CN101485055A - 具有集成调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的发射器-接收器 - Google Patents

具有集成调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的发射器-接收器 Download PDF

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Abstract

公开从单个半导体材料层提供多个调制光束的装置和方法。例如，装置包括设置在单个半导体材料层中的多个光波导。这些光波导中的每个光波导包括沿光波导界定的光腔。包括在这些光波导上邻接单个半导体材料层的单个增益介质材料条。沿这些光波导中的每个光波导界定了增益介质－半导体材料界面。多个光调制器设置在单个半导体材料层中。这些光调制器中的每个光调制器光耦合到这些光波导中的相应的一个光波导，以便调制从光腔发出的相应光束。

Description

具有集成调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的发射器-接收器
技术领域
一般来说，本发明涉及光学，更具体地说，本发明涉及光学互连和通信。
背景技术
随着互联网数据业务的增长速率赶超语音业务，越来越需要快速且有效的基于光学的技术，从而推动了光纤通信的需求。在密集波分复用(DWDM)系统和千兆位(GB)以太网系统中通过相同光纤传送多个光学信道提供了利用由纤维光学提供的空前容量(信号带宽)的简单方法。系统中的常用光学组件包括波分复用(WDM)发射器和接收器、滤光器(如衍射光栅、薄膜型滤波器、布拉格(Bragg)光纤光栅、阵列波导光栅)、光插分复用器和激光器。
激光器是通过受激发射发光、产生具有从红外到紫外范围内的频谱的相干光束并可用于各种各样应用的熟知设备。例如，在光学通信或联网应用中，可利用半导体激光器来产生光或光束，可在这些光或光束上编码和传送数据或其它信息。
光学通信或联网应用中所用的其它设备有基于光纤的布拉格光栅。布拉格光纤光栅是光纤芯部材料的折射率沿光纤长度周期性变化的光纤，这可通过将光敏芯部暴露至强光学干涉图样而形成。因为折射率沿光纤长度变化，所以布拉格光纤光栅会反射特定波长处的光束，而允许其它波长传播通过光纤。
布拉格光纤光栅的局限性在于，通过布拉格光纤光栅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，就要利用不同的布拉格光纤光栅。在一些已知的布拉格光纤光栅中，可以通过以物理或机械方法拉伸布拉格光纤光栅的光纤以改变光纤的长度来提供对所反射波长的标称调整。这种技术的缺点在于，对所反射波长的调整量相对较小，并且光纤会因拉伸的物理应力和应变而受到损坏。
光学通信中使用的额外设备还包括作为宽带DWDM联网系统和千兆位(GB)以太网系统中的关键组件的光学发射器。目前，大多数光学发射器都是基于多个固定波长的激光器与外部调制器的组合的，或在一些情况下是基于直接调制的激光器的。在对由激光器产生的光进行调制之后，利用外部复用器对它进行复用，然后发送给光纤网络，在光纤网络中，可通过光开光进行放大、或指引、或放大和指引。因为激光器通常产生固定波长，所以每个传输信道使用独立的激光器和调制器。但是，制造激光器和关联组件的成本很高，并且利用独立的组件用于要传送的光的每个波长会很昂贵且低效。
附图说明
附图中举例而非限制性地示出本发明。
图1是一般性地示出根据本发明的教导的集成半导体调制器多波长激光器阵列的一个实例的图。
图2是一般性地示出根据本发明的教导可在集成半导体调制器多波长激光器阵列中采用的多个示范激光器中的一个激光器的横截面侧视图。
图3是一般性地示出根据本发明的教导可在集成半导体调制器多波长激光器中采用的多个示范激光器中的一个激光器的另一横截面图。
图4是一般性地示出根据本发明的教导的光相位调制器的一个实例的横截面图，其中该光相位调制器包括光波导和单侧共平面接触器，并且在光调制器中采用的pn结界面处具有耗尽区域。
图5是一般性地示出根据本发明的教导的示范系统的图，该示范系统包括具有集成半导体调制器和混合键合的多波长激光器的超高容量发射器-接收器。
具体实施方式
公开用于提供具有集成半导体调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的超高容量发射器-接收器的方法和装置。在以下描述中，阐述了众多具体细节，以便充分理解本发明。但是，本领域的技术人员将明白，不需要采用该具体细节也可实现本发明。在其它情况下，没有详细描述熟知的材料或方法，以免使本发明晦涩难懂。
整篇说明书中提到“一个实施例”或“实施例”时表示，结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整篇说明书的各个地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”时不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以按照任何合适的方式组合这些特定的特征、结构或特性。另外，将明白，本文提供的图是出于向本领域的技术人员说明的目的，并且附图不一定按比例绘制。
为了说明，图1是一般性地示出根据本发明的教导的集成半导体调制器多波长激光器阵列101的一个实例的图。在所示实例中，多波长激光器阵列101从单个半导体材料层103提供多个连续波(CW)光束119A、119B、...、119N。在一个实例中，单个半导体材料层103是绝缘体上硅(SOI)晶片的硅层。在所描绘的实例中，每个光束119A、119B、...、119N都是具有主要由相应激光器的增益和腔反射谱宽确定的激光器谱宽的宽带激光器输出。示范多波长激光器阵列101包括设置在单个半导体材料层103中的多个光波导105A、105B、...、105N。在所示实例中，图1中示出“N”个光波导以表示这些光波导。将明白，根据本发明的教导，这些波导可表示两个或两个以上光波导。换种说法，根据本发明的教导，N大于或等于2。在一个实例中，这些光波导是设置在单个半导体材料层103中的硅脊形(rib)波导、条形波导等。
根据本发明的教导，在一个实例中，这些光波导105A、105B、...、105N中的每个光波导包括沿光波导在相应反射器107A/109A、107B/109B、...、107N/109N之间界定(define)的光腔。根据本发明的教导，在各个实例中，反射器可包括半导体材料103中的一个或多个光栅、半导体材料103的刻面上的反射涂层、或用于界定这些光波导105A、105B、...、105N中的光腔的其它合适的技术。根据本发明的教导，在另一个实例中，在半导体材料103中界定环形谐振腔120A、120B、...、120N，并且它们均光耦合到这些光波导105A、105B、...、105N中的相应的光波导，从而沿相应光波导界定光腔。在包括反射器107A/109A、107B/109B、...、107N/109N的示范光腔中，不包含环形谐振腔120A、120B、...、120N。在包含环形谐振腔120A、120B、..、120N的示范光腔中，不包含所包含的反射器107A/109A、107B/109B、...、107N/109N。
单个增益介质材料条123横跨这些光波导105A、105B、...、105N邻接单个半导体材料层103。在另一个实例中，可以在多波长激光器阵列101中包含多于一个单个增益介质材料条123。但是，根据本发明的教导，在这样的实例中，每个单个增益介质材料条123设置成横跨多个光波导。在一个实例中，单个增益介质材料条123是包括诸如InP的III-V族半导体材料的III-V族半导体条。具体来说，单个增益介质材料条123是例如横跨SOI晶片的硅层中的这些硅脊形波导的“顶部”倒装芯片键合或晶片键合的基于多量子阱(MQW)的单个InP增益芯片。因此，III-V族激光器的阵列形成有沿这些光波导105A、105B、...、105N中的每个光波导界定的增益介质-半导体材料界面。根据本发明的教导，因为如图所示横跨这些光波导键合的单个增益介质材料条123的键合不存在任何对准问题，所以提供和制造激光器阵列的成本是附接和对准各个分立的激光器(如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等)的成本的一小部分。
在一个实例中，多个功率监视器111A、111B、...、111N分别光耦合到光波导105A、105B、...、105N。根据本发明的教导，在一个实例中，这些功率监视器111A、111B、...、111N可包括设置在单个半导体材料层103中的集成氦离子掺杂半导体波导光检测器或合适的离子注入半导体波导光检测器、集成SiGe光检测器等中的一个或多个，以用于监视从相应激光器输出的这些光束119A、119B、...、119N。
多个光调制器113A、113B、...、113N设置在单个半导体材料层103中。在这些光调制器113A、113B、...113N是如图所示的Si调制器的一个实例中，其中的每个调制器包括具有两个臂的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。在一个实例中，Si调制器可以按10-40Gbs及以上的速度操作。光调制器113A、113B、...、113N中的每个MZI的臂中的至少一个臂包括相应的光移相器115A、115B、...、115N，以用于调制每个相应MZI的每个臂之间的相移，从而调制光束。因此，这些光调制器113A、113B、...、113N中的每个光调制器光耦合到上述多个光波导中的相应的光波导，以便调制从相应的光波导105A、105B、...、105N内界定的光腔发出的相应光束119A、119B、...、119N。
在其它实例中，将明白，根据本发明的教导，可以利用其它合适的技术来实现上述多个光调制器113A、113B、...、113N。例如，根据本发明的教导，可通过利用与检测器和激光器相同或类似的晶片键合机制，通过利用光电应变硅，或通过直接调制激光器，或通过采用其它合适的光调制技术，来提供其它光调制器。
根据本发明的教导，在所示实例中，复用器117耦合到这些光调制器115A、115B、...、115N，以便将所调制的光束119A、119B、...、119N组合成单个光束121。根据本发明的教导，在一个实例中，复用器117是波长选择性阵列波导光栅(AWG)，多波长激光器阵列101利用它来从所调制的光束119A、119B和119N选择所需的波长λ1、λ2、...λN，并将所调制的光束119A、119B和119N的选定波长组合成光束121。根据本发明的教导，在一个实例中，复用器117具有例如约1×1mm的相对较小的尺寸，它将装配到包括单个半导体材料层103的单个管芯上。
根据本发明的教导，在如图1所示的实例中，在单个半导体材料层103中还可包含或集成有控制电路161。例如，在一个实例中，单个半导体材料层103是硅，并且控制电路161可以直接集成在硅中。根据本发明的教导，在一个实例中，控制电路161可以经过电耦合以便控制和/或监视多波长激光器阵列101、上述多个功率监视器111A、111B、...、111N、上述多个光调制器113A、113B、...、113N、或设置在单个半导体材料层103中的其它设备或结构中的任意一个或多个。
图2是一般性地示出根据本发明的教导的示范激光器的横截面侧视图，该示范激光器可以是在图1中的集成半导体调制器多波长激光器阵列101中示出的多个激光器之一。如图2所示，激光器225集成在包含单个半导体层203的SOI晶片中，其中在单个半导体层203与衬底层231之间设置有隐埋氧化层229。在一个实例中，单个半导体层203和衬底层231由硅制成。如图所示，光波导205设置在单个半导体层203中。在一个实例中，光波导205是脊形波导，并且在反射器207与209之间界定有光腔227。如图2所示，根据本发明的教导，在一个实例中，反射器207和209是布拉格反射器。
与图1中的单个增益介质材料条123类似，如图2所示，单个增益介质材料条223横跨(across)光波导205的“顶部”、邻接(adjoining)光波导205键合到单个半导体材料层203的“顶部”。因此，沿着光波导205平行于沿光波导205的光束的传播方向存在增益介质-半导体材料界面233。在一个实例中，单个增益介质材料条223是III-V族增益介质，并且在光波导205与单个增益介质材料条223之间存在迅衰(evanescent)光耦合。取决于光波导205的波导尺寸，光模的一部分位于III-V族增益介质内，并且光模的一部分位于光波导205的脊形区域内。根据本发明的教导，在具有MQW作为增益介质并且具有基于硅波导的反射器作为镜子的实例中，利用光腔227获得激光发射。在图2中，用通过III-V族增益介质223而在光腔227内在反射器207与209之间来回反射的光束219示出激光发射。根据本发明的教导，在所示实例中，反射器209具部分反射性，以便在图2的右侧输出光束219。根据本发明，在一个实例中，激光器225是宽带激光器，并且反射器207和209因此不需要是光腔227的窄带反射器或布拉格光栅，由此在很大程度上减少了制造复杂度。
图3是一般性地示出根据本发明的教导的激光器325的一个实例的横截面图，该激光器325可用作集成半导体调制器多波长激光器中的在上文中结合图1或图2说明和描述的多个激光器之一。如图所示，其中包括SOI晶片，它具有设置在单个半导体材料层303与半导体衬底331之间的隐埋氧化层329。在所示实例中，硅脊形波导305设置在单个半导体材料层303中。
继续如图3所示的实例，单个增益介质材料条323键合在光波导305的顶部之上。如图3中的实例所示，示出位于光波导305的脊形区域内的光模319的部分，并且光模319的部分位于单个增益介质材料条323内部，这取决于光波导305的尺寸，其中在单个增益介质材料条323与光波导305之间具有迅衰耦合。如图3所示，单个增益介质材料条323的一个实例包括p型掺杂III-V族半导体材料，如InP或其它合适的III-V族材料。在一个实例中，单个增益介质材料条323还包括多量子阱(MQW)材料。根据本发明的教导，在一个实例中，单个增益介质材料条323键合到并邻接光波导305的脊形区域。如图所示，接触器341也耦合到单个增益介质材料条323。
在如图3所示的实例中，示出导电键合设计，其中根据本发明的教导，通过光波导305的硅执行电流注入，以便操作和电泵击(pump)激光器325。因此，硅脊形波导305包括n型掺杂。在所示实例中，接触器343和345耦合到光波导305的平板区域的外部。因此，根据本发明的教导，通过接触器341、单个增益介质材料条323、n型掺杂光波导305将电流注入到接触器343和345，以便操作激光器325。
图4是一般性地示出根据本发明的教导的光相位调制器401的一个实例的横截面图，其中光相位调制器401包括光波导427和单侧共平面接触器413，并且在光调制器中采用的pn结界面447处具有耗尽区域433。根据本发明的教导，在一个实例中，可使用光相位调制器401以取代图1中的光调制器113A、113B、...、113N的光相位调制器115A、115B、...、115N中的一个或多个光相位调制器。
根据本发明的教导，在如图4所示的实例中，示出在通过射频(RF)源445施加的行波信号455中存在基本为零的外部驱动电压时的pn结界面447处的耗尽区域433。对于一个实例，在耗尽区域433中基本无任何自由电荷载流子，而在耗尽区域433的外部，由于n型和p型掺杂，存在自由电荷载流子。如所示实例中所示，光相位调制器401包括光波导427，该光波导427包括具有相反掺杂类型的邻接的半导体材料区域403和405。在所示实例中，将光波导427示为是包括脊形区域429和平板区域431的脊形波导。由所示实例可见，在光波导427的脊形区域429的“上角”以及平板区域431的“侧面”，通过光波导427的光束的传播光模421的强度微乎其微。在所示实例中，将光束示为是通过光波导427传播“进入页”。在其它实例中，将明白，可采用其它类型的合适的波导，如条波导等。在一个实例中，半导体材料包括硅(Si)。例如，区域403可包括n型硅，而区域405可包括p型硅，以使得耗尽区域433外部的n型硅中的自由电荷载流子是电子，而耗尽区域433外部的p型硅中的自由电荷载流子是空穴。在其它实例中，半导体材料可包括其它合适类型的半导体材料，如锗(Ge)、Si/Ge等。在一个实例中，一个实例中的区域403和405具有的掺杂浓度使得区域403与405之间的pn结界面447因内建电场而反向偏置。根据本发明的教导，在另一个实例中，区域403和405的掺杂极性可相反。
图4中的实例还表明，光相位调制器401包含在SOI晶片中，并且因此包括设置在另一个半导体层409与半导体材料区域405之间的隐埋氧化层407。如图所示，光相位调制器401还包括缓冲层绝缘材料423，该材料423还用作光波导427的覆盖材料。在所示实例中，光相位调制器401还包括设置在通过光波导427的光模421的光路外部的较高掺杂区域437、441和443。因为在通过光波导421的光模423的光路外部设置有较高掺杂区域437、441和443，所以光损耗得以减小。在所示实例中，较高掺杂区域437是n++掺杂，这是与区域403相同的掺杂类型，并且较高掺杂区域441是p++掺杂，这是与区域405相同的掺杂类型(p)。在所示实例中，较高掺杂区域437、441和443的掺杂浓度比沿光波导427的光模421的光路内的区域403和405的掺杂浓度高。
如图所示，较高掺杂区域441和443对称地邻接并耦合到区域405的相应的相反侧面。相比之下，根据本发明的教导，较高掺杂区域非对称地邻接并只耦合到区域403的两个相反侧面中的一个侧面。光相位调制器还包括通过缓冲层绝缘材料423、分别通过通路449、451和453分别耦合到较高掺杂区域437、441和443的共平面接触器(contact)413、417和419。如图所示，共平面接触器413、417和419也位于通过光波导427的光模421的光路外部。对于一个实例，共平面接触器413、417和419包括具有高电导率和低电阻的金属。根据本发明的教导，在所示实例中，共平面接触器413、417和419与为高频行波信号传输而设计的金属电极组合并连接。
如所示实例中所示，共平面接触器413的一端经过耦合以便从RF源445接收行波信号455。共平面接触器413的另一端端接到耦合到诸如地的参考电压的负载阻抗或终端负载457。另外，共平面接触器417和419耦合到诸如地的参考电压。因此，根据本发明的教导，通过行波信号455、通过较高掺杂区域437、441和443施加外部驱动电压，来调整区域403与405之间的pn结界面447的偏压。根据本发明的教导，较高掺杂浓度的较高掺杂区域437、441和443有助于改善共平面接触器413、417和419与半导体材料区域403和405间的电耦合。根据本发明的教导，这种经过改善的电耦合减小了金属接触器413、417和419与半导体材料区域403和405之间的接触电阻，由此减小了行波信号455的RF衰减，从而改善了光相位调制器401的电性能。根据本发明的教导，减小的RF衰减和良好的光电波速度匹配实现了光相位调制器401的更快速的切换时间和设备速度。
根据本发明的教导，在所示实例中，通过RF源445对共平面接触器413的一端施加行波信号455，以便调整光波导427的区域403与405之间的pn结界面447处的耗尽区域433的大小或厚度。如图所示，耗尽区域433与通过光波导427传播的光束的光模421重叠。在如图4所示的示范设备中，光波和RF微波沿波导共同传播。当RF相位速度与光学群速度匹配时，响应所施加的电场，光束经历相移。因此，根据本发明的教导，设备速度不受RC时间常数的限制。
对于一个实例，耦合到共平面接触器413、417和419的较高掺杂区域437、441和443的相应宽度、高度和相对位置设计成用于获得速度匹配。例如，RF相位速度一般由设备电感和电容确定。通过改变金属接触器几何形状和半导体以及电介质层厚，可以改变电感和电容值，又可使RF相位速度与光学群速度匹配。这称为“真实”相位速度匹配。在另一个实例中，相位速度可通过例如利用反相电极设计来“假”匹配。另外，掺杂分布和金属电极可设计成用于获得小RF衰减。例如，根据本发明的教导，需要小于6dB来实现利用行波驱动方案的好处。
对于一个实例，当没有外部驱动电压时或当来自行波信号455的外部驱动电压基本为零时，光波导427的区域403与405之间的pn结界面447处的耗尽区域433是由区域403和405的掺杂浓度引起的内建电场的结果。但是，根据本发明的教导，当经由行波信号455施加非零外部驱动电压时，光波导427的区域403与405之间的pn结界面447处的反偏压会增加，由此导致对应的耗尽区域433变得大得多或厚得多。由于耗尽区域433变大或变厚，所以沿通过光波导427的光路传播的光束421的模式有更大的横截面积与基本不含自由电荷载流子的耗尽区域重叠并且传播通过该耗尽区域。
根据本发明的教导，通过如图所示响应驱动信号445而调制光波导427的区域403与405之间的pn结界面447处的耗尽区域433，得以响应经由行波信号455施加的外部驱动电压，通过调制耗尽区域433的大小而调制沿着引导光束421通过的光波导427的光路的自由电荷载流子的总浓度。因此，根据本发明的教导，响应行波信号455，因此调制沿通过光波导427的光路传播的光束421的相位。
在操作中，沿通过耗尽区域433的光路引导光束通过光波导427。通过共平面接触器413对光波导427施加行波信号455，以便调制或调整耗尽区域433的厚度，从而调制沿通过光波导427的光路的自由电荷载流子的存在或缺失。换种说法，响应通过共平面接触器413对光波导427施加的行波信号455，调制沿光波导427的光路的总的自由电荷载流子浓度。沿着引导光束通过光波导427的光路存在或缺失的自由电荷载流子可包括例如电子、空穴或其组合。自由电荷载流子的存在可在光束通过时衰减光束。具体来说，沿光波导427的光路的自由电荷载流子可通过将一些光束能量变换为自由电荷载流子能量而衰减光束。因此，根据本发明的教导，响应行波信号455而在耗尽区域433中存在或缺失自由电荷载流子将调制光束。
在所示实例中，由于等离子体弥散效应而调制通过自由电荷载流子的光束的相位或光波导427中的自由电荷载流子的缺失。等离子体弥散效应是由于光电场向量与沿光波导427中的光束的光路存在的自由电荷载流子之间的交互作用引起的。光束的电场使自由电荷载流子偏极化，并且这会有效地扰乱介质的局部介电常数。而这又会导致扰乱光波的传播速度，并且因此扰乱光的折射率，因为折射率就是真空中的光速与介质中的光速之比。因此，响应自由电荷载流子的调制而调制光学设备401的光波导427的折射率。光学设备401的光波导427的经过调制的折射率对应地调制通过光相位调制器401的光波导427传播的光束的相位。另外，自由电荷载流子受到电场的加速，并且当光能量用尽，导致对光场的吸收。一般来说，折射率扰乱是复数，其实部是造成速度改变的那部分，而其虚部与自由电荷载流子吸收相关。相移量φ由下式给定：
φ＝(2π/λ)ΔnL         (式1)
其中λ是光波长，Δn是折射率变化，且L是交互长度。在硅中存在等离子体弥散效应的情况下，由于电子(ΔNe)和空穴(ΔNh)浓度变化引起的折射率变化Δn由下式给定：
Δn = - e 2 λ 2 8 π 2 c 2 ϵ 0 n 0 ( b e ( ΔN e ) 1.05 m e * + b h ( ΔN h ) 0 . 8 m h * )       (式2)
其中n0是本征硅的折射率，e是电子电荷，c是光的速度，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，be和bh是拟合参数。由于硅中的自由电荷载流子引起的光吸收系数变化Δα由下式给定：
Δα = e 3 λ 2 4 π 2 c 3 ϵ 0 n 0 [ Δ N e m e * 2 μ e + ΔN h m h * 2 μ h ]              (式3)
其中μe是电子迁移率，且μh是空穴迁移率。
在一个实例中，光波导427的大小相对较小，其尺寸如0.5μm×0.5μm，以便实现更佳的光相位调制效率。如上所述，因为区域403的两个侧面中只有一个侧面耦合到较高掺杂区域，所以较高掺杂区域437不对称地邻接并耦合到区域403。相比之下，区域405的两个侧面都邻接并耦合到较高掺杂区域441和443。因此，根据本发明的教导，区域403的单侧接触具有比对称的双侧接触低得多的电容，并且还有助于实现电信号与光信号之间的所需相位匹配、更小的RF衰减、以及更大(在一个实例中，较接近25或50欧姆)的特性阻抗，从而实现更好的驱动器-传输线功率耦合。
根据本发明的教导采用的行波驱动方案有助于克服光学设备101的RC时间常数电容限制，以便实现40GHz及以上的更快速的调制速度，同时反向偏置的pn结调制器的上升/降落时间约为5ps或更小。由于光相位调制器采用了行波驱动方案，光信号和微波信号沿波导427共同传播。如果光学群速度与RF相位速度匹配，则RF衰减将确定光相位调制器401的真实速度而不是光学设备401的RC时间常数。因为诸如共平面接触器413的行波电极的RF特性密切地取决于pn结和金属图案，所以根据本发明的教导而采用细致的设备设计。另外，根据本发明的教导，在一个实例中，对行波电极(即，共平面接触器413)的阻抗进行优化以便与RF源445的RF驱动器阻抗匹配，从而实现更佳的微波功率耦合。
如所描绘的实例所示，共平面接触器413用作光相位调制器的行波电极，其传输线阻抗为Z0。RF源445的负载阻抗为Z1，而终端负载457的负载阻抗为Z2。根据本发明的教导，在一个实例中，负载阻抗Z1约为25-50欧姆。因为反向偏置的pn结界面447，所以共平面接触器413是组合式共平面波导和微带。如图所示，共平面接触器413设置在pn结界面447和光波导427之上、在共平面接触器417与419之间，其中通路449耦合到n++较高掺杂区域437以便将行波信号455递送给光波导427。共平面接触器417和419起到双面金属板的作用以便接地。在一个实例中，共平面接触器413约为6μm宽。共平面接触器413与侧面的共平面接触器417和419之间的间隙约为3μm。共平面接触器413、417和419的厚度约为1.5μm。穿过绝缘材料123的通路449、451和453的高度约为3μm。
图5是包括集成半导体调制器多波长激光器的示范光学系统551的图。将明白，图5中示出的集成半导体调制器多波长激光器阵列的这个实例与之前在图1中示出的集成半导体调制器多波长激光器类似。例如，如图5所示的单个半导体层103是包括多个光波导105A、105B、...、105N的光学芯片，单个增益介质材料条123键合到这些光波导105A、105B、...、105N之上，以便创建分别在多个光波导105A、105B、...、105N中生成多个光束119A、119B、...、119N的宽带激光器的阵列。根据本发明的教导，这些光束119A、119B、...、119N经过调制，然后通过复用器117对这些光束119A、119B、...、119N的选定波长进行组合以便输出单个光束121，可通过单个光纤553将该单个光束121传送给外部光学接收器557。根据本发明的教导，在一个实例中，集成半导体调制器多波长激光器能够以大于1Tb/s的速度通过单个光纤553以单个光束121中包含的这些波长传送数据。例如，在集成半导体调制器多波长激光器中包含的光调制器113A、113B、...、113N以40Gb/s工作的实例中，集成半导体调制器多波长激光器的总容量将是N×40Gb/s，其中N是基于波导的激光器源的总数。在一个实例中，这些光波导105A、105B、...、105N在单个半导体材料层103中间隔约50-100μm。因此，根据本发明的教导，在一个实例中，可从具有小于4mm的半导体材料块103的集成半导体调制器多波长激光器传送整个总线的光学数据。
图5还表明，根据本发明的教导，在光学系统551的实例中，单个半导体层103还可经过耦合以便通过单个光纤555从外部光学发射器559接收光束521。因此，根据本发明的教导，在一个所示实例中，单个半导体层103是在较小形状因子内的超高容量发射器-接收器。在所示实例中，注意，图中将外部光学接收器557和外部光学发射器559示为是存在于相同芯片561上。在另一个实例中，将明白，外部光学接收器557和外部光学发射器559可存在于独立芯片上。在所示实例中，解复用器517接收所接收的光束521，将所接收的光束521分成多个光束519A、519B、...519N。在一个实例中，解复用器517根据这些光束519A、519B、...519N的相应波长分割这些光束519A、519B、...519N，然后引导它们通过设置在单个半导体材料层中的多个光波导505A、505B、...、505N。
如所示实例所示，一个或多个光学检测器光耦合到这些光波导505A、505B、...、505N中的每个光波导以便检测相应多个光束519A、519B、...519N。具体来说，在一个实例中，光检测器阵列563A、563B、...、563N光耦合到这些光波导505A、505B、...、505N。在一个实例中，光检测器阵列563A、563B、...、563N包括SiGe光检测器等，以用于检测这些光束519A、519B、...519N。
如所描绘的实例所示，另一个单个半导体材料条523可横跨这些光波导505A、505B、...、505N键合到单个半导体材料层103，以便形成光耦合到这些光波导505A、505B、...、505N的光检测器阵列。在一个实例中，单个半导体材料条523包括III-V族半导体材料，以用于创建光耦合到这些光波导505A、505B、...、505N的III-V族光检测器。根据本发明的教导，在一个实例中，可利用与用于在这些波导105A、105B、...、10N上键合单个半导体材料条123的技术和技巧类似的技术和技巧来将单个半导体材料条523键合到单个半导体材料层103。根据本发明的教导，在如图所示基于SiGe和III-V族的光检测器光耦合到这些光波导505A、505B、...、505N的情况下，可检测这些光束519A、519B、...、519N的各种波长。
根据本发明的教导，在如图5所示的实例中，单个半导体材料层103中还可包含或集成有控制电路561。例如，在一个实例中，单个半导体材料层103是硅，而控制电路561可直接集成在硅中。根据本发明的教导，在一个实例中，控制电路561可经过电耦合以便控制和/或监视多波长激光器阵列、这些功率监视器、这些光调制器、光检测器阵列、或设置在单个半导体材料层103中的其它设备或结构中的任意一个或多个。
在以上详细描述中，参照其具体示范性实施例描述了本发明的方法和装置。但是，很明显，在不背离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对此做出各种修改和改变。因此，应将本说明书和附图视为是说明性而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
设置在单个半导体材料层中的多个光波导，其中所述多个光波导中的每个光波导包括沿所述光波导界定的光腔；
单个增益介质材料条，其横跨所述多个光波导邻接所述单个半导体材料层，从而沿所述多个光波导中的每个光波导界定增益介质-半导体材料界面；以及
设置在所述单个半导体材料层中的多个光调制器，所述多个光调制器中的每个光调制器光耦合到所述多个光波导中的相应一个光波导以便调制从所述光腔发出的相应光束。
2.如权利要求1所述的装置，还包括设置在所述单个半导体材料层中的复用器，所述复用器光耦合到所述多个光调制器以便组合从所述多个光调制器中的每个相应的光调制器接收的光束。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述复用器包括波长选择性阵列波导光栅(AWG)，使得从所述多个光调制器中的每个相应的光调制器接收的光束是宽带激光器输出，并且所述波长选择性AWG的输出包括从所调制的多个光束中选出的波长。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述单个半导体材料层包括绝缘体上硅晶片的硅层，并且所述单个增益介质材料条包括键合到所述单个半导体材料层并且迅衰耦合到所述多个光波导中的每个光波导的单个III-V族半导体材料条多量子阱增益芯片。
5.如权利要求1所述的装置，还包括：
设置在所述单个半导体材料层中的解复用器；
设置在所述单个半导体材料层中并且光耦合到所述解复用器的多个第二光波导；以及
光耦合到所述多个第二光波导以便接收由所述多个第二光波导接收的光束的多个第一光学检测器。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述单个半导体材料层包括硅，并且所述多个第一光学检测器包括横跨所述多个第二光波导邻接所述单个半导体材料层从而沿所述多个第二光波导中的每个光波导界定III-V族半导体-硅界面的第二单个III-V族半导体材料条。
7.如权利要求1所述的装置，其中在所述光波导中在设置在所述单个半导体材料层中的反射器之间界定所述光腔。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述光腔包括光耦合到所述单个半导体材料层中的所述光波导的环形谐振腔。
9.如权利要求1所述的装置，还包括设置在所述单个半导体材料层中且耦合到所述多个光调制器的控制电路。
10.一种方法，包括：
在沿设置在单个半导体材料层中的第一光波导界定的第一光腔中发射第一光束；
在沿设置在所述单个半导体材料层中的第二光波导界定的第二光腔中发射第二光束，其中所述第一和第二光波导包含在设置在所述单个半导体材料层中的多个光波导中，其中单个增益介质材料条横跨所述多个光波导邻接所述单个半导体材料层，从而沿所述多个光波导中的每个光波导界定增益介质-半导体材料界面；以及
利用设置在所述单个半导体材料层中且光耦合到所述第一和第二光波导的相应的第一和第二光调制器来调制所述第一和第二光束。
11.如权利要求10所述的方法，还包括利用设置在所述单个半导体材料层中的复用器来组合从所述第一和第二光调制器接收的所调制的第一和第二光束的选定波长。
12.如权利要求10所述的方法，其中发射所述第一和第二光束包括在所述单个半导体材料层或所述单个增益介质材料条的至少之一中注入电流。
13.如权利要求10所述的方法，还包括：
利用设置在所述单个半导体材料层中的解复用器接收光束；
将通过所述解复用器接收的光束分成多个接收光束，其中所述多个接收光束中的每个光束具有不同的波长；以及
利用设置在所述单个半导体材料层中的相应的一个或多个光学光检测器来检测具有不同波长的所述多个接收光束中的每个接收光束。
14.一种光学系统，包括：
包括光学激光器阵列的光学芯片，所述光学芯片包括：
设置在单个半导体材料层中的多个光波导，其中所述多个光波导中的每个光波导包括沿所述光波导界定的光腔；
单个增益介质材料条，其横跨所述多个光波导邻接所述单个半导体材料层，从而沿所述多个光波导中的每个光波导界定增益介质-半导体材料界面；以及
设置在所述单个半导体材料层中的多个光调制器，所述多个光调制器中的每个光调制器光耦合到所述多个光波导中的相应一个光波导以便调制从在所述相应光波导内界定的所述光腔发出的相应光束；
设置在所述单个半导体材料层中的复用器，所述复用器光耦合到所述多个光调制器以便组合从所述多个光调制器中的每个相应的光调制器接收的光束的选定波长；
经过光耦合以便从所述复用器接收所组合的光束的外部光学接收器；以及
光耦合在所述外部光学接收器与所述复用器的输出之间的光纤。
15.如权利要求14所述的光学系统，其中所述光学芯片还包括设置在所述单个半导体材料层中的多个功率监视器，所述多个功率监视器中的每个功率监视器光耦合到所述多个光波导中的相应一个光波导以便监视从所述光腔发出的相应的光束。
16.如权利要求14所述的光学系统，其中所述光学芯片中的所述单个半导体材料层包括绝缘体上硅晶片的硅层，并且所述单个增益介质材料条包括键合到所述单个半导体材料层并且迅衰耦合到所述多个光波导中的每个光波导的单个III-V族半导体材料条多量子阱增益芯片。
17.如权利要求14所述的光学系统，其中所述光学芯片还包括：
设置在所述单个半导体材料层中的解复用器，其经过光耦合以便从外部光学发射器接收光束并将所接收的光束分成多个接收光束，其中所述接收光束中的每个接收光束具有不同的波长；
设置在所述单个半导体材料层中并且光耦合到所述解复用器的多个第二光波导；以及
光耦合到所述多个第二光波导以便检测所述接收光束的多个第一光学检测器。
18.如权利要求17所述的光学系统，其中所述光学芯片中的所述单个半导体材料层包括硅，并且所述多个第一光学检测器包括横跨所述多个第二光波导邻接所述单个半导体材料层从而沿所述多个第二光波导中的每个光波导界定III-V族半导体-硅界面的第二单个III-V族半导体材料条。
19.如权利要求18所述的光学系统，其中所述光学芯片还包括光学设置在所述单个半导体材料层中的多个第二光学检测器，所述多个第二光学检测器光耦合到所述多个第二光波导以便接收所述接收光束。
20.如权利要求14所述的光学系统，还包括设置在所述单个半导体材料层中且耦合到激光器阵列或所述多个光调制器中的一个或多个的控制电路。
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