CN104052549B - 制作及操作光学调制器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过以下方式制作光学调制器的方法：确定所述调制器的波导部分中的量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比预定波长大预定量的增益峰值波长下为透明的；及用所述所确定材料组合物制作所述调制器。

Description

制作及操作光学调制器的方法
相关申请案的交叉参考
本申请案为2013年3月14日提出申请的第13/831,334号美国专利申请案的部分接续申请案。
技术领域
本发明涉及一种使用在外部调制的固态激光器的用于模拟或数字射频(RF)信号的光学发射系统，且特定来说涉及一种耦合到此激光器的光学调制器。
背景技术
光学电信系统通过光学载波的方式将信息从一个地点发射到另一地点，所述光学载波的频率通常在电磁谱的可见区域或近红外区域中。具有此高频率的载波有时称为光学信号、光学载波、光束或光波信号。光学电信系统包含数个光纤，且每一光纤包含多个信道。信道为电磁信号的所规定频带，且有时称为波长。在同一光纤中使用多个信道(称作密集波长划分多路复用(DWDM))的目的为利用由光纤提供的高容量(即，带宽)。基本上，每一信道具有其自身波长，且所有波长足够分离以防止重叠。国际电信同盟(ITU)标准当前确定信道分离。
光学电信系统的一个链路通常具有发射器、光纤及接收器。光学发射器具有将电信号转换成光学信号并将其发射到光纤中的激光器。光纤将光学信号运送到接收器。接收器将光学信号转换回成电信号。
用于经由光纤发射模拟或数字射频(RF)信号的光学发射器可使用直接调制的激光器或耦合到外部调制器的连续波(CW)激光器。
借助电信号直接调制发光二极管(LED)或半导体激光器的模拟强度被视为在用于经由光纤发射模拟信号(例如声音及视频信号)的现有技术中已知的最简单方法当中。虽然此类模拟发射技术具有比数字发射(例如数字脉冲编码调制)或者模拟或脉冲频率调制实质上小的带宽要求的优点，但振幅调制的使用通常对发射器的噪声及失真特性具有更严格要求。此类链路中的限制因素可为由于光学频率调制或啁啾与光纤色散的组合导致的二阶失真。
出于这些原因，直接调制技术通常已连同1310nm激光一起使用，其中应用采用具有低色散的光纤链路的短发射链路。还可能使用1550nm激光的直接调制，但在此情形中，必须使用针对特定光纤长度设定的预失真器消除由啁啾及色散产生的失真。在某种情形中，例如当必须将信号发送到一个以上位置或穿过不同长度的冗余光纤链路时，此可编程预失真器可为不合意的。
为了借助直接调制避免与在1550nm下的啁啾及色散相关的失真问题，通常在模拟光纤通信系统(例如CATV信号分布)中使用低啁啾外部光学调制器来对具有信息或含内容的信号(例如音频、视频或数据信号)的光学载波进行振幅调制。
存在现有技术中已知的实施为半导体装置的两种一般类型的外部光学调制器：马赫-曾德尔(Mach Zehnder)调制器及电吸收调制器。马赫-曾德尔调制器在半导体装置上将光束分成两个臂或路径，其中的一个臂并入有相位调制器。所述光束接着重新组合，此导致两个波前的干涉，借此对随施加到经相位调制臂的经调制偏置信号而变的所得光束进行振幅调制。电吸收调制器实施为半导体装置中的波导，在所述半导体装置中，波导中的吸收光谱通过所施加电偏置场调制，所述所施加电偏置场改变半导体的所述区域中的带隙能量，借此调制横穿波导的光束的振幅或强度。
发明内容
本发明的目标
本发明的目标为提供一种使用在外部调制的激光器的经改进光学发射系统。
本发明的另一目标为提供一种供在使用经调制半导体可饱和吸收器的具有高功率及良好线性的在外部调制的1550nm光学发射系统中使用的电光调制器。
本发明的又一目标为提供一种使用具有预定偏置的在外部调制的激光器及具有较低电偏置的光学调制器的适合于长距离色散光纤媒体的高线性光学发射系统。
本发明的又一目标为提供一种具有适合于供在使用长距离色散光纤媒体的模拟光学发射系统中使用的在正电压、负电流特性区域中操作的波导区域的光学调制器。
本发明的目标还为提供一种用于偏置宽带模拟光学发射系统中的电光调制器中的半导体波导区域，使得载波经刺激成导电带且通过电场从半导体提取的方法。
本发明的目标还为提供一种用于通过以下方式制作光学调制器的方法：评估半导体材料的增益峰值波长；且用量子阱区域的材料组合物制作所述调制器，使得所述调制器具有低于所述半导体材料的所述增益峰值波长的操作波长的操作波长。
本发明的目标还为提供一种用于通过以下方式制作光学调制器的方法：确定量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比预定波长大预定量的增益峰值波长下为透明的。
本发明的目标还为提供一种用于通过在制作激光器的光栅之前使用电致发光测量来确定量子阱区域的材料组合物而制作光学调制器的方法。
本发明的目标还为提供一种用于制作集成式激光器与光学调制器的方法，所述光学调制器由所述激光器的光栅制作，使得与结构的调制器部分相关联的增益峰值波长比来自所述激光器的光束的波长小至少10nm。
一些实施方案或实施例可实现少于所有前述目标。
本发明的特征
简单地说且概括地，本发明提供一种操作包含半导体装置的光学调制器的方法，所述半导体装置具有：光学输入，其用于接收具有预定功率的连续波相干光束；波导，其用于传送所述光束；电极，其连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导中形成电场且在所述光束横穿所述波导时对所述光束进行光学调制；及光学输出，其连接到所述波导以传送经调制光学信号，所述方法包含：将连续波(cw)相干光束施加到所述光学输入；及将偏置电压施加到所述电极，使得通过信号对所述相干光束进行光学调制，所述信号调制所述半导体装置中的吸收特性，使得所述波导以小于增益峰值波长的波长在吸收区域中操作。
在一些实施例中，所述调制器从光伏效应产生电流，所述电流是从所述调制器抽取或提取的。
在一些实施例中，调制在所述光束的方向上沿着所述半导体调制器的长度的载波密度，借此对进入所述调制器的所述cw光束进行光学调制。
在一些实施例中，所述光学信号的随波长而变的所述增益峰值波长比所述cw光束的波长大至少10nm。
在一些实施例中，在I-V特性的负电流区域中操作所述半导体装置。
在一些实施例中，与所述调制器相关联的所述增益峰值波长比施加到所述调制器的光的波长大介于20nm与40nm之间。
在一些实施例中，在所述相干光束施加到所述光学输入的情况下所述偏置在0.6伏到1.0伏的范围内。
在一些实施例中，在所述相干光束施加到所述光学输入的情况下所述偏置在0.7伏到0.9伏的范围内。
在一些实施例中，在所述相干光束施加到所述光学输入的情况下不具有净电流提取注入的调制器结电压在0.7伏到0.9伏的范围内。
在一些实施例中，在所述相干光束施加到所述光学输入的情况下不具有净电流提取注入的所述调制器结电压为0.8伏。
在另一方面中，本发明提供一种制作包含半导体装置的光学调制器的方法，所述半导体装置具有：光学输入，其用于接收具有预定功率的连续波相干光束；波导层，其用于传送所述光束；电极，其连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导中形成电场且在所述光束横穿所述波导时对所述光束进行光学调制；及光学输出，其连接到所述波导以传送经调制光学信号，所述方法包含：确定待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的波长；针对所述波导层的各种预定组合物，确定光学信号的随波长而变的增益；及用特定组合物制作所述波导层，使得光学信号的随波长而变的增益峰值大于待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的预定波长。
在一些实施例中，所述波导层中的光学信号的所述增益峰值比待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所述波长大介于20nm与40nm之间。
在另一方面中，本发明提供一种制作包含半导体装置的用于光学通信的激光发射器的方法，所述半导体装置包含：(a)第一半导体区域，其用于响应于电流注入而产生相干光输出；及(b)第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有光学耦合到其以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入及连接到所述第二半导体区域以传送经调制光学信号的光学输出，所述方法包含：在所述第一半导体区域中形成激光谐振器以便以光学输出波长操作；在所述第二半导体区域中形成半导体波导结构以传送来自第一半导体区域光束的所述相干光输出；在所述半导体波导结构中形成光学调制器，所述光学调制器包含具有量子阱区域的有源层及电极，所述电极连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导结构中形成电场，使得在所述光束横穿所述波导时对所述相干光输出进行光学调制；确定所述量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比所述激光谐振器的输出波长大预定量的增益峰值波长下为透明的；及用所述所确定材料组合物制作所述调制器。
在一些实施例中，与所述调制器相关联的所述增益峰值波长比施加到所述调制器的光的输出波长大介于20nm与40nm之间。
在另一方面中，本发明提供一种对波导结构执行电致发光测量的方法。
在一些实施例中，在制作激光谐振器之前做出对所述波导结构的所述电致发光测量。
在一些实施例中，由所述激光谐振器中的光栅确定所述激光谐振器的光学输出波长且形成所述光栅，使得与所述激光谐振器相关联的增益峰值波长比调制器区域在其下为透明的增益峰值波长小介于20nm与40nm之间。
在另一方面中，本发明提供一种包括半导体装置的电光布置，所述半导体装置包含：(a)第一半导体区域，其包含可操作以响应于电流注入而产生相干光输出的激光谐振器；及(b)第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有与所述第一半导体区域相同的组合物且包含光学耦合到所述第一半导体区域以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入，第二半导体区域在比第一半导体区域低的第二偏置电位下电偏置且电耦合到含射频信息的信号源，使得在所述第二半导体区域中产生电流且从其提取电流，同时通过信号对相干光束进行光学调制。
在一些实施例中，第一偏置电位为正偏置，且在所述相干光输出施加到所述光学输入的情况下所述第二偏置在0.7伏到0.9伏的范围内。
在一些实施例中，所述半导体区域包括InP半导体波导结构。
在一些实施例中，所述第一半导体区域包括具有邻近于调制器安置的镜像第一端区域及第二端区域的InP半导体增益结构。
在一些实施例中，所述半导体装置包含安置于所述InP半导体增益结构上方的第一电极及安置于所述InP半导体波导结构上方的第二电极。
在一些实施例中，施加到所述第二电极的偏置为零。
在一些实施例中，施加到所述第二电极的所述偏置为从将会在所述调制器由源激光器泵激且从耦合到所述调制器的所述电极无电流注入或提取的情况下发生的电压的值加或减0.1伏。
在另一方面中，本发明提供一种制作包含半导体装置的光学调制器的方法，所述半导体装置具有：光学输入，其用于接收具有预定功率的连续波相干光束；波导，其在所述半导体装置中以传送所述光束；电极，其安置于所述半导体装置上且连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导中形成电场且在所述光束横穿所述波导时对所述光束进行光学调制；及光学输出，其在所述半导体装置中连接到所述波导以传送经调制光学信号，所述方法包括以下步骤：规定待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的波长；针对所述波导的各种预定组合物，确定所述波导中的光学信号的随波长而变的增益；及用特定组合物制作所述波导，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所述所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种制作包含半导体装置的光学调制器的方法，所述半导体装置具有：光学输入，其用于接收具有预定功率的连续波相干光束；波导，其在所述半导体装置中以传送所述光束；电极，其安置于所述半导体装置上且连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导中形成电场且在所述光束横穿所述波导时对所述光束进行光学调制；及光学输出，其在所述半导体装置中连接到所述波导以传送经调制光学信号，所述方法包括以下步骤：规定待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的波长；在开路电路条件下对所述调制器做出电致发光测量以确定所述波导中的光学信号的随波长而变的增益；用特定组合物制作所述波导，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所述所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种制作包含半导体装置的用于光学通信的激光发射器的方法，所述半导体装置包含：(a)第一半导体区域，其用于响应于电流注入而产生相干光输出；及(b)第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有光学耦合到其以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入及连接到所述第二半导体区域以传送经调制光学信号的光学输出，所述方法包括：提供所述发射器经设计以在其下操作的预定波长值；在所述第一半导体区域中形成激光谐振器；在所述第二半导体区域中形成半导体波导结构以传送来自第一半导体区域光束的所述相干光输出；在所述半导体波导结构中形成光学调制器，所述光学调制器包含具有量子阱区域的有源层及电极，所述电极连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导结构中形成电场，使得在所述光束横穿所述波导时对所述相干光输出进行光学调制；及在开路电路条件下对所述调制器做出电致发光测量以确定所述波导中的光学信号的随波长而变的增益；确定所述量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比预定波长大预定量的增益峰值波长下对所述相干光输出为光学透明的；及用所述所确定材料组合物制作所述调制器。
在一些实施例中，所述预定量的波长差大于10nm但小于50nm。
在另一方面中，本发明提供一种包括半导体装置的电光布置，所述半导体装置包含：(a)第一半导体区域，其包含可操作以在所规定波长下响应于电流注入而产生连续波相干光输出的激光谐振器；及(b)第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有与所述第一半导体区域相同的组合物且包含光学耦合到所述第一半导体区域以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入，第二半导体区域在比第一半导体区域低的第二偏置电位下电偏置且电耦合到含射频信息的信号源，使得在所述第二半导体区域中产生电流且从其提取电流，同时通过信号对在所述第二半导体区域中发射的相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种用于制作光学调制器的方法，其包括：含信息的射频信号输入；半导体装置，其具有光学用于接收相干光束的光学输入及连接到所述射频信号输入且具有经调制偏置电位的电极，使得在所述半导体装置中产生电流且从其提取电流，用特定组合物制作波导，使得通过信号对所述相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种光学调制器，所述光学调制器包括：含信息的射频信号输入；半导体装置，其具有光学用于接收相干光束的光学输入及连接到所述射频信号输入且具有经调制偏置电位的电极，使得在所述半导体装置中产生电流且从其提取电流，同时通过信号对所述相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种包括半导体装置的电光布置，所述半导体装置包含：第一半导体区域，其包含可操作以响应于电流注入而产生相干光输出的激光谐振器；及第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有光学耦合到其以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入，第二半导体区域在比第一半导体区域低的第二偏置电位下电偏置且电耦合到含射频信息的信号源，使得在所述第二半导体区域中产生电流且从其提取电流，同时对相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种用于光学通信的激光发射器，其包括：第一半导体装置，其包含可操作以在第一偏置电位下响应于电流注入而产生相干光输出的激光谐振器；第二半导体装置，其邻近于所述第一半导体装置安置且具有光学耦合到其以接收所述相干光输出的光学输入，所述第二半导体装置在比所述第一半导体装置低的第二偏置电位下电偏置且电耦合到含射频信息的信号源，使得在所述第二半导体装置中产生电流且从其提取电流，同时对相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种制作用于光学通信的激光发射器的方法，所述激光发射器包括：第一半导体装置，其包含可操作以在第一偏置电位下响应于电流注入而产生相干光输出的激光谐振器；第二半导体装置，其邻近于所述第一半导体装置安置且具有光学耦合到其以接收所述相干光输出的光学输入，所述第二半导体装置在比所述第一半导体装置低的第二偏置电位下电偏置且电耦合到含射频信息的信号源，使得在所述第二半导体装置中产生电流，同时对相干光束进行光学调制，使得光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大10nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种操作包含半导体装置的光学调制器的方法，所述半导体装置具有：光学输入，其用于接收具有预定功率的连续波相干光束；波导层，其用于传送所述光束；电极，其连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导中形成电场且在所述光束横穿所述波导时对所述光束进行光学调制；及光学输出，其连接到所述波导以传送经调制光学信号，所述方法包括：将连续波相干光束施加到所述光学输入；及将偏置电压施加到所述电极，使得对所述相干光束进行光学调制且所述光学信号的随波长而变的增益峰值比施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所规定波长大30nm以上。
在另一方面中，本发明提供一种通过以下方式制作光学调制器的方法：确定所述调制器的波导部分中的量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比预定波长大预定量的增益峰值波长下为透明的；及用所述所确定材料组合物制作所述调制器。
在一些实施例中，所述调制器的操作波长介于从1540nm到1550nm之间。
在一些实施例中，光学信号的随波长而变的增益峰值比待施加到所述调制器的连续波相干光束的所规定波长大20nm以上。
在一些实施例中，光学信号的随波长而变的所述增益峰值比待施加到所述调制器的所述连续波相干光束的所述所规定波长大30nm以上。
在一些实施例中，所述调制器的所述操作波长比所述增益峰值波长低至少30nm。
在一些实施例中，所述调制器的所述操作波长比所述增益峰值波长低30nm到40nm。
在一些实施例中，所述调制器的所述操作波长比所述增益峰值波长低40nm。
在一些实施例中，激光器与所述调制器集成于单个半导体衬底上。
在另一方面中，施加到所述激光器的偏置电位小于施加到所述调制器的偏置电位。
在一些实施例中，施加到所述调制器的外部电偏置电位为加或减0.1伏。
在一些实施例中，通过来自所述激光器的光束将所述调制器光学泵激到0.8伏的电平。
在另一方面中，在操作中所述调制器从光伏效应产生电流，所述电流是从所述调制器抽取的。
在另一方面中，调制在所述光束的方向上沿着所述半导体调制器的长度的载波密度，借此对进入所述调制器的所述cw光束进行光学调制。
在另一方面中，所述调制器包括InP半导体波导结构。
在另一方面中，所述激光器包括具有邻近于所述调制器安置的镜像第一端区域及第二端区域的InP半导体增益结构。
在另一方面中，所述激光器包含安置于所述InP半导体增益结构上方的第一电极。
在另一方面中，所述调制器包含安置于所述InP半导体波导结构上方的第二电极。
在另一方面中，所述激光器与所述调制器集成于单个半导体衬底上，且延伸大致一微米进入到所述衬底中的垂直间隙将所述激光器与所述调制器电分离。所述激光器与调制器通过共用光学波导光学连接。
所属领域的技术人员从本发明(包含以下详细说明)以及通过实践本发明将显而易见本发明的额外目标、优点及新颖特征。尽管下文参考优选实施例来描述本发明，但应理解，本发明并不限于此。已阅读本文中的教示的所属领域的技术人员将识别额外应用、修改及其它领域中的实施例，所述额外应用、修改及其它领域中的实施例在如本文中所揭示及所主张的本发明的范围内，且关于其，本发明可具有实用性。
附图说明
通过在连同所附图式一起考虑时参考以下详细说明，将更好地理解并更全面地了解本发明的这些及其它特征以及优点，其中：
图1是现有技术中已知的在外部调制的光学发射系统的实例；
图2是根据本发明的耦合到激光器的外部调制器的第一实施例；
图3是根据本发明的耦合到激光器的外部调制器的第二实施例；
图4是现有技术中及根据本发明的针对各种输入功率的电光调制器的电流对电压操作特性的图表；
图5是描绘根据本发明的在各种电流操作电平下的调制器输出功率对调制器输入功率的图表；
图6是描绘根据现有技术中已知的马赫-曾德尔或EA调制器的在各种操作电平下的调制器输出功率对调制器输入功率的图表；
图7是描绘针对调制器波导的给定组合物的模态增益对展示增益峰值波长的波长的图表；
图8是描绘针对调制器波导的设计的模态增益对展示增益峰值波长及潜在操作波长范围的波长的图表；
图9是描绘针对调制器波导的给定组合物的模态增益对展示增益峰值波长及选定操作波长的波长的图表；
图10是描绘来自在各种调制器电流值下对样品测试调制器的电致发光测量的模态增益对展示增益峰值波长的波长的图表；及
图11是描绘来自在各种调制器电流值下对样品测试调制器的电致发光测量的增益峰值波长对电流的图表。
所属领域的技术人员从本发明(包含以下详细说明)以及通过实践本发明将显而易见本发明的额外目标、优点及新颖特征。尽管下文参考优选实施例来描述本发明，但应理解，本发明并不限于此。已阅读本文中的教示的所属领域的技术人员将识别额外应用、修改及其它领域中的实施例，所述额外应用、修改及其它领域中的实施例在如本文中所揭示及所主张的本发明的范围内，且关于其，本发明可具有实用性。
具体实施方式
现在将描述包含示范性方面及其实施例的本发明的细节。参考图式及以下说明，相同元件符号用来识别相同或在功能上类似的元件，且打算以高度简化的示意性方式图解说明示范性实施例的主要特征。此外，图式不打算描绘实际实施例的每一特征及所描绘元件的相对尺寸，且并非按比例绘制。
遍及本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参考意指连同所述实施例一起描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，遍及本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必全部指代相同实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1是现有技术光学发射系统的框图，其中信息或“内容”(例如音频、视频、数据文件、数据库或其它数据)由光学发射器经由光纤链路发射到远程接收器，其中所述信息内容被复制、显示、执行、实施或以其它方式利用。光学发射器可(例如)表示于利用外部调制器的第5,699,179号美国专利中。发射器(通常展示于10处)经由光纤路径20将光学信号发射到远程接收器30。发射器10包含产生连续波(CW)输出的半导体激光器11。此类激光器的典型实例为分布式反馈(DFB)激光器或产生在1,550nm的波长下的输出光束的法布里-帕罗(Fabry-Perot)激光器。来自激光器的未调制的光学信号通过光纤12耦合到调制器13。调制器13可为单个调制器(例如马赫-曾德尔调制器)、级联MZ调制器或一个以上调制器(例如在前馈线性化器中)。
信息或含内容的信号14(例如音频、视频或数据)最初以适合信道或发射频带转换成宽带RF信号(例如振幅调制残余边带(AM-SDB)电缆电视(CATV)或视频信号)或者以数字格式表示数据的数字信号(例如正交振幅调制(QAM)符号)。宽带RF信号15经由在其表面上的端子或电极施加到调制器13。电偏置16也施加到调制器13。
在一些实施例中，载运视频数据的经调制光学信号可耦合到放大器17，所述放大器又耦合到光纤链路20。放大器17通常为掺杂铒的光纤放大器(EDFA)。经放大光学信号经由光纤发射链路20发射到接收器30。光纤发射链路20可为延伸高达100km的长距离链路。在此情形中，可沿着线路以间隔开的间隔提供线路放大器(例如EDFA 17)以便使信号升压到所要电平。在接收器30处，也可提供放大器(未展示)以使传入光学信号升压。经升压信号接着施加到光电检测器且在接收器30处解调制为RF电信号31，所述RF电信号施加到终端或显示器32，其中在远程位置处复制原始音频、视频或数据信号。
图2是根据本发明的包含耦合到激光器的外部调制器的光学发射器的第一实施例。描绘产生连续波(CW)输出的半导体激光器11。激光器11在表示为偏置(1)的电偏置下操作。来自激光器的未调制的光束通过光纤50或通过自由空间传播耦合到外部调制器51。调制器51配置为具有耦合到其且在表示为偏置(2)的电偏置下操作的电极的波导，偏置(2)小于偏置(1)。在一些实施例中，偏置(2)可为0.8伏，且偏置(1)可为1.2伏。在一些实施例中，偏置(2)可为从将会在调制器由源激光器泵激且从耦合到调制器的电极无电流注入或提取的情况下发生的电压的值加或减0.1伏。在一些实施例中，偏置(2)可在0.7伏到0.9伏的范围内。在一些实施例中，偏置(2)可在0.6伏到01.0伏的范围内。
含信息的RF信号53也施加到调制器51的电极，使得在调制期间，施加到调制器的电偏置保持小于偏置(1)。施加到调制器51的电偏置确定由调制器51吸收的来自激光器11的cw光束量。以此方式，进入调制器的cw光束由RF信号53修改或调制。光学输出经提供以将经调制光束传送到输出光纤55。
图3是根据本发明的耦合到激光器的外部调制器的第二实施例。图3的装置的设计及操作类似于图2的装置的设计及操作，只有激光器及调制器实施于单个整体半导体装置上除外。更特定来说，描绘包含以下各项的半导体装置100：第一半导体区域103，其包含可操作以响应于电流注入而产生相干光输出的激光谐振器；及第二半导体区域104，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道105而与其分离。第二半导体区域104具有光学耦合到其以接收从第一半导体区域103发出且横穿沟道105的相干光输出的光学输入。
第一半导体区域103由顶部表面上的电极107电偏置，所述电极连接到外部电偏置电位106以将电流注入到区域103中。第二半导体区域包含：波导层，其用于传送来自光学输入的光束；电极109，其连接到射频信号输入110及偏置电位108以在波导中形成电场且在光束横穿波导时对所述光束进行光学调制。第二半导体区域进一步包含连接到波导以将经调制光学信号传送到外部光纤或其它光学组件的光学输出112。施加到电极109的偏置电压被适当地选择，使得波导中的相干光束由所施加RF信号通过以下方式光学调制：修改或调制半导体装置中的吸收特性，同时从半导体装置提取由于连续波相干光束的光电吸收而在波导中产生的电流。所产生的RF及DC电流分别由RF源及DC偏置吸入。
在一些实施例中，激光器及调制器包括单芯片InP半导体装置。激光器可包括具有邻近于所述调制器安置的镜像第一端区域及第二端区域的InP半导体增益结构区域103。第一电极107安置于InP半导体增益结构103上方，且第二电极109安置于InP半导体波导结构104上方，且接地电极102提供为在整个半导体结构的底部表面上方延伸。
在其中激光器与调制器集成于单个半导体衬底上的实施例中，延伸约1微米进入到所述衬底中的垂直间隙将激光器与调制器或第一半导体区域103与第二半导体区域104电分离。
在其它实施例中，激光器及调制器实施于两个邻近离散半导体装置上，例如图2中所描绘。在一些实施例中，具有小于1微米的宽度的气隙可将激光器与调制器装置分离。
第一半导体区域103由顶部表面上的电极107电偏置，所述电极连接到外部电偏置电位106。第二半导体区域104在比第一半导体区域103低的第二偏置电位下电偏置。将参考图4更详细地描述第二半导体区域104的特定偏置及所述装置的操作电流对电压特性。
图4是现有技术中及根据本发明的针对cw光束的各种输入功率(即，10mW、20mW、30mW及40mW)的电光调制器的电流对电压操作特性的图表。在现有技术中，在电吸收调制器中，波导经偏置以在如标记为“现有技术EA操作范围”的虚线区域所展示的负电压、正电流区域中操作。在根据本发明的调制器中，波导经偏置以在如标记为“所提议操作范围”的虚线区域所展示的正电压、较高负电流区域中操作。
在不存在任何所施加偏置信号的情况下，少量的cw光束在调制器中吸收且此致使稳态载波密度在调制器中积累。这些载波与约一纳秒的典型使用寿命重新组合。当通过光学吸收产生的载波的数目与通过重新组合丢失的数目平衡时，达到均衡电平。在一实施例中，当载波电平低时，吸收为高的；且当载波密度高时，吸收为低的。当施加偏置信号时，从调制器提取载波。此降低载波密度，且因此增加调制器的吸收。特定来说，如果从调制器提取-10mA的电流，那么吸收增加产生所述-10mA的电流所需的量。类似地，如果从调制器提取-20mA的电流，那么吸收增加产生所述-20mA的电流所需的量。描述操作的另一方式为，半导体波导中的由cw光束产生的载波经刺激成导电带且通过所施加电偏置场从半导体区域提取。
图5展示根据本发明的调制器的输出功率对输入功率的图表，其中参数为从调制器提取的电流。由于所提议调制器具有低RF阻抗，因此可能以接近于电流源调制的方式对其进行调制(至少降低到输出功率接近于0的点)。如可从图5看出，此实际上调制装置的饱和功率。当在例如30mW的固定输入功率下操作时，净效益为对光学输出功率的调制。操作类似于其中从输入cw光束吸收对应于所提取电流的光量的光学功率减少装置。事实上，在吸收对应于所提取电流的光量之后，所述吸收机构饱和。
应将图5的调制器的操作与其中调制光学发射因数的传统调制器作比较。图6展示关于MZ或EA型调制器发生的情况。此图6中的参数为通过调制器的发射。针对30mW的固定输入功率，产生类似于所提议调制器的输出的经调制输出。然而，与所提议调制器的饱和型变化相比，借助固定偏置信号的输出光学功率与输入光学功率的变化实质上为线性的。此反映所提议调制器中所涉及的根本上不同的调制机制。
图7是描绘针对调制器波导的给定组合物的模态增益对展示增益峰值波长的波长的图表。应注意，针对穿过调制器的不同电流值，存在不同最大或峰值模态增益值。
图8是描绘针对调制器波导的设计的模态增益对展示增益峰值波长及潜在操作波长范围的波长的图表。
图9是描绘针对调制器波导的给定组合物的模态增益对展示增益峰值波长及选定操作波长的波长的图表。
在根据本发明的所提议装置中，调制器区段104中的材料主要由来自操作DC的源激光器103的光泵激。在测试环境中，可在其中既不注入DC电流也不从调制器提取DC电流的开路电路条件下评估调制器。在此开路电路条件下，调制器区段104中的材料经泵激以给出仅低于所述材料变得光学透明或者不具有净吸收或增益的电平的载波密度。在此条件下，调制器结处于对应于约0.8伏前向偏置(类似于太阳能电池的开路电路电压)的电压。
调制器不必须与开路电路偏置条件一起使用。可通过注入电流偏置调制器，在所述情形中，材料将朝向光学增益或提取电流移动，在所述情形中，与开路电路偏置条件相比，吸收增加。图7中所绘图的曲线中的电流值对描绘在不同电流值下的典型增益峰值波长来说仅打算为标称的或代表性的，这是因为所描绘数据来源于仅电泵激的原型测试结构，其不同于将在实际实践中使用且将主要光学泵激的所提议调制器。虽然在实验上无法直接测量针对光学泵激情形的光学增益曲线，但数据为建议性的且据信，类似于图7中针对电泵激的测试结构所绘图的曲线，针对光学泵激情形的对应曲线针对增加的电流向上及向左移动。
本发明不相对于调制器增益曲线规定信号波长，这是因为其可取决于其它产品设计规范及顾客应用环境。然而，本发明的一个方面为用于光学调制器的设计及如何针对给定操作规范或要求规定材料的波长的制作方法。两种方法为合理的且为本发明的实施例。一种方法为确定光致发光(PL)峰值波长。在此情形中，光学泵激材料且通过市售光致发光仪器测量从材料发出的光的光谱。此对光致发光(PL)峰值波长的测量不同于对增益曲线的测量，但其为相关的。举例来说，用于图10中所呈现的增益数据的材料具有1574nm的PL峰值波长。第二种方法将为规定在某一特定泵激条件下的增益曲线的峰值。所有泵激均为用于规定增益峰值的良好实验方法，这是因为不存在任何增益峰值，吸收仅随着波长减小而稳定地变大。泵激调制器直到在某一特定电平下存在增益峰值为尝试规定此的另一方式，但据信不如PL峰值那样进行良好界定。本发明的一个实施例因此提供做出PL测量及使用PL波长，因此确定为表征材料的方法。在操作方面，将希望使信号波长低于PL峰值，此不同于EA调制器中的半导体材料的设计，其中EA调制器中的信号波长通常比峰值PL波长大得多。本发明的一个实施例因此提供比PL峰值低至少10nm的操作波长的选择或规范。在一些实施例中，操作波长的选择或规范为比PL峰值低30nm的操作波长。
图10是描绘来自在各种调制器电流值下对样品测试调制器的电致发光(EL)测量的模态增益对展示增益峰值波长的波长的图表。在本发明的一个实施例中，推测为零电流的峰值波长为用以表征材料的适当且精确方式。在图10中所图解说明的此情形中，峰值波长为约1589nm。此不同于PL特性，PL特性针对相同测试晶片为1574nm。在将与此材料一起使用的操作波长方面，在本发明的一个实施例中，适合波长将在1540nm到1550nm的范围内。在本发明的另一实施例中，操作波长将比增益峰值波长低至少30nm。在本发明的另一实施例中，操作波长将在比增益峰值波长低40nm到30nm的范围内。
图11是描绘来自在各种调制器电流值下对样品测试调制器的电致发光测量的增益峰值波长对电流的图表。
基于材料的前述特性，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种制作包含半导体装置的用于光学通信的激光发射器的方法，所述半导体装置包含：(a)第一半导体区域，其用于响应于电流注入而产生相干光输出；及(b)第二半导体区域，其邻近于所述第一半导体区域安置且通过沟道而与其分离，所述第二半导体区域具有光学耦合到其以从所述第一半导体区域接收所述相干光输出的光学输入及连接到所述第二半导体区域以传送经调制光学信号的光学输出，所述方法包括以下步骤：提供所述发射器经设计以在其下操作的预定波长值；在所述第一半导体区域中形成激光谐振器；在所述第二半导体区域中形成半导体波导结构以传送来自第一半导体区域光束的所述相干光输出；在所述半导体波导结构中形成光学调制器，所述光学调制器包含具有量子阱区域的有源层及电极，所述电极连接到射频信号输入及偏置电位以在所述波导结构中形成电场，使得在所述光束横穿所述波导时对所述相干光输出进行光学调制；及确定所述量子阱区域的材料组合物，使得所述调制器在比预定波长大预定量的增益峰值波长下为透明的；及用所述所确定材料组合物制作所述调制器。
虽然已借助实例详细演示了本发明的一些特定实施例，但所属领域的技术人员应理解以上实例仅打算为说明性的且不打算限制本发明的范围。应理解，可在不背离由所附权利要求书界定的本发明的范围及精神的情况下修改以上实施例。

Claims (15)

1.一种用于操作光学调制器的方法，所述光学调制器包括形成于衬底上的调制器光学波导，所述方法包括：
(a)发射沿着所述调制器光学波导传播的连续波输入光学信号，所述输入光学信号由输入光学功率电平和光学信号波长表征；及
(b)将电调制信号施加至位于所述调制器光学波导的半导体调制器有源区上的调制器电极以通过所述调制器来调制所述输入光学信号的光学发射电平，从而获得由所述调制器发射的经调制输出光学信号，
其中：
(c)所述光学调制器由零电流调制器光学发射电平表征，所述零电流调制器光学发射电平小于100％且处于使得电荷载流子不能被注入所述调制器有源区或从所述调制器有源区被抽取的正向调制器偏置电压电平处；
(d)致使电荷载流子注入所述调制器有源区中的电调制信号电平使得调制器光学发射电平高于所述零电流调制器发射电平；且
(e)致使电荷载流子从所述调制器有源区被提取的电调制信号电平使得调制器光学发射电平低于所述零电流调制器发射电平。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制器有源区具有经估计的光学增益峰值波长，且所述光学信号波长短于经估计的光学增益峰值波长。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述光学信号波长(i)比经估计的光学增益峰值波长短至少10nm，或(ii)比经估计的光学增益峰值波长短20nm到40nm之间。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中经估计的光学增益峰值波长为所述调制器有源区的电致发光谱的峰值波长。
5.根据权利要求1至3中的任一者所述的方法，其中所述电调制信号包括实质上为常数的调制器偏置电压与施加到所述调制器电极的携带信息的RF调制信号之和。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述调制器的偏置电压在一电压的±0.1伏内，所述电压在存在处于所述输入光学功率电平的所述输入光学信号且不存在所述RF调制信号时使得几乎没有电荷载流子注入所述有源区或从所述有源区被提取。
7.根据权利要求5所述的方法，其中施加所述调制器偏置电压和所述RF调制信号使得在所述调制器有源区的I-V特性的负电流区域的一部分处电荷载流子被从所述调制器有源区提取。
8.根据权利要求1至3中的任一者所述的方法，其进一步包括通过将实质上为常数的电激光器偏置电压施加到激光器电极而产生来自半导体激光器的所述连续波输入光学信号，所述激光器电极位于形成于所述衬底上的激光器光学波导的半导体激光器有源区上，其中所述激光器和所述调制器波导经布置以使得所述半导体激光器的光学输出的至少一部分经发射以作为所述输入光学信号而沿着所述调制器光学波导传播。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光器光学波导包括具有光栅周期的光栅区，所述光栅区使得所述光学信号波长比经估计的光学增益峰值波长短。
10.根据权利要求8所述的方法，其中(i)所述激光器和调制器的电极由形成于所述电极之间的半导体材料中的垂直间隙电隔离，或(ii)所述激光器和调制器的光学波导为形成于所述衬底上的共用光学波导的不同部分。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光器的偏置电压大于所述调制器的偏置电压。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述激光器光学波导包括反光的第一端区域和邻近于所述调制器光学波导的第二端区域。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述半导体激光器包含InP。
14.根据权利要求1至3中的任一者所述的方法，其中所述光学调制器包含InP或所述调制器有源区包括半导体多量子阱结构。
15.根据权利要求1至3中的任一者所述的方法，其中所述光学信号波长介于1540nm和1550nm之间。
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