硅光子平台上基于萨格纳克环形镜的激光腔的制作方法
【专利摘要】我们已经证实了一种新型的基于萨格纳克环和微环的激光腔，其简单可靠，具有精确受控的反射率和可忽略的附加损耗。证明了半径为2μm的微环的谐振波长被光刻控制为3.6nm的标准差。已经证实了基于萨格纳克环形镜和微环腔的C波段激光器和O波段激光器。所述激光器被证明是能够以40Gb/s被调制。
【专利说明】
硅光子平台上基于萨格纳克环形镜的激光腔
[0001 ]相关申请的交叉参考
[0002] 本申请主张享有于2013年11月20日提交的序列号为61/906529的共同在审的美国 临时专利申请的优先权及权益，并且将该申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及光学腔，特别地涉及能够与激光器一起使用的光学腔。
【背景技术】
[0004] 半导体激光器和光放大器在收发器中是优选的，这是因为它们被高效地电栗浦并 且裸片(die)尺寸小。激光产生是半导体中的辐射复合过程，其中，导带的电子与价带的空 穴复合并且发射光子。逆向过程是通过光吸收而发生的电子空穴对产生，如发生于光电探 测器和太阳能电池等器件中。
[0005] 普遍认为硅光子技术是解决对于数据通信带宽的指数化增长的需求的使能技术。 激光器是数据传输系统中的关键部件。激光器的两个基本要素是它的增益介质和谐振腔。 由于硅的间接带隙，已经报道了将增益介质引入光子集成材料系统的数种方法，包括边缘 親合成键（edge coupled bonding)(例如，参见A. J. Zilkie，P. Seddighian，B.J.Bi jlani， W-QianjD-C-LeejS.Fathololoumi,J. Fong,R.Shaf i iha,D. Feng,B.J.LuffjX.Zheng, J.E.Cunningham，A.V.Krishnamoorthy和M.Asghari，"Power-efficient Ill-V/silicon external cavity DBR lasers，" Optics Express，V〇1.20,pp.23456-23462,2012; S.Tanaka，S.H.Jeong，S.S·，T.Kurahashi，Y.Tanaka和K.Morito, "High-output-power， single-wavelength silicon hybrid laser using precise flip-chip bonding technology，" Op tics Express，V〇1.20, pp .28057 _2 80 69,2012)、直接键合（direct bonding)(例如，参见A. W.Fang，H.Park，0· Cohen，R. Jone s，M.J. Pani cc ia和J.E .Bowers，" Electrically pumped hybrid AlGalnAs-silicon evanescent laser，"Optics Express, Vol·14，pp·9203-9210，2006;S·Keyvaninia，G·Roelkens，D·Van Thourhout，C·Jany， M.Lamponi, A.Le Liepvre，F·Lelarge，D·Make，G·H·Duan，D·Bordel和J·M·Fedeli， "Demonstration of a heterogeneously integrated III-V/S0I single wavelength tunable laser ,Optics Express，Vol·21，pp·3784-3792，2012;T·Creazzo，E.Marchena， S.B.Krasulick jP.YujD.Van Orden，J.Y.Spann，C.C.Blivin，L.He，H.Cai， J Dallesasse，R. J · Stone和A .Mizrahi，''Integrated tunable CMOS laser，''Optics Express，Vol .21，pp.28048-28053,2013)、重氮掺杂锗（例如，参见R.E.Camacho-Aguilera， Y.Cai，N.Patel，J.T.Bessette，M.RomagnoIi，L.C.Kimerling和J.Michel，"An electrically pumped germanium laser，'，Optics Express，Vol·20，pp·11316-11320， 2012)和量子点结构（例如，参见T.Wang，H.Liu，A.Lee，F.Pozzi和A. Seeds，〃1·3-μπι InAs/ GaAs quantum-dot lasers monolithically grown on Si substrates ,''Optics Express，Vol. 19, Issuel2，pp. 11381-11386(2011))。通常使用分布式布拉格(Bragg)反射 器(DBR)或使用环形谐振滤波器与DBR-起来构建激光腔，所述激光腔要求高的光刻分辨率 且对制造变化是敏感的。
[0006] 激光产生过程既需要能量守恒又需要动量守恒。因为发射光子的能量等于半导体 的带隙，所以满足能量守恒。然而，光子的动量与电子或空穴的动量相比是可忽略的。为了 满足动量守恒的要求，价带的顶部与导带的底部需要对准。换言之，半导体需要是直接带隙 材料。诸如砷化镓(GaAs)和磷化铟（InP)等许多III-V型复合物材料是直接带隙半导体。然 而，硅是间接带隙半导体。
[0007] 已经论证了拉曼(Raman)硅激光器。制造电栗浦的硅激光器是极其困难的。必须将 另外的增益材料导入硅材料系统(在该硅材料系统中激光器作用是期望的）。已经报道了各 种增益集成方法，包括单片外延、晶片键合和SOA边缘耦合。
[0008]据报道，X.Shu，S.Jiang和D.Huang等人在"Fiber grating Sagnac loop and its multiwave length-laser applicat ion (光纤光栅萨格纳克环及其多波长激光应用)" IEEE Photonics Technology Letters ,Vol · 12，pp · 980-982，2000中说明了新型的、简单的梳状 滤波器，其基于具有非对称地位于其光纤环中的光纤布拉格光栅的萨格纳克(Sagnac)干涉 仪。该滤波器具有设计简单、容易制造、低插入损耗和低成本的优势。分别具有三通带和双 通带的两个滤波器被制造且被应用于掺铒光纤环激光器。已经论证了稳定的三波长和双波 长激光器操作。
[0009] 据报道，J · Zhou，P · Yan，H · Zhang，D · Wang和 M .Gong等人在 "All-fiber mode-locked ring laser with a Sagnac filter(具有萨格纳克滤波器的全光纤锁模环形激光 器)"IEEE Photonics Technology Letters,Vol.23，pp.l301_1303,2011 中说明了以下内 容:掺铽锁模光纤激光器是飞秒脉冲的多用途来源。与应用所需的孤子锁模激光器相比，光 纤激光器中新的脉冲整形机制的发展允许产生更高能量的飞秒脉冲。然而，由于光纤的正 常色散，来自掺镱(Yb)锁模光纤激光器的脉冲的宽度大于孤子脉冲的宽度。因此，腔的内外 需要光栅对，以提供负色散。已经论证了全正常色散(ANDi)掺镱光纤激光器，其中，腔内使 用光谱滤波器来替代光栅对。激光腔内高啁嗽脉冲的光谱滤波是这类锁模激光器中脉冲整 形的关键因素。已经理论上研究了滤波器的带宽对锁模的影响。体干涉或双折射滤波器通 常用作光谱滤波器。为了开发无错位的全光纤构造，已经研究了一些光纤型滤波器。近来， 具有部分的保偏(PM)光纤的全光纤利奥(Lyot)滤波器已经被用作ANDi激光器中的光谱滤 波器，并且获得了 240fs啁嗽脉冲。根据[2]、[3]中的论述，锁模脉冲的持续时间随着滤波带 宽的减小而减小直至锁模失效。利奥滤波器能够用作带宽可调谐滤波器，这是因为带宽取 决于PM光纤的长度。然而，利奥滤波器的调制深度受偏振控制器(PC)主导。
[0010] 因而需要激光器使用的改进的外腔。
【发明内容】
[0011] 根据一个方面，本发明的特征为光学腔。所述光学腔包括:单光端口，其被构造用 来提供输出光束;第一镜元件，其包括亚微米硅波导，所述第一镜元件具有第一透射率和第 一反射率，所述第一镜元件形成位于所述光学腔的第一端部处的第一光反射器，所述第一 镜元件与所述单光端口进行光通信;第二镜元件，其具有第二透射率和第二反射率，所述第 二镜元件形成位于所述光学腔的第二端部处的第二光反射器，所述第一镜元件和所述第二 镜元件中的至少一者是萨格纳克环形镜;并且在所述第一镜元件与所述第二镜元件之间的 串行光通信中设置有:滤波器元件，其被构造为使具有被选光波长的光束通过;和增益腔， 其被构造为内部包含光增益介质。
[0012] 在又一个实施例中，所述第一镜元件是宽带反射器。
[0013] 在又一个实施例中，所述第一镜元件具有随着所述被选波长增大而增大的反射 率。
[0014] 在又一个实施例中，所述第一镜元件具有可变的反射率。
[0015] 在又一个实施例中，所述滤波器元件是基于微环的滤波器。
[0016] 在又一个实施例中，所述滤波器元件是可调谐滤波器。
[0017] 在又一个实施例中，所述滤波器元件是热可调谐滤波器。
[0018] 在又一个实施例中，所述滤波器元件具有多个通带。
[0019] 在又一个实施例中，所述第二镜具有由端面限定的反射率。
[0020] 在又一个实施例中，所述被选光波长是位于用于远程通信的波长范围内的波长。 [0021 ]在一个实施例中，所述被选光波长是位于0波段内的波长。
[0022]在又一个实施例中，所述被选光波长是位于C波段内的波长。
[0023]在又一个实施例中，所述被选光波长是位于从e波段、S波段、L波段和U波段中选择 的波段内的波长。
[0024] 在又一个实施例中，所述光增益介质经由对接耦合器、锥体、倒锥体、透镜和透镜 阵列中的至少一者被光耦合至所述光学腔。
[0025] 在又一个实施例中，所述光学腔被构造为在不冷却的情况下操作。
[0026] 在又一个实施例中，所述光学腔被构造为在没有气密性密封的情况下操作。然而， 应当理解，单个裸片可以包括气密性密封。
[0027] 在又一个实施例中，所述端面包括光学涂层。
[0028] 在又一个实施例中，所述输出光束包括感兴趣的单一光波长。
[0029] 在又一个实施例中，所述输出光束包括感兴趣的多个光波长。
[0030] 在又一个实施例中，所述输出光束包括窄线宽输出光束。
[0031] 根据另一个方面，本发明涉及一种方法，其包括以下步骤:提供光学腔，所述光学 腔包括:单光端口，其被构造为提供输出光束;第一镜元件，其包括亚微米硅波导，所述第一 镜元件具有第一透射率和第一反射率，所述第一镜元件形成位于所述光学腔的第一端部处 的第一光反射器，所述第一镜元件与所述单光端口进行光通信;第二镜元件，其具有第二透 射率和第二反射率，所述第二镜元件形成位于所述光学腔的第二端部处的第二光反射器； 所述第一镜元件和所述第二镜元件中的至少一者是萨格纳克环形镜;并且在所述第一镜元 件与所述第二镜元件之间的串行光通信中设置有:滤波器元件，其被构造为使具有被选光 波长的光束通过;和增益腔，被构造为内部包含光增益介质;操作所述光学腔来生成输出光 束;并且进行下列操作中的至少一者:记录所述输出光束、将所述输出光束传输给另一个器 件和将所述输出光束显示给用户。
[0032] 根据下面的说明且根据权利要求书，本发明的前述及其它目的、方面、特征和优势 将更加明显。
【附图说明】
[0033]参照下述的附图和随附的权利要求，能够更好地理解本发明的目的和特征。附图 不一定是按照比例的，而是通常把重点放在图示本发明的原理。在附图中，使用类似的符号 来表明不同视图中类似的部件。
[0034]图IA是亚微米硅波导的SEM横截面图。
[0035] 图IB是亚微米硅波导的SEM立体图。
[0036] 图2是根据本发明原理的基于萨格纳克环形镜的激光腔构造的示意图。
[0037] 图3A是使用可调谐激光器和光栅耦合器测量的萨格纳克环形镜透射光谱的曲线 图。
[0038]图3B是在1550nm波长处作为DC耦合长度的函数的萨格纳克环形镜的透射率和反 射率的曲线图。
[0039]图3C是标准化透射光谱的曲线图。
[0040] 图4是环形滤波器下降(实线)和通过(虚线)光谱以及150mA时SOA增益光谱的曲线 图。期望的激光波长(1552.3nm)由星号表示。
[0041] 图5A是测试装置的图像。
[0042] 图5B是SOA硅芯片接口的近视图。
[0043]图5C是使用光纤阵列测量的激光光谱的曲线图且示出了环形滤波器的清晰特征 以及40dB的SMSR。
[0044] 图6是外差光谱数据(点）以及具有13.27MHz的FWHM的洛伦兹(Lorentzian)拟合曲 线的曲线图。
[0045] 图7A是示出了 AMR下降(实线)和通过(虚线)端口的光谱的曲线图。
[0046] 图7B是8英寸晶片上谐振波长分布的等值线图。
[0047] 图7C是谐振波长分布的统计条形图。
[0048] 图7D是AMR布局的不意图。在一个实施例中，wl = 0 · 3ym、w2 = 0 · 46ym、w3 = 0 · 76μηι 且 w4 = 0 · 2μηι。
[0049] 图8是示出了在8英寸晶片的31个标线上测量的随着环半径增大的AMR谐振增大的 曲线图。
[0050] 图9是硅波导-氮化硅波导耦合器的示意图。
[0051]图10是图不了尺寸为4.25μηι X 0.2μηι的氮化娃波导的模场分布的不意图。
[0052]图IlA是作为波长的函数的具有0.1 nm分辨率的光谱的曲线图。
[0053]图11B是作为频率偏移的函数的外差光谱（点）以及具有1.28MHz的FWHM的洛伦兹 拟合曲线的曲线图。
[0054] 图12A是作为栗浦电流的函数的激光器偏置电压和输出功率的曲线图。
[0055] 图12B是QD 0波段激光器的光谱的曲线图。
[0056]图13是在lOGb/s下外部调制的激光器输出的眼图的屏幕截图。
[0057]图14A是使用商售DFB激光器在对照实验中观察到的40Gb/s时的眼图的屏幕截图。 [0058]图14B是使用根据本发明原理的混合硅外腔激光器观察到的40Gb/s时的眼图的屏 蒂截图。
【具体实施方式】
[0059] 首字母缩写词
[0060] 下面提供本文件中的首字母缩写词及它们通常表示的意思的列表(除非另外明确 规定表示不同的对象）。
[0061 ] AMR绝热微环 [0062] APD雪崩光电探测器 [0063] ARM抗反射微结构 [0064] ASE放大自发发射
[0065] BER误码率
[0066] BOX掩埋氧化物
[0067] CMOS互补金属氧化物半导体 [0068] CMP化学机械平坦化 [0069] DBR分布式布拉格反射器
[0070] DC (光学)定向耦合器
[0071] DC (电子学)直流 [0072] DCA数字通信分析仪 [0073] DRC设计规则检查 [0074] DUT被测器件 [0075] ECL外腔激光器 [0076] FDTD时域有限差分 [0077] FOM优值系数 [0078] FSR自由光谱范围 [0079] FWHM半最大值全宽度
[0080] GaAs 砷化镓
[0081] InP磷化铟
[0082] LiNO3 铌酸锂
[0083] LIV 光强（L)-电流（I)-电压(V)
[0084] MFD模场直径
[0085] MPW多项目晶片
[0086] NRZ不归零码 [0087] PIC光子集成电路 [0088] PSO粒子群优化 η o ο 存储的能量 I f存储的能量
[0089] Q 品质因数Q = 2πχ =2ufr X 每周期y肖耗的能量 功率彳贝耗
[0090] QD量子点
[0091] RSOA反射式半导体光放大器 [0092] SOI绝缘体上硅
[0093] SEM扫描电子显微镜
[0094] SMSR单模抑制比
[0095] TEC热电冷却器
[0096] WDM波分复用 [0097]混合激光器集成
[0098]高品质激光器对任何光数据链的性能来说都是关键的。因为硅在用于远程通信的 光波长处不产生激光，所以必须以CMOS兼容的方式集成外部增益材料。娃波导分布式布拉 格(Bragg)光栅要求亚50nm的特征尺寸且难以制造。还需要可靠的腔体来为激光操作提供 反馈。我们说明了利用萨格纳克环形镜和微环谐振器的新型激光腔构造。证实了基于这样 的腔体的混合激光器，其具有1.2MHz的线宽、4.8mW的片上输出功率和40dB以上的边模抑制 比。
[0099]高折射率对比度的硅波导
[0100]图IA是亚微米硅波导的SEM横截面图。图IA中清晰可见硅器件层和掩埋氧化物。二 氧化硅层110的厚度是1·7μL?，硅波导120的厚度是0· 17ym(170nm)且宽度是0·507μπι (507nm)，并且硅结构之间的横向重复距离是2·774μπι。使用JBX-6300FS电子束光刻系统对 波导进行图案化且使用电感耦合等离子体反应离子蚀刻器对波导进行蚀刻。
[0101] 图IB是亚微米硅波导的SEM立体图。
[0102] 萨格纳克环和微环外腔激光器
[0103] 该器件通过铸造而制成。萨格纳克环形镜的透射率和反射率能够分析预测得出， 因为除了路由波导以外它仅包含定向耦合器。
[0104] 图2是本发明实施例的基于萨格纳克环形镜的激光腔构造的示意图。基于萨格纳 克环形镜的激光腔是优选实施例。萨格纳克环形镜A 240由定向耦合器(DC)及在一侧被与 其绑在一起的它的分支组成。它除了两个并行波导以外不包含超细特征，且能够通过单一 蚀刻步骤而制成。
[0105] 在图2中，滤波器230是用于波长滤波的在临界耦合条件下被固定的微环，且萨格 纳克环形镜A 240用于在腔的一个端部处的宽带反射。仅存在一个输出端口250。在一些实 施例中，端口 250也能够用作输入端口。通过调整耦合长度，能够精确地控制萨格纳克环形 镜A 240的反射率。在一些实施例中，具有高反射率和低透射率的镜B 210用在腔的另一个 端部处。镜B 210的实施取决于增益介质集成技术。它可以是边缘耦合集成情况下的反射式 SOA的高反射端部或者是直接键合法情况下的另一个萨格纳克环形镜。
[0106] 增益介质设置于增益腔220中。如图2的实施例所示，镜B 210和萨格纳克环形镜A 240形成光学腔(或光谐振器)结构的两个端部。增益腔220内的增益介质与滤波器230以串 行通信的方式设置在光学腔结构内。在不同的实施例中，增益腔220内的增益介质与滤波器 230能够以任何顺序设置，只要保持串行通信即可。在优选的实施例中，为了便于制造，可能 有益的是:如果滤波器230是微环滤波器，那么使滤波器230和萨格纳克环形镜A 240彼此物 理接近。在图2所示的实施例中，微环滤波器230和萨格纳克环形镜A 240是独立的且能够被 分别优化。这是具有低附加损耗的鲁棒性器件。
[0107] 在图2所示的实施例中，跑道环形谐振器230用作波长滤波器。该环具有ΙΟμπι的半 径和1.5μπι的长直DC以维持临界耦合。环FSR是8.7nm且FWHM是0.075nm，对应于20000的Q。因 为环谐振器是梳状滤波器且具有多个通带，所以期望器件在靠近SOA增益光谱的顶部的谐 振波长处产生激光。
[0108] 在一些实施例中，光学腔的具体结构能够包括位于例如由SOI晶片制成的硅芯片 上的反射器，并且增益区域由III/V型半导体材料设置而成。耦合能够包括对接耦合、使用 锥体或倒锥体用于扩展光束耦合、使用透镜用于耦合或使用透镜阵列用于耦合中的一者或 多者。
[0109] 在一些实施例中，能够使用非冷却操作来操作光学腔，其中，允许温度自由变化。 在一些实施例中，能够非气密性地操作光学腔。在一些实施例中，能够在裸片级别气密性地 密封光学腔的一个或多个部件。
[0110] 在一些实施例中，在硅侧或在III/V侧或在这两侧，在光学端面上包括一个或多个 光学涂层。
[0111] 在各种实施例中，光学腔提供能够包括感兴趣的单一波长或感兴趣的多个波长的 输出光束。在一些实施例中，光学腔提供这样的输出光束:其是窄线宽输出光束。
[0112] 激光物理
[0113] 光学腔或光谐振器包含用于形成光波的驻波腔谐振器的镜子。光学腔是激光器的 主要部件，光学腔包围增益介质且提供激光反馈。它们也被用于光参量振荡器和一些干涉 仪中。被限制在腔内的光在镜子之间反射(或传递)多次，从而产生一定谐振频率的驻波。产 生的驻波图样(pattern)被称为模(mode)。纵模仅在频率方面不同，而横模具有不同的频率 且在光束横截面上具有不同的强度图样。
[0114] 在激光器中，存在对光进行放大的增益介质。激光器栗浦涉及将能量从外部源传 入激光器的增益介质。不同的增益介质能够通过各种方法而被栗浦，这些方法能够包括从 电源、光源或甚至化学源提供能量。增益介质吸收能量并且建立原子激发态。当一个激发态 下的粒子数量超过基态或更低激发态下的粒子数量时，就实现了粒子数反转。当原子激发 态弛豫(返回到基态)时，发射出光子。在激光器中，能够通过如下光子的存在来引发激发态 的发射，所述光子具有与激发态和基态之间的能量差相匹配的能量。发射出的光子具有相 同的波长和方向且与刺激激发态发射的光同相，这样的状况被称为相干。激光器中的发射 过程被称为受激发射，这就是选择"激光(LASER)"（利用辐射的受激发射的光放大：+ight Amplification by Stimulated 巨mission of尽adiation)作为名称的原因。为了发生激光 器操作，栗浦功率必须高于激光器的激光发射阈值。
[0115] 在操作中，光在镜A 240与镜B 210之间的光学腔内来回传递。增益腔220内的增益 介质放大光以使光每次通过增益介质时强度增大。滤波器230过滤掉不感兴趣的波长，以使 这些波长的受激发射受到抑制。激光的波长能够被调谐至滤波器230能够用来选择一个或 多个离散波长通过的程度。
[0116] 根据使用的增益介质的类型，能够从具有适当特性的任何方便的功率源中选择对 增益介质进行栗浦的功率(例如，电功率或光功率等）。在本发明的各种实施例中，增益介质 能够是电栗浦增益介质、光栗浦增益介质或甚至化学栗浦增益介质。增益介质能够是固体、 液体或气体。
[0117] 图4示出了环形滤波器下降（实线）和通过(虚线）光谱以及150mA时SOA增益光谱。 期望的激光波长（1552.3nm)由星号表不。
[0118] 从图2可直接看出，萨格纳克环形镜A 240对于0或100%的DC耦合比具有100%的 透射率。因为DC是对称的，所以能够如下地预测任意耦合长度x处的透射率T:
[0119]
[0120] 其中，L是100%耦合长度且Φ表示波导弯头耦合贡献。反射率等于1 一Τ，因为DC的 附加损耗是可忽略的。为了描述萨格纳克环形镜透射率或反射率的特征，使用可调谐激光 器来测量直接连接至两个光栅耦合器的具有不同耦合长度的如图2中的镜A 240所示的结 构。
[0121] 图3Α是使用可调谐激光器和光栅耦合器测量的萨格纳克环形镜透射光谱的曲线 图。抛物线形状和波纹是由光栅耦合器的光谱响应造成的。当耦合长度从3μπι变化至12μπι 时，功率降低表明透射率减小。
[0122] 图3Β是在1550nm波长处的作为DC耦合长度的函数的萨格纳克环形镜的透射率和 反射率的曲线图。从图3B中看出，测量的数据非常符合理论。通过选择相应的耦合长度，能 够精确地控制镜的透射率和反射率。
[0123] 图3C是标准化透射光谱的曲线图。如图3C所示，波导限制随着工作波长的红移而 减少，因此倏逝波耦合及因此获得的萨格纳克环形镜的反射率在较长波长处较大。
[0124] 被切分的硅芯片首先被抛光以创建用于边缘耦合的平滑侧壁。利用在S. Yang， Y. Zhang ,D.ff.Grund,G.A.Ejzak,Y.Liu,A.Novack,D.Prather , A.E-J Lim,G-Q Lo, T·Baehr-Jones和M.Hochberg等人的〃A single adiabatic microring-based laser in 220nm silicon-on-insulator, "Opt .Express 22( I), 1172-1180(2013)中所述的方法，使 用超薄边缘耦合器来匹配用于低耦合损耗的SOA模式。硅芯片上的半腔利用六轴台与SOA对 准。
[0125] 图5A示出了测试装置的图像。如图5A所示，阴极探针510和阳极探针560被用来将 栗浦电流提供至SOA 52(LS0A通过TEC而保持在25°C。硅芯片530位于金属夹头上且处于室 温（15至20°C)中。透镜光纤550用来收集来自SOA的高反射端部的光以检测作为对准期间的 反馈信号的腔内功率。光纤束540被对齐以探查输出光栅親合器。
[0126] 在硅芯片上，输出光栅耦合器首先连接至y形接头，该接头具有3dB的本征损耗（由 于功率分配)和〇.3dB的附加损耗。y形接头的一个分支连接至与光纤阵列的光纤节距匹配 的127μπι远处的另一个光栅耦合器，而另一个分支通向混合激光器的输出波导。在混合激光 器关闭的情况下，使用安捷伦(Agilent)激光器和功率计使光纤阵列主动地与光栅耦合器 环对准。光栅耦合器损耗同时以8.5dB为特征，这与在晶片规模测试期间通常看到的情况相 比更高，这是因为作为预防措施，它与芯片表面保持更远距离。然后，安捷伦激光器关闭且 混合激光器开启，当改变栗浦电流时，观察到60mA附近的尖锐的阈值行为。
[0127] 图5B是SOA硅芯片接口的近视图。
[0128] 图5C绘出了使用具有0.1 nm分辨率的光谱分析仪在170mA栗浦电流下测量的光谱。 在激光光谱中清晰可见环滤波器光谱响应的特征纹路，具有等于环FSR的模间隔。如从图4 所期望的，激光峰值出现在1552.3nm处。SMSR是40dB。在对光栅耦合器插入损耗进行标准化 之后，片上功率是1.05mW。腔损耗的主要因素是镜透射率(90%在硅芯片上萨格纳克环处和 10%在SOA远端端面处）以及耦合损耗(估计超过4dB)。有角度的波导在硅芯片和SOA两者上 用来避免在芯片接口处进入腔的反射。
[0129] 我们进行外差实验来测量激光器线宽。从光纤阵列的激光器输出通过2X2光纤耦 合器与窄线宽激光器(安捷伦81600B，线宽约I OOkHz)的输出进行组合。组合的光信号(或组 合的光束)被光电探测器转换成电域信号，该光电探测器的光电流被送入RF频谱分析仪。图 6绘出了外差光谱数据以及洛伦兹拟合。拟合曲线表明我们激光器的FWHM是约13.17MHz。
[0130] 光刻微环谐振波长控制
[0131] 如图5C所示，尽管具有40dB的高SMSR，但是许多纵模是可用的，在ASE噪声基底之 上直到10dB。这是因为微环是梳状滤波器且SOA增益光谱相对宽且平。激光器易受干扰且激 光波长可能跳至紧挨的腔纵模。这能够通过增大自由光谱范围(FSR)而得到解决。如果FSR 宽于平坦的增益光谱，那么所有其它的腔模将被抑制。
[0132] 微环的潜在缺点是它们对制造差异的灵敏度。对于商业CMOS工厂加工的晶片，据 报道，跨晶片（cross-wafer)的谐振波长扩展与其FSR-样大。如果微环用作WDM调制器，那 么环谐振能够被热调谐至最近的栅格沟道，从而在一定程度上减小制造灵敏度。然而，如果 微环被用在激光腔的内部，那么激光波长的非预测性可能妨碍这样的器件的实际应用。
[0133] 波导几何结构变化对微环谐振波长的影响能够被建模为对波导有效折射率的干 扰。FSR取决于波导的群折射率，其不受制造误差的影响且能够在各晶片和各加工批次之间 受到精确地控制。如果FSR增大为显著大于波长的随机扩展，那么这样的扩展确定可能的激 光波长的范围。扩展取决于环波导设计、SOI晶片和硅处理。我们选择加宽的绝热微环 (AMR)，其具有大的FSR且对制造变化的鲁棒性更强。在AMR中，波导在耦合区的附近狭窄以 确保单模操作，然后逐渐加宽以支撑紧密的弯曲几何结构和可能的形成金属触头的需求。 对于2μηι半径的AMR，FSR与54nm-样大。
[0134] 图7A是示意了 AMR下降(实线)和通过(虚线)端口的光谱的曲线图。
[0135] 如图7A所示，在我们的测试激光器的1500nm至1580nm的可扫描范围内仅存在一个 谐振峰值。谐振FWHM是1.38nm，对应于39的精细度或1100的Q因数。我们在8英寸晶片上所有 31个完整的2.5cmX3.2cm标线上测量出相同的器件设计。晶片夹头温度设定为30°C，此时 晶片最稳定。
[0136] 图7B是8英寸晶片上谐振波长分布的等值线图。
[0137] 图7C是谐振波长分布的统计条形图。
[0138] 图7B和图7C示出了谐振波长分布等值线且表格1列出了统计资料。平均值是 1528 · 76nm 且标准差是 3 · 32nm。
[0139] 图7D是AMR布局的不意。在一个实施例中，wl = 0 · 3ym、w2 = 0 · 46ym、w3 = 0 · 76μηι且 w4 = 0 · 2μηι〇
[0140] 为了进一步验证谐振波长的可预测性，也测量了同一晶片上具有稍微不同半径的 AMR，并且在图8和表格2中汇总了结果。最大值减去最小值的波长范围落在12.30nm与 16 · 30nm之间。标准差在3 · 32nm与3 · 78nm之间，并且具有3 · 6nm的平均值。在具有20nm、3〇厚 度变化的SOI晶片上使用248nm光刻对器件进行图案化。通过切换至193nm、193nm浸没式光 刻和更加均匀的晶片，观察到器件均匀性的显著改善。对于WDM应用，目标波长能够被设定 为波长扩展的下界，然后局部热调谐至栅极波长且在主动反馈控制下稳定化。因为调谐范 围是FSR的极小一部分，所以热调谐功率是极小的。
[0141] Si3N4边缘耦合器
[0142] 在一些实施例中，人们可能需要解决由于由硅波导与RSOA波导之间的模式不匹配 造成的芯片接口处耦合损耗而产生的低输出功率。图IA示出了典型硅波导的横截面且图10 不出了它的模场分布。RSOA波导的近场模场分布未被准确地知晓，但是典型的单模激光器 具有约3μπιΧ1μπι的模场直径(MFD)。为了更好地匹配RSOA模式和降低耦合损耗，人们能够使 用氮化硅波导边缘耦合器。氮化硅是CMOS兼容材料，并且通常用作硬掩膜，用于后段工艺 (BEOL)电介质且用作晶片钝化层。在限定硅波导后，利用化学机械平坦化(CMP)在硅波导顶 面上方沉积350nm的氧化物然后将其平坦化至IOOnm。其后，通过光刻和干法蚀刻来沉积和 图案化200nm氮化娃。
[0143] 图9是硅波导-氮化硅波导耦合器的示意图，其中，910表示硅且920表示氮化硅。
[0144] 表格 1
[0150]如图9所示，使用推拉式耦合器将光从硅波导耦合至氮化硅波导。硅波导引导宽度 从0.5μηι锥形下降至0.18μηι，而氮化娃波导宽度从0.25μηι逐渐增大至1. Ομπι。该親合器的插 入损耗被测量是〇.3dB。然后，氮化硅波导宽度被绝热地逐渐增大至4.25μπι。图10是图示了 尺寸为4.25μπιX 0.2μπι的氮化硅波导的模场分布的示意图。氮化硅的折射率是1.95至2.0。 在0.2μπι厚度的情况下，它进行引导，但是限制因子低。如图10所示，在垂直方向上，模场的 大部分处于氧化物包覆层内。该氮化硅波导的MFD是3.5μπιΧ 0.7μπι，更好地匹配典型的SOA 模式。
[0151] 以ARM和改进的边缘耦合器重复前述的对准和测量程序。在SOI芯片后，适当地对 准RSOA芯片和光纤阵列并且打开RSOA栗浦电流。当增大栗浦电流时，观察到60mA附近的尖 锐阈值行为。在170mA(阈值电流的约3倍)下，从功率计测量出的光功率是-5dBm，其对应于 对8.5dB的光栅耦合器插入损耗和3.3dB的Y形接头插入损耗进行标准化之后的6.8dBm或 4.SmW的片上功率。图IlA绘出了光谱且图IlB绘出了外差光谱。外差光谱的洛伦兹拟合具有 1.28MHz的半最大值全宽度(FWHM)，表明混合激光器线宽是约1.2MHz。
[0152] QD 0波段激光器
[0153]硅光子技术的一个主要应用是高速数据通信，例如数据中心中的光互连。短距离 系统在〇波段(标准单模光纤的最低色散波长窗口）中已经标准化。表格3列出了用于光通信 系统的被选波段的波长范围。因此，〇波段硅光子器件是令人极有兴趣的。然而，迄今被证实 的几乎所有器件都在C波段(光纤低损耗窗口）操作，这是原因激光器、放大器和其它测试装 置在该波长范围具有更广泛的可用性。
[0154] 对于第一级，无源器件几何尺寸是以波长来衡量的，用于调制的自由载流子等离 子体效应不是波长敏感的，且光电探测器中的锗在0波段具有更强的吸附。典型材料的增益 光谱不能覆盖两个波长，所以需要考虑不同的增益介质。能够使用常规的量子阱激光器，但 是QD激光器在低阈值电流和低热灵敏度方面具有更好的性能。
[0155] 使用基于QD的RS0A。它基于具有砷化铝镓势皇的砷化镓中的砷化铟量子点，并且 它是商售的成品，例如从德国多特蒙德市（邮编44263)Konrad-Adenauer-Allee街道11号的 Innolume GmbH公司购得。高反射端的端面反射率>99%且抗反射端的端面反射率〈1 %。娃 芯片布局和对准过程类似于前述的器件。它继承了 QD激光器的独特优势，并且保持了商售 RSOA的成熟性以及硅光子芯片的CMOS兼容性。
[0156] 图12A是作为栗浦电流的函数的激光器偏置电压和输出功率的曲线图。
[0157] 图12B是QD 0波段激光器的光谱的曲线图。
[0158] 阈值在90mA处。也可获得由于电流扫频时的跳模而造成的一些弯折，这是混合硅 光子激光器共有的。由于机械或热诱导的对准干扰，250mA附近的弯折是不规则的和最有可 能的。激光峰值出现在1302nm处且获得50dB以上的SMSR。
[0159] 进行数据传输实验以进一步验证混合外腔激光器的可行性。激光器输出是使用铌 酸锂(LiNO3)马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器调制的不归零码(NRZ)，并且使用InGaAs 光电探测器对其进行探测。光电流被放大且被显示在数字通信分析仪（DCA)上。图13是 lOGb/s时外部调制的激光器输出的眼图的屏幕截图。如图13所示，lOGb/s时观察到清晰张 开的眼图，这是对包括线宽、相对强度噪声、稳定性和其它参数在内的激光器质量的整体证 明。
[0160] 数据速率随后被增大至40Gb/s。商售DFB激光器（杰尔系统（Agere systems) A1611A/B)用作控件。由于系统带宽限制，观察到更长的上升和下降时间。图14A是使用商售 DFB激光器在对照实验中观察到的40Gb/s时的眼图的屏幕截图。
[0161] 使用混合硅外腔激光器来重复相同的测试。图14B是使用根据本发明原理的混合 硅外腔激光器观察到的在40Gb/s时的眼图的屏幕截图。观察到相同程度的眼张开性，这确 认了被测器件用于高速数据应用系统是可行的。
[0162] 设计与制造
[0163] 在第 7200308、7339724、7424192、7480434、7643714、7760970、7894696、8031985、 8067724、8098965、8203115、8237102、8258476、8270778、8280211、8311374、8340486、 8380016、8390922、8798406和8818141号美国专利的一者或多者中说明了具有与本文中所 述元件类似的元件的器件的设计与制造方法，将这些文件中各者的全部内容以引用的方式 并入本文。
[0164] 定义
[0165] 如本文中所使用的，术语"光通信通道"意在表示单一光通道，例如波分复用(WDM) 系统中能够使用特定载波波长携带信息的光等。
[0166] 如本文中所使用的，术语"光载波"意在表示这样的介质或结构:包括WDM信号的许 多光信号能够通过这样的介质或结构传播，举例来说，其能够包括气体(例如空气等）、空隙 (例如真空或地外空间等)和结构(例如光纤和光波导等）。
[0167] 如本文中所使用的，术语"光信号"意在表示具有至少一个波长的光波或光束。除 非另有限制，当阅读上下文时，术语"光信号"能够表示涵盖一定波长范围的宽带信号、具有 非常窄波长范围的光信号或具有基本单一波长的例如激光信号等光信号中的任一者。
[0168] 记录来自操作或数据获取的结果(例如，记录特定频率或波长处的结果)在本文中 被理解为和被定义为以非短暂或非易失性的方式将输出数据写入存储元件、机器可读存储 媒介或存储器件。能够用于本发明的非短暂或非易失性机器可读存储媒介包括电、磁和/或 光存储媒介，例如磁软盘和硬盘;DVD驱动器、CD驱动器(在一些实施例中，其能够使用DVD 盘、使用⑶-ROM盘（即，只读光存储盘）、⑶-R盘（即，一次写入，多次读取光存储盘)和⑶-RW 盘（即，可重写光存储盘）中的任一者）；和例如RAM、ROM、EPROM、紧凑型闪存卡、PCMCIA卡或 可替代地SD或SDIO存储器等电存储媒介;并且包括适应于存储媒介且从存储媒介读取和/ 或向存储媒介写入的电部件(例如，软盘驱动器、DVD驱动器、CD/CD-R/CD-RW驱动器或紧凑 型闪存/PCMCIA/SD适配器）。除非另外明确叙述，本文中提及的任何"记录"或"进行记录"被 理解为是指非短暂或非易失性的记录或非短暂或非易失性地进行记录。
[0169] 理论探讨
[0170]尽管本文给出的理论说明被认为是正确的，但是本文中说明的和请求保护的器件 的操作不取决于理论说明的准确性或有效性。即，日后的理论发展可能在与本文中提出的 理论不同的基础上对观察到的结果进行解释，这将不会贬损本文中所述的发明。
[0171] 引用并入
[0172] 说明书中认定的任何专利、专利申请、专利申请公开、杂志文章、书籍、出版论文或 其它公开可用材料的全部内容以引用的方式并入本文。应该以引用的方式并入本文但是与 现有定义、报告或本文中明确陈述的其它公开材料相冲突的任何材料或其一部分仅在被并 入材料与本文公开材料之间不会产生冲突的程度上进行并入。如果冲突，那么以有利于作 为优选公开的本公开的方式解决冲突。
[0173] 虽然已经参照如附图所示的优选方式特别地图示和说明了本发明，但是本领域技 术人员将理解，在不偏离权利要求所限定的本发明的实质和范围的情况下，可以实施各种 细节变化。
【主权项】
1. 一种光学腔，其包括： 单光端口，所述单光端口被构造用来提供输出光束； 第一镜元件，所述第一镜元件包括亚微米硅波导，所述第一镜元件具有第一透射率和 第一反射率，所述第一镜元件形成位于所述光学腔的第一端部处的第一光反射器，所述第 一镜元件与所述单光端口进行光通信； 第二镜元件，所述第二镜元件具有第二透射率和第二反射率，所述第二镜元件形成位 于所述光学腔的第二端部处的第二光反射器； 所述第一镜元件和所述第二镜元件中的至少一者是萨格纳克环形镜;并且 在所述第一镜元件与所述第二镜元件之间的串行光通信中设置有： 滤波器元件，所述滤波器元件被构造为使具有被选光波长的光束通过;和 增益腔，所述增益腔被构造为内部含有光增益介质。2. 如权利要求1所述的光学腔，其中，所述第一镜元件是宽带反射器。3. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述第一镜元件具有随着所述被选 波长增大而增大的反射率。4. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述第一镜元件具有可变的反射率。5. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述滤波器元件是基于微环的滤波 器。6. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述滤波器元件是可调谐滤波器。7. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述滤波器元件是热可调谐滤波器。8. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述滤波器元件具有多个通带。9. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述第二镜具有由端面限定的反射 率。10. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述被选光波长是位于用于远程通 信的波长范围内的波长。11. 如权利要求10所述的光学腔，其中，所述被选光波长是位于O波段内的波长。12. 如权利要求10所述的光学腔，其中，所述被选光波长是位于C波段内的波长。13. 如权利要求10所述的光学腔，其中，所述被选光波长是位于从e波段、S波段、L波段 和U波段中选择的波段内的波长。14. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述第一镜元件和所述第二镜元件 中的至少一者被布置在硅基板上，且所述增益腔包含含有III/V型半导体复合物的光增益 介质。15. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述光增益介质经由对接耦合器、 锥体、倒锥体、透镜和透镜阵列中的至少一者被光耦合至所述光学腔。16. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述光学腔被构造为在不冷却的情 况下操作。17. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述光学腔被构造为在没有气密性 密封的情况下操作。18. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述端面包括光学涂层。19. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述输出光束包括感兴趣的单一光 波长。20. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述输出光束包括感兴趣的多个光 波长。21. 如前述权利要求中任一项所述的光学腔，其中，所述输出光束包括窄线宽输出光 束。22. -种方法，其包括以下步骤： 提供光学腔，所述光学腔包括： 单光端口，所述单光端口被构造用来提供输出光束； 第一镜元件，所述第一镜元件包括亚微米硅波导，所述第一镜元件具有第一透射率和 第一反射率，所述第一镜元件形成位于所述光学腔的第一端部处的第一光反射器，所述第 一镜元件与所述单光端口进行光通信； 第二镜元件，所述第二镜元件具有第二透射率和第二反射率，所述第二镜元件形成位 于所述光学腔的第二端部处的第二光反射器； 所述第一镜元件和所述第二镜元件中的至少一者是萨格纳克环形镜;并且 在所述第一镜元件与所述第二镜元件之间的串行光通信中设置有： 滤波器元件，所述滤波器元件被构造为使具有被选光波长的光束通过;和 增益腔，所述增益腔被构造为内部包含光增益介质； 操作所述光学腔来生成输出光束;并且 进行下述操作的至少一者:记录所述输出光束、将所述输出光束传输给另一个器件和 将所述输出光束显示给用户。
【文档编号】H01S3/30GK105917533SQ201480073068
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年11月20日
【发明人】张仪, 杨书宇, 迈克尔·J·霍赫贝格, 托马斯·贝尔-约恩斯
【申请人】科锐安先进科技有限公司