CN108603980B - 具有介质结构的光子集成器件 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于生成单波长和多波长光学信号的光子集成器件（PID）。该PID包括分别具有第一和第二预定反射率的第一和第二反射结构。共用波导光学耦合至第一反射结构，并且至少一个半导体波导光学耦合至第二反射结构。该PID进一步包括设置在第一和第二反射结构之间的至少一个有源增益区。在各种实施例中，该PID包括基于介质波导的波长相关元件和介质布拉格堆叠中的至少一个。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成器件，并且更特别地涉及包括作为单波长和多波长光源的部分的在半导体衬底上的介质波导和介质结构的光子集成器件。
背景技术
单片集成包括光子集成电路（PIC）的光子集成器件（PID）以实现不同的光学功能。这些PIC使得能够使用高容量半导体晶圆制造技术来生产复杂的光学电路。进一步地，PIC提供减小部件占用空间并消除多个封装问题和多个光学对准。这些PIC在光学通信网络和消费类光子产品的大规模生产中找到应用。
在应用的上下文中，当有源波导器件（诸如激光器或光电探测器）与一个或多个无源波导器件和波导电路的元件组合以用最小的端口在芯片上形成高功能PIC时，PIC的优点变得尤其引人注目。通过电气装置来调制光学信号的有源波导器件通常由具有调整至它们的特定应用的功能和波长范围的带隙结构的人工生长的半导体制成。这样的半导体是对PIC的基础材料的自然选择。因此，基于半导体的PIC，其中在单个单片半导体芯片中实施诸如光学信号检测、光学调制、和光学信号发射之类的若干功能，是一种有前途的解决方案。进一步地，磷化铟（InP）以及其相关III-V半导体材料系统提供的附加的益处，因为它们允许制造在大约1300nm和1550nm的重要波长范围中（即在玻璃纤维的两个优势低损耗传输窗中）操作的有源器件。然而，即使这样的单片集成也可能提供具有差的设计方法、低的制造产量、复杂的制造工艺和重复的昂贵外延生长工艺的成本壁垒。因此，结合已建立的晶圆制造技术的单步外延晶圆生长方法已经作为一种用以进一步实现减小的光学部件成本的手段而受到关注。
备选地，可以采用砷化镓（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）来用于850nm和1300nm PIC。进一步地，可以通过利用采用铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）和磷（P）的其他三重和三元半导体材料来跨可见和近紫外范围采用PIC。由外延生长的半导体异质结构组成的PIC内的任何波导器件的功能是由其带结构、并且更特别地由波导芯层、包覆层和衬底的带隙波长预先确定的。因此，功能上不同的器件通常由不同但兼容的半导体材料制成，尽管通过目标设计，一些结构可以提供例如具有反向偏置极性的光学放大和光电探测。然而，衬底和波导设计的选择对PIC的设计和制造二者具有深远的影响。
在范围从波分复用器（WDM）、波分解复用器（也被称为WDM）、光学功率（信道）监测器、可配置光学分插复用器（ROADM）和动态增益（信道）均衡器（DGE/DCE）的若干PIC中，基于每个波长来对至少一个多波长信号进行光谱分散、检测、监测和处理。对于多波长信号的阵列，基于每个波长监测和处理多波长信号的阵列，然后使多波长信号的阵列复用以形成多波长输出信号。这样的PIC必须在预定信道波长计划上操作（即O波段（原始的；
）；E波段（扩展的；
）；S波段（短的；
）；C波段（常规的；
）；以及L波段（长的；
），因为通常从多个远程且分立的发射器来提供具有具体波长的光学信号。由国际电信联盟在ITU-T G.694.1“Spectral Grids for WDM applications: DWDMFrequency Grid.”中定义信道波长计划。相应地，这根据如下面示出的等式（1）来限定利用12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz的信道间隔的固定网格：
193.1THz + n*Spacing/1000 （1）
在这里Spacing（间隔）=12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz，并且在光谱的C和L波段内
；
还存在具有以
（在这里
，即6.25GHz中心）为中心的信道和由12.5GHz*m（在这里
）限定的信道带宽的灵活网格。作为对密集WDM（DWDM）的替代，其他系统利用由ITU-TG.694.2规定的稀疏WDM（CWDM），其限定从1271nm一直到1611nm的波长，其中信道间隔为20nm。
包括诸如激光二极管（LD）之类的光学发射器的PIC的温度稳定性成为在操作温度范围
（即在内部用户端和电信安装期间）以及
（对于外部工厂）内的设计约束。进一步地，即使以
为单位的低的温度依赖性在~0.8nm（100GHz）和~0.4nm（50GHz）的信道间隔下也变得显著。在一个示例中，InP展示
的温度灵敏度，以使得在
内波长将分别在
处偏移
或
个信道。照此，在大多数DWDM和CWDM应用中，通过加热器和热电制冷器的温度控制已经变成现今的部署的分立LD的标准，除了在规定具有宽信道间隔的低信道计数和重要的保护带以实现非制冷的LD和PIC的情况下，在这种情况下采用超辐射的发光二极管（SLED）。
当我们从考虑分立的分布式反馈（DFB）LD移动到具有集成CWDM/DWDM MUX的4信道、16信道和40信道PIC时，管芯占用空间显著增加，以使得有源温度稳定变得越来越难以实现。进一步地，存在随着集成出现的附加问题，诸如相邻元件之间的热串扰等等。现在参考图1，示出根据现有技术的设计的InP和SiO2中阶梯光栅的温度相关波长偏移。第一图像100A示出具有高斯通带特性的InP中阶梯光栅WDM的一个信道的预期透射率偏移。在850C上峰值偏移近似
，对应于
。相应地，为了部署这样的InP WDM，必须通过某种形式的补偿来修改WDM的有效
，以使得降低环境温度
的影响。在现有技术内，这可以通过利用热电致冷器来将InP管芯温度维持在标称值（即
），或者通过采用利用电阻金属迹线的芯片上微型加热器以使得将标称InP管芯温度设置在最大操作温度以上（即TAMB = 700C-850C），以便避免在
下的控制问题。在现有技术内，还已知可以通过将第二波导区段与相反
集成或通过修改波导设计来包括具有负的
的包覆材料以使得由于温度改变引起的波导的折射率改变降低来补偿材料的固有折射率改变。然而，加热器和热电致冷器可能需要显著的电功率消耗并且还对管芯封装（即使对于无源DWDM）强加了复杂的热管理要求以确保在考虑有源器件之前的均匀温度。进一步地，负温度系数材料（即
）通常是聚合的，并且具有低系数以使得补偿诸如InP之类的高
材料需要大量的波导基板面来实现期望的平衡。然而，其他波导材料系统提供不同的
以及因此
。现在参考第二图像100B，示出具有高斯通带特性的
中阶梯光栅WDM的一个信道的预期透射率偏移。与
相比，硅石提供
，以使得在850C上中心波长偏移
（这等同于
），幅度的量级低于InP。因此，当这样的基于InP的PIC被配置为光学发射器时，光学发射器将不生成处于其预定波长的光学信号。
进一步地，工厂部分、住宅之外的某些应用（诸如光学线路终端（OLT）或光学网络单元（ONU））和无源光学网络内的业务包括数据中心的服务器机架内的每个服务器线路卡上的光源。这些光源利用单个发射器，诸如DFB激光器。该单个发射器包括周期性地构造为衍射光栅层以为单个发射器提供光学反馈的有源层。然而，具有衍射光栅层的这样的光学发射器的制造可能提供具有差设计方法、低制造产量和复杂制造工艺的成本壁垒。进一步地，在常规DFB激光器中，由DFB激光器生成的光学信号的波长的偏移依赖于温度。因此，这样的DFB激光器不提供单个操作模式。
用来克服温度依赖性的问题的已知技术是制造形成于硅衬底上的PIC，该硅衬底包括如在Koteles等人的题为“Athermal Waveguide Grating based Device having aTemperature Compensator in the Slab Waveguide Region的美国专利中描述的介质板。该介质板具有预定厚度并且与光栅元件间隔开。然而，当使用硅衬底形成这样的PIC时，在InP结构的晶格结构和硅衬底之间存在失配。因此，由于InP结构和硅衬底之间的高应力，InP结构断裂。
用来克服该问题的另一已知技术是改变光学发射器的结构。现在参考图2，示出边缘发射激光器200A。该边缘发射激光器200A包括在相对刻面上形成的一对介质干扰滤波器。
图表200B示出边缘发射激光器200A的理想波长特性。每个介质干扰滤波器都是法布里-珀罗标准具（FP-E）滤波器。该边缘发射激光器200A具有夹在该对介质干扰滤波器之间的谐振介质腔。该介质干扰滤波器显现一个平坦的反射光谱，其在中心处具有深的反射率凹陷。因此，每个FP-E滤波器在窄的波长范围上发射，以使得当波长重叠于FP-E滤波器透射范围的任一个时腔的往返损耗是高的。因此，特性响应示出在两个凹陷波长之间具有锐利的最小值的双峰形状，在这种情况下锐利的最小值确定光学发射器的发射激光的波长。然而，边缘发射激光器200A中的这样的腔损耗导致针对发射激光的高阈值、低输出功率、增益饱和、和波长串扰。
当半导体管芯的折射率大于FP-E滤波器的折射率时，半导体管芯充当法布里-珀罗腔。因此，边缘发射激光器200A的结果得到的波长特性实际上更靠近图200C中描绘的那个，在那里不存在反射率的锐利峰值。这样的边缘发射激光器200A像宽带超辐射LED那样起作用。
因此，向PIC设计者提供针对单波长和多波长LD的设计方法将是有益的，所述设计方法不仅与化合物半导体PIC上的单片集成兼容而且提供无热的性能、解决热管理问题和较低功率的消耗。
在结合附图查阅本发明的具体实施例的以下描述时，对本领域的普通技术人员来说本发明的其他方面和特征将变得显而易见。
发明内容
本发明的一个目的是减轻现有技术中与光子集成电路有关并且更特别地与作为单波长和多波长光源的部分的半导体衬底上的介质波导和介质结构有关的限制。
在本发明的一个实施例中，提供一种光子集成器件（PID）。该PID包括外延结构、基于介质波导的波长相关元件和介质布拉格堆叠。该外延结构包括多个化合物半导体层，并且基于介质波导的波长相关元件设置在PID的光学腔内。介质布拉格堆叠设置在有源结构的预定区处。有源结构设置在外延结构上并且光学耦合至基于介质波导的波长相关元件。
在本发明的另一实施例中，提供一种光子集成器件（PID）。该PID包括第一和第二反射结构、基于介质波导的波长相关元件和至少一个有源增益区。该第一和第二反射结构分别具有第一和第二预定反射率。该PID进一步包括分别光学耦合至第一和第二反射结构的共用波导和至少一个半导体波导。该基于介质波导的波长相关元件形成在衬底、共用波导和至少一个半导体波导的第一区上。该基于介质波导的波长相关元件在第一和第二反射结构之间提供波长相关损耗。该至少一个有源增益区设置在第一和第二反射结构之间。
在本发明的又另一实施例中，提供一种光子集成器件（PID）。该PID包括第一衬底、半导体结构、介质布拉格堆叠和反射器。该半导体结构包括形成在第一衬底上方的多个层。该半导体结构限定在该半导体结构的第一和第二刻面之间延伸的半导体波导。进一步地，该半导体波导向在该半导体波导内传播的光学信号提供光学增益。该介质布拉格堆叠包括多个介质层，并且形成在第一刻面上面。该反射器形成在第二刻面上面。该介质布拉格堆叠提供在预定波长下的峰值透射率，并且该反射器提供在多个光学信号的波长下的峰值反射率。
本发明的各种实施例提供一种光子集成器件（PID）。该PID包括光栅元件、半导体波导、共用波导和至少一个光学发射器。该至少一个光学发射器设置在共用波导和半导体波导中的至少一个上方。该光栅元件光学耦合至半导体波导和共用波导。当该PID被配置为复用器时，该光学发射器生成具有相应预定波长的光学信号。该光栅元件组合光学信号并且提供经复用的输出信号。该共用波导输出经复用的输出信号。当该PID被配置为解复用器时，该光学发射器生成经复用的输出信号，并且该光栅元件解复用该经复用的输出信号以生成多个光学信号。每个半导体波导都输出相应的光学信号。在一个实施例中，该光栅元件包括邻近中阶梯光栅和阵列波导光栅中的至少一个设置的介质波导。在另一实施例中，该光学发射器包括形成在第一衬底上的半导体结构、形成在半导体结构的第一刻面上的布拉格堆叠和形成在半导体结构的第二刻面上的反射器。该布拉格堆叠包括第一和第二介质层的交替层。
该介质波导包括具有较低的折射率随温度的变化的材料，因此提供无热性能。为了减小功率损耗，该介质波导与半导体器件的半导体波导和共用波导模式匹配。该半导体器件进一步包括沉积在波导和介质波导之间用来减小薄膜干扰的影响的抗反射涂覆层。因为在温度控制中没有牵涉到加热器和热电制冷器，所以减小了半导体器件的总尺寸。进一步地，带有介质布拉格堆叠的光学发射器具有较低的光学信号的波长随温度改变的变化。此外，调整第一和第二介质层的折射率之间的差实现对于光学发射器的单模操作。这样的光学发射器在该光学发射器的波长特性方面提供一个清晰的反射率峰值。
在结合附图查阅本发明的具体实施例的以下描述时，对本领域的普通技术人员来说，本发明的其他方面和特征将变得显而易见。
附图说明
意图使对附图的详细描述作为对本发明的目前优选实施例的描述，并且不意图使该详细描述表示在其中可以实践本发明的唯一形式。要理解的是，可以通过意图被包括在本发明的精神和范围内的不同实施例来完成相同或等同的功能。现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是示出根据现有技术的设计的针对InP和SiO2中阶梯光栅的温度相关波长偏移的图表；
图2示出根据现有技术的设计的边缘发射激光器以及边缘发射激光器的理想和所计算的波长特性；
图3是根据本发明的实施例的利用低、中和高信道计数波分复用器和解复用器的第一至第三光学网络的示意性框图；
图4是根据本发明的一个实施例的光子集成器件（PID）的示意图；
图5是根据本发明的另一实施例的PID的示意图；
图6是根据本发明的一个实施例的图4的PID的横截面视图；
图7是根据本发明的一个实施例的图4的基于介质波导的波长相关元件的横截面视图；
图8描绘根据本发明的一个实施例的从半导体波导至介质波导的过渡的第一光学显微图像和从介质波导至图4的光栅元件的过渡的第二光学显微图像；
图9描绘根据本发明的一个实施例的图4的PID和基于介质波导的波长相关元件的相应第三和第四光学显微图像；
图10A是根据本发明的另一实施例的利用介质布拉格堆叠的半导体光学发射器（SOE）的示意图；
图10B是根据本发明的另一实施例的图10A的SOE的顶视图；
图11是根据本发明的另一实施例的利用图10A的多个SOE的PID的示意图；
图12A是根据本发明的另一实施例的SOE的横向横截面视图；
图12B是根据本发明的另一实施例的SOE的纵向横截面视图；
图13是根据本发明的另一实施例的图10A的SOE的纵向横截面视图；
图14A和14B是示出根据本发明的另一实施例的由于介质布拉格堆叠而引起的对图10A的SOE的波长响应的影响的图表；
图15示出根据本发明的另一实施例的由于图10A的介质布拉格堆叠的折射率的改变而引起的对SOE的波长响应的影响的图表；
图16是根据本发明的另一实施例的介质PID波导与图13的SOE的集成的纵向横截面视图；
图17是根据本发明的另一实施例的其中介质布拉格堆叠经由过渡波导接合至介质PID波导的图13的SOE的纵向横截面视图；
图18A是示出根据本发明的另一实施例的形成在SOE上的介质布拉格堆叠的应力变化的图表；
图18B和18C是示出根据本发明的另一实施例的第一和第二氮氧化硅波导结构的通过实验测得的折射率变化的图表；
图19是示出根据本发明的另一实施例的形成在硅上的低技巧介质布拉格堆叠的性能的图表；
图20是示出根据本发明的另一实施例的基于抛物线高斯模型的图10A的SOE的增益的功能表示的图表；
图21是示出根据本发明的另一实施例的基于模拟结果的图10A的SOE的增益电流曲线的图表；
图22是根据本发明的又另一实施例的光子集成器件（PID）。
具体实施方式
本发明涉及光子集成器件，并且更特别地涉及作为单波长和多波长光源的部分的半导体衬底上的介质波导和介质结构。
接下来的描述仅提供（一个或多个）示例性实施例，并且不意图限制本公开内容的范围、适用性或配置。相反，（一个或多个）示例性实施例的接下来的描述将向本领域技术人员提供用于实施示例性实施例的或有条件完成的描述。理解的是，可以在不偏离如在所附权利要求中阐述的精神和范围的情况下对元件的功能和布置做出各种改变。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“发射器”或“分布式反馈（DFB）激光器”或“发光二极管”（LED）指代但不限于使用半导体发光结构（诸如半导体结、pn结、pin结、量子结构和量子点）的光学发射器类型。这些结构可以包括用来生成单波长或多波长以及其组合的单个或多个量子结构和结。该光学发射器可以包括但不限于半导体LED、半导体DFB激光器、半导体外部腔激光器（ECL）和固定波长发射器和可调发射器。这些光学发射器利用光学器件内电子和空穴的复合来生成光子，该光子的颜色（对应于光子的能量）由在其中生成它们的半导体的能量带隙来确定。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“半导体”指代但不限于具有落在导体和绝缘体的电导率值之间的电导率值的材料。该材料可以是元素材料或化合物材料。半导体可以包括但不限于元素、二元合金、三元合金和四元合金。使用一个或多个半导体形成的结构可以包括单种半导体材料、两种或更多种半导体材料、单种成分的半导体合金、两种或更多种分立成分的半导体合金、和从第一半导体合金至第二半导体合金渐变的半导体合金。该半导体可以是以下中的一种：未掺杂（本征）的、p型掺杂的、n型掺杂的、从一种类型的第一掺杂水平至相同类型的第二掺杂水平的掺杂渐变的、以及从一种类型的第一掺杂水平至不同类型的第二掺杂水平的掺杂渐变的。半导体可以包括但不限于III-V半导体，诸如铝（Al）、镓（Ga）、和铟（In）与氮（N）、磷（P）、砷（As）和锡（Sb）之间的那些，包括例如GaN、GaP、GaAs、InP、InAs、AlN和AlAs。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“金属”指代但不限于由于易于失去外层电子而具有良好导电性和导热性的材料（元素、化合物和合金）。这可以包括但不限于金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨和此类材料的组合。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“电极”、“接触”、“轨道”、“迹线”或“电气端子”指代但不限于具有导电性的材料，其在光学上是不透明的。这包括由例如材料的薄膜、厚膜和镀膜形成的结构，该材料包括但不限于诸如金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨和此类材料的组合之类的金属。其他电极配置可以采用金属的组合，例如铬粘附层和金电极层。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“透明电极”、“透明接触”、“透明轨道”或“透明迹线”指代但不限于具有导电性但是在预定波长范围（通常是电磁光谱的可见区）内的光学透明性的材料。用于可见波长透明电极的共用材料是氧化铟锡（ITO，或掺锡氧化铟），其是氧化铟（III）和氧化锡（IV）的固溶体，通常按重量计90%：10%。然而，铟的高成本/受限供应以及层的脆弱性和缺乏灵活性可能意味着替代品是适当的。在这些之中的是碳纳米管导电涂层、薄金属膜或混合材料替代品（诸如覆盖有石墨烯的银纳米线）、固有导电聚合物（ICP）和导电聚合物（诸如聚苯胺和聚3，4-乙撑二氧噻吩聚磺苯乙烯（PEDOT:PSS））；以及非晶透明导电氧化物，其包括例如掺铝、镓或铟的氧化锌（AZO、GZO或IZO）。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“衬底”指代但不限于可以在其上生长半导体结构（诸如PID和本发明的实施例）的表面。这可以包括但不限于InP、GaAs、硅、硅上硅石、硅石、聚合物上硅石、玻璃、金属、陶瓷、聚合物或其组合。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“光波导”、“介质波导”、或“波导”指代但不限于支持光学信号在预定波长范围内的传播的沿着传播方向不变的介质媒介或媒介的组合。光波导可以是以下各项中的至少一种：包括至少芯和包覆部的隔离结构（例如光学纤维）、形成为载体的部分、形成在衬底内（例如平面光波电路）、光子集成器件、集成光学器件和光波导。这包括但不限于由压型玻璃、压型掺杂硅石、压型硫系玻璃、和聚合物形成的柔性光波导。这进一步包括但不限于在AlGaAs-GaAs材料系统、InGaAsP-InP材料系统、离子交换玻璃、离子交换铁电材料（例如质子交换LiNbO3）、掺杂铁电材料（例如钛掺杂铌酸锂）、绝缘体上硅石、硅上硅石、掺杂硅、离子注入硅、硅上聚合物、硅上氮氧化硅、硅上聚合物、绝缘体上硅（SOI）和聚合物上聚合物内形成的光波导。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“光学纤维”指代传送在预定波长范围内的光学信号的柔性光波导。这包括但不限于阶跃折射率光学纤维、渐变折射率光学纤维、硅石光学纤维、硫系玻璃光学纤维和聚合物光学纤维。这样的光学纤维可以是支持多个模式的多模纤维。这样的光学纤维可以是：圆形的，由此支持作为横向、垂直和径向对称模式中的至少一个的多个模式；矩形的，由此支持横向的多个模式但垂直的单个模式；矩形的，支持横向的多个模式与垂直的有限模式（例如2-5个）；以及具有类似或其他横截面的波导。这样的光学纤维可以是分立的、处于由分立光学纤维与每光学纤维的分立包覆部组装的带状形式、处于在光学纤维之间具有共用包覆部的带状形式，嵌入聚合物柔性膜中的光学纤维，以及附接至聚合物柔性膜的光学纤维。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“复用器（MUX）”指代组合多个源信道并且提供单个组合输出的设备。这包括但不限于无源复用器，具有发射器和WDM的有源复用器，具有接收器、发射器和WDM的有源复用器，单向复用器和双向复用器。
如在本文中且遍及该公开内容所使用的“解复用器（DMUX）”指代组合多个源信道并且提供单个组合输出的设备。这包括但不限于无源解复用器，具有接收机和WDM的有源解复用器，具有接收器、发射器和WDM的有源解复用器，单向解复用器。
现在参考图3，示出根据本发明的一个实施例的利用低、中和高信道计数密集波分复用器（DWDM MUX）和解复用器（DWDM DMUX）的第一至第三光学网络300A-300C。第一光学网络300A表示两个光学平面（一个用于从“左”至“右”的传输（在光学链路中通常被称为“向东”），并且另一个用于从“右”至“左”的传输（通常被称为“向西”））中的一个光学平面。第一光学网络300A的向东和向西链路中的每一个都包括第一至第四MUX 302a-302d、第一DWDMMUX 304、光学纤维306、第一DWDM DMUX 308、和第一至第四DMUX 310a-310d。第一DWDM MUX304和第一DWDM DMUX 308中的每一个都支持40个信道。进一步地，该第一DWDM MUX 304具有8个分立的DWDM输入信道。在一个实施例中，第一至第四MUX 302a-302d中的每一个都接收对应的第一至第四输入光学信号。由第一MUX 302a接收的第一至第四输入光学信号在第一预定子带中。进一步地，由第二至第四MUX 302b-302d接收的对应第一至第四输入光学信号分别在第二至第四预定子带中。因此，第一至第四MUX 302a-302d输出在对应子带中的第一至第四输出光学信号。第一DWDM MUX 304连接至第一至第四MUX 302a-302d以用于分别接收第一至第四输出光学信号。该第一DWDM MUX 304进一步接收第五至第八输入光学信号。第一DWDM MUX 304输出第五输出光学信号。光学纤维306耦合至第一DWDM MUX 304以用于接收第五输出光学信号。第一DWDM DMUX 308耦合至光学纤维306以用于接收第五输出光学信号。第一DWDM DMUX 308具有8个分立的DWDM输出信道。第一至第四DMUX 310a至310d连接至第一DWDM DMUX 308。第一DWDM DMUX 308接收第五输出光学信号并且将第五输出光学信号分成中间输出信号，以使得每个中间输出信号是第五输出光学信号的子带。第一至第四DWDM DMUX 310a-310d接收中间输出信号并且输出对应的中间输出信号。在另一实施例中，第一DWDM MUX和第一DWDM DMUX 304和308可以为四个8信道带和8个单信道中的至少一个提供直接光通量以用于光学-电学-光学（OEO）转换。在一个示例中，利用第一DWDM MUX304，每个8信道带都被复用、经由光电探测器耦合至电气域中、耦合至发射器、然后与其他信道复用。
第二光学网络300B包括扩展DWDM MUX 312、第二DWDM MUX 314、单模光学纤维316、第二DWDM DMUX 318、和扩展DWDM DMUX 320。第二DWDM MUX 314耦合至单模光学纤维316。第二DWDM DMUX 318耦合至单模光学纤维316。第二DWDM MUX 314和第二DWDM DMUX318中的每一个都支持40个信道，但可以支持8、16、24、32和48个信道。进一步地，第二DWDMMUX 314和第二DWDM DMUX 318中的每一个都包括光学交织器（interleaver），其将相对于彼此偏移50GHz的一对100GHz梳（comb）分别复用和解复用成一个组合的50 GHz的DWDM梳。扩展DWDM MUX 312和扩展DWDM DMUX 320是40信道DWDM器件，其中它们的频率网格相对于DWDM MUX 314和DWDM DMUX 318偏移50GHz。
在另一实施例中，可以采用带式滤波器以使得第二DWDM MUX 314和第二DWDMDMUX 318在非重叠波长范围中操作，例如在
之间的L波段和在
之间的C波段。
第三光学网络300C包括第一8信道稀疏波分复用器（CWDM）322、第二至第四8信道DWDM MUX 324a-324c、以1551nm操作的第五CWDM MUX 326、具有1310nm重叠的CWDM带MUX328、单模光学纤维330、具有1310nm重叠的CWDM带DMUX 332、第一CWDM 8信道DMUX 334、第二至第四8信道DMDM DMUX 336a-336c、和以1551nm操作的第五CWDM DMUX 338。CWDM带MUX328耦合至单模光学纤维330。第一CWDM MUX 322和第二DWDM MUX 324a连接至CWDM带MUX328。第三和第四DWDM MUX 324b和324c通过第五CWDM MUX 326连接至CWDM带MUX 328。第一CWDM MUX 322具有带有8个CWDM输入信道的1310nm宽带信道，并且第二DWDM MUX 324a具有支持8个DWDM波长的1531nm CWDM输入信道。第三和第四DWDM MUX 324b和324c中的每一个都支持8个信道DWDM波长。在另一实施例中，CWDM带MUX 328连接至6个CWDM信道输入。
该CWDM带DMUX 332连接至第一DMUX 334和第二DMUX 336a。进一步地，CWDM带DMUX332通过第五DMUX 338连接至第三和第四DMUX 336b和336c。该第一DMUX 334具有带有8个CWDM输出信道的1310nm宽带信道，并且第二DMUX 336a具有支持8个DWDM波长的1531nmCWDM信道。第三和第四DWDM DMUX 336b和336c中的每一个都支持8个信道DWDM波长。在另一实施例中，CWDM带DMUX 332连接至6个CWDM信道输入。
现在参考图4，示出根据本发明的实施例的光子集成器件（PID）400A和400B。可以使用PID 400A来实施第一至第三光学网络300A-300C中的MUX 302a-302d、304、312、314、322、324a-324c、326和328中的每一个。进一步地，可以使用PID 400B来实施第一至第三光学网络300A-300C中的DMUX 308、310a-310d、318、320、332、334、336a-336c和338中的每一个。在对应衬底402上通过外延来生长PID 400A和400B。在本优选实施例中，衬底402是III-V半导体材料。在一个示例中，衬底402的III-V半导体材料是InP、InGaAs（P）和GaAs中的至少一个。该PID 400A包括第一和第二反射结构404和406、共用波导408、多个半导体波导410（示出其第一至第四半导体波导410a-410d）和基于介质波导的波长相关元件412。该基于介质波导的波长相关元件412包括介质波导414和光栅元件416。在一个实施例中，该光栅元件416是中阶梯光栅。该共用波导408和第一至第四半导体波导410a-410d形成在衬底402上。
该第一和第二反射结构404和406具有第一和第二预定反射率，并且分别邻近共用波导408和半导体波导410形成。基于介质波导的波长相关元件412形成在衬底402、共用波导408和半导体波导410的第一区上。PID 400A进一步包括设置在第一和第二反射结构404和406之间的第一至第四有源增益区。该第一至第四有源增益区包括分别设置在第一至第四半导体波导410a-410d的预定区上的第一至第四有源结构418a-418d。
该第一和第二反射结构404和406为第一至第四有源增益区提供光学腔。每个有源结构418都以由基于介质波导的波长相关元件412的设计确定的波长来发射激光。
该第一反射结构404是TiO2-SiO2堆叠、Al2O3-Si堆叠、Al2O3-SiO2堆叠、TaO-SiO2堆叠、SiN堆叠和SiON堆叠中的至少一个。该第二反射结构406是反射镜刻面（即非波长相关反射器）并且因此提供与第一反射结构404相比高的反射量。因此，第二预定反射率大于第一预定反射率。进一步地，PID 400A包括分别设置在第一至第四半导体波导410a-410d上的第一至第四有源结构418a-418d。因此，可以通过第一至第四有源结构418a-418d的对应注入电流来电气控制该第一至第四有源结构418a-418d，以便以相应预定波长来单独地或组合地发射激光以使得从每个有源结构418输出的激光被复用并且通过第一反射结构404输出。
在另一实施例中，该PID 400B包括第一和第二反射结构404和406、共用波导408、半导体波导410和基于介质波导的波长相关元件412。该基于介质波导的波长相关元件412包括介质波导414和光栅元件416。该第一反射结构404是反射镜刻面（即非波长相关反射器），并且第二反射结构406是TiO2-SiO2堆叠、Al2O3-Si堆叠、Al2O3-SiO2堆叠、TaO-SiO2堆叠、SiN堆叠和SiON堆叠中的至少一个。因此，第一预定反射率大于第二预定反射率。PID 400B包括设置在共用波导408上的有源结构418。因此，在该配置中，当有源结构418接收电流时，该有源结构418生成具有多个波长的光学信号。基于介质波导的波长相关元件412向光学信号的波长提供波长相关损耗，并且生成多个光学输出信号以使得每个光学输出信号都具有对应的预定波长。该第一至第四半导体波导410a-410d通过第二反射结构406接收并输出对应的输出光学信号。
当由半导体（例如磷化铟（
））来形成基于介质波导的波长相关元件412内的介质波导414时，由等式（1）来给出针对中阶梯光栅的随温度的近似波长偏移：
在这里，α是介质波导414的折射率的温度相关系数，λ是操作波长，并且n是折射率。参考表1，呈现针对磷化铟（
）、二氧化硅（硅石，
）、氮化硅（
）、和氮化铝（
）与聚合物涂层的折射率和其温度依赖性。因此，在70℃操作范围内，利用InP中阶梯光栅的没有任何温度控制的光学发射器将在
分别偏移
或
个信道。然而，具有硅石中阶梯光栅的相同InP光学发射器在
将仅偏移
或
个信道：
表1：
和介质波导材料的温度依赖性。
现在参考图5，示出根据本发明的另一实施例的PID 500。该PID 500包括第一和第二反射结构404和406、共用波导408、半导体波导410（示出其第一至第四半导体波导410a-410d）和基于介质波导的波长相关元件502。该基于介质波导的波长相关元件502包括第一和第二介质波导504a和504b、以及多个阵列波导506。该第一介质波导504a形成在共用波导408和衬底402的第一区上，并且第二介质波导504b形成在半导体波导410和衬底402的第二区上。该阵列波导506连接至第一和第二介质波导504a和504b中的每一个。每个阵列波导506都具有对应的光学长度以使得每个阵列波导506都将对应相移施加至通过其传播的光学信号。本领域技术人员将理解的是，光栅元件416和506不限于中阶梯光栅和阵列波导光栅的使用，可以使用任何种类的光栅来复用或衍射光学信号。在另一实施例中，可以使用基于
的材料来实施PID 400A、400B和500。
对于本领域技术人员将明显的是，PID 400A和400B以及PID 500可以包括反射器、滤波器、激光源、光学纤维接口、光学纤维耦合光学器件、隔离器、光电探测器、波长锁定器、控制电路、热电元件、加热器元件、直接调制驱动电路、外部调制器和外部调制器驱动电路。
现在参考图6，示出根据本发明的一个实施例的第一有源增益区的横截面视图，该第一有源增益区包括第一有源结构418a和第一半导体波导410a。外延结构在包括无源波导结构的衬底402上生长。使用无源波导结构来形成第一半导体波导410a，该无源波导结构是使用III-V化合物半导体层602和蚀刻停止层604的多个交替层形成的。在一个实施例中，示出第一至第五III-V化合物半导体层602a-602e以及第一至第五蚀刻停止层604a-604e。第一半导体波导410a进一步包括InP间隔层606。该InP间隔层606形成在无源波导结构上。共用波导408在结构上类似于第一半导体波导410a。进一步地，第二至第四半导体波导410b-410d在结构和功能上类似于第一半导体波导410a。外延结构进一步包括InP Q 1.05µm过渡波导608。在InP间隔层606上形成InP Q 1.05µm过渡波导608。第一有源结构418a包括n接触层610、n型脊层612、多个量子阱（MQW）层614、p型InP脊层616和p接触层618。在操作中，当第一有源结构418a接收电气信号时，第一有源结构418a生成光学信号，其倏逝耦合至InP Q1.05µm过渡波导608。该光学信号进一步耦合至基于介质波导的波长相关元件412。第二至第四有源结构418b-418d在结构和功能上类似于第一有源结构418a。
现在参考图7，示出根据本发明的一个实施例的基于介质波导的波长相关元件412的横截面视图。该基于介质波导的波长相关元件412包括通过将无源波导结构蚀刻至预定深度而形成的介质波导702。在一个实施例中，该无源波导结构被蚀刻直到第三蚀刻停止层604c和介质波导702在无源波导结构的蚀刻部分中再生长以使得该蚀刻部分的一端形成光栅元件416。该介质波导702包括第一和第二介质层704和706。分别地，该第一介质层704是SiON（N=1.95）层并且第二介质层706是SiON（N=1.45）层，在这里‘N’是折射率。在该实施例中，在介质波导702的再生长之前，在光栅元件416的第一和第二侧上沉积具有非常高的反射率（即大于95%）的金属层708。
现在参考图8，示出根据本发明的一个实施例的描绘从共用波导408和半导体波导410至介质波导414的过渡的第一光学显微图像800A，以及描绘从介质波导414至光栅元件416的过渡的第二光学显微图像800B。第一光学显微图像800A是光学耦合至介质波导414的第四半导体波导410d的平面图。第二光学显微图像800B是介质波导414和光栅元件416之间的界面的横截面视图。
现在参考图9，示出根据本发明的一个实施例的描绘PID 400A和光栅元件416的第三和第四光学显微图像900A和900B。该第三光学显微图像900A描绘具有耦合至光栅元件416的介质波导414的PID 400A的平面图。在该实施例中，光栅元件416是中阶梯光栅。第四光学显微图像900B描绘中阶梯光栅416。
在关于图4描述的本发明的实施例内，PID 400A和400B中的每一个的光学腔都包括用来调制通过光学腔传播的光学信号的强度的电吸收调制器（未示出）。在该实施例中，该电吸收调制器是马赫—曾德尔调制器。该电吸收调制器调制通过共用波导408传播的输出光学信号。该电吸收调制器进一步调制通过半导体波导410传播的输入光学信号。
现在参考图10A，示出根据本发明的一个实施例的利用介质布拉格堆叠1002的PID1000的示意图。在一个实施例中，该PID 1000是半导体光学发射器（SOE）1000。介质布拉格堆叠1002被涂覆在SOE 1000的上表面和第一刻面上。介质布拉格堆叠1002包括用于在SOE1000中产生高技巧的多层介质涂层。使用诸如
之类的低应力介质材料来形成介质布拉格堆叠1002。在一个实施例中，该介质布拉格堆叠1002具有
的厚度。可以采用处于脊形和掩埋异质结构激光器几何结构的介质布拉格堆叠1002。进一步地，可以通过选择性的沉积和蚀刻以及再沉积工艺来将其集成在PID 400A和400B内。
该SOE 1000被形成在衬底1004上，并且包括MQW层1006和过度生长结构1008。在本实施例中，使用III-V半导体材料来形成衬底1004。在一个示例中，衬底1004的III-V半导体材料是InP、InGaAs（P）和GaAs中的至少一个。该过度生长结构1008是脊形和掩埋异质结构中的至少一个。在SOE 1000的第二刻面上形成反射器1010，即宽带反射镜1010。在一个实施例中，使用基于金属的反射镜来形成反射器1010。在形成介质布拉格堆叠1002之前沉积反射器1010并对其图案化。在另一实施例中，通过裂开的刻面、至空气的蚀刻的刻面以及至介质材料的蚀刻的刻面中的至少一个来形成宽带反射镜1010。
现在参考图10B，示出根据本发明的一个实施例的SOE 1000的顶视图。SIE 1000的顶视图示出夹在介质布拉格堆叠1002和反射器1010之间的FP激光腔1012。FP激光腔1012的光学长度是
，在这里
是整数，即
或
。因此，FP激光腔1012的物理长度是
，在这里对于
，在
且
处，分别有
和
。因此，在预定波长处（即
），SOE 1000提供峰值透射率。在本优选实施例中，介质布拉格堆叠1002具有第一和第二介质层1014和1016的交替堆叠，该第一和第二介质层1014和1016分别具有第一和第二折射率n1和n2。该介质布拉格堆叠1002进一步包括在介质布拉格堆叠1002的预定区处沉积的布拉格相移层1018。该介质布拉格堆叠1002具有厚度
，在这里
。在本优选实施例中，布拉格相移层1018具有第二折射率n2并且位于介质布拉格堆叠1002的中心处。该金属反射器1010包括金属层1020和单层介质1022。
现在参考图11，示出根据本发明的一个实施例的利用处于“Z字形”配置的多个SOE1000的PID 1100。该PID 1100生长在衬底1102上。在本实施例中，使用III-V半导体材料来形成衬底1102。在一个示例中，III-V半导体材料是InP、InGaAs（P）和GaAs中的至少一个。在本实施例中，示出第一至第四SOE 1000A-1000D。该PID 1100进一步包括反射结构1104和介质波导1106。反射结构1104与第一至第四SOE 1000A-1000D间隔开并且形成在第一至第四SOE 1000A-1000D的第一刻面前面。反射器1010在光学信号的多个波长处提供99%的峰值反射率。在本实施例中，使用诸如金、钛、锗、铂、镍以及其组合之类的金属来形成反射结构1104。在反射结构1104和第一至第四SOE 1000A-1000D之间沉积介质波导1106。在一个实施例中，该第一至第四SOE 1000A-1000D生成分别具有第一至第四波长的第一至第四光学信号1108-1114。该第一光学信号1108传播通过介质波导1106并且入射在反射结构1104上。该第一光学信号1108被反射结构1104反射。经过反射的第一光学信号1108传播通过介质波导1106并且入射在第二SOE 1000B上。第二SOE 1000B生成第二光学信号1110，其与第一光学信号1108复用，由此生成第一复用光学信号，其入射在反射结构1104上。该第一经复用的光学信号传播通过介质波导1106并且入射在第三SOE 1000C上。类似地，第三和第四SOE1000C和1000D使第三和第四光学信号1112和1114与第一经复用光学信号复用。该PID 1100输出了输出光学信号1116，其是分别具有第一至第四波长的第一至第四光学信号1108-1114的复用的版本。
在另一实施例中，该第一至第四SOE 1000A-1000D检测分别具有第一至第四波长的第一至第四光学信号1108-1114。具有第一至第四波长的输入射束1116传播通过介质波导1106并且入射在第四SOE 1000D上。第四SOE 1000D检测第四光学信号1114并且反射具有第一至第三波长的输入射束1116。该输入射束1116传播通过介质波导1106并且入射在第三SOE 1000C上，该第三SOE 1000C分离第三光学信号1112并且传送具有第一和第二波长的输入射束1116。类似地，该第二和第一SOE 1000B和1000A分别分离第二和第一光学信号1110和1108。
现在参考图12A，示出根据本发明的一个实施例的SOE 1000的横向横截面视图1200A。该SOE 1000包括有源结构，其包括第一半导体层1202、第一蚀刻停止层1204、第二半导体层1206、MQW层1208、InP间隔层1210、第二蚀刻停止层1212、InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、和金属接触层1218。该第一蚀刻停止层1204形成在第一半导体层1202上。在一个实施例中，用作为金属层的晶圆接合层来替换第一蚀刻停止层1204。通过使用晶圆接合层，SOE 1000管芯可以是接合至另一管芯的晶圆。第二半导体层1206形成在第一蚀刻停止层1204上。在本优选实施例中，使用III-V化合物半导体材料来形成第一和第二半导体层1202和1206。在该实施例中，III-V半导体材料是InP。该MQW层1208形成在第二半导体层1206上。InP间隔层1210形成在MQW层1208上，并且第二蚀刻停止层1212形成在InP间隔层1210上。InP脊层1214形成在第二蚀刻停止层1212上并且InGaAs（P）接触层1216形成在InP脊层1214上。金属接触层1218形成在InGaAs（P）接触层1216上。该InP间隔层1210、第二蚀刻停止层1212、InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、和金属接触层1218对应于图10A的过度生长结构1008。进一步地，第一和第二半导体层1202和1206、第一和第二蚀刻停止层1204和1212、InP间隔层1210、和MQW层1208限定有源半导体波导。InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、和金属接触层1218形成脊结构。
现在参考图12B，示出根据本发明的另一实施例的包括图12A的有源结构的SOE1000的纵向横截面视图1200B。该SOE 1000进一步包括第一和第二介质布拉格堆叠1220和1222。在一个实施例中，该第一和第二介质布拉格堆叠1220和1222中的每一个都具有
的厚度。使有源结构向下蚀刻直到第一蚀刻停止层1204以沉积第一和第二介质布拉格堆叠1220和1222。进一步地，该第一和第二介质布拉格堆叠1220和1222分别接触SOE 1000的第一和第二刻面。在操作中，当金属接触层1218接收电气信号时，MQW层1208生成光学信号。该光学信号在有源半导体波导内传播并且从第一和第二介质布拉格堆叠1220和1222输出。该第一介质布拉格堆叠1220输出具有第一波长的光学信号并且该第二介质布拉格堆叠1222输出具有第二波长的光学信号。
现在参考图13，示出根据本发明的另一实施例的PID 1300的横截面视图。该PID1300对应于图10的PID 1000。在该实施例中，该PID 1300是SOE 1300。该SOE 1300由有源结构形成，该有源结构包括第一半导体层1202、第一蚀刻停止层1204、第二半导体层1206、MQW层1208、InP间隔层1210、第二蚀刻停止层1212、InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、和金属接触层1218。该PID 1300进一步包括介质布拉格堆叠1002和反射器1010、以及抗反射层1302。该介质布拉格堆叠1002和反射器1010分别沉积在SOE 1300的第一和第二刻面上。该抗反射层1302是降低在SOE 1300的第二刻面处的薄膜干涉的影响的介质层。在一个实施例中，将抗反射层1302沉积在反射器1010与SOE 1300的第二刻面之间。在另一实施例中，将抗反射层1302沉积在介质布拉格堆叠1002与SOE 1300的第一刻面之间。
现在参考图14A，示出根据本发明的实施例的布拉格相移层1018对SOE 1000的波长响应的影响。第一介质层1014具有n1=1.65的折射率，并且第二介质层1016具有n2=2.2的折射率。图表1400A示出SOE 1000针对分别具有
的布拉格相移的第一至第三介质布拉格堆叠1002的波长响应。对于
，波长偏移是
，其中标称中心波长是1300nm。
现在参考图14B，示出根据本发明的一个实施例的描绘由于FP激光腔1012而引起的用于生成光学信号的SOE 1000的灵敏度的降低的图表1400B。第一和第二介质层1014和1016分别具有1.65和2.2的折射率。第一至第三介质布拉格堆叠1002由第一和第二介质层1014和1016以及布拉格相移层1018而形成。该第一至第三介质布拉格堆叠1002分别具有m PHASE = 621.00、621.25、621.50的布拉格相移。因此，根据图表1400B，看到对于布拉格相移
的改变，中心波长不变。
现在参考图15，示出根据本发明的一个实施例的由于第一和第二折射率n1和n2之间的差的改变而引起的对SOE 1000的波长响应的影响。在图表1500A和1500B中，描绘对于
的在最小值周围的反射率，在这里采用介质布拉格堆叠1002的SOE 1000实现在00C至700C的环境温度范围处针对预定值（即，
）的单模操作。进一步地，当
时，可以将SOE 1000与介质波导702集成。
现在参考图16，示出根据本发明的另一实施例的PID 1600的横截面视图。在一个实施例中，该PID 1600是SOE 1600。该SOE 1600包括有源结构，其包括第一半导体层1202、第一蚀刻停止层1204、第二半导体层1206、MQW层1208、InP间隔层1210、第二蚀刻停止层1212、InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、金属接触层1218、介质布拉格堆叠1002、反射器1010和抗反射层1302。该SOE 1600进一步包括邻近介质布拉格堆叠1002形成的介质PID波导1602。该介质PID波导1602包括芯层和包覆层1604和1606。该芯层1604是沉积在介质布拉格堆叠1002上的氮氧化硅（
；
），并且包覆层1606是沉积在芯层1604上的氮氧化硅（
；
）层。该芯层和包覆层1604和1606形成无源光波导。在一个实施例中，该无源光波导通过介质布拉格堆叠1002从有源结构接收光学信号。在另一实施例中，该无源光波导通过介质布拉格堆叠1002向有源结构提供光学信号。
现在参考图17，示出根据本发明的一个实施例的PID 1700的横截面视图，该PID1700具有经由过渡波导1706接合至介质PID波导1704的介质布拉格堆叠1702。在一个实施例中，该PID 1700是SOE 1700。该SOE 1700包括无源波导结构，其包括III-V化合物半导体层1708和蚀刻停止层1710的多个交替层，示出其第一至第五III-V化合物半导体层1708a-1708e和第一至第五蚀刻停止层1710a-1710e。该SOE 1700进一步包括中间InP间隔层1712和过渡波导1706。该中间InP间隔层1712形成在无源波导结构上，并且过渡波导1706形成在中间InP间隔层1712上。该SOE 1700进一步包括形成在过渡波导1706上的有源结构和反射器1010。该有源结构包括第一半导体层1202、第一蚀刻停止层1204、第二半导体层1206、MQW层1208、InP间隔层1210、第二蚀刻停止层1212、InP脊层1214、InGaAs（P）接触层1216、和金属接触层1218。该介质PID波导1704包括芯层1714和包覆层1716。邻近介质布拉格堆叠1702来形成芯层和包覆层1714和1716。在一个实施例中，该芯层1714是沉积在介质布拉格堆叠1702上的氮氧化硅（
；
），并且包覆层1716是沉积在芯层1714上的氮氧化硅（
；
）层。由有源结构生成的光学信号倏逝耦合至过渡波导1706，在那里它对接耦合至介质PID波导1704。
现在参考图18A，示出根据本发明的一个实施例的描绘SOE 1000的硅和磷化铟层上的介质布拉格堆叠1002的氮氧化硅的应力变化的图表1800A。比对硅烷
流速的InP上的膜中的每个应力都跨过零应力轴，使得能够在对于SOE 1000的介质布拉格堆叠1002的第一和第二介质层1014和1016内采用具有正和负应力二者的膜。因此，归因于交替的介质膜，介质布拉格堆叠1002内的应力降低。表1示出介质布拉格堆叠1002的设计。最终的膜应力表明小于
，其与InP上的
膜的应力通常是
至
的现有技术相比起来更小：
表1：介质布拉格堆叠1002设计。
现在参考图18B和18C，示出根据本发明的一个实施例的描绘对于两个不同氮氧化硅波导结构的折射率温度依赖性测量结果的图表1800B和1800C。图18B和18C描绘对于第一和第二氮氧化硅样本（AXT-460和AXT-61）的折射率温度依赖性测量结果，其分别展示dn /dT =1.44×10−5和dn / dT =2. 37 ×10−5的折射率变化，从而确认减小的折射率的温度依赖性。
现在参考图19，示出根据本发明的一个实施例的描绘形成在硅上的低技巧（λ /4）介质布拉格堆叠1002的性能的反射光谱1900。当光学信号的波长小于1000nm时，SOE1000提供自发发射。在1000nm和1400nm之间的波长范围处，介质布拉格堆叠1002提供低反射率并且SOE 1000通过介质布拉格堆叠1002输出光学信号。
现在参考图20，示出根据本发明的一个实施例的基于针对三个不同温度
的抛物线高斯模型的SOE 1000的增益的函数表示。通过等式（2）至（5）分别给出作为阈值电流密度I的函数的根据关于预测阈值、波长和效率拟合至实际SOE器件而导出的增益函数。可以建立增益谱和布拉格波长位置二者以支持非制冷操作
：
现在参考图21，示出根据本发明的一个实施例的基于模拟结果的对于SOE 1000的增益-电流曲线。可以采用对数增益来建立阈值电流。图21中描绘的结果可与现有技术
脊形激光器相比较，其展示对于SOE 1000的在
处的
（与
的模拟值相比）。假设对于SOE1000在
的负解谐和2%的反射率（腔的镜面损耗），描绘对于
腔的FP激光腔1012的损耗，其示出对于超过近似
的电流密度可以实现在
处发射激光。
现在参考图22，示出根据本发明的另一实施例的PID 2200。在衬底402上通过外延来生长PID 2200。该PID 2200包括图4的PID 400A的第一和第二反射结构404和406、共用波导408、半导体波导410和基于介质波导的波长相关元件412。在PID 2200的光学腔中形成基于介质波导的波长相关元件412。使用外延层结构来生长共用波导408和半导体波导410。该基于介质波导的波长相关元件412包括介质波导414和光栅元件416。该基于介质波导的波长相关元件412形成在衬底402、共用波导408和第一至第四半导体波导410a-410d的第一区上。该PID 2200进一步包括第一至第四有源增益区，其包括第一至第四有源结构418a-418d。该第一至第四有源结构418a-481d被分别设置在第一至第四半导体波导410a-410d上，并且光学耦合至基于介质波导的波长相关元件412。该有源结构418进一步包括分别沉积在第一至第四有源结构418a-418d的对应第一刻面上的第一至第四介质布拉格堆叠1002a-1002d。该有源结构418进一步包括使用基于金属的反射镜形成在PID 2200的对应第二刻面上的第一至第四反射器1304a-1304d。该第一至第四有源结构418a-418d在结构上类似于图17的有源结构。因此，在该配置中，该PID 2200起到复用器的作用。本领域技术人员将理解的是，PID 2200可以被配置成起到解复用器的作用。
该共用和半导体波导408和410的外延结构处理并且解决了增益饱和的问题。共用波导408和半导体波导410合并无源波导（即III-V化合物半导体层602和蚀刻停止层604的多个交替层）以实现对于PID 400A和400B内的每个有源结构418的透明且解耦合的增益媒介。本发明的实施例可以利用掩埋的异质结构（BH）或脊形激光器增益区段来实现单个波长选择。进一步地，在PID 400A中实施介质波导702显著减小波长相关漂移。此外，对于传播通过介质波导414的光学信号的每个波长的温度偏移是相等的。
利用介质布拉格堆叠1002和反射器1010的PID 1300与使用蚀刻的刻面设计方法的SOE 1000允许单片集成和分立的管芯二者。
通过利用
低应力介质布拉格堆叠1002，足够高的
实现单模操作。进一步地，低应力介质布拉格堆叠1002提供用支持在宽温度范围内的非制冷操作的单介质布拉格堆叠激光器对复杂、昂贵的再生长DFB激光器的替换。此外，该介质布拉格堆叠1002的低的温度相关波长偏移暗示波长偏移是常规DFB激光器的1/5，并且潜在地甚至更低。
具有氮氧化硅（
）波导（即介质PID波导1602）的介质布拉格堆叠1002可以被集成为用于阵列发射器的“Z字形”滤波器，由此通过单片集成产生芯片上薄膜滤波器的响应。由于SOE 1000的滤波器响应取决于介质布拉格堆叠1002的介质折射率改变，所以可以实现具有小的线宽和低温度依赖性的FP激光腔1012。
具有蚀刻停止层1204、1212和1710的蚀刻的脊形波导器件几何结构允许在器件几何结构内的步骤的制造从而允许沉积和蚀刻的刻面设计。蚀刻停止层604、1204和1710分别为介质波导702、介质布拉格堆叠1002和介质PID波导1704的沉积提供平坦表面。进一步地，蚀刻停止层604、1204和1710提供用于校准介质布拉格堆叠1002的厚度的参考点。在另一实施例中，当SOE 1000被实施为掩埋的异质结构激光器时，由于掩埋的异质结构激光器的较小尺寸而减小阈值电流。
单层介质1022允许增强的输出功率，同时短FP激光腔1012支持在直流调制操作中的高调制速率。进一步地，该设计方法支持通过低应力介质的在PID 400内的SOE 1000的直接集成。本发明的实施例可以利用
PID、
PID和至硅衬底的贯穿晶圆接合（在衬底402上具有介质波导702）中的至少一个。
在本发明的前述实施例内，已经关于波分复用器以及使光电探测器解复用且耦合至光电探测器的主要接收器侧器件描述了这些。然而，对本领域技术人员来说将明显的是，方法和设计可以被修改和适应以提供一系列光学部件和光学功能，在这里介质波导702降低所实施的光学部件和光学功能的相对于仅在化合物半导体结构内实施的光学部件的波长灵敏度。
已经为了图示和描述的目的呈现了本发明的示例性实施例的上述公开内容。其不意图是详尽的或者将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上面的公开内容，对本文中描述的实施例的许多变化和修改对于本领域内的普通技术人员来说将是显然的。本发明的范围将仅由附于此的权利要求以及它们的等同物来限定。
进一步地，在描述本发明的有代表性的实施例时，该说明书可能已经将本发明的方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，就该方法或过程不依赖于本文中阐述的特定步骤次序的程度来说，不应该将该方法或过程限于所述的特定步骤序列。如本领域普通技术人员将会认识到的，其他步骤序列可以是可能的。因此，在说明书中阐述的步骤的特定次序不应该被解释为对权利要求的限制。此外，不应该将针对本发明的方法和/或过程的权利要求限于按所书写的次序执行它们的步骤，并且本领域技术人员可以容易地认识到该序列可以变化并且仍保留在本发明的精神和范围内。
Claims (29)
1.一种光子集成器件，其包括：
包括多个化合物半导体层的外延结构；
设置在光子集成器件的光学腔内的基于介质波导的波长相关元件；以及
设置在有源结构的预定区处的介质布拉格堆叠，
其中该有源结构设置在由外延结构形成的波导上，并且
其中该有源结构光学耦合至基于介质波导的波长相关元件。
2.根据权利要求1所述的光子集成器件，进一步包括：
分别具有第一和第二预定反射率的第一和第二反射结构，
其中共用波导光学耦合至第一反射结构，并且至少一个半导体波导光学耦合至第二反射结构，并且
其中该外延结构形成包括共用波导和至少一个半导体波导的波导；以及
设置在第一和第二反射结构之间的至少一个有源增益区，
其中该至少一个有源增益区包括有源结构。
3.根据权利要求2所述的光子集成器件，
其中该基于介质波导的波长相关元件形成在衬底、共用波导和至少一个半导体波导的第一区上，
其中该基于介质波导的波长相关元件在第一和第二反射结构之间提供波长相关损耗，并且
其中该基于介质波导的波长相关元件包括：
介质波导，其与共用波导和至少一个半导体波导光学接触；以及
光栅元件，其光学耦合至介质波导，
其中该光栅元件是中阶梯光栅和阵列波导光栅中的至少一个。
4.根据权利要求2所述的光子集成器件，
其中该外延结构包括：
形成在衬底上的无源波导结构，并且其包括III-V化合物半导体层和蚀刻停止层的多个交替层；
形成在无源波导结构上的间隔层；以及
形成在间隔层上的过渡波导，
其中该有源结构设置在过渡波导上，并且
其中该过渡波导倏逝耦合至该有源结构。
5.根据权利要求4所述的光子集成器件，
其中该基于介质波导的波长相关元件包括介质波导，并且
其中该介质波导对接耦合至过渡波导，并且
其中该过渡波导将光学信号光学耦合至介质波导。
6.根据权利要求1所述的光子集成器件，
其中该有源结构包括：
第一半导体层；
形成在第一半导体层上的第一蚀刻停止层；
形成在第一蚀刻停止层上的第二半导体层，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成该第一和第二半导体层；
形成在第二半导体层上的多个量子阱层；
形成在多个量子阱层上的间隔层；
形成在间隔层上的第二蚀刻停止层，
其中第一和第二半导体层、第一和第二蚀刻停止层以及该多个量子阱层形成有源半导体波导；以及
形成在第二蚀刻停止层上的脊结构，
其中该脊结构包括：
形成在第二蚀刻停止层上的脊层；
形成在脊层上的接触层，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成该脊层和接触层；以及
形成在接触层上的金属接触。
7.根据权利要求1所述的光子集成器件，
其中该介质布拉格堆叠形成在有源结构的第一刻面上，
其中该介质布拉格堆叠包括：
第一和第二介质层的多个交替层，
其中该第一介质层具有第一折射率和第一厚度，并且
其中该第二介质层具有第二折射率和第二厚度；以及
设置在介质布拉格堆叠的预定区处的布拉格相移层，
其中该布拉格相移层具有第三厚度和第二折射率。
8.根据权利要求7所述的光子集成器件，进一步包括：
形成在有源结构的第二刻面上的反射器，
其中该反射器提供峰值反射率，并且
其中该反射器包括：
形成在第二刻面上的第三介质层，
其中该第三介质层具有第二折射率和第二厚度；以及
形成在第三介质层上的金属层。
9.根据权利要求8所述的光子集成器件，进一步包括：
有源结构、介质布拉格堆叠和反射器，其形成具有以下各项的第一光学元件：
多个光学元件，该多个光学元件还包括第二至第四光学元件；
该第一至第四光学元件以Z字形配置设置在衬底上，并且彼此间隔开；以及
反射结构，其被设置在第一至第四光学元件的第一刻面前面，并且与第一至第四光学元件间隔开。
10.根据权利要求1所述的光子集成器件，其中：
该基于介质波导的波长相关元件包括介质波导，
邻近介质布拉格堆叠形成该介质波导，
该介质波导包括：
沉积在介质布拉格堆叠上的芯层；以及
沉积在芯层上的包覆层，
使用介质材料来形成芯层和包覆层，并且
光学信号从有源结构耦合至芯层。
11.一种光子集成器件，包括：
分别具有第一和第二预定反射率的第一和第二反射结构，
其中共用波导光学耦合至第一反射结构，并且至少一个半导体波导光学耦合至第二反射结构；
其中由包括多个化合物半导体层的外延结构形成共用波导或至少一个半导体波导；
形成在衬底、共用波导和至少一个半导体波导的第一区上的基于介质波导的波长相关元件，
其中该基于介质波导的波长相关元件设置在第一和第二反射结构提供的光学腔内，
其中该基于介质波导的波长相关元件在第一和第二反射结构之间提供波长相关损耗；以及
设置在第一和第二反射结构之间的至少一个有源增益区，
其中该至少一个有源增益区包括具有设置在预定区处的介质布拉格堆叠的有源结构，
其中该有源结构设置在共用波导或至少一个半导体波导上，
其中该有源结构光学耦合至基于介质波导的波长相关元件。
12.根据权利要求11所述的光子集成器件，
其中该基于介质波导的波长相关元件包括：
介质波导，其与共用波导和至少一个半导体波导光学接触；以及
光栅元件，其光学耦合至介质波导，
其中该光栅元件是中阶梯光栅和阵列波导光栅中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的光子集成器件，
其中该介质波导包括：
沉积在至少一个半导体波导和共用波导的蚀刻部分上的第一介质层；以及
沉积在第一介质层上的第二介质层，
其中该第一和第二介质层邻近光栅元件。
14.根据权利要求13所述的光子集成器件，
其中金属反射器沉积在中阶梯光栅的第一侧和第二侧中的至少一个上。
15.根据权利要求11所述的光子集成器件，
其中外延结构包括：
形成在衬底的第二区上的无源波导结构，并且其包括III-V化合物半导体层和蚀刻停止层的多个交替层；
形成在无源波导结构上的间隔层，以及
形成在间隔层上的过渡波导；
其中有源结构包括：
形成在过渡波导上的n型接触层；
形成在n型接触层上的n型脊层；
形成在n型脊层上的多个量子阱层；
形成在多个量子阱层上的p型脊层；以及
形成在p型脊层上的p型接触层，
其中该多个量子阱层基于供应给p型接触层的电气信号生成光学信号，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成间隔层、过渡波导、n型脊层和p型脊层，
其中该n型和p型接触层、n型和p型脊层以及该多个量子阱层形成至少一个有源增益区，
其中该无源波导结构和间隔层形成共用波导和至少一个半导体波导，并且
其中该过渡波导形成在无源波导结构上方。
16.根据权利要求11所述的光子集成器件，
其中该第二预定反射率大于第一预定反射率，并且
其中该至少一个有源增益区沉积在至少一个半导体波导上，并且
其中该至少一个有源增益区经由倏逝耦合而耦合至该至少一个半导体波导。
17.根据权利要求11所述的光子集成器件，
其中该第一预定反射率大于第二预定反射率，
其中该至少一个有源增益区沉积在共用波导上，并且
其中该至少一个有源增益区经由倏逝耦合而耦合至共用波导。
18.根据权利要求11所述的光子集成器件，
其中该光子集成器件是掩埋的异质结构和脊形导中的一个。
19.一种光子集成器件，包括：
第一衬底；
包括多个层的半导体结构，其形成在第一衬底上方，
其中该半导体结构限定在半导体结构的第一和第二刻面之间延伸的有源半导体波导，并且
其中该有源半导体波导向在有源半导体波导内传播的光学信号提供光学增益，
其中该半导体结构设置在由包括多个化合物半导体层的外延结构形成的波导上，以及
其中该有源结构光学耦合至基于介质波导的波长相关元件，
其中该基于介质波导的波长相关元件设置在光子集成器件的光学腔内；
形成在第一刻面上的介质布拉格堆叠，
其中该介质布拉格堆叠包括多个介质层，并且
其中该介质布拉格堆叠在光学信号的预定波长处具有峰值透射率；以及
形成在第二刻面上的反射器，
其中该反射器在光学信号的多个波长处提供峰值反射率。
20.根据权利要求19所述的光子集成器件，
其中该介质布拉格堆叠包括：
第一和第二介质层的多个交替层，
其中该第一介质层具有第一折射率和第一厚度，并且
其中该第二介质层具有第二折射率和第二厚度；以及
设置在介质布拉格堆叠的预定区处的布拉格相移层，
其中该布拉格相移层具有第三厚度和第二折射率。
21.根据权利要求20所述的光子集成器件，
其中该反射器包括：
形成在第二刻面上的第三介质层，
其中该第三介质层具有第二折射率和第二厚度；以及
形成在第三介质层上的金属层。
22.根据权利要求20所述的光子集成器件，
其中当第一和第二折射率之间的差超过预定值时，该光学信号在预定环境温度范围内是单模的。
23.根据权利要求19所述的光子集成器件，
其中该半导体结构包括：
第一半导体层；
形成在第一半导体层上的第一蚀刻停止层；
形成在第一蚀刻停止层上的第二半导体层，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成第一和第二半导体层；
形成在第二半导体层上的多个量子阱层；
形成在多个量子阱层上的间隔层；
形成在间隔层上的第二蚀刻停止层，
其中第一和第二半导体层、第一和第二蚀刻停止层以及该多个量子阱层形成有源半导体波导；以及
形成在第二蚀刻停止层上的脊结构，
其中该脊结构包括：
形成在第二蚀刻停止层上的脊层；
形成在脊层上的接触层，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成该脊层和接触层；以及
形成在接触层上的金属接触。
24.根据权利要求23所述的光子集成器件，
其中外延结构包括：
形成在第一衬底上的无源波导结构，并且其包括III-V化合物半导体层和中间蚀刻停止层的多个交替层；
形成在无源波导结构上的间隔层；以及
形成在间隔层上的过渡波导，
其中使用III-V化合物半导体材料来形成间隔层和过渡波导，
其中该半导体结构形成在过渡波导上，并且
其中该半导体结构将光学信号倏逝耦合至过渡波导。
25.根据权利要求24所述的光子集成器件，进一步包括
对接耦合至过渡波导的介质波导，
其中该过渡波导将光学信号光学耦合至介质波导。
26.根据权利要求23所述的光子集成器件，进一步包括：
邻近介质布拉格堆叠形成的介质波导，
其中该介质波导包括：
沉积在介质布拉格堆叠上的芯层；以及
沉积在芯层上的包覆层，
其中使用介质材料来形成芯层和包覆层，并且
其中光学信号从半导体结构耦合至芯层。
27.根据权利要求23所述的光子集成器件，进一步包括：
沉积在介质布拉格堆叠与第一刻面、以及反射器与第二刻面中的至少一个之间的抗反射涂覆层。
28.根据权利要求19所述的光子集成器件，
其中该第一衬底是接合至第二衬底的晶圆，并且
其中该第二衬底是硅衬底。
29.根据权利要求19所述的光子集成器件，进一步包括：
包括第一至第四光学元件的多个光学元件，
其中该多个光学元件中的每个光学元件都包括半导体结构、介质布拉格堆叠和反射器，
其中该第一至第四光学元件以Z字形配置设置在第一衬底上，并且彼此间隔开；
反射结构，其被设置在第一至第四光学元件的第一刻面前面，并且与第一至第四光学元件间隔开；以及
沉积在多个光学元件和反射结构之间的介质波导。
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