连续地增长。谐振器类型还被设计为 满足诸如最小光斑(beam waist)或在腔内部不具有焦点的其他准则。光学腔被设计为具有 大Q因子，这意味着光束将在几乎没有衰减的情况下反射很多次。因此，光束的频率线宽度 相较于激光器的频率非常小。
[0004] 局限于谐振器中的光将从反射镜反射多次，并且由于干涉的效应，仅仅辐射的某 些样式和频率将由谐振器维持，而其他被相消干扰抑制。总体上，在光通过谐振器的每个往 返(round-trip)上再生(reproduce)的福射样式是最稳定的，并且这些是谐振器的固有模 式(eigenmode)，被称为模式。
[0005] 谐振器模式能够被划分成两种类型:纵向模式，其在频率上与彼此不同；以及横向 模式，其可以在光的频率和强度样式两者上不同。谐振器的基本或基础横向模式是高斯光 束（Gaussian beam)。
[0006] 最常见类型的光学腔包括两个相面对的平面镜(平镜)或球面镜。这些中最简单的 是并行平面腔或法布里一珀罗(Fabry-Pgrot)腔，其包括两个相对的平面镜。并行平面腔谐 振器因此常常被使用在微芯片激光器、微腔激光器和半导体激光器中。在这些情况中，取代 了使用单独的反射镜，可以直接将反射光学涂层涂覆到激光介质本身。

【发明内容】

[0007] 根据一个实施例，提供一种半导体芯片。芯片包括被附接到半导体衬底的光学增 益芯片和在半导体衬底上的集成光子电路。光学增益芯片光学被耦合到集成光子电路以由 此形成激光腔。集成光子电路包括有源腔内热光光学相位调谐器元件、腔内光学带通滤波 器以及具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器。有源腔内热光光学相位 调谐器元件、腔内光学带通滤波器以及具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅 滤波器被光学親合在一起。
[0008] 根据一个实施例，提供一种配置半导体芯片的方法。方法包括提供被附接到半导 体衬底的光学增益芯片，以及提供在半导体衬底上的集成光子电路。光学增益芯片光学被 耦合到集成光子电路以由此形成激光腔。集成光子电路包括有源腔内热光光学相位调谐器 元件、腔内光学带通滤波器以及具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波 器。有源腔内热光光学相位调谐器元件、腔内光学带通滤波器以及具有无源相位补偿的输 出親合器波段反射光学光栅滤波器光学被親合在一起。
[0009] 根据一个实施例，提供一种半导体芯片。半导体芯片包括被附接到半导体衬底的 光学增益芯片、N端口解复用滤波器和在半导体衬底上的多个集成光子电路。光学增益芯片 被光学耦合到多个集成光子电路以由此形成激光腔。多个集成光子电路各自包括具有无源 相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器、有源腔内热光光学相位调谐器元件以及 腔内光学带通滤波器。具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器、有源腔 内热光光学相位调谐器元件、腔内光学带通滤波器光学被耦合在一起。N端口解复用滤波器 被配置为将不同波长的光提供给多个集成光子电路中的个体集成光子电路。
[0010] 通过本发明的技术意识到额外的特征和优点。本文详细描述本发明的其他实施例 和方面并且将其视为要求保护的本发明的一部分。为了更好地理解本发明的优点和特征， 引用说明书和附图。
【附图说明】
[0011] 被认为是本发明的主题被特别指出并被明显地要求保护在本说明书的结尾处的 权利要求中。本发明的前述描述和其他特征以及优点将从结合附图进行的下面的详细描述 变得显而易见，在附图中：
[0012] 图1图示了根据一实施例的硅芯片上的激光器的单频率腔示意图；
[0013] 图2图示了根据一实施例的硅芯片上的激光器的单频率腔示意图；
[0014] 图3A图示了示出根据实施例的相位如何变化以及无源相位补偿温度如何对应地 变化的图表；
[0015] 图3B图示了根据实施例的具有细节的无源腔内传输模式光学相位补偿元件的示 意图；
[0016] 图4图示了根据实施例的示例腔内传输模式光学带通滤波器；
[0017] 图5A图示了根据实施例的有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件作为宽带 热光调谐器的实施方式；
[0018] 图5B图示了根据实施例的有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件作为窄带 热光调谐器的另一实施方式；
[0019] 图6图示了根据实施例的示例输出耦合器波段反射光栅光学滤波器；
[0020] 图7图示了根据实施例的模式转换器的示例；
[0021] 图8图示了根据实施例的功率监测器的示例实施方式；
[0022] 图9图示了根据实施例的硅芯片上的激光器的多频率图；
[0023] 图10图示了根据实施例的硅芯片上的激光器的另一多频率图；以及
[0024] 图11图示了根据实施例的配置半导体芯片的方法。
【具体实施方式】
[0025] 尽管激光可能是最纯粹形式的光，但是其不是单一的纯粹频率或波长。所有激光 器产生在特定自然带宽或频率范围上的光。激光器的工作带宽主要由激光器由其构造的增 益介质(gain medium)和由激光器可以在其上工作的频率范围（被称为增益带宽）确定。
[0026] 用于确定激光器的发射频率的第二因素是激光器的光学腔(或谐振腔）。在最简单 的情况下，这包括彼此相面对的包围激光器的增益介质（同样地该布置被称为法布里一珀 罗腔）的两个平面镜(平镜）。由于光是波，当在腔的反射镜之间弹射时，光将与其本身相长 地且相消地干涉，从而导致在反射镜之间的驻波或模式的形成。这些驻波形成频率的离散 集合，被称为腔的纵向模式（longitudinal mode)。这些模式仅仅是自我再生的光的频率并 且允许由谐振腔振荡，而光的所有其他频率被相消干涉抑制。针对简单平面镜腔，被允许的 模式是针对其反射镜的分隔距离L是光的波长λ的一半的确切倍数的那些模式，使得L = qA/ 2，其中q是被称为模式阶数(mode order)的整数。
[0027] 在简单的激光器中，这些模式中的每个独立地振荡，在彼此之间没有固定关系，基 本上如同全部发射在稍微不同的频率的光的独立激光器的集合。在每个模式中的光波的个 体阶段不固定并且可以由于诸如激光器的材料中的热变化（即温度)之类的情况而随机地 变化。在具有仅仅几个振荡模式的激光器中，在模式之间的干涉能够导致在激光器输出中 的跳动(beating)效应，从而导致强度的波动。在具有数千模式的激光器中，这些干涉效应 倾向于平均到接近恒定的输出强度。
[0028] 实施例被配置为提供温度不敏感（即热不敏感)光学激光腔。根据实施例，硅上的 温度不敏感外部腔激光器提供各种益处：
[0029] (1)成本降低能够通过简化激光器制作(fabrication)和消除作为产率局限的工 作波长容差来实现。激光频率通过具有高制作精度和没有额外成本的固有可调谐性的用硅 制作的部件来设置。
[0030] (2)激光频率的稳定能够通过在工作范围中的任何期望温度处的硅制作部分中的 有源器件或无源器件来实现。
[0031 ] (3)相对强度噪声(Relative intensity noise--RIN)可以通过腔长度增加和 高消光腔内光学滤波器(high-extinction intra-cavity optical filter)来减少(性能 改善）。
[0032] (4)在无源腔中使用的窄带滤波器可以通过按收发器比特率的的时间门控调制器 来实现芯片上硅隔离器。
[0033] ( 5 ) 111-V芯片与记录计划分布式反馈（p I an_of-record d i s tr ibut ed feedback--DFB)激光器相同，除了光栅(grating)制作步骤由激光器供应商省略。
[0034] 现在转到附图，图1图示了根据实施例的硅芯片100上的激光器的单频率腔示意 图。硅芯片100是激光器或激光器系统。尽管硅可以被讨论作为示例芯片和衬底材料，但是 应理解可以利用包括锗片的其他半导体材料。
[0035] 硅芯片100具有安装在硅芯片100的衬底30(例如晶片)上的III-V芯片IOtJII-V芯 片10还可以被称为III-V裸片、III-V半导体芯片、和/或光学增益芯片/介质，如本领域技术 人员将理解的。安装在硅芯片100的衬底30上的III-V芯片10的组合可以被称为混合式硅激 光器。混合式硅激光器是由硅和III-V族半导体材料两者制作的半导体激光器。III族和V族 是周期表上的指代。混合式途径利用III-V半导体材料的发光性质结合硅的加工成熟度来 在能够与其他硅光子器件集成的晶片上制作电驱动激光器。
[0036] III-V芯片10可以是激光二极管，激光二极管是电栗浦半导体激光器，其中有源 (增益)介质由半导体二极管的类似于在发光二极管中发现的p-n结的p-n结(P型掺杂区和η 型掺杂区）形成。激光二极管在电学上是PIN二极管(也被称为p-i-n二极管），其是在ρ型(P) 半导体区与η型(N)半导体区之间具有宽的未掺杂的本征（intrinsic--1)半导体区的二 极管。P型区和η型区通常被重掺杂，因为它们被用于欧姆接触。激光二极管的有源(增益）区 处于本征（I)区中，并且载体（即，电子和空穴)分别从N区和P区被栗入到本征（I)区中。尽管 在简单的P-N二极管上进行了初始二极管激光器研究，但是现代激光器使用双异质 (double-heterostructure)实施方式，其中载体和光子被局限以便使其用于重组和光生成 的几率最大化。与在电子器件中使用的普通二极管不同，针对激光二极管的目标在于所有 载体在I区中重组并且因此产生光。因此，激光二极管使用直接带隙半导体来制作。激光二 极管外延结构使用晶体生长技术中的一个来生长，通常从N掺杂衬底开始并且使I掺杂活性 层生长，跟随有P掺杂包覆层(cladding layer)以及接触层。活性层通常包括量子阱，其提 供较低阈值电路和较高效率。对特定激光二极管进行供电的方法是使用光学栗浦(optical pumping)。光学栗浦的半导体激光器（optically pumped semiconductor lasers-- OPSL)使用III-V半导体芯片10作为增益介质，并且使用另一激光器(常常是另一二极管激 光器)作为栗浦源。本领域技术人员理解使用III-V半导体芯片来使用和操作激光器。
[0037] 回来参照图I，III-V芯片10在一个端部上具有高后反射（high rear reflective--HR)涂层面元（facet) 12并且在另一端部上具有抗反射 (antiref Iective--AR)涂层面元14。光在III-V芯片10的增益区（本征区（I))中强度增 加。
[0038] III-V芯片10被附接/安装到硅芯片100并且通过本领域技术人员已知的任何倒装 芯片(fl ip-chip)或引线键合选项来对准以进行光学耦合。III-V芯片10 (例如，混合式硅激 光器)是由硅和III-V族半导体材料两者制作的光源，其中III-V族半导体材料可以包括例 如铟（III)磷化物(V)、镓(III)砷化物(V)、氮(V)、等1模式转换器16被耦合到III-V芯片 10。在一种情况下，模式转换器16可以与以如本领域技术人员将理解的针对低插入损耗和 反射的类似要求将分布式反馈激光器(DFB)耦合所需要的模式转换器相同。模式转换器16 (还被称为模式大小转换器)包括允许在不同大小的模式之间的高效耦合的光学器件。模式 (大小)转换器(或模式大小适配器)是能够被用于扩展或收缩(contract)横向空间维度中 的模式的光学器件。例如，模式转换器能够将激光二极管中的波导的非常微小模式扩展到 适合于光学滤波器的模式的大小。
[0039]模式转换器16将III-V芯片10耦合到波导(waVeguide)20。尽管示意性地被示出为 完全在III-V芯片10的外部，但是应理解模式转换部件16还可以包括制作在III-V芯片10上 的部件，例如具有主要增益波导部分的不同维度的有源或无源波导部分。波导20连接到硅 芯片100上的各种腔内光学元件120、130和140,如本领域技术人员理解的。示出的腔内光学 元件120和130的顺序是任意的并且不意味着限制性的。应预见到，腔内光学元件120和130 的任意顺序是可能的。腔内光学元件120、130、140可以是制作在硅芯片100的硅衬底30上的 外部集成光子电路25。
[0040] 激光腔24被形成在III-V增益芯片10与外部集成光子电路25之间，具体在HR面元 12与波段反射光栅140之间。为了提供针对下面的讨论的基础，电场E的主导极性的幅值或 激光谐振器中的模式幅度将被描述为时间t和纵向位置z的函数。坐标系被定义使得III-V 芯片(元件10)的HR面元(元件12)是z = 0。针对模式幅度的表达式可以之后由函数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。实值A fcirward(Z)和Areverse (ζ)函数定义遭受来自腔内元件的损失和增益的激光器中的向前传播场和向后传播场的幅 度。剩余的变量被定义如下：ω是感兴趣光学模式的角频率;T是局部温度（即，严格地为T (z));k(co，z，T)是针对给定纵向位置和温度的给定角频率的光学模式的波矢量。为清楚起 见，来自腔内元件的反射的效应被忽略并且与从通过腔内滤波器发射得到的相位变化相关 联的细节被忽略。所有腔内元件被处置为具有任意的k(z，ω，T)特性的波导。
[0041] 如定义的激光腔之后支持由谐振器的往返相长干涉条件确定的纵向模式ω〇， ω 1，…ω心连续统（continuum)。如在本领域内众所周知的，当往返传播的累积光学相位Φ 等于2π的整数倍时满足该干涉条件。使用以上惯例并且将针对给定模式角频率和局部温度 的波动反射光栅140内的有效反射的位置定义为ζ〃（ ω，Τ)，往返相位由以下给出：
[0042]
[0043]为了简化分析，将分别针对III-V芯片10和硅外部腔25考虑均匀的频率无关模式 有效指数nm-v(T)和nSi(T)的情况。针对在III-V芯片10与硅外部腔25之间的界面的纵向坐 标之后被定义为Z 7，其中两个腔的长度分别一分为二为Lm-V和Lsi(T)。娃外部腔25的长度 仍然在该分析中由于ζ〃（ ω，T)而被认为是依赖温度的，但是频率依赖性被忽略。得到的往 返相位能够之后简单地通过在有效指数、角频率和光的真空速度c面元扩展光矢量来表示 作为位置的函数：
[0044]
[0045] 强制执行相位匹配条件，工作模式的角频率c〇m可以被表示为：
[0046]
[0047] 现在，下面在以上对c〇m(T)的影响的上下文中讨论在外部集成光子电路25中的腔 内光学元件120、130、140的另外的细节。
[0048]腔内光学元件120是具有等于或小于腔法布里一珀罗(F-P)共振的自由光谱范围 的全宽半峰(ful 1-width half-maximum--FWHM)的腔内传输模式光学带通滤波器120。该 滤波器的目的是要提供通过损耗鉴别（loss discriminatio)的工作纵向模式选择，使得滤 波器谐振频率被有源调谐为以期望的为中心，同时提供针对相邻纵向模式COm^1和 ωω+1的充分的往返腔损耗鉴别以防止不期望的模式到达激光阈值并提供充分的边模式抑 制比率（side mode suppression ratio)。腔内滤波器的窄带宽得到与差Δω = | c〇f-com| 的幅值成比例的激光输出功率的减少。这使得激光器的输出功率能够被监测为用于通过任 一模式的有源控制使腔内滤波器谐振频率与纵向工作模式匹配的反馈参数。
[0049]腔内传输模式光学带通滤波器120的谐振频率之后通过消热(athermal)设计或有 源控制、根据温度而在激光器操作全程中被保持恒定（除了启动初始化或在有意地调制的 情况下）。针对带通滤波器的消热设计的示例包括通过改变硅/二氧化硅干涉仪中的波导宽 度和长度或在硅纳米线环式谐振器滤波器上引入诸如TiO 2的消极热光材料包层 (cladding)的模式热光系数补偿。有源控制的示例包括基于温度传感器反馈信号来控制集 成加热器功率。
[0050] 在诸如环式谐振器的低自由光谱范围滤波器的情况下，腔内传输模式光学带通滤 波器120还必须被设计为使得自由光谱范围大于波段反射光栅140的FWHM反射带宽的一半。 该条件确保带通滤波器的其他纵向模式阶数不提供备选的低往返损耗的纵向激光腔工作 模式。
[0051] 腔内光学元件130是有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130。有源腔内传 输模式热光光学相位调谐器元件130可以包括宽带波导部分或窄带滤波器，例如在全通传 输相位控制配置中的一个或多个环式谐振器滤波器。有源腔内传输模式热光光学相位调谐 器元件130被配置为基于诸如激光器输出功率的适当的反馈参数的测量值来在激光器操作 的经补偿的温度范围（例如，0摄氏度到85摄氏度）内将往返腔相位调节为恒定值。有源腔内 传输模式热光光学相位调谐器元件130提供激光器工作模式的往返相位φ的有源控制，并 且这意味着有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130需要控制相位的功率。在往返 腔相位的先前讨论的上下文中，在环境温度T amb上被供电到升高的温度△ Tt_的给定波长 Lt_的有源相位调谐器130经由通过调谐器的有效热光系！
调节△ T将工作模式频率 控制为恒定值ω /，也就是独立于Tamb :
[0052]
[0053]腔内光学元件140是为激光器输出耦合器同时根据温度减少净往返相位变化(net round trip phase change)的具有无源相位补偿的波段(band)反射光栅。针对带内反射率 的有关设计范围在5%与80%之间。如针对元件120所讨论的，具有无源相位补偿的波段反 射光栅140的全宽半峰(FWHM)反射率带宽必须小于带通光学滤波器120的无光谱范围的两 倍。
[0054]波段反射光栅140的无源相位补偿性质通过设计有效反射镜位置的温度依赖性z〃 (ω，T)来完成，以得到更短的有效硅腔长度Lsi(T)，同时增大温度以分别补偿III-V和硅波
导的位置有效热光系藝 期望设计条件则是： s
[0055]
[0056] 该设计方法针对具体设计的工作温度范围将期望激光器纵向工作模式的往返相 位限制在小的总相位变化范围内。持续的单一模式操作要求在激光操作的经补偿的温度范 围（例如，〇摄氏度到85摄氏度)上、剩余的往返相位改变处于有源腔内传输模式热光相位调 谐器130的控制范围内，例如牡。假设腔往返相位变化关于温度是单调的，则示例情况则可 以被表示为：
[0057]
[0058] 无源相位补偿的设计可以通过光栅的有效反射镜位置的温度依赖性来理解，并且 因此Ls1 2〃（〇^，1')。针对均匀的光栅，来自光栅的输入的有效反射镜位置^^(?，1')可以根 据耦合强度κ( ω，T)和总光栅长度Lg被写为：
[0059]
[0060] 针对热补偿的最简单的形式，耦合强度温度依赖性能够使κ( ω，Τ)最大化，使得有 效光栅长度被减小以补偿激光腔的剩余部分的积极热光系数。该补偿水平可以对于具有强 反射光栅的短激光器是足够的。
[0061 ] 对净腔热光系数(net cavity thermo-optic coefficient)的更强补偿可以以恰 当设计的啁嗽光栅（chirped grating)来实现。在啁嗽光栅中，有效指数η和光栅间距 (pitch) Λ能够根据位置而变化。针对给定频率ω，得到最大反射率的光栅间距Amax( ω，η) 被近似为：
[0062]
[0063] 在先前的变量定义的上下文中考虑针对往返腔相位的无源相位补偿的线性啁嗽 光栅的设计。光栅中的有效指数将被近似为恒定的并且等于未受干扰的硅腔n Sl(T)。根据位 置的光栅间距将根据啁嗽速率f和对应于针对在参考温度To处的标称(nominal)工作模式 的最大反射率调节的中心间距ω m来写为：
[0064]
[0065] 为了简化分析，我们可以将有效反射镜位置处置为被定义为其中光栅间距使针对 在温度T处的工作模式角频率的反射率最大化的点。我们之后对以该效应可以提供的温 度获得硅腔长度Ls i的变化感兴趣。替换来自先前方程的变量，相对于温度取导数并忽视高 阶项，我们可以获得以下关系：
[0066]
[0067] 利用针对无源热光相位补偿准则的先前设计准则来实现热不敏感激光操作，所需 要的光_咽瞅参教可以^后被参教化为，
[0068]
[0069]该近似的啁嗽参数被导出并被提供以提供离散设计实例但是不是针对所公开的 激光腔的严格准则。耦合和有效指数温度依赖性两者都必须被考虑以选择正确的啁嗽参 数。一般地，所需要的啁嗽参数得到"红啁嗽"光栅，使得dA/dz是正值。应当指出，该准则与 选择负d Λ/dz以改进噪声特性的传统外部腔啁嗽光栅设计相反。在该配置中的正d Λ/dz啁 嗽设计的优点通过由紧凑集成腔设计实现的大纵向激光腔模式无光谱范围消除。
[0070]硅芯片100上的激光器系统的激光束(输出）由功率监测器18监测。功率监测器18 耦合到波导20。硅芯片100上的激光器系统中的功率监测被用于控制腔内相位以维持有效 单模式操作，用于无错误链接操作，并且用于使用在工作温度(例如，0-85Γ)上的激光器。 功率监测器18可以是腔内（即，在激光腔24中）和/或在输出耦合器波段反射光栅光学滤波 器140之后。在一个情况下，使功率监测器18在输出親合器波段反射光栅光学滤波器140之 后但是在任何其他集成系统部件之前可以是较好的实施方式(但不一定是必需的）。功率监 测器18可以是从输出波导20对接親合(butt coupled)到小接头（small tap)(例如，1 %方 向親合器）的普通检测器和/或内联功率检测器（inline power detector)，例如收集来自 缺陷状态吸收的光子生成的载体的侧向硅PIN二极管。
[0071]图2图示了根据另一实施例的硅芯片100上的激光器的单频率腔示意图。图2中的 硅芯片100上的激光器的单频率腔示意图与图1相同，除了具有无源相位补偿的波段反射光 栅140的腔内光学相位补偿特性被省略，使得激光输出耦合器光栅由具有与元件140共享的 所有其他反射特性的标准波段反射光栅150限定。
[0072]如以上在图1中所指出的，图2中的硅芯片1002包括具有等于或小于腔法布里一珀 罗(F-P)谐振的无光谱范围的两倍的全宽半峰(FWHM)的腔内传输模式光学带通滤波器120、 有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130、具有在10%与50%之间的范围中的波段 中反射率和等于或大于带通光学滤波器120的无光谱范围的两倍的全宽半峰(FWHM)带宽的 输出親合器波段反射光栅光学滤波器140。娃芯片100上的激光器系统的激光束(输出）由功 率监测器18监测。由于在图2中省略了具有无源相位补偿的波段反射光栅140的无源腔内光 学相位补偿特性，但是图2中的硅芯片100必须完全依赖于维持有源腔内传输模式热光光学 相位调谐器元件130中的相同相位φ，这意味着需要更多的功率来维持激光束的相位。
[0073] 传输函数(transmission function)是腔内传输模式光学带通滤波器120和法布 里一珀罗(F-P)腔的积。传输函数形式上是针对给定统一幅度和相位输入模式的单一输出 模式的各种光学频率的幅度和相位特性。备选地，传输函数可以被定义为针对感兴趣的各 种输入和输出模式的光学系统的瞬态脉冲响应的傅里叶变换。
[0074] 针对具有良好边模式抑制比率的单一模式操作，腔内传输模式光学带通滤波器 120的FWHM应当小于法布里一珀罗(F-P)自由光谱范围（FSR)。在腔内传输模式光学带通滤 波器120与法布里一珀罗无光谱范围(FSR)之间的）低比率是较好的。无光谱范围(FSR)是在 干涉仪或衍射光学元件的两个连续的反射的或传输的光学强度最大值或最小值之间的光 学频率或波长的间隔。
[0075] 在传统可调谐激光器中，在将腔内滤波器波长移动(例如通过转动衍射光栅）以使 F-P和滤波器模型相匹配的同时调节腔长度。未能同步地调节两者(腔长度和腔内滤波器波 长)导致模式跳跃或多模式操作。
[0076] 如本文所指出的，温度变化导致激光束的波长/相位变化。根据实施例，温度不敏 感激光器操作由腔设计和/或有源控制提供。腔内传输模式光学带通滤波器120波长通过有 源控制(有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130)和/或消热设计(具有无源相位补 偿的波段反射光栅的无源腔内光学相位补偿特性)而在操作全程(除了激光器启动初始化 之外）中保持恒定。腔内滤波器的峰值传输角频率之后被认为在操作中是恒定的并且独 立于环境温度。通过使如由腔内或腔外光学功率监测器18测量的输出功率最大化，而将法 布里一珀罗腔（g卩，激光腔24)的激光模式通过在温度上将腔内相位有源控制在经补偿的往 返相位变化内来锁定到腔内传输模式光学带通滤波器120。这可以通过考虑传输腔内滤波 器的在谐振角频率处的光学带通滤波器传输T fllter(COf)与在工作激光器模式的角频率处 的光学带通滤波器传输Tfllter(Com)之间的比率TR来理解：
[0077]
[0078]由于大于1的TR的任何值导致激光器输出功率相对于其中ωη= 〇^的情况的减少， 所以其是针对温度无关的稳定化激光器工作频率的期望工作条件。确保滤波器FWHM(在腔 内传输模式光学带通滤波器中）与法布里一泊罗模式间隔（Fabry-Perot mode spacing一一FSR)的比率小于1:1保证强的与输出功率相关的错误信号以用于对腔内相位 的鲁棒控制。该条件还确保ω 总是小于针对TR〈2的ω 或ω m+1的TR，从而确保反馈回 路具有充分大的错误信号以持续地在工作温度范围上在激光腔的单一纵向模式中控制操 作。基于监测功率监测器18,有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130调节激光腔24 中的光的相位并且因此控制如由方程53描述的co m。激光波长可以之后在操作的温度范围 中被维持而不经历法布里一珀罗模式阶数的变化（即没有模式跳跃）以维持无错误链接操 作。
[0079]要指出，下面为便于理解而非限制而提供副标题。
[0080]无源热光相位补偿
[0081] 图3A图示了示出（III-V芯片10的HII-V增益区如何随着工作温度的变化而改变 激光束的相位的图300。由于衬底30上的温度的增加，存在III-V增益区波形302中的相位的 增加（即相位变化)和得到波形305的现有技术硅无源腔中的相位的增加（即相位变化）。波 形302和305两者都示出随着硅芯片100的温度的增加的相位的增加。然而，具有无源相位补 偿的波段反射光栅140的腔内光学相位补偿特性的无源相位补偿波形310无源地被配置为 补偿(III-V芯片10的HII-V增益区的相位变化并且补偿得到的典型硅无源腔305的相位变 化。现有技术系统将要求有源相位控制（即在功率之外）以补偿图3A中示出的相位的增加但 是图1不会(必要地)需要有源相位控制，尽管源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130 可以（可选地)被利用。即使在图1中的硅芯片100中利用有源腔内传输模式热光光学相位调 谐器元件130,由有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130需要较少的功率，因为具 有无源相位补偿的波段反射光栅140的无源腔内光学相位补偿特性补偿相位变化。
[0082] 图3B图示了根据实施例的具有无源热光相位补偿的细节的具有无源相位补偿的 波段反射光栅140的无源腔内光学相位补偿特性的示意图。在一个情况下，具有无源相位补 偿的波段反射光栅140的无源腔内光学相位补偿特性可以是在左侧具有较小间距以补偿对 应于硅芯片100的温度的增加的(光的）相位的增加的分布式反射器光栅。具有无源相位补 偿的波段反射光栅140的左侧更靠近III-V芯片10并指向III-V芯片10,而右侧进一步远离 III-V芯片10。间距（线性地和/或逐渐地)从左边增大到右边(较小间距到较宽间距），使得 在右侧上的较宽间距补偿对应于(硅芯片100的)温度的减小的相位的减小。因此，当硅芯片 1 〇〇的衬底30上的温度(在工作温度(例如，0-85 °C)内）增大和/或减小时，存在对应于的间 距变化(从小间距到宽间距）以匹配具有无源相位补偿的波段反射光栅140的无源腔内光学 相位补偿特性的相位/波长的变化。在左侧上的较小间距反射具有高温度(较高相位和较小 波长)的光，而在右侧上的较宽间距反射具有较低温度(较低相位和较长波长)的光。
[0083]腔内滤波器
[0084]图4图示了根据实施例的示例腔内传输模式光学带通滤波器120。在一个实施方式 中，腔内传输模式光学带通滤波器120可以是环式谐振器的任何配置，例如具有适合于激光 腔结构的恰当的无光谱范围（FSR)和带宽的马赫曾德尔(Mach-Zehnder)和/或光栅传输模 式滤波器。在该实施方式中，图4示出了具有用于输入和输出管的连接波导20的环式谐振 器。环式谐振器具有接收功率以便控制环式谐振器的温度的加热器(例如，电阻器或电阻元 件）。环式谐振器的滤波器谐振频率要在激光器操作中被维持。在示例腔内传输模式光学带 通滤波器120中，图4示出了前上方途径，其是被热控制（由此控制环式谐振频率)到高于硅 芯片100中的激光器系统的最大设计操作环境温度的恒定温度的一阶环式谐振器滤波器。 [0085]还被称为光学环式谐振器的环式谐振器是一组波导，其中至少一个是耦合到光输 入和输出的特定排序的闭合回路。这些可以是但不限于波导。在光学环式谐振器后面的概 念使用光并服从在相长干涉和总内部反射后面的性质。当谐振波长/频率的光从输入波导 穿过回路时，光由于相长干涉而在多个往返上加强强度并被输出到用作检测器波导的输出 总线波导。因为仅仅选择的几个波长将在回路内的谐振处，所以光学环式谐振器用作滤波 器。额外地，两个或更多个环式波导可以被耦合到彼此以形成加/减光学滤波器。
[0086] 有源往返相位控制
[0087]图5A和5B示出了根据实施例的有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130的 两个不同示例。尽管提供了示例，但是在总范围大致为（~)4π的情况下相位控制的任何方 法是合适的。
[0088] 图5Α图示了有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130作为宽带热光调谐器 的实施方式(其可以是优选的但不一定是必需的），因为宽带热光调谐器的零幅度响应和易 于控制。宽带热光调谐器具有其中光进入和传出的波导20和加热器505。电流可以被施加到 加热器505以有源地控制往返相位。
[0089] 图5Β图示了根据实施例的有源腔内传输模式热光光学相位调谐器元件130作为窄 带热光调谐器(环式谐振器全通滤波器）的另一实施方式。窄带热光调谐器也是合适的，但 是增加了针对谐振频率控制的复杂度。窄带热光调谐器示出具有两个环式谐振器510的波 导20,并且每个环式谐振器具有用于控制带宽的加热器505。
[0090] 还要指出，可以在硅腔中和/或在III-V裸片中利用载体注入调谐器，但是载体注 入调谐器增加幅度波动的复杂度。
[0091] 反射器
[0092] 图6图示了根据实施例的示例输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140。在一个实 施方式中，输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140可以是标准的侧壁(sidewall)光栅(部 分蚀刻或完全蚀刻），其是针对基本激光器操作的具有在10%与50%之间的带内反射率的 适当的输出耦合器。侧壁光栅的带内反射率由（III-V芯片10的）III-V电流增益特性、无源 腔损耗、耦合效率以及输出功率确定。
[0093] 侧壁光栅的带宽可以被设计为在没有复合腔内滤波器特性的配置中具有针对非 激光滤波器阶数峰值(例如，在一个情况下，峰值可以大于(>)3dB)的至少1分贝（dB)抑制反 射率，否则复合腔内滤波器特性抑制备选的滤波器阶数传输率。使用侧壁光栅，包括了随着 根据增大的温度的有效腔长度的减小的往返腔相位的补偿。
[0094]模式转换器
[0095]图7图示了根据实施例的模式转换器16的示例。可以应用到绝缘体上硅(SOI)波导 模式耦合器的任何标准激光器和封装策略。效率和反射率的要求与针对稳定单一模式操作 的要求绑定在一起。理想反射率Ie4(通过有角度的面元界面能够实现)可以被放松为与允 许III-V裸片IOHR背面涂层面元12和输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140(例如，输出 耦合器光栅)主导腔法布里一珀罗特性的高效率耦合方案中的1% -样高。
[0096] 功率监测器
[0097] 图8图示了根据实施例的功率监测器的示例实施方式。功率监测器18可以具有连 接到P+掺杂硅接触的N+掺杂硅接触。波导20通过功率监测器18侧向地连接。在功率监测器 18中生成与波导功率(即光束)成比例的光电流，并且光电流垂直于波导20流动。
[0098] 由激光器系统中的功率监测器18监测的功率对于控制腔内相位是重要的在工作 温度上使用所提出的激光器来维持高效单一模式操作以用于无错误链接操作。
[0099] 功率监测器18可以是腔内的和/或在输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140(即 输出耦合器光栅)之后。将功率监测器18定位在输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140之 后但是在任何其他集成系统部件之前可以是更好的实施方式(但不一定是必需的）。
[0100]功率监测器18可以是从输出波导20对接耦合到小接头（例如，1%方向耦合器）的 普通检测器和/或内联功率检测器，例如收集来自缺陷状态吸收的光子生成的载体的侧向 硅PIN二极管。
[0101] 现在离开副标题，讨论图9和图10中的多波长操作。多波长操作可以采用N端口解 复用滤波器，例如由MZI针对收发器应用开发的马赫曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer--MZI) CWDM 滤波器。
[0102] 图9图示了根据实施例的硅芯片100上的激光器的多频率腔示意图。在图9中，硅芯 片100现在包括(直接)被定位在模式转换器16之后的粗(Coarse)N端口波分复用(WDM)解复 用(multiplexing)滤波器905。粗N端口WDM解复用滤波器905的输入端口（IN)连接到模式转 换器16以接收光，并且粗N端口 WDM解复用滤波器905的输出端口连接到其各自的I-N个电路 25。如能够看到的，存在多个输出端口。例如，粗N端口 WDM解复用滤波器905可以在输入端处 接收来自模式转换器16的处于不同波长的光，使得粗N端口 WDM解复用滤波器905按波长将 光解复用(分离)并将每个波长的光输出给个体输出端口。输出端口连接到电路25,并且I-N 个电路25各自包括腔内传输模式光学带通滤波器120、有源腔内热光光学相位调谐器元件 130和具有无源相位补偿元件的波段光栅140。在这种情况下，硅芯片100被配置为输出多个 光束，其中每个处于不同波长。
[0103] 转到图10,根据实施例的硅芯片100上的激光器的另一多频率腔示意图。图10类似 于图9,除了腔内传输模式光学带通滤波器120被省略，因为粗N端口 WDM解复用滤波器905是 充分地窄带以消除对单独的光学带通滤波器120的需要。在图10中，粗N端口 WDM解复用滤波 器905现在是满足腔内传输模式光学带通滤波器120的所有先前描述的参数的窄带N端口 WDM解复用滤波器。图10是图2中示出的激光器的多频率示意图，并且硅芯片100现在包括 (直接)被定位在模式转换器16之后的窄带N端口波分复用(CWDM)解复用滤波器905。如以上 所指出的，窄带N端口WDM解复用滤波器905的输入端口连接到模式转换器16以接收光，并且 粗N端口 WDM解复用滤波器905的输出端口连接到其各自的I-N个电路25。例如，窄带N端口 WDM解复用滤波器905可以在输入端处接收来自模式转换器16的处于不同波长的光，使得窄 带N端口 WDM解复用滤波器905按波长将光解复用(分离)并将每个波长的光输出给个体输出 端口。输出端口连接到电路25，并且I-N个电路25中的每个包括有源腔内热光光学相位调谐 器元件130和输出耦合器波段反射光栅光学滤波器140。在这种情况下，硅芯片100被配置为 输出多个光束，其中每个处于不同波长。除了包含了窄带N端口 WDM解复用滤波器905并移除 了腔内传输模式光学带通滤波器120之外，图10中的硅芯片100如图1中所讨论的操作。
[0104] 图11图示了根据实施例的配置半导体芯片100的方法1100。现在可以参考图1、2、9 和10。在框1105处，将光学增益芯片10附接到半导体衬底30上。
[0105] 在框1110处，提供在半导体衬底30上的集成光子电路25,并且将光学增益芯片10 光学親合到集成光子电路25以由此形成激光腔24。
[0106] 在框1115处，集成光子电路25包括具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学 光栅滤波器140、有源腔内热光光学相位调谐器元件130以及腔内光学带通滤波器120。
[0107] 在框1120处，将具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器140、有 源腔内热光光学相位调谐器元件130以及腔内光学带通滤波器120光学耦合在一起。
[0108] 模式转换器16被耦合在光学增益芯片10与集成光子电路25之间。具有无源相位补 偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器140被配置为在一定温度范围上将净往返相位变 化减少到4JT内的。温度范围是0-85摄氏度。
[0109] 具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器140包括分布式反射器 光栅元件(例如，如图3所示）。分布式反射器光栅元件在第一端部处具有较小间距并且在第 二端部处具有较宽间距。分布式反射器光栅元件被配置为通过经增大的指数约定（index contract)、利用增大的温度来缩短激光腔24的有效腔(长度）。分布式反射器光栅元件具有 细长方向（例如长度)和宽度方向。分布式反射器光栅元件沿着细长方向（例如，长度)改变 间距以使得分布式反射器光栅元件从在第一端部处的较小间距变化并且增大到在第二端 部处的较宽间距。
[0110] 当N端口解复用滤波器905被包含在硅芯片100上时，硅芯片100包括具有无源相位 补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器140(如图9和10所示）。尽管图9和10示出不同 的实施方式。N端口解复用滤波器905被配置为将不同波长的光提供给多（I-N)个集成光子 电路25中的个体集成光子电路。在图9和10中，模式转换器16被耦合在光学增益芯片10与粗 N端口 WDM解复用滤波器905之间。
[0111] 将指出，各种半导体器件制作方法可以被用于制作本文讨论的部件/元件，如本领 域技术人员理解的。在半导体器件制作中，各种处理步骤落入四种大致类别:沉积、去除、图 案化以及电性质的修改。
[0112] 沉积是将材料生长、涂覆或以其他方式转移到晶片上的任何工艺。可用的技术包 括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)以及较新 的原子层沉积(ALD)以及其他。
[0113] 移除是将材料从晶片去除的任何工艺:示例包括工艺(湿或干）以及化学机械平坦 化（chemical-mechanical planarization--CMP)、等等。
[0114] 图案化是对被沉积材料的成形或更改，并且一般被称为光刻。例如，在传统光刻 中，晶片被涂覆有被称为光刻胶的化学品；之后，被称为光刻机的机器使掩膜聚焦、对准和 移动，暴露在短波长光下面的晶片的选择部分;被暴露区通过显影液来洗掉。在蚀刻或其他 处理之后，剩余的光刻胶被去除。图案化还包括电子束光刻。
[0115] 电性质的修改可以包括掺杂，例如掺杂晶体管源极和漏极，一般通过扩散和/或通 过离子注入。这些掺杂工艺跟随有炉退火或快速热退火(RTA)。退火用于激活所植入的掺杂 剂。
[0116] 附图中的流程图和框图图示了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程 序产品的可能实施方式的体系结构、功能和操作。在这一点上，流程图或框图中的每个框可 以表示包括用于实施(一个或多个)指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令的指令的模 块、片段或部分。在一些备选实施方式中，框中指出的功能可以不以附图中指出的顺序发 生。例如，取决于涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本上同时地被运行，或各框 可以有时以相反的顺序被运行。还将指出，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流 程图中的框的组合能够通过执行指定功能或动作或执行专用硬件和计算机指令的组合的 基于专用硬件的系统来实施。
【主权项】
1. 一种半导体芯片，包括： 光学增益芯片，所述光学增益芯片被附接到半导体衬底；以及 在所述半导体衬底上的集成光子电路，所述光学增益芯片被光学耦合到所述集成光子 电路以由此形成激光腔，其中所述集成光子电路包括： 有源腔内热光光学相位调谐器元件； 腔内光学带通滤波器；以及 具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器； 其中所述有源腔内热光光学相位调谐器元件、所述腔内光学带通滤波器以及具有无源 相位补偿的所述输出親合器波段反射光学光栅滤波器被光学親合在一起。2. 根据权利要求1所述的半导体芯片，还包括被耦合在所述光学增益芯片与所述集成 光子电路之间的模式转换器。3. 根据权利要求1所述的半导体芯片，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波段 反射光学光栅滤波器被配置为在一温度范围上将净往返相位变化减少到切内。4. 根据权利要求3所述的半导体芯片，其中所述温度范围是0-85摄氏度。5. 根据权利要求1所述的半导体芯片，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波段 反射光学光栅滤波器包括分布式反射器光栅元件。6. 根据权利要求5所述的半导体芯片，其中所述分布式反射器光栅元件在第一端部处 具有较小间距并且在第二端部处具有较宽间距； 其中所述分布式反射器光栅元件被配置为通过增大的指数约定、利用增大的温度来缩 短所述激光腔的有效腔。7. 根据权利要求6所述的半导体芯片，其中所述分布式反射器光栅元件具有细长方向 和宽度方向； 其中所述分布式反射器光栅元件沿着所述细长方向改变间距以使得所述分布式反射 器光栅元件从在所述第一端部处的所述较小间距变化并且增大到在所述第二端部处的所 述较宽间距。8. -种配置半导体芯片的方法，所述方法包括： 提供被附接到半导体衬底的光学增益芯片；以及 提供在所述半导体衬底上的集成光子电路，所述光学增益芯片被光学耦合到所述集成 光子电路以由此形成激光腔，其中所述集成光子电路包括： 有源腔内热光光学相位调谐器元件； 腔内光学带通滤波器；以及 具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器； 其中所述有源腔内热光光学相位调谐器元件、所述腔内光学带通滤波器以及具有无源 相位补偿的输出親合器波段反射光学光栅滤波器被光学親合在一起。9. 根据权利要求8所述的方法，还包括将模式转换器耦合在所述光学增益芯片与所述 集成光子电路之间。10. 根据权利要求8所述的方法，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波段反射光 学光栅滤波器被配置为在一温度范围上将净往返相位变化减少到切内。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述温度范围是0-85摄氏度。12. 根据权利要求8所述的方法，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波段反射光 学光栅滤波器包括分布式反射器光栅元件。13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述分布式反射器光栅元件在第一端部处具有 较小间距并且在第二端部处具有较宽间距； 其中所述分布式反射器光栅元件被配置为通过增大的指数约定、利用增大的温度来缩 短所述激光腔的有效腔。14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述分布式反射器光栅元件具有细长方向和宽 度方向； 其中所述分布式反射器光栅元件沿着所述细长方向改变间距以使得所述分布式反射 器光栅元件从在所述第一端部处的所述较小间距变化并且增大到在所述第二端部处的所 述较宽间距。15. -种半导体芯片，包括： 光学增益芯片，所述光学增益芯片被附接到半导体衬底； N端口解复用滤波器；以及 在所述半导体衬底上的多个集成光子电路，所述光学增益芯片被光学耦合到所述多个 集成光子电路以由此形成激光腔，其中所述多个集成光子电路各自包括： 具有无源相位补偿的输出耦合器波段反射光学光栅滤波器； 有源腔内热光光学相位调谐器元件；以及 腔内光学带通滤波器； 其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波段反射光学光栅滤波器、所述有源腔内热 光光学相位调谐器元件、所述腔内光学带通滤波器被光学耦合在一起;并且 其中所述N端口解复用滤波器被配置为将不同波长的光提供给所述多个集成光子电路 中的个体集成光子电路。16. 根据权利要求15所述的半导体芯片，还包括被耦合在所述光学增益芯片与所述N端 口解复用滤波器之间的模式转换器。17. 根据权利要求15所述的半导体芯片，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波 段反射光学光栅滤波器被配置为在一温度范围上将净往返相位变化减少到切内。18. 根据权利要求17所述的半导体芯片，其中所述温度范围是0-85摄氏度。19. 根据权利要求15所述的半导体芯片，其中具有无源相位补偿的所述输出耦合器波 段反射光学光栅滤波器包括分布式反射器光栅元件。20. 根据权利要求19所述的半导体芯片，其中所述分布式反射器光栅元件在第一端部 处具有较小间距并且在第二端部处具有较宽间距； 其中所述分布式反射器光栅元件被配置为通过增大的指数约定、利用增大的温度来缩 短所述激光腔的有效腔。
【文档编号】H01S5/14GK106058641SQ201610218109
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月8日 公开号201610218109.1, CN 106058641 A, CN 106058641A, CN 201610218109, CN-A-106058641, CN106058641 A, CN106058641A, CN201610218109, CN201610218109.1
【发明人】J·S·奥尔卡特
【申请人】国际商业机器公司