专利名称：自校准集成光子电路及其控制方法
技术领域：
本发明通常涉及一种集成光子器件，更具体地，涉及一种自校准集成光子电路及其控制方法。
背景技术：
该部分引入了可能有助于更好理解本发明的各个方面。因此，按照这样阅读这一 部分的陈述，并且不会将其理解为是什么或不是什么、现有技术的承认。采用集成光子电路的系统可以提供用于超宽带信号处理的强大平台。硅基集成光 子电路对于光子电路的高水平集成拥有特别有前途的未来。然而，这种光子电路受到频率 偏离，并且光子器件由于温度改变而导致失配。称作“未对准”的偏离和失配使得光子电路 的性能退化。为了抵消这一问题，已经开发了精细校准电路作为集成光子电路的伴随芯片。 这些校准电路在减小未对准方面通常是有效的，但是仍然难以向较大的未对准提供补偿。
发明内容
为了解决现有技术的上述缺陷，本发明的一个方面提出了 一种自校准集成光子电 路。在一个实施例中，所述电路包括(1)衬底；(2)激光器，位于所述衬底上，并且配置用于 产生输出频率的光源光；(3)激光器对准传感器，位于所述衬底上，并且包括(3a)基准光 学谐振器，配置用于接收所述光源光，具有近似预定中心频率的零点，并且提供作为输出频 率和中心频率之间关系的函数的输出光；(3b)光电探测器，配置用于提供基于输出光幅度 的电信号；以及(4)位于所述衬底上的校准控制器，与所述光电探测器耦合，并且配置用于 基于所述幅度调节输出频率。本发明的另一方面提供了 一种控制自校准集成光子电路的方法。在一个实施例 中，所述方法包括(1)利用位于所述电路衬底上的激光器产生输出频率的光源光；(2)提 供作为输出频率和位于衬底上的基准光学谐振器的中心频率之间关系的函数的输出光； (3)利用位于所述衬底上的光电探测器，提供基于输出光的幅度的电信号；以及⑷利用位 于所述衬底上的校准控制器、基于所述幅度来调节输出频率。
为了更加全面的理解本发明，现在结合附图参考以下描述，其中图1是自校准集成光子电路的一个实施例的图；图2是光电探测器输出电流作为基准光学谐振器光源光频率的函数的曲线，具体 地示出了基准光学谐振器响应作为光源光输出频率函数的单调本性；图3是可以在图1的校准控制器中执行的激光对准过程的一个实施例的流程图；图4是可以在图1的校准控制器中执行的光子器件对准过程的一个实施例的流程 图；图5是可以在图1的校准控制器中执行的耦合比调节过程的一个实施例的流程图；
图6A是示例pole-zero四阶带通滤波器的响应曲线；图6B是图6A的带通滤波器中的光学谐振器的曲线，所述光学谐振器在相对于基 准光学谐振器偏移处谐振；图7A是具有分布激光对准传感器的自校准集成光子电路的一个实施例的平面 图；图7B是图7A的光子电路的正视图；以及图8是控制自校准集成光子电路的方法的一个实施例的流程图。
具体实施例方式如上所述，今天的精细校准电路，难以提供对于较大未对准的补偿，所述精细校准 电路位于与集成光子电路分立的芯片上(芯片外)。甚至现代的激光器易受显著偏移的影 响，并且温度变化可以在材料上影响光子电路中其他光子器件的对准。图1是自校准集成光子电路的一个实施例的图。光子电路的所有光子器件都位于 单独的衬底100上(或者单独的衬底100中，这些术语在这里可互换的使用)。图1示出了 衬底的主面，可以将其看作是光子电路的上表面。衬底100与体材料热电冷却器或TEC(图 1中未示出但是在图4B中示出)相关联。在所示实施例中，体材料TEC至少实质上与衬底 100的主面(例如下表面，并且因此在图1中隐藏起来)有相同的边界，并且向整个光子电 路提供相对粗略的温度控制。激光器105提供作为一个或更多温度函数的输出频率的光源光，并且提供驱动电 流或如果所述激光器105配备有压电调谐器，提供压电调谐器设置。如上所述，通常作为温 度变化的结果，所述输出频率偏移。可以是马赫_曾德耦合器的耦合器K1具有第一和第二输入、输出和加热器，并且 配置用于接收光源光并且将所述光源光分为两路。光波导(非基准)沿这两个路径将所述 光源光携带至另外的光子器件。为了简单的目的，图1并没有示出与耦合器K1相关联的加 热器和其他光子器件。相关领域普通技术人员熟悉这些加热器，包括如何制造和使用这些 加热器。这些另外的光子器件之一是基准光学谐振器110。基准光学谐振器110可以是环 形谐振器、盘形谐振器或任意其他传统或后续研发的谐振器；基准光学谐振器的所示实施 例是环形谐振器。所述基准光学谐振器110具有与加热器相关联的两个耦合器ki、k2、输入 和输出。基准光学谐振器110配置用于具有至少接近预定中心频率的零点，可以适当地将 所述预定中心频率看作是光源光的目标频率。相关领域的普通技术人员理解如何使得基 准光学谐振器具有所需中心频率处或接近所述中心频率的零点。基准光学谐振器110配置 用于从非基准波导接收光源光，并且提供作为输出频率和中心频率之间关系的函数的输出 光。这些关系将在图2中更加详细的研究。可以是光电二极管的光电探测器115配置用于提供基于输出光幅度的电信号。在 所示实施例中，光电探测器115是光电二极管，并且所述光电二极管所提供的电信号的幅 度按照其电流变化。然而，光电探测器115可以是任意其他的传统类型或随后研发的类型。 基准光学谐振器110和光电探测器115共同操作以形成这里所谓的激光对准传感器。如将可以看出的，激光对准传感器接收光源光，并且提供至少表示光源光的输出频率是否相对于预定中心频率对齐的电信号，并且可能表示其输出频率未对准的程度。激光对准传感器 的所示实施例提供后一种表示。校准控制器120与光电探测器115耦合。校准控制器120配置用于基于由光电探 测器115提供的幅度(例如电流)来调节激光器105的输出频率。在所示实施例中，在互 补金属氧化物半导体(CMOS)电路中实现所述校准电路，本领域普通技术人员知晓可以将 所述CMOS电路放置到相同的硅衬底上作为光子电路的其余部分。当光子电路通过调节其 温度、驱动电流或如果配备的压电调谐器的一个或多个而操作时，所述校准控制器120控 制激光器105的输出频率。假设校准控制器120正确操作，输出频率变得实质上与预定中 心频率对齐，并且保持这种对齐。回想光波导(非基准)沿两个路径携带来自耦合器K1的光源光，另一个路径导致 具有输入和输出的光学调制器125。所述光调制器125可以具有相关联的加热器。所述光 调制器125配置用于使用由振荡器130提供的信号来调制所述光源光。光调制器130的输 出是调制的光源光，将其提供给耦合器K2，所述耦合器K2可以是马赫-曾德耦合器，具有第 一和第二输入和输出以及加热器。耦合器140配置用于接收调制的光源光，并且将调制的 光源光分为两路。光波导(非基准)沿这两个路径将光源光携带至两个滤波器、槽口滤波器 和带通滤波器，这两个滤波器代表了可以在集成光子电路中实现的光处理器的典型元件。槽口滤波器包括第一和第二光学谐振器135、140，具有耦合器k3、k4、移相器k5、k6 和相关联的加热器。耦合光电探测器145以从槽口滤波器的输出接收光。带通滤波器包括第一耦合器k3，具有第一和第二输入、第一和第二输出以及加热 器。如所示出的，第一耦合器&将调制的光源光分为上部路径和下部路径。上部路径具有 第一和第三光学谐振器150、160，具有耦合器k7、k8和移相器kn、k12以及相关联的加热器。 下部路径具有第二和第四光学谐振器155、165，具有耦合器k9、k10和移相器k13、k14以及相 关联的加热器。耦合器K4具有第一和第二输入、第一和第二输出以及加热器，对上部路径 和下部路径进行组合以产生两个输出。耦合第一和第二光电检测器170以从带通滤波器的 输出接收光。如这里将更加详细描述的，一旦校准控制器120已经与激光器105的输出频率对 齐，所述校准控制器随后可以对齐光子电路中的各种其他光子器件，包括在槽口滤波器和 带通滤波器示例中的光子器件。在每一种情况下，校准控制器120从各种光电探测器接收 电信号，并且基于那些电信号的幅度控制位于衬底100上的各种加热器。在所示实施例中，尽管光学谐振器135、140、150、155、160、165在适合它们在光子 电路中作用的频率处谐振，但是它们的设计是基于基准光学谐振器110。换句话说，光学谐 振器135、140、150、155、160、165在相对于基准光学谐振器110的各种偏移处谐振，使得可 以计算或者期待它们的基准频率。结果，激光器105的输出频率保持为锁定近似或者保 持为f。，并且当总温度偏离出现时光子电路保持整体稳定。下面将阐述在相对于基准光学 谐振器的偏移处谐振的光学谐振器的示例。图2是光电探测器输出电流作为基准光学谐振器光源光频率的函数的曲线，具体 地示出了基准光学谐振器响应作为光源光输出频率函数的单调本性。可以看出，由光电探 测器提供的幅度(例如，电流I)作为光源光的输出频率f的函数而变化。也可以看出，所述幅度在f。时表现处局部极小值。然而，所述输出频率可以或者朝着4或者朝着fH偏移。 因此，所述幅度增加，并且校准控制器120操作以向后调节输出频率以及如图2箭头所 示的局部极小值。图3阐述了可以据此实现对准过程的一种方式。图3是可以在图1的校准控制器中执行的激光对准过程的一个实施例的流程图。在一个实施例中，在首先控制与光子电路相关联的体材料TEC以将光子电路的衬底粗略地 调节至所需温度之后执行图3的激光对准过程，然后，精细地调节对准传感器的基准光学 谐振器，以使用与所述基准光学谐振器相关联的加热器产生中心频率f。处的所需零点。在 一个实施例中，所述体材料TEC可以将基准光学谐振器的温度控制在0. OrC以内(等于对 于零点IOOMHz精确度的范围内)并且与所述基准光学谐振器相关联的加热器可以将所述 温度控制在0.0025°C以内(等于25MHz精确度的范围内)。在另一个实施例中，更高精确 度的温度控制器可以控制体材料TEC或加热器的任一个或其两者，以更加紧密地控制基准 光学谐振器温度。在步骤310时监测由对准传感器提供的电信号的幅度。如果所述幅度较高(判决 步骤320)，还是不知道输出频率是太低还是太高。任意假设输出频率太低，在步骤330时递 增激光输出频率，或许通过改变激光器的温度或驱动电流、或者设置激光器的压电调谐器。 如果所述幅度没有增加(判决步骤340)，所述输出频率实际上太低。如果所述幅度仍然较 高(判决步骤350)，在步骤330中再次递增输出频率，直到所述幅度不再较高为止(判决步 骤350)。然后，对于步骤310中另外的未对准继续监测所述幅度。另一方面，如果作为步骤230的初始递增的结果，所述幅度增加，输出频率实际上 太高，并且在步骤360中递减输出频率，或许再次通过改变激光器的温度或驱动电流或者 通过设置激光器的压电调谐器。如果所述幅度仍然较高(判决步骤370)，在步骤360中再 次递减输出频率，直到所述幅度不再较高为止(判决步骤370)。然后，对于步骤310中的另 外激光器未对准监测所述幅度。图4是可以在图1的校准控制器中执行的光子器件对准过程的一个实施例的流程 图。在一个实施例中，在已经执行了图3的激光器对准过程之后执行图4的光子器件对准 过程。在所示实施例中，相对于图1的光学谐振器140执行图4的光子器件对准过程，以便 将所述光子器件相对于光学谐振器的输入对齐。在步骤420中监测由适当的光电探测器(即，光电探测器145)提供的电信号的幅 度，并且将所述幅度与基准相比较。如果存在误差(判决步骤430)，还是不知道所述未对准 是否是由于光学谐振器的温度太低或太高。任意假设所述温度太低，在步骤440中递增所 述温度。如果所述误差不再增加(判决步骤450)，所述温度实际上就是太低。如果所述误 差仍然存在(判决步骤460)，在步骤440中再次递增所述温度，直到所述误差不再存在为止 (判决步骤460)。对于步骤420中的另外未对准继续监测所述幅度。另一方面，如果作为步骤440的原始递增的结果，所述误差增加，那么所述温度实 际上太高，并且在步骤470中递减所述温度。如果所述误差仍然存在(判决步骤480)，在 步骤470中再次递减所述温度，直到所述误差不再存在为止(判决步骤480)。然后在步骤 420中针对另外的误差继续检测所述电信号，并且将所述电信号与基准相比较。图4的方法的替换实施例采用图1的光学调制器125来产生扫频光学信号，将其 用作探针信号来检测和调节未对准。在替换实施例中，其中产生扫频光学信号的步骤410在监测和比较步骤420之前。
图5是可以在图1的校准控制器中执行的耦合比调节过程的一个实施例的流程 图。在一个实施例中，在已经执行了图3的激光器对准过程之后执行图5的耦合比调节过 程。在所示实施例中，相对于图1的耦合器K3执行图5的耦合比调节过程，以便均衡图1的 带通滤波器的上部路径和下部路径。在步骤520中监测由合适的光电探测器(即第一和第二光电探测器170)提供的 电信号的相对幅度。如果存在比率误差(判决步骤530)，还不知道是否可以通过增加或减 小耦合器一个臂的温度来减小或消除所述比误差。任意假设应该增加温度，在步骤540中 递增所述温度。如果所述比误差没有增加(判决步骤550)，所述温度实际上太低。如果仍 然存在所述比误差(判决步骤560)，在步骤540中递增所述温度直到所述比误差不再存在 为止(判决步骤560)。然后在步骤520中针对另外的比误差继续监测相对电信号幅度。另一方面，如果作为步骤540的原始递增的结果所述比误差增加，所述温度实际 上太高，并且在步骤570中递减所述温度。如果所述比误差仍然存在(判决步骤580)，在步 骤570中再次递减所述温度，直到所述比误差不再存在为止(判决步骤580)。然后在步骤 520中针对另外的比误差继续监测所述相对电信号幅度。图5的方法的替换实施例采用图1的光学调制器125来产生扫频光学信号，将所 述扫频光学信号用作用于检测和调节比误差的探针信号。在替换实施例中，其中产生扫频 光学信号的步骤510在监测步骤520之前。 在实际应用中，在激光器对准之后执行的对准和耦合比调节可以使得光学谐振器 110的温度更加难以控制，这可能最终使集成光子电路的性能退化。因此，回到图1，特定的 实施例要求在衬底100中形成沟槽175，以向光学谐振器110提供一定程度的热隔离。现在将阐述在相对于基准光学谐振器的偏移处谐振的光学谐振器的示例。图6A 是示例极零(pole-zero)四阶带通滤波器的响应曲线，例如图1的带通滤波器。如图6A所 示，将所述带通滤波器设计为具有以为中心的通带。图6B是图6A的带通滤波器中的光 学谐振器的曲线，所述光学谐振器在相对于基准光学谐振器偏移处谐振。在图6A和图6B 的特定示例中，所述偏移是零，fc = 193. 414THz, = 1. 67GHz,以及f2 = 0. 85GHz。在实际应用中，集成光子电路的温度可以在其衬底的主表面上均是变化的。图7A 是具有分布激光对准传感器的自校准集成光子电路的一个实施例的平面图。衬底700不但 支撑校准控制器710 (可以与图1的校准控制器相同或者不同)，还支撑一起形成集成光子 电路720的其他部分的其他光子器件。多个激光器对准传感器730、740、750、760位于所述衬底700上，并且向校准控制 器710提供电学信号。所述多个激光器对准传感器730、740、750、760示出为彼此远离，使 得校准控制器710在衬底700的区域上接收对准指示。因此，校准控制器710在调节未对 准时可以考虑这些多个指示，例如通过将由多个激光器对准传感器730、740、750、760表示 的任意未对准进行平均。图7B是图7A的光子电路的正视图。主要为了示出了其中体材料热电器件770横 跨衬底700的下侧(即主表面)的光子电路的一个实施例的目的来示出图7B。如上所述， 体材料热电器件770用于向衬底700提供全部粗略温度控制。图8是控制自校准集成光子电路的方法的一个实施例的流程图。所述方法开始于开始步骤810。在步骤820，控制与光子电路相关联的体材料TED以将光子电路的衬底粗略 地调节至所需温度。现在所述光子电路整体上是近似温度校准的。在步骤830，使用与基准 光学谐振器相关联的加热器精细地调节位于衬底上的基准光学谐振器以产生所需零点。现 在对基准光学谐振器进行校准。在步骤840，利用位于所述电路衬底上的激光器产生输出频 率的光源光。在步骤850，提供作为输出频率和位于所述衬底上的基准光学谐振器的中心频 率之间关系的函数的输出光。在步骤860，利用位于所述衬底上的光电检测器提供基于所述 输出光的幅度的电信号。在步骤870，利用位于所述衬底上的校准器基于所述幅度调节输出 频率。现在，所述激光器与基准光学谐振器对齐。在步骤880，基于从位于所述衬底上的其 他光电探测器接收到的其他电学信号的幅度来控制位于所述衬底上的加热器。现在将光子 电路的至少一些其他光子器件对齐。所述方法在结束步骤890结束。
本发明所涉及领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，可 以对于所述实施例进行其他和另外的添加、删除、替换和修改
权利要求
一种自校准集成光子电路，包括衬底；激光器，位于所述衬底上，并且配置用于产生输出频率的光源光；激光器对准传感器，位于所述衬底上，并且包括基准光学谐振器，配置用于接收所述光源光，具有近似预定中心频率的零点，并且提供作为所述输出频率和中心频率之间关系的函数的输出光；光电探测器，配置用于提供基于所述输出光幅度的电信号；以及校准控制器，位于所述衬底上，与所述光电探测器耦合，并且配置用于基于所述幅度调节所述输出频率。
2.根据权利要求1所述的电路，其中从下述之一选择所述基准光学谐振器 环形谐振器；以及盘形谐振器。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述光电探测器是光电二极管，并且所述幅度是 电流电平。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述校准控制器配置用于通过调节下述所选择的 一项来调节所述输出频率；所述激光器的温度； 所述激光器的驱动电流；以及 所述激光器的压电调谐器。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述衬底具有至少部分地包围所述基准光学谐振 器的热隔离沟槽。
6.根据权利要求1所述的电路，还包括体材料热电冷却器，所述体材料热电冷却器至 少实质上与所述衬底有相同边界。
7.根据权利要求1所述的电路，还包括光学调制器，位于所述衬底上，并且配置用于接收和调制所述光源光以提供扫频光源光；波导，位于所述衬底上，并且配置用于接收所述扫频光源光；位于所述衬底上的光子器件，具有加热器，并且配置用于从所述波导接收扫频光源光， 并且基于所述扫频光源光提供输出光；以及另外的光电探测器，位于所述衬底上，配置用于提供基于所述输出光的幅度的电信号， 所述校准控制器还与所述另外的光电探测器耦合，并且配置用于基于所述幅度控制所述加 热器以对齐所述光子器件。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述光子器件是下述所选择的一项的一部分 槽口滤波器；以及带通滤波器。
9.根据权利要求1所述的电路，还包括光学调制器，位于所述衬底上，并且配置用于接收和调制所述光源光以提供扫频光源光；位于所述衬底上的耦合器，具有第一和第二输出以及加热器，并且配置用于从所述光 学调制器接收所述光源光，并且在所述第一和第二输出处提供输出光；以及第一另外的和第二另外的光电探测器，位于所述衬底上，配置用于提供基于所述输出 光的幅度的第一和第二电信号，所述校准控制器还与所述第一和第二另外的光电探测器耦 合，并且配置用于基于所述幅度控制所述加热器以调节所述耦合器的耦合比。
10.根据权利要求9所述的电路，其中所述耦合器是带通滤波器的一部分。
全文摘要
提出了一种自校准集成光子电路及其控制方法。在一个实施例中，所述电路包括(1)衬底；(2)激光器，位于所述衬底上，并且配置用于产生输出频率的光源光；(3)激光器对准传感器，位于所述衬底上，并且包括(3a)基准光学谐振器，配置用于接收所述光源光，具有近似预定中心频率的零点，并且作为输出频率和中心频率之间关系的函数输出光；(3b)光电探测器，配置用于提供基于输出光幅度的电信号；以及(4)基准控制器，位于所述衬底上，与所述光电探测器耦合，并且配置用于基于所述幅度调节输出频率。
文档编号H01S5/0687GK101971444SQ200980109143
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月17日 优先权日2008年3月18日
发明者涂坤裕, 陈阳闿, 默汉默德·拉什拉什 申请人:阿尔卡特朗讯美国公司