专利名称：集成光收发机的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光收发机，尤其涉及采用用在光通信系统的内腔多路分用谐振器的收发机。
多波长光通信网络能够显著地增加传输容量，增强系统灵活性和便于更灵活和新的系统管理方案。实现这种成本经济系统的主要问题是稳定的多波长收发机和具有精确信道波长分辨力和低温灵敏度的检测器装置的实现。后者保存波长注册并且使得允许在不同温度的系统各部分的不同器件的通信。用在现有技术中的波长选择分布式反馈(DFB)器件具有要求精确的温度控制、加工时缺乏波长精确性和在将信道耦合到单一输出时的高耦合损耗的缺点。
已经提出在激光器或检测器内集成有源或无源波长选择器件以形成能够同时传输或检测若干波长的集成多波长发送机或接收机装置。还已知道，这种波长选择器件能被形成在激光腔内使得在若干波长信道上进行激光振荡。用在这种方案中的波长选择器件通常是光栅基结构，其一般与透镜或反射镜集成以形成要求的光束控制。
本发明目的是通过提供集成多波长收发器来改进这种装置。
根据本发明第一方面，提供了一种集成光收发机，其包括形成在第一和第二反馈单元之间的激光器腔，在激光器腔内用于确定激光器腔激射波长的波长选择装置和光接收装置，至少一个反馈单元在激射波长上是部分地透射的以使得允许收发机发射该激射波长的光辐射，以及该波长选择装置被设置得用于接收通过一个反馈单元的光和传送不同于激射波长的所选择波长的光到所述光接收装置。
这种收发机能够检测在一个或一组波长上的输入数据并且同时发送在不同的一个或一组波长上的数据。
波长选择装置通过成为激光器腔的一部分而确定所产生的激射波长和传输到光接收装置的所选择波长，并且因此确定由收发机传输的波长和由收发机接收的波长。
根据本发明的另一方面，提供有一对匹配的这种收发机。
通过下面的说明和说明书的附属权利要求，本发明的其它特征将更清楚。
下面通过例子参考附图来说明本发明，其中
图1是表示根据本发明集成光收发机第一实施例的示意图；和图2是表示根据本发明集成光收发机第二实施例的示意图。
下面说明单个波长传输和检测收发机，但是所说明的方案能够扩展到任何数目的波长信道。
图1示出诸如绝缘体基外延硅芯片的光学芯片1，其上形成了收发机。诸如为硅的脊形波导的集成波导2从诸如为在波导2一端的小平面上形成的抛光且部分抗反射(AR)的涂层的第一反馈单元3延伸到诸如为通过一系列在硅芯片表面刻蚀的窄浅凹槽4A形成的传输光栅的波长选择装置4。另一波导5形成在芯片1的一个位置，用以以选择的角度从传输光栅4接收光并且经过诸如为半导体激光放大器芯片的光放大器6引导到诸如为激光放大器6的高反射(HR)涂层小平面的第二反馈单元7。在所示的例子中，传输光栅包括啁啾(chirped)的周期孔径的线性阵列，因此它还能聚焦穿过它的光。
沿着波导2向传输光栅4传输的光随着其离开波导2发散到硅层，如虚线8所示。光以干涉图形的形式离开传输光栅4并且相对于栅轴(即垂直于栅且与波导2共线的轴)在不同的角位置包括有一系列的峰，每个峰都包含特定波长或波带的光，该干涉图形是由以公知方式形成光栅的啁啾周期孔径的线性阵列产生的。
定位波导5以便接收所选波长λ1的光，该波长λ1是收发机传输的波长。该波长的光是在AR涂层3和HR涂层7之间形成的激光腔中以公知方式放大的，并且由于AR涂层仅仅是部分反射的，一部分这种光穿过AR涂层3从收发机中透过作为在波长λ1的收发机的输出。
另一波导9以选择的角度也提供在芯片上，以便接收来自传输光栅4的第二波长λ2的光和将该光传输到诸如光电二极管的检测器10上。
为了接收各自的波长λ1和λ2在波导5和9之间要求的间隔一般在10-20微米量级，其依赖于结构的尺寸和几何形状。
因此，传输光栅用作将穿过部分抗反射涂层3的由收发机接收的第二波长λ2的光引至光电二极管。
因此波长选择结构4被集成为在半导体激光放大器芯片6的部分抗反射(AR)涂层小平面3和高反射(HR)涂层小平面7之间形成的激光器腔的一部分。传输光栅4用于设置在相同芯片内部的接收的和传输的数据的相对波长。传输光栅4通过作为激光器腔的一部分而设置激光器的传输波长并作为波长选择滤光片。此时，传输光栅4还作为确保检测器10由正确范围的波长照射的带通滤光片。
因此，传输光栅4的波长选择性使得能够形成封闭的腔以在一个波长λ1形成激光振荡和在检测器对另一波长λ2的自由检测。检测器10物理上是激光谐振器的一部分但它在波长域内和其分开。端接波导9的光电二极管10作为高效率的吸收器并且防止在那个波长上形成振荡。
图1示意地表示这种收发机的一个实施例。在波长λ2上的数据被耦合到该器件并由栅结构4多路分用以照射到检测器10。正如上述，图1所示的例子结合啁啾聚焦光栅4来完成多路分用和聚焦。
图2表示另一实施例，其使用在硅芯片中刻蚀的准直和聚焦镜11与反射光栅12的组合。镜11和反射光栅12能够通过在硅芯片表面中的深刻蚀形成。
通过提供在光放大器6中在λ1的波长选择反馈，激光的激射波长是由光栅多路分用器12确定的。
通过该装置接收的所检测波长λ2由镜面11和光栅4导引到检测器10。因此在激光腔中包括有光栅4，其在每个往返循环期间多路复用和多路分用来自输入数据的辐射激光波长。这隔离了检测器9并且在激光高反射涂层小平面7通过光栅多路分用器12到芯片的部分抗反射涂层小平面3之间形成激光腔。
如果波长λ1和λ2显著地不同，抗反射涂层3能够设计成对所检测波长λ2有较低值(即小于反射)以改善耦合效果和对传输波长λ1具有较高值(即高于反射)以降低激光阈值。
上述收发机具有若干显著优点无源光栅多路分用器的采用去掉了位于系统不同部分的收发机的传输和检测波长之间的任何波长注册问题。这是由于下述事实所检测和传输的波长是通过相同的无源多路分用器装置设置的。例如，在上述例子中，λ1的发射激光是通过多路分用器几何结构确定的，例如通过能使光栅形成为亚微米精度的光刻蚀工艺，该几何结构能够被非常精确地限定和加工到很高的公差。因此该波长自动地与另一收发机所检测波长匹配，如果它也将使用相同的多路分用器但具有交换的激光器和检测器波长。由于在两种情况下无源多路分用器是效果上相同的，因此波长将是等同的并且因此能自动地自对准。
光栅单元的采用增强了在由光栅定义的特定波长上的激光振荡。这个波长能被非常精确地设定(优于0.05nm)，并且在一个方面，其可以被设计成足够地窄以允许啁啾和色散补偿的降低，但是在另一方面，其可以被设计成足够地宽以使得能够有稳定的和线性的光电流响应(通过平均化输出模跳跃效果)。
另外，通过逐渐变粗将激光耦合到光栅的波导5，即通过随着其接近光栅4或12而逐渐变粗波导5的高度和/或宽度，耦合到激光器的光的谱线宽度能够被减小。
收发机还降低了温度的灵敏度。温度的依赖性产生于二个因素1)热膨胀改变了光栅节距。硅的热膨胀系数是4.6×10-6K-1，对于典型器件设计，这在-40到85℃的温度范围上导致0.7nm的发射激光波长的变化。
2)折射率随温度的变化这改变光栅的工作波长。Si折射率随温度的变化是1.86×10-4k-1。对于典型器件设计，在-40到85℃的温度范围上，这将导致近似为9nm的波长变化。
因此所得波长随折射率变化比因热膨胀引起的对应变化大一个数量级。但是，即使在因折射率变化导致的所述125℃温度范围之上的9nm偏移，也是显著地小于使用诸如Fabry-Perot激光之现有技术已经获得的偏移。
还应当注意，避免了由于在器件性能上有源(激光器)单元导致的随温度的波长变化，这是因为该波长是被无源光栅器件设置的。
结果，与发射激光线宽的减小结合的波长随温度偏移的减小，显著地减小了信道波长的要求容许偏差。例如，对于以1310nm和1550nm二波长工作的收发器装置，如果在没有任何温度稳定的情况下采用现有技术Fabry-Perot激光器，则要求有近似100nm的信道宽度。如果采用具有这里说明的这种激光器的收发机，则这能够减小到10nm。
使检测器波导9逐渐变粗，即通过逐渐变粗高度和/或增加宽度以便随其接近光栅4，12而增加波导模的宽度，也能用来在信道损耗小于1dB补偿的情况下，容许在9nm范围内的输入数据的波长变化。例如，波导9能从其标准4微米宽度变粗到20微米，其导致展宽检测器响应，结果能够适应因温度导致的发射激光波长的任何变化。
对于大的信道分离，例如上述1310nm到1550nm，在光栅的自由光谱范围(FSR)内取得要求的信道分离是困难的。为克服这一点，光栅被设计成在FSR之外工作，但是在这种方式下，避免或最小化了带有出现任何其它模式的串扰。为确保这一点，设计器件使得对应潜在干扰模式的波长不出现在波导9的输入端上。
通过在芯片上提供另外的波导以将其它波长接收到类似于上述的激光腔和将其它波长接收到类似于上述的另外检测器，还能够将上述的收发机设计成在多于一个波段上进行发射和/或接收。借助近似4微米宽的波导，大约10微米的间隔，例如有可能在光栅的焦平面上形成最多达32个波导，结果使得收发机能够在16个波长进行发射和在16个波长进行接收。
上述结构的收发机还方便了用于监视从激光器发射的光的二种可能的方法。第一个是取样使用光栅的激光器腔内部的光。该光栅可被设计成带有较低或较高阶衍射模的小的但确定比例的激光功率。这能被耦合到其它分接波导13和耦合到其它光电二极管14(见图2)。通过正确设计，这个较高阶模的空间分离应当与发射和检测波长λ1和λ2的空间分离充分地不同以允许在焦平面上较好地配置波导。
第二种方法是以监视从激光器放大器6的后小平面7发射的功率为基础。这能够从有角度的镜面反射并耦合到合适的检测器。在这种情况下，激光器放大器6将远离芯片边缘安装以便在芯片上留有形成镜面和检测器的空间。
可以理解，为了使收发机的接收机灵敏度最大，检测波长λ2最好应当与光栅4，12产生的衍射剖面峰值一致。
还可以理解，在AR涂层3的设计中，在通过增加对波长λ1的反射率而减小激光器腔损耗(减小激光器阈值电流)的期望和通过减小对波长λ2的反射率(减小用于输入数据的耦合损耗)而增加接收机灵敏度的期望之间要有一个折衷。
与0％反射率的涂层相比，大约20％(对两种波长)反射率的AR涂层例如将导致对接收功率将增加约1dB的耦合损耗(即降低1dB灵敏度)。与使用80％反射率的HR涂层相比，激光器阈值电流的对应增加将在30％左右。
正如上述，这里所述的收发机最好形成在绝缘体基外延硅(SOI)芯片上。SOI芯片使收发机各种元件的集成很容易并且具有相对低的加工成本。WO95/08787给出了SOI芯片的其它细节和其上形成的脊形波导。
GB2307786A和待审申请GB97025597(公开号GB2315595A)说明了在SOI芯片上安装诸如光电二极管检测器等元件的方法。待审申请97025795(公开号GB2317023A)中说明了锥形脊形波导结构。
用电子束或光刻技术在光学芯片表面上加工传输和反射光栅是公知的，因此不详细说明。一般传输光栅4形成为浅凹槽，深度(例如0.2微米)和宽度为零点几个微米，长度为几个微米。周期是啁啾的并且一般为零点几微米到几个微米。
反射光栅12一般由深刻蚀部件形成，具有5-20微米宽的反射表面，空间隔开大约5-20微米，光栅一般具有大约500微米的长度。
镜面11也是由深刻蚀形成的，一直伸过光引导层，并且为从几百微米到几个毫米宽。镜面最好是图3所示的凹面，以便准直和聚焦光，并且其上还可以具有反射涂层，例如其上涂有铝涂层。正如上述，使用公知光刻蚀工艺，光栅和镜面可加工成很高的精度，例如在大约0.2微米精度内。这种精度是可以重复的，因此使收发机能被制造成具有精确匹配的传输和接收波长。
权利要求
1一种集成光收发机，其包括形成在第一和第二反馈单元之间的激光器腔，在激光器腔内用于确定激光器腔激射波长的波长选择装置和光接收装置，至少一个反馈单元在激射波长上是部分透射的以使得允许收发机发射该激射波长的光辐射，以及该波长选择装置被设置得用于接收通过一个反馈单元的光和传送不同于激射波长的所选择波长的光到该光接收装置。
2权利要求1的收发机，其中所述波长选择装置包括衍射光栅。
3权利要求2的收发机，包括第一光波导，配置成以对应于所述激射波长从光栅接收之角度的第一角度将光发送到光栅上和从光栅上接收光，和第二光波导，配置成从光栅上以对应于所述选择波长从光栅接收之角度的第二角度接收光。
4权利要求3的收发机，其中第二光波导具有用于从衍射光栅以一个角度范围接收光的相对宽的接收端，和用于将该光传输到光接收装置的较窄传输部分。
5权利要求2，3或4的收发机，形成在光学芯片上，其中衍射光栅包括通过一系列在芯片表面中的凹槽形成的传输光栅或反射光栅。
6前述任何一个权利要求的收发机，其中所述波长选择装置被设置得以10nm或更小的精度确定激射波长和选择波长，与温度变化无关。
7前述任何一个权利要求的收发机，其中所述反馈单元之一个包括抗反射涂层。
8权利要求7的收发机，其中抗反射涂层对所述选择波长比对激射波长有更大的透过性。
9前述任何一个权利要求的收发机，其中所述反馈单元的另一个包括高反射的涂层，优选配置成反射至少80％的激射波长的光。
10前述任何一个权利要求的收发机，其中所述波长选择装置和激光器腔配置成使得收发机能够发送多个激射波长的光。
11前述权利要求任何一个的收发机，其中所述波长选择装置和光接收装置配置成使得收发机能够检测多个选择波长的光。
12权利要求3和10或11的收发机，其中提供多个光波导，每个都配置成从波长选择装置中接收对应的激射波长或选择的波长。
13权利要求12的收发机，其中所述多个光波导的接收端相互隔开20微米或更小，优选10微米或更小。
14前述任何一个权利要求的收发机，配置成使得每个激射波长和每个选择波长不相互干扰。
15前述任何一个权利要求的收发机，包括输出监视装置，配置成监视透过另一个反馈单元的光以监视所发射辐射的功率。
16权利要求3的收发机，其中衍射光栅配置成以比通过所述第一光波导接收的光的衍射模式较高或较低阶衍射模式衍射在所述激射波长上的光，并且包括输出监视装置，用于接收所述较高或较低阶衍射模式的所述激射波长以监视发射辐射的功率输出。
17前述任何一个权利要求的收发机，其中，光接收装置包括光检测二极管。
18前述任何一个权利要求的收发机，其集成在绝缘体基外延硅芯片上。
19前述任何一个权利要求的收发机，其具有10nm或更小的信道宽度。
20一种基本上同前述的涉及所附附图的集成光收发机。
21一对前述任何一个权利要求的收发机，其中一个收发机的激射波长对应于另一个收发机的选择波长。
22一对权利要求22的收发机，其中各个收发机的波长选择装置每个都包括具有类似精确度的衍射光栅，由此每个收发机的各个激射波长和选择波长是通过本质上等同的装置确定的，因此自动地相互匹配。
全文摘要
一种集成光收发机包括:形成在第一和第二反馈单元(3,7)之间的激光器腔,例如为衍射光栅(4)的在激光器腔内用于确定其激射波长的波长选择装置和光接收器(10)。反馈单元(3)之一在激射波长上是部分透明的,使得收发机能够在激射波长上发射光辐射,所述波长选择装置(4)被设置得用于接收通过反馈单元(3)的光和将与激射波长不同的选择波长的光传输到光接收装置(10)。
文档编号H04B10/40GK1286819SQ98813770
公开日2001年3月7日 申请日期1998年12月18日 优先权日1997年12月23日
发明者M·阿斯格哈里 申请人:布克哈姆技术公共有限公司