CN100353212C - 用于对光发射模块进行集成的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光发射模块。在本发明的一个方面中，利用被布置在半导体衬底中的增益介质产生光束。同时被布置在所述半导体衬底中的可调谐布拉格光栅可以被光耦合到所述增益介质，以调制所述光束的输出波长。所述半导体衬底还包括被光耦合以接收所述光束的光调制器。所述光调制器被耦合，以响应于调制信号调制所述光束。

Description

用于对光发射模块进行集成的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及通信，更具体地，本发明涉及光通信。
背景技术
随着互联网数据业务的增长率正在超过电话业务，推动了对于光纤光通信的需要，对于快速和有效的基于光学的技术的需要不断增加。在密集波分复用(DWDM)系统和千兆(GB)以太网系统中的同一光纤上的多路光学信道的传送提供了一种简单的方法来使用由光纤光学系统提供的史无前例的容量(信号带宽)。在该系统中通常使用的光学部件包括波分复用(WDM)发射器和接收器、诸如衍射光栅、薄膜光栅、光纤布拉格(Bragg)光栅、阵列波导光栅之类的光学滤波器、光学插/分多路复用器和激光器。
激光器是公知的设备，它通过受激发射而发射光线，产生频谱范围从红外到紫外的相干光束，并可以在大量应用中使用。例如，在光通信或者连网应用中，半导体激光器可以被用于产生光线或者光束，在其上可以编码并传送数据或者其他信息。
在光通信或者连网应用中所使用的另外的设备是基于光纤的布拉格光栅。光纤布拉格光栅是一种光学纤维，其纤芯材料的折射率沿着光纤长度周期性地变化，这可以通过将光敏纤芯曝光给强光学干涉图案而形成。利用沿光纤长度的折射率的变化，特定波长的光束被光纤布拉格光栅反射，而其他波长被允许传播通过光纤。
光纤布拉格光栅的一个局限是被光纤布拉格光栅反射的特定波长基本上是固定的。所以，如果要反射不同波长的光线，就需要使用不同的光纤布拉格光栅。在一些公知的光纤布拉格光栅中，通过物理或者机械地拉伸光纤布拉格光栅的光学纤维以改变光学纤维的长度，可以提供对被反射波长的微小的调整。这种技术的缺点是对被反射的波长的调整量相对小，并且光学纤维可能由于拉伸的物理应力和应变而遭受破坏。
在光通信中所使用的另外的设备包括光学发射器，它们是宽带DWDM连网系统中和千兆(GB)以太网系统中的关键设备。目前，多数光学发射器基于与外部调制器相结合的若干固定波长激光器，或者在一些情况中，基于直接调制激光器。从激光器所产生的光纤被调制之后，其利用外部多路复用器被多路复用，然后被发送到光学纤维网络，在那里光线可以被放大或者通过光开关被定向，或者两者都发生。由于激光器通常产生固定的波长，所以对每个通信信道使用分别的激光器和调制器。但是，制造激光器和相关联的部件的成本非常高，对要被发射的每种波长的光线使用分别的部件会是昂贵并且低效的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种集成光学装置，包括：被布置在半导体衬底中的增益介质；被布置在所述半导体衬底中的可调谐布拉格光栅，所述可调谐布拉格光栅光耦合到所述增益介质，以便调谐从所述增益介质产生的光束的输出波长；和被布置在所述半导体衬底中的光调制器，所述光调制器被光耦合到所述增益介质和/或所述布拉格光栅以接收所述光束，所述光调制器响应于调制信号，调制从所述增益介质产生的所述光束，所述光调制器包括在所述半导体衬底中具有电荷调制区域的多个电容器，其中，所述光束被导向通过所述半导体衬底，并通过所述电容器的所述电荷调制区域，所述半导体衬底中的电容器的电荷调制区域响应于调制信号调制从所述增益介质产生的光束。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于操作集成光学装置方法，包括：利用被布置在半导体衬底中的增益介质产生光束；利用被布置在所述半导体衬底中的被光耦合到所述增益介质的可调谐布拉格光栅，调谐所述光束的输出波长；以及利用被布置在所述半导体衬底中的光调制器，响应于调制信号，通过将所述光束导向通过所述半导体衬底，并通过所述光调制器中所包括的多个电容器的电荷调制区域，调制所述光束。
根据本发明的另一个方面，提供了一种光通信系统，包括：被布置在半导体衬底中的光发射模块，所述光发射模块包括：被布置在所述半导体衬底中的增益介质；被布置在所述半导体衬底中的可调谐布拉格光栅，所述可调谐布拉格光栅光耦合到所述增益介质，以便调谐从所述增益介质产生的光束的输出波长；和被布置在所述半导体衬底中的光调制器，所述光调制器被光耦合以接收所述光束，所述光调制器响应于信号，调制从所述增益介质产生的所述光束，所述光调制器包括在所述半导体衬底中具有电荷调制区域的多个电容器，其中，所述光束被导向通过所述半导体衬底，并通过所述电容器的所述电荷调制区域，所述半导体衬底中的电容器的电荷调制区域响应于调制信号调制从所述增益介质产生的光束；被光耦合以接收在所述半导体衬底中产生的所述多个光束的多路复用器，其中，从所述增益介质产生的所述光束是在所述半导体衬底中产生的所述多个光束中的一个，所述多路复用器将所述多个光束多路复用为单个波分复用光束；被光耦合以通过光学纤维接收所述波分复用光束的多路分解器，所述多路分解器将所述波分复用光束多路分解回所述多个光束；和多个光接收器，所述光接收器中的每个被光耦合以接收所述多个光束中的相应的一个。
附图说明
在附图中，以示例的方式而非限定的方式图示了本发明。
图1是图示了根据本发明的教导的集成的光发射模块的一个实施例的示图。
图2是图示了根据本发明的教导的集成的光发射模块的另一个实施例的示图。
图3是图示了根据本发明的教导可以被包括在光发射模块中的光调制器的一个实施例的侧视图。
图4是图示了根据本发明的教导同样可以被包括在光发射模块中的可调谐激光器的一个实施例的框图。
图5是图示了根据本发明的教导被布置在半导体衬底中的可调谐布拉格光栅的一个实施例的横截面的框图，该实施例包括加热器，该加热器用在可以被包括在光发射模块中的可调谐激光器中。
图6是图示了根据本发明的教导被布置在半导体衬底中的可调谐布拉格光栅的一个实施例的立体图，该实施例包括被布置在半导体衬底中的脊形波导。
图7是图示了根据本发明的教导被布置在包括电荷调制区域的半导体衬底中的可调谐布拉格光栅的另一个实施例的框图。
图8图示了根据本发明的教导的集成的光发射模块的另一个实施例。
图9图示了根据本发明的教导的集成的光发射模块的又一个实施例。
图10是根据本发明的教导的光通信系统的实施例的框图，该系统包括集成的光发射模块作为WDM网络的一部分。
具体实施方式
现在公开用于将可调谐激光器和光调制器集成到单个衬底中的方法和装置。在下面的说明中，为了提供对本发明彻底的理解，提出了许多特定的细节。但是，本领域的普通技术人员应当清楚，并非必须使用这些特定细节来实现本发明。在其他情况中，没有详细描述公知的材料或者方法，以避免混淆本发明。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及意思是结合该实施例所描述的具体的特征、结构或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各种地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必都是指同一个实施例。此外，具体的特征、结构或者特性可以在一个或者多个实施例中以任何适当的方式组合。
在本发明的一个实施例中，利用布置在半导体衬底中的二极管或者增益介质产生光束。同样被布置在半导体衬底中的可调谐布拉格光栅可以光耦合到增益介质，以调谐光束的输出波长。布拉格光栅和增益介质一起被包括在可调谐激光器中。半导体衬底还包括光调制器，该光调制器可以响应于调制信号调制光束。将可调谐激光器和调制器这样集成到单个半导体芯片中允许多个激光器和发射器被加入到单个模块中。由于可以使用单个模块来发射不同的波长，所以这降低了光发射的成本。
图1是图示了根据本发明的教导的集成的光发射模块100的一个实施例的示图。如图所示，一个实施例的集成的光发射模块100被布置在包含半导体衬底111的绝缘体上硅(SOI)晶片上。衬底111可以包括可调谐激光器，该可调谐激光器包括被光耦合到可调谐布拉格光栅104上的增益介质102，该可调谐布拉格光栅104可以调谐从增益介质102产生的光束116的输出波长。如图所示，增益介质102和可调谐布拉格光栅104都被布置在半导体衬底111上。在一个实施例中，增益介质102包括二极管，举例来说，例如是磷化铟二极管等。在一个实施例中，增益介质102和可调谐布拉格光栅104的光耦合界定了半导体衬底111中的激光腔。同样被包括在半导体衬底111中的光调制器106可以被光耦合到增益介质102，以响应于调制信号调制来自增益介质102的光束116。
如图所示，光调制器106包括穿过半导体衬底111的第一和第二光路108和110。在操作中，光束116的第一部分可以被导向穿过第一光路108，光束116的第二部分可以被导向穿过第二光路110。如下面将更详细描述的，可以分别沿着光路108和110在半导体衬底111中布置第一和第二光学相位调整设备112和114，以响应于相位调整信号调整光束116的第一和第二部分之间的相位差。在一个实施例中，穿过由相位调整设备112和/或114建立的多个荷电调制区域之后，光束116的第一和第二部分在半导体衬底111中被合并，使得光束116被调制。在一个实施例中，如图所示，光路108和110两者都包括相位调整设备112和114。在另一个实施例中，光路108和110中只有一个包括相位调整设备112或114。
如在所描绘的实施例中所图示的，光发射模块100包括被布置在可调谐布拉格光栅104和光调制器106之间的增益介质102。应当认识到，也可以使用其他适合的结构。例如，如图2所示，光发射模块200包括在半导体衬底111中被布置在增益介质102和调制器106之间的可调谐布拉格光栅104。
图3是图示了根据本发明的教导的可以被包括在光发射模块100或200中的光调制器106的光路108或110中的一个的一个实施例的侧视图。在一个实施例中，本发明的光调制器106的光路包括相位调整设备334，在一个实施例中，该相位调整设备334包括多个电荷调制区域360，该多个电荷调制区域360具有包括沟槽电容器335和沟槽电容器337的沟槽电容器阵列，如图3所示。在一个实施例中，沟槽电容器335和337包括被布置在光调制器106的半导体衬底111中的多晶硅。如图3所示，光调制器106的一个实施例包括布置在沟槽电容器335的多晶硅和半导体衬底111之间的绝缘区域353。类似地，绝缘区域355被布置在沟槽电容器337的多晶硅和半导体衬底111之间。
在一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331被耦合，以分别由相位调整设备334的沟槽电容器335和337接收。在一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331由相位调整设备334的集成电路管芯上的控制电路产生。在一个实施例中，产生调制信号329和另一调制信号331的控制电路在半导体衬底111中被布置在被导向穿过半导体衬底111的光束116的光路外面。在另一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331由在光调制器106的集成电路管芯外部的控制电路产生。在一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331被耦合，以通过导体319和321被沟槽电容器335接收，所述导体319和321被布置在光调制器106的光限制层305中。在一个实施例中，光限制层305是绝缘层，并包括光调制器106的电介质层。
在一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331是分别被耦合以由光调制设备334中的沟槽电容器335和337接收的多个信号。例如，在一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331是具有相反极性的同一信号。在另一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331是具有相同极性的同一信号。在又一个实施例中，调制信号329和另一调制信号331是被耦合到阵列中的电容器的分别的信号，以控制或调制沟槽电容335和337的阵列上的多个电荷调制区域360中的自由电荷载流子的电荷分布。
在一个实施例中，光束116从可调谐激光器的增益介质102和/或可调谐布拉格光栅104穿过半导体衬底111被导向到相位调整设备334的沟槽电容器335和337的阵列。如所提到的，在一个实施例中，半导体衬底111包含硅，沟槽电容器335和337包含多晶硅，光束116包括红外或近红外激光。如本领域技术人员所公知的，硅对红外或近红外光线是不完全透明的。例如，在相位调整设备334被用在电信中的一个实施例中，光束116具有近似1.55微米或1.3微米的红外波长。
在一个实施例中，光调制器106包括与半导体衬底111贴近布置的光限制层357。从而，半导体衬底111被布置在光限制层357和光限制层305之间。在一个实施例中，光限制层357是绝缘层。具体地说，来自光束116的光能或光线从半导体衬底111与光限制层357或光限制层305之间的界面被反射。在图3所描述的实施例中，由于全内反射，光束116被反射离开半导体衬底111与光限制层357或光限制层305之间的界面。作为全内反射的结果，使用光限制层357和光限制层305，光束116在一个实施例中被限制留在半导体衬底111中，直到光束离开半导体衬底111。
在一个实施例中，响应于调制信号，穿过沟槽电容器335和337周围多个荷电调制区域360的光束116的相位被调制。在一个实施例中，由于等离子光学效应，穿过在多个荷电调制区域360中的自由电荷载流子的光束116的相位被调制。由于沿着光束116的传播路径可能出现的自由电荷载流子和光电场矢量之间的相互作用，出现等离子光学效应。光束116的电场导致自由电荷载流子的速率改变，这有效地扰动了介质的局部介电常数。这接着又导致光波传播速度的扰动，由于折射率只是光线在真空中的速度和在介质中的速度的比值，所以又因此导致了对光线的折射率的扰动。自由电荷载流子被该电场加速，并且随着光能的用尽，还导致对光场的吸收。通常，折射率扰动是复数，其实部是引起速度变化的部分，虚部是与自由电荷载流子吸收有关的部分。相移φ的大小用真空中的光波长λ和互作用长度L表示如下：
φ＝(2π/λ)ΔnL           (等式1)
在硅中的等离子光学效应的情况中，由于电子(ΔNe)和空穴(ΔNh)浓度变化造成的折射率变化Δn由下式给出：
Δn = - e 2 λ 2 8 π 2 c 2 ϵ 0 n 0 ( Δ N e m e * + Δ N h m h * ) (等式2)
其中，n0是硅的名义折射率，e是电子电荷，c是光速，ε0是自由空间的介电常数，me *和mh *分别是电子和空穴的有效质量。
注意，光调制器106的相位调整设备334已经在图3中被图示为具有两个沟槽电容器335和337。但应当认识到，在其他实施例中，根据本发明的教导，只要选择沟槽电容器的数量使得获得所要求的相移，相位调整设备334可以包括更多或者更少数量的沟槽电容器。
注意，为了说明的目的，电荷调制区域360已经被图示为包括负电荷。但应当认识到，在其他实施例中，根据本发明的教导，这些电荷的极性以及调制信号329和另一调制信号331的极性可以被反向。
图4是图示了根据本发明的教导，可以被耦合到光调制器106并被包括在光发射模块100的半导体衬底111中的可调谐激光器400的实施例的框图。可调谐激光器400包括被布置在半导体衬底111中的绝缘层407和403。
如所描绘的实施例中所图示的，可调谐激光器400包括被布置在半导体衬底111中的增益介质102和可调谐布拉格光栅104。增益介质102和可调谐布拉格光栅104之间的光耦合界定了布置在半导体衬底111中的激光腔419。在一个实施例中，增益介质102包括诸如磷化铟二极管等的二极管，该二极管包括劈开的表面或刻面，所述劈开的表面或刻面形成可调谐激光器400的反射器423。在一个实施例中，反射器423具有99％的反射率，并且增益介质102的另一侧具有抗反射(AR)涂层，该涂层具有非常低的反射率，举例来说，例如是10-4的反射率。
如下面将更详细讨论的，可调谐布拉格光栅104的一个实施例被形成为具有多层结构，包括交替的多晶硅417和半导体衬底111的区域。加热器415如所示出地被贴近交替的多晶硅和半导体衬底区域111布置，以局部地调整半导体衬底111和多晶硅区域417的温度，以便调整可调谐布拉格光栅104的可调谐波长。
在一个实施例中，在半导体衬底111中，激光腔419被界定在绝缘层403和407之间以及增益介质102的反射器423和可调谐布拉格光栅104之间。如下面将更详细讨论的，一个实施例的激光腔419被包括在增益介质102和波导中，所述波导在半导体衬底111被形成在反射器423和可调谐布拉格光栅104之间。在一个实施例中，可调谐布拉格光栅104用作反射器，以选择性地反射可调谐布拉格光栅104的可调谐波长处的光线。
在操作中，首先利用增益介质102将电转换为光。如本领域技术人员可以认识到的，可以通过例如在半导体(增益介质)中注入电流，以产生电子-空穴对，使得通过电子-空穴辐射复合过程发光，这样来产生这种光线。在图4中，该光线被图示为从激光腔419中的增益介质102发出的光束425。在一个实施例中，可调谐布拉格光栅104反射光束425中具有等于布拉格波长λB的可调谐中心波长的部分。该具有等于λB的可调谐中心的被反射的部分在图4中被图示为光束427。被包括在光束425中的没有被可调谐布拉格光栅104反射的其余部分或者波长在图4中被图示为穿过可调谐布拉格光栅104继续的光束431。光束425和427继续在反射器423和可调谐布拉格光栅104之间来回反射，使得在激光腔419中发生激光作用或者光受激发射的放大。
在一个实施例中，由于可调谐布拉格光栅104的反射光谱带宽窄，例如小于1纳米，所以激光腔419中的激光作用或者光的受激发射仅在一个窄的频率范围内被获得。在一个实施例中，反射器423仅是部分反射的，使得光束116能够穿过可调谐激光腔400的反射器423被输出。换句话说，由于可调谐布拉格光栅104被调谐以反射具有波长λB的光线，所以光束116被调谐到波长λB。在一个实施例中，可调谐布拉格光栅104的可调谐中心波长可以被调谐或者调整，以调谐或者调整光束116的输出波长。
在一个实施例中，具有输出波长λB的光束116被从增益介质102输出，并被导向到光调制器106，例如如图1所示。在另一个实施例中，应当认识到，可调谐布拉格光栅104可以对λB只部分地反射，使得由于在激光腔419中具有波长λB的光的激光作用或者受激发射而具有输出波长λB的光束116被从可调谐布拉格光栅104的与增益介质102相反的一端输出。示出了可调谐激光器400的这种安排的实施例可以被举例示出在图2中。在该实施例中，增益介质102的与可调谐布拉格光栅相反的一侧被涂有高反射涂层，增益介质102的面对可调谐布拉格光栅104的一侧具有低反射率的AR涂层，例如10-4的反射率。
图5是图示了根据本发明的教导，布置在半导体衬底111中的基于半导体的可调谐布拉格光栅104的一个实施例的更详细的细节的横截面的框图。如图所示，多个交替的多晶硅417区域被布置在硅半导体衬底111中，使得沿着通过半导体衬底111的光路517提供有有效折射率neff的周期性或者准周期性的扰动。包含光路517的波导525被提供在半导体衬底111中。
在使用分别具有有效折射率nsi和npoly的硅和多晶硅的一个实施例中，在半导体衬底111和多晶硅417之间的每个界面处提供了较小的有效折射率差值neff(或者npoly-nsi)。在一个实施例中，neff近似在0.005到0.03的范围内。应当认识到，根据本发明的教导，可以对neff使用其他的数值范围，0.005到0.03在这里被提供用于说明的目的。在另一个实施例中，应当认识到，可以使用其他适合的材料代替硅和多晶硅，只要在沿着光路517的每个界面处提供有有效折射率差值。
在一个实施例中，波导525是脊形波导。为了图示说明，图6是根据本发明的教导的可调谐布拉格光栅的脊形波导625的一个实施例的立体图图示。在图6中，脊形波导625被布置在半导体衬底111中，并包括多晶硅417的区域。在一个实施例中，半导体衬底111具有与多晶硅417不同的折射率，使得沿穿过脊形波导625的光路提供有周期性或准周期性的有效折射率的扰动。
如图所示，脊形波导625包括脊形区域627和平板区域629。在图6所图示的实施例中，单模光束619的强度分布被示出为通过脊形波导625传播。如图所示，光束619的强度分布是这样的：光束619的多数通过脊形区域627的部分向脊形波导625的内部传播。另外，光束619的一部分通过平板区域629朝向脊形波导625的内部传播。如同样用光束619的强度分布所示出的，束619的传播光学模式的强度在脊形区域627的“上拐角”以及平板区域629的“侧面”小到趋于零。
应当认识到，虽然脊形波导525和625是结合可调谐布拉格光栅104被图示和描述的，但是脊形波导可以使用在整个光调制器100中，例如在光调制器106的光路108和110中，或者光发射模块100的部件之间的其他光耦合或波导。
返回参考图5的图示，光束519沿着光路517被导向到波导525的一端中。在一个实施例中，光束519包括红外或进红外光，并被由绝缘层403和407所提供的覆层限制为沿着波导525的两端之间的光路517保留在波导525中。在一个实施例中，由于绝缘层403和407的氧化物材料具有比半导体衬底111和多晶硅417的半导体材料低的折射率，所以光束519因全内反射而受限制。
在一个实施例中，光束519包括多个信道，这些信道具有包括例如λ1、λ2和λ3的波长。应当认识到，虽然光束519在所示的例子中已经被示为包括三个波长λ1、λ2和λ3，但是根据本发明的教导，可以在光束519中包括其他数量的波长。
如上所述，穿过波导525沿着光路517存在有效折射率的周期性或准周期性的扰动。由于上述有效折射率差值neff，沿着光路517在半导体衬底111和多晶硅417之间的界面处发生光束519的多次反射。在一个实施例中，当满足布拉格条件或者相位匹配条件时，发生布拉格反射。具体地说，对于均匀布拉格光栅，当满足如下条件时发生布拉格反射：
mλB＝2neffΛ           (等式3)其中，m是衍射级次，λB是布拉格波长，neff是波导的有效折射率，Λ是光栅周期。
为了图示，图5示出了对于λB等于λ2存在的布拉格条件。相应地，包括波长λ2的光束116被示出为被反射回来，从光束519被导向进入的一端从波导525中出来。此外，光束519的其余部分继续沿光路517传播穿过波导525，使得其余的波长(例如，λ1和λ3)被包括在光束523中，该光束523从波导525的相反一端被传播。在一个实施例中，光束519可以是在其上编码数据的光通信束等。在一个实施例中，可以利用光束519使用WDM或DWDM等，使得可以用被包括在光束519中的各种波长(例如，λ1、λ2和λ3等)编码不同的信道。
在一个实施例中，被可调谐布拉格光栅104反射的布拉格波长λB可利用贴近波导525所布置的加热器415而调谐或者调整。在一个实施例中，加热器415包括薄膜加热器或类似物，或者未来出现的其他技术，其在沿光路517的波导525中控制半导体衬底111和多晶硅417的温度。举例来说，硅和多晶硅的折射率随温度变化较大，约2×10-4/°K量级。应当认识到，例如硅和/或多晶硅的半导体材料的折射率随温度的变化，其数量级大于例如二氧化硅等的其它材料。从而，通过控制半导体衬底111和多晶硅417的温度，根据本发明的教导，实现了被可调谐布拉格光栅104反射的光的中心波长的相对显著的偏移。
图7是图示了按照本发明的教导的可调谐布拉格光栅701的另一个实施例的横截面的框图。应当认识到，根据本发明的教导，可调谐布拉格光栅701也可以代替图1、图2或图4的可调谐布拉格光栅104而被使用。如所描绘的实施例所示的，可调谐布拉格光栅701包括具有光路717的半导体衬底111，光束719被导向通过该光路717。在一个实施例中，半导体衬底111被包括在SOI晶片715中，使得半导体衬底111被布置在填埋绝缘层707和绝缘层709之间。此外，填埋绝缘层707被布置在半导体衬底层111和半导体衬底层713之间。在一个实施例中，光波导725具有半导体衬底111，该半导体衬底111具有绝缘层707和709，它们用作覆层以将光束719限制为在两端之间保留在波导725中。
在图7所描绘的实施例中，可调谐布拉格光栅701具有沟槽形的硅结构。具体地说，类似于例如金属-氧化物-半导体(MOS)结构的多个导体-绝缘体-半导体结构715沿着光路717被布置在半导体衬底111中。各个结构715被耦合以通过导体737接收调制信号VG 739，该导体737穿过绝缘层709被耦合到各个结构715上。如图7所示，波导725中的每个结构的高度是h。在一个实施例中，结构715的高度h被选择为使得波导725中的光束717沿光路717的传播损耗是可接受的。
在图7所描绘的实施例中，在半导体衬底111中，沿着通过波导725的光路717提供有有效折射率neff的周期性或准周期性扰动。具体地说，有效折射率neff等于沿光路717的波导725的几何结构以及被包括在光束719中的波长λ和具体介质的折射率(例如，nsi)的函数，或者与该函数相关。
相应地，假设半导体衬底111包括硅，则有效折射率neff是不包括结构715的波导725的高度H、nsi和λ的函数。在包括结构715的波导725的区域705中，有效折射率n′eff是包括结构715的波导725的高度(H-h)、nsi和λ的函数。因而，有效折射率的差值是
neff＝neff-n′eff                   (等式4)
在所描绘的实施例中，结构715响应于通过导体737的信号VG739而被施加偏压，使得半导体衬底层111中的电荷调制区域731中的自由电荷载流子贴近结构715集中。例如，假设利用通过导体737的调制信号VG739施加正电压，半导体衬底111中的电子被掠进电荷调制区域731。例如当对导体737施加较小的正电压时，被掠进电荷调制区域731的自由电荷载流子的浓度降低。
注意，为了说明的目的，电荷调制区域731已经被图示为包括负电荷。但应当认识到，根据本发明的教导，在另一实施例中这些电荷的极性以及调制信号VG 739的电压可以被反向。
在一个实施例中，如前所述，由于等离子光学效应，电荷调制区域73 1中的有效折射率neff响应于调制信号VG 739而被调制。
注意，可调谐布拉格光栅701在图7中被示为具有五个结构715。但应当认识到，根据本发明的教导，在其他实施例中，可调谐布拉格光栅701可以包括更多或者更少数量的结构715。
在操作中，光束719沿着光路717被导向进入波导725的一端。在一个实施例中，光束719包括红外或近红外光，并用绝缘层707和709被限制为沿着波导725两端之间的光路717保留在波导725中。在一个实施例中，由于绝缘层707和709的氧化物材料具有比半导体衬底111的半导体材料更小的折射率，所以光束719因全内反射而受限制。
在一个实施例中，光束719包括与包含例如λ1、λ2和λ3的波长相对应的多个信道。由于上面所描述的在沿光路717的有效折射率的周期性或准周期性扰动中的有效折射率差值neff，当满足上述等式3中的布拉格条件或者相位匹配条件时，发生光束719的多次反射。
为了图示，图7示出了对于λB等于λ2存在的布拉格条件。相应地，具有中心波长λ2的光束721被示出为被反射回来，从光束719被导向进入的一端从波导725中出来。此外，光束719的其余部分继续沿光路717传播穿过波导725，使得光束723中包括其余的波长(例如，λ1和λ3)，该光束723从波导525的相反一端被传播。
在一个实施例中，通过利用调制信号VG 739适当地调制电荷调制区域731中的电荷，以调整布拉格波长λB的条件，可以调谐或者调整被可调谐布拉格光栅701反射或者过滤的中心波长。实际上，如上面所讨论的，根据本发明的教导，沿光路717的有效折射率中的差值Δneff响应于调制信号VG739而被调制，以调谐被可调谐布拉格光栅701反射的布拉格波长λB。
图8图示了一个实施例，其中，多个光发射模块200被布置在单个半导体衬底111中，以形成可以产生、调谐以及调制多个光束的光发射模块800。图8示出了第一可调谐激光器400A，其中，可调谐激光器400A是光耦合到多个光调制器106A、106B、106C和106D的相应一个上的多个可调谐激光器400A、400B、400C和400D中的一个。因此，在实施例中，每个光调制器106A、106B、106C和106D被光耦合，以接收和调制来自各自的可调谐激光器400A、400B、400C和400D的光束。注意，在图8所描绘的实施例中，各个布拉格光栅被布置在增益介质102和调制器106之间。在另一个实施例中，增益介质可以被布置在布拉格光栅和调制器之间。
在一个实施例中，多路复用器801可以光耦合到各个光调制器106A、106B、106C和106D的输出，以将接收到的多个光束多路复用到WDM光束807中。在实施例中，如图8所示，分别用于可调谐激光器400和调制器106的可调谐激光器控制电路802和调制器控制电路804被示为位于与半导体衬底111分立的衬底上，用于产生各自的控制调制信号。在另一个实施例中，可调谐激光器控制电路802和调制器控制电路804可以被包括在与多个光发射模块200同一个半导体衬底111上。
图9图示了一个实施例，其中，光发射模块900还包括分光器902，其被光耦合以将从单个增益介质102产生的光束116分成多个光束。在一个实施例中，1×N分光器902是多模干涉(MMI)分光器或类似物。如图所示，可调谐布拉格光栅104A、104B、104C和104D可以被光耦合到分光器902，以接收和调谐多个光束中的相应一个的输出波长。在实施例中，在正常操作期间，可调谐布拉格光栅104A、104B、104C和104D各自被调谐到不同的输出波长。光调制器106A、106B、106C和106D可以各自被光耦合到相应的可调谐布拉格光栅104A、104B、104C和104D，以调制多个光束中的相应的一个。一旦多个光束中的每个穿过调制器106A、106B、106C和/或106D，则每个光束可以进入分别的光学纤维901A、901B、901C和/或901D。
图10是根据本发明的教导的包括光发射模块的光通信系统1000的实施例的图示。光通信系统1000包括光发射模块1001，该光发射模块1001可以将在半导体衬底111中所产生的多个光束1002导向到多路复用器1003。多路复用器1003可以将多个光束1002多路复用到WDM光束1007中。然后，WDM光束1007可以沿着光网络中的光学纤维1005被导向，并可以被放大器1004放大。在一个实施例中，放大器1004包括掺铒光纤放大器(EDFA)等。在一个实施例中，也可以沿着光学纤维1005设置光插/分器或开关1006，以插入或分出光信号。在一个实施例中，WDM光束1007被多路分解器1008接收，以将WDM光束1007多路分解还原成多个光束1002。可以光耦合多个光接收器1010，以接收多个光束中的相应的一个。
在前面的详细说明中，已经参考其具体的示例性实施例描述了本发明的方法和装置。但是，显然，可以对其作出各种修改和变化而不脱离本发明的更宽广的精神和范围。本说明书和附图因此被认为是示例性的，而不是限定性的。

Claims (29)

1.一种集成光学装置，包括：
被布置在半导体衬底中的增益介质；
被布置在所述半导体衬底中的可调谐布拉格光栅，所述可调谐布拉格光栅光耦合到所述增益介质，以便调谐从所述增益介质产生的光束的输出波长；和
被布置在所述半导体衬底中的光调制器，所述光调制器被光耦合到所述增益介质和/或所述布拉格光栅以接收所述光束，所述光调制器响应于调制信号，调制从所述增益介质产生的所述光束，所述光调制器包括在所述半导体衬底中具有电荷调制区域的多个沟槽电容器，其中，所述光束被导向通过所述半导体衬底，并通过所述沟槽电容器的所述电荷调制区域，所述半导体衬底中的沟槽电容器的电荷调制区域响应于调制信号调制从所述增益介质产生的光束。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述光调制器包括：
通过所述半导体衬底的第一光路，所述光束的第一部分被导向通过所述第一光路；
通过所述半导体衬底的第二光路，所述光束的第二部分被导向通过所述第二光路；
分别在所述第一和第二光路中被布置在所述半导体衬底中的第一和第二光学相位调整设备，所述第一和第二光学相位调整设备响应于相位调整信号，选择性地调整所述光束的所述第一和第二部分之间的相位差；以及
光学限制区域，所述光学限制区域在所述第一和第二光路之间被布置在所述半导体衬底中，以便将所述第一光路与所述第二光路光学隔离开，直到所述第一和第二光路在所述半导体衬底中被合并。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一和第二相位调整设备每个包括分别沿所述第一和第二光路被布置在所述半导体衬底中的多个电荷调制区域。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述增益介质包括被布置在所述半导体衬底中的二极管。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述增益介质包括被布置在所述半导体衬底中的磷化铟二极管。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述增益介质和所述可调谐布拉格光栅一起形成被布置在所述半导体衬底中的可调谐激光器，其中，所述增益介质和所述可调谐布拉格光栅之间的光耦合界定了被布置在所述半导体衬底中的激光腔。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述可调谐布拉格光栅包括所述半导体衬底的折射率的多个扰动。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述半导体衬底的所述折射率的所述多个扰动是利用被布置在所述半导体衬底中的所述可调谐布拉格光栅中的硅和多晶硅的周期性区域提供的。
9.如权利要求7所述的装置，其中，所述半导体衬底的所述折射率的所述多个扰动是利用所述半导体衬底的所述可调谐布拉格光栅中的几何结构的周期性变化提供的。
10.如权利要求7所述的装置，其中，所述可调谐布拉格光栅还包括贴近所述可调谐布拉格光栅的所述半导体衬底布置的加热器，所述半导体衬底的所述折射率对所述半导体衬底的所述可调谐布拉格光栅中的温度有响应。
11.如权利要求7所述的装置，其中，所述可调谐布拉格光栅还包括被布置在所述可调谐布拉格光栅的所述半导体衬底中的电极，用于调制所述半导体衬底中的电荷浓度，所述半导体衬底的所述折射率对所述半导体衬底中的所述可调谐布拉格光栅中的所述电荷浓度有响应。
12.如权利要求1所述的装置，还包括被布置在所述半导体衬底中的多路复用器，所述多路复用器光耦合到所述光调制器的输出，以便将多个另外的光束与从所述增益介质产生的所述光束多路复用。
13.如权利要求1所述的装置，还包括被布置在所述半导体衬底中的分光器，所述分光器被光耦合，以接收所述光束，所述分光器将所述光束分成多个光束。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述可调谐布拉格光栅是被布置在所述半导体衬底中的多个布拉格光栅中的第一可调谐布拉格光栅，所述多个布拉格光栅中的每一个被光耦合到所述分光器，以接收所述多个光束中的相应的一个，所述多个布拉格光栅中的每个调谐所述多个光束中的所述相应的一个的相应的输出波长。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述光调制器是被布置在所述半导体衬底中的多个光调制器中的第一光调制器，所述光调制器中的每个被光耦合到所述多个可调谐布拉格光栅中的相应的一个，以调制所述多个光束中的所述相应的一个。
16.如权利要求1所述的装置，其中，所述增益介质在所述可调谐布拉格光栅和所述光调制器之间被布置在所述半导体衬底中。
17.如权利要求1所述的装置，其中，所述可调谐布拉格光栅在所述增益介质和所述光调制器之间被布置在所述半导体衬底中。
18.一种用于操作集成光学装置方法，包括：
利用被布置在半导体衬底中的增益介质产生光束；
利用被布置在所述半导体衬底中的被光耦合到所述增益介质的可调谐布拉格光栅，调谐所述光束的输出波长；以及
利用被布置在所述半导体衬底中并被光耦合到所述增益介质和/或所述布拉格光栅的光调制器，响应于调制信号，通过将所述光束导向通过所述半导体衬底，并通过所述光调制器中所包括的多个沟槽电容器的电荷调制区域，调制所述光束。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述可调谐布拉格光栅是被布置在所述半导体衬底中的多个布拉格光栅中的第一个，其中，所述光调制器是被布置在所述半导体衬底中的多个光调制器中的第一个，所述方法还包括：
利用被布置在所述半导体衬底中的分光器，将所述增益介质所产生的所述光束分成多个光束；
利用被布置在所述半导体衬底中的多个可调谐布拉格光栅中的相应的一个，调谐所述多个光束中的每一个，其中所述多个可调谐布拉格光栅被光耦合以接收所述多个光束中的相应的一个；以及
利用被布置在所述半导体衬底中的多个光调制器中的相应的一个，响应于调制信号，调制所述多个光束中的每一个。
20.如权利要求18所述的方法，其中，利用被布置在所述半导体衬底中的所述光调制器调制所述光束的步骤包括：
将所述光束的第一部分导向穿过所述半导体衬底中的所述光调制器的第一路径；
将所述光束的第二部分导向穿过所述半导体衬底中的所述光调制器的第二路径；
利用被布置在所述光调制器的所述第一和第二光路中的第一和第二相位调整设备，响应于所述调制信号，选择性地调整所述光束的所述第一和第二部分之间的相位差；
光学隔离所述第一和第二光路；以及
合并所述第一和第二光路，以组合所述光束的所述第一和第二部分。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述光束是在所述半导体衬底中被产生、调谐和调制的多个光束中的一个，所述方法还包括利用被布置在所述半导体衬底中的多路复用器，将所述多个光束多路复用为单个波分复用光束。
22.如权利要求18所述的方法，其中，利用被布置在所述半导体衬底中的所述可调谐布拉格光栅调谐所述光束的所述输出波长的步骤包括调整包含所述可调谐布拉格光栅的所述半导体衬底的温度。
23.如权利要求18所述的方法，其中，利用被布置在所述半导体衬底中的所述可调谐布拉格光栅调谐所述光束的所述输出波长的步骤包括调整包含所述可调谐布拉格光栅的所述半导体衬底中的电荷浓度。
24.一种光通信系统，包括：
被布置在半导体衬底中的光发射模块，所述光发射模块包括：
被布置在所述半导体衬底中的增益介质；
被布置在所述半导体衬底中的可调谐布拉格光栅，所述可调谐布拉格光栅光耦合到所述增益介质，以便调谐从所述增益介质产生的光束的输出波长；和
被布置在所述半导体衬底中的光调制器，所述光调制器被光耦合到所述增益介质和/或所述布拉格光栅以接收所述光束，所述光调制器响应于信号，调制从所述增益介质产生的所述光束，所述光调制器包括在所述半导体衬底中具有电荷调制区域的多个沟槽电容器，其中，所述光束被导向通过所述半导体衬底，并通过所述沟槽电容器的所述电荷调制区域，所述半导体衬底中的沟槽电容器的电荷调制区域响应于调制信号调制从所述增益介质产生的光束；
被光耦合以接收在所述半导体衬底中产生的所述多个光束的多路复用器，其中，从所述增益介质产生的所述光束是在所述半导体衬底中产生的所述多个光束中的一个，所述多路复用器将所述多个光束多路复用为单个波分复用光束；
被光耦合以通过光学纤维接收所述波分复用光束的多路分解器，所述多路分解器将所述波分复用光束多路分解回所述多个光束；和
多个光接收器，所述光接收器中的每个被光耦合以接收所述多个光束中的相应的一个。
25.如权利要求24所述的光通信系统，其中，所述增益介质是被布置在所述半导体衬底中的多个增益介质中的一个，所述多个增益介质中的每一个产生在所述半导体衬底中所产生的所述多个光束中的对应的一个，所述可调谐布拉格光栅是被布置在所述半导体衬底中的多个可调谐布拉格光栅中的一个，所述多个可调谐布拉格光栅中的每一个被光耦合到所述多个增益介质中的相应的一个，以便调谐所述多个光束中的相应的一个的相应的输出波长，所述光调制器是被布置在所述半导体衬底中的多个光调制器中的一个，所述多个光调制器中的每一个被光耦合到所述多个光束中的相应的一个，以便响应于相应的调制信号，调制所述多个光束中的所述相应的一个。
26.如权利要求24所述的光通信系统，其中，所述光发射模块还包括分光器，所述分光器被光耦合以将从所述增益介质产生的所述光束分成在所述半导体衬底中产生的所述多个光束，所述可调谐布拉格光栅是被布置在所述半导体衬底中的多个可调谐布拉格光栅中的一个，所述多个可调谐布拉格光栅中的每一个被光耦合到来自所述分光器的所述多个光束中的相应的一个，以便调谐所述多个光束中的所述相应的一个的相应的输出波长，所述光调制器是被布置在所述半导体衬底中的多个光调制器中的一个，所述多个光调制器中的每一个被光耦合到所述多个光束中的相应的一个，以便响应于相应的调制信号，调制所述多个光束中的所述相应的一个。
27.如权利要求24所述的光通信系统，其中，所述多路复用器被包括在所述半导体衬底中的所述光发射模块中。
28.如权利要求24所述的光通信系统，其中，在所述光发射模块的所述半导体衬底中的所述光调制器包括：
通过所述半导体衬底的第一光路，所述光束的第一部分被导向通过所述第一光路；
通过所述半导体衬底的第二光路，所述光束的第二部分被导向通过所述第二光路；
分别在所述第一和第二光路中被布置在所述半导体衬底中的第一和第二光学相位调整设备，所述第一和第二光学相位调整设备响应于相位调整信号，选择性地调整所述光束的所述第一和第二部分之间的相位差；以及
光学限制区域，所述光学限制区域在所述第一和第二光路之间被布置在所述半导体衬底中，以便将所述第一光路与所述第二光路光学隔离开，直到所述第一和第二光路在所述半导体衬底中被合并。
29.如权利要求24所述的光通信系统，其中，所述光发射模块的所述半导体衬底中的所述可调谐布拉格光栅包括所述半导体衬底的折射率的多个扰动。
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