CN102498424A - 具有电子转向能力的垂直发光光子装置 - Google Patents

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扬·凯·陈
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Abstract

本发明提供一种光学光子装置，所述光学光子装置包括：其上具有导光层的平面半导体衬底、所述导光层中的主要激光光源，以及通过所述导光层的波导部分以光学方式耦合到所述主要激光光源的垂直耦合器。所述垂直耦合器经配置以接收来自所述主要激光光源的光束，且将所述光束重导向在与所述平面衬底的表面大体上垂直的方向上。

Description

具有电子转向能力的垂直发光光子装置
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2009年9月2日申请的标题为“具有电子转向能力的垂直发光光子装置(VERTICAL OPTICFALLY EMITTING PHOTIONIC DEVICES WITH ELECTRONICSTEERING CAPABILITY)”的第61/239,301号美国临时申请案的权益，所述临时申请案与本申请案共同转让且以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明一般来说是针对光子装置，且更具体地说，针对垂直发光光子装置及其使用和制造方法。
背景技术
本节介绍对促进更好地理解本发明可能会有帮助的方面。因此，要从这个角度来阅读本节的陈述。本节的陈述不应理解为对现有技术中或不是现有技术中的有关内容的承以。
光束转向器往往基于微机电系统(MEMS)、液晶(LC)系统、声光(AO)系统、电光(EO)系统或注入锁定激光系统(例如垂直腔面发射激光器(VCSEL))。然而，光束转向的这些方法中的每一者均可能有问题。举例来说，MEMS的速度对于很多视频应用来说可能太慢，且对于需要精确模拟转向的应用来说更加缓慢。MEMS也无法轻易创建多个束。LC系统的光束质量可较高，可产生多个束，且转向速度对于视频来说足够快。然而，LC系统对温度高度敏感，且可能不会服从与其它光学组件(例如激光器)的集成。虽然转向可能是快速的，且束质量可能是好的，但可能难以在两个维度中转向和/或利用AO系统创建多个束。虽然速度可能是快速的，但目前的EO束转向似乎限于一维(1D)转向。为利用光子集成电路(PIC)进行束转向而使用VCSEL的缺点是它们可能难以使用带有规定光学相位偏移的平面波导来进行注入锁定，且可能难以引入个别电子相控。
发明内容
一个实施例是光学光子装置。所述装置包括：其上具有导光层的平面半导体衬底、导光层中的主要激光光源，以及通过导光层的波导部分以光学方式耦合到主要激光光源的垂直耦合器。垂直耦合器经配置以接收来自主要激光光源的光束，且将光束重导向在与平面衬底的表面大体上垂直的方向上。
另一实施例是使用光子装置的方法。所述方法包括沿与平面光子装置衬底的表面垂直的方向发射光束。发射包含在位于平面衬底上的导光层中的主要激光器中产生光束。发射还包含将光束沿横向方向经由导光层的波导部分传输到垂直耦合器。发射还包含经由垂直耦合器将光束重导向在大体上垂直的方向上。
另一实施例是制造光子装置的方法。所述方法包括在平面半导体衬底上形成导光层。所述方法还包括将掺杂剂植入到导光层的若干部分中，以至少形成用于主要激光器的光栅结构。所述方法还包括在导光层上或导光层中形成垂直耦合器。所述方法还包括使导光层图案化以形成主要激光光源以及使主要激光光源和垂直耦合器以光学方式耦合的波导结构。
附图说明
根据以下详细描述，当与所附图式一起阅读时，本发明的实施例得到最好的理解。对应或类似的元件符号或字符指示对应或类似的结构。各种特征可能未按比例绘制，且为了论述的清楚性，可能会任意增加或减小尺寸。现在结合附图参考以下描述，附图中：
图1A和1B提供本发明的实例光学光子装置的横截面图；
图1C展示光学光子装置(例如图1B中所描绘的装置)的实例微透镜的横截面图和平面图；
图2提供本发明的实例光子装置(例如图1A到1B中所描绘的装置)的示意性布局的平面图；
图3提供本发明的实例光子装置(例如图1A到1B中所描绘的装置)的示意性布局的透视图；
图4到8提供本发明的实例光子装置(例如图1A到1B中所描绘的装置)的实例示意性布局的平面图；
图9提供使用本发明的光子装置(例如图1到8中所示)的实例方法的流程图；
图10提供制造本发明的光子装置(例如图1到8中所示)的实例方法的流程图；以及
图11A分别提供本发明的实例光子装置的示意性布局和概念图，所述实例光子装置包含带有1D光栅和集成调幅器的垂直耦合器。
具体实施方式
说明书和图式仅说明本发明的原理。因此将了解，所属领域的技术人员将能够设计各种布置，所述布置虽然不在本文中明确描述或展示，但体现本发明的原理且包含在本发明的范围内。此外，本文中引用的所有实例明显主要希望仅用于教导目的，以帮助读者理解本发明和发明人为推动此项技术而作出的构思，且不应解释为对所述具体引用实例和条件的限制。此外，本文中引用本发明的原理、方面和实施例以及本发明的特定实例的所有陈述均既定涵盖本发明的等效物。另外，术语“或”(如本文中所使用)指代非排它性，除非另有说明。而且，本文中描述的各种实施例并不一定相互排斥，因为一些实施例可与一个或一个以上其它实施例组合以形成新的实施例。
本发明的一个实施例是光学光子装置。图1A和1B提供本发明的实例光学光子装置100的横截面图。装置100包括其上具有导光层110的平面半导体衬底105。装置100还包括导光层中的主要激光光源115，以及垂直耦合器120。垂直耦合器120通过导光层110的波导部分以光学方式耦合到主要激光光源115。垂直耦合器120经配置以接收来自主要激光光源115的光束125，且将所述光束重导向在与平面衬底105的表面135大体上垂直(例如，90±10度)的方向130上。举例来说，来自主要激光光源115的光束125能够经由导光层110沿横向方向137行进，然后被重导向在垂直方向130上。垂直重导向的光有时在本文中被称为垂直发射的光。
主要激光光源115可为分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(distributedBragg reflector，DBR)激光器、半导体光学放大器(SOA)或任何其它频率可调相干光发射源。主要激光器有时在本文中被称为主激光器或主振荡器(MO)。
在一些实施例中，将平面半导体衬底105的至少一部分配置为用于导光层110的下包覆层，且装置100可进一步包含上包覆层140(图1A)。衬底105(或衬底的下包覆层)和上包覆层140的折射率大于导光层110的折射率。在一些情况下，上包覆层140的折射率大体上等于衬底105(或配置为下包覆层的衬底部分)的折射率。
如图1A中所说明，在一些实施例中，垂直耦合器120包含位于所述导光层110邻近或所述导光层110内的光栅145。光栅145经配置以将来自主要激光光源115的光束125重导向到大体上垂直的方向130。光栅145可在导光层110中。或者，光栅145可在邻近层(例如衬底105或上包覆层140)中，只要所述层近到足以影响光束125在导光层110内部的行进即可。光栅145的实施例可包含一维光栅或二维光栅。
如图1B中所说明，在一些实施例中，垂直耦合器120包含位于所述导光层110邻近或所述导光层110内的反射镜150。反射镜150经配置以将来自主要激光光源115的光束125重导向到大体上垂直的方向130。
如图1A和1B中所示，所述装置的一些实施例可进一步包含以光学方式耦合到垂直耦合器120的微透镜155。微透镜155经配置以使从垂直耦合器120沿大体上垂直的方向130发射的光束125准直。在一些实施例中，微透镜155可位于邻近导波层110的层(例如，图1A中的包覆层140或图1B中的衬底105)中。在其它实施例中，微透镜可位于导波层110中。
在一些实施例中，微透镜155可为衍射透镜，所述衍射透镜在衬底105的外表面135中(例如，图1B)，或在上包覆层140中(例如，图1A)，或在导波层110中(未图示)，包含一系列同心脊160。在一些情况下，脊160为圆形同心脊。在其它情况下(例如图1C的细节横截面图和平面图中所示)，透镜155的脊160可为非对称同心脊(例如，椭圆形或其它非圆形图案)以接收从垂直耦合器120以除90度以外的角度(例如，大约80到89度或大约91到110度)发射到衬底的平面的光束125。
如图1A和1B中所示，在一些实施例中，为促进光束转向，装置100进一步包含位于主要激光光源115与垂直耦合器120之间的光径中的调相器165。调相器165在本文中有时被称为移相器或用希腊符号斐(Φ)表示。
在一些实施例中，调相器165为线性调相器，例如电光调制器(如普克尔(Pockel)调制器)。在其它实施例中，调相器165为载体注入调相器。在低注入电流下，载体注入调相器可将光束的相位调制为注入电流的线性函数，而在较高注入电流下，调相可变成注入电流的非线性函数。在一些情况下，与电光调相器相比，使用载体注入调相器的优势为可使用相对较短的短波导长度和较小的注入电流来引起充分大的相移以进行束转向。这又促进紧凑装置的设计。在一些情况下，与电光调相器相比，使用载体注入调相器的缺点是在大注入电流下，自由载体可能会吸收光125。虽然电光调相器163不容易吸收光125，但它们可能要求使用较长的波导长度或较强的施加电流来实现类似程度的调相。
如图1A和1B中所示，在一些实施例中，为促进光束转向，装置100进一步包含位于主要激光光源115与垂直耦合器120之间的光径中的调幅器170。所述调幅器经配置以接收来自主要激光光源115(且在一些情况下，直接来自装置100的调相器165)的光束125。调幅器170的实施例包含一个或一个以上次要激光器，例如DFB、DBR或环形激光器或SOA。主要激光器115以及以光学方式耦合的次要激光器170在本文中有时被分别称为主激光器和从属激光器，这是因为主要激光器115可用以在主要激光器115的闲散频率下，注入锁定次要激光器170(或激光器)。
在一些实施例中，对于将为环形激光器的调幅器170或包含环形激光器的调幅器170来说将是有利的，这是因为环形激光器可能由于反射损耗而使光束125的功率损耗较低。相比之下，DFB或DBR调幅器170可朝向主要激光器115反射回大量的光125。除光功率的损耗外，反射的光还可能导致主激光器115发热，这又可能会破坏激光器的稳定。
在一些情况下(如图1A和1B中所示)，由于调幅器170是与主要激光光源115和垂直耦合器120分开的结构，因此调幅器170可能是离散的。举例来说，离散调幅器170可通过导光层110的一个或一个以上导波部分与其它有源装置结构分离。
然而，在其它情况下，调幅器170(例如，次要DFB激光器、DRB激光器或环形激光器)的实施例可与垂直耦合器120集成(未在图1A和1B中描绘)。举例来说，用于垂直耦合器120的光栅145的样式可经配置以既在大体上垂直的方向130上导向光束125，又对光束125进行调幅(例如)以促进束转向。为促进所述集成配置，光栅145的样式可包含以非对称方式布置或具有非对称形状的元件(例如孔、柱、脊、沟槽)。举例来说，光栅145可经配置以(例如)通过具有适合DFB、DRB或环形激光器的光栅来使光束125闲散。到光栅145的注入电流可调制光束125的振幅。举例来说，垂直耦合器120可包含(例如)在激光器的有源区中或有源区上具有光栅145的DFB激光器，且光栅145可经修改以向激光腔提供反馈，且提供从激光腔出来的垂直耦合。藉此，光栅145的设计支持光125在导光层110的平面内产生激光，且提供进入导光层110上方或下方的自由空间中的垂直输出耦合。这与DFB激光器中的光栅形成对比，所述光栅经构造以仅支持在激光腔中产生激光。
图2提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的示意性布局的平面图。图3提供类似装置100的部分的透视图。装置100可包含垂直耦合器120的阵列205。如图2到3中所示，垂直耦合器120中的每一者均通过导光层110的分支波导部分210(图1A到1B)以光学方式耦合到主要激光光源115。分支波导部分210可包含一个或一个以上无源功率分离器215(例如，波导光束分离器)以及无源波导220，使得分支结构210将主要激光器115以光学方式连接到垂直耦合器120。
如图2和3中所说明，装置100的实施例可包含多个微透镜155。微透镜155中的每一者可以光学方式耦合到垂直耦合器120中的个别耦合器。每一微透镜155使从垂直耦合器120沿大体上垂直的方向130发射的光束125准直。如图3中进一步说明，多个微透镜155可布置在与衬底105的平面135平行的共用平面305中。在一些情况下，为使已发射的光125的旁瓣最小化，微透镜155以六角对称的方式(图2到3的虚线)布置是可取的，但也可使用其它布置。
如图2中所说明，所述装置的一些实施例包含多个离散调相器165和调幅器170。调相器165中的每一者可位于主要激光光源115与垂直耦合器120中的至少一者之间的光径中。调幅器170中的每一者位于主要激光光源115与垂直耦合器120中的至少一者之间的光径中。
在一些实施例中(例如图3中所说明)，多个调幅器170可并入到垂直耦合器120中(例如，垂直耦合器可包含调幅器)。在所述实施例中，垂直耦合器120(图1A到1C)中的每一者的光栅145的样式可经配置以既将光束125导向到大体上垂直的方向上，又对光束125进行调幅。
在下文依据图4到8论述的装置100的各种实施例提供装置100的组件可如何经布置以提供更加紧凑的装置配置或降低功率要求的非限制性实例。为清楚起见，在一些情况下，仅描绘局部布局。
图4提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的示意性布局的平面图。如图4中所示，装置100包含布置在与上文依据图1A到3所述类似的光径中的多个调相器165和多个调幅器170。对于图4中所示的实施例来说，多个调相器165中的至少一者或多个调幅器170中的至少一者位于垂直耦合器120中的至少两者共用的光径中。举例来说(如图4中所示)，至少一个调幅器170a位于垂直耦合器120a和另一垂直耦合器120b共用的光径中。
图5提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的另一示意性布局的平面图。如图4中所示，装置100包含调相器165和调幅器170。然而，在此实施例中，调幅器170(例如，次要DBF或DFR激光器)与个别垂直耦合器120集成。在此实施例中，调相器165和调幅器170两者均可位于垂直耦合器120中的两者或两者以上(例如耦合器120a和120b)共用的光径中。
图6提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的另一示意性布局的平面图。如图4中所示，装置100包含调相器165和调幅器170。然而，在此实施例中，配置为环形激光器的离散调幅器170位于主要激光器115与垂直耦合器120之间的光径中。与图5中所示实施例类似，调相器165和调幅器170两者都可位于垂直耦合器120中的一者或一者以上共用的光径中。环形激光器170的导波部分(例如，导光层110的配置为环形激光器的部分，图1A)与无源波导部分220(例如，来自调相器165)足够近以使得光束125(图1A)耦合到环形激光器170中。在一些实施例中，环形激光器170大体上相互分离且去耦。就是说，环形激光器170中的每一者均相互充分分离，从而不会对它们最近的相邻环形激光器170产生实质性影响。
图7提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的另一示意性布局的平面图。与图6中所描绘的实施例类似，调相器165和调幅器170两者都可位于垂直耦合器120中的两者或两者以上共用的光径中。在此实施例中，调幅器170(例如，次要DBF或DFR激光器，或环形激光器)与个别垂直耦合器120集成。调幅器170中的两者或两者以上可以光学方式耦合。举例来说，主要激光器115可注入锁定第一调幅器170a，但第一调幅器170a内部的一些光可耦合回到去往第二调幅器170b以及共用光径中的其它调幅器170c、170d等等的光径中。通过此级联效应，主要激光器115可控制来自具有集成调幅器170的多个垂直耦合器120的垂直光发射。与具有离散以及以光学方式分离的调幅器的装置相比，此配置可降低对波导分支的需求且降低功率要求。
图8提供实例光子装置100(例如图1A到1B中所描绘的装置100)的另一示意性布局的平面图。与图7中所描绘的装置类似，调相器165和调幅器170可位于垂直耦合器120中的两者或两者以上共用的光径中。调幅器170与个别垂直耦合器120集成，且调幅器170可以光学方式耦合。举例来说，任一调幅器170均可在两个维度中直接耦合到其最近的相邻调幅器170，且间接以光学方式耦合到其它调幅器170中的任一者。在一些实施例中(其中放大器调制器全部耦合)，主要激光器115本身可为调幅器170中的一者。
如图8中所示，具有集成调幅器170的垂直耦合器120可通过调相器165相互分离。在一些情况下，为减少垂直耦合器120中的选定耦合器之间的光学泄露，可将一个或一个以上吸收器805定位于一个垂直耦合器120与另一邻近垂直耦合器120之间的光径中。举例来说，吸收器805可为或可包含导光层110的一部分(图1A)，所述部分经适当掺杂以吸收在由主要激光器115产生的光的频率下的光。在一些实施例中，吸收器805可为或可包含导光层115中的开口。
本发明的另一实施例是使用光子装置的方法。图9提供使用光子装置(例如图1到8中所示)的实例方法900的流程图。继续贯穿参看图1A到8，使用装置100的方法包括沿与装置100的平面衬底105的表面135垂直的方向130发射光束125的步骤910。步骤910中的发射所述光束125包含在位于平面衬底105上的导光层115中的主要激光器115中产生光束125的步骤915。步骤910中的发射所述光束125包含将光束125沿横向方向经由所述导光层110的导波部分210传输到垂直耦合器120的步骤920。步骤910中的发射所述光束125包含经由垂直耦合器120将光束135重导向在大体上垂直的方向130上的步骤925。
在一些实施例中，步骤910中的发射所述光束125进一步包含使重导向的(例如，垂直发射的)光束125准直的步骤930，所述步骤930包含使来自垂直耦合器120的光束125穿过微透镜155。在一些实施例中，步骤910中的发射所述光束125进一步包含使大体上垂直导向的光束125转向的步骤940。步骤940中的使光束转向可包含经由调相器165(步骤950)以及经由调幅器170(步骤955)中的一者或一者以上注入离散电流，所述调相器165和调幅器170两者都位于主要激光器115与垂直耦合器120之间的光径中。在一些情况下，在步骤950、955中注入到多个调相器165和调幅器170中的每一者的电流根据切比雪夫(Chebyshev)激发函数进行调整。使用所述激发函数的优势是使垂直发射的光的旁瓣等级最小化。所属领域的技术人员将理解如何经由调相器和调幅器来调整注入电流，以使得行进到垂直耦合器120的光的相位和功率与切比雪夫分布函数匹配。
本发明的另一实施例是制造光子装置的方法。图10提供制造光子装置(例如图1A到8中所示)的实例方法1000的流程图。继续贯穿参看图1A到8，所述制造方法包括在平面半导体衬底105上形成导光层115的步骤1010。所述制造方法还包括将掺杂剂植入到导光层的若干部分中以至少形成用于主要激光器115的光栅结构的步骤1015。所述制造方法还包括在导光层115上或导光层115中形成垂直耦合器120的步骤1020。所述制造方法还包括使导光层110图案化以至少形成主要激光器115光源以及使主要激光光源与垂直耦合器120以光学方式耦合的波导结构210的步骤1025。
在一些情况下，在步骤1010中为形成导光层115，可用掺杂剂对半导体衬底(例如，GaAs或InP化合物半导体衬底)的若干部分进行植入(例如，可用In和P来掺杂GaAs化合物半导体衬底；可用Ga和As来掺杂InP化合物半导体衬底)，接着使其退火以形成具有适当折射率的导光层115。所属领域的技术人员将熟悉可用以形成导光层115的其它程序，例如沉积、晶体生长或结合过程。
在一些情况下，步骤1015中的植入掺杂剂包含植入到导光层115的若干部分中以形成用于经配置以充当主要激光器115的DBF、DBR和环形激光器的激光腔的光栅。在一些情况下，步骤1015中的植入掺杂剂还包含导光层115的不同部分中的植入以形成用于垂直耦合器120的某些实施例的光栅145，作为步骤1020的一部分。或者，如有必要，可作为步骤1020的一部分执行单独的植入过程以形成垂直耦合器的光栅145。
根据图案化步骤1025，所属领域的技术人员将熟悉用以形成用于DBF、DBR和环形激光器的激光腔的平板印刷和蚀刻过程。在一些情况下，作为步骤1020的一部分，图案化步骤1025还可包含使垂直耦合器120的组件图案化。或者，如有必要，可作为步骤1020的一部分执行单独的图案化过程。举例来说，步骤1020中的形成垂直耦合器120可包含将掺杂剂植入导光层115的不同部分中以形成垂直耦合器120的光栅145的步骤1030。如上所述，在一些情况下，步骤1035可作为步骤1015的一部分执行。
步骤1020中的形成垂直耦合器120可包含形成反射镜150的步骤1035。步骤1030中的形成反射镜150可包含对导光层115(图1B)的表面180进行蚀刻以形成平面对角线表面182，所述平面对角线表面182相对于平面衬底105的表面135形成反射镜150的对角线角185。步骤1030中的形成反射镜可包含进一步将反射涂层沉积在平面对角线表面182上。
在一些情况下，平面对角线表面182相对于平面衬底105形成大约45度的角185。在其它情况下，表面180的化学蚀刻使导光层115的自然晶面暴露，且自然平面并不为45度。举例来说，在一些情况下，对角线角185可等于约53度。这又可能致使光束125沿并不与衬底表面135精确垂直但仍大体上垂直(例如，90±10度)的方向130从垂直耦合器120发射。在一些情况下(如本文中在其它地方进一步论述)，使用以光学方式耦合到垂直耦合器120的微透镜155来校正所述瑕疵是可取的(例如上文在图1C的上下文所论述)。
所述方法的一些实施例进一步包含形成微透镜155的步骤1040。步骤1040中的形成配置为衍射微透镜的微透镜155可包含使衬底105(图1B)的表面135或位于衬底105上的包覆层140(图1A)的表面135图案化以形成透镜的大体上同心的脊160。在一些优选实施例中，将微透镜155形成为大到足以大体上捕获从垂直耦合器120沿垂直方向130发射的光125。例如考虑包括光栅145元件的正方形50×50微米方形阵列的垂直耦合器。微透镜155将优选具有大于50微米且在50到100微米的范围内的直径。
所述方法的一些实施例进一步包含在导光层115中形成调相器结构165的步骤1050，以及在导光层115中形成调幅器结构170的步骤1055。在一些实施例中，举例来说，步骤1015中的植入掺杂剂进一步包含将掺杂剂植入对应于调相器和调幅器结构165、170的导光层115的不同部分中，作为步骤1050、1055的一部分。在一些实施例中，举例来说，步骤1015中的图案化进一步包含形成调相器和所述调幅器结构165、170的导光部分，作为步骤1050、1055的一部分。然而，在其它情况下，可作为步骤1050、1055的一部分执行离散植入和图案化过程。所属领域的技术人员将理解，形成调相器和调幅器结构165、170将包含额外步骤，例如将电极结构(未图示)沉积在这些结构165、170的导光部分上或邻近处，以及形成耦合到所述电极的导电线(未图示)。
所述方法的一些实施例进一步包含利用包覆层140覆盖经图案化的导光层115的步骤1060。在步骤1065中，与针对步骤1010所述类似的程序可用于利用包覆层140覆盖经图案化的导光层。在所述实施例中，经图案化的导光层115为埋层。举例来说，主要激光器115、无源分支结构的波导部分210、调相器或调幅器165、170以及垂直耦合器120是埋入的。与非埋入(例如，空气包层)导光层115相比，所述埋层的一个优势是离开导光层115的激光产生部分的热传递得到了促进。
在已描述本发明的某些方面的情况下，相信通过参考以下进一步实例实施例，额外特征将变得更加显而易见。将了解，这些实例仅出于说明目的而提供，且不应被解释为限制本发明。
本发明的一些实施例包含具有垂直发射激光器阵列以产生单个或多个自由空间光束的装置，所述光束具有最小的束宽度、最小等级的旁瓣以及最小的光栅瓣，所述光栅瓣的定向可通过对阵列中的个别发射器的相位和振幅的电子控制而快速重新调整。
在所述装置的一些实施例中，形成有快速且精确的转向特性的自由空间束是由集成垂直发射注入锁定DFB的六角平面阵列产生，每一DFB均包含一垂直光栅耦合器、移相器以及一衍射微透镜。由此产生的束的特征为具有规定主束宽度的最佳最小旁瓣等级。通过根据规定的切比雪夫分布函数控制个别发射元件的相位和幅度两者来实现束转向。所述六角形配置可提供最近的相邻发射元件之间的相同距离，与矩形阵列相比，这有助于减少伪发射光栅瓣。
所述装置中的一些装置包含用作阵列的发射元件的光子晶体注入锁定垂直耦合二维DFB垂直发射(VE)元件。VE发射元件的实施例可将二维有源激光产生腔、垂直耦合光栅以及集成衍射微透镜组合成单个结构。所述阵列的一些实施例可包含光子晶体表面发射二维VE DFB元件，所述元件用于通过级联注入锁定机制使效率得到增强且使辐射功率的频率同步。可通过将对应的孔径分布函数叠加于阵列化元件上来合成多个束。
所述装置的一些实施例包含阵列光子集成电路(PIC)，所述阵列光子集成电路(PIC)使用共用芯片上集成水平DFB主振荡器，从而以光学方式注入锁定所有的阵列元件，如图2中所说明。此程序有助于确保每一垂直发射阵列化光源以完全相同的频率且以由其集成移相器控制的可界定的固定相位关系振荡。含光栅的垂直耦合器和微透镜沿垂直方向投射光，其中大扫描角具有大散度。在一些情况下，可使用带有集成无源耦合器的线性一维DFB。在其它情况下，为了获得更好的束形状和墙插效率，含光栅的垂直耦合器可与光子晶体二维DFB表面发射激光产生元件集成。可使用所述领域的技术人员众所周知的无源-有源集成技术，将激光器、移相器以及无源互连电路(例如，波导)以单片方式集成在同一衬底(例如，InP或GaAs衬底)上。
在所述装置的一些实施例中，为实现阵列化注入锁定激光产生元件的最佳相干光束成形和转向，将辐射元件以最近的相邻元件之间具有相等间距的方式排列在六角形栅格中。与例如矩形布置等其它配置相比，此布置有助于使寄生的邻近较强光栅瓣最小化。定位于六角形阵列化辐射元件上方的适当宏光学透镜(macro-optical lens)有效地减少发射器阵列的间距，且抑制大多数有害的旁瓣等级(SLL)发射，以改进瞬时视场(IFOV)和总FOV。所述阵列还减少允许在固定的固体角孔径上进行扫描所需要的元件数量。
在一些情况下，主发射瓣的最小束宽度可从根据切比雪夫激发函数激发的六角形阵列化发射元件合成，以便实现最小的指定SLL。当通过将少量电流注入到集成移相器的短无源光学波导段中来获得相对相移时，通过调整注入到个别从属DFB中的电流来控制每一元件的发射振幅。
所述装置的一些实施例通过将垂直发射耦合器与DFB激光产生媒体集成来将高度有效的光子晶体垂直发射二维DFB激光产生元件用于发射阵列。所述注入锁定的有源二维光子晶体激光元件将产生与二维腔平面垂直的均匀发射，如图3中所说明。这一创新的二维垂直发射DFB(VE-DFB)依靠由折射率的二维周期性波纹(例如，包括垂直耦合器的导波层的折射率的二维调制)界定的平面(例如正方形)腔。
在所述装置的一些实施例中，二维波纹等于全波长，而不是一些线性DFB激光器中使用的规范的半波长周期。当经由分布式反馈(DFB)机制实现激光产生时，二维DFB不同于利用晶格缺陷的基于光子晶体的其它平面结构。这促进了在发射器上实现均匀的光学发射，且使针对给定总功率的强度最小化。激光器可在由波纹确定的光子带隙的任一侧上振荡，其中群速度为零。针对光栅周期的这一选择会使得光基本上垂直于腔平面而发射。预计激光产生在整个二维晶格上是均匀的，且对于足够大的腔来说，光可以窄发散角(例如，大约1度)垂直向外耦合。可划定波纹元件的独特非对称形状(例如，椭圆形)以控制发射的偏振。
一些二维DFB激光器可使用晶片接合以实现晶格中非常高指数的对比度，但所要产率较低且室温激光产生振荡不稳定。为缓解这些问题，所述装置的实施例使用表面积较大的埋入结构，以便增加填充因数。这也因较低指数对比度减少每一晶格元件的散射。其它表面发射激光器(例如VCSEL和圆形光栅激光器)上的二维VE-DFB的优势是所述激光器可制作得任意大，且仍仅以在整个二维晶格上均匀延伸的单一模式发射。而且，可利用面内行进的光学信号而不是垂直行进的光学信号(例如用于一些VCSEL的光学信号)来注入锁定VE-DFB，从而促进PIC的构造，以注入锁定所述装置的所有元件。
为促进阵列中的所有源以相干方式组合成最终输出束，可通过主光学振荡器(MO)(例如，主要激光光源)经由注入锁定来使所有VE-DFB同步。在一些实施例中，将来自MO的光(其波长接近于VE-DFB的零群速度点中的任一者)馈入到从属VE-DFB(例如，调幅器)中，从而迫使所述从属VE-DFB以与所述主VE-DFB相同的波长振荡。在所有的从属VE-DFB以规定相位偏移锁定后，整个阵列起单个相干光源的作用。
图4中所描绘的实施例包括单独的调相器和调幅器(例如，半导体光学放大器(SOA))。垂直耦合器的实施例包含经蚀刻反射镜、锥形无源导光层之上的二阶(2D)光栅或SOA之上的二阶(2D)光栅。所述实施例的一些优势可包含：1)使用单个激光源，因此不需要进行注入锁定；2)可使SOA维持接近于小面，从而使损耗最小化；3)可调整装置的功率消耗以适合严格的规范范围；4)使偏振问题最小化；5)蚀刻反射镜的使用提供较好的输出模式；6)可使用简单的微透镜光学器件；7)可组合调相器和调幅器；8)DBF主要激光源可为是可调的；9)装置可以单片方式集成；10)振幅控制较简单。所述实施例的一些挑战可包含：1)大规模制造(例如，200个离散元件)；2)微光学器件的共同集成；3)检验垂直耦合器的性能；4)开发用于移相器的控制回路；5)检验相干束成形和束质量。
图5中所描绘的实施例包括单独的调相器和调幅器(例如，DFB或DBR激光器)。垂直耦合器的实施例包含经蚀刻的反射镜，或锥形无源导光层之上的二阶(2D)光栅。所述实施例的一些优势可包含：1)放大器可保持接近于小平面从而使损耗最小化；2)装置的功率消耗可经调整以适合严格的规范范围；3)使偏振问题最小化；4)蚀刻反射镜的使用提供好的输出模式；5)装置的构造可包含晶片接合法。所述实施例的一些挑战可包含：1)检验注入锁定机构的稳定性；2)开发幅度控制；3)用以制造大量DFB或DBR调幅器的均质构造法；4)对本地或全球温度的敏感性。
图6中所描绘的实施例包括单独的调相器和调幅器(例如环形激光器)。垂直耦合器的实施例包含蚀刻反射镜，或锥形被动导光层之上的二阶(2D)光栅。所述实施例的一些优势可包含：1)放大器可维持接近于小面，从而使损耗最小化；2)可调整装置的功率消耗以适合严格的规范范围；3)排除小平面问题；4)使偏振问题最小化；5)蚀刻反射镜的使用提供较好的输出模式；6)可使用简单的微透镜光学器件；7)装置的构造可包含晶片接合法。所述实施例的一些挑战可包含：1)检验注入锁定机构的稳定性；2)开发振幅控制；3)用以制造大量DFB或DBR调幅器的同类构造法；4)对本地或全球温度变化的敏感性。
图7中所描绘的实施例包括与垂直耦合器集成的单独的调相器和调幅器。垂直耦合器的实施例包含带有垂直耦合和DBF两个能力的二阶(2D)光栅。所述实施例的一些优势可包含：1)放大器可维持接近于小面，从而使损耗最小化；2)装置的构造可包含晶片接合法；3)通过将调幅与垂直光耦合整合到垂直发射光子晶体DFB阵列中而获得的更加紧凑的设计。所述实施例的一些挑战可包含：1)降低功能装置的产率；2)维持注入锁定的稳定性；3)对调幅的复杂控制方案；4)对本地或全球温度变化的敏感性；5)垂直发射的束的质量降低；6)维持偏振控制的困难；垂直光耦合的效率的降低；7)低效的功率消耗。
图8中所描绘的实施例包括与垂直耦合器集成的单独的调相器和调幅器。垂直耦合器的实施例包含带有垂直耦合和DBF两个能力的二阶(2D)光栅。吸收器可并入垂直耦合器的阵列之间。所述实施例的一些优势可包含：1)放大器可维持接近于小面。从而使损耗最小化；2)装置的构造可包含晶片接合法；3)通过将调幅与垂直光耦合整合到垂直发射光子晶体DFB阵列中而获得的更加紧凑的设计；4)可不需要外部主要激光光源(例如，主要激光器可在垂直发射光子晶体DFB阵列的垂直耦合器和调相器的阵列内)。所述实施例的一些挑战可包含：1)降低功能装置的产率；2)保持注入锁定的稳定性；3)对调幅的复杂控制方案；4)对本地或全球温度变化的敏感性；5)垂直发射的束的质量降低；6)维持偏振控制的困难；垂直光耦合的效率的降低；7)低效的功率消耗。
图11A中所描绘的装置100的实施例包括与垂直耦合器120集成的单独的调相器165和调幅器170。垂直耦合器120的实施例包含带有垂直耦合和DBF两个能力的一阶(1D)光栅。波导锥形1110可促进调相器165与垂直耦合器120之间的耦合(例如，利用它们的集成调幅器170)。1D DFB激光器的一些实施例优选具有周期8，其中8等于由主要激光器105发射的光的波长。在一些实施例中，通过调整一个维度中的波长以及沿其它方向调整调相器来实现束转向。在一些情况下，由于从1D激光器出来的光非常像椭圆形，因此1D激光器可产生2D束，且对于用以将椭圆束组合成单个经准直球面束的微透镜(未图示)来说是富有挑战性的。如插图(图1B)中所示，所述实施例的一个挑战包含光在激光腔内部双向行进，且因此产生四个衍射束：沿一个方向进行的两个束(例如，指向插图右方的实线箭头)以及沿相对方向进行的两个束(例如，指向插图左方的阴影线箭头)。在一些实施例中，对称性可能因使用非对称光栅而部分受损，所述非对称光栅切断沿同一根线对准的对顺序。在一些实施例中，可通过将适当的反射镜(例如，单独的衍射光栅)定位在激光媒体下面来大体上消除剩余的伪顺序(插图中向下指的箭头)，使得光仅沿垂直耦合的束以相长方式再定向。
虽然已详细描述了所述实施例，但所属领域的技术人员应理解，所述实施例可在不脱离本发明的范围的情况下在本文中作各种改变、替换和变动。

Claims (10)

1.一种光学光子装置，其包括：
平面半导体衬底，其上具有导光层；
主要激光光源，其位于所述导光层中；以及
垂直耦合器，其通过所述导光层的波导部分以光学方式耦合到所述主要激光光源，其中所述垂直耦合器经配置以接收来自所述主要激光光源的光束，且将所述光束重导向在与所述平面衬底的表面大体上垂直的方向上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述垂直耦合器包含位于所述导光层邻近或所述导光层内的光栅，所述光栅经配置以将来自所述主要激光光源的所述光束重导向到所述大体上垂直的方向。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述垂直耦合器包含位于所述导光层邻近或所述导光层内的反射镜，所述反射镜经配置以将来自所述主要激光光源的所述光束重导向到所述大体上垂直的方向。
4.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含以光学方式耦合到所述垂直耦合器的微透镜，所述微透镜经配置以使从所述垂直耦合器沿所述大体上垂直的方向发射的所述光束准直。
5.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含所述垂直耦合器的阵列，所述垂直耦合器中的每一者均通过所述导光层的分支波导部分以光学方式耦合到所述主要激光光源。
6.根据权利要求5所述的装置，其进一步包含多个调相器，其中所述调相器中的每一者均位于所述主要激光光源与所述垂直耦合器中的至少一者之间的光径中。
7.根据权利要求6所述的装置，其进一步包含多个调幅器，其中所述调幅器中的每一者均位于所述主要激光光源与所述垂直耦合器中的至少一者之间的光径中。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述多个调幅器中的每一者均并入到所述垂直耦合器中，其中所述垂直耦合器中的每一者的光栅图案经配置以既在所述大体上垂直的方向上导向所述光束，又对所述光束进行调幅。
9.一种使用光子装置的方法，其包括：
沿与平面光子装置衬底的表面垂直的方向发射光束，其包含：
在位于所述平面衬底上的导光层中的主要激光器中产生光束；以及
将所述光束沿横向方向经由所述导光层的导波部分发射到垂直耦合器；以及经由所述垂直耦合器将所述光束重导向在所述大体上垂直的方向上。
10.一种制造光子装置的方法，其包括：
在平面半导体衬底上形成导光层；
将掺杂剂植入到所述导光层的若干部分中以至少形成用于主要激光器的光栅结构；
在所述导光层上或所述导光层中形成垂直耦合器；以及
使所述导光层图案化以形成所述主要激光光源以及使所述主要激光光源与所述垂直耦合器以光学方式耦合的波导结构。
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