包括移相器的光信号发生器的制作方法

本发明涉及光信号发生器、操作光信号发生器的方法和制造光信号发生器的方法。

背景技术：

例如在美国专利9,318,868b2中描述一种光信号发生器。该文献描述一种可调谐激光器，其包括：包括硅材料的衬底；耦合到该衬底的增益介质，其中增益介质包括化合物半导体材料；以及被布置在衬底中并且被光学耦合到该增益介质的波导。可调谐激光器还包括：以第一反射光谱为特征并且被布置在衬底中的第一波长选择元件和被光学耦合到第一波长选择元件的基于载流子的相位调制器。该可调谐激光器还包括：以第二反射光谱为特征并且被布置在衬底中的第二波长选择元件；被布置在衬底中并且被光学耦合到第一波长选择元件、第二波长选择元件和波导的光耦合器；以及输出镜。

本发明的目的

本发明的目的是要提供一种光信号发生器，其具有良好的发射特性和相对较低的制造成本。

本发明的又一个目的是要提供一种操作光信号发生器的方法，使得其提供良好的发射特性。

本发明的又一个目的是要提供一种制造具有良好发射特性的光信号发生器的方法。

技术实现要素：

本发明的实施例涉及一种光信号发生器，包括：光发射器，该光发射器被配置成产生光辐射的光束；第一光束偏转元件和第二光束偏转元件；调制器，该调制器位于光束偏转元件之间；移相器，该移相器位于光束偏转元件之间；控制单元，该控制单元被配置成控制移相器的相移，其中第一光束偏转元件和第二光束偏转元件、移相器以及调制器位于同一平面中，其中由光发射器产生的光束相对于所述平面成角度，其中所述第一光束偏转元件被配置成将发射器的光束偏转到平面中朝向调制器，所述调制器被配置成调制发射器的辐射并且输出调制的辐射，其中所述第二光束偏转元件被配置成使调制的辐射偏转离开平面朝向信号发生器的输出端口，其中调制器被配置成响应于被施加到调制器并且包括数据流的电数据信号来调制发射器的辐射，并且其中控制单元被配置成生成控制信号以便于控制移相器的相移并且以便于避免或减少反射的辐射对发射器的发射特性的影响。

因为第一光束偏转元件、调制器、移相器和第二光束偏转元件位于同一平面中，所以可以以相对较低的成本制造本发明的上述示例性实施例。

此外，上述实施例解决第一光束偏转元件、调制器和/或第二光束偏转元件可能反射辐射并且产生反射的辐射的问题。该反射的辐射可以行进返回到发射器，并且恶化发射器的发射特性。控制单元可以生成控制信号，以便于避免或减少反射的辐射或至少避免或减少反射的辐射对发射器的发射特性的影响。

信号发生器的输出端口可以直接由第二光束偏转元件的输出端口形成。可替选地，例如，通过透镜、或半导体芯片的后端或后端层，信号发生器的输出端口可以与第二光束偏转元件的输出端口分离。在后一种情况下，第一光束偏转元件和第二光束偏转元件以及调制器优选地被集成在半导体芯片中。

移相器的截止频率可以小于调制器的截止频率。更具体地说，移相器的截止频率可以比调制器的截止频率小至少一千倍。

移相器优选地包括热元件，该热元件能够基于热光效应来位移相位。

光学信号发生器可以包括监测检测器，用于生成与发射器的辐射成比例或至少表征发射器的辐射的监测信号。控制单元可以被配置成控制移相器的相移，使得监测信号以及因此发射器的辐射的预定特性保持在预定范围内。

控制单元优选地被配置成控制移相器的相移，使得监测信号的强度保持在预定强度范围内。

具有中心波长的带通滤波器优选地位于监测检测器的上游。带通滤波器可以帮助将移相器的影响指向发射器的中心波长。

监测检测器优选地被配置成检测发射器的辐射的一部分。

监测检测器优选地被连接到辐射路径或与辐射路径相耦合，该辐射路径从第一光束偏转元件延伸到第二光束偏转元件。

可替选地，第一和/或第二光束偏转元件可以包括监测输出，并且监测检测器可以与监测输出光学地耦合。

根据另一个实施例，信号发生器可以包括存储器，在其中存储目标值，优选地存储单个目标值。控制单元优选地被配置成根据所存储的目标值来控制移相器的相移。在后一实施例中，可以已经在信号发生器的制造期间确定移相器的最佳相移、引起最佳相移的最佳控制电压或引起最佳相移的最佳控制电流。优选地，所存储的目标值描述移相器的最佳相移、最佳控制电压和/或最佳控制电流。

此外，根据又一个实施例，信号发生器可以包括温度传感器。控制单元可以被配置成控制移相器的相移作为由温度传感器提供的温度值的函数。

信号发生器可以包括存储器，该存储器存储查找表。查找表可以定义取决于温度传感器的实际温度值的目标值。

在后一实施例中，可以已经在信号发生器的制造期间针对不同温度确定目标相移，并且被存储在存储器或其查找表中。

至少一个移相器可以位于调制器的下游，并且被配置成位移由第二光束偏转元件反射的辐射的相位。

至少一个移相器可以位于调制器的上游，并且被配置成位移由调制器和第二光束偏转元件这两者反射的辐射的相位。

第一光束偏转元件优选是被布置在所述平面内的第一光栅。发射器的辐射相对于所述平面的垂线以10°与30°之间的输入角优选地指向第一光栅。第一光栅的光栅周期优选地被配置用于将发射器的辐射耦合到所述平面中。在发射器的波长范围和所述输入角范围，第一光栅的耦合效率优选为至少30％。

第二光束偏转元件优选是被布置在所述平面内的第二光栅。第二光栅具有用于相对于所述平面的垂线以10°与30°之间的输出角优选地出平面耦合(out-of-planecoupling)的光栅周期。在发射器的波长范围和所述输出角度范围，第二光栅的耦合效率优选地为至少30％。

第一光束偏转元件和第二光束偏转元件以及调制器优选地被集成在同一半导体芯片中。

发射器优选是激光器，该激光器被倒装芯片地安装在所述半导体芯片上。

可替选地，发射器可以是激光器，该激光器借助于子基座被安装在所述半导体芯片上。

光发射器优选是连续波激光器。

第一光束偏转元件和第二光束偏转元件以及调制器优选地共享同一波导硅层。

调制器可以是马赫-曾德尔(mach-zehnder)调制器。马赫-曾德尔调制器的3db耦合器优选是mmi耦合器。

然而，根据另一优选实施例，调制器可以可替选地是电光调制器，用于预定波长的光辐射的调制。该电光调制器优选地具有至少一个光谐振器，在其中可以针对预定波长形成驻光波(standingopticalwave)。在谐振器中，优选地，如在谐振器的纵向方向中看到的至少两个掺杂半导体部分被布置成彼此间隔。优选地，至少两个掺杂半导体部分分别局部地处于驻光波的最小强度。在谐振器中优选地存在由半导体材料组成的波导。波导的纵向方向优选地沿着谐振器的纵向方向延伸。至少两个掺杂半导体部分可以分别由波导的掺杂半导体部分形成。

信号发生器可以包括位于第一光束偏转元件和第二光束偏转元件之间的两个或更多个移相器。两个或更多个移相器中的每个优选地被单独地控制。

光信号发生器还可以包括位于发射器和第一光束偏转元件之间的光束路径中的透镜和/或位于第二光束偏转元件和输出端口之间的光束路径中的透镜。透镜优选形成在半导体芯片的至少一个后端层中。

本发明的又一实施例涉及一种操作光信号发生器的方法，该信号发生器包括光发射器、第一光束偏转元件和第二光束偏转元件、移相器以及调制器，该调制器位于光束偏转元件之间，其中第一光束偏转元件和第二光束偏转元件、移相器以及调制器位于同一平面中。光学发射器产生光辐射的光束，所述光束相对于平面成角度。第一光束偏转元件将发射器的光束偏转到平面内朝向调制器。调制器调制发射器的辐射并且输出调制的辐射。第二光束偏转元件使调制的辐射偏转离开平面朝向信号发生器的输出端口。位于第一光束偏转元件和第二光束偏转元件之间的平面中的移相器被控制以避免或减少反射的辐射对发射器的输出特性的影响。

优选地控制移相器的相移，使得光信号发生器的监测信号的预定特性保持在预定范围内。

根据优选实施例，控制移相器，使得由第一光束偏转元件反射的辐射、由调制器反射的辐射和由第二光束偏转元件反射的辐射组成的和信号(sumsignal)的幅度最小。

根据另一优选实施例，控制移相器，使得由第一光束偏转元件反射的辐射、由调制器反射的辐射和由第二光束偏转元件反射的辐射组成的和信号的相位与发射器的输出端口处的发射器的输出辐射同相位(in-phase)。

可以优选地响应于测量的温度值，基于查找表来控制相位。

本发明的又一个实施例涉及一种制造光信号发生器的方法，包括以下步骤：

-制造光发射器、第一光束偏转元件和第二光束偏转元件、位于光束偏转元件之间的移相器、以及位于光束偏转元件之间的调制器，

-其中第一光束偏转元件和第二光束偏转元件、移相器以及调制器位于同一平面中，

-其中光发射器被配置成产生光辐射的光束，所述光束相对于平面成角度，

-其中第一光束偏转元件被配置成将发射器的光束偏转到平面内朝向调制器，

-其中，调制器被配置成调制发射器的辐射并且输出调制的辐射，

-其中第二光束偏转元件被配置成使调制的辐射偏转离开平面朝向信号发生器的输出端口，

-其中在制造期间，确定避免或减少反射的辐射对发射器的输出特性的影响的移相器的最佳相位，以及

-其中生成用于移相器的最佳相位的相应控制信号被存储在控制单元中。

信号发生器的输出端口可以直接由第二光束偏转元件的输出端口形成。可替选地，信号发生器的输出端口可以通过一个或多个其他组件，例如透镜、半导体芯片的后端或后端层与第二光束偏转元件的输出端口分离。

在制造期间，可以确定避免或减少反射的辐射对发射器的输出特性的影响的最佳相位。例如，可以在不同的温度处确定最佳相位，并且可以将用于移相器的相应控制信号作为相应温度值的函数或参考相应温度值存储在控制单元的查找表中以供进一步使用。

附图说明

为了将容易理解其中获得本发明的上述和其他优点的方式，将参考在附图中图示的本发明的具体实施例来呈现对以上简要描述的本发明的更具体的描述。因此，理解这些附图仅描述本发明的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和说明本发明，其中

图1以顶视图图示光信号发生器的第一示例性实施例，

图2图示图1的实施例的横截面，

图3-8以顶视图图示光信号发生器的进一步的示例性实施例，

图9图示能够在图1-8的示例性实施例中使用的调制器的另一实施例，以及

图10图示包括图9的调制器的光信号发生器的示例性实施例。

具体实施方式

通过参考附图将最好地理解本发明的优选实施例。将会容易理解的是，如本文附图中一般描述和图示的，本发明可以在很宽的范围内变化。因此，如附图所表示的对本发明的示例性实施例的以下更详细的描述并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而仅是本发明的当前优选实施例的代表。

图1和图2示出根据本发明的光信号发生器10的第一示例性实施例。图1和图2分别示出顶视图和横截面。

光信号发生器10包括产生光辐射的光束r的光发射器20、第一光束偏转元件30、第二光束偏转元件40和调制器50。调制器50位于光束偏转元件30和40之间。

第一光束偏转元件和第二光束偏转元件30和40以及调制器50位于同一平面e中。

在图1和2的示例性实施例中，第一光束偏转元件和第二光束偏转元件30、40和调制器50共享同一半导体芯片60的同一波导硅层61。半导体芯片60可以基于soi(绝缘体上的硅)材料，其包括硅衬底65、在衬底65顶部的掩埋氧化物层(buriedoxidelayer)66和在掩埋氧化物层顶部的硅层。后面的硅层优选地形成波导硅层61。

发射器20可以是被倒装芯片地安装在半导体芯片60上的激光器。例如，发射器20可以借助于子基座70被安装在半导体芯片60上。光发射器20优选地是连续波激光器。

发射器的辐射r可以相对于平面e的垂线以10°与30°之间的输入角被指向第一光束偏转元件30。偏转元件30可以是包括用于将发射器的辐射耦合到平面e中的光栅周期的光栅。在发射器的波长范围和在10°与30°之间的入射角处，第一光束偏转元件30的耦合效率优选为至少30％。

调制器50调制发射器的辐射r并且输出调制的辐射r'。调制器50响应于施加到调制器50的载流子注入或耗尽单元51(例如，pin二极管或pn二极管)的外部电数据信号ds(d)来调制发射器的辐射r。数据信号ds(d)承载数据流d。电数据信号ds(d)和数据流d的数据速率可以在ghz范围内。

第二光束偏转元件40优选地是光栅，其具有用于将朝向信号发生器10的输出端口a10的调制的辐射r’出平面耦合的光栅周期。相对于平面e的垂线，输出角优选地在10°与30°之间。第二光束偏转元件40的耦合效率在发射器的波长范围和在10°与30°之间的输出角处优选为至少30％。

透镜62可以位于发射器20与第一光束偏转元件30之间的光束路径中。透镜62可以被形成在半导体芯片60的后端的至少一个后端层63中。

此外，透镜64可以位于第二光束偏转元件40与信号发生器10的输出端口a10之间的光束路径中。透镜64可以被形成在半导体芯片60的至少一个后端层63中。

光信号发生器10还包括移相器80和控制单元90。控制单元90生成控制信号cs，其控制由移相器80引起的相移。移相器80可以包括能够基于热光效应位移相位的热元件。

在图1和图2的示例性实施例中，移相器80位于调制器50的上游，即，位于调制器50和第一光束偏转元件30之间。

第一光束偏转元件30、调制器50和第二光束偏转元件40可以反射辐射并且产生反射的辐射rr。反射的辐射rr可能行进回到发射器20并且恶化发射器20的发射特性。

为了避免或减少反射的辐射rr或至少反射的辐射rr对发射器的发射特性和发射器的辐射r的影响，控制单元90生成控制信号cs。因为移相器80位于调制器50的上游，所以移相器80可以位移由第二光束偏转元件40和调制器50这两者产生的反射的辐射的相位。

例如，假设第一光束偏转元件30产生反射的辐射rl，调制器50生成反射的辐射r2以及第二光束偏转元件40生成反射的辐射r3，移相器80可以位移相位，使得反射的辐射r2和r3以破坏性的方式与反射的辐射r1重叠，使得产生的反射的辐射rr变成最小：

|rr|＝|r1-(r2+r3)|→最小。

如果r1>>r2并且r3>>r2，则这种位移方式特别有利。然后，发射器20甚至可能根本看不到明显的反射的辐射rr。

可替选地，移相器80可以位移相位，使得重叠的反射的辐射r2+r3以最佳相位到达发射器20。如果组件之一，例如，调制器50或第二光束偏转元件40，引起大部分反射的辐射(即，r2>>r1、r3或r3>>r1、r2)，则这种位移相位的方式尤其有利。

移相器80的截止频率可以比调制器50的截止频率小很多，例如，至少小一千倍。

在图1和2的示例性实施例中，光信号发生器10包括监测检测器100，用于生成与发射器的辐射r成比例或至少表征发射器的辐射r的监测信号ms。监测检测器100被连接到辐射路径rp或与辐射路径rp耦合，该辐射路径从第一光束偏转元件30延伸到第二光束偏转元件40。监测检测器仅检测发射器的辐射r的一小部分(优选地小于10％)。图1中的耦合元件110被相应地设计。

控制单元90控制移相器80的相移，使得监测信号ms的预定特性以及因此发射器的辐射r的预定特性保持在预定范围内。例如，控制单元90控制移相器80的相移，使得监测信号ms的强度保持在预定强度范围内。

图3示出根据本发明的光信号发生器10的第二示例性实施例。图3的光信号发生器10包括位于监测检测器100上游的带通滤波器120。带通滤波器120具有与发射器的波长范围的中心波长相对应的中心波长。带通滤波器120确保控制单元90的影响以及移相器80的影响主要针对发射器的中心波长。

上面关于根据图1和2的实施例的其他一般性解释相应地适用于图3的实施例。

图4示出根据本发明的光信号发生器10的第三示例性实施例。在图4的示例性实施例中，移相器80位于调制器50的下游，即，位于调制器50和第二光束偏转元件40之间。因为移相器80位于调制器50的下游，所以移相器80仅能改变由第二光束偏转元件40产生的反射的辐射r3的相位。

例如，移相器80可以位移相位，使得反射的辐射r3以破坏性方式与反射的辐射r1和r2重叠，使得产生的反射辐射rr最小：

|rr|＝|r1+r2-r3|→最小。

可替选地，移相器80可以位移相位，使得辐射r3以最佳相位到达发射器20处。如果第二光束偏转元件40引起大部分反射的辐射(即，r3>>r1或r3>>r2)，则这种位移相位的方式尤其有利。

上面关于根据图1和2的实施例的其他一般性解释相应地适用于图4的实施例。

图5示出根据本发明的光信号发生器10的第四示例性实施例。在图5的示例性实施例中，第一光束偏转元件30具有监测输出。监测检测器100与监测输出光学地耦合。

上面关于根据图1和2的实施例的其他一般性解释相应地适用于图5的实施例。

图6示出根据本发明的光信号发生器10的第五示例性实施例。在图6的示例性实施例中，第二光束偏转元件40具有监测输出，并且监测检测器100与监测输出光学地耦合。

以上关于根据图1和2的实施例的其他一般性解释相应地适用于图6的实施例。

图7示出根据本发明的光信号发生器10的第六示例性实施例。在图7的示例性实施例中，光信号发生器10包括与控制单元90连接的温度传感器200。控制单元90控制移相器80的相移作为由温度传感器200提供的温度值t的函数。

为此，控制单元90包括存储查找表lt的存储器91。查找表lt根据温度传感器200的实际温度值t来定义移相器80的目标相移。控制单元90根据存储器91中存储的相应目标值来生成控制信号cs。

在光信号发生器10的制造期间，已经确定查找表lt及其目标相移并且被存储在存储器91中。选择目标相移使得反射的辐射rr对发射器的发射特性的任何影响最小。

在光信号发生器10的制造期间，对于不同的相移和不同的温度，发射器的发射特性可能已经由外部监测检测器被测量。以此方式，可能已经针对光信号发生器10的可能温度范围内的每个温度确定了最佳相移。最佳相移和相应的控制信号cs被存储在存储器91中。

图8示出根据本发明的光信号发生器10的第七示例性实施例。在图8的示例性实施例中，光信号发生器10包括控制单元90，其根据存储在存储器91中的相应的目标值tv生成不变的控制信号cs。

在光信号发生器10的制造期间，已经确定目标值tv，并且被存储在存储器91中。选择目标相移，使得反射的辐射rr对发射器的发射特性的影响最小。

在光信号发生器10的制造期间，针对不同的相移，发射器的发射特性可能已经由外部监测检测器被测量。这样，可能已经确定最佳相移。最佳相移，即，目标值tv和相应的控制信号cs存储在存储器91中。

在图1-8的示例性实施例中，调制器50是马赫-曾德尔调制器。马赫-曾德尔调制器的输入端口和输出端口处的1x2耦合器52和53(见图1)优选地是mmi(多模干涉)耦合器。

图9示出可以在根据图1-8的光信号发生器10中使用的调制器的替选实施例(代替马赫-曾德尔调制器)。更具体地说，图9示出在预定的波长处被配置用于光辐射r的调制的电光调制器500。

电光调制器500具有光谐振器510，其中可以针对预定波长形成驻光波511。soi(绝缘体上硅)波导520沿着谐振器510的纵向方向延伸。谐振器510由镜部分(mirrorsection)530和531界定，镜部分530和531由soi波导520中的孔540形成。

在谐振器510中，如沿着谐振器510的纵向方向看到的p掺杂半导体部分p和n掺杂的部分n被布置成彼此间隔。每个掺杂半导体部分局部地处于驻光波的最小强度。通过在触点550上施加调制电压u，产生调制电流i。电流i注入载流子，其调制谐振器510的谐振波长，并且从而调制输出辐射r’的幅度。调制电压u可以由偏置电压和外部电数据信号ds(d)组成(请参见图10)。

图10示出包括图9的电光调制器500的光信号发生器10的示例性实施例。因为镜部分530和531可以产生大量的反射的辐射r2，所以移相器80优选地位于调制器500的上游。

这里公开的本发明的各种实施例和实施例的各个方面不仅要按照本说明书中具体描述的顺序和上下文来理解，还应包括任何顺序及其任何组合。每当上下文需要时，以单数形式使用的所有单词均应视为包括复数形式，反之亦然。每当上下文需要时，以单词“和”列出的所有选项都应被视为包括单词“或”及其任意组合，反之亦然。

在附图和说明书中，已经公开本发明的多个实施例。申请人希望强调，每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例结合或添加到其他实施例，以便于修改相应的实施例并创建附加的实施例。这些附加实施例形成本公开的一部分，并且因此，申请人可以在起诉的后期阶段提交关于这些附加实施例的进一步的专利权利要求。

此外，申请人想要强调以下从属权利要求中的每个的每个特征可以与本独立权利要求中的任何一个组合(无论本权利要求结构如何)。因此，申请人可以在起诉的后期阶段指向其他权利要求组合的进一步的专利权利要求。

参考标志

10光信号发生器

20光发射器

30第一光束偏转元件

40第二光束偏转元件

50调制器

51载流子注入或耗尽单元

521x2耦合器

531x2耦合器

60半导体芯片

61波导硅层

62透镜

63后端层

64透镜

65硅衬底

66掩埋氧化物层

70子基座

80移相器

90控制单元

91存储器

100监测检测器

110耦合元件

120带通滤波器

200温度传感器

500电光调制器

510谐振器

511驻光波

520soi波导

530镜部分

531镜部分

540孔

550触点

a10输出端口

cs控制信号

d数据流

ds(d)外部电数据信号

e平面

i电流

lt查询表

ms监测信号

nn掺杂部分

pp掺杂部分

r光辐射

r1反射的辐射

r2反射的辐射

r3反射的辐射

r’调制的辐射

rr反射的辐射

rp路径

t温度值

tv目标值

u电压