CN107490822A - 光器件、可调光源和光发送器 - Google Patents

光器件、可调光源和光发送器 Download PDF

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Abstract

光器件、可调光源和光发送器。所公开的光器件包括在半导体基板上设置在分支部分与复用部分之间的第一波导，以及设置在分支部分与复用部分之间的第二波导，第二波导比第一波导长。在光器件中，第一波导的光限制效应大于第二波导的光限制效应，第一波导具有第一曲率半径(Rs)的弯曲，第二波导具有第二曲率半径(R1)的弯曲，并且第一曲率半径小于第二曲率半径。

Description

光器件、可调光源和光发送器
技术领域
本文所讨论的实施方式涉及光器件、可调光源和光发送器。
背景技术
应用波分复用(WDM)来实现高容量光通信。WDM技术采用振荡不同波长的光的可调光源(TLS)。在某些情况下，可以在可调光源中设置用于波长控制的波长监测器。波长监测器通过例如具有恒定周期性透射光谱的波长滤波器和光电二极管(PD)来实现。可以通过周期性透射光谱获得具有不同波长的光。延迟干涉仪被用作周期性透射光谱的波长滤波器。
为了以高精度控制波长，期望波分复用光源的波长滤波器具有约1nm或更小的自由光谱范围(FSR)。基于延迟干涉仪的延迟量来确定该FSR。
在相关技术的WDM技术中，已经使用了基于具有形成在石英基板上的光学电路的平面光波电路(PLC)的可调光源。考虑到缩小器件，期望通过硅光子技术形成谐振器或波长滤波器。在延迟干涉仪由硅(Si)波导形成的情况下，可以通过将两个臂长之间的差设定为约0.5mm至1mm来获得1nm的FSR。
然而，硅(Si)的热光系数大于PLC波导的热光系数，并且延迟量可能由于温度变化而变化。热光系数表示光学性质(诸如，折射率)的温度依赖性。当使用具有比石英更大的热光系数的硅时，由于温度变化，波长滤波器的峰值波长趋向于偏移。
图1示出了用于消除由于温度变化引起的延迟量的变化的相关技术的构造示例。在形成延迟干涉仪110的两个波导112和113中，较短波导112的芯的宽度Ws比长波导113的芯的宽度W1更厚。该构造使得两个波导112与113之间发生的温度依赖性变化的差异将被抵消，以使光学长度的温度依赖性大致相同(参见例如专利文献1和专利文献2)。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开2011/0102804A1
专利文献2：日本特开专利公开No.2011-158730
发明内容
根据实施方式的一方面，一种光器件包括在半导体基板上设置在分支部分与复用部分之间的第一波导；以及设置在分支部分与复用部分之间的第二波导，第二波导比第一波导长。在光器件中，第一波导的光限制(optical confinement)效应大于第二波导的光限制效应，第一波导具有第一曲率半径(Rs)的弯曲，第二波导具有第二曲率半径(R1)的弯曲，并且第一曲率半径小于第二曲率半径。
下面描述的实施方式和变型例可以实现紧凑且温度依赖性低的光器件。
附图说明
图1是具有降低的温度依赖性的相关技术的延迟干涉仪的示意图；
图2是根据实施方式的应用了延迟干涉仪的可调光源的构造图；
图3是示出将相关技术的构造的延迟干涉仪应用于本实施方式的可调光源的情况下的技术问题的图；
图4是根据实施方式的使用延迟干涉仪的可调光源的示意图；
图5是沿图4的V-V线截取的截面图；
图6是示出用于改变两个波导之间的光限制的另一构造示例的图；
图7是示出用于改变两个波导之间的光限制的又一构造示例的图；
图8是示出用于改变两个波导之间的光限制的另一构造示例的图；
图9是示出根据实施方式的光器件的第一变型例的图；
图10是示出根据实施方式的光器件的第二变型例的图；
图11是示出根据实施方式的光器件的第三变型例的图；以及
图12是使用实施方式的光器件的光发送器的示意图。
具体实施方式
为了将图1的延迟干涉仪应用于硅波导的波长滤波器以在保持1nm或更小的FSR的同时消除温度变化的影响，较短波导112的长度需要为0.5mm至1mm，并且较长波导113的长度需要大约是较短波导112的长度的两倍。因此，两个波导112和113被弯曲并如图1所示设置。在这种情况下，延迟干涉仪所占据的面积增加，并且器件尺寸增加。
此外，当将延迟干涉仪用作可调光源的波长滤波器时，经受电流注入的受激发射介质用作热源，并且在两个波导112与113之间容易发生温差。结果，滤波器的峰值波长容易随温度变化而偏移。
因此，本实施方式的目的是实现尺寸小且对温度具有低依赖性的光器件。
在描述本实施方式的构造和方法之前，将图1的延迟干涉仪应用于本实施方式的可调光源的技术问题将参照图2和图3来更详细地描述。
图2是用作可调光源的光源芯片的示意图。该可调光源具有由半导体光学放大器(SOA)21和谐振器23形成的光源、以及波长监测器24。由光源产生的光的一部分通过耦合器22被分支并被输入到波长监测器24中。波长监测器24包括波长滤波器和光电检测器(PD)25。光电检测器25的输出表示监测信息，并且被反馈到谐振器23以控制光源的波长。
更具体地，作为载流子注入的结果，由SOA 21引发(induced)并发射的光被引导到谐振器23，并且特定波长的光被谐振、放大和激光振荡。在SOA 21的发射端处形成高反射膜HR，并且向谐振器23的面向SOA 21的表面应用抗反射(AR)涂敷。在谐振器23的与面向谐振器23的SOA 21的表面相反的端部处形成反射部(诸如，分布式布拉格反射器)。激光谐振器由SOA 21的HR涂敷的表面和谐振器23的反射部形成。
激光振荡光的一部分被输入到波长监测器24。在波长监测器24中使用的波长滤波器具有周期性透射光谱，并且可以过滤多个波长的光。
图3示出了当图1的延迟干涉仪110被应用于图2的可调光源的波长滤波器时的构造。基板20上的渐变示出温度梯度(gradient)。较暗部分表示较高的温度区域；颜色越浅，温度越低。SOA 21例如由磷化铟(InP)系化合物半导体形成，并且具有高发光效率；然而，在对光发射没有贡献的部分中的电流变热并退出。即使当设置了用于稳定激光器的振荡频率的温度控制机构时，SOA 21也用作热源，并且在其上形成有波导112和113的基板20中产生温度梯度。基板20的温度梯度随着注入到SOA21中的电流的波动和环境温度的变化而改变。
在形成波长滤波器的延迟干涉仪110的波导中，可以通过增加较短波导112的宽度Ws来增加光限制，这可以增加有效的热光系数。通过相对于波导112的温度变化增加折射率的变化，可以使由于温度变化引起的波导112的光学长度的变化等于波导113中发生的变化，以便消除延迟量的变化。
然而，当延迟干涉仪110的两个波导112和113如图2所示分离地布置时，由于作为热源的SOA 21的影响，波导112与波导113之间的温差变大。结果，尽管调整了热光系数，但是波长滤波器的峰值波长相对于温度变化倾向于偏移。
为了控制图3的构造中的温度变化的影响的同时缩短波导112和113的长度，优选的是减小较长波导113的宽度W1。然而，当波导113变薄时，光限制减小并且弯曲损耗增加。因此，在本实施方式中，如下面将要描述的，可以通过设计波长滤波器的布置和构造来实现尺寸小且呈现受控温度依赖性的光器件。
图4是根据实施方式的可调光源1A的示意图。可调光源1A具有由SOA 21和谐振器23形成的外部谐振器激光元件(光源)以及作为光器件的延迟干涉仪10A。SOA 21是由在图4的示例中安装在硅基板20上的化合物半导体形成的受激发射介质芯片。SOA 21例如设置在形成在基板20上的平台上，并且SOA21的有源层与形成在基板20上的波导15沿基板20的高度方向(Z方向)和平面(XY平面)方向对齐。SOA 21经由波导15光耦合到谐振器23。可以采用可选构造作为谐振器23；例如，可以使用这样的构造：其中具有预定周长的环形或跑道形波导与分布式布拉格反射器组合。
从SOA 21激发并发射并且在谐振器23的谐振频率下被放大的光从SOA 21的一端输出。具有谐振波长的光的一部分被耦合器22(诸如，定向耦合器)分支，并被输入到延迟干涉仪10A中。
延迟干涉仪10A具有在解复用器11与复用器14之间延伸的第一波导12和第二波导13，并且由于延迟干涉而作为具有周期性透射光谱的波长滤波器操作。解复用器11和复用器14例如是硅平板波导。第一波导12和第二波导13是硅芯波导。第一波导12的长度比第二波导13的长度短。根据目标FSR确定第一波导12与第二波导13之间的长度差ΔL。
第一波导12的宽度大于第二波导13的宽度。根据峰值波长相对于温度的目标偏移量(nm/T)来设置第一波导的宽度和第二波导13的宽度。作为示例，将峰值波长的目标偏移量(温度依赖性)设置为约0.02nm/℃。根据该目标值，增加第一波导12的宽度，使得在第一波导12与第二波导13之间光学长度的温度依赖性被调整为相等。第二波导13的宽度可以根据需要变窄。当第一波导12的芯的宽度变得太大时，第一波导12可能会变成多模。当第二波导13的芯的宽度变得太小时，光限制变弱并且发生损耗。因此，在从降低峰值波长的温度依赖性和具有低损耗的单模透射性的观点来看适当的范围内，调整第一波导12和第二波导13的宽度。
穿过具有由波导之间的长度差ΔL确定的周期性透射光谱的延迟干涉仪10A的光被光电检测器(PD)25检测。将检测结果提供至外部控制IC(集成电路)70，并根据该检测结果来控制谐振器23的谐振频率。可以例如通过控制设置在形成谐振器23的环形或跑道形波导中的加热器的加热温度来控制谐振频率。
在一个实施方式中，较短的第一波导12包括具有曲率半径Rs的弯曲，并且较长的第二波导13包括具有曲率半径R1的弯曲13a。R1被设置为大于Rs(Rs<R1)。通过设置大于Rs的R1来控制第二波导13的弯曲损耗，这使得芯的宽度能够尽可能小。可以通过减小第二波导13的宽度来减小由于温度变化引起的折射率变化的影响，从而防止波导长度的增加。
在图4的示例中，第二波导13包括具有两个或更多个转弯的蛇形波导，并因此在蛇形波导部分中具有两个或更多个曲率13a。尽管每个曲率13a的曲率半径R1未必相同，但每个曲率半径R1都被设置为大于第一波导12的弯曲的曲率半径Rs。
第一波导12足够厚，以便不产生多模并呈现出强的光限制。即使当使第一波导12的曲率半径Rs小于第二波导13的曲率半径R1时，该构造也不容易受到弯曲损耗的影响。可以通过减小第一波导12的弯曲半径Rs来减小可调光源1A的尺寸。
延迟干涉仪10A设置在与充当基板20上的热源的SOA 21对角的位置处。即使当第一波导12和第二波导13由硅形成时，也可以通过将延迟干涉仪10A设置在离SOA 12最远的位置来防止由电流的变化或环境温度的变化引起的温度梯度的变化的影响。
在图4的示例中，具有不同曲率半径的第一波导12和第二波导13在SOA 21的对角位置处彼此靠近地布置，使得可调光源1A被制成是紧凑的。可以通过在基板20的相同区域内彼此靠近地设置第一波导12和第二波导13来控制由温度梯度的变化引起的滤波器波长的偏移。
应注意的是，可以在第一波导12与第二波导13之间保持不发生光耦合的距离。第一波导12与第二波导13的最靠近第一波导12的部分之间的距离S期望地小于第二波导13的曲率半径R1的两倍(S<2×R1)。距离S表示第一波导12的中心与第二波导13的中心之间的距离。两个波导12和13被布置在温度分布近似的各区域中，以便通过使第一波导12与第二波导13的最靠近第一波导12的部分之间的距离S小于第二波导13的弯曲部分所占据的区域的尺寸来降低温梯度的影响。
图5是沿图4的V-V线截取的截面图。BOX(隐埋氧化物)层201设置在硅基板20上，并且由硅制成的第一波导12和第二波导13形成在BOX层201上。第一波导12和第二波导13各自被披覆层202覆盖，该披覆层202具有低于硅的热光系数的热光系数。披覆层202例如由二氧化硅(SiO2)制成。由BOX层201和披覆层202包围的由硅制成的第一波导12和第二波导13用作光传播的核心。BOX层201和披覆层202的热光系数低于硅的热光系数，并且比硅更不易受温度变化的影响。
第一波导12沿与光轴正交的方向具有宽度Ws。第二波导13沿与光轴垂直的方向具有宽度W1。宽度Ws大于宽度W1。可以降低形成波长滤波器的延迟干涉仪10A的温度依赖性，并且可以通过改变第一波导12和第二波导13的芯的宽度来减小可调光源1A的尺寸，以便改变光限制的特性并获得图4的平面布置。
作为改变第一波导12和第二波导13的光限制的方法，除了使芯的宽度不同之外，还可以改变两个波导之间的芯的高度、波导的形状等。
图6示出了第一波导12与第二波导13之间的芯的高度不同的示例。使短的第一波导12的高度ts高于长的第二波导13的高度t1。增加第一波导12的高度以增强光限制，这可以增加由于温度变化所引起的折射率变化；从而通过使第一波导12的光学长度的变化等于第二波导13的光学长度的变化来消除延迟量的变化。
图7示出了改变光限制以使得在第一波导12与第二波导13之间宽度和高度二者都不同的示例。第二波导13的宽度W1比第一波导12的宽度Ws窄，并且第二波导13的高度比第一波导12的高度矮。
在图7的构造中，通过改变硅芯的宽度和高度来增加作为每单位长度的折射率变化的平衡。因此，可以实现具有较短波导的布局。
图8示出了在第一波导12与第二波导13之间波导的类型不同的示例。第一波导12由呈现出高光限制效应的脊硅芯形成。第二波导13由细线硅芯形成。第一波导12的脊部的宽度Ws大于第二波导13的宽度W1。该构造还可以增大作为每单位长度的折射率变化的平衡，并且可以实现具有较短波导的布局。
在图6至图8的构造示例中的任何一个中，第二波导13的弯曲的曲率半径R1都大于第一波导12的弯曲的曲率半径Rs。第一波导12与第二波导13的最靠近的部分的中心之间的距离S大于两个波导彼此光耦合的距离，并且小于第二波导13的曲率半径R1的两倍。该构造可以控制延迟干涉仪10A的温度依赖性并且可以实现光器件10A的紧凑尺寸。
变型例1
图9示出了作为可调光源1A的变型示例的可调光源1B。可调光源1B具有延迟干涉仪10B作为用于执行可调滤波的光器件。延迟干涉仪10B具有第一波导12和比该第一波导12长的第二波导33。在第二波导33中，曲率33a的宽度被形成为大于直线部分的宽度。这种构造可以减小第二波导33的弯曲损耗，以使得能够减小曲率半径R1。第二波导33的部分宽度变化可以通过硅光子技术的图案曝光和显影来容易地执行。
关于第一波导12，波导之间的延迟特性适应于第二波导33的平均宽度。与图4的构造相比，变型示例1中的第二波导33的长度稍长，并且第二波导33具有宽度部分地变宽的区域；然而，相对于光器件1B整体，可以获得降低弯曲损耗的效果以及减小器件尺寸的效果。
第一波导12和第二波导33的高度可以相同。第二波导33可以如图7中所示被形成为比第一波导12矮，以获得曲率33a的宽度增大的构造。该构造还可以在降低第二波导33的温度依赖性的同时控制弯曲损耗。
由光电检测器(PD)25检测延迟干涉仪10B的输出。检测结果被输入到控制IC70，使得谐振器23的谐振波长被控制。除了第二波导33的弯曲部分的形状之外的部分与图4的构造相同，并因此省略了重复的描述。
变型例2
图10示出了作为可调光源1A的又一变型示例的可调光源1C。作为受激发射介质的SOA 21不一定必须安装在基板20上；如图10所示，SOA 21可以设置在基板20的外部。在这种情况下，SOA 21的有源层和形成在基板20上的波导15被对接耦合(butt-couple)。由SOA 21通过载流子注入激发并发射的光在谐振器23的反射部与SOA 21的输出端之间被重复地反射，并且在谐振器23的谐振波长处被放大，以引起激光振荡。激光的一部分被引导到用延迟干涉仪10A形成的波长滤波器，并且波长由波长滤波器和光电检测器(PD)25监测。光电检测器(PD)25的输出被输入到控制IC 70，使得谐振器23的波长受到反馈控制。
波长滤波器具有基于延迟干涉仪10A的光程长度差所确定的FSR，并且以FSR的间隔周期性地出现传输(纵向模式)的峰值。在本实施方式的延迟干涉仪10A中，两个波导之间的光限制的特性被区分，以便补偿由于温度变化所引起的延迟量的变化，并且具有满足预定条件的弯曲的曲率半径。结果，可以在减小光源芯片的尺寸的同时控制由于温度变化所引起的峰值波长的偏移。另外，通过将SOA 21设置在基板20的外部，可以降低基板20上的热分布或温度梯度的变化。因此，可以进一步控制波长滤波器的峰值波长的偏移，从而实现稳定的波长控制。
通过使用图9的延迟干涉仪10B代替形成波长滤波器的延迟干涉仪10A可以获得相同的效果。
变型例3
图11示出了作为可调光源1A的还一变型示例的可调光源1D。除了图10的构造之外，可调光源1D还包括用于功率监测的第二光电检测器(PD)40。在基板20上形成波导16，以便将由SOA 21和谐振器23产生的输出光引导到第二光电检测器(PD)40。波导16从耦合器22的端口在波长滤波器的相反侧上延伸。与干涉仪不同，由于温度变化，对波导16的影响很小；因此，波导16比延迟干涉仪10A更靠近SOA 21。在图11的示例中，波导16形成在SOA 21与延迟干涉仪10A之间的基板20上。
用于波长监测的光电检测器(PD)25和用于功率监测的光电检测器(PD)40的输出端被连接到控制IC 70的输入端。可以通过使用由第二光电检测器(PD)40检测的光功率作为参考来实现高精度波长监测和控制。例如，控制谐振波长，使得由用于波长监测的光电检测器(PD)25检测到的光功率被设置为由第二光电检测器(PD)40检测到的功率监测值的一定比例的水平(例如，1/2水平)。结果，波长控制的标准被唯一地确定以稳定控制。第二光电检测器(PD)40的输出可以用于SOA21的光输出控制。
可以使用图9的延迟干涉仪10B来代替图11的延迟干涉仪10A。在这种情况下，从耦合器22朝向延迟干涉仪10B的相反侧延伸的波导16被设置在靠近SOA 21的位置，从而使得第二光电检测器(PD)40能够检测来自波导16的输出光。
应用于光发送器
图12是具有根据实施方式和变型例1至3的可调光源1A至1D的光发送器50的示意图。可调光源1A至1D的任何构造都可以应用于光发送器50，并且被称为通用术语“可调光源1”。
光发送器50包括具有成阵列的多个可调光源1的光源阵列51。除了根据所使用的波长调整谐振器23的谐振频率之外，每个可调光源1采用相同种类的光源。通过将谐振器23的谐振频率设置为期望值，可以获得被构造为输出不同波长的光的可调光源阵列。图12的示例示出了构造为输出波长λ1至λ4的光的4通道光源阵列51。由于每个可调光源1的温度依赖性在减小其尺寸的同时被控制，所以光源阵列51的尺寸也可以被减小。
多个可调光源1具有相同构造的波长滤波器。延迟干涉仪10A和10B中的任何一个都可以用作波长滤波器。设置波导12与13之间的长度差，使得波长滤波器的空间频率响应(SFR)适应于λ1至λ4的峰值波长间隔。另外，如上所述，控制峰值波长的温度依赖性，并且可以在周期性透射光谱中稳定地提取和监测具有λ1至λ4的波长的光。将监测结果提供至控制IC 70，并且针对每个可调光源1控制谐振器的谐振波长。
从光源阵列51输出的每个波长的光被输入到相应的光调制器52-1至52-4中。代表不同数据1至4的驱动信号被分别输入到调制相应波长的光的光调制器52-1至52-4中。每个波长的调制光通过复用器53被复用并通过一根光纤被传输。
如上所述，根据本实施方式的构造，可以实现尺寸小并且温度依赖性低的波长滤波器(光器件)。当波长滤波器用作用于光通信的可调光源时，可以减小光源的尺寸，并且另外还可以稳定且准确地监测输出波长。使用精确波长控制的多个波长的光源阵列可以提高WDM方案的通信质量。
在本实施方式中，具有SOA 21作为受激发射介质的外部谐振器激光光源的波长通过可调光源1A至1D来控制。然而，本实施方式并单不限于该示例。本实施方式的延迟干涉仪10A和10B的构造也可以应用于具有谐振功能的半导体激光器被用作受激发射介质的情况。例如，本实施方式也可应用于使用分布式反馈(DFB)区域和分布式布拉格反射器(DBR)区域交替设置的可调激光器作为光源的构造。另外，延迟干涉仪10A和10B可以应用于被构造成在受温度梯度变化影响的环境中以周期性波长间隔提取光的任何光器件。

Claims (14)

1.一种光器件，所述光器件包括：
第一波导，所述第一波导在半导体基板上设置在分支部分与复用部分之间；以及
第二波导，所述第二波导设置在所述分支部分与所述复用部分之间，所述第二波导比所述第一波导长，其中
所述第一波导的光限制效应大于所述第二波导的光限制效应，
所述第一波导具有第一曲率半径(Rs)的弯曲，
所述第二波导具有第二曲率半径(R1)的弯曲，并且
所述第一曲率半径小于所述第二曲率半径。
2.根据权利要求1所述的光器件，其中
所述第一波导与所述第二波导的最靠近部分的各自中心之间的距离(S)是在所述第一波导与所述第二波导之间不发生光耦合的距离，并且所述距离(S)小于所述第二曲率半径的两倍。
3.根据权利要求1或2所述的光器件，其中
所述第二波导包括具有两个或更多个折返的蛇形波导，并且所述蛇形波导包括两个或更多个弯曲，所述两个或更多个弯曲中的每一个的曲率半径大于所述第一曲率半径。
4.根据权利要求1所述的光器件，其中
所述第一波导的芯的宽度(Ws)被设置为大于所述第二波导的芯的宽度(W1)。
5.根据权利要求1所述的光器件，其中
所述第一波导的芯的高度被设置为大于所述第二波导的芯的高度。
6.根据权利要求1所述的光器件，其中
所述第一波导是脊波导，并且所述第二波导是细线波导。
7.根据权利要求6所述的光器件，其中
所述第一波导的脊部的宽度大于所述第二波导的宽度。
8.根据权利要求1所述的光器件，其中
所述第一波导和所述第二波导中的每一个都是硅波导。
9.一种可调光源，所述可调光源包括：
受激发射介质；以及
延迟干涉仪，所述延迟干涉仪接收由所述受激发射介质产生并以预定谐振波长放大的光的一部分，其中
所述延迟干涉仪具有形成在半导体基板上的第一波导和第二波导，
所述第一波导的长度比所述第二波导的长度短，
所述第一波导的光限制效应大于所述第二波导的光限制效应，
所述第一波导具有第一曲率半径(Rs)的弯曲，
所述第二波导具有第二曲率半径(R1)的弯曲，并且
所述第一曲率半径小于所述第二曲率半径。
10.根据权利要求9所述的可调光源，其中
所述受激发射介质和所述延迟干涉仪在所述半导体基板的主表面上被设置在对角位置处。
11.根据权利要求9或10所述的可调光源，所述可调光源还包括：
功率监测波导，所述功率监测波导在所述半导体基板上设置在所述受激发射介质与所述延迟干涉仪之间。
12.根据权利要求9所述的可调光源，其中
所述第二波导包括具有两个或更多个折返的蛇形波导，并且
所述蛇形波导包括两个或更多个弯曲，所述两个或更多个弯曲中的每一个的曲率半径大于所述第一曲率半径。
13.一种光发送器，所述光发送器包括：
根据权利要求9所述的可调光源，以及
光调制器，所述光调制器接收从所述可调光源输出的光。
14.根据权利要求13所述的光发送器，所述光发送器包括：
光源阵列，所述光源阵列包括设置为阵列的多个所述可调光源；以及
多个光调制器，所述多个光调制器接收从所述光源阵列输出的不同波长的光束。
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