CN100344034C - 利用半导体衬底中的激光器和布拉格光栅进行可调波长转换的方法和装置 - Google Patents

利用半导体衬底中的激光器和布拉格光栅进行可调波长转换的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本文中公开了利用设置在半导体衬底(107)中的布拉格光栅(115)和增益媒质(113)来进行可调波长转换的方法和装置的实施例。在一个实施例中，可以将对应于第一波长(λ1)并且利用数据成分调制的输入光信号(121)导入增益媒质(例如量子级联子带间激光器)中，从而发射具有至少一种不同于第一波长的波长的光(123)并且利用输入光信号(121)的数据成分对该波长的光进行调制。然后，所发出的光的至少一部分(125)可以从已知的布拉格光栅(115)反射，从而引起选定布拉格波长(λc)的模拟发射，从而产生对应于不同于第一波长的波长并利用输入光信号(121)的数据成分调制的输出光信号(129)。

Description

利用半导体衬底中的激光器和布拉格光栅进行可调波长转换的方法和装置
技术领域
本发明总体涉及光学设备，尤其但不仅仅涉及利用半导体衬底中的布拉格光栅和激光器的可调波长转换器。
背景技术
随着互联网和多媒体通信的不断发展，对于更大容量的网络的需求加快了光纤的发展和使用。在优化光纤网络数据传送容量的努力中，已经实现了通过在单个光纤内的多个波长(即信道)来传送数据的密集波分复用(DWDM)系统等等。
在高速光网络中、波长转换-其中的信息在光学上从一种波长转变到另一种波长-这将起到重要的作用。例如，可以理解在大规模光网络中，随着通信量密度的增加，该网络在其所有链路上可能具有许多空闲信道，然而可能在两个终端用户之间任何路径上都不能使用某个独特的波长。因此，当一些信号通过该网络时，有必要改变它们的波长，以便以最有效率的方式容纳多个用户。
一种直接的波长转换的方法是简单地将接收到的光信号转变为电子形式，然后以需要的波长重新发送第二光信号。然而，这种光-电-光的转换过程较慢并且限制了光网络的效率和速度。目前的全光波长转换器类型利用了半导体光放大器(SOA)的非线性光学特性，例如交叉增益调制、交叉相位调制和四波混合。尽管这些方法比光-电-光转换效率更高，但是这些方法的波长转换速度基本上受到SOA中的载流子动力学的限制。例如，SOA的光学特性至少部分是由载流子的带间跃迁决定的，带间跃迁包括较慢的过程，例如俄歇过程。
在DWDM系统中通常使用的光学部件包括波分复用发送器和接收器、滤光器、光学插/分复用器和可调激光器，其中滤光器例如衍射光栅、薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅。例如，激光器是公知的设备，其通过受激发射发光并产生具有从红外到紫外范围频谱的相干光束，其可以用于许多的用途中。例如在光通信或网络用途中，半导体激光器可以用于生成光或光束，在该光或光束上可以编码并传输数据或其它信息。
在光通信或网络中应用的其它设备是基于光纤的布拉格光栅。光纤布拉格光栅是一种光纤设备，其包括光纤，该光纤纤芯材料的折射率沿光纤长度方向周期性变化，这种光栅可以通过将感光纤芯曝光成强光学干涉图案而形成。由于折射率沿光纤长度方向的变化，光纤布拉格光栅将特定波长的光束反射，而使其它波长通过该光纤传播。
光纤布拉格光栅的一个限制在于该光纤布拉格光栅所反射的特定波长基本上是固定的。因此，如果要反射不同波长的光，则要利用不同的光纤布拉格光栅。在一些已知的光纤布拉格光栅中，可以通过物理或机械地拉伸光纤布拉格光栅的光纤来改变光纤的长度，从而提供对反射波长的标称调整。这种技术的缺点在于对反射波长的调整量较小，并且该光纤可能受到拉伸的物理压应力和张应力的损伤。
附图的简要说明
在附图中，在本发明的非限定和非穷举实施例的不同附图中，相同的附图标记表示类似的部件，其中：
图1表示了根据本发明实施例的示例可调波长转换器的框图；
图2表示了根据本发明实施例的具有输入光信号(泵浦)束的示例性量子级联子带间激光器的示意图；
图3表示了根据本发明实施例的设置在半导体衬底中的示例性可调布拉格光栅横截面的结构图，该半导体衬底包括可用于可调波长转换器中的加热器；
图4表示了根据本发明实施例的设置在半导体衬底中的示例性可调布拉格光栅的透视图，该半导体衬底包括可用于可调波长转换器中的脊形波导；
图5表示了在根据本发明实施例的示例性可调布拉格光栅中不同温度下的反射率和波长之间关系的图示；
图6A表示了沿着根据本发明实施例的示例性可调均匀布拉格光栅的光路的有效折射率的图示；
图6B表示了沿着根据本发明实施例的示例性可调切趾布拉格光栅的光路的有效折射率的图示；
图7表示了可用于根据本发明实施例的可调波长转换器中的设置在半导体衬底中的另一示例性可调布拉格光栅横截面的结构图，该半导体衬底包括电荷调制区域；
图8表示了根据本发明实施例的另一示例性可调波长转换器的框图；
图9表示了根据本发明实施例的又一示例性可调波长转换器的框图；
图10表示了利用根据本发明实施例的可调波长转换器的过程中的示例性事件流的流程图；
图11表示了根据本发明实施例的光学系统实例的结构图。
所示实施例的详细描述
此处，将对利用设置在半导体衬底中的布拉格光栅和激光器的可调波长转换的方法和装置的实施例进行详细描述。在以下描述中，提供了许多具体细节，例如不同系统部件的识别，从而提供了对本发明实施例的全面理解。本领域技术人员可以认识到没有这些具体细节中的一个或多个，或者利用其它方法、部件、材料等等也可以实现本发明的实施例。为了避免混淆本发明的不同实施例的各方面，在其它例子中没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作。
整个说明书中提到的“一个实施例”表示结合该实施例描述的特定特征、结构或者特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中不同位置出现的短语“在一个实施例中”不必一定都指相同的实施例。此外，该特定的特征、结构或者特性也可以以任何适合的方式结合在一个或多个实施例中。
总的来说，本发明的实施例提供了利用设置在半导体衬底中的可调布拉格光栅和增益媒质(例如激光器)来进行可调波长转换的方法和装置。在一个实施例中，可以利用数据成分调制对应于第一波长的输入光信号(例如该输入信号可以包括在光网络中传播的光通信信号)，将该输入光信号导入增益媒质中，从而使该增益媒质发出至少一种波长的光，该波长与第一波长不同。例如，在一个实施例中，该增益媒质可以包括量子级联子带间激光器，在输入光信号的激发下，该增益媒质可以发出至少一种波长的光，该波长与输入光信号的第一波长不同。在一个实施例中，从该增益媒质发出的光所具有的强度可能与输入光信号的强度成比例，从而利用输入光信号的数据成分来调制从增益媒质发出的光。
然后，该至少一种波长(与输入光信号的第一波长不同)的光可以通过激光腔传播到由第一反射器限定的该激光腔的第一端。在一个实施例中，该第一反射器可以包括可调布拉格光栅，其响应于所施加的条件(例如热或电荷)可以选择性地反射具有可调中心波长的光。然后，所反射的光可能引起增益媒质内相同波长的光的受激发射，以及使得来自可调波长转换器的具有可调中心波长的光的至少部分通过第二反射器透射，该第二反射器定义了该激光腔的第二端并能够至少部分地透射具有可调中心波长的光。在一个实施例中，通过改变基于半导体的可调布拉格光栅的中心波长，可以有选择地调整可调波长转换器的输出波长。
在本发明的一个实施例中，可以在完全集成解决方案中将基于半导体的可调波长转换器提供到单个集成电路芯片上。所公开的可调波长转换器实施例可以用作以下用途中的部件，包括例如宽带光网络系统等等。通过前面的叙述以及权利要求，并且由于结合附图阅读详细说明及论述，将使读者明了所述实施例的其它特征。
现在参照附图，尤其参照附图1，描述了一种依照本发明实施例的可调波长转换器101的实施例。如图所示，可调波长转换器101的一个实施例可以设置绝缘体上硅(“SOI”)晶片103上，该晶片包括第一半导体衬底107和第二半导体衬底111。在一个实施例中，第一半导体衬底107可以包括硅。第一半导体衬底107可以设置在第一绝缘层105和第二绝缘层109之间，在一个实施例中，该第二绝缘层109设置在第一半导体衬底107和第二半导体衬底111之间。
如所示实施例所示，该可调波长转换器101包括设置在第一半导体衬底107中的增益媒质113。在一个实施例中，该增益媒质113可以包括量子级联子带间激光器，其将在以下结合图2进行更为详细的描述。此外，在一个实施例中，该可调波长转换器101包括设置在第一半导体衬底107中的可调布拉格光栅115，从而形成了第一反射器，该反射器定义了设置在第一半导体衬底107中激光器腔117的第一端。如下文中将更详细描述的，该可调布拉格光栅115包括沿第一半导体衬底107的多个界面，从而沿可调布拉格光栅115形成了多个对折射率的微扰，这样就有选择地反射了具有可调中心波长的光。在一个实施例中，如图所示，接近包括可调布拉格光栅115的半导体衬底设置了加热器119，该加热器可用于局部调整包括可调布拉格光栅115的半导体衬底的温度，从而调整从该可调布拉格光栅115反射的可调中心波长。可以理解，此处提到的“可调中心波长”是指可以有效地从根据本发明实施例的可调布拉格光栅反射的较窄波长范围(例如几十微微米)的中心波长。
在一个实施例中，可以由第一和第二绝缘层105和109、包括可调布拉格光栅115的第一反射器和包含增益媒质113部件的第二反射器131来限定设置在第一半导体衬底107中的激光腔117。在一个实施例中，第二反射器131可以包含分解面或刻面(facet)或者具有需要反射率的涂层表面。在一个实施例中，第二反射器131能够至少部分地透射从可调布拉格光栅115反射的具有可调中心波长的光。如下文中将更详细描述的，在一个实施例中，该激光腔117包括形成在第一半导体衬底107中的增益媒质113和波导。
在工作中，首先在激光腔117中通过增益媒质113将电转变为光。在一个实施例中，可以将输入光信号121导入增益媒质113中以发射对应于增益媒质113的波长范围的光123，该输入光信号具有第一波长并且包括编码于其中的数据。可以理解，因为增益媒质113中任何特定能带内的电子可以具有略微不同的能量，所以从一个能带到另一个能带的跃迁对应于不同的能量，并且因此波长不同，从而导致了增益媒质113发出的光是光谱。所发出的光123具有至少一种波长与对应于输入光信号121的第一波长不同，然后该光123可以通过激光腔117传播到包括可调布拉格光栅115的第一反射器。在一个实施例中，可以响应于在增益媒质113中与输入光信号121的相互作用，利用在输入光信号121中编码的数据来调制该发出的光123。
在一个实施例中，可调布拉格光栅115反射具有可调中心波长的光123的一部分，该可调中心波长对应于与该可调布拉格光栅115相关的布拉格波长(即受到布拉格光栅影响的波长)(从该可调布拉格光栅反射的对应于布拉格波长的反射光部分以附图标记125表示)。所发出的光123中不对应于布拉格波长的其余部分可以基本上不受影响地通过该布拉格光栅，如以附图标记127所示的光。然后，光束123和125中对应于布拉格波长的光继续在第二反射器131和可调布拉格光栅115之间来回反射，因此在激光腔117中出现激光发射或者受激辐射的光放大。
在一个实施例中，因为可调布拉格光栅115的反射光谱对应于较窄的带宽(例如＜1nm)，所以在激光腔117中相应地仅出现窄频范围的激光发射。如前所述，在一个实施例中，第二反射器131仅是部分反射的，从而允许对应于布拉格波长的至少部分光(参见例如附图标记125)通过第二反射器131并作为具有可调中心波长的输出光信号129从可调波长转换器中透射出去，而且利用输入光信号121携带的数据调制该部分光。
现在主要参照图2，表示了根据本发明实施例的示例性量子级联子带间激光器(“QCIL”)201的示意图，输入光信号束具有第一波长。如前所述，在本发明的一个实施例中，该QCIL 201可以包括可调波长转换器(参见例如图1中的附图标记101)的增益媒质(参见例如图1中的附图标记113)。如本领域技术人员可以理解的，该QCIL201包括多个量子阱203a-e。在一个实施例中，该多个量子阱203a-e所包含的材料能够响应于量子阱203a-e子带间的电子跃迁而发出从大约1500nm到大约1600nm波长范围内的光。例如，在一个实施例中，该多个量子阱可以包括AlGaN/GaN(铝镓氮化物/氮化镓)组合或者InGaAs/AlAsSb(铟镓砷化物/铝锑砷化物)组合中的至少一种。可以理解，对于根据本发明其它实施例的不同的转化波长还可以采用其它的量子阱材料。
在工作中，在注入极207处将电压205施加到QCIL201上，该注入极响应于所施加的电压205有效地向第一量子阱203a的上能级209a中注入电子。在跃迁到第一量子阱203a的下能级211a后，电子通过势垒217a到达第二量子阱203b的上能级209b中。然后，电子跃迁到第二量子阱203b的下能级211b，该过程分别通过第三、第四和第五量子阱203c、203d和203e(包括上能级209c-e和下能级211c-e，并且被势垒217b-d分开)继续重复，直到电子到达收集极213为止。在一个实施例中，电流注入引起了多个量子阱203a-e的上、下子带(即，能级)间的粒子数反转，从而响应于激发光子产生激光发射效应。因为子带间的驰豫时间非常短(例如皮秒)，所以根据本发明实施例的可调波长转换器可以提供超快的波长转换。
在本发明的一个实施例中，可以将输入光信号(如图2中的附图标记215所示)导入QCIL 201中，并且耗尽多个量子阱203a-e的上子带209a-e中的电子，从而减少了QCIL 201的增益。在一个实施例中，因为对于给定的施加电压(例如施加电压205)，多个量子阱203a-e的上、下子带209a-e和211a-e之间的电子密度差分别与输入光信号215的强度成比例，所以从QCIL 201发出的光(参见例如图1中的光123)所具有的强度对应于输入光信号215(同样参见例如图1中的附图标记121)并且可以利用在输入光信号215中编码的数据对该光进行调制。
现在主要参照图3，根据本发明的实施例示出了设置在半导体衬底中的示例性可调布拉格光栅301的剖面图，该光栅包括可用于可调波长转换器(参见例如图1中的附图标记101)中的加热器。在一个实施例中，该可调布拉格光栅301可用于代替图1的可调布拉格光栅115。在一个实施例中，该可调布拉格光栅301包括硅/多晶硅光栅，包括多个硅区域305和多晶硅区域311之间的界面。可以理解，硅和多晶硅仅是用作说明目的的示例性材料，其它的半导体材料(包括III-V族的半导体材料等等)也可以用于本发明的其它实施例中。
在所示实施例中，多个多晶硅区域311设置在第一硅半导体衬底305上，从而沿着通过第一硅半导体衬底305的光路313形成了对于有效折射率(neff)的周期性或准周期性微扰。在一个实施例中，其中采用了硅和多晶硅，其有效折射率分别为nSi和npoly，可以在多晶硅区域311和硅区域305之间的多个界面中的每一个处提供小的有效折射率差Δneff(或者npoly-nSi)。在一个实施例中，Δneff可以在从大约0.005到大约0.03的范围。然而可以理解，根据本发明的其它实施例，也可以使用其它值域的Δneff。
如图3所示，在一个实施例中，第一硅半导体衬底305可以包括SOI晶片315的一部分。因此，可以将第二绝缘层307或者掩埋氧化物层设置在第一硅半导体层305和第二半导体衬底309之间。在一个实施例中，可以包含第一绝缘层303，使第一硅半导体衬底305设置在第一和第二绝缘层303和307之间。在一个实施例中，第一绝缘层303可以包括SOI晶片315的层间介电层。在一个实施例中，第一和第二绝缘层303和307可以包括氧化物材料等。因此，可以在第一硅半导体衬底305中提供包括光路313的波导317，其具有由第一和第二绝缘层303和307提供的包层。
在一个实施例中，该波导317包括如图4所示的脊形波导。图4是根据本发明实施例的脊形波导401实施例的透视图，该波导包括设置在半导体衬底中的可调布拉格光栅。在一个实施例中，该脊形波导401可以设置在图3所示的SOI晶片315的第一和第二绝缘层303和307之间。在一个实施例中，该脊形波导401可以包括硅区域403和多晶硅区域405的界面，从而沿着通过该脊形波导401的光路形成对折射率的周期性或准周期性微扰。可以理解，在一个实施例中，该脊形波导401可以包括脊形区域407和板条形区域409。示出了通过脊形波导401传播的单模光束411的强度分布，光束411的大部分通过部分脊形区域407向该脊形波导401的内部传播。此外，光束411的一部分通过部分板条形区域409向脊形波导401的内部传播。
继续参照图3，光319(例如从图1的增益媒质113发出的)包括多个波长λ1、λ2和λ3，在一个实施例中，该光319可以λ射到可调布拉格光栅301的硅区域305和多晶硅区域311之间形成的多个界面上。可以理解，尽管所示的实施例包括三种波长的光，但本发明的其它实施例中光319还可以包括不同数量波长。
如前所述，硅区域305和多晶硅区域311之间的多个界面沿着波导317的光路313形成了对折射率的多个微扰。由于这些折射率(neff)差，沿着光路313在硅区域305和多晶硅区域311之间的多个界面处出现多次光319的反射。在一个实施例中，当满足布拉格条件或者相位匹配条件时出现布拉格反射。例如，对于均匀布拉格光栅来讲，当满足布拉格条件mλB＝2neffΛ时出现布拉格反射，其中m是衍射级、λB是布拉格波长、neff是波导317的有效折射率，以及Λ是光栅的周期。
例如，图3表示了λB等于λ2时存在的布拉格条件。相应地，示出了对应于波长λ2的光321沿着与包括多种波长λ1、λ2和λ3的光319进λ波导317相反的方向反射回来。此外，光319的其余部分(即未被光栅界面反射的部分)继续沿着光路313传播通过波导317，其传播方向就是光319进λ波导317的方向(参见例如附图标记323，其表示对应于波长λ1和λ3的光)。在一个实施例中，布拉格波长λ2可以包括利用输λ光信号(参见例如图1中的附图标记121)中编码的数据调制的输出光信号129(参见例如图1)的转换波长。
在一个实施例中，由硅区域305和多晶硅区域311之间的多个界面反射的布拉格波长(即可调中心波长)可以通过接近该波导317设置的加热器325来调谐或者调节。在一个实施例中，加热器325包括薄膜加热器等等，其控制沿光路313的波导317中第一硅半导体衬底305和多晶硅区域311的温度。可以理解，硅和多晶硅具有响应温度变化的较大折射率变化，该变化大约在2×10-4/°K的量级，并且对于诸如硅和/或多晶硅的半导体材料来讲，折射率随温度的变化是其它材料(例如硅石等等)的两倍。因此根据本发明的实施例，通过控制第一硅半导体衬底305和多晶硅区域311的温度，可以使可调布拉格光栅301的界面反射的光的中心波长发生较显著移动。
现在主要参照图5，表示了根据本发明实施例的图示501，其表示了在不同温度下，示例性可调布拉格光栅中反射率和波长之间关系。在一个实施例中，可以将该布拉格光栅的硅/多晶硅区域的温度在25℃、75℃和125℃之间调整。在所示实施例中，硅区域和多晶硅区域之间的有效折射率差(Δneff)约为0.008，并且光栅的周期Λ约为2μm。第一曲线503表示25℃时，在所示实施例中的示例性硅/多晶硅布拉格光栅反射的光的中心波长约为1.544μm。与其相比，第二曲线505表示了75℃时，由该示例性硅/多晶硅布拉格光栅反射的光的中心波长约为1.548μm，而第三曲线507表示了125℃时，由该示例性硅/多晶硅布拉格光栅反射的光的中心波长移动或调整到约为1.552μm。在一个实施例中，薄膜加热器(例如图3的加热器325)提供了微秒级的波长调整速度。
可以理解，结合图5所述的材料、尺寸、波长和折射率值仅仅是示例性的，根据本发明的其它实施例也可以使用其它的材料、尺寸、波长和折射率值。
读者可以理解，在一个实施例中，在图5所示的曲线503、505和507的各个最大值边缘处存在旁瓣。当使用均匀的或者周期性布拉格光栅时，该旁瓣通常较大。例如，在图6A所示的曲线601中表示了沿着均匀的或周期性布拉格光栅的光路对有效折射率的周期性微扰。如沿着y轴所示，沿着光路有效折射率neff受到周期性地或者有规律地微扰，其中光路用曲线图601中沿x轴的Z表示。与其相比，如果使用切趾布拉格光栅，则可以减少图5所示曲线503、505和507的各个最大值边缘处旁瓣的大小。例如，在图6B所示的曲线603中表示了沿着切趾布拉格光栅的光路对有效折射率的周期性微扰。可以理解根据本发明的其它实施例可以采用其它类型的切趾或其它光栅。
现在主要参照图7，示出了根据本发明的实施例的设置在半导体衬底中的另一示例性可调布拉格光栅701，该光栅包括电荷调制区域并且可用于可调波长转换器(参见图1的附图标记101)中。在一个实施例中，该可调布拉格光栅701可用于代替图1的可调布拉格光栅115。在所示实施例中，该可调布拉格光栅701包括具有光路705的第一半导体衬底703，通过该光路可以引导光(例如图1的增益媒质113中的光)。在一个实施例中，该第一半导体衬底703可以包含在第一绝缘层709和第二绝缘层711之间的SOI晶片707中，并且可以包括通过第二绝缘层711与第一半导体衬底703分开的第二半导体衬底713。如前面结合图3所述的，可以在第一半导体衬底703内提供光波导715。
在一个实施例中，可调布拉格光栅701包括沿着光路705设置的多个沟槽式硅结构，该结构包含多个导体-绝缘体-半导体结构717，该结构717与例如金属氧化物半导体(“MOS”)结构相似。连接多个结构717中的每一个，从而通过导体719接收调制信号VG，该导体719通过第一绝缘层709耦合到多个结构717中的每一个。在一个实施例中，每个结构717的高度是h，选择该高度h使得光在波导715中的传播损失是可以接受的。
在一个实施例中，可以沿着光路705提供对有效折射率neff的周期性或准周期性微扰，其与该波导715沿光路705的几何形状函数以及所使用的特定媒质的折射率(例如nSi)和通过波导715传播的光波长λ有关或相等。因此，假设该半导体衬底703包括硅，则该有效折射率neff是不包括结构717的波导715高度H、nSi和λ的函数。在包括结构717的波导715的区域721中，有效折射率n’eff是包括结构717的波导715高度(H-h)、nSi和λ的函数。因此，有效折射率差Δneff等于neff-n’eff。
在一个实施例中，该结构717可以响应于通过导体719的调制信号VG而偏置，从而影响第一半导体衬底703中接近该结构717的电荷调制区域723中的自由带电载流子浓度。例如，假设通过导体719利用调制信号VG施加了正电压，则第一半导体衬底703中的电子就被扫到电荷调制区域723中。如果施加了较小的正电压，则可以减小扫到电荷调制区域723中的自由带电载流子浓度。可以理解，电荷和电压的极性是相反的，根据本发明的其它实施例，可以包括更多或更少数目的结构717。
在一个实施例中，可以响应于调制信号VG通过等离子体光效应来调制电荷调制区域723中的有效折射率neff，该等离子体光效应是响应于通过波导715传播的光的光电场矢量与沿着光路705出现的自由带电载流子之间的相互作用而产生的。在硅衬底中，由于自由电子(ΔNe)和空穴(ΔNh)浓度变化而引起的有效折射率变化Δneff可如下表示：
Δn eff = - e 2 λ 2 8 π 2 c 2 ϵ 0 n 0 ( ΔN e m e * + ΔN h m h * )
其中n0是硅的标称折射率，e是电荷电量，c是光速，ε0是自由空间的介电常数(permeativity)，并且me *和mh *分别是电子和空穴的有效质量。
在工作中，该可调布拉格光栅701的工作方式与先前结合附图3所述的方式相似。在一个实施例中，包含多种波长λ1、λ2和λ3的光725(例如从图1的增益媒质113中发出的光)可以入射到形成在包括电荷调制区域723的区域721和该可调布拉格光栅701第一半导体衬底703的其余区域之间的多个界面上。可以理解尽管所示实施例包括三种波长的光，但是本发明的其它实施例在光725中还可以包括不同数目的波长。当光725遇到沿光路705的有效折射率的周期性或准周期性微扰时，可以满足如前所述的布拉格条件，从而使对应于布拉格波长的光(在这种情况下，是波长为λ2的光727)被可调布拉格光栅701的界面反射。然后，入射光725的其余部分(即未被可调布拉格光栅701的界面反射的光)可以沿光725进入该波导715的方向不受影响地通过光栅(参见例如附图标记729表示对应于波长λ1和λ3的光)。
在一个实施例中，通过由调制信号VG对电荷调制区域723中的电荷进行适当地调制，则可以调谐或调整由可调布拉格光栅701中的包括电荷调制区域723的区域721与第一半导体衬底703的其余区域之间的多个界面反射的布拉格波长(即可调中心波长)。如前所述，可以响应于调制信号VG来调制沿光路705的有效折射率(Δneff)，从而使根据本发明实施例的可调布拉格光栅701的界面所反射的光的中心波长发生较显著移动。
现在主要参照图8，示出了根据本发明实施例的另一示例性可调波长转换器801的框图。和图1所示的实施例一样，图8的可调波长转换器801也可以设置在SOI晶片803上，该晶片包括设置在第一绝缘层805和第二绝缘层809之间的第一半导体衬底807，以及通过第二绝缘层809与第一半导体衬底807分开的第二半导体衬底811。
如所示实施例所示，该可调波长转换器801包括增益媒质813以及设置在第一半导体衬底807中的多个可调布拉格光栅815a-c，在一个实施例中该增益媒质可以包括QCIL。可以理解，其它实施例可以包括更多或更少的可调布拉格光栅。在一个实施例中，多个可调布拉格光栅(例如可调布拉格光栅815a-c)共同具有覆盖该增益媒质813全部光谱的可调范围。在一个实施例中，激光腔817在第一半导体衬底807中被限定在第一和第二绝缘层805和809之间，还被限定在包含多个可调布拉格光栅815a-c的反射器和包含部分增益媒质813的第二反射器819之间。在一个实施例中，第二反射器819可以包含分解面或刻面。
在一个实施例中，可以将多个可调布拉格光栅815a-c中的每一个调整为分别对应于不同的布拉格波长λC1、λC2和λC3。在一个实施例中，多个可调布拉格光栅815a-c起到反射器的作用，从而有选择地反射对应于各个布拉格波长的光，各个布拉格波长对应于各个可调布拉格光栅815a-c。在一个实施例的操作中，可以从增益媒质813中产生对应于多种波长(例如λC1、λC2和λC3)的光823，光823响应于对应第一波长并包括调制于其中的数据的输入光信号821产生。在一个实施例中，所发出的光823对应于至少一种与输入光信号821的第一波长不同的波长，并可以利用先前结合图1和2所述的数据调制该光823。
具有中心波长λC1的光823的一部分可以由布拉格波长为λC1的第一可调布拉格光栅815a反射(反射部分由附图标记825表示)。所发出的光823的其余部分(其余部分由附图标记827表示)可以继续通过激光腔817传播到第二可调布拉格光栅815b。这时，具有中心波长λC2的光823的另一部分可以由布拉格波长为λC2的第二可调布拉格光栅815b反射(反射部分由附图标记829表示)。同样，所发出的光823的其余部分(其余部分由附图标记831表示)可以继续通过激光腔817传播到第三可调布拉格光栅815c。照样，具有中心波长λC3的光823的另一部分可以由布拉格波长为λC3的第三可调布拉格光栅815c反射(反射部分由附图标记833表示)。在一个实施例中，其中将多个可调布拉格光栅配置用于反射增益媒质813发出的全部光谱的光，从而可以将输λ光信号821转变为较宽的波长范围。
在一个实施例中，第二反射器819仅仅是部分反射的，这样可以由可调波长转换器801产生对应于至少一种转变波长λC1、λC2或λC3的输出光信号835，该信号中包括编码在输入光信号821中的数据。在一个实施例中，可以由多个加热器837a-c调整多个可调布拉格光栅815a-c，调整方式与先前结合图3所述的方式相似，该加热器接近包括可调布拉格光栅815a-c的半导体衬底设置。可以理解可以“调谐”多个可调布拉格光栅815a-c中的任意一个或多个，使得其不再反射对应于增益媒质813发出的光823的任意波长，从而提供了对应于明确选出的转变波长(例如，λC1或λC2或λC3)的输出光信号(例如输出光信号835)，而不是提供对应于多个波长的输出光信号。
现在主要参照图9，示出了根据本发明实施例的又一示例性可调波长转换器901的框图。与图1和8所示实施例一样，图9的可调波长转换器901可以设置在SOI晶片903上，该晶片包括设置在第一绝缘层905和第二绝缘层909之间的第一半导体衬底907，以及通过第二绝缘层909与第一半导体衬底907分开的第二半导体衬底911。
如所示实施例所示，该可调波长转换器901包括增益媒质913以及设置在第一半导体衬底907中的多个可调布拉格光栅915a-f，在一个实施例中该增益媒质可以包括QCIL。可以理解，其它实施例可以包括更多或更少的可调布拉格光栅。此外，在一个实施例中，可调波长转换器901包括激光腔917，该激光腔是由第一和第二绝缘层905和909、在一端由多个可调布拉格光栅915a-c提供的反射器和在另一端由多个可调布拉格光栅915d-f提供的反射器限定的。在一个实施例中，可以这样设计由多个可调布拉格光栅915d-f提供的反射器，使得它们不是完全反射的，从而允许对应于各个布拉格波长的光部分通过并且从可调波长转换器901中射出。可以理解，在另一实施例中，由多个可调布拉格光栅915a-c提供的反射器可以被设计为(或者可以是除了光栅915d-e之外被附加设计为)不是完全反射的，从而允许对应于各个布拉格波长的光部分通过并且从该可调波长转换器901中射出。可调波长转换器901的其它特征可以与以上结合图1和8所述的相似。
在一个实施例中，可以将多个可调布拉格光栅915a-f中的每一个调整为分别对应于不同的布拉格波长λC1、λC2、λC3、λC1’、λC2’和λC3’，从而起到反射器的作用，有选择地反射对应于各个布拉格波长的光。在一个实施例中，可以将布拉格波长λC1、λC2或λC3之一调整为匹配或等于布拉格波长λC1’、λC2’或λC3’之一。其余的布拉格波长λC1、λC2或λC3可以调整为不等于其余的布拉格波长λC1’、λC2’或λC3’中的任意一个。例如，λ2＝λ2’，λ1≠λ1’并且λ3≠λ3’。在一个实施例中，可以将可调布拉格光栅915a-f调整为覆盖增益媒质913的全部光谱。
在一个实施例中，可以将对应于第一波长并且其中具有编码数据的输入光信号919导入可调波长转换器901中，并且使增益媒质913发光。在一个实施例中，增益媒质913发出的光继而可以从各个布拉格光栅915a-f反射，反射方式与以上结合图8所述的方式相似。在本实施例中，因为λ2＝λ2’，所以对应于波长λ2、λ2’的部分光继续在相应的调谐布拉格光栅之间来回反射，如先前所述的那样，从而在激光腔917中出现激光发射。在一个实施例中，可以利用输入光信号919中编码的数据来调制增益媒质913发出的光，如先前结合图1和2所述的那样，使得对应于转换波长(例如λC1、λC1’或λC2、λC2’或λC3、λC3’)之一的输出光信号921可以从可调波长转换器901中发出且其中具有编码的数据。可以理解，在输出光信号921中出现的任何未选波长(例如λC1、λC1’或λC3、λC3’)仅表现为微小波瓣，这是因为它们不能在激光腔917内进行内反射并且对于这些未选波长来讲不会出现激光发射。
在另一实施例中，可以用单个光栅G1(例如取样光栅)(未示出)反射多种波长(例如λC1、λC2和λC3)，而不使用分离的光栅915a-c，这是因为单个的光栅可以具有多个衍射级。类似地，可以用具有略微不同间距的第二光栅G2(未示出)反射多种波长(例如λC1’、λC2’和λC3’)并且取代分离的光栅915d-f。在这个实施例中，可以将布拉格光栅G1的布拉格级或布拉格波长之一调整为匹配或等于布拉格光栅G2的布拉格级或布拉格波长之一。因此，反射过程按照与先前结合图9所述的相似的方式进行，不同之处在于现在反射是来自单个光栅，而不是分离的光栅。
现在主要参照图10，表示了根据本发明实施例的流程图，其表示了利用半导体衬底中的可调布拉格光栅以及激光器进行可调波长转换的过程1001中事件流的示例性流程图。如先前结合图1-9所述的，过程1001从将具有第一波长并包括编码数据的输入光信号导入增益媒质开始(参见例如过程框1003)。然后，过程1001继续，从该增益媒质中使具有至少一种不同于第一波长的可调中心波长的光受激发射并且利用数据调制该光(参见例如过程框1005)。接着，过程1001继续将具有可调中心波长的光从激光腔的第一端(例如可调布拉格光栅)反射，从而进一步使具有可调中心波长的光受激发射(参见例如过程框1007)。然后，该过程1001继续从激光腔的第二端透射具有可调中心波长的光的至少部分(参见例如过程框1009)。
在一个实施例中，过程1001接着将布拉格光栅调整为反射具有第二可调中心波长的光(参见例如过程框1011)，从而允许本发明实施例的可调波长转换器将该输入光信号或者另一输入光信号转变为另一不同波长。
现在主要参照图11，示出了根据本发明实施例的一种示例性光学系统1101的框图。在一个实施例中，该光学系统1101包括光通信网络1103a，其光学耦合到可调波长转换器1105。在一个实施例中，该可调波长转换器1105可以通过例如光纤带等光学耦合到光通信网络1103。可以理解，可调波长转换器1105可以包括以上结合图1-9所述的任意实施例和/或全部实施例。
在一个实施例中，该可调波长转换器1105可以光学耦合到另一光网络1103b，该网络包含与第一光网络1103a分开的网络，或者可以简单地包含更大的网络的另一部分。例如，该可调波长转换器1105可以起到光网络各部分(例如光网络1103a和1103b)之间的互连作用，从而将信息/数据从一种波长(即信道)转变为另一种波长，从而提高通过光网络通信的效率。
尽管本文中以有限数量的实施例描述了本发明，但是本发明可以体现为不背离本发明实质特性精神的许多形式。因此，所述和所示的实施例，包括说明书摘要中所述内容在各个方面都应当作示例性的而不是限定性的。本发明的范围由权利要求表示，而不是由前面的说明书表示，在权利要求等价物的内涵和范围内出现的所有变化都认为包含在内。

Claims (30)

1.一种用于可调波长的装置，包括：
设置在半导体衬底中的增益媒质，该增益媒质用于接收具有第一波长并且包括编码于其中的数据的输入光信号；
设置在半导体衬底中的激光腔，该激光腔光学耦合到该增益媒质；
第一反射器，限定了激光腔的第一端，该第一反射器包括设置在半导体衬底中的可调布拉格光栅，该可调布拉格光栅包括沿着半导体衬底的多个界面，从而沿着该可调布拉格光栅形成了对折射率的多个微扰，从而有选择地反射波长不同于第一波长且等于可调中心波长的光，以使得波长等于可调中心波长的光在激光腔中受激发射，该光的波长等于可调中心波长且该光对应于所述增益媒质产生的发射，并且响应于与输入光信号的相互作用而被所述数据调制；和
第二反射器限定了激光腔的第二端，该第二反射器能够至少部分地透射波长等于可调中心波长的光。
2.如权利要求1所述的装置，其中由所述增益媒质产生的发射包括波长等于可调中心波长且强度与输入光信号的强度成比例的光。
3.如权利要求1所述的装置，进一步包括设置成接近于包括所述可调布拉格光栅的半导体衬底的加热器，该半导体衬底包括的可调布拉格光栅的温度响应于加热器，该可调中心波长响应于半导体衬底的温度。
4.如权利要求1所述的装置，其中该激光腔包括设置在半导体衬底中的脊形波导。
5.如权利要求1所述的装置，其中多个界面包括硅和多晶硅区域之间的多个界面。
6.如权利要求1所述的装置，其中多个界面包括电荷调制区域之间的多个界面。
7.如权利要求6所述的装置，其中电荷调制区域中的电荷浓度是响应于调制信号而被调节的，该可调中心波长响应于电荷调制区域中的电荷浓度。
8.如权利要求1所述的装置，其中多个界面包括不同厚度的区域之间的多个界面。
9.如权利要求1所述的装置，其中该增益媒质包括量子级联子带间激光器。
10.如权利要求9所述的装置，其中该量子级联子带间激光器包括多个量子阱，该多个量子阱包括能够响应于子带间跃迁而发出从大约1500nm到大约1600nm范围的光的材料。
11.如权利要求10所述的装置，其中该材料包括AlGaN/GaN组合或者InGaAs/AlAsSb组合中的至少一种。
12.如权利要求1所述的装置，其中该可调布拉格光栅包括沿着激光腔级联设置在半导体衬底中的第一多个可调布拉格光栅之一，该第一多个可调布拉格光栅中的每一个具有不同的可调中心波长并且以其各个不同的可调中心波长限定了该激光腔的第一端。
13.如权利要求1所述的装置，其中第二反射器包括设置在半导体衬底中的第二布拉格光栅，从而沿着该第二可调布拉格光栅形成了对折射率的第二多个微扰，该第二可调布拉格光栅用于有选择地反射波长等于可调中心波长的光，从而使得该波长等于可调中心波长的光在激光腔中受激发射。
14.一种用于可调波长的方法，包括：
将具有第一波长并且包括编码于其中的数据的输入光信号导入设置在半导体衬底中的增益媒质，从而激发激光腔中的增益媒质发出光，该激光腔设置在半导体衬底中，所发出的光具有波长不同于第一波长的至少一种可调中心波长并且其中包括已调制的数据；
该波长等于可调中心波长的光从激光腔的第一端反射，从而进一步在激光腔中激发波长等于可调中心波长的光，该波长等于可调中心波长的光被包括了沿着半导体衬底的多个界面的可调布拉格光栅从激光腔的第一端反射，该多个界面沿着可调布拉格光栅形成了对折射率的多个微扰；和
从激光腔的第二端透射波长等于可调中心波长的光的至少一部分。
15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：调整该可调布拉格光栅，从而有选择地反射波长等于第二可调中心波长的光。
16.如权利要求15所述的方法，其中调整该可调布拉格光栅包括：利用加热器来调节包括该可调布拉格光栅的半导体衬底的温度，该加热器被设置成接近于所述包括该可调布拉格光栅的半导体衬底。
17.如权利要求15所述的方法，其中调整该可调布拉格光栅包括调制多个电荷调制区域中的电荷浓度，该多个电荷调制区域沿着半导体衬底形成了所述多个界面。
18.如权利要求14所述的方法，其中将具有第一波长并且包括编码于其中的数据的输入光信号导入到增益媒质中包括：从光通信网络接收光通信信号。
19.如权利要求14所述的方法，其中透射波长等于可调中心波长的光的至少一部分包括：透射光通信网络上的光通信信号。
20.一种用于可调波长的系统，包括：
光通信网络；和
可调波长转换器，其光学耦合到光通信网络上，该可调波长转换器包括：
设置在半导体衬底中的增益媒质，该增益媒质用于接收具有第一波长并且包括编码于其中的数据的输入光信号，
设置在半导体衬底中的激光腔，该激光腔光学耦合到该增益媒质，
第一反射器限定了该激光腔的第一端，该第一反射器包括设置在半导体衬底中的可调布拉格光栅，该可调布拉格光栅包括沿着半导体衬底的多个界面，从而沿着该可调布拉格光栅形成了对折射率的多个微扰，从而有选择地反射波长不同于第一波长且等于可调中心波长的光，使得波长等于可调中心波长的光在激光腔中受激发射，该光的波长等于可调中心波长且该光对应于增益媒质产生的发射，并且响应于与输入光信号的相互作用而被所述数据调制；和
第二反射器限定了该激光腔的第二端，第二反射器能够至少部分地透射波长等于可调中心波长的光。
21.如权利要求20所述的系统，其中该可调波长转换器进一步包括设置成接近于包括所述可调布拉格光栅的半导体衬底的加热器，该半导体衬底包括的可调布拉格光栅的温度响应于该加热器，该可调中心波长响应于半导体衬底的温度。
22.如权利要求20所述的系统，其中该激光腔包括设置在半导体衬底中的脊形波导。
23.如权利要求20所述的系统，其中该多个界面包括硅和多晶硅区域之间的多个界面。
24.如权利要求20所述的系统，其中该多个界面包括电荷调制区域之间的多个界面。
25.如权利要求24所述的系统，其中该电荷调制区域中的电荷浓度是响应于调制信号而被调节的，该可调中心波长响应于该电荷调制区域中的电荷浓度。
26.如权利要求20所述的系统，其中该多个界面包括不同厚度的区域之间的多个界面。
27.如权利要求20所述的系统，其中该增益媒质包括量子级联子带间激光器。
28.如权利要求27所述的系统，其中该量子级联子带间激光器包括多个量子阱，该多个量子阱包括能够响应于子带间跃迁而发出从大约1500nm到大约1600nm范围的光的材料。
29.如权利要求20所述的系统，其中该可调布拉格光栅包括沿着激光腔级联设置在半导体衬底中的第一多个可调布拉格光栅之一，该第一多个可调布拉格光栅中的每一个具有不同的可调中心波长并且以其各自不同的可调中心波长限定了该激光腔的第一端。
30.如权利要求20所述的系统，其中第二反射器包括设置在半导体衬底中的第二布拉格光栅，从而沿着第二可调布拉格光栅形成了对折射率的第二多个微扰，该第二可调布拉格光栅用于有选择地反射波长等于可调中心波长的光，从而使得波长等于可调中心波长的光在激光腔中受激发射。
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