CN110492350B - 光接收系统和接收光信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种光接收系统和接收光信号的方法。该光接收系统包括：激光器的第一腔反射器，形成在由第一半导体材料形成的第一基板上；激光器的至少一个第二腔反射器，形成在由与所述第一半导体材料不同的第二半导体材料形成的第二基板上；激光器内的多个光路，在所述第一腔反射器与至少一个第二腔反射器之间延伸；N×M耦合器，形成在激光器中且在所述第一基板上，并且耦合到多个光路，其中，N和M是非零整数，并且N大于或等于2；多个光放大器，形成在第二基板上且在多个光路中的至少两个光路中；以及相干光接收器，形成在第一基板上并且具有连接到来自激光器的输出端口的光端口。

Description

光接收系统和接收光信号的方法
本申请是国家申请号为201580037516.6，国际申请日为2015年7月10日，进入国家日期为2017年1月9日，发明名称为“具有可调输出的集成大功率可调谐激光器”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C.§119(e)要求2014年7月11日提交的题为“INTEGRATEDHIGH-POWER TUNABLE LASER WITH ADJUSTABLE OUTPUTS”的美国临时专利申请序列第62/023,483号的权益，其全部内容通过引用合并到本文中。
技术领域
本申请涉及可调谐激光器、光放大器，并且涉及光通信系统。
背景技术
可调谐激光器通常由谐振激光腔内的可调谐波长滤波器和单个光学增益介质组成。图1中示出了常规可调谐激光器100的图示。激光腔可以包括在高反射器端镜105与部分透射镜140(称为“输出耦合器”)之间反射的腔内光束102。当腔内光束在端镜与输出耦合器之间循环时，其穿过增益介质110和可调谐波长滤波器130。
这样的激光器通常具有从输出耦合器140发射的仅一个输出光束104。例如，输出耦合器可以将腔内光束102中约10％的光学功率传输至激光腔外部以形成输出光束104。通常，在激光器工作时不能调节耦合到激光腔外部的功率量。替代地，必须关闭激光器，并且安装和对准不同的输出耦合器140。
因为常规激光器包含一种增益介质，所以激光功率受到增益介质110的饱和功率的限制。一旦在增益介质中达到饱和功率水平，则激光腔的输出功率不能实现进一步显著增加。为了增加可利用的激光功率，常规技术使输出光束104通过位于激光器100下游的光放大器。
发明内容
本技术涉及可调谐激光器、大功率激光器和光放大器。多个光放大器可以并行集成到激光腔中。另外，激光器可以包括可调谐滤波器并且提供多个功率输出端口，其中每个端口的功率是可调节的。根据一些实施方式，具有激光腔的激光器可以包括：在激光腔的第一端处的反射器；以及腔内N×M耦合器，其被布置成在第一端口处接收来自反射器的光并且将光分布到N个输出端口。激光器还可以包括：Q个光放大器，其被布置成放大来自N个输出端口中的至少一些输出端口的光；以及至少一个反射器，其被布置成将经放大的光反射回N×M耦合器。结合在激光腔中的光放大器的数目可以大于或等于2。
还描述了用于操作具有集成光放大器的可调谐激光器的方法。根据一些实施方式，产生相干光的方法可以包括以下动作：从第一反射器反射光；以及利用N×M耦合器将经反射的光分布到N个光路。该方法还可以包括：通过放大N个光路中的至少两个光路中的光来产生经放大的光；以及使经放大的光返回到N×M耦合器和第一反射器。操作可调谐激光器的方法还可以包括：调节N个光路中的至少一个光路中的光信号的相位以调节来自可调谐激光器的多个功率输出端口中之一的输出功率。
附图说明
将参照以下附图描述本申请的各个方面和实施方式。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项目在其出现的所有附图中都用相同的附图标记表示。
图1示出了常规可调谐激光腔；
图2示出了根据一些实施方式的包括并行布置的N个光放大器的可调谐激光器；
图3A示出了根据一些实施方式的N×M耦合器；
图3B示出了根据一些实施方式的N×M耦合器；
图4示出了根据一些实施方式的热光移相器；
图5示出了根据一些实施方式的可调谐波长滤波器；
图6A示出了根据一些实施方式的波导环路镜；
图6B示出了根据一些实施方式的波导镜；
图7A示出了根据一些实施方式的具有模式尺寸适配区的对接耦合波导；
图7B示出了根据一些实施方式的具有模式尺寸适配区的对接耦合波导；
图8示出了根据一些实施方式的半导体光放大器；
图9示出了根据一些实施方式的包括耦合到相干光接收器和光发射器的N个光放大器的可调谐激光器；
图10A和图10B示出了用于将N个光放大器耦合到可调谐激光腔中的N×M耦合器的N个端口的可替选实施方式；
图11A示出了耦接的光放大器芯片和硅光子芯片的实施方式，其中激光腔分布在所述两个芯片之间；
图11B示出了耦接的光放大器芯片和硅光子芯片的实施方式，其中激光腔分布在所述两个芯片之间；以及
图11C示出了耦接的光放大器芯片和硅光子芯片的实施方式，其中激光腔分布在所述两个芯片之间。
具体实施方式
本技术涉及可以在光通信系统以及其他应用中使用的可调谐激光器。本申请的各方面包括提供可调谐激光器的装置和方法，所述可调谐激光器包括并行配置的多个光放大器，并且所述可调谐激光器可以从多个可调功率端口提供输出功率。另外，可调谐激光器易于扩展到更大功率和附加功率端口。根据本申请的另一方面，公开了制造本文所述类型的可调谐激光器的方法。
根据一些实施方式，可调谐激光器(例如下面结合图2所描述的可调谐激光器200)可以被微制造并用于集成光学系统(例如光子集成电路(PIC))中。例如，PIC可以用于光通信系统或光学相干断层成像系统。在一些情况下，可调谐激光器可以用于向光发射器和接收器提供光载波和/或本地振荡器。在一些实施方式中，可调谐激光器(例如可调谐激光器200)可以在光纤系统中制造为例如可调谐光纤激光器。可调谐光纤激光器可以包括并行布置的并且使用光纤耦合器耦合到激光腔中的多个光纤放大器。
以上描述的各方面和实施方式以及另外的方面和实施方式将在下面进行进一步描述。这些方面和/或实施方式可以单独地使用、全部一起使用、或者以两个或更多个的任意组合来使用，因为在这一点上本申请不受限制。
参考图2，根据本申请的一个方面的可调谐激光器200可以包括光放大器230-1、230-2……230-N(统称为230并且单独地称为230-m)的阵列，其在可调谐激光腔的第一端处耦合到腔内N×M光耦合器250并且耦合到第一腔反射器207。N个光放大器可以通过多个光路212和222耦合到N×M耦合器。在一些实施方式中，光路可以包括例如由基板上的半导体和/或氧化物材料制成的集成光子波导。在一些实现方式中，光路212和/或222可以包括光纤波导。激光腔的第二端可以包括第二反射器205，其被布置成将光反射回通过光放大器230。另外，激光器可以包括P个输出功率端口260-1……260-P(统称为260并且单独地称为260-m)。如下所述，在一些实施方式中，N和P是整数，并且P可以等于或小于M-1。
尽管图2示出了耦合到N×M耦合器的N个输入端口的N个光放大器，但是一些实施方式可以具有少于N个的光放大器。例如，一些实施方式可以具有耦合到N×M耦合器的N个输入端口的一部分的Q个光放大器，其中Q小于N。在一些实施方式中不具有耦合到其的光放大器的输入端口可以用作腔内功率监测器。
可调谐激光器200还可以包括可调谐波长滤波器130和至少一个腔内移相器。可以提供在N×M耦合器250与第一腔反射器207之间延伸的至少一个激光腔光路224，并且所述至少一个激光腔光路224可以包括可调谐波长滤波器130。在一些实施方式中，激光腔光路224可以包括移相器。在所示的实施方式中，提供有多个腔内移相器240-1、240-2……240-N(统称为240，并且单独地称为240-m)，每个光放大器230对应于一个腔内移相器。一个或多个移相器240可以位于连接到N×M耦合器250的光路222中。波长滤波器130可以被调谐以选择在第一腔反射器207与第二反射器205之间循环的通过光放大器230的激射波长。一个或多个移相器240可以被调谐以调节从功率端口260-1……260-P中的一个或更多个功率端口输送的输出功率量。在一些实施方式中，移相器的调谐(或调节)可以是动态的(在激光器的操作期间)。因此，可以通过向可调谐波长滤波器130提供控制信号来选择可调谐激光器200的激射波长。另外，可以在激光器工作时通过向一个或更多个移相器提供一个或更多个控制信号来调节来自一个或更多个功率端口的功率。
可调谐激光器200还可以包括波长锁定器270。波长锁定器270可以包括被配置成感测可调谐激光器的工作波长的集成光子电路。波长锁定器270可以包括干涉仪、布拉格光栅结构、谐振器或其组合，并且波长锁定器270可以产生通过波长锁定电路280检测的指示可调谐激光器的激射波长的信号。来自波长锁定电路280的输出可以被提供至腔内可调谐波长滤波器130以使可调谐激光器的工作波长稳定。在一些实施方式中，波长锁定器270可以由具有低热光系数的材料制成。在一些情况下，可以使用热电冷却器或加热器来对波长锁定器和/或在其上制造可调谐激光器的一个或多个芯片的至少一部分进行温度控制。
在操作中，可调谐激光器200可以产生激光，该激光从第一腔反射器207反射出，通过在其处被分布的N×M耦合器250，并且被N个光放大器230放大，然后行进到第二反射器205，在第二反射器205处激光被反射回通过放大器和激光腔。当光在激光腔中来回循环时，N个光放大器230中的每一个对腔内激光功率贡献增益。另外，腔内功率的一部分通过P个输出功率端口260从腔引出。在各种实施方式中，N、M和P是整数。N可以大于或等于2。M可以小于、等于或大于N。P可以小于或等于M。在一些实施方式中，N＝M，并且P＝N-1。
在激光腔中提供并行的光放大器230的阵列而不是仅一个较大的放大器提高了可调谐激光器200的热性能和光学性能。所述阵列在较大的面积上扩散由放大器230产生的热，在较大的面积上热可以更容易地被消散。例如，驱动放大器以获得给定功率量的注入电流散布在基板的N个单独区域上，而不是集中在单个区域中。光放大器阵列还允许激光器中较高的光饱和功率。在半导体光放大器中，对于光学增益，每单位体积的可用载波的量会具有上限。多个放大器并行增加了放大器体积，同时保持每个放大器中的光学单模操作，因此增加了用于光学增益的可用载波的量。
根据一些实施方式，光放大器230可以位于第一半导体芯片210上。N×M耦合器250和可调谐滤波器130可以位于第二半导体芯片220上。移相器240可以位于第一半导体芯片或第二半导体芯片上。第一半导体芯片210可以包括任意合适的第一半导体材料，例如磷化铟和/或其任意合金(统称为磷化铟)、砷化镓和/或其任意合金、或氮化镓和/或其任意合金。第一半导体芯片210的材料可以不同于第二半导体芯片220的第二半导体材料。例如，第二半导体芯片220可以包括硅、二氧化硅、氮氧化硅和/或氮化硅，并且包括集成硅光子器件。
当可调谐激光器(例如可调谐激光器200)跨两个半导体芯片分布时，可以在所述两个半导体芯片之间的光路的接合处形成有模式尺寸适配器(mode-size adapters)。例如，模式尺寸适配器可以形成在延伸到芯片的边缘的集成波导的端部处。在图2的示例中，提供模式尺寸适配器215-1、215-2……215-N(本文统称为215)，对于每个光路212提供一个模式尺寸适配器。模式尺寸适配器可以提高从第一半导体芯片210上的光路(例如，波导)212到第二半导体芯片222上的光路(例如，波导)222的光辐射的耦合效率。
在图3A中示出了可以用作图2的N×M耦合器250的光学N×M耦合器350的一个示例，但是本申请的各个方面不限于仅这种类型的耦合器。在一些实现方式中，光耦合器可以包括多模干涉(MMI)耦合器或星形耦合器。光耦合器可以包括在耦合区320的一侧的N个第一端口和在耦合区的第二侧的M个第二端口。在所示出的示例中，N等于四，使得提供第一端口310-1……310-4(统称为310)，而M等于二，使得提供第二端口330-1和330-2(统称为330并且单独地称为330-m)。应当理解，可以提供其他数目的端口。在一些实施方式中，耦合区320可以包括集成平板波导，在所述集成平板波导中从N个第一端口310进入的光模在通过M个第二端口330离开之前扩展并且光学干涉。在一些实现方式中，光耦合器350可以形成为集成硅光学器件，其中N个端口和M个端口以及耦合区320被制造为硅波导结构。N个端口和M个端口可以包括单模光波导，每个单模光波导具有在约50nm至约700nm之间的横向尺寸。在一些实施方式中，单模波导可以具有在约50nm至约300nm之间的高度以及在约200nm至约700nm之间的宽度。耦合区320可以包括多模平板波导，并且具有与N个端口和M个端口的波导相同的高度。耦合区的宽度可以在约1微米至约50微米之间。
在其他实施方式中，可以使用任何合适的半导体材料、介电材料或材料组合物形成光耦合器350。在一些实施方式中，材料组合物可以包括金属层。介电材料可以包括诸如氧化物或氮化物的绝缘体。由其他材料或材料组合物形成的光耦合器可以具有与上面列出的尺寸不同的尺寸。
对于光耦合器350，第一端口310可以被称为“输入”端口，并且第二端口330可以被称为“输出”端口。然而，N×M光耦合器可以呈现互易性(reciprocity)并且在两个方向上操作。例如，光耦合器可以将在N个“输入”端口处接收的光分布在M个“输出”端口中。所接收的光可以具有N个不同强度的分布。分布在M个输出端口中的光可以具有M个不同强度的分布。根据光耦合器的设计，输出强度的总和可以近似等于或者可以不近似等于输入强度的总和。在一些实现方式中，光的方向可以颠倒，使得光耦合器将在M个端口处接收的光分布在具有N个不同强度的相同分布的N个端口中。虽然图3A示出了4×2光耦合器，但是可以存在任意其他数目的第一端口310和第二端口330。
图3B示出了N×M光耦合器352的另一示例。在所示出的示例中，N等于二，使得提供第一端口310-1和310-2，并且M等于四，使得提供第二端口330-1……330-4。这些数字仅仅是示例。根据一些实施方式，光耦合器可以包括沿着其长度相互作用的多个单模光波导。例如，两个或更多个波导可以在耦合区315和325(例如，光学定向耦合器或光学绝热耦合器)处彼此平行并且彼此靠近地延伸。耦合区可以是其中两个或更多个波导彼此靠近地间隔开使得至少来自一个波导的渐逝场延伸到至少一个相邻波导中的区域。当光模沿着波导行进时，功率将从一个波导耦合到至少一个相邻波导中。
如上所述，在N×M光耦合器250和N个光放大器230之间延伸的一个或更多个光路可以包括一个或更多个移相器240。在一些实现方式中，在每个光路222中存在一个移相器。移相器240-m可以被配置成调节沿着光路222行进的光学信号的相位，并且影响N×M耦合器250处的场的光学干涉。通过调节在一个或更多个光路222中的光学信号的相位，可以改变从输出功率端口260发射的并且在激光腔光路224中的功率量。例如，调节光路径222之一中的相位可以改变光学场在N×M耦合器250处干涉的方式并且可以将功率输送到M个端口中的每一个。作为示例，根据一个相位设置，所有腔内功率可以流过激光腔光路224。另一相位设置可以将腔内功率中的一些分布在功率端口260中。
对于移相器240在宽的波长范围上一致地影响N×M耦合器250中的光学干涉，通过每个光放大器在N×M耦合器与第二反射器205之间的光路长度可以近似相等。在实践中，光路长度可以不同，只要它们相差不超过激光辐射的时间相干长度即可。具有不同的光路长度可以导致波长依赖性，并且可以在一些实施方式中用于在激光腔中提供光学波长滤波。在一些实现方式中，可以通过手动和/或自动改变的控制信号来调节移相器240。例如，每个功率端口260-m可以包括光学分路器和功率检测器，使得操作者可以提供控制信号以调节移相器，从而从功率端口获得期望的功率比。另外地或可替选地，反馈电路或任何合适的控制电路可以响应于在一个或更多个端口处检测到的功率向移相器240提供控制信号，以使来自一个或更多个端口260的功率稳定。反馈电路可以是任何合适的电路或者可以经由数字信号处理来实现。反馈电路可以从布置成监测来自功率端口的功率的检测器接收至少一个功率信号，并且向移相器240-m提供控制信号以响应于所接收到的功率信号来改变相位。反馈电路可以将所接收到的功率信号与第二信号进行比较以确定控制信号的值。
图4示出了可以用于可调谐激光器(例如，作为可调谐激光器200的移相器240-m)中的移相器440的非限制性示例。根据一些实施方式，移相器440可以是热光移相器，如由M.R.Watts等人在“Adiabatic Thermo-Optic Mach-Zehnder Switch”Opt.Lett.Vol.38，No.5,733-735(2013)中所描述的，其通过引用并入本文。这样的热光移相器可以在小于20微米的波导长度中实现高达2π的有效光学相位调制。在其他实施方式中，移相器440可以包括通过电流注入到波导中来改变相位的半导体基移相器。对于光纤实现方式，移相器可以包括拉伸纤维的长度的压电材料。不管移相器440的类型如何，其可以由电偏压控制以调节穿过光路222的光学信号的相位。
热光移相器可以包括定位成与光路(在本示例中假设为波导)222相邻的电阻元件410。在一些实施方式中，可以存在与波导相邻的仅一个电阻元件410。电阻元件410可以位于光波导旁边和/或上方和/或下方。电阻元件可以由电阻半导体材料、金属或将电流转换成热的任何其他合适的材料形成。热光移相器440还可以包括延伸到第一端子425和第二端子427的导电迹线(trace)。第一端子和第二端子可以是接触焊盘。电流可以经由第一端子和第二端子施加在电阻元件410两端。当电流流过电阻元件时，电阻元件可以消散耦合到光波导222的至少一部分的热，并且从而改变光波导内的折射率。折射率的这种变化可以改变传播通过波导222的光学信号的相位。根据一些实施方式，热光移相器可以沿着波导在约2微米至约400微米之间的距离上延伸。其他实施方式可以包括其他长度。
本文中所描述的各个方面不限于热光移相器440。在一些实现方式中，移相器240-m可以包括电光移相器。电光移相器可以包括在集成波导的一部分中形成的半导体结(例如，p-n或p-i-n)。半导体结可以被配置成将载流子注入到光模行进通过的波导的区域中。载流子的注入增加了光吸收，并且可以通过应用于光吸收的Kramers-Kronig关系改变波导中的折射率。根据一些实施方式，电光移相器可以沿着波导在约50微米至约800微米之间的距离上延伸。其他实施方式可以包括其他长度。
图5示出了根据一些实施方式的可以包括在大功率可调谐激光腔中的可调谐波长滤波器530。例如，可调谐波长滤波器530可以用作图2的可调谐波长滤波器130。可调谐波长滤波器530可以包括定位成与激光腔光路224相邻的成对的集成光子环形谐振器510、520。环形谐振器510、520可以是圆形、椭圆形或具有跑道形图案(race track pattern)，并且可以具有不同的尺寸。每个环形谐振器可以具有可以通过电阻加热元件540热光调节的自由光谱范围。通过调节每个环形谐振器的自由光谱范围，可以选择可以从激光腔光波导224-1耦合到第一环形谐振器510、耦合到中间波导224-2、耦合到第二环形谐振器520、以及耦合到端波导224-3光学信号的波长，其中光学信号行进到激光腔反射器207并且从激光腔反射器207反射出。
根据一些实施方式，环形谐振器510、520可以形成为集成光波导。环形谐振器波导可以具有与腔光波导224-1的横向轮廓大致相同的横向轮廓，如上所述。在一些实施方式中，环形谐振器波导可以由与腔光波导224-1相同的材料(例如，硅)形成。
根据一些实施方式，第一激光腔反射器207可以包括可以集成在PIC上的任何合适的反射器。图6A中示出了反射器的一个示例。根据这种实施方式，反射器可以包括波导环路镜。例如，腔光路(例如，波导)224的端部可以在激光腔的端部处延伸到腔光学波导上回绕的环610中。在一些实施方式中，环610可以包括具有相同的横向轮廓并且由与腔光波导224相同的材料形成的单模波导。环可以以任何合适的形状(例如泪珠形状)延伸。
图6B中示出了可以在芯片上的波导的端部处实现的反射器207的另一示例。根据这种实施方式，反射器可以包括具有波导224的扩展区630的多模干涉反射器。扩展区630可以包括平板波导区或光学腔，沿着波导224行进的光模可以扩展到该平板波导区或光学腔中，进行光学干涉，并反射回波导224中。
根据一些实施方式，在激光腔的相对端处的第二反射器205可以实现为沉积在光波导212上的面上的反射涂层。例如，第一半导体芯片可以被分开或切割，露出穿过光放大器的波导212的面。然后可以在所露出的面上沉积反射涂层。反射涂层可以包括在激射波长下具有高反射率的多层介电涂层。在其他实施方式中，可以使用多个第二反射器。例如，每个波导212可以包括环形镜或多模干涉反射器，使得第二反射器205包括反射器阵列。
如图2所示，光放大器230可以位于第一半导体芯片210上，并且N×M耦合器250可以位于第二半导体芯片220上。光放大器230可以通过包括集成光波导的N个光路212、222连接到N×M耦合器。在一些实现方式中，集成波导可以在半导体芯片的边缘处彼此对接耦合，如图7A和图7B中所示出。这样的对接耦合波导可以提供从一个芯片上的一个波导212到相邻芯片上的另一波导222的有效功率传输。在波导在芯片的边缘处相遇的地方，可以存在模式尺寸适配器215。模式尺寸适配器715的一个示例在图7A中示出。
在一些实现方式中，模式尺寸适配器715可以包括集成光波导的一部分，该集成光波导当其接近半导体芯片的边缘或者接近与另一波导将发生光耦合的区域时在结构上改变。例如，用于光放大器230-1的波导212可以在靠近第一半导体芯片210的边缘的模式尺寸适配区720处尺寸逐渐扩展和/或弯曲。在一些情况下，尺寸的扩展可以使波导的横向尺寸增加最高达2微米或更大。扩展可以使得波导中的光模能够在横向于靠近芯片边缘的波导的方向上扩展，从而使光模从第一芯片上的一个波导耦合到对波导之间的未对准较不敏感的第二半导体芯片220上的第二波导222。
每个波导的模式尺寸适配区720、730可以遵循任意合适的弯曲路径，使得沿第一适配区720中的光轴703行进并离开第一半导体芯片210的光模与第二适配区730的光轴对准并且相对于芯片边缘处的每个波导的面的法线形成角度α。根据一些实施方式，角度α可以在约5°至约40°之间。使用这样的成角度的光轴的对接耦合可以减少来自芯片边缘的潜在反射的有害影响。例如，来自芯片边缘的潜在反射可以反射到不容易耦合回到光波导212中的方向。反射光可以在波导的数值孔径之外的方向上，因此反射光不被波导212捕获和引导。在一些情况下，可以使用光学粘合剂或折射率匹配粘合剂来使对接耦合的波导接合。在一些实现方式中，对接耦合波导的光轴可以垂直于芯片边缘，并且光学粘合剂或折射率匹配粘合剂可以用于接合对接耦合波导。根据一些实施方式，可以在对接耦合波导的面上形成抗反射涂层(例如，多层介电叠层)以减少界面反射(例如，当从其中包层可以包括InP的InP芯片发出到其中包层可以包括氧化物的Si芯片时)。
在图7B中示出了模式尺寸适配器717的另一示例。在一些实施方式中，光波导可以在相应芯片的边缘处的模式尺寸适配区722、732中在横向和/或竖直尺寸上逐渐变细且减小。在一些实现方式中，波导的横向尺寸可以减小到约50nm。通过减小光波导的横向尺寸，波导内的光模被较不强烈地限制，并且随着波导变得更小而扩展到周围的介电质或空气中。这可以增加沿着波导行进的光模当其接近半导体芯片的边缘时的横向尺寸。
根据一些实施方式并且再次参考图2，光放大器230可以包括任何合适类型的光放大器。在光纤系统中，光放大器可以包括例如掺铒光纤。当在PIC中实现时，光放大器可以包括半导体光放大器(SOA)。在一些实施方式中，SOA 800可以具有如图8的正视图中所示的结构。例如，SOA可以形成在半导体基板805上，半导体基板805可以是硅(Si)基板或磷化铟(InP)基板，但是在其他实施方式中可以使用其他半导体基板。在基板上可以存在或者可以不存在介电或绝缘层810(例如，氧化物或氮化物层)。例如，根据一些实施方式，基板可以包括绝缘体上半导体(SOI)基板。绝缘层810可以为约50nm厚至约4微米厚。
在一些实现方式中，半导体光放大器800可以包括InP材料并且可以包括形成在基板上的第一n掺杂的InP基极层820。基极层820可以为100nm厚至约2微米厚。在基极层820上可以形成包括n掺杂的InP的缓冲层825。根据一些实施方式，缓冲层825可以通过外延生长或离子注入形成，并且可以为约5nm至约50nm厚。随后可以在缓冲层上外延生长InP的本征层830。根据一些实施方式，本征层830可以为约50nm和约200nm厚。在本征层上可以形成p掺杂层840以形成p-i-n结。本征层830和p掺杂层840可以是外延生长的。在一些实施方式中，SOA 800可以另外包括电子阻挡层和空穴阻挡层(未示出)。在p掺杂层840上可以形成第一电接触部(未示出)，第二电接触部可以连接到基极层820，使得可以跨p-i-n结施加电流。
根据一些实现方式，SOA(例如SOA 800)可以在波导结构中被图案化。波导结构的截面可以具有如图8所示的轮廓。光模可以限于波导并且主要通过波导的本征区830，在波导的本征区830中可以发生载流子复合和光放大。尽管图8示出了脊波导，但是一些实施方式可以包括掩埋波导(例如，包括在两侧或更多侧上由具有较低折射率的介电质包围的半导体材料的波导)。
尽管结合图8描述了半导体光放大器是基于磷化铟的(其包括InP的合金)，但是在其他实施方式中可以使用其他材料用于SOA。例如，SOA可以包括砷化镓和/或其合金。在一些实施方式中，SOA可以包括氮化镓和/或其合金。在一些实施方式中，SOA可以包括铟-铝的合金。
根据一些实施方式，包括多个光放大器的可调谐激光器可以在用于光通信的PIC中实现，如图9所示。PIC 900可以包括可调谐激光器901，可调谐激光器901包括：例如4×4光耦合器250；四个SOA 230-1、230-2、230-3和230-4；四个模式尺寸适配器215-1、215-2、215-3和215-4；以及四个移相器240-1、240-2、240-3和240-4。除了将腔内功率引导到可调谐波长滤波器130和反射器207的激光腔路径244之外，可调谐激光器901可以包括三个功率输出端口904-1至904-3。激光腔路径244本质上可以与先前描述的路径224相同。来自第一功率端口904-1的激光可以耦合到相干接收器902。这种激光可以向相干接收器提供本地振荡器信号。由可调谐激光器901产生的激光也可以通过两个其他功率端口904-2、904-3提供到光发射器903。
相干接收器902可以与可调谐激光器901的一部分形成在同一半导体芯片220上，或者可以形成在不同的半导体芯片上。在一些实施方式中，相干光接收器可以包括光表面耦合器910，该光表面耦合器910被配置成从光纤接收其上信息被编码的信号光并且将信号光耦合到相干接收器902的集成光波导中。相干接收器还可以包括一个或更多个集成相干接收器光子电路920-1、920-2，所述集成相干接收器光子电路920-1、920-2处理所接收的信号光并且产生可以通过接触焊盘915检测的多个电信号。从可调谐激光器901提供的本地振荡器信号可以用光分路器912分开以向集成相干接收器电路920-1、920-2中的每一个提供本地振荡器信号。集成相干接收器电路920-1、920-2可以包括相位分集和极化分集光子电路。
光发射器903可以包括成对嵌套的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪950。嵌套的马赫-曾德尔干涉仪可以包括多个光分路器912和多个热光移相器940。嵌套的马赫-曾德尔干涉仪还可以包括高速电光相位调制器952。嵌套的马赫-曾德尔干涉仪可以用于光信号的正交信号调制和/或双极化调制。光发射器903还可以包括输出表面耦合器980，其被配置将来自一个或更多个波导的光辐射耦合到光纤。
根据一些实施方式，嵌套的马赫-曾德尔干涉仪950还可以包括2×2光耦合器914，一个出口端口可以从所述2×2光耦合器914向芯片上光电检测器提供光参考信号。光电检测器可以将光参考信号转换为可以在信号焊盘915处检测的电信号。可以监测电信号以确定来自两个嵌套的马赫-曾德尔干涉仪950的相对功率。
尽管可调谐激光器已经被描述为具有包括形成在第一半导体芯片210上的光放大器的一部分以及形成在第二半导体芯片220上的第二部分，但是在一些实现方式中，可调谐激光器可以形成在单个半导体芯片上，如图10A所描述的在芯片1010上的可调谐激光器1000。在图10B中示出了该结构的正视图。例如，在基板1005上的第一半导体层1022中可以形成N×M光耦合器320和集成光波导310-1……310-4、330-1……330-4。在一些实现方式中，第一半导体层可以包括硅半导体层(例如，绝缘体上硅层)。另外，在第一半导体层1022上可以形成用于耦合器320的N个输入端口中的一个或更多个的移相器240-1……240-4。在第一半导体层1022之上可以形成第二半导体材料(例如InP)层1024，如图10B所示。根据一些实施方式，第二半导体材料层可以通过接合过程形成。例如，可以采用晶片接合和回蚀刻过程，如在美国专利第9,020,001号中所描述的，其通过引用并入本文。
在第二半导体层1024中可以形成半导体光放大器230及其相应的波导212。在一些实施方式中，在层之间可以沉积绝缘介电质(例如氧化物)1030。还可以沉积绝缘层作为覆盖层以使器件钝化。来自第二层上的半导体光放大器230的功率可以通过渐逝耦合耦合到下端口(例如，硅波导)310。以这种方式，激光腔中的功率可以从一个腔反射器205通过半导体光放大器进入下面的硅波导，并且通过N×M光耦合器320到达耦合到光耦合器320的一个端口330-m的另一腔镜207(未示出)。
在一些实施方式中，可以优选地在与可调谐激光器的其他部件不同的基板上形成光放大器230。图11A至图11C示出了其中SOA可以形成在第一基板或半导体芯片210上并且耦合到其上布置有N×M耦合器、移相器和可调谐波长滤波器的第二半导体芯片220的实施方式。在一些实现方式中，SOA可以形成在第一半导体芯片210的“处理侧”或“器件侧”1110上。如图11A的配置1101所示，第一芯片可以倒装并且接合到第一副安装座1115。这样的倒装芯片接合可以改善来自SOA的散热。例如，副安装座可以包括与第一半导体芯片210的材料(例如，磷化铟)相比具有较高热导率的材料(例如，氮化铝)。第一副安装座1115可以接合到基底安装座1105。然后第二半导体芯片220可以与基底安装座对准并接合到基底安装座。在一些实施方式中，第二半导体芯片220上的部件形成在处理侧1120上。在一些实施方式中，第二半导体芯片220可以用定位装置操纵，并且其与第一芯片的对准被调节，直到实现恰当的对准为止。根据一些实施方式，可以通过监测从一个芯片传递到另一芯片的光功率来检测恰当的对准。在一些情况下，可以查看或处理芯片接口的放大图像以确定恰当的对准。放大图像可以通过使用光学透镜以及CCD或CMOS成像阵列的光学和电子放大的组合来获得。一旦对准，环氧或UV可固化粘合剂1130然后可被固化以固定第二半导体芯片220并保持对准。在一些实施方式中，UV可固化粘合剂或光学粘合剂可以附加地定位在第一半导体芯片210与第二半导体芯片220之间，以在每个芯片上的光路(例如，波导)212、222之间提供粘合和折射率匹配两者。
根据一些实施方式，第一半导体芯片210和第二半导体芯片220两者可以被倒装芯片接合到基底安装座1105，如图11B的配置1102所示。在一些情况下，芯片中的一个或两个可以被钎料接合(例如，使用凸块接合)到基底安装座1105。例如，可以在接合之前加热钎料，使芯片对准，然后钎料可以被冷却以接合芯片并保持对准。在一些实施方式中，可以在芯片之间和/或在芯片与基底安装座1105之间附加地使用UV可固化或光学粘合剂，以有助于在实现对准之后永久固定芯片。
根据一些实现方式，含有SOA的第一半导体芯片210可以倒装芯片接合到第二半导体芯片220，如图11C的配置1103中所示出。根据这种实施方式，第二半导体芯片220可以包括沟槽1150或其他容纳特征以容纳第一半导体芯片210。例如，沟槽可以具有约500nm至约10微米的深度，使得在所述两个芯片上的光路(例如，波导)212、222在芯片接合在一起时变得基本上共面。芯片可以使用如上所述的钎料接合和/或粘合剂接合来对准和接合。
从以上内容可见，本申请所公开的技术内容包括但不限于如下：
方案1.一种具有激光腔的激光器，包括：
在所述激光腔的第一端处的第一反射器；
腔内N×M耦合器，其被布置成在第一端口处接收来自所述第一反射器的光并且将所述光分布到N个输出端口；
Q个光放大器，其被布置成放大来自所述N个输出端口中的至少一些输出端口的光以产生经放大的光；以及
至少一个第二反射器，其被布置成将所述经放大的光反射回所述N×M耦合器，其中Q≥2。
方案2.根据方案1所述的激光器，还包括在所述N×M耦合器与所述Q个光放大器之间的至少一个光路中的至少一个移相器。
方案3.根据方案1或2所述的激光器，其中，所述至少一个移相器包括至少一个热光移相器。
方案4.根据方案2或3或任一其他前述方案所述的激光器，还包括连接到所述N×M耦合器的M-1个功率端口，其中，所述至少一个移相器是能够调节的以改变来自所述M-1个功率端口中的至少一个功率端口的激光功率的量。
方案5.根据方案4或任一其他前述方案所述的激光器，还包括：
检测器，其被布置成检测来自所述M-1个功率端口中之一的光功率；以及
反馈电路，其被布置成从所述检测器接收功率信号并且响应于所接收到的功率信号改变移相器的相位。
方案6.根据方案1至4中任一项或任一其他前述方案所述的激光器，还包括在所述激光腔中并且耦合到所述N×M耦合器的可调谐波长滤波器。
方案7.根据方案6或任一其他前述方案所述的激光器，其中，所述可调谐波长滤波器包括耦合到波导的至少一个环形谐振器。
方案8.根据方案6或7或任一其他前述方案所述的激光器，其中，所述可调谐波长滤波器被配置成在波长范围内调谐所述激光器的波长，所述波长范围在1200nm至1700nm之间。
方案9.根据方案1至8中任一项或任一其他前述方案所述的激光器，其中，所述第一反射器和所述N×M耦合器集成在第一基板上，并且所述Q个光放大器集成在第二基板上。
方案10.根据方案9或任一其他前述方案所述的激光器，还包括：
在所述第一基板上的第一微制造波导和在所述第二基板上的第二微制造波导，所述第一微制造波导和所述第二微制造波导被布置成将所述N×M耦合器的所述N个输出端口耦合到所述Q个光放大器；以及
位于所述第一微制造波导和所述第二微制造波导之间的模式尺寸适配器。
方案11.根据方案10或任一其他前述方案所述的激光器，其中，所述第一微制造波导对接耦合到所述第二微制造波导。
方案12.根据方案9至11中任一项或任一其他前述方案所述的激光器，其中，所述第一基板包括硅光子芯片，并且所述第二基板包括磷化铟。
方案13.根据方案12或任一其他前述方案所述的激光器，还包括：
连接到所述N×M耦合器的M-1个功率端口；
在所述硅光子芯片上的相干光接收器，其中，所述M-1个功率端口中的第一功率端口连接到所述相干接收器；以及
在所述硅光子芯片上的光调制器，其中，所述M-1个功率端口中的第二功率端口连接到所述光调制器。
方案14.一种产生相干光的方法，所述方法包括：
从第一反射器反射光；
利用N×M耦合器将所述光分布到N个光路；
通过放大所述N个光路中的至少一些光路中的光来产生经放大的光；以及
使所述经放大的光返回到所述N×M耦合器和所述第一反射器。
方案15.根据方案14或任一其他前述方案所述的方法，其中，所述通过放大所述N个光路中的至少一些光路中的光来产生经放大的光包括利用耦合到Q个光波导的Q个半导体光放大器来放大所述光。
方案16.根据方案14或15或任一其他前述方案所述的方法，其中，使所述经放大的光返回包括使所述经放大的光从第一半导体材料返回到其中制造有所述N×M耦合器的第二半导体材料，其中，所述第一半导体材料不同于所述第二半导体材料。
方案17.根据方案16或任一其他前述方案所述的方法，其中，所述第一半导体材料包括磷化铟，并且所述第二半导体材料包括硅。
方案18.根据方案14至17中任一项或任一其他前述方案所述的方法，还包括调节可调谐滤波器以选择从所述第一反射器反射的光的波长，其中，所述波长在约1200nm至约1700nm之间。
方案19.根据方案14至17中任一项或任一其他前述方案所述的方法，还包括：
从连接到所述N×M耦合器的M-1个功率端口提供部分相干光；以及
调节所述N个光路中的至少一个光路中的光的相位以改变所述M-1个功率端口中的至少一个功率端口的功率量。
方案20.根据方案19或任一其他前述方案所述的方法，还包括：
从所述M-1个功率端口中的第一功率端口向与所述N×M耦合器位于同一芯片上的相干光接收器提供第一信号；以及
从所述M-1个功率端口的第二功率端口向位于所述同一芯片上的光调制器提供第二信号。
方案21.根据方案20或任一其他前述方案所述的方法，还包括：
将作为本地振荡器的所述第一信号与接收到的光信号混频；以及
对作为载波的所述第二信号进行调制以对所传输的光信号的至少一部分进行编码。
因此已经描述了本申请的技术的若干方面和实施方式，应当理解，本领域普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本申请中描述的技术的精神和范围内。因此，应当理解，前述实施方式仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同内容的范围内，本发明实施方式可以以不同于具体描述的方式实践。此外，本文中描述的两个或更多个特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合被包括在本公开内容的范围内，只要这样的特征、系统、制品、材料和/或方法并非互不一致即可。
此外，如所描述的，一些方面可以被实施为一个或更多个方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以不同于所示的顺序执行动作的实施方式，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方式中被示为顺序动作也是如此。
如本文所定义和使用的所有定义应理解为支配字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或被定义术语的普通含义。
除非有相反指明，不定冠词“一个/一种”如在说明书中和在权利要求书中使用的那样应当理解为意指“至少一个/一种”。
措词“和/或”如在说明书中和在权利要求书中使用的那样应当理解为意指这样联合的元素中的“任一个或者两个”，即，在一些情况下共同存在而在其他情况下分开存在的元素。
如在说明书中和在权利要求书中使用的那样，短语“至少一个”在提及一个或更多个元素的列表时应当理解为意味着从元素列表中的任何一个或更多个元素中选择的至少一个元素，但是并非必然地包括在元素列表中具体列举的所有每个元素中的至少一个元素，也不排除元素列表中的元素的任何组合。这个定义也允许除了在短语“至少一个”所提及的元素列表内具体标识的元素之外的元素，无论与具体标识的那些元素相关还是无关，都可以可选地存在。
在一些实施方式中，术语“大约”和“约”可用于表示在目标值的±20％内，在一些实施方式中在目标值的±10％内，在一些实施方式中在目标值的±5％内，而在一些实施方式中，在目标值的±2％内。术语“大约”和“约”可以包括目标值。
在权利要求书中以及在以上说明书中，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及到”、“持有”、“包括(composed of)”等所有过渡短语将理解为开放式，即意指包括但不限于。过渡短语“由……组成”和“实质上由……组成”应当分别是封闭式或者半封闭式过渡短语。

Claims (20)

1.一种光接收系统，包括：
激光器的第一腔反射器，所述第一腔反射器形成在由第一半导体材料形成的第一基板上；
所述激光器的至少一个第二腔反射器，所述至少一个第二腔反射器形成在由与所述第一半导体材料不同的第二半导体材料形成的第二基板上；
所述激光器内的多个光路，所述多个光路在所述第一腔反射器与所述至少一个第二腔反射器之间延伸；
N×M耦合器，所述N×M耦合器形成在所述激光器中且在所述第一基板上，并且耦合到所述多个光路，其中，N和M是非零整数，并且N大于或等于2；
多个光放大器，所述多个光放大器形成在所述第二基板上且在所述多个光路中的至少两个光路中；以及
相干光接收器，所述相干光接收器形成在所述第一基板上并且具有连接到来自所述激光器的输出端口的光端口。
2.根据权利要求1所述的光接收系统，其中，所述激光器被配置成向所述相干光接收器提供本地振荡器信号。
3.根据权利要求2所述的光接收系统，其中，所述相干光接收器包括集成的相位分集光子电路。
4.根据权利要求2所述的光接收系统，其中，所述相干光接收器包括集成的极化分集光子电路。
5.根据权利要求1所述的光接收系统，其中，所述N×M耦合器被布置在所述激光器中，以在所述N×M耦合器的第一端口处接收来自所述第一腔反射器的光并且将所述光分布到所述N×M耦合器的N个输出端口，其中，N和M两者均大于1。
6.根据权利要求5所述的光接收系统，其中，所述N个输出端口中的多个输出端口连接到所述至少两个光路。
7.根据权利要求5所述的光接收系统，其中，所述第一基板包括硅光子芯片，并且所述第二基板包括磷化铟芯片。
8.根据权利要求5所述的光接收系统，还包括：
第一微制造波导，其耦合到所述N个输出端口中的至少一些输出端口；以及
第二微制造波导，其耦合到所述多个光放大器。
9.根据权利要求8所述的光接收系统，还包括位于所述第一微制造波导与所述第二微制造波导之间的模式尺寸适配器。
10.根据权利要求8所述的光接收系统，其中，所述第一微制造波导对接耦合到所述第二微制造波导。
11.根据权利要求8所述的光接收系统，其中，所述第一微制造波导集成在所述第一基板上，并且所述第二微制造波导集成在所述第二基板上。
12.根据权利要求5所述的光接收系统，还包括：
M-1个功率端口，其连接到所述N×M耦合器；以及
所述多个光路中的第一光路中的移相器，其中，所述移相器是能够调节的，以改变来自所述M-1个功率端口中的至少一个功率端口的功率量。
13.根据权利要求12所述的光接收系统，还包括：
检测器，其被布置成感测来自所述M-1个功率端口之一的光功率；以及
反馈电路，其被布置成接收来自所述检测器的功率信号并且响应于所接收到的功率信号来改变所述移相器的相位。
14.根据权利要求12所述的光接收系统，其中，所述M-1个功率端口中的第一功率端口连接到所述相干光接收器，并且其中，所述M-1个功率端口中的第二功率端口连接到光发射器，所述光发射器集成在所述第一基板上。
15.根据权利要求14所述的光接收系统，其中，所述光发射器包括成对嵌套的马赫-曾德尔Mach-Zehnder干涉仪。
16.一种接收光信号的方法，所述方法包括：
由激光器产生本地振荡器信号，所述激光器包括：形成在第一半导体材料的第一基板上的第一腔反射器；形成在与所述第一半导体材料不同的第二半导体材料的第二基板上的至少一个第二腔反射器；所述激光器内的在所述第一腔反射器与所述至少一个第二腔反射器之间延伸的多个光路；N×M耦合器，所述N×M耦合器形成在所述激光器中且在所述第一基板上，并且耦合到所述多个光路，其中，N和M是非零整数并且N大于或等于2；以及形成在所述第二基板上且在所述多个光路中的至少两个光路中的多个光放大器；
由相干光接收器接收所述光信号，所述相干光接收器形成在所述第一基板上并且连接到来自所述激光器的输出端口；以及
由所述相干光接收器接收所述本地振荡器信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：将所述光信号和所述本地振荡器信号提供给所述相干光接收器的相位分集光子电路。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：将所述光信号和所述本地振荡器信号提供给所述相干光接收器的极化分集光子电路。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：通过调节位于所述多个光路中的至少一个光路中的至少一个移相器来调节所述本地振荡器信号的功率量。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用所述激光器来产生载波；以及
将所述载波提供给形成在所述第一基板上的光发射器。
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