CN111711064A - 集成相干光学收发器、光引擎 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种集成相干光学收发器、光引擎。相干收发器包括单硅光子基板，该基板被配置为集成倒装的并与波长调谐部耦接的激光二极管芯片以提供具有调谐波长的激光输出，该波长以X：Y比例被部分分成本地振荡器信号进入相干接收器块和光源进入相干发射器块。相干接收器包括将相干输入信号分成分别由两个90度混合接收器检测到的TE模式信号和TM*模式信号的偏振光束分离器旋转器，和由两个来自可调谐激光器装置的本地振荡器信号辅助的倒装TIA芯片。相干发射器包括倒装在硅光子基板上的驱动器芯片以驱动一对Mach‑Zehnder调制器和正交相位分支中的90度相移通过I/Q调制将激光输出调制为两个偏振信号，并使用偏振光束旋转器组合器将它们组合为相干输出信号。

Description

集成相干光学收发器、光引擎
技术领域
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种基于硅光子平台的紧凑的集成相干收发器、其形成方法以及具有该收发器的系统。
背景技术
在过去的几十年里，通信网络的使用激增。在早期的互联网中，流行的应用程序仅限于电子邮件、公告板，主要是信息和基于文本的网页浏览，并且传输的数据量通常相对较小。如今，互联网和移动应用程序需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像脸书这样的社交网络每天处理超过500TB的数据。由于对数据和数据传输的需求如此之高，因此需要改进现有的数据通信系统来满足这些需求。
在现有的单模光纤上进行40Gbit/s和100Gbit/s数据速率的宽带DWDM(密集波分复用)光学传输是下一代光纤通信网络的目标。对于许多应用，诸如宽带DWDM通信以及波长控制的光检测和测距(LIDAR)感测，芯片级可广泛调谐的激光器已经引起了人们的兴趣。近来，光学组件被集成在硅(Si)基板上，以制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。已经证明了包括滤波器、(解)复用器、分离器、调制器和光检测器的整个光子组件主要是在绝缘体上硅(SOI)平台上。SOI平台特别适合于1300nm和1550nm的标准DWDM通信频段，因为硅(n＝3.48)和其氧化物SiO2(n＝1.44)都是透明的，并且形成了理想地适用于中至高集成平面集成电路(PIC)的高折射率、高约束波导。
相干光纤通信在1980年代进行了广泛的研究，这主要是因为相干接收器的高灵敏度可延长未重复的传输距离；但是，在使用掺铒光纤放大器(EDFA)的高容量波分复用(WDM)系统快速发展之后，其研究和开发被中断了将近20年。不久前，相干接收器中数字载波相位估计的证明再次激发了人们对相干光通信的广泛兴趣。事实是，数字相干接收器使我们能够采用多种光谱有效的调制格式，例如M相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)，而无需依赖相当复杂的光学锁相环。另外，由于相位信息在检测后得以保留，因此我们可在数字域中实现电后处理功能，例如色散补偿和偏振模色散补偿。相干接收器的这些优点对于创新现有的光学通信系统具有巨大的潜力。
相干发射器具有TE和TM路径。但是，硅光子芯片实际上仅在仅TE配置下运行。对于制造偏振无关或波长可调谐的无源和有源组件，以及将这些组件集成以在紧凑的硅光子平台中形成相干光学收发器，存在一些技术挑战。因此，需要形成集成的紧凑相干收发器的改进的技术和方法。
发明内容
本发明涉及光学通信技术。更具体地，本发明提供了在硅光子平台中的集成紧凑相干收发器。仅通过实例，本发明公开了：相干发射器块，包括经由偏振光束旋转器组合器(PBRC)耦接到驱动器电子芯片的偏振无关半导体光学放大器(SOA)，驱动器电子芯片具有来自独立封装的宽带可调谐激光器的宽带信号的同相和正交相位调制，激光器具有硅光子调谐部；以及相干接收器块，包括将偏振光束分离器旋转器(PBSR)分离的TE偏振光信号转换为用于跨阻放大器(TIA)电子芯片的电信号的偏振混合接收器；以及在紧凑硅光子平台中集成这些组件以形成相干收发器用于宽带DWDM光学通信的方法，尽管其他应用也是可行的。
在现代电气互连系统中，高速串行链路已经取代并行数据总线，并且由于CMOS技术的发展，串行链路速度正在快速提高。遵循摩尔定律，互联网带宽几乎每两年翻一倍。但是摩尔定律将在未来十年结束。标准的CMOS硅晶体管将在5nm左右停止缩放。由于工艺扩展，互联网带宽将会稳定增长。但是互联网和移动应用程序不断需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了将通信带宽提高到摩尔定律之外的技术和方法。
随着WDM系统传输容量的增加，相干技术在2000年之后引起了广泛的关注。动机是开发基于相干技术通过多级调制格式来满足不断增长的带宽需求的方法。复兴相干光学通信研究的第一步是通过具有光学同相和正交(IQ)调制(IQM)和光延迟检测功能的正交相移键控(QPSK)调制/解调实验来触发的。在这样的方案中，我们可在保持符号速率的同时将比特率提高一倍，并且40Gb/s差分QPSK(DQPSK)系统已经投入实际使用。相干发射器具有横向电(TE)模式和横向磁(TM)模式路径。硅光子芯片实际上仅在仅TE配置下运行。该信号同时具有TE模式和TM模式部分。为了实现基于硅光子的相干收发器的集成，我们需要在硅光子芯片上至少具有以下两个组件：1)偏振光束旋转器组合器(PBRC)，与偏振无关半导体光学放大器(SOA)和驱动器集成在相干发射器中；以及2)偏振光束分离器旋转器(PBSR)，与跨阻放大器(TIA)等电子器件集成在相干接收器中，并将相干发射器和接收器与倒装芯片中提供的可调谐激光器集成在一起。
在实施方式中，本发明提供了一种基于硅光子的可调谐激光器装置。该可调谐激光器装置包括：基板，配置有包括一个或多个垂直止挡件的图案化区域；边缘止挡件，面向第一方向；第一对准特征结构，沿第一方向形成在图案化区域；以及设置在垂直止挡件(stopper)之间的接合焊盘。可调谐激光器装置还包括集成耦合器，该集成耦合器内置在位于边缘止挡件处的基板中。另外，可调谐激光器装置包括：激光二极管芯片，包括被P型电极覆盖的增益区域；和第二对准特征结构，形成在P型电极之外，该激光二极管芯片被翻转以抵靠一个或多个垂直止挡件上，其中P型电极附接到接合焊盘，增益区域耦接到集成耦合器。此外，可调谐激光器装置包括调谐滤波器，该调谐滤波器被制造在基板中并且经由导线波导耦接至集成耦合器。
在具体的实施方式中，本发明提供了集成在硅光子基板上的相干收发器。相干收发器包括基板构件和可调谐激光器装置，该可调谐激光器装置包括具有增益区域的激光二极管芯片，该增益区域具有向下翻转并安装在基板构件上的p面电极(p-side electrode)。增益区域与形成在基板构件中的波长调谐部耦接，以调谐从增益区域输出到基板构件中的波导的激光的波长。相干收发器还包括耦接到波导以将激光分离为第一光和第二光的第一功率分离器。另外，相干收发器包括相干接收器块，该相干接收器块包括至少两个90°混合接收器，该至少两个90°混合接收器分别耦接到基板构件中的偏振光束分离器旋转器的两个输出端，以从相干光学网络接收相干输入信号。相干收发器还被配置为具有耦接到第二功率分离器的两个输出端的两个90°混合接收器，以接收从第一光分离的两个本地振荡器信号，以辅助检测相干输入信号中的横向电(TE)模式信号和横向磁(TM)模式信号。此外，相干收发器包括相干发射器块，相干发射器块在所述基板构件中包括至少一对同相/正交相位调制器，分别以TE模式将从第二光分离的两个部分调制为两个I/Q调制信号；在基板构件中包括偏振光束旋转器组合器，以将两个I/Q调制信号之一旋转为TM模式信号，并以TE模式将其与两个I/Q调制信号中的另一个组合，以生成通过偏振无关半导体光学放大器发射到相干光学网络的相干输出信号。
在另一个具体的实施方式中，本发明提供了一种集成相干光学收发器的封装。封装包括：金属壳体，具有两个侧构件，该两个侧构件通过与底部构件耦接的接合构件而接合并被盖构件夹牢。封装还包括：印刷电路板(PCB)，设置在底部构件上，在金属壳体的后端附近具有多个电引脚；以及硅光子基板，在安装在PCB上，底部具有板栅阵列。另外，封装包括集成在硅光子基板上的相干收发器芯片，该芯片包括一个输入端口和一个输出端口，分别设置在金属壳体的前端并经由第一光纤和第二光纤耦接至硅光子基板。相干收发器芯片还包括可调谐激光器装置，该装置包括两个激光二极管芯片，该两个激光二极管芯片与嵌入在硅光子基板的第一区域中的波长调谐部耦接并被配置为输出激光。此外，相干收发器芯片包括倒装在硅光子基板的第二区域上的跨阻放大器(TIA)芯片和倒装在硅光子基板的第三区域上的驱动器芯片。此外，相干收发器芯片包括形成在硅光子基板的第四区域中的硅光子电路。硅光子电路被配置成与第一光纤耦接以接收相干输入光信号，并被配置为与可调谐激光器装置耦接以接收作为本地振荡器信号的激光的第一部分，以辅助TIA芯片检测相干输入光信号中的TM模式和TE模式光信号。硅光子电路还被配置为使用驱动器芯片驱动激光的第二部分的调制以生成输出到第二光纤的相干输出光信号。
在另一个具体实施方式中，本发明提供一种包括集成在半导体基板构件上的光学相干收发器的光引擎装置。光引擎装置包括：包括表面区域的基板构件。光引擎装置还包括：被配置到输入光纤装置的光学输入端和被配置到输出光纤装置的光学输出端。另外，光引擎装置包括设置在表面区域上的发射路径。发射路径包括耦接到光学输出端的偏振无关光学放大器装置。发射路径还包括偏振光束旋转器组合器装置，该装置耦接到偏振无关光学放大器并耦接到光学输出端。发射路径还包括双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置，该装置耦接到偏振光束旋转器组合器装置并耦接到光学输出端。发射路径还包括驱动器装置，该装置耦接到双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置，并被配置为将电信号驱动到双偏振I/Q Mach Zehnder调制器。此外，发射路径包括可调谐激光器，该激光器包括激光二极管芯片，该激光二极管芯片具有增益区域，该增益区域具有向下翻转并安装在基板构件上的p面电极。增益区域与形成在基板构件中的波长调谐部耦接以调谐从增益区域输出到基板构件中的波导的激光的波长。此外，发射路径包括第一功率分离器，耦接到波导以将激光分离为第一光和第二光。第二光耦接到双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置。此外，光引擎装置还包括设置在表面区域上的接收路径。接收路径包括耦接至第一光的第二功率分离器。接收路径还包括一对90°混合接收器。该对90°混合接收器中的每一个包括光检测器装置和混合混频器装置，该对90°混合接收器分别耦接到基板构件中偏振光束分离器旋转器的两个输出端以接收光学输入，并耦接到第二功率分离器的两个输出端，以从可调谐激光器装置接收第一光，以辅助检测相干输入信号中的横向电(TE)模式信号和横向磁(TM)模式信号。此外，接收路径包括跨阻放大器，耦接到每个90°混合接收器，并耦接到每个光检测器装置，光检测装置将第一光和光学输入的组合转换成电信号，以使用跨阻放大器装置进行传输。光引擎装置还包括异质集成，该异质集成被配置为使用基板构件、发射路径和接收路径形成单个硅光子装置。
本发明在已知的波导激光调制技术的上下文中实现了这些以及其他优点。然而，通过参考说明书的后半部分和附图，可实现对本发明的本质和优点的进一步理解。
附图说明
以下附图仅是实例，其不应不适当地限制本文权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多其他变型、修改和替代。还应理解，本文描述的实例和实施方式仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在该过程的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。
图1是根据本发明的实施方式的相干光学收发器的简化框图。
图2A是根据本发明的实施方式的基于波导的偏振光束分离器-旋转器(PBSR)或偏振光束旋转器-组合器(PBRC)的俯视图。
图2B是根据本发明的实施方式的沿图2A的基于波导的PBSR或PBRC的AA’平面的截面图。
图2C是根据本发明的实施方式的沿图2A的基于波导的PBSR或PBRC的BB’平面的截面图。
图2D是根据本发明的实施方式的沿图2A的基于波导的PBSR或PBRC的CC’平面的截面图。
图3是根据本发明的实施方式的硅光子可调谐激光器装置的简化图。
图4是示出根据本发明的实施方式的倒装结合到硅光子基板的激光二极管芯片的透视图的示意图。
图5是根据本发明的实施方式的硅光子可调谐激光器的波长调谐图的示例性示图。
图6是根据本发明的另一实施方式的硅光子可调谐激光器的简化图。
图7是根据本发明的实施方式的用于调谐硅光子可调谐激光器装置的激光输出的波长的方法的流程图。
图8是根据本发明的实施方式的硅光子可调谐激光器装置中具有不同半径的可调谐滤波器的相应的两个环形谐振器的两个叠加的传输光谱的示例性示图。
图9是根据本发明的实施方式的耦接到可调谐滤波器的两个环形谐振器的反射器的反射率光谱的示例性示图。
图10是根据本发明的一个实施方式的可调谐滤波器的简化框图，该可调谐滤波器包括在游标环反射器配置中的两个环形谐振器、反射器加上移相器。
图11是根据本发明的实施方式的两个合成光谱的示例性示图，两个合成光谱分别对应于通过在游标环反射器配置中调谐可调谐滤波器而从1555nm调谐到1535nm的波长以及从1530nm调谐到1570nm的相应增益分布。
图12是根据本发明的实施方式的由硅光子可调谐激光器装置输出的激光光谱的示例性示图，其激光波长从1555nm调谐到1535nm。
图13是根据本发明的一些实施方式的三种类型的基于Si波导中的SiN的集成耦合器的示意图。
图14A是根据本发明的实施方式的耦接在可调谐滤波器和激光二极管芯片之间的集成耦合器的耦接损耗和横向未对准之间的关系的示例性示图。
图14B是根据本发明的实施方式的耦接在可调谐滤波器和激光二极管芯片之间的集成耦合器的耦接损耗与垂直未对准之间的关系的示例性示图。
图15A是根据本发明的实施方式的在硅光子基板上的集成相干光学收发器的透视图。
图15B是根据本发明的实施方式的图15A的硅光子基板上的集成相干光学收发器的侧视图。
图16A是根据本发明的实施方式的集成相干光学收发器的开放封装的示意图。
图16B是根据本发明的实施方式的图16A的集成相干光学收发器的封闭封装的示意图。
具体实施方式
本发明涉及光学通信技术。更具体地，本发明提供了一种在硅光子平台上的集成紧凑相干收发器。仅通过实例，本发明公开了：相干发射器块，包括偏振无关半导体光放大器(SOA)，该放大器经由偏振光束旋转器组合器(PBRC)耦接至驱动器电子芯片和具有硅光子调谐部的独立封装的宽带可调谐激光器；相干接收器块，包括偏振混合接收器，偏振光束分离器旋转器(PBSR)经由该偏振混合接收器耦接到跨阻放大器(TIA)电子芯片；以及在紧凑的硅光子平台中集成这些组件以形成相干收发器用于宽带DWDM光通信的方法，尽管其他应用也是可行的。
以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并将其包含到特定应用的环境中。对于本领域技术人员来说，在不同应用中的各种修改以及各种用途将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可应用于广泛的实施方式。因此，本发明不限于所呈现的实施方式，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可实践本发明而不必限于这些具体细节。在其他情况下，以框图的形式而不是详细地示出了公知的结构和装置，以避免模糊本发明。
读者的注意力集中在所有与本说明书同时提交的文件和文档上，这些文件和文档对公众开放，供检查本说明书，所有这些文件和文档的内容通过引用结合于此。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是一系列一般等效或相似特征中的一个实例。
此外，权利要求中未明确说明执行特定功能的“手段”或执行特定功能的“步骤”的任何元件不应被解释为35U.S.C.第112节第6段中规定的“手段”或“步骤”条款。具体而言，在本文的权利要求中使用“步骤”或“行为”并非旨在调用35U.S.C.第112节第6段的规定。
注意，如果使用，则标签左、右、前、后、顶、底、向前、反向、顺时针和逆时针仅用于方便目的，并不意味着实施任何特定的固定方向。相反，它们是用于反映对象的不同部分之间的相对位置和/或方向。
一方面，本公开提供了一种基于硅光子平台的紧凑集成相干收发器。随着WDM系统中数据传输容量的增加，近年来，随着使用多级调制格式来满足不断增长的带宽需求的动机，具有偏振光信号的相干技术也更多地受到越来越多的关注。例如，针对正交PSK(QPSK)调制/解调支持的相干传输系统开发了一种数字信号发送/接收方案，正交PSK(QPSK)调制/解调的特点是光学同相和正交(I/Q)调制和光学延迟检测。在这种方案中，一个符号通过在复平面上使用四点星座来承载两个比特，因此，在保持符号率或即使将光谱宽度减半的情况下也保持比特率的同时，比特率也是加倍的，从而实现了每个通道100Gbit/s和超过100Gbit/s的大容量。光学相干I/Q调制可通过Mach-Zehnder(MZ)型推挽式调制器并行实现，在二者之间给出π/2相移。光学载波的I/Q分量由相干I/Q调制器独立调制，从而实现任何类型的调制格式。
图1示出了根据本发明实施方式的集成相干光学收发器的简化框图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，集成相干光学收发器被配置为在单个硅光子基板100上集成基于硅光子的可调谐激光器1000和相干发射器块2000和相干接收器块3000。可选地，可调谐激光器是宽带激光源，其输出光学信号在整个C波段或O波段可调谐。使用硅光子调谐部可实现波长调谐，该硅光子调谐部包括内置在硅光子基板100中的加热器调谐的微环形谐振器滤波器，而带有InP增益区域且p侧向下翻转的激光二极管芯片安装在硅光子基板上100。具体而言，通过硅光子调谐部和基于波导的波长锁定器，可调谐激光波长，以便为C波段中的所有ITU信道中的每一个提供清晰传输光谱，以进行DWDM通信。可在本说明书的图3至图14A和图14B的描述中找到更多细节。可选地，激光从InP增益区域输出，该InP增益区域经由集成耦合器与波导(形成在相同的硅光子基板100中)耦接。波导传送激光，该激光用作相干接收器3000的本地振荡器源以检测输入的相干光信号并且还用作光源，用于产生由相干发射器2000发送的I/Q调制相干信号。
可选地，尽管它们在图1中未明确标记，集成相干光学收发器包括分别放置在硅光子基板100中的多个硅波导，用于连接多个不同的硅光子组件，组件包括功率分离器、偏振光束分离器和旋转器、偏振光束旋转器和组合器、移相器、功率衰减器或光学调制器的一部分。可选地，硅波导具有规则的矩形线形状，具有固定的宽度和高度。可选地，该高度是基于在其形成工艺中使用标准220nm绝缘体上硅(SOI)基板来选择的。可选地，硅波导的宽度为约300nm至500nm。可选地，取决于具体的功能应用，硅波导具有替代的形状结构，例如具有多个高度台阶的肋结构、沿着其长度具有变化的宽度的锥形结构、或者具有不同宽度和间隔的在不同的横截平面处接合的多个分支。可选地，上述一些硅光子组件也是在相同的制造工艺中单片地形成的硅波导自身，用于制备硅光子基板100以集成相干光学收发器。
对于紧凑硅光子模块中使用的宽度(平行于基板)和高度(垂直于基板)为几百纳米的超小型硅波导，对于具有红外波长的透射光，它们通常表现出非常强的偏振依赖性(对于远程通信而言是典型的)，使得横向电(TE)模式偏振(平行于基板)的传输损耗远小于横向磁(TM)模式偏振(正交于基板)的传输损耗。因此，典型的硅光子装置仅适用于TE模式。可选地，处于横向电(TE)模式偏振的可调谐激光器1000的输出光以最佳比率在发射器块2000和接收器块3000之间分离。在发射器块3000中，来自可调谐激光器1000的、由可调谐滤波器部在宽带中选择的波长的光首先被分成TE模式光和TM*模式(仍为TE模式)光，这两者都进行了光学I/Q调制。TE模式光变为TE模式信号。然后对TM*模式光进行偏振旋转，以形成横向磁(TM)模式信号。然后，将TE模式信号和TM模式信号组合起来，成为选定波长下收发器的相干输出信号。在接收器块3000中，来自可调谐激光器1000的光学信号(TE模式)在可调谐滤波器部选定波长下用作本地振荡器，用于检测输入的相干输入信号。
参考图1，可调谐激光器1000的输出基本上是TE模式的激光，该激光首先被功率分离器1001以X∶Y比率分成两个部分，分别为第一光和第二光。激光功率的X比例的第一光被传送到相干接收器块3000，激光的Y比例的第二光被发送到相干发射器块2000。X：Y比率会基于特定的系统操作条件进行更改或优化。可选地，将X设置在10％至50％的范围内。对于耦接到相干接收器块3000中的第一光，通过功率分离器3001进一步将其分成两个50％的部分，第三光和第四光。第三光被加载到TE 90°混合接收器3200，第四光被加载到TM*90°混合接收器3300中，用于分别辅助检测相干光学收发器经由输入端口(光进入)接收的输入光学信号的TE模式/TM模式信号。
对于耦接到相干发射器块2000中的第二光，其用作原始光源以生成要从输出端口发送出的相干光学信号。可选地，第二光可被用作TE模式偏振光，并且被调谐为在诸如用于远程通信指定的C波段或O波段的宽带中的任何波长。为了用作具有混合偏振模式的相干光信号，需要产生第二光的TM模式偏振部分。TE模式和TM模式的偏振部分均由光学相干调制器调制。可选地，已经开发了集成在硅光子基板中的基于硅或氮化硅或类似材料的延迟线干涉仪的光学相干I/Q调制器，其在选定波长具有偏振补偿，例如，如转让给Inphi公司的美国专利第10031289号所示。
如图1所示，集成相干光学收发器的相干发射器块2000和相干接收器块3000均具有TE模式路径和TM模式路径，以在偏振无关的通信系统中提供或检测具有混合偏振的相干光。然而，包括基于Si的波导线性调制器的硅光子电路基本上以仅TE模式配置工作。为了处理具有TE模式和TM模式部分的相干光学信号，基于硅光子的相干收发器至少需要1)偏振光束旋转器组合器(PBRC)，与发射器块的输出端口(光出去)处的偏振无关半导体光学放大器(SOA)集成，以输出具有TE模式和TM模式的相干光学信号；以及2)偏振光束分离器旋转器(PBSR)，用于将输入的相干光学信号分离为TE模式部分和TM模式部分，然后在耦接到光学混合检测器之前将TM模式部分旋转到TE模式。
常规PBSR要么对波长敏感以至于它不适合宽带操作，要么基于难以制成超紧凑尺寸的棱镜。参考转让给Inphi公司的美国专利第9915781号，已经开发了基于光子集成电路(PIC)的紧凑的PBSR，其具有诸如紧凑的尺寸、高消光比、低插入损耗、宽带范围、稳定性、简单的结构和高制造公差的组合特征。具体而言，如图2A所示，示出了基于波导的偏振光束分离器-旋转器的俯视图。PBSR 16包括单片的单片硅平面波导，该波导包括通过绝缘体上硅(SOI)基板的标准220nm硅层形成的多个成形部分。第一部分是肋结构的转换器，在图2A和图2B中，特征是顶层1602覆盖在底层1601上，底层1601在长度方向上延伸通过长度为L1的第一段从输入端口1600到接合平面AA’和通过长度为L2的第二段从接合平面到第一横截平面1610。顶层1602比底层1601窄，并且除了它们在输入端口1600处具有第一公共宽度W0和在第一横截平面1610处具有第二公共宽度W1，这两层都在整个第一长度L1和整个第二长度L2上变化。取决于相干光学信号的波长范围，配置顶层102和底层1601两者的特定长度-宽度组合以提供从TM模式到TE模式的偏振模式转换，用于透射相干光波。
在氧化物层上的厚度为h＝ht+hb＝220nm的硅层被图案化为肋结构波导，作为形成PBSR 16的整体工艺的一部分之后，在覆盖工艺中，将厚度为ht的顶层1602形成为覆盖在厚度为hb的底层1601之上。在具体实施方式中，转换器被配置为处理宽带波长的光波，例如1270nm至1330nm范围内的O波段或约1530nm至约1560nm的C波段(肋结构的尺寸略有不同)。另外，使接合平面处的顶层1602的宽度Wt大于第一共同宽度W0，使接合平面处的底层1601的宽度Wb大于顶层1602的宽度Wt但小于第二公共宽度W1，并且使第一长度L1小于第二长度L2。在上述配置下对长度-宽度组合(标准高度为220nm)进行微调后，肋结构波导可用作期望的偏振模式转换器。对于经由输入端口1600输入的具有混合TM模式和TE模式的输入光，当输入光行进到第一横截平面1610时，TM模式基本上转换为一阶横向电(TE1)模式，而TE模式基本上转换为零阶横向电(TE0)模式。具体地，TE1模式包括两个子模式，异相TE11子模式和同相TE12子模式。TE0模式只是单相模式。
参考图2A，PBSR 16的第二成形部分包括分离器1612，该分离器1612直接耦接到转换器的第一横截平面，作为由SOI基板的220nm硅层形成的单片平面硅波导的一部分。图2C是根据本发明实施方式的基于波导的PBSR 10沿着BB’平面的截面图。参考图2C和图2A，分离器1612是平面波导，其具有220nm的硅层的高度h，在长度方向上从第一横截平面1610延伸到第二横截平面1620。第一横截平面1610穿过通过转换器传输的输入光。第二横截平面1620包括第一端口1701和第二端口1702，第一端口1701和第二端口1702分别位于两个相对的边缘附近并且彼此隔开间隙Wg。在实施方式中，分离器1612被设计为将在第一横截平面1610处接收的输入光基本上均匀地分离为第一端口1701处的第一波和第二端口1702处的第二波。
再次参考图2A，PBSR 16的第三成形部分包括移相器波导，该移相器波导在第二中间横截平面1620处耦接到第一端口1701和第二端口1702或从第一端口1701和第二端口1702自然地延伸。移相器波导包括耦接到第一端口1201的第一波导臂121和耦接到第二端口1202的第二波导臂122，都具有相同的220nm硅层的高度h。第一波导臂1621在长度方向上延伸至第三横截平面1630的第三端口1801，并且第二波导臂1622在长度方向上单独地延伸至第三横截平面1630的第四端口1802。在实施方式中，第一波导臂1621被配置为从第一端口1701接收第一波并且将第一波通过至少长度L6朝向第三端口1801传输，同时将第三端口1801处的第一波相对于第一端口1701处的波保持为同相。第二波导臂1622被配置为从第二端口1702接收第二波，并将第二波通过相同长度L6的单独路径向第四端口1802传输，同时相对于第二端口1702处的波在第四端口1802处对第二波增加相移。
图2D是根据本发明实施方式的图2A的基于波导的PBSR 16沿着CC’平面的截面图。参考图2A与图2D，移相器的第一波导臂1621包括至少长度L6和第一臂宽度W1a的直条形状，该直条形状连接在第一端口1701和第三端口1801之间，以及移相器的第二波导臂1622包括至少长度L6的直条形部分，该直条形部分与连接在第二端口1702和第四端口1802之间的三角形部分并列接合在一起。第二波导臂1622具有变化的第二臂宽度W2a，该第二臂宽度W2a从一端处的第一臂宽度W1a增加到三角形部分的顶点处的最大，然后又减小到另一端处的第一臂宽W1a。与第一波导臂1621中的长度L6相关联的恒定宽度W1a有效地保持通过第一波导臂1621行进以在第三横截平面1630处到达第三端口1801的第一波同相。同时，可调节与第二波导臂1622中的长度L6相关联的变化宽度W2a，以向独立地行进通过第二波导臂1622以到达在第三横截平面1630处的第四端口1802的第二波提供期望的相位延迟。在特定的配置中，最大W2a被设置为略小于第一臂宽度W1a的两倍，并且长度L6不大于11μm，从而产生通过第二波导臂1622的第二波的(1/2)π的相位延迟。可替代地，通过稍微减小最大值W2a并增加长度L6，可对通过第二波导臂1622的第二波产生(3/2)π的相位延迟。原则上，尽管有效相位值都限制在2π以内，但对于任何为n的整数，都可生成(π/2+nπ)的相移。
再次参考图2A，PBSR 16的第四成形部分包括2×2MMI耦合器1632，该耦合器作为具有相同的220nm硅层的高度h的平面波导，自然地从第三横截平面1630处的第三端口1801和第四端口1802延伸到具有第一输出端口1901和第二输出端口1902的输出平面1640。从输入端口1600到第四横截平面1640，PBSR 16的总长度小于100μm，因此形成适用于高度集成的硅光子通信系统的紧凑型装置。2×2MMI耦合器1632的特征在于从第三横截平面1630到输出平面1640测量的长度L7和宽度W2的矩形。第一输出端口1401与长度方向上距矩形平面波导的中心线相距距离Wp的条形位置处的第三端口1801对准。第一输出端口1901相对于第四端口1802处于交叉位置。第二输出端口1902和第四端口1802相对于第一输出端口1901和第三端口1801分别处于镜面对称位置，但是使第二输出端口1902相对于第三端口1801处于交叉位置。这种配置的2×2MMI耦合器1632引起经由第三端口1801和第四端口1802耦合的光学波的一般干涉，并将TE0模式的第一输出光输出到第一输出端口1901，并将TE0模式的第二输出光输出到第二输出端口1902。取决于具体的偏振模式和第三端口1801处的第一波和第四端口1802处的第二波的相位差，可选地，第一输出光可排他地源自TM模式的输入光，第二输出光可排他地源自TE模式的输入光。换句话说，紧凑长度小于100μm的PBSR 16能够将具有混合的TM模式部分和TE模式部分的输入光分开，并基本上引导TM模式部分并将其旋转为输出到第一输出端口的TE0模式，并基本上引导TE模式部分并将其保持为输出到第二输出端口的TE模式，从而实现偏振分离/旋转功能。并且此功能适用于整个O波段或C波段中的任何波长的宽带传输。
返回参考图1，对于相干接收器块3000，输入的相干光信号R在I/Q调制中具有混合的TE/TM模式部分。PBSR 3100用于接收输入的光信号R，并遵循上述偏振分离/旋转功能，以TE偏振将TE模式部分信号RE输出到第一波导，并且也以TE偏振将TM模式部分RM输出到TM*分支，与仅以TE模式操作的硅光子芯片兼容。然后将TE分支中的TE模式部分信号RE加载到TE90°混合接收器3200中，该接收器还接收从可调谐激光器1000分离出来的TE模式的本地振荡器(LO)信号A作为第二输入(图1)。TE 90°混合接收器3200通过优选的I/Q解调产生四个输出：1/2×(RE+A)、1/2×(RE–A)、1/2×(RE+jA)和1/2×(RE–jA)，进入跨阻放大器(TIA)芯片3400，其中这些光学信号由平衡的光检测器转换为两个电流信号II和IQ。此外，TIA芯片包括模数转换器，以将电流信号转换为可在数字信号处理器(DSP)(未明确显示)中处理的数字信号，并且输入的相干光的TE模式部分信号可被具体检测到。类似地，TM*分支中的TE模式部分信号RM被加载到TM*90°混合接收器3300中，该TM*90°混合接收器3300也接收从可调谐激光器1000分离的TE模式的LO信号A作为第二输入。另外，TM*90°混合接收器3300的输出被发送到TIA芯片3400，在TIA芯片3400中，可经由I/Q解调来具体检测输入的相干光的TM模式部分信号。可选地，TIA芯片3400是倒装芯片，安装在与包括PBSR 3100和功率分离器3001的硅光子芯片共享的硅光子基板100上。
再次参考图1，相干发射器块2000接收从可调谐激光器1000分离的未调制的TE模式的Y比例光，并且需要光学I/Q调制以用于相干通信。在该实施方式中，相干发射器块2000包括驱动器芯片2600，该驱动器芯片2600被配置为为光学调制器提供偏置电压和数字发射电信号，以调制来自可调谐激光器1000的输入光。驱动器芯片2600(例如，包括串行器、4级编码器、2位数模转换器)设置在安装在同一硅光子基板100上的倒装芯片中。可选地，驱动器芯片2600和TIA芯片3400可集成到单个芯片中。在实施方式中，相干I/Q调制器基于由集成在硅光子芯片中的硅或氮化硅或类似材料制成的延迟线干涉仪，该硅光子芯片与相干接收器块3000共享同一硅光子基板100。来自可调谐激光器1000的TE模式的Y比例光被分成TE分支2501中的第一输入光和TM*分支2502的第二输入光。这里，Y比例光的分离是经由50:50功率分离器完成的(未明确显示)，同时在任一分支中保留其TE偏振。第一输入光和第二输入光中的每一个耦接到I/Q调制器中。在该实施方式中，第一I/Q调制器被配置为具有四个不同相位延迟的线性波导臂，以通过两级中的三个功率分离器来接收第一输入光的四个均等分配的部分。第一对臂以Mach-Zehnder调制配置形成同相(I)分支，该分支对于进入TE分支2501的第一输入光产生具有同相调制分量的第一输出。第二对臂也以Mach-Zehnder调制配置加上90°移相器2401形成正交相位(Q)分支，该分支对于进入TE分支2501的第一输入光产生具有正交相位调制分量的第二输出。当第一输出和第二输出组合，在TE输出线2503中生成具有第一输入光的四级I/Q调制的TE模式输出光。另外，在本实施方式中，配置第二I/Q调制器，基本上与第一I/Q调制器相同，具有四个不同相位延迟的线性波导臂，以通过两级中的三个功率分离器接收进入TM*分支2502中的第二输入光的四个均等分离的部分。类似地，使用90°移相器2402组合同相和正交分量(I和Q)，以在TM*输出线2504中生成具有第二输入光的四级I/Q调制的TM*模式输出光。注意，即使TM*模式输出光被标记为TM*，它仍然是源自可调谐激光器1000的TE模式光。
由于TE输出线和TM*输出线中的输出光均为TE模式，因此偏振光束旋转器组合器(PBRC)将它们在输出处组合，以形成相干光学信号。参考图1，相干发射器块2000还包括PBRC 2200，以将与TE输出线2503中的TE模式光组合的TM*输出线2504中的TE模式光旋转成TM模式光。可选地，TE衰减器2301和TM*衰减器2302是分别插入到TE输出线2503和TM*输出线2504中的两个可变光学衰减器，以在PBRC 2200之前调谐两个分支中偏振相关的功率损耗。PBRC 2200的输出是具有I/Q调制中的混合TE/TM模式的全相干光学信号。然后将输出馈送到偏振无关半导体光学放大器(SOA)2100，以提高从相干收发器发送的相干光学信号的光功率。可选地，还可利用TE和TM*路径中的可变光学衰减器2301和2302来调谐偏振无关SOA2100中的残余偏振相关增益。可选地，无论光学信号的偏振状态如何，在相干发射器块2000的输出处使用偏振无关SOA2100，都允许来自相干光学收发器的宽范围的输出功率。可选地，将偏振无关SOA2100设置为安装在硅光子基板100上的倒装芯片。SOA 2100的倒装芯片安装类似于驱动芯片2600和TIA芯片3400与硅光子基板100的倒装芯片集成。
可选地，PBRC 2200是与PBSR 3100工作于反向光学路径的基本上相同类型的硅光子装置。具体而言，参考图2A，例如具有I/Q调制的TE模式光和具有I/Q调制的TM*模式光的两个TE模式光波，分别被加载到PBRC的两个输入端口1901和1902(它们是PBSR的两个输出端口)。加载到交叉端口1901中的TE模式光在PBRC的输出端口1600(这是PBSR的输入端口)处保持为TE模式，而加载到条形端口1902中的TM*模式光(也是TE模式光)被旋转90度以在输出端口1600处变成真正的TM模式偏振。
图3是根据本发明实施方式的硅光子可调谐激光器的简化图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，硅光子可调谐激光器装置10包括激光二极管倒装芯片400、可调谐滤波器200以及集成耦合器301和302，它们全部被集成到单个硅光子基板100中。硅光子基板100包括预制有一个或多个垂直止挡件112和113的图案化区域110，基本上沿第一方向z分布的多个对准特征114、115，以及基本上放置在一个或多个垂直止挡件112和113之间的接合焊盘111。图案化区域110可选地被配置为平坦表面区域，该平坦表面区域比基本沿第二方向x由边缘101分隔的其余平坦表面区域120低一台阶。集成耦合器301设置在边缘101附近，以与形成在硅光子基板100中的可调谐滤波器200耦接，从而可通过可调谐滤波器200实现波长调谐。激光二极管倒装芯片400被配置为附接到图案化区域110中以与接合焊盘111接合，同时抵靠在垂直止挡件112和113上。同时，沿边缘101的台阶部分还用作抵靠激光二极管芯片400的端部的边缘止挡件。最终，已经由可调谐滤波器200调谐的激光从激光二极管芯片400的相对的面输出。参考图1和图3，集成耦合器302可用于将激光输出耦接到同一硅光子基板100中的硅线波导中，以将激光传送到接收器块3000和发射器块2000中的任何一个。
在具体实施方式中，可调谐滤波器200被配置为游标环反射器滤波器。可选地，可调谐滤波器200是在硅光子基板100中制造的Si线波导220。可选地，可调谐滤波器200形成在图案化区域110之外的其余平坦表面区域120中。Si线波导220包括至少两个环形谐振器221和222。可选地，两个环形谐振器被制成具有略微不同的半径。可选地，第一环221耦接至反射器环223，该反射器环223也由Si线波导的线性部分制成，该Si线波导经由1对2分离器耦接至环状结构。可选地，第二环222经由不同材料制成的线性线波导210耦接至集成耦合器300。可选地，线性线波导210是在相同的硅光子基板100中形成的基于SiN的波导。
在实施方式中，可调谐滤波器200还包括：第一环形加热器(环1_HTR)201，具有覆盖第一环221的薄膜电阻层；第二环形加热器(环2_HTR)222，具有覆盖第二环222的电阻薄膜；以及相位加热器(相位_HTR)203，覆盖反射器环223。通过改变提供给两个环形加热器(201和202)的电压来改变温度，通过两个环形谐振器(221和222)中的每一个，可调谐透射光谱中的多个谐振峰值位置。因为两个环具有不同的半径，所以当两个透射光谱重叠时，在两个透射光谱之间存在偏移(见图8)。当光穿过反射器环223时，产生具有强峰值的反射光谱(见图9)，并且通过改变提供给相位加热器(203)的电压来改变温度，从而可调谐该光谱。可选地，每个加热器由电阻薄膜制成，该电阻薄膜在几何上覆盖每个环形线波导，并端接到两个接合焊盘以接合到外部电源。
在实施方式中，激光二极管芯片400包括增益区域。增益区域包括基于InP的有源区域，该有源区域被驱动以产生激光。最初从InP有源区域生成的激光经由集成耦合器301和线性线波导210输入到可调谐滤波器200中。该光将通过至少两个环形谐振器222和221并通过反射器223反射回激光二极管芯片400的增益区域。如图10所示，反射率光谱在波长处产生强激光峰值。该波长在图10所示的至少1560nm至1530nm的宽带范围内通过调谐相位加热器203是可调的。如果可调谐激光器装置10的整个光路的积分等于N2π(N是整数)，则当满足往返腔激光发射条件(round-trip cavity lasing condition)时，将光作为固定波长的激光输出。
图4是示出根据本发明实施方式的倒装接合到硅光子基板的激光二极管芯片的透视图的示意图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。参考图4，基板100的一部分被示出为包括位于其余平坦表面区域120之外的图案化区域110。图案化区域110被配置为平坦区域，该平坦区域比其余平坦表面区域120低一个台阶。沿着这一台阶，边缘止挡件101形成为面向第一方向z。可选地，该台阶沿着垂直于第一方向z的第二方向x。在图案化区域110上，沿第一方向z形成有接合焊盘111。在接合焊盘111的两侧上，有两个垂直止挡件112和113，它们是具有一定高度的两个薄板。接合焊盘111的两个延伸部分117用于与外部源接合。进一步沿着这些垂直止挡件，形成多个对准特征115。可选地，对准特征115包括沿第一方向z排成一排或两排的多个基准点。
在该实施方式中，可预先制造具有在顶部上以细长形状形成的增益区域410和金属电极411的激光二极管芯片400。增益区域410从芯片的一个边缘形成到另一边缘。可选地，金属电极411形成为与由基于InP的P-N结量子阱结构制成的有源区域的P侧层接触。在金属电极411的两侧上，对准特征415形成在激光二极管芯片上并且被配置为与图案化区域110上的对准特征115的多个基准点相匹配。参考图4，激光二极管芯片400是接合到基板100的图案化区域110上的倒装芯片。图案化区域110和激光二极管芯片400的配置均使得当后者的对准特征415与前者的多个基准点115接合时，后者抵靠前者的垂直止挡件112和113上，其中后者的边缘抵靠在前者的边缘止挡件101上。
图5是根据本发明实施方式的硅光子可调谐激光器的波长调谐图的示例性图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，该图被绘制为光谱频率2D映图，随着向上述可调谐滤波器中的两个环形加热器的两个电源提供的功率而变化。虚线矩形给出了可能的调谐范围。由于两个环形谐振器设置有不同的半径，因此当两个环形谐振器物理耦接时，例如在游标环滤波器配置中，当两个传输光谱叠加时，它有效地产生了光谱波长的扩展可调谐范围(见图8)。可选地，矩形的长边提供50nm以上(例如，从约1520nm到约1575nm)的相对粗略的波长调谐范围，矩形的短边提供约10nm(例如，从约1565nm到约1575nm)的相对精细的波长调谐范围。
图6是根据本发明另一实施方式的硅光子可调谐激光器装置的简化图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，可调谐激光器装置40包括：第一激光二极管芯片430，接合到基板100的第一图案化区域410上；第二激光二极管芯片440，接合到基板100的第二图案化区域420上；可调谐滤波器470，经由第一集成耦合器451耦接到第一激光二极管芯片430的第一增益区域435并且经由第二集成耦合器460耦接到第二激光二极管芯片440的第二增益区域445；波长锁定器480，被配置为通过可调谐滤波器470锁定来自第二增益区域445的反射光的波长，并且在第一增益区域435的端面432处实现激光输出，其中第三集成耦合器452可用于将激光输出耦接到硅线波导。参考图1和图6，从可调谐激光器1000输出的激光可经由集成耦合器452耦接到硅光子基板100中的波导，该硅光子基板100进一步通过功率分离器1001经由波导传送到相干接收器块3000和相干发射器块2000两者。
参考图3和图6，可调谐激光器40的第一激光二极管芯片430和第二激光二极管芯片440中的每一个基本上被配置为与一个激光二极管芯片400相同，该激光二极管芯片具有与对应的有源区域的P型层接触的金属电极并且被倒装(flip down)以使金属电极与同一基板100中的第一图案化区域410和第二图案化区域420的接合焊盘接合。具体而言，第一激光二极管芯片430被配置为具有第一端面431和第二端面432的空腔，其中增益区域435作为沿着有源区域的线波导接合在它们之间。当第一激光二极管翻转(P侧朝下)接合到第一图案化区域410时，第一端面431抵靠与第一图案化区域410关联的边缘止挡件，以与第一集成耦合器451对准。与第一增益区域435相关联的硅线波导被配置为相对于第一端面431和第二端面432中的每一个具有非垂直角度的弯曲形状，以减少相应端面的光的直接向后反射。可选地，第一端面431包括抗反射涂层。可选地，第二端面432也涂覆有抗反射涂层，以促进激光输出。第一激光二极管芯片430由驱动器驱动以产生光作为经由第一波导491进入可调谐滤波器470的输入光。第二激光二极管芯片440被配置为具有第三端面441和第四端面442的空腔，其中增益区域作为沿着有源区域的硅线波导接合在它们之间。当第二激光二极管芯片翻转(P侧朝下)接合到第二图案化区域420时，第一端面441抵靠与第二图案化区域420关联的边缘止挡件，以与第二集成耦合器460对准。可选地，第三端面441涂覆有抗反射涂层并且第四端面442涂覆有高反射涂层，以增强输入光的反射。反射光可穿过第二集成耦合器460经由第二波导492返回到可调谐滤波器470，因此第二增益区445的空腔除了为反射光提供增益外，还可用作基本上游标环反射器配置的可调谐滤波器的环形反射器。
在实施方式中，可调谐激光器40的可调谐滤波器470是制造在基板100中的Si线波导，具体是在第一图案化区域410和第二图案化区域420以外的区域120中。可调谐滤波器470包括两个环形谐振器，彼此耦接的第一环形谐振器471和第二环形谐振器472。两个环形谐振器经由2对1耦合器473耦接到第一波导491，并且经由另一个2对1耦合器474耦接到第二波导492。可选地，2对1耦合器仍然具有一端有一个端口、相对的一端有两个端口的波导形式。可选地，它是从一个端口端到两个端口端的分离器，或者是从两个端口端到一个端口端的组合器。第一波导491和第二波导492都制造在基板100的区域120中，以分别与第一集成耦合器451和第二集成耦合器460耦接。第一集成耦合器451设置在与第一图案化区域410相关的边缘止挡件旁边。第二集成耦合器460设置在与第二图案化区域420相关的边缘止挡件旁边。可选地，第一波导491和第二波导492中的每一个均由嵌入在基于Si的基板100中的SiN材料制成。可选地，可调谐滤波器470的线波导由Si材料制成。
参考图4，可调谐激光器40的可调谐滤波器470还包括：第一加热器(Ring1_HTR)，具有覆盖在第一环形谐振器471上的电阻薄膜；第二加热器(Ring2_HTR)，具有覆盖在第二环形谐振器472上的电阻薄膜；第三加热器(Phase_HTR)，具有覆盖与第二波导492连接的Si线波导的移相器部分475的电阻薄膜。这些加热器被配置为改变温度以引起穿过各个环形谐振器的光的透射光谱的改变。每个环形谐振器的透射光谱都具有多个谐振峰(见图6)。在实施方式中，两个环形谐振器471和472被设置有略微不同的半径，然后当两个透射光谱重叠时存在两个透射光谱之间的偏移(见图6)。第一加热器和第二加热器能够可控制地改变相应的第一环形谐振器和第二环形谐振器的温度，以使相应的谐振峰移动以提供那些谐振峰的波长的扩展可调谐范围。在穿过可调谐滤波器470的输入光被第二增益区域445的空腔反射回来之后，反射率光谱会给出一个更强的中心峰(见图9)，这可通过使用第三加热器改变移相器部分475的温度来进一步调谐。在这种情况下，由于可调谐滤波器470被配置为游标环反射器，所以第二增益区域445用作环形反射器，而移相器部分475被形成为紧邻反射器而不是与反射器分开，如图10所示。
可选地，可调谐激光器40的可调谐滤波器470包括第四加热器，该第四加热器具有覆盖在1对2耦合器473的一个分支的一部分上的电阻薄膜，以精细地平衡从第一波导491分离成分别耦接到两个环形谐振器471和472的两个分支中的输入光的功率。
在该实施方式中，波长锁定器480基于在基板100中形成的Si波导被配置为延迟线干涉仪(DLI)。可选地，波长锁定器480包括经由分离器耦接至第一波导491以接收来自可调谐滤波器470的反射光的输入端口。可选地，输入端口的一端是耦接到第一波导491的SiN波导，该SiN波导也由SiN材料制成。输入端口的另一端连接到1对2分离器481，以将一部分光引导到监控器端口PM0，并将另一部分光经由另一个1对2分离器482引导到DLI。然后光经由2对2分离器483从DLI出来到达第一干涉输出端口PM1和第二干涉输出端口PM2。在该实施方式中，波长锁定器480被预先校准以将用于锁定(来自可调谐滤波器的反射光的)波长的DL1设置为宽带的某些信道波长。可选地，由可调谐激光器40提供的信道波长是用于DWDM应用的C波段的ITU信道。当然，可调谐激光器40的公开内容可应用于CWDM应用的O波段光源。可选地，可调谐激光器40被集成在相干收发器中，基本上在同一硅光子基板上的相干接收器块和相干发射器块中(见图1)。可选地，监控器端口PM0、第一干涉输出端口PM1和第二干涉输出端口PM2中的每一个都用光电二极管端接，用于测量根据光电流的光功率。收集以PM1和PM2之间的光电流差为特征的差分信号，将其作为误差信号反馈给第一激光二极管芯片和第二激光二极管芯片的驱动器，以调节光的波长。理想地，当将波长调节或锁定到用于波长锁定器的预先校准的期望ITU信道时，误差信号应为零，即PM1＝PM2。
在另一方面，本公开还提供一种用于调谐基于上述硅光子的可调谐激光器装置的波长的方法。图7是根据本发明实施方式的用于调谐硅光子可调谐激光器装置的激光输出的波长的方法的流程图。如图所示，该方法包括以下步骤：在包括第一有源区域和第二有源区域的双增益配置中产生具有ITU信道附近(例如，在C波段中)的波长的光。参考图6，在具体实施方式中，提供具有与第一有源区域的P型层接触的第一金属电极的第一激光二极管芯片和具有与第二有源区域的P型层接触的第二金属电极的第二激光二极管芯片。此外，具有第一金属电极的第一激光二极管芯片翻转接合到基板的第一图案化区域中的接合焊盘，以使第一有源区域与第一集成耦合器对准，并且具有第二金属电极的第二激光二极管芯片翻转接合到基板的第二图案化区域中的接合焊盘，以使第二有源区域与第二集成耦合器对准。第一有源区域和第二有源区域经由硅光子可调谐滤波器连接以形成组合的谐振腔。参考图7，该方法包括驱动第一激光芯片和第二激光二极管芯片以在组合的谐振腔中产生光。具体而言，该方法包括以下步骤：输入具有来自其驱动器驱动的第一激光二极管芯片的第一有源区域的增益的光。具有来自第一有源区域的增益的输入光被耦接到第一集成耦合器中并进入第一波导，该第一波导将输入光引导到基于硅光子的可调谐滤波器。另外，来自第一有源区域的输入光通过第一集成耦合器经由第一波导进入可调谐滤波器，并进一步经由第二波导并通过第二集成耦合器进入第二有源区域，并从中被反射带有附加增益，从而通过组合谐振腔的往返路径实现双增益。
参考图7，该方法还包括从第二激光二极管芯片的第二有源区域反射具有附加增益的光。来自第二有源区域的具有附加增益的反射光进一步穿过第二集成耦合器，并经由第二波导返回到可调谐滤波器。
另外，可调谐滤波器被配置为具有第一环形谐振器环1，第二环形谐振器环2和移相器部分。该方法还包括以下步骤：分别设置与第一环形谐振器相关联的第一加热器，与第二环形谐振器相关联的第二加热器和与移相器相关联的第三加热器以设置接近ITU信道的波长。第一加热器、第二加热器和第三加热器分别被配置为在基板中形成的电阻薄膜，以至少部分地覆盖第一环形谐振器环1、第二环形谐振器环2和移相器部分。这些加热器中的每一个都可通过从外部电源施加到两个耦接电极的电压来控制。在具体实施方式中，该步骤包括从预设查找表(LUT)读取分别为第一加热器、第二加热器和第三加热器设置的电压。从LUT读取的电压基本上与相应的ITU信道相关。例如，为C波段中1535nm的波长预设了一些特定的电压值。此外，该步骤包括将从LUT读取的电压分别施加到第一加热器和第二加热器，以分别设置第一环形谐振器和第二环形谐振器的两个透射光谱，以获得具有扩展的可调谐范围中的强峰值波长的合成光谱。例如，扩展的可调范围可在1520nm至1570nm之间变化。在另一个实例中，当增益分布相对受限时，扩展的可调谐范围可至少在1535nm至1565nm之间变化。此外，该步骤包括将从LUT读取的电压施加到第三加热器，以设置具有扩展的可调谐范围中的强峰值波长的反射率光谱的相位。反射光谱基本上基于合成光谱来设定。
参考图7，该方法还包括基于从第二有源区域反射并由可调谐滤波器过滤的光，在从波长锁定器(见图6)的输入端口分离的监控器端口、第一干涉输出端口和第二干涉输出端口处监控光电流。监控器端口、第一干涉输出端口和第二干涉输出端口中的每一个分别用光电二极管(例如，PM0、PM1和PM2，见图6)端接。这些光电二极管中的每一个都产生光电流作为其光功率的量度，可实时地对光电流进行监控。基于第一干涉输出端口与第二干涉输出端口之间的差分光功率的误差信号可用作反馈，以将光波长调谐为被锁定为例如ITU信道的预校准波长。
此外，该方法包括调谐第一加热器和第二加热器以粗略地调谐通过第一环形谐振器和第二环形谐振器中的每一个的透射光谱，直到在第一干涉输出端口和第二干涉输出端口处的光电流相等为止。由于为第一环形谐振器和第二谐振器分配了略微不同的半径，因此在两个透射光谱之间存在偏移。通过叠加两个透射光谱可获得合成光谱，该合成光谱包括至少一个强峰，因为两个环形谐振器的两个透射峰都落入相同的波长。通过调谐第一加热器和第二加热器，该强峰在合成光谱中的位置将在扩展的可调谐范围内移动。当在第一干涉输出端口和第二干涉输出端口处的光电流相等时，这意味着当误差信号变为零时，峰值波长基本上被调谐以匹配由波长锁定器锁定的预先校准的波长。当然，波长锁定器480可被配置为以不同的方式与被配置为游标环反射器的可调谐滤波器470组合以实现波长锁定功能。许多不同的基于硅光子学的波长锁定器配置可参考共同转让给Inphi公司的美国专利第10056733号。
该方法进一步包括通过最大化波长锁定器的监控器端口的光电流来调谐第三加热器以微调反射光谱，该波长锁定器的监控器端口的光电流代表来自与第一有源区域和第二有源区域两者相关联的往返腔激光发射条件的最大增益。可调谐滤波器的移相器部分位于两个环形谐振器外部的Si线波导的直线部分。当至少部分地位于移相器部分上方的第三加热器被调谐以改变移相部分的温度时，可根据第一有源区域和第二有源区域之间的整个往返路径来调谐反射光的相位。激光发射条件是在第一有源区域和第二有源区域之间的光学路径的物理设置和相移部分优化的相位下获得的最大增益，其特征在于，通过在波长锁定器的监控器端口的光电流测量的最大功率。具有两个有源区域的扩大的腔体在单个有源区域上无疑会增强可调谐激光器装置的激光发射功率。
图8是根据本发明实施方式的硅光子可调谐激光器装置中可调谐滤波器的具有不同半径的相应两个环形谐振器的两个叠加透射光谱的示意图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，环形谐振器的每个透射光谱都包含多个峰，这些峰取决于环的半径具有一定的间隔。由于为环1和环2设置了两个不同的半径，这导致两个不同的无光谱范围(SFR)，因此两个透射光谱之间存在偏移。然而，分别来自两个透射光谱的两个特定峰可落到基本上共同的波长，例如约1540nm。
图9是根据本发明实施方式的耦接至可调谐滤波器的两个环形谐振器的反射器的反射率光谱的示例性图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。当穿过两个环形谐振器的光在线波导的单个直线部分中重组并从第二有源区域反射时叠加两个透射光谱之后，获得的反射光谱基本上基于两个透射光谱的合成光谱。如图所示，反射光谱的特征在于在例如约1540nm的波长处的至少一个强峰。
图10是根据本发明实施方式的可调谐滤波器的简化框图，该可调谐滤波器包括在游标环反射器配置中的两个环形谐振器、一个反射器加上一个移相器。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，可调谐滤波器包括三个部分：两个环形谐振器和相位控制部分。两个环形谐振器的FSR略有不同，这可通过游标效应将调谐范围扩展到FSR的最低公倍数。一个相位控制部分是由环路波导和定向耦合器形成的环路反射器。可选地，环路反射器可被另一个激光二极管芯片的腔面代替。另一个相位控制部分可简单地是具有附加加热器的波导部分，用于基于热光学效应直接调谐相位。反射光谱基本上是通过叠加两个环形光谱获得的合成光谱。外部激光腔被配置在(第一激光二极管芯片)有源区域的方面和环路反射器之间。当通过环的透射光谱的峰相同并且在环的峰上调整相位时，发生激光发射操作。当然，就环形谐振器和相位控制部分的设置而言，可调谐滤波器配置有多种变化，从而导致不同的合成光谱。
图11是根据本发明实施方式的两个合成光谱的示例性图，两个合成光谱分别对应于通过在游标环反射器配置中调谐可调谐滤波器而从1555nm调谐到1535nm的波长以及从1530nm到1570nm的相应增益分布。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，对于不同的SFR，合成光谱的特征在于因为叠加两个具有共同的多峰波长的透射光谱而导致的强峰。峰值位置或波长值可通过在扩展的可调谐范围内围绕最佳中心位置调谐游标环反射器来进行调谐。
图12是根据本发明实施方式的由硅光子可调谐激光器装置输出的激光光谱的示例性图，其中激光波长从1555nm被调谐到1535nm。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，激光波长由光谱的峰值指示，其可通过调谐游标环反射器响应而在C波段(或其他宽带波段)上变得可调谐。在实例中，激光波长从1555nm调谐到1535nm。基于游标环反射器配置的可调谐滤波器用作增益分布的波长选择滤波器。可通过使用提供给与环1、环2和相移部分关联的电阻加热器的预校准电压设置最佳温度，来初始预设增益分布的中心或最佳位置。例如，可将预校准的电压存储在存储器的查找表中，每次初始化基于硅光子的可调谐激光器装置时该查找表可被读取。可通过改变环1和环2周围的温度来实现波长的粗调，以在由与环1、环2和相移部分相关的加热器的初始配置所设置的最佳增益分布位置附近的扩展可调谐范围内调谐波长。可通过改变相移部分周围的温度来进行精细波长调谐。激光区域还具有与波长有关的增益分布，该增益分布比来自环的增益分布宽得多。
图13是根据本发明一些实施方式的三种类型的基于Si波导中的SiN的集成耦合器的示意图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。像FSR一样，具有两个环形谐振器的可调谐滤波器的耦接系数是实现较大的模态增益差以获得与其他模式相比足够高的旁模抑制比的重要参数。确定耦接系数的一个关键因素是限制在集成耦合器中的光模与输入的激光束的对准。另一方面，不同的集成耦合器设计存在的未对准公差将是提高可调谐激光器装置的生产率的一个优点。
参考图13，第一类型的集成耦合器设计是由SiN材料制成的反向纳米锥结构，该SiN材料嵌入Si波导中并且尖锐的针头指向波导端。对于该设计，显示了较小的模直径，响应于相对较小的未对准，会产生较大的耦接损耗。第二种类型的集成耦合器设计是由嵌入在Si波导中的SiN材料制成的三叉戟结构。该SiN三叉戟结构包括SiN纳米锥，该SiN纳米锥横向上部分长度被两个SiN对称纳米锥夹在中间，两个SiN对称纳米锥延伸到耦合器的波导端。示出了该设计的大模直径，从而降低了因未对准引起的耦接损耗。第三种类型的集成耦合器设计是由嵌入在Si波导中的SiN材料制成的叉状结构。叉状结构包括SiN纳米锥，该SiN纳米锥在横向上整个长度由直至波导端的两个SiN线性条夹在中间。它具有中等大小的模直径，但耦接损耗最小，尤其是对于光模和激光斑之间较小的未对准。
图14A是根据本发明实施方式的耦接在可调谐滤波器和激光二极管芯片之间的集成耦合器的耦接损耗和横向未对准之间的关系的示例性图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，SiN三叉戟和SiN叉型集成耦合器可替代SiN反向纳米锥型集成耦合器抵消较低的耦接损耗，对激光二极管芯片发出的激光束与集成耦合器的模径之间的横轴未对准具有相当的容忍度。在该实例中，来自模式的耦接损耗基于2.5μm激光二极管光斑尺寸失配。图14B是根据本发明实施方式的耦接在可调谐滤波器和激光二极管芯片之间的集成耦合器的耦接损耗和垂直未对准之间的关系的示例性图。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，SiN三叉戟和SiN叉型集成耦合器可替代SiN反向纳米锥型集成耦合器抵消较低的耦接损耗，对激光二极管芯片发出的激光束与集成耦合器的模径之间的垂直轴未对准具有相当的容忍度。另外，与SiN三叉戟型集成耦合器相比，SiN叉型集成耦合器提供了更紧凑的设计，并且耦接损耗更低(例如，小于1dB)。在实例中，叉型集成耦合器的长度仅为三叉戟型集成耦合器的一半。在实例中，当在横向或垂直方向上的未对准均小于0.6μm时，叉型的耦接损耗仅为三叉戟型的耦接损耗的一半。
在实施方式中，相干光学收发器被集成在单个芯片中。图15A示出了集成在硅光子基板上的相干光学收发器芯片的透视图。图15B示出了相干光学收发器芯片的侧视图。参考图15A，将硅光子基板100的顶表面设置为用于集成相干光学收发器芯片5000的所有组件的基板。相干光学收发器芯片5000具有被配置成保持分别与硅光子基板100耦接的第一光纤511和第二光纤512的光纤耦合器520。相干光学收发器芯片5000包括可调谐激光器装置1000，该可调谐激光器装置1000包括两个激光二极管(LD)芯片，第一LD 430和第二LD 440，二者均倒装在硅光子基板100的第一区域上。LD芯片430和440都与嵌入在第一区域中的波长可调谐部分耦接，如图15A所示。可调谐激光器装置1000基本上类似于图6所示的可调谐激光器40。两个激光二极管芯片430和440被配置为具有两个相应的增益区域(也称为430和440)的p面电极，该电极朝下安装在硅光子基板100上。基板100被预先图案化有多个用于安装和对准LD芯片的表面基准点、垂直止挡件、边缘止挡件和接合焊盘。LD芯片430和LD 440的安装使两个增益区域的相应后端面与波长调谐滤波器470和波长锁定器480光学对准。同时，LD芯片430的安装使输出激光的第一增益区域的前端面耦接到波导中，该波导通向硅光子电路。可选地，波长可调谐滤波器470和波长锁定器480由在硅光子基板100的第一区域中的线波导直接制成。可选地，它们由嵌入到硅光子基板100中的硅和与硅有关的材料制成。具体而言，波长锁定器480包括延迟线干涉仪和由硅或氮化硅波导制成的多个光功率监控器。波长可调谐滤波器470包括两个或更多个微环形谐振器波导471和472，之后是分别耦接到第一增益区域430和第二增益区域440的线性波导491和475。两个或更多个环形谐振器的半径略有不同，以使得与两个增益区域耦接的光在其中至少以90％的反射率多次反射并通过至少一个部分覆盖两个或更多个微环形谐振器波导中的每一个的电阻加热器和覆盖作为移相器的线性波导475的一部分的加热器在合成光谱的扩展波长范围内进行调谐。可选地，用于电阻加热器和LD驱动器的电源是通过嵌入基板100中的电连接和基板100中的多个硅通孔(TSV)提供的，以与基板100的底表面处的板栅阵列(BGA)的一些导电凸块连接(如图15B所示)。
在该实施方式中，相干光学收发器芯片5000还包括倒装在硅光子基板100的第二区域上的跨阻放大器(TIA)芯片3400。TIA芯片3400电耦接到嵌入在硅光子基板100中的相应电连接或通过一些TSV连接至基板100的底表面处的BGA。可使用印刷电路板(PCB)来安装硅光子基板100，以为TIA芯片提供所需的电连接以操作光学收发器5000。可选地，TIA芯片3400被配置为准备一些电压信号，该电压信号是转换从输入的相干光信号中检测到的一些混合电流信号而来的。另外，相干光学收发器芯片5000包括倒装在硅光子基板100的第三区域上的驱动器芯片2600。驱动器芯片2600电耦接到嵌入在基板100中的相应电连接，或通过一些TSV连接至基板100的底表面处的BGA，并且利用PCB来完成电连接。
此外，相干光学收发器芯片5000包括与可调谐激光器装置1000、TIA芯片3400和驱动器芯片2600集成的硅光子电路。硅光子电路直接形成在硅光子基板100的第四区域中，该第四区域是基本上沉到基板100中。可选地，硅光子电路包括分别形成在第四区域的不同几何部分中的多个硅光子装置。在功能上，如图1所示，硅光子电路主要包括接收器块3000和发射器块2000。参考图1和图15A，接收器块2000被配置为具有与第一光纤511耦接的波导(未明确示出)以接收相干的输入光信号，并且具有与可调谐激光器装置1000耦接的另一波导(未明确示出)以接收第一部分激光作为本地振荡器信号，以辅助TIA芯片3400检测相干的输入光信号中的TM模式和TE模式光信号。发射器块2000被配置为使用驱动器芯片2600驱动来自可调谐激光器装置1000的第二部分激光的调制，以生成输出到第二光纤512的相干的输出光信号。
参考图15A，尽管未明确示出细节，但是硅光子电路包括形成在基板100中的第一功率分离器1001，该第一功率分离器1001具有耦接并对准于第一增益区域430的前端面的输入波导1010，以接收从输入波导输出的激光。第一功率分离器1001被配置为将激光分成两个部分，以范围为10:90至50:50的X：Y比例，第一部分被输出到第一输出波导1011和第二部分被输出到第二输出波导1012。硅光子电路包括子电路，该子电路至少具有偏振光束分离器旋转器(PBSR)、第二功率分离器和一对光接收器，被配置为图1所示的接收器块3000，集成在硅光子基板100的第四区域的一个子区域3101中。在功能上，偏振光束分离器旋转器3100具有在硅光子基板100的边缘处直接耦接到第一光纤511的输入波导，以接收相干输入光信号。PBSR 3100被配置为成形硅波导(见图2A)，以接收相干输入光信号并将相干输入光信号中的TE模式光信号和TM*模式光信号输出到两个独立的光学路径，分别被馈送到两个90°混合光接收器3200和3300。TM*模式光信号实质上是从相干输入光信号的TM模式光信号旋转了90°的TE模式光信号。第二功率分离器3001实质上是3dB耦合器，以将来自第一功率分离器1001的第一输出波导1011的激光的第一部分分离成两个相等的一半。激光的每半被用作输入到两个90°混合光接收器3200和3300中相应的一个的本地振荡器信号，以与相应的TE和TM*模式光信号组合以形成第一混合光信号第二混合光信号。相应地，两个90°混合光学接收器3200和3300包括被配置为分别将第一混合光信号和第二混合光信号转换为第一混合电流信号和第二混合电流信号的光电二极管。
参考图15A，硅光子电路还包括偏振光束旋转器组合器(PBRC)和配置为图1中所示的发射器块2000的一对光学调制器、硅光子基板100的第四区域的集成的相应两个子区域2301和2302。具体地，每对光学调制器包括基于硅波导的Mach-Zehnder干涉仪，该干涉仪被配置为具有一个同相分支和一个具有90°移相器的正交相位分支的同相/正交相位调制器，每个分支都被驱动器芯片2600提供的电压偏置，以驱动调制从第二部分激光接收的光，该第二部分激光来自第一功率分离器1001的第二输出波导1012并穿过调制器本身的硅波导。每个调制器被配置为输出源自来自可调谐激光器装置1000的激光、具有I/Q四级调制、基本上处于TE模式偏振的调制光信号。PBRC 2200耦接到两个同相/正交相位调制器，以接收两个TE模式调制的光信号，输出一个保留TE模式调制的光信号和另一个旋转到TM模式调制的光信号，并将TE模式调制的光信号与TM模式调制的光信号组合成相干调制的光信号。参考图15A，硅光子电路还包括偏振无关半导体光放大器(PI-SOA)2100，作为倒装在硅光子基板100的边缘附近的芯片，以在一端与PBRC 2200耦接并在相对端与第二光纤512耦接。PI-SOA2100被配置为提供相干调制光信号的大范围输出功率。此外，PI-SOA 2100将放大的相干光信号作为相干输出光信号传送到输出到输出端口的第二光纤。
图15B示出了图15A的相干光学收发器芯片5000的侧视图。如图所示，相干光学收发器5000集成在单个硅光子基板100上。硅光子基板100是包括由绝缘体上硅基板中形成的硅相关材料制成的波导的硅光子芯片。硅光子基板100的顶表面被配置为使得诸如TIA芯片3400、驱动器芯片2600、激光二极管芯片430和440以及半导体光学放大器2100的多功能芯片被安装在相应区域。可选地，这些芯片中的每一个通过导电凸块170、面朝下与相应区域上的预先形成的凸块结合而被倒装安装。可选地，多个导电硅通孔可穿过硅光子基板100形成，并填充有导电材料，用于将安装在其顶部的那些芯片连接至其底部的一些板栅阵列160。可选地，板栅阵列160被设计用于将硅光子基板100上的该集成的相干光学收发器5000安装在模块化封装中的印刷电路板上。
在另一方面，本公开提供了一种用于在单个硅光子芯片上形成的集成相干光学收发器的紧凑封装。图16A是根据本发明的实施方式的集成相干光学收发器的开放封装的示意图。图16B示出了根据本公开的实施方式的图16A的集成相干光学收发器的封闭封装。该图仅是实例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，封闭封装件6000A是完全装箱的相干光学收发器。开放封装件6000具有被移除的盖构件150。封装件6000包括安装在金属外壳中的印刷电路板(PCB)600上的集成相干光学收发器5000。除了盖构件150之外，金属壳体还与一对侧构件140组装在一起，这对侧构件140通过在壳体的前端区域附近的接合构件141与将接合构件141延伸至壳体的后端131的底部构件130自然地连接。一对侧构件140具有一对与盖构件150耦接的夹子结构145。PCB 600的板主体被支撑在底部构件130上，其中多个导电引脚610形成在板主体的大致位于壳体的后端区域131处的端部区域处。该封装包括用于收发器6000的被配置为输入端口的第一光学连接器接收器501和被配置为输出端口的第二光学连接器接收器502。输入端口和输出端口均位于PCB 600板主体的前端之前的接合构件141处。
硅光子基板100上的集成相干光学收发器基本上是图15A所示的相干光学收发器芯片5000。相干光学收发器芯片5000的细节可在前面的几段中找到。第一光学连接器接收器501的后端与第一光纤511耦接，第二光学连接器接收器502的后端与第二光纤512耦接，两个光纤均由光纤耦合器520保持，以分别与进入到内置在硅光子基板100中的硅光子电路中的输入波导、和与偏振无关半导体光学放大器(PI-SOA)2100连接的输出波导耦接并光学对准。可选地，第一光学连接器接收器501的前端被配置为与连接到输入光纤的光学连接器配合，该输入光纤传送来自光学通信系统的具有TE和TM混合模式的相干输入光信号。第二光连接器接收器502的前端被配置为与连接到输出光纤的光学连接器配合，该输出光纤输出在TE模式和TM模式偏振中具有四级I/Q调制的相干输出光信号。根据应用的不同，集成相干收发器封装件6000A可配置有紧凑的形式因素，以适应用于相干光通信的任何系统设计。
在替代方面，本公开提供了一种包括集成在半导体基板构件上的光学相干收发器的光引擎装置。例如，光学相干收发器被设置为图1所示的集成相干光学收发器。例如，基板构件被设置为与图15B的基板100类似的一个。该光引擎装置包括具有表面区域的基板构件。光引擎装置还包括被配置到输入光纤装置的光学输入端和被配置到输出光纤装置的光学输出端。另外，光引擎装置包括设置在表面区域上的发射路径。发射路径包括耦接到光学输出端的偏振无关光学放大器装置。发射路径还包括耦接到偏振无关光学放大器和耦接到光学输出端的偏振光束旋转器组合器装置。发射路径还包括耦接到偏振光束旋转器组合器装置和耦接到光学输出端的双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置。发射路径还包括耦接到双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置并且被配置为将电信号驱动到双偏振I/Q MachZehnder调制器的驱动器装置。此外，发射路径包括可调谐激光器装置，该可调谐激光器装置包括具有增益区域的激光二极管芯片，该芯片具有向下翻转并安装在基板构件上的p面电极。增益区域与形成在基板构件中的波长调谐部耦接，以调谐从增益区域输出到基板构件中的波导的激光的波长。而且，发射路径包括耦接到波导将激光分离成第一光和第二光的第一功率分离器。第二光耦接到双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置。此外，光引擎装置还包括设置在表面区域上的接收路径。接收路径包括耦接到第一光的第二功率分离器。接收路径还包括一对90°混合接收器。一对90°混合接收器中的每一个都包括光检测器装置和混合混频器装置，分别耦接到基板构件中的偏振光束分离器旋转器的两个输出端以接收光学输入，并耦接到第二功率分离器的两个输出端以接收来自可调谐激光器装置的第一光，以辅助检测相干输入信号中的横向电(TE)模式信号和横向磁(TM)模式信号。此外，接收路径包括耦接到每个90°混合接收器并耦接到每个光检测器装置的跨阻放大器，该光检测器装置将第一光和光学输入的组合转换成电信号，以使用跨阻放大器装置来传输。光引擎装置还包括异质集成，异质集被配置成使用基板构件、发射路径和接收路径形成单个硅光子装置。
可选地，基板构件包括硅基板。可选地，跨阻放大器由硅锗双极技术制成。可选地，跨阻放大器由硅CMOS技术制成。可选地，跨阻放大器由磷化铟技术制成。可选地，跨阻放大器由包含砷化镓的技术制成。可选地，数据中心被配置用于社交网络平台、电子商务平台、人工智能平台或人类跟踪平台。可选地，
可选地，光引擎装置耦接到主基板构件。例如，作为图16A的电路板600提供的主基板构件被配置为安装光引擎装置、耦接至光引擎装置的数字信号处理装置、耦接至光引擎装置和数字信号处理装置的电源、耦接至光引擎装置以使用一个或多个控制信号向光引擎装置提供一个或多个控制的微控制器装置、配置到光引擎装置、数字信号处理装置、电源和微控制器装置的电输入和输出；以及机电配置，包括光引擎装置、数字信号处理装置、电源、微控制器装置、以及被配置到光引擎装置、数字信号处理装置、电源和微控制器装置的电输入和输出。
可选地，光引擎装置和主基板构件被配置为可插拔装置。可选地，光引擎装置和主基板构件一起被配置在旨在用于数据发送和接收的通信系统的系统板构件上。可选地，系统板构件设置在交换系统设备中，该交换系统设备空间上设置在数据中心中。可选地，数据中心被配置用于社交网络平台、电子商务平台、人工智能平台或人类跟踪平台。可选地，数据中心耦接到在空间上遍及整个地理区域的多个数据中心。可选地，数据中心由商业公司或政府实体拥有。
可选地，数字信号处理装置包括到开关装置的主机接口和到光引擎装置的线路接口。
可选地，主基板构件包括到系统板构件的电接口、到系统板构件的光学接口以及到系统板构件的机械接口。可选地，使用附接装置、使用耦接至附接装置的热接口区域，将机械接口热配置到系统板构件。
虽然以上是具体实施方式的完整描述，但是可使用各种修改、替代结构和等同物。因此，上述描述和图示不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (53)

1.一种集成相干收发器，包括：
基板构件；
可调谐激光器装置，包括具有增益区域的激光二极管芯片，所述激光二极管芯片的p面电极被倒置安装在所述基板构件上，所述增益区域与形成在所述基板构件中的波长调谐部耦接以调谐从所述增益区域输出到所述基板构件中的波导的激光的波长；
第一功率分离器，耦接到所述波导以将所述激光分离为第一光和第二光；
相干接收器块，包括至少两个90°混合接收器，所述至少两个90°混合接收器分别与所述基板构件中的偏振光束分离器旋转器的两个输出端耦接，以接收来自相干光学网络的相干输入信号，并与第二功率分离器的两个输出端耦接，以接收从所述第一光分离出的两个本地振荡器信号，以辅助检测所述相干输入信号中的横向电(TE)模式信号和横向磁(TM)模式信号；以及
相干发射器块，包括：在所述基板构件中的至少一对同相/正交相位调制器，用于分别将从所述第二光分离的两个部分调制为TE模式的两个I/Q调制信号；在所述基板构件中的偏振光束旋转器组合器，用于将所述两个I/Q调制信号之一旋转为TM模式信号并将所述TM模式信号与TE模式的所述两个I/Q调制信号中的另一个I/Q调制信号组合，以生成通过偏振无关半导体光学放大器发射到所述相干光学网络的相干输出信号。
2.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述基板构件是硅光子基板或平面光电路基板。
3.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述激光二极管芯片包括多个表面基准点，所述多个表面基准点与所述基板构件的图案化的表面区域中的多个对应部分的基板基准点接合，以使所述增益区域的第一端面与所述基板构件中的集成耦合器的边缘止挡件对准，从而将在所述增益区域中产生的光传送到所述波长调谐部中，并且使所述增益区域的第二端面与另一个集成耦合器对准，以将所述激光输出到所述波导。
4.根据权利要求3所述的集成相干收发器，其中，所述波长调谐部包括耦接到至少两个微环形谐振器线的直波导部，所述直波导部后面是反射器部，所述直波导部直接耦接到所述集成耦合器以接收在所述增益区域中产生的光，至少两个环形谐振器具有略微不同的半径，以允许在合成光谱的扩展波长范围内调谐光，并且所述反射器部的特征在于所述光的反射率至少为90％。
5.根据权利要求4所述的集成相干收发器，其中，直部分包括SiN材料，所述至少两个环形谐振器以及所述反射器部包括Si材料。
6.根据权利要求4所述的集成相干收发器，其中，所述波长调谐部还包括至少三个薄膜电阻器加热器，分别放置在所述基板构件上并且至少部分地位于所述至少两个环形谐振器和所述反射器部上方。
7.根据权利要求6所述的集成相干收发器，其中，放置在所述至少两个环形谐振器上方的所述薄膜电阻器加热器被配置为在至少1530nm至1570nm的扩展波长范围内调谐所述光，并且放置在所述反射器部上方的所述薄膜电阻器加热器被配置为调谐所述光的相位，以匹配所述增益区域的第一端面和第二端面之间的往返腔激光发射条件。
8.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述可调谐激光器装置包括两个激光二极管芯片，所述两个激光二极管芯片倒装在所述基板构件上，以提供耦接到波长调谐部的两个有源增益区域；以及波长锁定器，具有集成在所述基板构件中的三个光电二极管。
9.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述第一功率分离器在所述基板构件中被配置为以10∶90至50∶50范围内的X∶Y比例分离所述第一光和所述第二光。
10.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述第二功率分离器被配置为在功率上基本上相等地分离所述第一光。
11.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述偏振光束分离器旋转器包括形成在所述基板构件中的肋结构波导，所述肋结构波导被配置为将来自输入端口的入射光的TM模式偏振转换为基本上TE类型的偏振，所述入射光是从所述相干光学网络接收的相干输入光。
12.根据权利要求11所述的集成相干收发器，其中，所述偏振光束分离器旋转器包括双锥结构波导，所述双锥结构波导被配置为在所述肋结构波导之后的50:50分离器。
13.根据权利要求12所述的集成相干收发器，其中，所述偏振光束分离器旋转器包括双分支形波导，所述双分支形波导耦接到所述双锥结构波导并且被配置为向一个分支中传播的光波提供额外的90°相移。
14.根据权利要求13所述的集成相干收发器，其中，所述偏振光束分离器旋转器包括矩形波导，所述矩形波导耦接到所述双分支形波导并且被配置为2×2多模干涉仪，以便在接收到经由所述肋结构波导的输入端口输入的相干光后，将TE模式偏振光输出到第一端口以及将TM模式偏振光输出到第二端口。
15.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述至少两个90°混合接收器中的一个被配置为TE 90°混合接收器，以将混合光信号转换为第一混合电流信号，从而检测所述相干输入信号中的TE模式信号，所述混合光信号结合了所述相干输入信号中的TE模式信号和从来自所述可调谐激光器装置的所述第一光分离的第一TE模式本地振荡器信号；所述至少两个90°混合接收器中的另一个被配置为TM*90°混合接收器，以将结合了所述相干输入信号中从所述TM模式信号旋转的TE模式信号和从来自所述可调谐激光器装置的所述第一光分离的第二TE模式本地振荡器信号的混合光信号转换为第二混合电流信号，从而检测所述相干输入信号中的TM模式信号。
16.根据权利要求15所述的集成相干收发器，其中，所述相干接收器块还包括跨阻放大器(TIA)芯片，所述跨阻放大器芯片倒装在所述基板构件上并耦接到所述至少两个90°混合接收器以处理所述第一混合电流信号和所述第二混合电流信号，从而将所述第一混合电流信号和所述第二混合电流信号转换为数字信号。
17.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述相干发射器块还包括驱动器芯片，所述驱动器芯片倒装在所述基板构件上并且被配置为向所述至少一对同相/正交相位调制器提供偏置功率和驱动信号。
18.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述偏振光束旋转器组合器是配置在所述基板构件中与具有反向光学路径的所述偏振光束分离器旋转器基本相同的成形波导。
19.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，每对同相/正交相位调制器在每个同相分支包括Mach-Zehnder延迟线干涉仪以及在每个正交相位分支包括附加的90°移相器。
20.根据权利要求1所述的集成相干收发器，其中，所述相干发射器块还包括一个或多个光学衰减器，所述光学衰减器集成在所述基板构件中的两个波导中，所述两个波导分别耦接到所述偏振光束旋转器组合器的两个输入端中。
21.一种集成相干光学收发器的封装件，所述封装件包括：
金属壳体，具有两个侧构件，所述侧构件通过与底部构件耦接的接合构件而接合并与盖构件夹牢；
印刷电路板(PCB)，设置在所述底部构件上并在所述金属壳体的后端附近具有多个电引脚；
硅光子基板，安装在所述PCB上，所述硅光子基板的底部具有板栅阵列；
一个输入端口和一个输出端口，分别设置在所述金属壳体的前端，并经由第一光纤和第二光纤耦接至所述硅光子基板；
可调谐激光器装置，包括两个激光二极管芯片，所述两个激光二极管芯片与嵌入在所述硅光子基板的第一区域中的波长调谐部耦接并被配置为输出激光；
跨阻放大器TIA芯片，倒装在所述硅光子基板的第二区域中；
驱动器芯片，倒装在所述硅光子基板的第三区域中；以及
硅光子电路，形成在所述硅光子基板的第四区域中，并被配置为与所述第一光纤耦接以接收相干输入光信号，并被配置为与所述可调谐激光器装置耦接以接收激光的第一部分作为本地振荡器信号，以辅助所述TIA芯片检测所述相干输入光信号中的TM模式光信号和TE模式光信号，并且被配置为使用所述驱动器芯片驱动所述激光的第二部分的调制以生成输出到所述第二光纤的相干输出光信号。
22.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述硅光子基板是硅光子芯片，所述硅光子芯片包括由硅相关材料形成的波导，所述硅相关材料形成在绝缘体上硅基板中，所述绝缘体上硅基板包括用于将安装在所述绝缘体上硅基板顶部的芯片连接到所述底部的一些板栅阵列的多个导电硅通孔。
23.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述两个激光二极管芯片被配置为相应的两个增益区域的p面电极面向下安装在所述第一区域上，在所述硅光子基板上所述第一区域被图案化有多个表面基准点、垂直止挡件、边缘止挡件和接合焊盘；并且所述两个激光二极管芯片被配置为两个增益区域的各自的后端面与所述波长调谐部光学对准以及两个增益区域的第一个的前端面输出所述激光。
24.根据权利要求23所述的封装件，其中，所述波长调谐部包括两个以上微环形谐振器波导，所述两个以上微环形谐振器波导后面是反射器波导，所述两个以上微环形谐振器波导分别耦接到所述两个增益区域中的第一增益区域和第二增益区域，两个以上环形谐振器具有稍微不同的半径以使从所述两个增益区域耦接的光在所述两个增益区域中至少以90％的反射率被多次反射，并通过部分覆盖所述两个以上微环形谐振器波导中每一个的至少一个电阻加热器在合成光谱的扩展波长范围内进行调谐。
25.根据权利要求24所述的封装件，其中，所述可调谐激光器装置还包括波长锁定器，所述波长锁定器形成在所述硅光子基板的所述第一区域中，具有从反射器部耦接到波导的输入端口、从所述输入端口分离的监控器端口、从延迟线干涉仪波导的两个分支分离的第一干涉输出端口和第二干涉输出端口，所述监控器端口、所述第一干涉输出端口和所述第二干涉输出端口中的每一个都与光检测器耦接。
26.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括第一功率分离器，所述第一功率分离器耦接到所述可调谐激光器装置，并且被配置为以从10:90到50:50的范围内的X：Y比例将所述激光分离成所述第一部分和所述第二部分。
27.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括偏振光束分离器旋转器，所述偏振光束分离器旋转器被配置为成形硅波导以接收从所述输入端口传送的所述相干输入光信号，并输出所述相干输入光信号的TE模式光信号和TM*模式光信号，所述TM*模式光信号基本上是从所述相干输入光信号的TM模式光信号旋转90°的TE模式光信号。
28.根据权利要求27所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括第二功率分离器，所述第二功率分离器被配置为3dB耦合器以将所述激光的所述第一部分分成两半作为两个本地振荡器信号。
29.根据权利要求28所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括两个90°混合接收器，一个90°混合接收器被配置为获得第一混合光信号并且将所述第一混合光信号转换为第一混合电流信号，所述第一混合光信号结合了所述TE模式光信号和所述两个本地振荡器信号中的第一个；另一个90°混合接收器被配置为获得第二混合光信号，并将所述第二混合光信号转换为第二混合电流信号，所述第二混合光信号结合了所述TM*模式光信号和所述两个本地振荡器信号中的第二个。
30.根据权利要求29所述的封装件，其中，所述TIA芯片被倒装在所述硅光子基板的所述第二区域中，并且电耦接至所述两个90°混合接收器以将所述第一混合电流信号和所述第二混合电流信号处理成各自的电压信号。
31.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括两个同相/正交相位调制器，每个同相/正交相位调制器均被配置为在同相分支具有基于波导的Mach-Zehnder干涉仪以及在正交相位分支包括附加的90°移相器。
32.根据权利要求31所述的封装件，其中，所述驱动器芯片被倒装在所述硅光子基板的所述第三区域中，并且电耦接至所述两个同相/正交相位调制器以提供偏置电压和驱动信号，以控制分别通过两个基于波导的Mach-Zehnder延迟线干涉仪的两个光信号的4级I/Q调制。
33.根据权利要求32所述的封装件，其中，所述硅光子电路包括偏振光束旋转器组合器，所述偏振光束旋转器组合器耦接到所述两个同相/正交相位调制器，以将两个调制光信号之一输出为TE模式调制光信号，同时将所述两个调制光信号中的另一个旋转为TM模式调制光信号，并将所述TE模式调制光信号与所述TM模式调制光信号组合为相干调制光信号。
34.根据权利要求33所述的封装件，其中，所述硅光子电路还包括一个或多个光学衰减器，所述一个或多个光学衰减器被集成为分别与所述偏振光束旋转器组合器耦接，以平衡所述TE模式调制光信号的光学功率与所述TM模式调制光信号的光学功率。
35.根据权利要求23所述的封装件，还包括偏振无关半导体光学放大器，所述偏振无关半导体光学放大器耦接到所述硅光子电路中的偏振光束旋转器组合器以提供相干调制光信号的宽范围的输出功率，并耦接到光纤以将输出到所述输出端口的相干调制光信号作为所述相干输出光信号进行传送。
36.根据权利要求21所述的封装件，其中，偏振无关半导体光学放大器是安装在所述硅光子基板上的芯片。
37.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述输入端口包括后端耦接到所述第一光纤并且前端被配置为与连接于输入光纤的连接器配对的光学连接器接收器，所述输出端口包括后端耦接到所述第二光纤并且前端被配置成与连接于输出光纤的连接器配对的光学连接器接收器。
38.根据权利要求21所述的封装件，还包括光纤-到-硅耦合器，所述光纤-到-硅耦合器被配置为保持所述第一光纤和所述第二光纤分别与所述硅光子电路的第一波导和第二波导对准，所述第一波导通向偏振光束分离器旋转器并且所述第二波导通向偏振光束旋转器组合器。
39.根据权利要求21所述的封装件，其中，两个90混合接收器中的每个包括多个光检测器。
40.根据权利要求21所述的封装件，其中，所述TIA芯片和所述驱动器芯片分别与安装在所述PCB上的两个ASIC芯片耦接以进行数字信号处理。
41.根据权利要求21所述的封装件，还包括穿过所述金属壳体的后端的可插拔特征件，所述可插拔特征件具有多个电引脚以将所述集成相干光学收发器插入网络系统设备中。
42.一种光引擎装置，包括集成在半导体基板构件上的光学相干收发器，所述光引擎装置包括：
基板构件，包括表面区域；
光学输入端，被配置到输入光纤装置；
光学输出端，被配置到输出光纤装置；
发射路径，设置在所述表面区域上并且包括：
偏振无关光学放大器装置，耦接到所述光学输出端；
偏振光束旋转器组合器装置，耦接到所述偏振无关光学放大器并耦接到所述光学输出端；
双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置，耦接到所述偏振光束旋转器组合器装置并耦接到光学输出端；
驱动器装置，耦接到所述双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置，并被配置为将电信号驱动到所述双偏振I/Q Mach Zehnder调制器；
可调谐激光器，包括激光二极管芯片，所述激光二极管芯片具有增益区域，所述激光二极管芯片的p面电极被倒置安装在所述基板构件上，所述增益区域与形成在所述基板构件中的波长调谐部耦接以调谐从所述增益区域输出到所述基板构件中的波导的激光的波长；
第一功率分离器，耦接到所述波导以将所述激光分离为第一光和第二光，所述第二光耦接到所述双偏振I/Q Mach Zehnder调制器装置；
接收路径，设置在所述表面区域上并且包括：
第二功率分离器，耦接至所述第一光；
一对90°混合接收器，每个90°混合接收器包括光检测器装置和混合混频器装置，所述一对90°混合接收器分别耦接到所述基板构件中偏振光束分离器旋转器的两个输出端以接收光学输入，并耦接到所述第二功率分离器的两个输出端以从可调谐激光器装置接收所述第一光以辅助检测相干输入信号中的横向电(TE)模式信号和横向磁(TM)模式信号；以及
跨阻放大器，耦接到所述每个90°混合接收器，并耦接到每个光检测器装置，所述光检测器装置将所述第一光和所述光学输入的组合转换成电信号，以使用跨阻放大器装置进行传输；以及
异质集成件，被配置为使用所述基板构件、所述发射路径和所述接收路径形成单个硅光子装置。
43.根据权利要求42所述的光引擎装置，其中，所述基板构件包括硅基板。
44.根据权利要求42所述的光引擎装置，其中，所述跨阻放大器由硅锗双极技术或硅CMOS技术或磷化铟技术或含砷化镓技术制成。
45.根据权利要求42所述的光引擎装置，其中，所述光引擎装置耦接到主基板构件，所述主基板构件包括：
所述光引擎装置；
数字信号处理装置，耦接至所述光引擎装置；
电源，耦接至所述光引擎装置和所述数字信号处理装置；
微控制器装置，耦接至所述光引擎装置，以使用一个或多个控制信号向所述光引擎装置提供一个或多个控制；
电输入端和输出端，被配置到所述光引擎装置、所述数字信号处理装置、所述电源和微控制器装置；以及
机电配置，包括所述光引擎装置、所述数字信号处理装置、所述电源、所述微控制器装置、以及被配置到所述光引擎装置、所述数字信号处理器装置、所述电源和所述微控制器装置的所述电输入端和输出端。
46.根据权利要求45所述的光引擎装置，其中，所述光引擎装置和所述主基板构件被配置为可插拔装置。
47.根据权利要求45所述的光引擎装置，其中，所述光引擎装置和所述主基板构件被配置在系统板构件上。
48.根据权利要求47所述的光引擎装置，其中，所述系统板构件设置在开关系统设备中，所述开关系统设备在空间上设置在数据中心中。
49.根据权利要求48所述的光引擎装置，其中，所述数据中心被配置用于社交网络平台、电子商务平台、人工智能平台或人类跟踪平台。
50.根据权利要求48所述的光引擎装置，其中，所述数据中心耦接至在空间上位于整个地理区域上的多个数据中心。
51.根据权利要求48所述的光引擎装置，其中，所述数据中心由商业公司或政府实体拥有。
52.根据权利要求45所述的光引擎装置，其中，所述数字信号处理装置包括到开关装置的主机接口和到所述光引擎装置的线路接口。
53.根据权利要求47所述的光引擎装置，其中，所述主基板构件包括到所述系统板构件的电接口、到所述系统板构件的光学接口以及到所述系统板构件的机械接口，并且使用附接装置、使用耦接到所述附接装置的热接口，将所述主基板构件热配置到所述系统板构件上。
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