CN106463908B - 具有耦合到环形谐振器的直接调制激光的可调发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种发射装置(1)，其旨在递送具有已选波长的光子。此发射装置(1)包括：InP衬底(2)，其具有经布置用于产生通过不归零调制进行调制的光子以产生待传输的数据的直接调制激光(3)；无源环形谐振器(4)，其与所述直接调制激光(3)单片地集成且在若干谐振中具有用于滤波由所述数据调制引发的零级的谐振；及调谐构件(5)，其沿所述直接调制激光(3)及/或围绕所述环形谐振器(4)布置以调谐所述光子波长及/或所述用于滤波的环形谐振器谐振。

Description

具有耦合到环形谐振器的直接调制激光的可调发射装置
技术领域
本发明涉及可尤其在光学接入网络中使用的可调发射装置。
背景技术
所属领域技术人员已知的是，光学接入网络中对高的传输距离(通常40km或甚至60km)的需要日益提高，以得到每信道分别等于10Gb/s及2.5Gb/s或10Gb/s的下行及上行标称线速率。
还需要通常6dB或甚至8dB的高动态消光比(或DER)。
已经提出了若干解决方案来实现上文提及的特性中的至少一者。
第一解决方案在于对线性调频脉冲及光谱重塑实行正确管理。此第一解决方案相当适用于实现中间距离(通常介于100km与300km之间)及/或允许通过双重调制减小光谱展宽。但是其引发太低的DER。
第二解决方案在于使用电吸收调制器(或EML)。但是其归因于吸收到调制器中而引发光学功率的损耗。为了改进所述情形，可使用无源锥形区段且生长用于激光及调制器的不同材料。但是此提高了技术复杂度且造成高消耗的3-区段装置。
第三解决方案在于使用具有光学频谱重塑器的集成式线性调频脉冲管理激光(或CML)以提高色散容限。然而，作为目标的传输距离范围(从200km到600km)远远超过了光学接入网络标准。此外，此解决方案使得必须精确调谐激光波长以适应光学频谱重塑器特性，这需要使用复杂的反馈环路，所述反馈环路使得极长距离网络可行但是不适用于低成本应用。
第四解决方案在于使用具有用于信号频谱滤波的直接调制激光(或DML)及自由空间光学器件组合件的混合集成的传输器光学子组合件(或TOSA)。此解决方案完全符合距离传输及DER要求，但是其主要缺点是模块封装的复杂度，这是因为要求晶片上激光与自由空间光学器件精确对准，从而引发了可限制光学接入网络中的严格光学预算建议的额外耦合损耗。此外，已实现的性能仅仅可借助于复杂且消耗功率的电子色散补偿(或EDC)系统而变得可行。
第五解决方案在于使用平面光波回路(或PLC)。此允许在没有任何光学或电色散补偿的情况下实现10Gb/s的300km传输。然而，制造及使用表现为复杂的，因为要求两个监测端口光电二极管，且由于在硅平台上基于III-V半导体的激光的混合集成，预期高的插入损耗。
发明内容
因此本发明的目的是为了改进所述情形，且尤其允许单模光纤(或SMF)的在至少40km上、具有高于6dB的消光比及高输出功率(或高光学预算)的数据传输。
在实施例中，一种发射装置旨在提供具有已选波长的光子，且包括：
-InP衬底，其具有经布置用于产生通过(典型)不归零(或NRZ)调制进行调制的光子以产生待传输的数据的直接调制激光(或DML)，所述直接调制激光的有源结构外延地生长在所述InP衬底上，
-无源环形谐振器，其界定在所述InP衬底的无源区段中，通过在所述InP衬底的有源及无源区段两者中实行p掺杂再生长且接着对所述InP衬底的无源区段进行氢化以使所述再生长的所述p掺杂不作用，所述无源环形谐振器与所述直接调制激光单片地集成，所述无源环形谐振器在若干谐振中具有用于滤波由所述数据调制引发的零级的谐振；及
-调谐构件，其沿此直接调制激光及/或围绕此环形谐振器布置以调谐所述光子波长及/或所述用于滤波的环形谐振器谐振。
此允许生产可与现有封装解决方案兼容的简易、低成本及低消耗装置，例如晶体管外形罐(或TO罐)模块。
所述可调发射装置可包含单独考虑或组合的额外特性，且尤其：
●其环形谐振器可对接到其直接调制激光以减小插入损耗；
●在第一实施例中，其调谐构件可包括沿其直接调制激光及/或围绕其环形谐振器布置且界定珀尔贴加热器(Peltier heater)的加热电极；
●在第二实施例中，其调谐构件可包括界定到其直接调制激光中的受控相移区段；
●其直接调制激光可由多量子井或断量子线(quantum dash)有源层结合优化掩埋式脊条(buried ridge stripe)(或BRS)技术而制成以得到低电带宽；
●其直接调制激光可具有包括在约1GHz与8GHz之间的绝热线性调频脉冲；
●其还可包括第一半导电光学放大器(或SOA)，所述第一半导电光学放大器界定在其环形谐振器内部以更改光学损耗且经布置用于调整开/关比特性及陡峭斜率特性以更改光学损耗。此可在不需要额外技术步骤的情况下进行，因为SOA材料可与直接调制激光的材料相同。开/关比特性是环形谐振器的传送功能的每次谐振中的传输最大值与最小值之间的对比度值；
●其还可在其环形谐振器之后包括无源锥形区段；
●其还可包括集成式光电二极管，所述集成式光电二极管是界定在其直接调制激光上方且经布置用于监测光学功率；
●其可还包括第二半导电光学放大器，所述第二半导电光学放大器是界定在其环形谐振器下方且经布置用于补偿光学损耗。
又另一实施例包括一种用于生产发射装置的方法，其包括以下步骤：
-在所述InP衬底上执行所述直接调制激光的有源结构的外延生长，
-实行对接以允许无源环形谐振器的无源结构的生长，
-将布拉格阵列(Bragg array)界定到所述直接调制激光的所述有源结构中以界定DFB类型的直接调制激光，
-界定有源及无源带、具有环状且是所述无源环形谐振器的部分的波导及将所述直接调制激光耦合到所述无源环形谐振器的波导，所述波导与所述无源环形谐振器相切，
-在所述有源及无源区段两者中实行p掺杂再生长，
-界定用于所述直接调制激光的金属接触件，
-在所述无源环形谐振器附近界定金属加热电极，
-对所述无源区段执行氢化以使所述再生长的p掺杂不作用。
附图说明
现在将仅借助于实例且参考附图描述可调发射装置的一些实施例，在附图中：
-图1以俯视图示意地说明调谐发射装置的实施例的第一实例，及
-图2以俯视图示意地说明调谐发射装置的实施例的第二实例。
具体实施方式
下文尤其揭示了一种旨在提供具有已选波长的光子的调谐发射装置1。
此调谐发射装置1可为光电组件的部分，例如(例如)晶体管外形罐(或TO罐)模块。一般来说，其可在光学接入网络中使用，所述光学接入网络例如无源光学网络(或PON)且尤其(但不限于)下一代PON，且尤其XG-PON1或NG-PON(“N千兆位PON”)。
图1及2中示意地说明根据本发明的实施例的调谐发射装置1的实例。如此类非限制性实例中所说明，调谐发射装置1包括具有至少直接调制激光(或DML)3的InP衬底2、无源环形谐振器4及调谐构件。
直接调制激光(或DML)3界定到InP衬底2上且经布置用于产生通过(典型的)不归零(或NRZ)调制进行调制的光子以产生待传输的数据。因此，对由DML 3产生的光学功率写入的数据调制是通过“1”及“0”的序列进行。
DML 3呈现对谐振频率的极有效阻尼且因此呈现低瞬时线性调频脉冲(通常<2GHz)。其是主要问题，因为瞬时线性调频脉冲对通过单模光纤(或SMF)的数据传输极为不利。
为了减小瞬时线性调频脉冲，DML 3可由多量子井(或MQW)或断量子线(或QDash)有源层结合优化掩埋式脊条(或BRS)技术而制成，以得到低电带宽。
优选地，DML 3经布置以展示包括在约1GHz与约8GHz之间且可能介于约1GHz与5GHz之间的绝热线性调频脉冲。此值区间允许容易地使DML 3与环形谐振器4一起运行。绝热线性调频脉冲越大，谐振斜率就必须越低以得到类似消光比值。
无源环形谐振器4被界定到无源区段中的InP衬底2上、与DML 3单片地集成且在若干谐振中具有用于滤波由数据调制引发的零级的谐振。
换句话来说，当“1”及“0”的序列行进通过滤波器(即，环形谐振器4)时，每一“1”级受到的衰减低于“0”级，从而引发所述两个级之间的对比度提高且因此允许由环形谐振器4滤波零级。
此耦合是经由波导9进行，所述波导9被界定到无源区段中的InP衬底2上、由DML3馈入光子且与环形谐振器4相切。
优选地，此环形谐振器4在无源材料中对接到DML 3以减小插入损耗。实际上，波导9及环形谐振器4必须呈现尽可能低的损耗以保持高的光学功率。为此，它们必须被设计在无源材料中，无源材料意指不吸收光学功率的材料(典型为较高带隙能量半导体)。
应特别注意的是，环形谐振器4仅仅用于借助于谐振滤波由标准的不归零调制引发的零级，以提高动态消光比(或DER)而非补偿光纤色散。如同在现有技术的CML第三解决方案中，后者将需要过于精细地调谐标准量具及复杂的反馈环路。环形谐振器4的滤波操作从属于其特性斜率的陡峭性，所述特性斜率优选地包括在1GHz与6GHz之间，且如果可能介于1GHz与4GHz之间，以便可与DML 3的绝热线性调频脉冲及光学接入网络中的光纤长度兼容。
还应特别注意的是，DML 3及环形谐振器4一起紧密结合地操作以优化光子传输。
调谐构件5被界定到InP衬底2上且沿DML 3及/或围绕环形谐振器4布置以调谐光子波长及/或用于滤波的环形谐振器谐振。
最后一句意味着调谐构件5沿DML 3布置以调谐光子波长并同时考虑由环形谐振器4实行的不可调滤波，或沿环形谐振器4布置以调谐滤波并同时考虑由DML 3产生的光子的不可调波长，或沿DML 3且围绕环形谐振器4布置以不仅仅调谐光子波长而且调谐滤波。将调谐构件一起使用在简单性及成本降低方面的吸引力不大，因为必须使用两个不同电极。
如图1及2的非限制性实例中所说明，调谐构件5可包括沿DML 3及/或围绕环形谐振器4布置且界定珀尔贴加热器的加热电极。
热调谐环形谐振器可包括界定在其顶部上且界定加热电极的集成式电阻器及界定在集成式电阻器上且旨在被馈入电流的导电层，所述电流经布置用于引发谐振器的相关集成式电阻器的热活动。环形谐振器4的谐振波长与环的周长直接相关。由于波导材料的折射率随着温度变化，可通过使用金属薄膜电阻器的自由载流子注入调整滤波(即，谐振)。
例如，在电阻式加热电极5具有100Ω的典型值的情况下，在将加热电极5放置成距DML 3 20μm时，要求通常等于300mW的功率消耗以使DML波长移位1nm。如果调谐DML 3，那么可增加电阻式加热电极5的宽度及/或厚度或可将其移动成进一步远离DML 3以增加电流步长以获得0.1℃移位，或如果调谐环形谐振器4，那么可仅仅加热其小角度区段。
但是在未说明的变型中，调谐构件5可包括界定到DML 3中的受控相移区段。此相移区段通常可由无源材料制成，电流被注入所述无源材料以产生载流子等离子体，从而导致折射率变化且因此导致波长变化。
作为相移区段的加热电极5仅仅需要几毫安来提供所要求的调谐(对于400μm半径(的环形谐振器4)，通常小于约33GHz)。要重申的是，环形谐振器谐振之间的波长差值是环周长的函数(对于400μm半径，波长差值通常为33GHz)。因此，在谐振是周期性的情况下，谐振或激光波长的最大移位是自由光谱范围(即，谐振的周期)以恢复正确的激光波长/谐振定位。
一或多个额外元件可任选地添加到发射装置1以优化光眼重塑以便数据传输。
例如且如图2中所说明，当需要更严格的性能控制时，发射装置1还可包括界定在环形谐振器4内部以更改光学损耗的第一半导电光学放大器(SOA)6。其功能由此是调整开/关比特性及环形谐振器4的陡峭斜率特性以优化传输。开/关比特性是环形谐振器4的传送功能的每次谐振中的传输的最大值与最小值之间的对比度值。
此任选第一SOA 6可经有利地界定而不需要额外技术步骤，因为SOA材料可与用于界定DML 3的材料相同。
还应当注意的是，在环形谐振器4之后还可任选地在发射装置1中界定无源锥形区段。其功能是扩展所引导的光模以减小其发散性并改进与例如光纤的耦合以减小插入损耗。其仅仅是通过逐渐地减小波导的宽度以迫使光模下移并扩展而进行。
此外例如且如图2中所说明，发射装置1可任选地包括界定在DML 3上方且经布置用于在必要时监测光学功率的集成式光电二极管7。此任选后光电二极管7可经有利地界定而不需要额外技术步骤，因为光电二极管材料可与用于界定DML 3的材料相同。
此外例如且如图2中所说明，发射装置1可任选地包括界定在环形谐振器4下方且在输出之前且经布置用于补偿光学损耗的第二半导电光学放大器(或SOA)8。此任选第二SOA 8也可经有利地界定而不需要额外技术步骤，因为SOA材料可与用于界定DML3的材料相同。
当发射装置1包括第二SOA 8及锥形区段时，锥形区段刚好界定在第二SOA 8之后(或下方)。
发射装置1的简易配置尤其对必须避免昂贵的筛选步骤的生产活动具有极大厉害关系。实际上，整个晶片上的组件的定性可仅仅通过使用简易测量而进行。例如，单个DML的定性需要通过简易静态特征化来估算激光波长、阈值电流、光学功率、边模抑制比(或SMSR)，所述特征化可容易对发射装置1实行。实际上，可在发射装置1的输出处或甚至在发射装置1的后腔面处测量DML筛选，环形谐振器筛选可通过简易调谐电流估算来进行，因为激光波长严格定位的问题可缩减为功率调整及因此对功率变动的评估，环形谐振器峰值可通过静态功率测量来精确地识别且因此通过恢复先前在真实传输实验中估算的功率变动来精确地识别调谐电流。在任何情况下，调谐电流限于低值，这是因为环形谐振器响应是周期性的(对于400μm半径，周期约33GHz)。因此，整个晶片内的激光波长变动(小于+/-0.1nm)及环形谐振器峰值的绝对位置可总是通过调谐操作及环形谐振器4的谐振峰值的周期性来弥补，从而使发射装置1容忍有效折射率的任何变动。
例如，发射装置1可通过实施下文描述的方法来生产。
所述方法的第一步骤在于在InP衬底2上外延生长DML 3的有源结构。例如，生长MQW或量子盒。
所述方法的第二步骤在于实行对接以允许无源结构的生长。为此，可首先将电介质层铺设在有源结构的顶部上，且接着可实施光刻步骤以界定其中必须界定有旨在接纳无源结构的孔的位置。接着例如通过反应性离子蚀刻(或RIE)或感应式耦合等离子体(或ICP)或化学蚀刻来蚀刻有源结构以界定此类孔，且通过外延将无源结构界定到已蚀刻的孔中。最后取回电介质层的剩余部分。
所述方法的第三步骤在于将例如布拉格阵列界定到有源结构中以界定分布式反馈(DFB)类型的DML 3。
所述方法的第四步骤在于界定有源及无源带及尤其具有环状的波导(是环形谐振器4的部分)及将DML 3耦合到环形谐振器4并与后者(4)相切的波导9。波导与环形谐振器4之间的典型距离是100nm到1000nm。
所述方法的第五步骤在于(例如)在有源及无源区段两者中实行p掺杂再生长。这需要精确地控制再生长参数以得到环形谐振器4的波导部分周围的最优生长形态以便进行特定结晶定向。
所述方法的第六步骤在于界定用于DML 3的金属接触件。
所述方法的第七步骤在于(例如)在环形谐振器4附近界定金属加热电极5。这需要精确地校准此类金属加热电极5的电阻以针对给定的耗散电功率而得到环的适当加热。
所述方法的第八步骤在于(例如)对无源区段氢化以使得再生长的p掺杂不作用。这需要精确地校准剂量、时间及氢化功率以限制环形谐振器4内部的光模的吸收损耗。
在由上文描述的方法提供的发射装置1中，直接调制激光3是外延生长在InP衬底的有源区段中的有源结构，而环形谐振器4是界定在InP衬底的无源区段中且与所述直接调制激光3单片集成的无源结构。
本发明提供若干优点，其中：
-简易调谐构件促进优化到光纤中的传输及用于生产阶段的最终筛选，
-通过DML与环形谐振器的整片集成(利用对接耦合或硅石PLC杂交)减小光学耦合损耗，
-无需使用复杂且消耗功率的电子反馈环路，
-仅仅具有两次外延生长的简易技术方法，
-其可用于通过优化环形谐振器陡峭斜率覆盖大的距离(通常至少100km)，
-其可用于通过尤其在其临界耦合条件附近利用环形谐振器负色散来补偿色散，
-在单片集成的情况中，改变操作温度将类似地影响环形谐振器及激光的有效折射率，从而保持激光波长与环形谐振常数之间的解谐。因而，预期甚至对于未冷却操作也维持优化传输性能。
所属领域技术人员应当明白的是，本文的任何框图表示体现本发明的原理的说明性电路的概念图。
描述及图式仅说明本发明的原理。因此，应当明白的是，所属领域技术人员将能够设计体现本发明的原理且包含于本发明的精神及范围内的各种布置(虽然本文未明确描述或示出)。此外，本文所叙述的全部实例主要地明确地仅旨在用于教学目的以有助于读者理解本发明的原理及由发明者贡献的促进此项技术的概念，且不应被视为受限于此类具体叙述的实例及条件。此外，本文叙述本发明的原理、方面及实施例以及本发明的特定实例的全部陈述旨在涵盖本发明的等效物。

Claims (11)

1.一种用于递送具有已选波长的光子的发射装置，所述发射装置(1)包括：
i)InP衬底(2)，其具有经布置用于产生通过不归零调制进行调制的光子以产生待传输的数据的直接调制激光(3)，所述直接调制激光(3)的有源结构外延地生长在所述InP衬底(2)上，
ii)无源环形谐振器(4)，其界定在所述InP衬底(2)的无源区段中，通过在所述InP衬底的所述有源及无源区段两者中实行p掺杂再生长且接着对所述InP衬底的所述无源区段进行氢化以使所述再生长的所述p掺杂不作用，所述无源环形谐振器(4)与所述直接调制激光(3)单片地集成，所述无源环形谐振器(4)在若干谐振中具有用于滤波由所述数据调制引发的零级的谐振；及
iii)调谐构件(5)，其沿所述直接调制激光(3)及/或围绕所述环形谐振器(4)布置以调谐所述光子波长及/或所述用于滤波的环形谐振器谐振。
2.根据权利要求1所述的发射装置，其中所述环形谐振器(4)对接到所述直接调制激光(3)以减小插入损耗。
3.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中所述调谐构件(5)包括沿所述直接调制激光(3)及/或围绕所述环形谐振器(4)布置且界定珀尔贴加热器的加热电极。
4.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中所述调谐构件(5)包括界定到所述直接调制激光(3)中的受控相移区段。
5.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中所述直接调制激光(3)是由多量子井或断量子线有源层结合优化掩埋式脊条技术而制成。
6.根据权利要求5所述的发射装置，其中所述直接调制激光(3)具有包括在约1GHz与8GHz之间的绝热线性调频脉冲。
7.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中其还包括第一半导电光学放大器(6)，所述第一半导电光学放大器(6)界定在所述环形谐振器(4)内部以更改光学损耗且经布置用于调整开/关比特性及陡峭斜率特性以更改光学损耗。
8.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中其还在所述环形谐振器(4)之后包括无源锥形区段。
9.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中其还包括集成式光电二极管(7)，所述集成式光电二极管(7)是界定在所述直接调制激光(3)上方且经布置用于监测光学功率。
10.根据权利要求1和2中任一权利要求所述的发射装置，其中其还包括第二半导电光学放大器(8)，所述第二半导电光学放大器(8)是界定在所述环形谐振器(4)下方且经布置用于补偿光学损耗。
11.一种用于生产发射装置(1)的方法，其包括以下步骤：
在InP衬底(2)上执行直接调制激光(3)的有源结构的外延生长，
实行对接以允许无源环形谐振器(4)的无源结构的生长，
将布拉格阵列界定到所述直接调制激光(3)的所述有源结构中以界定DFB类型的直接调制激光(3)，
界定有源及无源带、具有环状且是所述无源环形谐振器(4)的部分的波导及将所述直接调制激光(3)耦合到所述无源环形谐振器(4)的波导(9)，所述波导(9)与所述无源环形谐振器(4)相切，
在有源及无源区段两者中实行p掺杂再生长，
界定用于所述直接调制激光(3)的金属接触件，
在所述无源环形谐振器(4)附近界定金属加热电极(5)，
对所述无源区段执行氢化以使所述再生长的所述p掺杂不作用。
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