用于监控调制器的输出特性的组件的制作方法与工艺

本发明涉及用于监控光学调制器的输出特征的方法和组件，特别是Mach-Zehnder（马赫-曾德尔）调制器的输出特征的方法和组件。

背景技术：
在本说明书中，术语“光”将被用于光学系统的感知，这意味着不仅是可见光，而且包括具有在可见范围之外的波长的电磁辐射。在光学通信元件领域中，单片集成光学电路被广泛使用。这类光学电路一般包括多个通过光学分离器连接的光学波导（即，脊波导），在该光分离器处光被分离或重组成不同的分支波导或根据不同的分支波导重组。这类光学电路的示例是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）设备，诸如Mach-Zehnder调制器（MZM）。MZM用于通过将光学信号分离成两个分量，相对于另一个分量来相位调制一个分量，并重组这些分量，来利用电数据信号调制光学信号。由于适当选择相位调制，在分量之间的建设性和/或破坏性的光学干涉将发生重组（recombination），结果是振幅调制组合信号。对于波导的一个分支相对于另一分支的预定电偏压差的应用由于电光效应使分支中材料折射的综合指数（complexindices）发生不同的变化，以使分支的有效光程长（和吸收（absorption））相应地发生变化。在本领域中已知的为Vπ的偏压情况下，有效的光程长已经改变为以下程度：与在没有应用偏压时的情况相比，从分支呈现的光学信号为180°异相位。如果无偏调制器的路径长度相同，则在偏压Vπ处，光学信号将破坏性地干扰并相互抵消，以使在光学输出处产生零输出。如果无偏调制器的路径长度相差半整数个波长，那么在偏压Vπ处，光学信号将建设性地进行干扰以使光学输出信号基本类似于光学输入信号。通常微波频率范围中的电数据信号被应用于一个或两个臂。从设备输出的光学载波信号因而由数据信号进行调制。对于许多光学通信应用，需要在电压Vπ/2处偏置调制器。然而，设备不稳定性和环境影响，特别是温度变化，使操作点随时间漂移，且需要进行经常（constant）的重新调整以维持合适的操作点。必须在操作期间维持偏置点以获得最大动态范围，因此二阶谐波失真随着偏执电压误差的增加而快速增加。在一些情况中还有必要在其他操作点（即其他偏置电压）处监控调制器的输出。为了监控该输出，光电二极管一般用于检测在调制器下游的一些点处的光。基于Mach-Zehnder干涉仪的调制器需要非常精确地控制特性曲线上的操作点，以为了得到传输中的最佳性能（包括零啁啾、最大消减比率、50%通过光学眼）。这依据过程控制和相位偏移导致了对光学二极管的严格限制。新的调制格式甚至强加了更多严格的限制。一个关键参数是方向性：也就是，对于广电二极管必须能够检测何时没有功率通过输出端口被发出。现有技术中采用的用于监控输出特性的传统结构包括角镜，该角镜通过光学设备的基底（例如，如在US66681403和US2005/0105848中所述的）或通过用于将设备连接至输出纤维的纤维块进行耦合。获得良好隔离的的另一种方式是使用光学3dB耦合器代替Y分支来作为对调制器干涉仪的输出的合成器。但是，这种解决方案使设备对波导过程变化和波长非常敏感。在调制器自身的输出特性的没有退化的情况下需要监控Mach-Zehnder干涉仪（MZI）调制器的输出特性。还需要维持与设备的输出波导的强隔离（也就是，任何经过调制器的输出端口的光学功率不应耦合至光电二极管）。

技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种光子组件。该组件包括基底和光学振幅调制器，该光学振幅调制器具有至少两个用于通过输出合成器将光传送至输出端口的臂，该输出端口耦合至安装在基底内或基底上的输出波导。溢出（spiller）波导安装在基底内或基底上。该溢出波导具有输入端，该输入端物理上与输出波导分离但接近所述输出波导，以便收集从输出端口或输出波导溢出的光。该调制器可以为MZI调制器。所述溢出波导的输入端可以位于接近所述调制器的输出端口的位置，并且可选择地与所述调制器的输出端口基本水平。该位置被选择以使当所述调制器被配置使得穿过所述调制器的光破坏性地进行干扰且基本上没有光通过所述输出端口传送时，通过基底从所述输出合成器辐射出去的光被耦合至溢出波导中。该位置可以进一步被优化以使当所述调制器被配置使得穿过所述调制器的光破坏性地进行干扰以具有通过所述输出端口的最大传输时，基本上没有光被耦合至所述溢出波导中。耦合至所述溢出波导的光的强度基本上与通过所述输出波导传送的光的强度成反比例，并且这可以因此被认为是“反转（inverting）”配置。“非反转（non-inverting）”配置也是可能的。在该实施方式中，所述溢出波导的输入端位于所述输出端口的下游且与所述输出波导足够接近，以便由穿过所述输出波导的光产生的倏逝波（evanescentwave）耦合至所述溢出波导中。所述溢出波导的输入端可以位于与所述输出端口足够远的下游位置，以能够过滤高阶模（例如在所述调制器的操作波长的大约1000至大约3000倍之间），且耦合至所述溢出波导中的光的强度基本上与通过所述输出波导传送的光的强度成比例。由所述溢出波导收集的光（不论是反相或是非反转配置）可以基本上对通过所述输出波导的光的传输没有影响。由所述溢出波导中每个溢出波导收集的光可以展示与所述调制器的强度传输曲线相比的强度传输曲线中的相位偏移。为了补偿这个方面，该组件可以包括具有输入端的两个溢出波导，该两个溢出波导的输入端基本上等距地位于所述输出波导的任一侧。然后由两个溢出波导一起收集的全部光可以在强度传输曲线中展示基本上没有相位偏移。该组件可以进一步包括耦合至每个溢出波导的光电探测器(诸如光电二极管)以用于检测沿着所述溢出波导穿过的光的强度。如果具有两个溢出波导，那么单个光电探测器可以耦合至两个溢出波导以为了检测同时沿着两个溢出波导穿过的光的总强度。所述光电探测器可以位于所述溢出波导上方，以使由沿着溢出波导传播的光所产生的倏逝波耦合至所述光电探测器。如果有两个耦合至单个光电探测器的溢出波导，这将意味着所述光电探测器还跨越(straddle)所述输出波导。如果这样的话，所述光电探测器可以包括位于所述输出波导上方的所述光电探测器底面的凹槽，以防止从所述输出波导至所述光电探测器的倏逝波耦合。所述光电探测器可以可替换地位于所述溢出波导或每个溢出波导的上方，并具有安装在在所述溢出波导或每个溢出波导中的直角镜以用于将光耦合至所述光电探测器中。另一可替换的，可以提供接口以将来自所述溢出波导或每个溢出波导的光耦合至外部光纤。所述溢出波导的所述输入端为锥形，并且所述锥形可以被截断(truncate)。根据本发明的另一方面，提供了一种监控安装在基底中或基底上的光学调制器的输出特性的方法。该方法包括通过所述调制器的至少两个臂将光传递至输出合成器、输出端口并因此传递至输出波导。通过安装在所述基底中或基底上的至少一个溢出波导的输入端收集从所述输出端口或输出波导溢出的光，所述输入端物理上与所述输出波导分离但接近所述输出波导。该方法进一步包括检测沿着所述溢出波导或每个溢出波导传送的光。附图说明本发明的一些优选实施方式将参考附图通过示例的方式进行描述，其中：图1A是Mach-Zehnder干扰仪型调制器和溢出波导（spillerwaveguide）的示意性俯视图，示出了建设性干涉期间光的一般路径；图1B是图1A的组件的示意性俯视图，示出了破坏性干涉期间示例性的光路径；图2A是MZI调制器和溢出波导的可替换布置的示意性俯视图，示出了建设性干涉期间示例性的光路径；图2B是图2A的组件的示意性俯视图，示出了破坏性干涉期间示例性的光路径；图3A是图2A的溢出波导的一部分的更加详细的示意性俯视图；图3B是图2A的溢出波导的可替换配置的示意性俯视图；图4是MZI调制器和溢出波导的可替换布置的示意性俯视图；图5A是用于使用倏逝波耦合来检测穿过溢出波导的光的组件的示意性侧视图；图5B是用于使用角镜来检测穿过溢出波导的光的部分组件的示意性侧视图；图6是MZI调制器和溢出波导的又一可替换布置的示意性俯视图。具体实施方式以下讨论解决了监控在保持主输出（耦合至外部纤维的部分）本质上未受干扰的情况下具有足够的敏感性的Mach-Zehnder光电设备的输出的问题。并且，监控器必须不受光的影响，该光来自输出端口可以被耦合至设备内部。还需要将用作检测器的光电二极管的传递曲线必须展示出与MZI设备的相位偏移相比小的相位偏移。以下描述的方法基于“波导溢出”，“波导溢出”一般定位在MZI的Y-结点（Y-junction）输出的旁边以捕获来自理想配置中的波导的光并将其带入至合适定位的光电二极管。光电二极管然后可以以多个不同方式耦合至的波导，例如对接耦合、垂直的同一方向（倏逝波）耦合或垂直直接耦合（直接通过将来自波导的光向上引导的镜子）。图1是包括MZI调制器100的光电组件的示意性俯视图。该组件包括在单片（monolithic）基底（未示出）内或单片基底上形成的波导，该基底由诸如LiNbO3或InP的光电材料形成。输入波导101耦合至分离器102，分离器102的输出耦合至两个调制臂103、104。输出合成器105耦合至臂103、104的输出，且输出波导106耦合至合成器105的输出端口。其他电子器件（未示出）应用至调制器臂103、104以偏置这些波导，以便修改它们的光学路径长度，并因而修改到达合成器105的光的相位。两个监控波导（于此一般指“溢出波导”）107、108也形成在基底内或基底上。溢出波导107、108未直接耦合至MZI调制器100的输出，但具有位于短距离的输入端109、110。光电探测器（通常是光电二极管）111、112耦合至溢出波导以用于检测所穿过的光。图1A示出了在调制器臂103、104被偏置以使穿过两个臂的光当在合成器105中被重组时同相（即，穿过臂103、104的光之间的相位差Δφ为2π的多倍）时通过组件的光的通道。在这种情况中，来自两个臂的光在输出105处进行建设性的干涉，并且基本上所有光沿着输出波导106被传送。非常少光或没有光被传送入溢出波导107、108中。图1B示出了当在臂103、104被偏置以使穿过臂103、104的光之间的相位差Δφ为π的奇数倍时调制器100中的光的行为，所以穿过两个臂的光当在合成器105中被重组时为异相并进行破坏性地干涉。沿着输出波导传送的光现在理论上具有零振幅，所以为最小值。反而，光在所有方向上辐射通过基底（或“溢出”），且该光中的部分光进入溢出波导107、108。沿着这些波导光被传送并通过光电探测器111、112被检测。因而显然的是由光电探测器111、112检测的光的强度一般与沿着调制器100的输出波导106传送的光的强度成反比。该布置因而可以说成是“反转”配置。当通过输出波导106的传输处于最大时，由光电探测器111、112检测到的信号为最小，并且当通过输出波导106的传输处于最小时，由光电探测器检测到的信号为最大。还显然的是溢出波导的存在对于调制器100的输出特性没有扰动效应。当调制器如图1A所示进行操作时，所有的光通过输出波导106传送。当如图1B所示进行操作时，不管溢出波导107、108是否存在，光将通过基底从合成器105被辐射。图1A和1B示出了作为位于偏移处（offset）并在输出合成器105的稍微下游的溢出波导107、108的输入端109、110。他们精确的位置将依赖各种优化因素，但应当理解的是他们可以直接位于合成器的任一侧或更下游（如果需要的话），以为了更有效地检测辐射的光。图2A示出了可替换的组件，该组件在非反转的配置中操作。图2A的大部分元件与图1A中的那些元件类似且由相同的参考数字标示。在图2的组件中，两个溢出波导207、208具有位于接近输入波导106并比图1A中显示的溢出波导107、108的输入端109、110更下游的输入端209、210。输入端209、210足够接近输出波导106以使接近输出波导106的倏逝波被耦合至溢出波导207、208中。耦合至溢出波导107、108的光的强度（并因此通过光电探测器111、112被检测）因而一般与沿着输出波导106传播的光的强度成比例。如图2A所示，调制器臂103、104被偏置以使透过这两个臂的光当在合成器105中重组时同相，从而进行建设性的干涉，导致了最大传输。这导致了在光电探测器111、112处的最大可能信号。图2B示出了当穿过调制器臂103、104的光异相时光的行为。如图1B所示，没有光沿着输出波导106传送，但是光通过基底被辐射。因为没有光沿着输出波导放射，所以没有用于耦合至溢出波导207、208的倏逝波中并且在光电探测器111、112处没有信号。通过输出波导106的最小传输导致在光电探测器111、112处的最小信号。溢出波导207、208的位置被选择以使输入端209、210沿着输出波导106有足够的距离以允许对不需要的高阶模（higher-ordermode）进行完整滤波。最优耦合距离应当被选择以使溢出波导的耦合在输出波导106上将具有最小可能寄生效应。通常，该耦合距离可以被选择为在调制器操作的中心波长的大约1000至3000倍之间的范围内。例如，在1550nm处操作的调制器的耦合距离可以大大约1mm。图3A是图2B圆圈部分的更加具体的视图，显示了用于溢出波导207、208的输出端209、210的可能配置。如图3A所示，溢出波导207、208在它们的输入端具有锋利的尖端309、310。该布置具有高的效率，但图3B示出了具有截断的尖端409、410的布置，该截断的尖端409、410允许带有光刻过程的更好的可重复性。应当理解的是在图3A和图3B中所示的尖端还可以被用作图1A和图1B中所示的溢出波导107、108的输入端。图3还示出了与输出波导106相比出现在“上面的”和“下面的”溢出波导207、208的相位偏移ΔφU、ΔφD。这些是与调制器相比每个溢出波导中的传输曲线的相位偏移。换句话说，当调制器处于最大或最小传输时，每个溢出波导处于其特性稍微不同的点处（即，不是精确的最大或最小），是否反转：这个不同被称为监控器曲线的相位偏移。尖端的布局和尺寸被优化以便最小化该相位偏移和最优化在不影响调制器的情况下从波导耦合的功率。实际上，传输曲线相位偏移依赖于波长，这样完整优化因而不可能在整个C+L频带发生。此外，小的过程变化引起在该参数中的相当大的改变，该参数在评估监控器性能中是重要因素。并且，对于具有高比特率的相干格式（coherentformat）（如，在40Gb/s或100Gb/s的偏振复用（POLMUX40G，POLMUX100G）和高等级正交幅度调制（诸如8-QAM、16-QAM、64-QAM和较高等级的QAM）），大于5°的相位偏移不能被接纳。然而，已经发现了如果溢出波导的输入端109、110、209、210与输出波导106等距，那么相位偏移ΔφU、ΔφD一般为振幅相等而符号相反。这实际上可以然后被用于补偿个别溢出波导中的相位偏移。如图4所示，通过将溢出波导107、108、207、208的输出耦合至单个光电探测器来实现补偿。图4是与图1和2中所示的类似的调制器100的示意性俯视图。但是，替代了耦合至每个溢出波导107、108的光电探测器111、112，用单个光电探测器411检测穿过溢出波导107、108二者的光。因为两个溢出波导107、108之间的有效补偿，由光电探测器411检测到的光的整体强度因而展示了极低的整体相位偏移。这样低的相位偏移将不管操作的波长也不管波导制造过程强大改变而应用。应当理解的是合成的光电探测器还可以被用于如图2所示的调制器。还应当理解的是可以使用两个单独的光电探测器111、112（如图1和2所示）并合成这两个光电探测器的输出信号以实现相同的效果。光电探测器可以以各种不同的方式被耦合至溢出波导。将该光电探测器或每个光电探测器定位在波导的顶部是非常便利的，导致了单片集成设备。如果是这种情况，光电探测器可以通过垂直同一方向(倏逝波)耦合或垂直直接耦合(直接通过将来自波导的光向上引导的镜子)来操作。图5A是基底520中溢出波导107及位于该基底之上的光电探测器411的示意性侧视图，。由沿着波导传播的光产生的倏逝波被耦合至光电探测器411中。这个方法允许简单的光电探测器411的定位，但应当理解的是当覆盖了两个溢出波导107、108的单个光电探测器411(如图4所示)被使用时问题出现了，因为光电探测器411还跨越输出波导106。为了防止从输出波导106至光电探测器411中的倏逝波耦合，中间的凹槽位于输出波导106上方的光电探测器411底面，以使光电探测器411在物理上与输出波导106分离。图5B示出了经由角镜521从溢出波导107垂直直接耦合至光电探测器411中。镜子521可以按照在PLC和类似设备中的传统方式通过机械腐蚀、化学(RIE或类似的)腐蚀、激光烧蚀等装配。如果该方法被使用了，那么在中间的输出波导106上不需要凹槽。另一可替换的，溢出波导可以通过如合适的光纤块或光纤带的外部光纤在芯片(其中安装了调制器100)外耦合。这样，信号可以被馈送至其他元件(如果需要的话)。这在图6中示出，图6显示了耦合至安装在基底620上的调制器的输出波导106和溢出波导107、108的输出的光纤块613。图6示出了反转配置，但是应当理解的是相同的原理可以应用至非反相配置。应当理解的是以上描述的布置上的变化仍落入本发明的范围，本发明的范围由权利要求书定义。例如，描述的所有布置显示具有两个溢出波导，但可以使用其他数量的溢出波导。输出特性可以使用单个溢出波导进行监控，尽管这可能对于传递曲线的相位偏移需要进行修正。可替换地，可以提供三个、四个或更多的溢出波导以优化至此类波导的光的耦合。