CN106068471A - 定向半导体波导耦合器 - Google Patents

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Abstract

光学定向耦合器具有第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端。耦合器由被布置在衬底上的肩部以及被布置在肩部上的第一脊部和第二脊部构成。第一脊部从第一输入端延伸至第一输出端。第二脊部从第二输入端延伸至第二输出端。肩部、第一脊部以及第二脊部锥化以提供耦合并且被修改以选择耦合比。此外，可调谐激光器具有第一镜、第二镜、增益介质以及定向耦合器。第一镜和第二镜形成光学谐振腔。增益介质和定向耦合器至少部分地处于光学谐振腔的光路中。定向耦合器提供用于可调谐激光器的输出耦合器。

Description

定向半导体波导耦合器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年3月7日提交的题目为“DIRECTIONAL SEMICONDUCTORWAVEGUIDE COUPLER(定向半导体波导耦合器)”的第61/949,937号美国临时专利申请的优先权，出于各种目的，其全部公开内容通过引用合并至本文中。本申请还要求于2014年3月10日提交的题目为“TUNABLE LASER WITH DIRECTIONAL COUPLER(具有定向耦合器的可调谐激光器)”的第61/950,658号美国临时专利申请的优先权，出于各种目的，其全部公开内容通过引用合并至本文中。
下面的两个美国专利申请同时被提交，并且出于各种目的，这两个其他申请的全部公开内容通过引用合并至本申请中：
于2015年3月9日提交的题目为“DIRECTIONAL SEMICONDUCTOR WAVEGUIDECOUPLER(定向半导体波导耦合器)”的申请14/_________(代理人案卷号92970-002810US-937449)；和
于2015年3月9日提交的题为“TUNABLE LASER WITH DIRECTIONAL COUPLER(具有定向耦合器的可调谐激光器)”的申请14/_________(代理人案卷号92970-003010US-937452)。
背景技术
光导波元件通过模态传输、全内反射和/或全反射使光通过光学透明细长的结构从一点被传递至另一点。光波导通过全内反射来引导辐射光谱的可见部分、红外部分和/或紫外部分中的辐射。
本申请还涉及可调谐激光器。更具体地但非限制地，本申请涉及使用二元超光栅的可调谐半导体激光器。
发明内容
在一些实施方式中，激光器具有第一二元超光栅(BSG)、第二BSG、增益介质以及定向耦合器。第一BSG和第二BSG形成光学谐振腔。增益介质和定向耦合器至少部分地处于光学谐振腔的光路中。
定向耦合器将电磁辐射的一部分(例如，UV光谱、可见光谱和/或红外光谱中的光)从第一波导转移至第二波导。光在波导中从一个或更多个输入端行进至一个或更多个输出端。通常，第一波导和第二波导在给定长度内是并行的，并且特定百分比的光通过波导的侧面而非通过波导的端面从第一波导转移至第二波导。
在一些实施方式中，一种用于对波导进行光学耦合的定向耦合器包括：第一输入端；第二输入端；第一输出端；第二输出端；被布置在衬底上的肩部；被布置在肩部上的第一脊部；以及被布置在肩部上的第二脊部。肩部从第一输入端延伸至第一输出端、从第二输入端延伸至第二输出端、从第一输入端延伸至第二输出端以及从第二输入端延伸至第一输出端。肩部包括材料。第一脊部从第一输入端延伸至第一输出端，其中，第一脊部包括所述材料。第二脊部从第二输入端延伸至第二输出端，其中：第二脊部包括所述材料；并且第二脊部与第一脊部分离开。在一些实施方式中，定向耦合器还包括：第一区域，在第一区域中，肩部锥化；第二区域，在第二区域中，第一脊部和第二脊部锥化；第三区域，在第三区域中，第一脊部和第二脊部沿与在第二区域中锥化的方向相反的方向锥化；以及第四区域，在第四区域中，肩部沿与在第一区域中锥化的方向相反的方向锥化。在一些实施方式中，肩部在第一区域中锥化以增大肩部的宽度，其中，肩部延伸超出第一脊部的外边缘并且超出第二脊部的外边缘。
在一些实施方式中，公开了一种用于使用定向耦合器对厚硅波导进行耦合的方法。将光引导至定向耦合器的第一输入端中，其中：定向耦合器具有从第一输入端延伸至第一输出端的第一脊部；并且定向耦合器具有从第二输入端延伸至第二输出端的第二脊部。将光从第一输入端引导至第一脊部，并且然后，将光从第一脊部通过肩部引导至第二脊部。将光从第二脊部引导至第二输出端。
在一些实施方式中，一种可调谐激光器包括：由第一反射光谱表征的第一波长选择元件；由第二反射光谱表征的第二波长选择元件，其中，第一波长选择元件和第二波长选择元件形成光学谐振腔；第一波长选择元件与第二波长选择元件之间的增益介质；以及第一波长选择元件与第二波长选择元件之间的定向耦合器，其中，定向耦合器提供用于激光器的输出耦合器。
在一些实施方式中，公开了一种用于操作可调谐激光器的方法。对第一波长选择元件进行调谐。对第二波长选择元件进行调谐，其中，第一波长选择元件和第二波长选择元件形成光学谐振腔。从被布置在第一波长选择元件与第二波长选择元件之间的增益介质产生光发射。将光发射引导通过定向耦合器。使用定向耦合器将光发射的第一部分传输出光学谐振腔。以及使用定向耦合器将光发射的第二部分传输至第一波长选择元件。在一些实施方式中，第一波长选择元件包括具有第一超周期数的二元超光栅(BSG)；第二波长选择元件包括具有第二超周期数的BSG；以及第一超周期数等于第二超周期数。在一些实施方式中，第一超周期数多于第二超周期数不超过一个、两个和/或三个。
根据在下文中提供的详细描述，本公开内容的适用性的其他方面将变得明显。应当理解，虽然指示各种实施方式，但是详细描述和具体示例仅意在说明目的并且不意在必须限制本公开内容的范围。
附图说明
图1描绘了实施方式的定向耦合器的顶视图。
图2描绘了实施方式的定向耦合器的横截面图。
图3描绘了实施方式的定向耦合器的示出定向耦合器的各区域的顶视图。
图4描绘了实施方式的定向耦合器的顶视图和横截面图。
图5描绘了实施方式的定向耦合器的耦合效率与耦合宽度对照的曲线图。
图6描绘了实施方式的定向耦合器的顶视图，其中，定向耦合器不具有锥化的脊部。
图7描绘了实施方式的定向耦合器的顶视图，其中，定向耦合器具有锥化的第一脊部和未锥化的第二椎体。
图8描绘了实施方式的定向耦合器的耦合效率与耦合长度对照的曲线图。
图9描绘了用于对厚硅波导进行耦合的过程的流程图。
图10描绘了实施方式的具有定向耦合器的可调谐激光器的简图。
图11描绘了另一实施方式的具有定向耦合器的可调谐激光器的简图。
图12是对实施方式的具有定向耦合器的激光器归一化组合响应与Y分支激光器的归一化组合响应进行比较的图。
图13是图12中的图的经放大的一部分。
图14描绘了用于使用具有定向耦合器的激光器的过程的流程图。
图15描绘了实施方式的其肩部锥化成宽于脊部的定向耦合器的顶视图。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后添加短线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则无论第二附图标记如何，所述描述均适用于具有相同的第一附图标记的相似部件中的任一部件。
具体实施方式
随后的描述仅提供示例性实施方式，并且不意在限制本公开内容的范围、适用性或配置。而且，随后对示例性实施方式的描述将为本领域技术人员提供实现性描述。应当理解，可以在不脱离如在所附权利要求书中阐述的精神和范围的情况下在元件的功能和布置方面做出各种变化。
一些实施方式总体上涉及对两个光波导进行定向耦合。更具体地但非限制地，涉及使用锥化对高对比度的厚硅波导进行定向耦合。在厚硅中，模式更严格地被限制(其中，厚硅为大于0.3μm、0.5μm或0.7μm厚并且/或者具有大于或等于2.9、3.0或3.2的有效折射率)。因此，由于在薄硅中，模式没有如在厚硅中那样严格地被限制，所以在厚硅中简单地使两个波导更靠近在一起以进行耦合不如在薄硅中那样有效。此外，与波导相隔较远的情况相比，使两个厚硅波导分离开较窄的距离可能需要更严格的加工公差。此外，一些实施方式描述了在可调谐激光器系统中使用定向耦合器。
图1是定向耦合器100的实施方式的顶视图。定向耦合器100具有第一输入端104-1、第二输入端104-2、第一输出端108-1以及第二输出端108-2。第一输入端104-1和第二输入端104-2被分离开第一间隙112。第一输出端108-1和第二输出端108-2被分离开第二间隙116。
定向耦合器100被布置在衬底上。定向耦合器100包括下部，下部有时被称为耦合器肩部120。定向耦合器100包括两个上部，这两个上部有时被称为第一脊部124-1和第二脊部124-2。耦合器肩部120被布置在衬底上。脊部124被布置在耦合器肩部120的某些部分上以使得耦合器肩部120处在脊部124与衬底之间。第一脊部124-1从第一输入端104-1延伸至第一输出端108-1。第二脊部124-2从第二输入端104-2延伸至第二输出端108-2。
定向耦合器100关于纵向轴线128对称。纵向轴线128基本上沿光束从输入端104至输出端108传播的方向。定向耦合器100具有耦合器腰部132。耦合器腰部132在输入端104与输出端108之间是等距的。耦合器腰部132具有垂直(横向)于纵向轴线128的横截面。耦合器腰部132是定向耦合器100的最窄部分。
图2是实施方式的定向耦合器100的在耦合器腰部132处的横截面图。耦合器肩部120被布置在衬底200上。衬底200延伸成在横向上宽于定向耦合器100并且(在纵向上)长于定向耦合器100。第一脊部124-1和第二脊部124-2被布置在耦合器肩部120上并且被分离开等于第一间隙112的宽度。虽然采用不同的阴影示出耦合器肩部120和脊部124，但是耦合器肩部120和脊部124由相同类型的材料(例如，晶体硅；通过蚀刻和/或沉积)来形成。耦合器肩部120和脊部124形成定向耦合器100的芯。在一些实施方式中，耦合器肩部120和脊部124覆盖有上包覆层(例如，SiO2、环氧树脂和/或光致抗蚀剂)，上包覆层具有比定向耦合器100的芯的折射率小的折射率，使得光(例如，光束的光模式)被限制在定向耦合器100的芯内。在一些实施方式中，耦合器肩部120和脊部124未覆盖有上包覆层而是被暴露于作为包覆层的空气中。衬底200包括具有比定向耦合器100的芯的折射率小的折射率的材料，衬底200作用为下包覆层。在一些实施方式中，衬底200包括绝缘体上硅(SOI)晶片的埋入式氧化(BOX)层；定向耦合器100的芯由SOI晶片的器件层形成；以及SOI晶片的处理部在BOX层的下方。
耦合器肩部120具有肩部高度204(沿离开衬底200的方向测量的高度)。在一些实施方式中，肩部高度204的范围为从0μm至2.5μm(例如，0.0μm、0.1μm、0.5μm、0.75μm、0.85μm、0.95μm、1.0μm、1.2μm、1.5μm、2.0μm或2.5μm)。耦合器肩部120具有肩部宽度208(相对于纵向轴线128沿横向方向并且正交于高度测量的宽度)。肩部宽度208沿纵向轴线128变化。
脊部124具有脊部高度214。在一些实施方式中，脊部高度214的范围为从0.1μm至2.0μm(例如，0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.45μm、0.55μm、0.65μm、0.75μm、1.0μm、1.5μm或2.0μm)。脊部124各自具有脊部宽度218。脊部宽度218沿纵向轴线128变化。在耦合器腰部132处，第一脊部124-1和第二脊部124-2被分离开第一间隙112。在一些实施方式中，第一脊部124-1和第二脊部124-2沿纵向轴线128被分离开第一间隙112。
接着参照图3，耦合器100被示出为具有以下四个区域：第一区域301、第二区域302、第三区域303以及第四区域304。第一区域301包括输入端104。在第一区域301中的输入端104处，耦合器肩部120被分成以下两个部分：耦合器肩部120的在第一脊部124-1下方的第一部分以及耦合器肩部120的在第二脊部124-2下方的第二部分。在输入端104处，耦合器肩部120的第一部分和耦合器肩部120的第二部分被分离开第一间隙112。在第一区域301中，耦合器肩部120朝向纵向轴线128沿纵向方向向内锥化，直到耦合器肩部120的第一部分与耦合器肩部120的第二部分合并为止。在第一区域301中，脊部宽度218沿纵向方向保持恒定。
第二区域302与第一区域301在纵向上相邻。在第二区域302中，耦合器肩部120的外边缘308和脊部124锥化(变窄)。在第二区域302中，耦合器肩部120的第一部分与耦合器肩部120的第二部分合并(例如，接触和/或不能区分以使得在耦合器肩部120的第一部分与耦合器肩部120的第二部分之间不存在任何间隙)。因此，在一些实施方式中，光未以倏逝的形式被耦合，而是在定向耦合器100中直接被耦合。在一些实施方式中，光直接被耦合而非以倏逝的形式被耦合，以具有更大的耦合效率、更灵活的制造公差以及/或者减少衰减。脊部124保持被分离开第一间隙112。
第三区域303与第二区域302在纵向上相邻。第三区域303与第二区域302呈镜像。在第三区域303中，耦合器肩部120的外边缘308和脊部124锥化(变宽)。耦合器肩部120的第一部分与耦合器肩部120的第二部分保持合并。脊部124保持被分离开第一间隙112。
第四区域304与第三区域303在纵向上相邻。第四区域304与第一区域301呈镜像。在第四区域304中，耦合器肩部120离开纵向轴线128分开并且向外锥化，直到耦合器肩部120的第一部分和耦合器肩部120的第二部分被分离开第二间隙116为止。耦合器肩部120的外边缘308和脊部124保持恒定。在第四区域304中，脊部宽度218沿纵向方向保持恒定。脊部124被分离开第二间隙116。
图4是实施方式的定向耦合器100的顶视图和横截面图。图4包括第一横截面401、第二横截面402、第三横截面403以及第四横截面404。第一横截面401是定向耦合器100在输入端104处的横截面。第二横截面402是定向耦合器100在第一区域301中的横截面，其中，耦合器肩部120的第一部分408-1和耦合器肩部120的第二部分408-2均朝向纵向轴线128向内锥化。第三横截面403是耦合器腰部132处的横截面。第四横截面404是输出端108处的横截面。
第一部分408-1具有第一宽度418-1。第二部分408-2具有第二宽度418-2。耦合器肩部120在第一横截面401处的总宽度等于第一宽度418-1加上第一间隙112的宽度加上第二宽度418-2。耦合器肩部120在第一横截面401处的净宽度等于第一宽度418-1加上第二宽度418-2。在第二横截面402中，虽然与第一横截面401相比，耦合器肩部120的总宽度保持恒定；但是因为第一部分408-1和第二部分408-2朝向纵向轴线128向内锥化，所以耦合器肩部120的净宽度增大。在第三横截面403中，因为在第一部分408-1与第二部分408-2之间不存在任何间隙，所以耦合器肩部120的总宽度等于耦合器肩部120的净宽度。因为在第二区域302中，外边缘308向内锥化，所以耦合器肩部120在第三横截面403中的总宽度比耦合器肩部120在第二横截面402中的总横截面窄得多。为了使附图不会过度杂乱，使一些附图标记去除一些特征。即使没有这些附图标记，本领域技术人员也能认识到类似的特征。
图5是所模拟的耦合器腰部132处的耦合效率与脊部宽度218对照的曲线图。耦合效率是进入第一输入端104-1且离开第二输出端108-2的功率的量；或者是进入第二输入端104-2且离开第一输出端108-1的功率的量。随着耦合器腰部132处的脊部宽度218变窄，耦合效率增大。因此，可以针对给定耦合效率通过修改耦合器腰部132处的脊部宽度218来设计定向耦合器100。
图2是实施方式的在耦合器腰部132处具有1.5μm的脊部宽度218的定向耦合器100的示例。根据图4的曲线，对于波长为1525nm的光而言，定向耦合器100从第一输入端104-1至第二输出端108-2一次具有大约40％的耦合效率。针对1.9μm的脊部宽度218，对于波长为1525nm的光而言，定向耦合器100具有略低于20％的耦合效率。针对耦合器腰部132处的给定的脊部宽度218，波长为1575nm的光比波长为1525nm的光具有稍大百分比的耦合效率。
图6是第二定向耦合器600的顶视图，定向耦合器100也被称为第一定向耦合器100。除了第二定向耦合器600的脊部124在第二区域302或第三区域303中不锥化之外，第二定向耦合器600与第一定向耦合器100相似。耦合器肩部120在第二区域302或第三区域303中也不锥化。还示出了耦合长度604。耦合长度604在耦合器肩部120的第一部分408-1与耦合器肩部120的第二部分408-2合并之处开始并且沿纵向方向延伸至耦合器肩部120的第一部分408-1与耦合器肩部120的第二部分408-2分开之处。在一些实施方式中，使用第二定向耦合器600来替代第一定向耦合器100，以减少处理复杂性和/或减小耦合效率。
图7是第三定向耦合器700的顶视图。第三定向耦合器700关于纵向轴线128非对称。与第一定向耦合器100的第一脊部124-1相似，第三定向耦合器700的第一脊部124-1(以及耦合器肩部120的在第一脊部下方的部分)锥化。与第二定向耦合器600的第二脊部124-2相似，第三定向耦合器700的第二脊部124-2不锥化。在一些实施方式中，具有非对称的脊部124是具有非对称的耦合效率。在一些实施方式中，基于系统的设计限制(例如，所期望的耦合效率)，使用第二定向耦合器600、第三定向耦合器700以及/或者第二定向耦合器600的变体和/或第三定向耦合器700的变体来替代第一定向耦合器100。
图8是所模拟的针对1525nm的光和1575nm的光二者的耦合效率与耦合长度604的半长度对照的曲线图。例如，如果第二定向耦合器600的耦合长度604为40μm，则针对1525nm的光的耦合效率大约为2％(40μm的1/2长度为20μm；以及曲线图示出在20μm处大具有约2％的耦合效率)。耦合长度604越长，则耦合效率越大。在一些实施方式中，优选的是，使脊部124锥化并且使耦合器腰部132更小来提高耦合效率和/或减小定向耦合器100在芯片上的占用空间大小。在一些实施方式中，耦合长度604小于120μm、90μm、80μm和/或60μm。
图9描绘了用于对厚硅波导进行耦合的过程900的流程图。过程900在步骤904处开始，在步骤904中，将光引导至定向耦合器100的第一输入端104-1。在步骤908中，然后将光从第一输入端104-1引导通过第一脊部124-1，并且将光从第一脊部124-1通过耦合器肩部120引导至第二脊部124-2。在步骤912中，然后将光从第二脊部124-2引导至第二输出端108-2。
在一些实施方式中，定向耦合器100的目的是将第一TE模从第一输入端104-1耦合至第二输出端108-2。在一些实施方式中，定向耦合器100的目的是在相对短的距离(例如，小于150μm、120μm、90μm、80μm和/或60μm)内将第一TE模从第一输入端104-1耦合至第二输出端108-2。在一些实施方式中，使耦合器肩部120锥化使得能够在定向耦合器100中对所限制的电磁辐射进行绝热膨胀和/或绝热压缩，从而有利于将第一TE模(和/或第一TM模)从第一输入端104-1耦合至第二输出端108-2。此外，本发明的实施方式不限于硅波导，或者甚至不限于半导体波导。在一些实施方式中，使用电介质定向耦合器和/或金属定向耦合器。例如，可以使用聚合物波导以及/或者采用氧化铝、氧化钽、氧化钛或其他电介质材料的波导。在一些实施方式中，脊部锥化不限于第二区域302和第三区域303。例如，可以在第一区域301中开始脊部锥化；可以使脊部锥化从第三区域303延续至第四区域304中；以及/或者可以在第四区域304中开始脊部锥化。
此外，所示的实施方式存在许多可能的变体。例如，图5和图8是对衬底200(例如，SiO2或绝缘体上硅晶片)上的具有覆盖有包覆层(例如，SiO2)的耦合器肩部120和脊部124的厚硅高对比度波导的模拟。在其他变体中，定向耦合器100被暴露于空气中或者包覆有环氧树脂和/或光致抗蚀剂。另外，在一些实施方式中，脊部宽度218的范围为从0.4μm至3.5μm。在一些实施方式中，输入端104具有用于与对应的波导(例如，脊形波导，而非矩形波导)相匹配的几何形状。
此外，尽管图5和图8示出了针对给定范围的模拟结果的曲线，但是这些曲线可以被推算至超出所绘制的范围。除了图5和图8之外，用于耦合的另一示例变体增大或减小脊部124之间的第一间隙112和/或第二间隙116。在一些实施方式中，第一间隙112等于第二间隙116。减小第一间隙112和/或第二间隙116将导致耦合增大；增大第一间隙112和/或第二间隙116将导致耦合减小。在一些实施方式中，第一间隙112和/或第二间隙116具有从0.3μm至3.5μm的宽度。例如，第一间隙112具有从0.3μm至3.5μm或从0.5μm至1.5μm(例如，0.3μm、0.5μm、0.75μm、1.0μm、1.25μm、1.5μm、1.75μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm或3.5μm)的宽度。在一些实施方式中，使用(例如，>0.75μm的)间隙来提供比使间隙小于0.5μm所需要的公差更有利的制造公差。例如，针对100nm间隙的制造公差需要特别的控制措施(例如，温度控制、严格的光刻公差(lithographic tolerance)、光滑且垂直的蚀刻、对SiO2包覆层的适当沉积以避免气隙和空隙以及/或者严格的处理控制以在SiO2包覆层沉积期间避免应力/应变)。(例如，>0.75μm的)较大的间隙有助于更容易地制造定向耦合器100。定向耦合器100的尺寸还根据波长而变化。
定向耦合器100的其他变体包括锥化的变体。例如，替代线性锥化，可以使用二次锥化、对数(log)锥化和/或绝热曲线锥化。另外，第一脊部124-1可以具有与第二脊部124-2的锥化不同的锥化。例如，如图1所示，第一脊部124-1可以具有减小的锥化和增大的锥化。但是第二脊部124-2在第二区域302中仅具有减小的锥化，并且，第二脊部124-2的宽度在第三区域303和第四区域304中保持恒定。在另一示例中，第二脊部124-2在第二区域302中具有二次减小的锥化并且在第三区域303中具有线性地增大的锥化。另外，第一区域301、第二区域302、第三区域303和/或第四区域304在其连结处不需要是连续的。例如，在第二区域302与第三区域303之间可以存在第五区域。
图10描绘了实施方式的具有定向耦合器100的第一激光器系统1000-1的简图。第一激光器系统1000-1包括第一镜1001、第二镜1002、增益介质1004以及定向耦合器100。第一激光器系统1000-1还包括相位调节器1008和激光输出端1012。在一些实施方式中，第一激光器系统1000-1包括检测器1016。
第一镜1001经由(例如，具有晶体硅芯的)半导体波导与第一输入端104-1光学耦合。激光输出端1012经由波导与第二输入端104-2光学耦合。检测器1016经由波导与第二输出端108-2光学耦合。第二镜1002经由波导(例如，具有晶体和/或硅芯的波导)与增益介质1004光学耦合。增益介质1004经由波导与相位调节器1008光学耦合。相位调节器1008经由波导与第一输出端108-1光学耦合。
第一镜1001和第二镜1002是二元超光栅(BSG)。在于2012年9月6日提交的第13/605,633号共同拥有的美国专利申请中提供了BSG、增益介质1004以及相位调节器1008的示例，出于各种目的，上述美国专利申请通过引用合并至本文中。BSG具有限定反射光谱的超周期。反射光谱具有两个或更多个反射峰，反射峰被称为超模(super mode)。在一些实施方式中，反射光谱具有3个与12个之间(例如，5个、7个、8个或11个)的超模。使多个超周期级联增大了对BSG的超模的反射率。在一些实施方式中，第一镜1001和第二镜1002具有相似的超周期数，以及/或者第一镜1001和第二镜1002二者都具有反射率等于或大于80％、85％、90％、95％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％或100％的一个或更多个超模。第一镜1001和第二镜1002形成用于第一激光器系统1000-1的谐振腔。在一些实施方式中，当调谐至不同的频率时，为了更好的控制，超模反射率等于或小于100％。增益介质1004、相位调节器1008以及定向耦合器100处于第一镜1001与第二镜1002之间的光路中。
一些系统使用两个镜来构造激光谐振腔。通常，两个镜中的一个镜具有高反射率(例如，接近100％)，并且另一镜具有较小的反射率以用作输出耦合器。在第一激光器系统1000-1中，第一镜1001具有与第二镜1002的反射率相似的反射率。第一激光器系统1000-1的输出耦合由定向耦合器100的耦合效率(以及选择定向耦合器100的输入端和输出端)来确定，而非由用作输出耦合器的镜来确定。使用BSG的系统有时使用比一个BSG(被称为“短BSG”)多一个或更多个(通常是若干个)超周期的另一BSG(被称为“长BSG”)。更多个超周期一个或更多个超周期。这样的系统有时被称为“长-短BSG系统”。在长-短BSG系统中，因为短BSG比长BSG具有较小的反射率，所以将短BSG用作长-短BSG系统的输出耦合器。
在一些实施方式中，对第一镜1001和第二镜1002加热，从而使BSG的反射光谱偏移。第一镜1001的反射光谱与第二镜1002的反射光谱不同。例如，第一镜1001的反射峰(“超模”)之间的间距与第二镜1002的超模之间的间距不同。(例如，通过加热)对第一镜1001和第二镜1002进行调谐，以使得第一镜1001的一个超模与第二镜1002的一个超模交叠。通过使BSG的反射率更高(例如，使多个超周期级联)，超模的光谱宽度变窄，与第一镜1001或第二镜1002用作输出耦合器并且具有更少的超周期的情况相比，这对调谐第一激光器系统1000-1提供了更多的控制。
检测器1016可以用于各种目的。在一些实施方式中，检测器1016用于通过使用光电二极管(PD)(例如，分光探测器(tap-PD))来监测和控制第一激光器系统1000-1的激光功率和激光频率。在一些实施方式中，增益介质1004包括第III-V族化合物材料，以及第一镜1001、第二镜1002、定向耦合器100由硅制成。在一些实施方式中，第一镜1001、定向耦合器100、相位调节器1008、第二镜1002、检测器1016和/或连接波导以单片的形式一起被形成在半导体芯片(例如，SOI晶片)上。在一些实施方式中，用第三定向耦合器700来替换定向耦合器100，以减少从检测器1016进入激光谐振腔的潜在反射。
接着参照图11，示出了第二激光器系统1000-2的简图。除了第一镜1001与第二输入端104-2光学耦合以及激光输出端1012与第一输入端104-1光学耦合之外，第二激光器系统1000-2与第一激光器系统1000-1相似。当被调谐时，第二激光器系统1000-2的第一镜1001和第二镜1002针对给定波长具有相似的反射率。由下式给出等效反射率(Req)：Req＝κ2，其中κ是定向耦合器100的耦合效率。有时候，κ<50％被认为是弱耦合以及κ≥50％被认为是强耦合。例如，κ＝30％(弱耦合)。由下式给出第二激光器系统1000-2的输出耦合(透射率)：T(透射率)＝1-κ＝70％。并且，Req＝κ2＝9％。因此，来自第一输出端108-1(例如，来自增益介质1004的方向)的功率的70％被传输至第一输入端104-1并且被传输至激光输出端1012；而30％被传输至第二输入端104-2并且被传输至第一镜1001。第一镜1001将被传输至第一镜1001的所述30％反射回第二输入端104-2。被反射回第二输入端104-2的功率的百分之三十(30％×30％＝被传输至第二输出端108-1的原功率的9％)被耦合至第一输出端108-1中；以及被反射回第二输入端104-2的功率的百分之七十(30％×70％＝被传输至第一输出端108-1的原功率的21％)被耦合至第二输出端108-2并且被传输至检测器1016。
返回参照图10，如果对于第一激光器系统1000-1的定向耦合器100而言κ＝70％(强耦合)，则第一激光器系统1000-1与包括具有κ＝30％的定向耦合器100的第二激光器系统1000-2将具有相同的有效反射率。
图12描绘了将具有定向耦合器100的激光器系统1000的归一化组合响应与Y分支激光器的归一化组合响应进行比较的图。该Y分支激光器与共同拥有的'633申请中的Y分支激光器相似。x轴是频率(THz)，以及y轴是相对功率(dB)。图12示出了具有定向耦合器100的激光器系统1000比Y分支激光器更能抑制相邻的超模。在一些实施方式中，使相邻的超模被抑制使得激光器系统1000能够更容易地被调谐。
图13描绘了图12中的归一化组合响应的经放大的一部分。示出了Y分支激光器的具有组合响应峰的组合响应1304。Y分支激光器的组合响应峰具有大约40千兆赫(GHz)的1dB带宽。示出了激光器系统1000的具有组合响应峰的组合响应1308。具有定向耦合器100的激光器系统1000具有大约27GHz的1dB带宽的组合响应峰。示出了第一激射模式1314和第二激射模式1318。第一激射模式1314是针对Y分支激光器的。第二激射模式1318是针对激光器系统1000的。示出了第一边模1324(例如，腔纵模)和第二边模1328(例如，腔纵模)。第一边模1324是针对Y分支激光器的。第二边模1328是针对激光器系统1000的。示出了第一差值1334。第一差值1334是第一激射模式1314与第一边模1324之间的功率差。示出了第二差值1338。第二差值1338是第二激射模式1318与第二边模1328之间的功率差。第二差值1338(～2dB)是第一差值1334(～1dB)的大约两倍。因此，激光器系统1000将比Y分支激光器具有更好的边模抑制。对于具有定向耦合器100的激光器系统1000而言，当发射激光时，这种效果将会扩大成提供～50dB的边模抑制比(SMSR)。
已知的是，在抑制相邻的超模方面，Y分支激光器优于长-短BSG系统，但是Y分支激光器可以使远离(所期望的激射频率)的超模具有相对高的反射率。如果Y分支激光器由于定心偏移(例如，一个BSG未被调谐具有足够的准确度)而具有一些非对称性，则较远的超模可以发射激光。另一方面，当抑制较远的超模时，长-短BSG系统优于Y分支激光器。长-短BSG系统在相邻的超模抑制方面较差的一个原因在于，长-短BSG系统的短BSG具有更宽、更圆缓的反射峰，所述反射峰可以与长BSG的一个或更多个反射峰交叠，这意味着不重合。在一些实施方式中，具有定向耦合器100的激光器系统1000胜过了Y分支激光器和长-短BSG系统二者中最好的一个：具有定向耦合器的激光器系统1000对相邻的超模和较远的超模均具有较高的抑制。与Y分支激光器和长-短BSG系统二者相比，激光器系统1000还对相邻的腔(纵)模具有较高的抑制。
图14描绘了实施方式的用于使用具有定向耦合器100的激光器系统1000的过程1400的流程图。过程在步骤1404处开始，在步骤1404中，对第一波长选择元件(例如，使用第一BSG的第一镜1001)和第二波长选择元件(例如，使用第二BSG的第二镜1002)进行调谐。第一波长选择元件和第二波长选择元件形成激光谐振腔。在一些实施方式中，利用加热对第一波长选择元件和第二波长选择元件进行调谐。在一些实施方式中，将第一波长选择元件和第二波长选择元件调谐成使得第一BSG的超模和第二BSG的超模在预定频率处具有交叠的超模(例如，使用游标原理(Vernier effect)来调谐激光器系统1000)。
在步骤1408中，由谐振腔中的增益介质1004产生(以及/或者从第二镜1002反射)光(光发射)。在一些实施方式中，通过对具有量子阱区域的第III-V族化合物(例如，InP或GaAs)半导体结构施加电流来产生光。在步骤1412中，(例如，通过波导)将谐振腔中的光引导至定向耦合器100中。在步骤1416中，定向耦合器100将光的一部分传输出谐振腔，以及在步骤1420中，定向耦合器100将光的一部分传输至第一波长选择元件(例如，第一镜1001)。
本发明的实施方式提供了根据镜(例如，第一镜1001)的光谱特性独立地调节激光器的输出耦合器透射率(以及有效的耦合器反射率)的能力。因此，一些实施方式使用长的高反射率BSG，其具有下述优点：(1)较窄的峰，这可以使得能够使用游标原理实现更大的选择性以及对相邻的纵模的抑制；以及(2)具有基本上均匀的强度的峰，这与使用短BSG来实现更高的输出耦合器透射率以得到更好的斜率效率的不具有定向耦合器100的激光器形成对比。此外，一些实施方式能够通过对定向耦合器100设计合适的分光比(例如，耦合效率)来选择可变输出耦合；然而，在没有定向耦合器100的情况下，因为BSG的长度不是可连续选择的，但是通常选为超周期的整数倍，所以选择激光器的输出耦合(反射率和透射率)的能力是较弱的。
此外，在一些实施方式中，期望使BSG超模的峰值反射率小于或等于100％。BSG长度足够长以允许在超模的中心具有高反射，但是BSG长度也不能太长，以防止反射率在给定频率处出现平顶(flat top)。在一些实施方式中，超模的曲率有助于针对存在于经对准的BSG对的中心的激射模式来改进对相邻的腔模(纵模)的抑制。在一些实施方式中，因为：(1)期望使BSG超模的峰值反射率小于或等于100％；以及(2)通过加入离散数目的超模来增大BSG反射率，所以第一镜1001(包括第一BSG)和第二镜1002(包括第二BSG)可以具有相似但不相等的反射率峰值。例如，对于第一给定频率而言，第一BSG的反射率峰值可以是82％，而第二BSG的反射率峰值可以是91％。在另一示例中，对于给定频率而言，第一BSG可以具有99％的反射率峰值以及第二BSG具有97％的反射率峰值。
接着参照图15，示出了第四定向耦合器1500的顶视图。在一些实施方式中，使用第四定向耦合器1500和/或第四定向耦合器1500的变体来替代第一定向耦合器100。除了具有较宽的肩部120之外，第四定向耦合器1500与第三定向耦合器600相似。第一脊部124-1具有第一外边缘1504-1，第一外边缘1504-1与第一脊部1240-1的比第一外边缘1504-1更靠近纵向轴线128的内边缘相对。第二脊部124-2具有第二外边缘1504-2，第二外边缘1504-2与第二脊部1240-2的比第二外边缘1504-2更靠近纵向轴线128的内边缘相对。
第四定向耦合器1500具有以下四个区域：第一区域1511、第二区域1512、第三区域1513以及第四区域1514。在第一区域1511中，如结合图3所描述的，肩部120朝向纵向轴线128沿纵向方向向内锥化。此外，肩部120离开第一外边缘1504-1和第二外边缘1504-2向外锥化。在一些实施方式中，肩部120向外锥化得与肩部120向内锥化得一样多。在第二区域1512和第三区域1513中，肩部具有恒定的宽度(虽然在一些实施方式中，肩部可以继续锥化和/或开始锥化)。在第四区域1514中，除了如图3中所描述的那样分开之外，肩部120朝向外边缘1504锥化。
在一些实施方式中，肩部120在外边缘1504外侧锥化以减小耦合效率(即，减小κ)，并且/或者更准确地控制耦合效率。在一些实施方式中，肩部120在外边缘1504外侧锥化以减小偏振旋转。关于脊部124非对称可以导致偏振旋转。对于一些应用而言，偏振旋转是不期望的。例如，在一些密集波分复用(DWDM)系统中，偏振必须非常明确以区分成不同的偏振，以及在一些DWDM系统中，即使引入了非常小的偏振旋转，效率也会降低。
在不脱离本发明的实施方式的精神和范围的情况下，可以以任何合适的方式对特定实施方式的具体细节进行组合。然而，本发明的其他实施方式可以涉及与每个单独方面或者与这些单独的方面的特定组合有关的具体实施方式。
出于说明和描述的目的，已经给出了本发明的示例性实施方式的以上描述。不意在穷举或者将本发明限于所描述的明确形式，并且鉴于上述教导，可以存在许多变型和变体。例如，在一些实施方式中，定向耦合器被布置在具有其他器件的硅衬底上，其他器件如CMOS器件、BiCMOS器件、NMOS器件、PMOS器件、检测器、CCD、二极管、加热元件或无源光器件(例如，波导、光栅、分光器、合光器、波长复用器、波长解复用器、光偏振旋转器、光抽头(optical tap)、用于将较小的波导耦合至较大的波导的耦合器、用于将矩形硅波导耦合至光纤波导的耦合器或者多模干涉仪)。
选择并且描述了各实施方式，以说明本发明的原理和实践应用，从而使得本领域其他技术人员能够在各实施方式中以及在如适于所设想到的特定用途的各种变形的情况下利用本发明。
此外，应当注意，可以将实施方式描述为被示为流程图(flowchart)、流图(flowdiagram)、数据流图、结构图或框图的过程。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程，但是操作中的许多操作可以并行执行或同时被执行。另外，操作的顺序可以被重新布置。当过程的操作完成时，该过程结束，但是该过程可以具有附图中不包括的另外的步骤。过程可以与方法、功能、步骤、子例程、子程序等对应。
除非与之相反地明确指示出，否则“未加以数量限定的情况”(“a”，“an”，or“the”)意在指示“一个或更多个”。
出于各种目的，本文所提及的所有专利、专利申请、公开和说明书的全部内容通过引用合并至本文中。本文所提及的所有专利、专利申请、公开和说明书均不被认为是现有技术。

Claims (15)

1.一种用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，所述定向耦合器包括：
第一输入端；
第二输入端；
第一输出端；
第二输出端；
被布置在衬底上的肩部，其中：
所述肩部从所述第一输入端延伸至所述第一输出端、从所述第二输入端延伸至所述第二输出端、从所述第一输入端延伸至所述第二输出端以及从所述第二输入端延伸至所述第一输出端；并且
所述肩部包括材料；
第一脊部，所述第一脊部被布置在所述肩部上并且从所述第一输入端延伸至所述第一输出端，其中，所述第一脊部包括所述材料；以及
第二脊部，所述第二脊部被布置在所述肩部上并且从所述第二输入端延伸至所述第二输出端，其中：
所述第二脊部包括所述材料；并且
所述第二脊部与所述第一脊部分离开。
2.根据权利要求1所述的用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，所述定向耦合器还包括：
第一区域，在所述第一区域中，所述肩部锥化；
第二区域，在所述第二区域中，所述第一脊部和所述第二脊部锥化；
第三区域，在所述第三区域中，所述第一脊部和所述第二脊部沿与在所述第二区域中锥化的方向相反的方向锥化；以及
第四区域，在所述第四区域中，所述肩部沿与在所述第一区域中锥化的方向相反的方向锥化。
3.根据权利要求2所述的用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，其中：
所述肩部在所述第一区域中锥化以增大所述肩部的宽度；以及
所述肩部延伸超出所述第一脊部的外边缘并且超出所述第二脊部的外边缘。
4.根据权利要求2所述的用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，其中：
所述第一脊部的宽度沿从所述第一输入端至所述第一输出端的纵向方向在所述第二区域中减小；以及
所述第一脊部的宽度沿从所述第一输入端至所述第一输出端的纵向方向在所述第三区域中增大。
5.根据权利要求1所述的用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，其中：
所述衬底包括二氧化硅；以及
所述材料是晶体硅。
6.根据权利要求1所述的用于对波导进行光学耦合的定向耦合器，其中：
所述肩部具有在0.5μm与1.2μm之间的厚度；以及
所述第一脊部和所述第二脊部各自具有在0.2μm与0.65μm之间的高度。
7.一种可调谐激光器，包括：
由第一反射光谱表征的第一波长选择元件；
由第二反射光谱表征的第二波长选择元件，其中，所述第一波长选择元件和所述第二波长选择元件形成光学谐振腔；
所述第一波长选择元件与所述第二波长选择元件之间的增益介质；以及
所述第一波长选择元件与所述第二波长选择元件之间的定向耦合器，其中，所述定向耦合器提供用于所述激光器的输出耦合器。
8.根据权利要求7所述的可调谐激光器，其中：
所述第一波长选择元件是具有大于90％的反射值的二元超光栅；以及
所述第二波长选择元件是具有大于90％的反射值的二元超光栅。
9.根据权利要求8所述的可调谐激光器，其中：
所述第一波长选择元件的反射值大于98％；以及
所述第二波长选择元件的反射值大于98％。
10.根据权利要求7所述的可调谐激光器，其中，所述第一波长选择元件、所述第二波长选择元件、所述增益介质以及所述定向耦合器被布置在衬底上。
11.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中：
所述第一波长选择元件、所述第二波长选择元件、所述定向耦合器包括硅；以及
所述增益介质包括第III-V族化合物。
12.一种用于使用定向耦合器对厚硅波导进行耦合的方法，所述方法包括：
将光引导至所述定向耦合器的第一输入端中，其中：
所述定向耦合器具有从所述第一输入端延伸至第一输出端的第一脊部；并且
所述定向耦合器具有从第二输入端延伸至第二输出端的第二脊部；
将光从所述第一输入端引导至所述第一脊部；
将光从所述第一脊部通过肩部引导至所述第二脊部；以及
将光从所述第二脊部引导至所述第二输出端。
13.根据权利要求12所述的用于使用定向耦合器对厚硅波导进行耦合的方法，其中，所述第一脊部、所述第二脊部以及所述肩部由晶体硅制成。
14.根据权利要求12所述的用于使用定向耦合器对厚硅波导进行耦合的方法，其中：
所述肩部在所述第一区域中锥化以增大所述肩部的宽度；以及
所述肩部延伸超出所述第一脊部的外边缘并且超出所述第二脊部的外边缘。
15.根据权利要求12所述的用于使用定向耦合器对厚硅波导进行耦合的方法，其中，所述方法还包括：
对第一波长选择元件进行调谐；
对第二波长选择元件进行调谐，其中，所述第一波长选择元件和所述第二波长选择元件形成光学谐振腔；
从被布置在所述第一波长选择元件与所述第二波长选择元件之间的增益介质产生光发射；
将所述光发射引导至所述定向耦合器的所述第一输入端；
将所述光发射的第一部分从所述定向耦合器的所述第二输出端传输出所述光学谐振腔；以及
使用所述定向耦合器将所述光发射的第二部分传输至所述第一波长选择元件。
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