光电系统及其磷化铟基单片光子集成电路的制作方法

1.本发明涉及一种磷化铟(indium phosphide，inp)基单片光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)，其可用于例如但不限于电信应用或传感器应用。本发明还涉及一种光电系统，其可用于例如但不限于电信应用或传感器应用，其中该光电系统包括该磷化铟基单片光子集成电路。


背景技术：

2.pic，例如但不限于光通信应用领域，由于越来越多的光学和电学功能集成在单个裸晶上，正变得越来越复杂，裸晶优选地具有尽可能小的占用面积。用于pic，尤其是光通信应用的最通用的技术平台，使用包括磷化铟基半导体材料的晶圆，磷化铟基技术能够在单个裸晶上的一个pic中单片集成有源部件和无源部件，有源部件例如为产生光和/或吸收光的光学器件，无源部件例如为光导和/或光转换的光学器件。
3.与pic的封装相关的常见问题是光纤或透镜与pic的集成光波导的对准。pic的集成光波导中的光辐射集中在非常小的区域，通常是亚微米级。为了减少耦合损耗，在封装过程中，在光纤或透镜与pic的集成光波导之间的对准需要在它们相对于彼此固定就位之前进行优化。
4.通常，光纤与pic的集成光波导的对准在三个连续阶段中完成，即所谓的第一光阶段、之后的主动对准阶段和耦合测量阶段。
5.在第一光阶段中，操纵光纤以粗略地找到相对于pic的集成光波导的正确位置。为了做到这一点，由pic产生光辐射或光在集成光波导处离开pic，光纤定位在集成光波导的前面。当相对于pic的集成光波导定位在不同位置时，外部光学测量设备用于测量耦合到光纤中的光功率的量，将光纤相对于pic的集成光波导的、且耦合到光纤中的光功率的量最大的位置选择为主动对准阶段的起始位置。
6.在主动对准阶段，使用算法来执行运动轴的扫描，例如螺旋扫描，以优化耦合到光纤中的光功率的量。以此方式，可找到pic的光纤和集成光学波导相对于彼此优化对准的优化对准位置。
7.在耦合测量阶段，通常将固定量的光功率注入到位于优化对准位置的光纤中，该优化对准位置是在主动对准阶段确定的。通过使用pic的集成光电探测器测量耦合到集成光波导中的光功率的量，可以确定用于优化对准位置的耦合损耗量，在优化对准位置处确定的耦合损耗量可以用于过程控制。
8.上述通常使用的光纤到pic对准的三个阶段的缺点是执行三个阶段是相当麻烦的，并且因此限制了执行光纤到pic对准的生产站的吞吐量。因此，需要提供一种改进方式以期望的耦合损耗实现光纤到pic对准，以允许提高执行光纤到pic对准的生产站的吞吐量。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种磷化铟基单片光子集成电路，可以用于例如但不限于电信应用或传感器应用，预先阻止或至少减少至少一个上述的和/或其它的与本领域已知的光纤到pic对准相关的缺点。
10.本发明的另一目的是提供一种光电系统，可用于例如但不限于电信应用或传感器应用，该光电系统包括根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路。
11.本发明的各方面在所附独立和从属权利要求中阐述，从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征适当地组合，而不仅仅是权利要求中明确规定的那样。此外，所有特征都可以替换为其他技术上等效的特征。
12.上述目的中的至少一个通过包括第一光子组件的磷化铟基单片光子集成电路实现，该第一光子组件包括：
[0013]-第一光分路器-合路器单元，具有至少设置有第一光接口的第一端部以及至少设置有第二光接口和第三光接口的第二端部；
[0014]-第一光波导，布置成与所述第一光分路器-合路器单元的第一光接口光通信；
[0015]-第一主光子电路，布置成与所述第一光分路器-合路器单元的第二光接口光通信；以及
[0016]-第一辅光子电路，布置成与所述第一光分路器-合路器单元的第三光接口光通信，所述第一辅光子电路包括：
[0017]
第一激光单元；以及
[0018]
第一半导体光学放大器，具有布置成与所述第一光分路器-合路器单元的第三光接口光通信的第一端面以及布置成与所述第一激光单元光通信的第二端面，所述第一半导体光学放大器可配置成处于：
[0019]
第一操作状态，允许第一激光单元和第一光分路器-合路器单元之间的光通信；或
[0020]
第二操作状态，阻止所述第一激光单元和所述第一光分路器-合路器单元之间的光通信。
[0021]
根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第一主光子电路可以是任何光学电路，例如光接收器或光发射器，其通常包括复杂的inp基主激光器，例如多元件可调谐激光器。
[0022]
第一辅光子电路的第一激光单元可以用于在芯片上产生激光，该激光可以用在上述第一光阶段和随后的光纤到pic对准的主动对准阶段，而与第一主光子电路的类型无关。第一激光单元通常包括简单类型的激光器，例如法布里－珀罗(fabry-perot，fp)激光器、环形激光器、分布式反馈(distributed feedback，dfb)激光器、单段或多段分布式布拉格反射(distributed bragg reflector，dbr)激光器。本领域技术人员将理解，第一激光单元也可以使用超辐射发光二极管(super-luminescent light emitting diode，sld)或半导体光学放大器(semiconductor optical amplifier，soa)。在这种情况下，第一激光单元包括至少两个光反射器。sld或soa必须布置在至少两个光反射器之间，以提供具有足够方向性的光辐射，以允许光辐射充分耦合到必须与pic耦合的光纤中。由于依靠自发发射或放大自发发射的光源所发射的光辐射缺乏方向性，所以这种光辐射不能达到实现高质量光纤到pic对准所需的程度，以耦合到光纤中。因此，发光二极管(light emitting diode，led)本
身不是应用于根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第一辅光子电路中的优选地光辐射源。
[0023]
特别是在第一主光子电路为包括复杂主激光器的光发射器的情况下，当在生产站处执行光纤到pic对准时，使用第一辅光子电路的第一激光单元的简单激光器代替第一主光子电路的复杂主激光器是有利的。操作复杂的主激光器通常需要打开大量的电流源，以及在光纤到pic对准生产站时或之前需要有效控制和模式映射，由于后者，操作复杂的主激光器是相当麻烦的。这会降低光纤到pic对准生产站的吞吐量。控制用于在芯片上产生激光的第一辅光子电路的第一激光单元的简单激光器不那么繁琐麻烦，因此可以提高光纤到pic生产站的吞吐量。
[0024]
使用第一辅光子电路的第一激光单元的另一优点在于，即使第一主光子电路是光接收器，也可以获得用于光纤到pic对准的位于芯片上的激光。
[0025]
本领域技术人员将理解，为了执行光纤到pic对准，第一辅光子电路的第一半导体光学放大器必须配置成处于第一操作状态，以允许第一激光单元与第一光分路器-合路器单元之间光通信。以这种方式，由第一激光单元产生的激光可以用于光纤到pic对准的上述第一光阶段和随后的主动对准阶段。此外，当第一半导体光学放大器配置成处于第一操作状态时，允许由第一激光单元产生的短高功率光脉冲被提供给连接到pic的光纤，这些短光脉冲可用于例如光纤诊断，例如光时域反射仪(optical time-domain reflectometry，otdr)。
[0026]
在上述光纤到pic对准的耦合测量阶段中，第一辅光子电路的第一半导体光学放大器可以用作耦合损耗测量中的已知光电二极管。在这种情况下，第一半导体光学放大器必须配置成处于第二操作状态，第一半导体光学放大器可以吸收入射在第一端面上的光辐射。
[0027]
本领域技术人员将理解，当第一半导体光学放大器配置成处于第二操作状态并且第一激光单元配置成发射激光时，第一半导体光学放大器可以用于测量由第一激光单元发射的激光的光功率。这样，根据本发明的单片光子集成电路具有自诊断能力。
[0028]
在第一主光子电路的正常运行中，不管其实际功能如何，在辅光子电路的第一激光单元与第一光分路器-合路器单元之间必须没有光通信，以防止在布置成与根据本发明的单片光子集成电路的第一主光子电路光通信的外部光学系统中的损害。这可以通过将第一半导体光学放大器配置成处于第二操作状态来实现，在第二操作状态中，入射在所述第一半导体光学放大器的第一端面上的光辐射被吸收，由此阻止第一激光单元与第一光分路器-合路器单元之间的光通信和/或阻止激光向后反射到与根据本发明的外部光学系统和单片光子集成电路相连接的光纤中。本领域技术人员将理解，第一光分路器-合路器单元可以是基于多模干涉(multimode interference，mmi)的光分路器-合路器单元。
[0029]
此外，本领域技术人员将理解，在第一主光子电路的正常运行中，不管其实际功能性如何，第一辅光子电路的第一半导体光学放大器在处于第二操作状态时可以用于现场功率监控和/或用于提供功率监控(rssi或rx强度)的控制信号。这些是由根据本发明的单片光子集成电路的第一辅光子电路的第一半导体光学放大器提供的额外的益处。
[0030]
本领域技术人员将理解，本发明提供了一种三用途的单片pic，其可以用于光学系统的发射器(transmitter，tx)或接收器(reiver，rx)通道。第一个用途是由第一激光单元
产生位于芯片上的激光。当所述第一辅光子电路的第一半导体光学放大器配置成处于所述第一操作状态时，芯片上产生的激光可以用于光纤到pic对准。在第一激光单元配置成生成短高功率光脉冲的情况下，这些短光脉冲可以用于例如光纤诊断中，例如otdr。第二个用途是当第一半导体光学放大器配置成处于第二操作状态时，由第一半导体光学放大器进行的光检测。第三个用途是在线光功率监测，例如在第一主光子电路为正常使用的光接收器的情况下，例如对接收的光信号的在线光功率监测。
[0031]
本领域技术人员将理解，根据本发明的单片pic提供了用于光信号的解决方案，无论是产生或接收的光信号，可以用于改进光纤到pic的对准。从现有技术中已知的用于改进光纤到pic对准的解决方案涉及位于芯片上的光探测器、光反射器或环回波导的应用。位于芯片上的光探测器的缺点是不能产生光纤到pic对准的第一光探测阶段所需的光辐射。光反射器或环回波导的缺点是可能导致光向后反射到外部光学系统，这可能对外部光学系统的正常使用是有害的。
[0032]
根据本发明的pic使得不需要使用例如位于芯片上的光探测器、光反射器或环回波导，从而与现有技术中已知的解决方案相比允许减少的部件数量。由于部件数量的减少，与现有技术中已知的解决方案相比，根据本发明的pic的面积可以减少。因此，可以降低根据本发明的pic的成本。
[0033]
基于以上所述，本领域技术人员将理解，通过根据本发明的磷化铟基单片pic，可以改善光纤到pic的对准，因此，可以提高执行光纤到pic对准的生产站的吞吐量。因此，根据本发明的整体式磷化铟基单片光子集成电路预先阻止或至少减少了与本领域已知的光纤-pic对准相关的上述和/或其它缺点中的至少一个，并降低成本。
[0034]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一半导体光学放大器被配置成处于第一操作状态时，放大入射在所述第一半导体光学放大器的第二端面上的光辐射，并且在所述第一半导体光学放大器的第一端面处朝向所述第一光分路器-合路器单元的第三光接口发射经放大的光辐射。并且其中所述第一半导体光学放大器被配置成处于第二操作状态时，吸收入射在所述第一半导体光学放大器的第一端面上的光辐射。
[0035]
第一半导体光学放大器的第一操作状态可以通过对第一半导体光学放大器电正向偏置来实现。如上所述，当处于第一操作状态时，第一半导体光学放大器可以放大由第一激光单元产生的并且入射在第一半导体光学放大器的第二端面上的激光。在所述第一半导体光学放大器的第一端面处，朝向所述pic的所述第一光学分路器-合路器单元的第三光接口发射经放大的激光。如上所述，放大的光可以用于光纤到pic对准和光纤诊断中的至少一个，例如otdr。第一半导体光学放大器放大由第一激光单元产生的激光对于光纤到pic对准的上述第一光阶段是有利的，因为所使用的增强光功率的激光可以增加第一光搜索的捕获范围。因此，可以更快地确定光纤相对于pic的集成光波导的用于随后的主动对准阶段的良好起始位置，这可以提高光纤到pic对准生产站的吞吐量。
[0036]
在主动对准阶段中，使用具有增强光功率的激光也是有益的，本领域技术人员将理解，在主动对准阶段，需要具有强基模的激光(te0)，因为这产生最干净的、用于对准算法的高斯光束分布。
[0037]
第一半导体光学放大器可以通过对第一半导体光学放大器电反向偏置配置成处于第二操作状态。如上所述，在第一主光子电路的正常运行期间，第一半导体光学放大器通
常保持在第二操作状态，以通过吸收入射在第一半导体光学放大器的第一端面和第二端面中的至少一个上的所有入射光来使第一辅光子电路与第一主光子电路隔离。通过保持第一半导体光学放大器电反向偏置，可以在第一主光子电路的正常运行期间阻止第一激光单元与第一主光子电路之间的光通信。这样，可以实现在第一主光子回路的正常运行期间，至少减少并且最终防止来自第一主光子回路的光辐射的向后反射的上述优点。因此，可以减少并最终防止对与第一主光子电路的光学连接的电信网络的损害。
[0038]
在第一主光子电路的正常使用期间，对第一半导体光学放大器进行电反向偏置还可以提供关于现场功率监测和提供功率监测(rssi或者rx强度)控制信号的上述优点中的至少一个。此外，电反向偏置的第一半导体光学放大器可以用于测量第一激光单元发射的激光的光功率。如上所述，以这种方式，根据本发明的单片pic具有自诊断能力。
[0039]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一激光单元和所述第一半导体光学放大器具有公共p型欧姆接触。
[0040]
这样，第一激光单元和第一半导体光学放大器可以设置有用于产生光和功率监控的单个接触。该单个接触还允许同时对第一激光单元和第一半导体光学放大器进行电正向或反向偏置。此外，提供具有公共p型欧姆接触的第一激光单元和第一半导体光学放大器的优点在于可以降低引线接合的复杂性。
[0041]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一主光子电路配置和布置为光接收器。
[0042]
在这种情况下，第一主光子回路可以配置和布置为接收磷化铟基的激光单元的光学模块发射的光辐射，所述光学模块布置成与所述第一主光子回路光通信。本领域技术人员将理解，光学模块可以是为布置成通过光纤与pic的第一主光子电路光通信的外部光学模块。
[0043]
第一主光子电路还可以配置成接收由第一辅光子电路的第一激光单元发射的光辐射。在这种情况下，根据本发明的pic可以具有关于第一主光子电路的操作的自测试能力。
[0044]
在第一主光子电路的正常运行期间，即，当第一主光子电路接收来自布置成与第一主光子电路光通信的磷化铟基激光单元的目标光学模块的光辐射时，通过保持第一辅光子电路的第一半导体光学放大器反向偏置，可以至少减少并且最终防止可能由第一辅光子电路引起的朝向第一主光子电路的不期望的向后反射。如上所述，通过对第一半导体光学放大器反向偏置，可以吸收由磷化铟基激光单元的目标光学模块发射的、入射在半导体光学放大器的第一端面上的光辐射，从而将第一辅光子电路与第一主光子电路隔离。
[0045]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一激光单元包括：
[0046]-第二半导体光学放大器，具有第三端面和第四端面；
[0047]-第一光反射器，布置成与所述第一半导体光学放大器的第二端面光通信且与所述第二半导体光学放大器的第三端面光通信；以及
[0048]-第二光反射器，布置成与所述第二半导体光学放大器的第四端面光通信。
[0049]
布置成与第一光反射器和第二光反射器两者光通信的第二半导体光学放大器的组合可以解释为可以配置成由于光子的受激发射而发射光辐射的面激光器。本领域技术人
员将理解，第二半导体光学放大器用作面激光器的增益介质，第二半导体光学放大器可以由上述sld代替。
[0050]
在根据本发明的pic的示例性实施例中，第一半导体光学放大器和第二半导体光学放大器具有相同的光腔长度以减小所需的芯片面积。
[0051]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一辅光子电路还包括：
[0052]-第二光波导，布置成将所述第一光分路器-合路器单元的第三光接口与所述第一半导体光学放大器的第一端面光学连接；
[0053]-第三光波导，布置成将所述第一半导体光学放大器的第二端面与所述第一光反射器光学连接；以及
[0054]-第四光波导，布置成将所述第一光反射器和所述第二半导体光学放大器的第三端面光学连接。
[0055]
根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，包括两个半导体光学放大器和四个光波导，以允许实践上减少实现上述优点。
[0056]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一半导体光学放大器和所述第二半导体光学放大器中的至少一个配置和布置成通过直流电源驱动。
[0057]
利于直流电源(direct current，dc)驱动第一激光单元的第二半导体光学放大器，以使第一激光单元能够产生具有高光输出功率的连续光辐射。在第一半导体光学放大器处于第一操作状态的情况下，即允许第二半导体光学放大器与第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元之间的光通信，由第一辅光子电路向第一主光子电路提供高功率连续光学辐射，在光纤到pic对准过程的第一光检测阶段是有益的。
[0058]
在第一半导体光学放大器和第二半导体光学放大器两者都通过一个直流电源驱动的情况下，由第二半导体光学放大器产生的连续光辐射的光输出功率可以通过第一半导体光学放大器进一步增加。因此，第一辅光子电路可以向第一主光子电路提供具有更高的光输出功率的连续光辐射，这对于光纤到pic对准过程的第一光检测阶段甚至更有利。
[0059]
也可以用直流电源分别驱动第一半导体光学放大器和第二半导体光学放大器。例如，可以在用直流电源驱动第二半导体光学放大器的同时对第一半导体光学放大器反向偏置。在这种情况下，可以执行第一辅光子电路的自诊断，因为由正向偏置的第二半导体光学放大器发射的连续光辐射可以由反向偏置的第一半导体光学放大器监测。此外，通过检查在第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元处是否检测到由第二半导体光学放大器发射的连续光辐射，可以确定第一半导体光学放大器是否吸收了由第二半导体光学放大器发射的所有光辐射。
[0060]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一半导体光学放大器和所述第二半导体光学放大器配置和布置为通过脉冲电流源驱动，或者所述第二半导体光学放大器配置和布置为通过脉冲电流源驱动。
[0061]
向第一激光单元的第二半导体光学放大器施加脉冲电流使得第一激光单元能够产生具有高光输出功率的脉冲光辐射。在第一半导体光学放大器处于第一操作状态的情况下，即，允许第二半导体光学放大器与第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元之间光通信，在这种情况下由第一辅光子电路提供给第一主光子电路的高功率脉冲光辐射，在光
纤到pic对准过程的第一光检测阶段是有益的。此外，由第二半导体光学放大器产生的短高功率光脉冲可以例如用于光纤诊断，例如otdr。
[0062]
在第一半导体光学放大器和第二半导体光学放大器两者都利用脉冲电流源驱动的情况下，由第二半导体光学放大器产生的脉冲光辐射的光输出功率可以通过第一半导体光学放大器进一步增加。因此，第一辅光子电路可以向第一主光子电路提供具有更高光输出功率的脉冲光辐射。这对于光纤到pic对准过程的第一光检测阶段和光纤诊断，例如otdr是更加有利的。
[0063]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一激光单元包括具有光学输出面的激光器，所述光学输出面布置成与所述第一半导体光学放大器的第二端面光通信。
[0064]
本领域技术人员将理解，激光器通常是简单类型的激光器，例如法布里－珀罗(fp)激光器、环形激光器、分布式反馈(dfb)激光器、单段或多段分布式布拉格反射(dbr)激光器。通过在第一激光单元中应用激光器代替第二半导体光学放大器，可以省略第一光反射器和第二光反射器。以这种方式，根据本发明的光子集成电路的部件数量可以进一步减少。
[0065]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一辅光子电路包括：
[0066]-第二光波导，布置成将所述第一光分路器-合路器单元的第三光接口与所述第一半导体光学放大器的第一端面光学连接；
[0067]-第三光波导，布置成将所述第一半导体光学放大器的第二端面与所述激光器的光输出面光学连接。
[0068]
根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例，包括半导体光学放大器、激光器和三个光波导的允许实践上减少以实现上述优点，并且与上述的包括两个半导体光学放大器和四个光波导的pic的实施例相比，具有减少的部件数量的额外的益处。
[0069]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一半导体光学放大器和所述激光器中的至少一个配置和布置成通过直流电源驱动。
[0070]
向激光器施加直流电流，使得激光器能够产生具有高光输出功率的连续光辐射。在第一半导体光学放大器处于第一操作状态的情况下，即允许激光器与第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元之间的光通信，由第一辅光子电路向第一主光子电路提供的高功率连续光学辐射，在光纤到pic对准过程的第一光检测阶段是有益的。
[0071]
在激光器和第一半导体光学放大器都以直流电源驱动的情况下，第一半导体光学放大器可以进一步提高激光器产生的连续光辐射的光输出功率。因此，第一辅光子电路可以向第一主光子电路提供具有更高光输出功率的连续光辐射，这对于光纤到pic对准过程的第一光检测阶段更有利。
[0072]
也可以用直流电源分别驱动第一半导体光学放大器和激光器，例如，可以在用直流电源驱动激光器的同时对第一半导体光学放大器反向偏置。在这种情况下，可以执行第一辅光子电路的自诊断，因为由正向偏置的激光器发射的连续光辐射可以由反向偏置的第一半导体光学放大器监测。此外，通过检查在第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元处是否没有检测到激光器发射的连续光辐射，可以确定第一半导体光学放大器是否吸收了
激光器发射的所有光辐射。
[0073]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述第一半导体光学放大器和所述激光器配置和布置成通过脉冲电流源驱动，或者所述激光器配置和布置成通过脉冲电流源驱动。
[0074]
向激光器施加脉冲电流使得激光器能够产生具有高光输出功率的脉冲光辐射。在第一半导体光学放大器处于第一操作状态的情况下，即，允许激光器与第一主光子电路的第一光分路器-合路器单元之间的光通信，在这种情况下由第一辅光子电路提供给第一主光子电路的高功率脉冲光学辐射，在光纤到pic对准过程的第一光检测阶段中是有益的。此外，由激光器产生的短高功率光脉冲可用于例如光纤诊断，例如otdr。
[0075]
在第一半导体光学放大器和激光器都由脉冲电流源驱动的情况下，由激光器产生的脉冲光辐射的光输出功率可以通过第一半导体光学放大器进一步增加。因此，第一辅光子电路可以向第一主光子电路提供具有更高光输出功率的脉冲光辐射。这对于光纤到pic对准过程的第一光检测阶段和光纤诊断，例如otdr，更有利。
[0076]
在根据本发明的单片光子集成电路的示例性实施例中，激光器的光腔长度在0.05mm和1mm之间。本领域技术人员将理解，具有上述范围内的光腔长度的激光器可以解释为短腔激光器。在第一辅光子电路中应用短腔激光器作为光源的优点在于，可以减少第一辅光子电路所占用的面积量，因此，可以减小单片pic整体的面积，这对单片pic的成本有积极的影响。
[0077]
在根据本发明的光子集成电路的示例性实施例中，第一半导体光学放大器和激光器具有相同的光腔长度，以便进一步减小所需的芯片面积。
[0078]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，所述单片光子集成电路还包括第二光子组件，所述第二光子组件包括：
[0079]-第二光分路器-合路器单元，具有至少设置有第四光接口的第三端部以及至少设置有第五光接口和第六光接口的第四端部；
[0080]-第五光波导，布置成与所述第二光分路器-合路器单元的第四光接口光通信；
[0081]-第二主光子电路，布置成与所述第二光分路器-合路器单元的第五光接口光通信；以及
[0082]-第二辅光子电路，布置成与所述第二光分路器-合路器单元的第六光接口光通信，所述第二辅光子电路包括：
[0083]
第二激光单元；以及
[0084]
第三半导体光学放大器，具有布置成与所述第二光分路器-合路器单元的第六光接口光通信的第五端面，以及布置成与所述第二激光单元光通信的第六端面，所述第三半导体光学放大器可配置成处于：
[0085]
第一操作状态，允许所述第二激光单元和所述第二光分路器-合路器单元之间的光通信；或
[0086]
第二操作状态，阻止所述第二激光单元和所述第二光分路器-合路器单元之间的光通信；
[0087]
其中，所述第一光子组件和所述第二光子组件配置成允许由所述第一光子组件的第一光波导引导的光辐射和由所述第二光子组件的第五光波导引导的光辐射具有不同的
光偏振态。
[0088]
使用不同的偏振状态允许最终产品具有增加的带宽，本领域技术人员将理解，可以使用线形、圆形和椭圆形偏振状态中的任何一种。
[0089]
在根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的实施例中，第一光子组件和第二光子组件中的至少一个设置有光偏振单元和光学移相器中的至少一个。
[0090]
本领域技术人员将理解，光学偏振单元可以用于选择不同的线性偏振状态。根据具体的相位关系，光学移相器可以用于将线形、圆形和椭圆形偏振状态从一种变换到另一种。
[0091]
根据本发明的另一方面，提供了一种光电系统，包括根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路。光电系统可以例如但限制地用于电信应用。在这种情况下，光电系统可以是发射器、接收器、收发器、相干发射器、相干接收器和相干收发器中的一种。基于以上所述，很明显，由于根据本发明的光纤可以相对于pic对准有所提高，根据本发明的光电系统的成本可以降低。由于光纤到pic对准进行改进，可以提高执行光纤到pic对准的生产站的吞吐量。提高的吞吐量有利于降低pic的成本，并因此有利于降低根据本发明的光电系统的成本。
附图说明
[0092]
根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路和包括该光子集成电路的光电系统的示例性和非限制性实施例的描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
[0093]
本领域的技术人员将理解，所描述的磷化铟基单片光子集成电路及光电系统的实施例本质上仅为示范性的，且不应解释为以任何方式限制保护范围。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的保护范围的情况下，可以构思并简化磷化铟基单片光子集成电路和光电系统的替换和等效实施例并付诸实施。
[0094]
将参考附图页中的附图，附图本质上是示意性的，因此不一定按比例绘制，此外，相同的附图标记表示相同或相似的部分。在附图中，
[0095]
图1示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第一示例性非限制实施例的一部分的示意性俯视图，该光子集成电路包括第一辅光子电路，该第一辅光子电路包括两个半导体光学；
[0096]
图2示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第二示例性非限制实施例的一部分的示意性俯视图，该光子集成电路包括第一辅光子电路，该第一辅光子电路设置有根据替代配置进行布置的公共p型欧姆接触；
[0097]
图3示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第三示例性非限制实施例的一部分的示意性俯视图，该光子集成电路包括第一辅光子电路，该第一辅光子电路包括半导体光学放大器和激光器；
[0098]
图4示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路的第四示例性非限制实施例的一部分的示意性俯视图，该光子集成电路包括第一光子组件和第二光子组件，该第一光子组件和第二光子组件配置成允许由第一光子组件的光波导引导的光辐射和由第二光子组件的另一光波导引导的光辐射具有不同的光偏振态；以及
[0099]
图5示出了光电系统的第一示例性、非限制性实施例的示意图，该光电系统可用于
例如但不限于电信应用或传感器应用，该光电系统包括根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路。
具体实施方式
[0100]
图1示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路(pic)1的第一示例性非限制性实施例的一部分的示意性俯视图。光子集成电路1包括第一光子组件2，第一光子组件2包括第一光分路器-合路器单元3，该第一光分路器-合路器单元具有设置有第一光接口5的第一端部4和设置有第二光接口7和第三光接口8的第二端部6。第一光波导9布置成与第一光分路器-合路器单元3的第一光接口5光通信，第一光波导9配置和布置成引导光辐射进出光子集成电路1的第一光子组件2。为了在外部光电系统与磷化铟基单片光子集成电路1之间建立光学连接，外部光纤可以在光子集成电路1的边缘(未示出)处相对于第一光波导9对准。
[0101]
第一光子组件2还包括第一主光子电路10和第一辅光子电路11，第一主光子电路10布置成与第一光分路器－合路器单元3的第二光接口7光通信，第一辅光子电路11布置成与第一光分路器－合路器单元3的第三光接口8光通信。第一主光子电路10可以是任何光学电路，例如光接收器或光发射器，其通常包括复杂的inp基主激光器，例如多元件可调谐激光器。
[0102]
第一辅光子电路11包括第一激光单元12和第一半导体光学放大器13，该第一半导体光学放大器具有布置成与第一光分路器-合路器单元3的第三光接口8光通信的第一端面14以及布置成与第一激光单元12光通信的第二端面15。第一半导体光学放大器13可以配置成处于第一操作状态或处于第二操作状态，在第一操作状态中，允许第一激光单元12与第一光分路器-合路器单元3之间的光通信，在第二操作状态中，阻止第一激光单元12与第一光分路器-合路器单元3之间的光通信。
[0103]
第一激光单元12包括具有第三端面18和第四端面19的第二半导体光学放大器17，第一激光单元12还包括布置成与第一半导体光学放大器13的第二端面15以及与第二半导体光学放大器17的第三端面18光通信的第一光反射器20。此外，第一激光单元12包括布置成与第二半导体光学放大器17的第四端面19光通信的第二光反射器21，布置在第一光反射器20与第二光反射器21之间的第二半导体光学放大器17的组合可以解释为可以配置成由于光子的受激发射而发射光辐射的面激光器。本领域技术人员将理解，第二半导体光学放大器17用作面激光器的增益介质，第二半导体光学放大器17可以由另一类型的集成发光设备来代替，只要发射的光辐射具有足够的方向性以允许与光纤充分耦合。这种集成发光设备的例子可以是超辐射发光二极管(sld)。
[0104]
根据图1中所示的光子集成电路1的示例性实施例，第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17具有相同的光腔长度以减小所需的芯片面积。很明显，根据光子集成电路1的要求，第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17可以具有不同的光腔长度。
[0105]
第一辅光子电路11还包括布置成将第一光分路器-合路器单元3的第三光接口8与第一半导体光学放大器13的第一端面14光学连接的第二光波导22、布置成将第一半导体光学放大器13的第二端面15与第一光反射器20光学连接的第三光波导23、以及布置成将第一
光反射器20与第二半导体光学放大器17的第三端面18光学连接的第四光波导24。
[0106]
第一辅光子电路11的第一激光单元12可以用于在芯片上产生激光，该激光可以在光纤到pic对准的第一光阶段和随后的主动对准阶段中使用，而与第一主光子电路10的类型无关，尤其是在第一主光子电路10为包括复杂的主激光器的光发射器的情况下。当在生产站处执行光纤到pic对准时，使用第一激光单元12的简单的第二半导体光学放大器17来代替第一主光子电路10的复杂的主激光器来产生是有利的。操作复杂的主激光器通常需要打开大量的源电流，在生产站进行光纤到pic对准时或之前需要进行大量控制和模式映射，由于后者操作复杂的主激光器是相当麻烦的，这会降低光纤到pic对准的生产站的吞吐量。操作简单的第二半导体光学放大器17在芯片上产生激光不太麻烦，因此可以提高光纤到pic的生产站的吞吐量。
[0107]
使用第一辅光子电路11的第一激光单元12的另一优点在于，即使第一主光子电路10是光接收器，也可以获得用于光纤到pic对准的位于芯片上的激光。
[0108]
本领域技术人员将理解，为了执行光纤到pic对准，第一半导体光学放大器13必须配置成呈现第一操作状态，以允许第一激光单元12与第一光分路器-合路器单元3之间的光通信，以这种方式，由第二半导体光学放大器17产生的激光可以用于光纤到pic对准的上述第一光阶段和后续主动对准阶段。此外，当第一半导体光学放大器13配置成处于第一操作状态时，其允许由第二半导体光学放大器17产生的短高功率光脉冲提供给连接到pic 1的光纤(未示出)，这些短光脉冲可以用于例如光纤诊断，例如光时域反射仪(otdr)。
[0109]
在上述光纤到pic对准的耦合测量阶段中，第一半导体光学放大器13可以用作耦合损耗测量中已知的光电二极管。在这种情况下，第一半导体光学放大器13必须配置成处于第二操作状态，其中第一半导体光学放大器13可以吸收入射在第一端面14上的光辐射，为了精确测量的耦合损耗，本领域技术人员将理解，第二半导体光学放大器17必须配置成阻止激光发射。
[0110]
本领域技术人员将理解，当第一半导体光学放大器13配置成处于第二操作状态并且第二半导体光学放大器17配置成发射激光时，第一半导体光学放大器13可以用于测量由第二半导体光学放大器17发射的激光的光功率，这样，根据本发明的单片光子集成电路1具有自我诊断能力。
[0111]
在第一主光子电路10的正常运行期间，无论其实际功能如何，在第一激光单元12和第一光分路器-合路器单元3之间必须没有光通信，以防止对外部光学系统(未示出)的损害，外部光学系统布置成与单片光子集成电路1的第一主光子电路10光通信。特别地，第一激光单元12的第一光反射器20不能引起激光向后反射到与外部光学系统和单片光子集成电路1相连接的光纤(未示出)中，这可以通过将第一半导体光学放大器13配置为处于第二操作状态来实现，在第二操作状态第一端面14上的光辐射被吸收。
[0112]
本领域技术人员将理解，在第一主光子电路10的正常运行中，无论其实际功能如何，第一半导体光学放大器13在处于第二操作状态时可以用于现场功率监控和/或用于提供功率监控(rssi或rx强度)的控制信号。
[0113]
第一半导体光学放大器13的第一操作状态可以通过对第一半导体光学放大器13电正向偏置来实现。如上所述，当处于第一操作状态时，第一半导体光学放大器13可以放大由第二半导体光学放大器17产生的并且入射在第一半导体光学放大器13的第二端面15上
的激光，在第一半导体光学放大器13的第一端面14处朝向光子集成电路1的第一光路器-合路器单元3的第三光接口8发射经放大的激光。如上所述，放大的光可以用于光纤到pic对准和光纤诊断中的至少一个，例如otdr。由第二半导体光学放大器17生成的激光通过第一半导体光学放大器13的放大对于上述光纤到pic对准的第一光阶段是有利的，因为增强光功率的激光可以增加第一光搜索的捕获范围，因此，可以更快地确定光纤相对于pic 1的集成光波导的用于随后的主动对准阶段的良好起始位置，这可以提高光纤到pic对准生产站的吞吐量。
[0114]
在主动对准阶段中，使用具有增强光功率的激光也是有益的，本领域技术人员将理解，在主动对准阶段，需要具有强基模的激光(te0)，因为这产生最干净的、用于对准算法的高斯光束分布。
[0115]
第一半导体光学放大器13可以通过对第一半导体光学放大器13电反向偏置配置成处于第二操作状态。如上所述，在第一主光子电路10的正常运行期间，第一半导体光学放大器13通常保持在第二操作状态，以通过吸收入射在第一半导体光学放大器13的第一端面14和第二端面15中的至少一个上的所有入射光来将第一辅光子电路11与第一主光子电路10隔离。在第一主光子电路10的正常运行期间，通过保持第一半导体光学放大器13电反向偏置，可以阻止第一激光单元12和第一主光子电路10之间的光通信。
[0116]
图1所示的光子集成电路1的第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17具有公共p型欧姆接触16，这样，第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17具有用于产生光和功率监控的单个接触。单个接触允许第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17同时电正向或反向偏置。为第一半导体光学放大器13和第二半导体光学放大器17提供公共p型欧姆接触16的另一优点在于可以降低引线接合的复杂性。
[0117]
基于以上所述，本领域技术人员将理解，通过图1中所示的磷化铟基单片光子集成电路1的示例性实施例，可以提高光纤到pic对准，相应地，也可以提高执行光纤到pic对准的生产站的吞吐量。因此，根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路1预先阻止或至少减少与本领域已知的光纤到pic对准相关的上述和/或其它缺点中的至少一个，此外，它还可以降低成本。
[0118]
图2示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路1的第二示例性非限制性实施例的一部分的示意性俯视图，其包括第一辅光子电路11，该第一辅光子电路设置有公共p型欧姆接触16，该公共p型欧姆接触根据与图1所示的公共p型欧姆接触16的配置相比的替换配置来布置。根据图1所示的公共p型欧姆接触的配置，公共p型欧姆接触的金属轨道跨越第一辅光子电路11的第三光波导23，根据图2所示的配置，金属轨道不需要跨越光波导。
[0119]
图3示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路1的第三示例性非限制性实施例的一部分的示意性俯视图，其包括第一辅光子电路11，该第一辅光子电路包括第一半导体光学放大器13，并且其中第一激光单元12由激光器25实现，激光器25具有布置成与第一半导体光学放大器13的第二端面15光通信的光输出面26。通过使用激光器25代替图1和图2所示的第二半导体光学放大器17，图1和图2所示的第一光反射器20和第二光反射器21可以省略。以此方式，与图1和图2中所示的光子集成电路1的实施例相比，根据图3中所示的实施例的光子集成电路1的部件数量可以进一步减少。
[0120]
图3所示的光子集成电路1的第一辅光子电路11包括第二光波导22，第二光波导22
布置成将第一光分路器-合路器单元3的第三光接口8(未示出)与第一半导体光学放大器13的第一端面14光学连接。第一辅光子电路11还包括第三光波导23，第三光波导23布置成将第一半导体光学放大器13的第二端面15与激光器25的光输出面26光学连接。
[0121]
图3所示的激光器25的光腔长度l在0.05mm和1mm之间，本领域技术人员将理解，具有在上述范围内的光腔长度的激光器解释为短腔激光器。在第一辅助电路11中使用短腔激光器25作为光源的优点在于，可以减少第一辅助电路11所占用的面积量，因此，单片光子集成电路1的整体面积可以减小，这对单片光子集成电路1的成本有积极的影响。
[0122]
在图3所示的光子集成电路1的示例性实施例中，第一半导体光学放大器13和激光器25具有相同的光腔长度，以便进一步减小所需的芯片面积。很明显，根据光子集成电路1的要求，第一半导体光学放大器13和激光器25可以具有不同的光腔长度。
[0123]
图4示出了根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路1的第四示例性非限制性实施例的一部分的示意性俯视图，其包括第一光子组件2和第二光子组件27，第一光子组件2的细节已经结合图1进行了讨论，因此这里不再赘述。
[0124]
图4中所示的光子集成电路1的第二光子组件27包括第二光分路器-合路器单元28，其具有至少设置有第四光接口30的第三端部29和至少设置有第五光接口32和第六光接口33的第四端部31，第五光波导34布置成与第二光分路器-合路器单元28的第四光接口30光通信，第五光波导34配置和布置成引导光辐射进出pic 1的第二光子组件27，第二光子组件27的第五光波导34和第一光子组件2的第一光波导9可以组合成公共光波导(未示出)。为了在外部光电系统与磷化铟基单片光子集成电路1之间建立光学连接，外部光纤可在光子集成电路的边缘51处相对于公共光波导对准。
[0125]
第二光子组件27还包括布置成与第二光分路器-合路器单元28的第五光接口32光通信的第二主光子电路35，以及布置成与第二光分路器-合路器单元28的第六光接口33光通信的第二辅光子电路36。第二主光子电路35可以是任何光电路，例如光接收器或光发射器，其通常包括复杂的inp基主激光器，例如多元件可调谐激光器。
[0126]
第二辅光子电路36包括第二激光单元37和第三半导体光学放大器38，该第三半导体光学放大器具有布置成与第二光分路器-合路器单元28的第六光接口33光通信的第五端面39以及布置成与第二激光单元37光通信的第六端面40。第三半导体光学放大器38可以配置成处于第一操作状态或者处于第二操作状态，在第一操作状态中，允许第二激光单元37与第二光分路器-合路器单元28之间的光通信，在第二操作状态中，阻止第二激光单元37与第二光分路器-合路器单元28之间的光通信。
[0127]
第二激光单元37包括具有第七端面42和第八端面43的第四半导体光学放大器41，第二激光单元37还包括布置成与第三半导体光学放大器38的第六端面40以及与第四半导体光学放大器41的第七端面42光通信的第三光反射器44。此外，第二激光单元37包括布置成与第四半导体光学放大器41的第八端面43光通信的第四光反射器45。与参照图1所示的第一光子组件2的第一激光单元12所解释的类似，布置在第三光反射器44与第四光反射器45之间的第四半导体光学放大器41的组合可以解释为可以配置成由于光子的受激发射而发射光辐射的面激光器。
[0128]
此外，将清楚的是，布置在第三光反射器44与第四光反射器45之间的第四半导体光学放大器41的组合可以由激光器代替，以便减少光子集成电路1的部件数量。
[0129]
本领域技术人员将理解，第二光子组件27可以与上面关于第一光子组件2所描述的相同的方式来操作，此外，上面提到的关于图1中所示的光子集成电路1的第一光子组件2的单个部件或部件组合的所有考虑因素经必要修改后适用于图4中所示的光子集成电路1的第一光子组件2和第二光子组件27的单个部件或部件组合。
[0130]
图4中所示的光子集成电路1的第一光子组件2和第二光子组件27配置为允许由第一光子组件2的第一光波导9引导的光辐射和由第二光子组件27的第五光波导34引导的光辐射具有不同的光偏振状态。使用不同的偏振状态允许最终产品具有增加的带宽，本领域技术人员将理解，可以使用线形、圆形和椭圆形偏振状态中的任何一种。
[0131]
根据图4所示的磷化铟基单片光子集成电路1的实施例，第一光子组件2的第一光波导9设置有光偏振单元49，第二光子组件27的第五光波导34设置有光学移相器50。本领域技术人员将理解，光偏振单元49可以用于选择不同的线偏振状态。根据具体的相位关系，光学移相器50可用于将线形、圆形和椭圆偏振状态从一种变换到另一种。
[0132]
图5示出了光电系统50的第一示例性非限制性实施例的示意图，该光电系统50可用于例如但不限于电信应用或传感器应用，该光电系统50包括根据本发明的磷化铟基单片光子集成电路1。光电系统50可以是例如发射器、接收器、收发器、相干发射器、相干接收器和相干收发器中的一种。
[0133]
本发明可概括为涉及一种包括第一光子组件2的磷化铟基单片光子集成电路1，第一光子组件2包括第一光分路器-合路器单元3，第一光分路器-合路器单元3具有与第一光波导9光学连接的第一端部和与第一主光子电路10和第一辅光子电路11光学连接的第二端部。第一辅光子电路包括第一激光单元12和第一半导体光学放大器13，第一半导体光学放大器13可配置为处于第一操作状态，在第一操作状态，第一半导体光学放大器13允许第一激光单元12和第一光分路器-合路器单元3之间光通信，或者处于第二操作状态，在第二操作状态，第一半导体光学放大器13阻止第一激光单元12和第一光分路器－合路器单元3之间光通信。本发明还涉及包括上述光子集成电路1的光电系统60。
[0134]
本领域的技术人员将清楚，本发明的范围不限于在前述中讨论的示例，而是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行若干修正和修改。特别地，可以对本发明的各个方面的具体特征进行组合，通过增加关于本发明的另一方面所描述的特征，可以进一步有利地增强本发明的一个方面。虽然已经在附图和说明书中详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述仅被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。
[0135]
本发明不限于所公开的实施例，通过研究附图，说明书和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其它步骤或要素，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施，这一事实并不表示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制本发明的范围。
[0136]
附图标记说明
[0137]
1磷化铟基单片光子集成电路，2第一光子组件，3第一光分路器-合路器单元，4第一光分路器-合路器单元的第一端部，5第一光接口，6第一光分路器-合路器单元的第二端部，7第二光接口，8第三光接口，9第一光波导，10第一主光子电路，11第一辅光子电路，12第
一激光单元，13第一半导体光学放大器，14第一半导体光学放大器的第一端面，15第一半导体光学放大器的第二端面，16公共p型欧姆接触，17第二半导体光学放大器，18第二半导体光学放大器的第三端面，19第二半导体光学放大器的第四端面，20第一光反射器，21第二光反射器，22第二光波导，23第三光波导，24第四光波导，25激光器，26激光器的光输出面，27第二光子组件，28第二光分路器-合路器单元，29第二光分路器-合路器单元的第三端部，30第四光接口，31第二光分路器-合路器单元的第四端部，32第五光接口，33第六光接口，34第五光波导，35第二主光子电路，36第二辅光子电路，37第二激光单元，38第三半导体光学放大器，39第三半导体光学放大器的第五端面，40第三半导体光学放大器的第六端面，41第四半导体光学放大器，42第四半导体光学放大器的第七端面，43第四半导体光学放大器的第八端面，44第三光反射器，45第四光反射器，46第六光波导，47第七光波导，48第八光波导，49光偏振单元，50光学移相器，51光子集成电路的边缘，60光电系统，l激光器的光腔长度。