CN113557643A - 硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种可调谐固态激光设备，该可调谐固态激光设备包括基于半导体的增益芯片和具有调谐能力的硅光子滤波器芯片。硅光子滤波器芯片包括输入‑输出硅波导、连同硅波导形成的至少两个环形谐振器、与环形谐振器相互接口的一个或多个连接硅波导、与每个环形谐振器相关联的单独加热器、被配置为测量芯片温度的温度传感器、以及连接到温度传感器和单独加热器的并设计有反馈回路以维持滤波器温度从而提供经调谐频率的控制器。一个或多个连接硅波导被配置为将与至少两个环形谐振器中的每一个环形谐振器谐振的光重定向回通过输入‑输出硅波导。描述了用于控制激光频率的相应方法。SiPho多滤波器芯片的改进结构涉及Zagnac干涉仪。

Description

硅光子外腔可调谐激光器的波长控制方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月1日提交的Gao等人的题为“Method For WavelengthControl Of Silicon Photonic External Cavity Tunable Laser”的待审美国临时申请62/812,455的优先权，该专利申请通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种混合外腔激光器，其具有半导体增益芯片，诸如，III-V族半导体二极管结构；以及基于硅光子的可调滤波器芯片，与增益芯片相互接口以形成可调谐激光腔。本发明进一步涉及一种用于具有期望的热控制的外腔激光器的硅光子芯片。
背景技术
相干光通信系统被普遍认为是针对范围自几百米上至全球范围的距离进行互联互通的主要方式。随着增加的需求推动光纤容量达到100Gbs/波长或更高，相干光学系统的部署数量不断增加。相干可调谐激光器是这种网络的重要且有利的元素。这些通常被称为“可调谐激光器”，但这些激光器的操作要求比这个简单术语所暗示的要具体得多。尽管这些激光器的可调谐性通常用波长来表示，但用光学频率来表达这些行为通常更能说明问题。相关性始终由简单的方程来支配：频率＝(光速)/波长。因此，在1520nm和1570nm(典型范围)之间大致可调的激光器在约197THz和191THz(THz＝1012Hz)之间相应地可调。为了使这种可调谐激光器满足新兴和即将出现的相干系统的要求，在许多其他要求中，它应该：(A)对目标1GHz范围内(即，约200000分之一)的频率设置(因此，波长)进行响应；以及(B)展现出小于500KHz，优选小于100KHz的线宽(约十亿分之一的小带宽)。
为了实现这些行为，可调谐激光器总是被设计为外腔激光器(ECL)。这意味着ECL结构包括光学放大元件和形成复合光学谐振器的其他光学元件。这与标准半导体激光二极管形成对比，在标准半导体激光二极管中，放大元件和光学谐振器在单个管芯上基本上是一体的。调整复合光学腔内的光学滤波器以选择预期的光学频率并保持所需的光学线宽。可以跨整个6-THz(或左右)调谐范围调谐单个通带并还提供200-KHz(或左右)线宽的单个滤波器目前不实用(或甚至不接近实用)。因此，这种实用的ECL可调谐激光器在复合谐振器中使用两个可调谐滤波器。可调谐滤波器中的每一个跨整个调谐范围提供窄通带梳，并且每个滤波器被独立调整使得每个滤波器之间只有一条线重叠，并且可调谐激光器以该重叠频率发射窄带光。
发明内容
在第一方面，本发明涉及包括基于半导体的增益芯片和具有调谐能力的硅光子滤波器芯片的可调谐固态激光器设备。通常，硅光子滤波器芯片包括输入-输出硅波导、连同硅波导形成的至少两个环形谐振器、与环形谐振器相互接口的一个或多个连接硅波导、与每个环形谐振器相关联的单独加热器、被配置为测量芯片温度的温度传感器、以及连接到温度传感器和单独加热器的并设计有反馈回路以维持滤波器温度从而提供经调谐频率的控制器。在硅光子芯片内，一个或多个连接硅波导通常被配置为将与至少两个环形谐振器中的每一个环形谐振器谐振的光重定向回通过输入-输出硅波导。在一些实施例中，硅光子滤波器芯片的输入-输出硅波导通过光斑尺寸转换器耦接到基于半导体的增益芯片，以提供模式尺寸匹配从而减少由于接口引起的损耗。
在另一方面，本发明涉及一种用于稳定可调谐外腔激光器的输出的方法，其中可调谐外腔激光器包括用光斑尺寸转换器彼此耦接以形成激光腔的基于半导体的增益芯片和硅光子滤波器芯片。在一些实施例中，硅光子滤波器芯片包括：电阻式温度传感器，被配置为远离任何加热元件地测量芯片温度；以及多个环形谐振器，具有单独的集成电阻式加热器。该方法可以包括：使用由控制器驱动的控制回路，控制器被配置为从电阻式温度传感器获得读数并调整电阻式加热器的功率以将激光频率维持在容差范围内。
在另一方面中，本发明涉及一种光学芯片，包括：
输入波导；
Sagnac干涉仪，与所述输入波导光学连接，包括：
分束器/耦合器，与所述输入波导连接；
两个波导分支，与分束器-耦合器连接，并且每个分支终止于一端；
两个环形谐振器，每一个环形谐振器耦接到单独的波导分支并通过介入的弯曲波导彼此耦接，以使相应环形谐振器中的光学旋转方向反转，其中介入的弯曲波导可以包括或可以不包括另外的环形谐振器；以及
电阻式加热器，与每个环形谐振器相关联，
其中，进入输入波导的光被分入特定的波导分支，并且如果所述光与两个环形谐振器和任何介入的环形谐振器谐振，则所述光然后通过一个环形谐振器、沿着介入的弯曲波导、并通过另一环形谐振器进入相对的波导分支中，返回到分束器-耦合器。在一些实施例中，光学芯片通过硅波导和二氧化硅包层实现，使得光学芯片可以被认为是硅光子芯片。
附图说明
图1是与当前商用ECL相比，随不同热串扰水平而变化的基于硅光子的外腔激光器(ECL)的经计算的额外频率误差的图。
图2是包括硅光子滤波器芯片和基于半导体的增益芯片的可调谐固态激光器的实施例的示意性透视图，基于半导体的增益芯片可以耦接到半导体光学放大器(SOA)。
图3是硅光子滤波器芯片的实施例的一部分的侧截面图。
图4是可以耦接到硅光子滤波器芯片的基于半导体的增益芯片的实施例的透视图。
图5是可调谐激光器系统的实施例的框图。
图6是对环形谐振器的环温度传感器(RTD)与激光频率误差的图。
图7是芯片加热器功率与环温度传感器(RTD)读数变化率的图。
图8是硅光子滤波器芯片的另一实施例的俯视图，该芯片具有一对环形谐振器和终止于反射器的波导。
图9是硅光子滤波器芯片的再一实施例的俯视图，该芯片具有并排布置的多个环形谐振器。
图10是硅光子滤波器芯片的另一实施例的实施例，该芯片具有分叉波导和多个耦接环形谐振器。
图11是在环形谐振器四周包括热隔离沟槽的硅光子滤波器芯片的实施例的顶部透视图。
图12是图11的硅光子滤波器芯片的实施例的俯视图。
图13是包括L形热隔离沟槽的硅光子滤波器芯片的另一实施例的顶部透视图，L形热隔离沟槽部分围绕环形谐振器。
图14是包括一对热隔离沟槽的硅滤波器芯片的又一实施例的顶部透视图。
图15是图14的具有一对热隔离沟槽的硅滤波器芯片的实施例的俯视图。
图16是使用原型ECL跨65nm波长范围调谐的叠加激光频谱的图，其中改变与一个环形谐振器相关联的单个加热器。
图17是跨整个调谐范围的测量的SMSR(上部点图)和光纤耦合输出功率(下部点图)的图。
图18的左侧图(a)示出了在增益芯片电流固定为200mA的情况下随SOA电流而变化的光纤耦合输出功率，并且右侧图(b)示出了随SOA电流而变化的测量的激光本征线宽(上部点)和相对强度噪声(RIN，下部点)。
图19A是使用原型设备针对不同SOA电流由波长计(线)测量的以及由RTD读数(点)计算的频率的图。
图19B是根据图19A中的结果的测量误差图，该测量误差在±0.2GHz内。
图19C是针对不同的环形加热器温度设置由波长计(线)测量的以及由RTD读数(点)计算的频率的图。
图19D是图19C的测量误差图，该测量误差在±0.2GHz内。
图20是示出了在电阻式加热器被设置为114℃的温度下硅波导周围的热梯度的模型的温度的图。
图21是随设备温度漂移而变化的激光频移的图，其中在芯片温度传感器运行和不运行的情况下绘制了不同的线，其示出了可能在使用芯片温度传感器的情况下降低温度漂移。
图22的下框图是随时间而变化的频移的图，其中，半导体光学放大器的电流分两步从500mA增加到700mA，如上框图所示，并且示出了在运行芯片温度传感器和不运行芯片温度传感器的情况下的频移。
图23的左框图是通过调整加热器温度获得的频率调谐的准确度的图，其中，实线为目标频率的图，且点是针对原型设备由波长计测量的频率的图，并且右框图是左图的频率误差图，其示出了仅通过使用加热器功率的误差在±0.5GHz内。
图24的左上图为随时间而变化的SOA电压的图，左下框图为由于SOA电流变化(第一条线)引起的随时间而变化的频移的图，其通过使用单个参考RTD(第二条线，与第一条线重叠)而被精确跟随，其中在右框图中绘制了随时间而变化的差值，其中，在40min的时间处启用控制代码并将频率移到原始频谱位置，误差为0.2GHz。
具体实施方式
外腔可调谐激光器具有激光腔的集成硅光子调谐部分，其使用对硅光子滤波器芯片的温度的严格控制来提供激光频率的小漂移。通过使用带有硅波导的光子芯片形成光学滤波器来执行外腔激光器的频率调谐，该光学滤波器可使用电阻式加热器调节。为了在期望的范围内实现期望的频率控制和可调谐性，滤波器可以包括至少两个可单独调节的环形谐振器。通常可以使用诸如III-V族半导体材料的半导体波导来形成激光腔的增益部分。在一些实施例中，激光器直接与半导体光学放大器相互接口以放大激光输出，使得激光腔中的光功率可以维持较低以提供更好的激光器控制。硅光子芯片可以包括Sagnac干涉仪结构(其中信号通过连接两个波导分支的至少两个谐振环波导，以使干涉仪回路闭合)。可以对环进行调谐以提供所选波长，并且多次滤波Sagnac干涉仪在频率滤波的同时提供改善的稳定性。本文描述的结构被设计用于通过使用现实设计和可能利用现有商业组件的能力进行有效的商业化。
由视频点播、基于移动的服务和基于云的服务驱动的网络流量的爆炸性增长加速了大容量相干传输系统从长途传输到城域网络和数据中心网络的渗透。这些较短距离的网段对模块成本、尺寸和功耗特别敏感，如N.Kaneda等人在“400Gb/s Single CarrierTransmission with Integrated Coherent Optics”，OFC，Th3F.4(2016年)中所述，该文献通过引用并入本文。因此，对诸如OSFP和DD-QSFP标准小外形的外形小巧相干模块中的低成本、紧凑型可调谐激光器有高需求。同时，期望用于在光源和局部振荡器之间共享的16dBm及以上的大激光输出功率。低于100kHz的窄线宽也是受欢迎的，以满足高阶调制格式的严格相位噪声容限。M.Seimetz等人在“Laser Linewidth Limitations for OpticalSystems with High-Order Modulation Beyond 16-QAM”，OFC，TH1B.1(2008年)中进一步描述了这些商业需求，该文献通过引用并入本文。
本文公开了在针对电通信和其他应用的高性能相干模块中使用光子集成电路的可调谐激光器的用于精确频率控制以及在一些实施例中进行相位控制的技术、结构和方法。可调谐激光器通常包括作为增益介质的化合物半导体材料和作为可调谐频率滤波器的硅光子集成电路。硅光子电路通常包括作为频率选择元件的硅波导环形谐振器。硅光子电路可以进一步包括：多个集成加热器、温度传感器、参考温度传感器、热隔离沟槽及其各种组合，以精确地调谐和监测硅波导环形谐振器的滤波器频率。频率选择元件的特性(例如谐振频率)的精确监测和控制可以确保对可调谐激光器的频率控制精度高且长期稳定。在一些实施例中，硅光子滤波器包括多次滤波Sagnac干涉仪，其中两个或更多环形谐振器连接两个波导分支以形成干涉仪的回路并提供对谐振频率的反射。
外形小巧的外腔可调谐激光器是大容量相干光通信系统用于满足不断增长的带宽需求的关键组件之一。外腔可调谐激光器包括两个基本元件。第一元件是增益介质，通常使用III-V族化合物半导体，例如磷化铟(InP)和砷化镓，这是因为它们具有直接能量带隙和高发光效率。第二元件是频率选择性外部谐振腔。外部激光腔确保了相当长的谐振腔，以抑制激光相位噪声，这在高速相干通信系统中非常重要，因为它们不仅依赖于幅度调制，而且依赖于光相位调制。
使用硅光子技术的外腔激光器是减小可调谐激光器尺寸和成本的有希望的解决方案。硅集成电路在过去几十年是电子行业的焦点，并且硅集成电路的技术进步导致互补金属氧化物半导体CMOS电路的特征尺寸、成本和功耗显著减小。光子集成电路通过采用电子行业开发的成熟CMOS代工厂，有望实现类似的低成本和大批量制造。可调谐激光器的分立光学组件(例如频率选择元件、功率监测光电二极管和分束器)的单芯片集成可以通过减少分立组件的数量和通过较低复杂度装配来降低可调谐激光器的成本。
相干通信系统中可调谐激光器的基本特征之一是高精度的频率控制和长期的频率稳定性。频率选择元件的滤波频率可以经由使用热光效应通过与它们相邻的集成微米级加热器进行调谐。然而，由于硅材料的高导热性，硅集成电路上的频率选择元件的频率容易受到芯片热扰动的干扰，例如来自环境温度变化、增益介质电流变化以及来自其他片上加热器的热串扰。因此，期望实现改善的方法和结构以使用硅光子集成电路精确控制外腔可调谐激光器的激光频率。
二极管激光器通常使用p-n结以当电子和空穴结合并释放对应于能量释放的光子时产生光，在该能量释放中，电流用电子-空穴对对激发的电子态进行泵浦。激光腔通过后反射器和在前表面处的部分反射器形成，在该前表面处光从二极管产生。激光腔中的光的反射导致受激发射以产生相干激光。对于内腔二极管激光器，激光腔的尺寸由二极管尺寸决定。对于外腔二极管激光器(ECL)，后反射镜由光子元件代替，该光子元件可以允许通过调整激光腔来进行频率调谐，而增益区域仍保留在半导体二极管内。本文的改善设计使用硅基光子芯片调整激光腔和相应的激光频率。
随着减小组件尺寸的不断动力，正在评估新的ECL架构以实现这种尺寸减小。缩小尺寸的一个重要途径是用波导集成代替ECL的自由空间部分。特别是，热可调谐硅光子环形谐振器元件是针对自由空间ECL中的热可调谐标准具的合理直接模拟。因此，具有适当配置的环形谐振器的硅光子波导芯片可以是传统ECL的自由空间部分的合适集成，例如如Melikyan(Melikyan等人，“Wavelength Stabilized Silicon/III-V Hybrid Laser”，Proc.2016年第42届ECOC，第598页，该文献通过引用并入本文所述)。然而，集成光子带来了挑战和优势。特别是，硅波导的热灵敏度明显高于自由空间标准具中的光路；以及同时，公共衬底的增加的热导性和集成光学元件的更小间距导致横跨整个光学元件的热梯度更强。热梯度和热灵敏度往往会破坏对来自自由空间ECL的热效应的弱耦合假设，以至于硅光子ECL通常无法使用自由空间ECL的热控制技术来可靠地满足所有性能要求。
硅光子芯片中的ECL腔的外部通常包括在硅波导中的两个或更多个环形谐振器。环形谐振器用作选择适当频率的光学滤波器。滤波器通常是温度敏感的，并且通常通过有意调整和控制每个滤波器组件的温度来进行调谐。在这些应用中直接测量滤波器的频率传输实际上是不切实际的，但是表明了通过监测滤波器温度和应用数学校准可以充分推断出传输。期望通过滤波器精确地知道光路处的温度。然而，由于加热器和温度传感器都会吸收光并且不应放置得太靠近光路，施加的热量和感测的温度会从光路物理上偏移，并且推断出光路的实际温度。还有其他热变化，例如，环境温度的变化和滤波器之间的温度串扰，这可能会扰乱温度推断。对于作为现有商业ECL的主导架构的基于自由空间的ECL，这些耦合很弱，并且可以通过热设计和校准增强来抑制由此产生的扰动。关于基于标准具的ECL的更多信息可以在例如Finot等人的题为“thermal Control of Optical Filter WithLocalSilicon Frame”的美国专利7,961,374中找到，该专利通过引用并入本文。
使用硅光子技术的外腔可调谐激光器是满足这些要求的具有吸引力的解决方案。此类激光器设计的一般概念如G.Valicourt等人在“Photonic Integrated Circuit Basedon Hybrid III-V/Silicon Integration，”J.光波技术.36，265-273(2018)中和A.Verdier等人在“Ultrawideband Wavelength-Tunable Hybrid External-Cavity Lasers，”J.Lightwave Technol.36，37-43(2018)中所述，该两篇文献均通过引用并入本文。它们的CMOS兼容制造工艺和各种光学元件的片上集成示出了减小可调谐激光设备的成本和尺寸的巨大希望，如A.Novack等人在“ASilicon Photonic Transceiver and Hybrid TunableLaser for 64 Gbaud Coherent Communication”，OFC、Th4D.4(2018年)中和C.Doerr等人在“Silicon Photonics Coherent Transceiver in a Ball-Grid Array Package”，OFC，paper Th5D.5(2017)中所述，该两篇文献均通过引用并入本文。此外，升压器半导体光学放大器(SOA)的集成提供了一条清晰的路径来补偿硅波导的相对较高的耦合损耗和传播损耗。具有外腔激光器的SOA的使用如K.Sato等人的题为“High Output Power and NarrowLinewidth Silicon Photonic Hybrid Ring-Filter External Cavity WavelengthTunable Lasers”，ECOC，PD2.3(2014)中所述，该文献通过引用并入本文。这种组合允许长外硅腔设计，以减小激光光谱线宽，同时仍然实现大输出功率。
在这篇文章中，我们证明了一种用于相干应用的混合集成硅光子可调谐激光器。光纤耦合输出功率在整个C波段达到140mW(21.5dBm)。据我们所知，这是硅光子可调谐激光器报告的最大输出功率。这种大输出功率对于补偿使用复杂调制格式的相干收发器的较大损耗是期望的。而且，长外腔设计将激光线宽降低到几十kHz水平，这使其适用于16或64QAM调制。此外，我们开发的用于硅光子芯片和相关控制回路的集成传感器技术可以在不使用波长锁定器的情况下实现无网格和精确的频率调谐。
由于成熟的电阻式温度检测器(RTD)传感器技术和相关的控制回路，本文的外腔激光器(ECL)设计能够进行精确的频率调谐和控制。在申请人的早期工作中描述了关于通用集成光学衬底上的多个滤波器的热应用和控制的一些问题和解决方案，该早期工作在Yan等人的题为“Thermal Control of Optical Components”的美国专利7,447,393中进行描述，该专利通过引用并入本文。尽管其中解决的情况与硅光子组件有很大的不同，我们在本文描述的技术发现表明类似的热控制方法可以与创新的硅光子配置相结合，以在紧凑型ECL可调谐激光器的光频控制中提供实质性改善。
使用RTD的原因是为了精确锁定滤波器温度，防止任何外部热扰动，例如封装温度变化或增益电流变化。然而，由于会产生显著的光损耗，一个挑战是硅光子(SiPho)芯片上的RTD传感器无法制造成与硅波导滤波器直接接触。因此，通常在距离波导滤波器一定距离处(通常约1～2微米)制作RTD(这样产生热梯度)，并且RTD无法精确测量滤波器的温度变化。这种配置与申请人当前的具有自由空间标准具调谐结构的商用ECL形成对比，其中RTD与基于标准具的滤波器直接接触并可以更精确地测量滤波器温度变化。图1是基于SiPho的ECL的计算的额外频率误差，其中，与当前的商用自由空间标准具ECL相比，该ECL使用与两个环形滤波器中的每一个相关联的RTD。即使芯片上具有1∶100的较低热串扰，由于热梯度，SiPho ECL仍然存在额外的0.5GHz频率误差。
为了减轻间接温度测量的问题，硅光子芯片被描述为在SiPho芯片上具有额外的集成参考RTD，并相应地调整加热器功率和/或热电冷却器(TEC)以消除任何热扰动。芯片和通常激光器通常可以被放置在热电冷却器上，其在本领域中是众所周知的以帮助控制整体设备温度。SiPho ECL的三RTD控制方法提供类似于当前商业ECL的高频精度。此外，如下文所演示，测试数据表明，通过仅使用单个参考RTD，校准和调谐两个滤波器加热器功率就可以提供精确的波长调谐，而无需在滤波器处使用其他两个RTD。然而，在任何情况下，与每个环形谐振器相关联的RTD都可以提供频率调谐。在一些实施例中，在完成设备之后，选择频率并且校准加热器和TEC，以支持在可调谐范围内设置并维持期望频率。初始校准然后可以提供用于在使用期间维持所选频率的基线。此外，描述了SiPho芯片的实施例，其中可以使用沟槽来减少热串扰，使得可以相应地减小频率误差，从而与每个环形谐振器相关联的两个RTD可以为热波动提供更精确的调整。
在下文中，我们示出了了所阐述的硅光子激光器的频率稳定性和精确的频率调谐。虽然通过控制两个环形加热器可以轻松获得无网格频率调谐，但是在设备寿命期间相对于漂移和模式跳变低至1GHz以下的精确频率控制对于硅光子激光器来说非常具有挑战性。这在很大程度上是由于硅材料对热干扰的高灵敏度，例如，来自封装温度变化或增益芯片/SOA电流变化的热扰动。为了解决这个问题，我们将我们成熟的传感器技术用于制造的硅光子芯片。
高性能混合集成硅光子可调谐激光器
如本文所述并参照图2，硅光子可调谐激光器100由增益芯片104和基于环形谐振器的硅光子滤波器芯片102组成。升压器半导体光学放大器(SOA)106可以通过透镜耦合集成以便在输出光纤之前进行光放大。图2显示了与SOA 106相关联的激光设备100的示意性布局。
在一个实施例中，光学设备100包括硅光子滤波器芯片102和增益芯片104。例如透镜的光斑尺寸转换器116将滤波器芯片102和增益芯片104的光路相连。
在一些实施例中，硅光子滤波器芯片102和增益芯片104置于热电冷却器(TEC)113上以帮助控制整体设备温度，并且TEC也可以用下面描述的控制器来控制。TEC组件在本领域中是已知的。为方便起见，具有滤波器芯片102、增益芯片104和TEC(如果存在)的整个激光器设备100可以被称为可调谐外腔激光设备，其通常在封装中将被组装在一起。
在一个实施例中，硅光子滤波器芯片102是包括上包层108、硅器件层110、下包层112和硅衬底114的多层器件。上包层108形成滤波器芯片102的顶层；硅器件层110位于上包层108和下包层112之间；下包层112位于硅衬底114上，硅衬底114形成滤波器芯片102的底部。在一个实施例中，上包层108和下包层112包括二氧化硅，但也可以使用其他低折射率的光学材料。此外，应当理解，“器件层”是指包括诸如波导和谐振器的“器件”的层，该“器件”可以位于上包层108和下包层112之间，并且可以被包层108中的一个或二者围绕。
硅光子(SiPh)芯片通常包括夹在上包层108(例如，二氧化硅)和下包层112(例如，二氧化硅)之间的硅器件层110和底部硅衬底114。环形谐振滤波器制造在硅器件层110处。集成加热器可以形成在硅环形谐振器的顶部，被上二氧化硅包层108隔开。这种布置的原因在于由于产生的较大光传播损耗使得加热器不能直接形成在硅环形谐振器上。配置如图3所示。
硅光子芯片通常包括元素硅的硅波导，该硅波导可能带有通常嵌入二氧化硅(SiO2，可以被称为氧化硅，尽管氧化硅也可以是具有不同氧化态的低氧化硅)或其他合适的包层的掺杂剂。由于折射率或折射差异，包层将光限制在硅波导中。硅光子芯片的波导和其他结构可以使用光刻或其他合适的图案化技术形成。使用氧化硅包层，该处理可以适应微电子的绝缘体上硅工艺的工艺。由于硅的高折射率，硅波导可以具有约0.2微米至约0.5微米的厚度。硅波导上方和下方的包层厚度通常可以在约0.3微米至约3微米的范围内。作为弯曲的硅波导的各种环形谐振器结构可以用作滤波器以提供激光器频率的选择。每个环形谐振器提供了各种谐波的稳定反射，并且可以使用热控制来控制环形谐振器频率的热波动。使用具有略微不同的频谱范围的多个环形谐振器允许选择为多个环提供共同频率的谐波。然后激光器以共同频率发射激光。Sato等人进一步描述了这个选择过程。谐振环与波导相邻设置，使得谐振频率通过环在波导之间耦合。波导被放置得足够靠近波导，从而可以有良好的光耦合而没有不期望的损耗程度。每个环与一个加热器相关联，以用于频率调谐和维持恒定环形谐振器温度二者。每个环形谐振器还可以与温度传感器相关联，如下文所说明，温度传感器可以是RTD，以在特定的温度灵敏度范围内测量与该环相关联的温度。在一些实施例中，硅光学芯片被设计有与和环形谐振器相关联的加热器间隔开的RTD，使得RTD可以测量芯片温度的变化。来自芯片级RTD传感器的温度测量用于反馈回路。
在一个实施例中，硅光子滤波器芯片102包括光斑尺寸转换器116、分束器-合束器118、第一波导部120、第一环形谐振器122、耦合波导部124、第二环形谐振器126、第二波导部128、第一加热器130、第二加热器132、第一环温度传感器134、第二环温度传感器136以及滤波器芯片温度传感器138。
光斑尺寸转换器116将硅光子滤波器芯片102耦接到基于半导体的增益芯片114，并提供与由于滤波器芯片102和增益芯片104之间的接口引起的损耗相匹配的模式尺寸。在附加或备选实施例中，单独的光斑尺寸转换器可以放置在增益芯片104和硅光子滤波器芯片102之间。一般来说，增益芯片可以是ECL中使用的具有自由空间滤波器的增益芯片。合适的增益芯片在Daiber的题为“External Cavity Laser With Continuous Tuning of GridGenerator”的美国专利6,882,979B2和Daiber等人的题为“Small Package Tunable LaserWith Beam Splitter”的美国专利8,462,823B2中进行描述，该两专利都以引用方式并入本文。
分束器-合束器118耦接到光斑尺寸转换器116以及第一波导臂120和第二波导臂128。分束器/合束器118、第一波导臂120以及第二波导臂128一起形成多次滤波Sagnac干涉仪的部分。分束器-合束器118被配置为将输入光学信号分束并将第一部分引导至第一波导120且将第二部分引导至第二波导128。分束器-合束器128还被配置为组合从第一波导120和第二波导128接收的光并将其引导回光斑尺寸转换器116。
在硅器件层110处制造第一环形谐振器122、第二环形谐振器126、第一波导臂120、耦合波导部124以及第二波导臂128。上包层108形成在环形谐振器和波导的顶部和周围，而下包层112形成在环形谐振器和波导的下方和(可能的)周围。
第一环形谐振器122和第二环形谐振器126中的每一个包括环形或圆形波导，其被配置为使耦合进入的光耦合到环中并然后沿着环传输。尺寸和折射率决定了与环形谐振器相关联的谐振频率和谐波。加热环形谐振器改变折射率并相应地改变谐振频率。
如图所示，第一波导臂120和第二波导臂128中的每一个可以被成形为具有经由弯曲部分连接的线性部分。在其他实施例中，第一波导部120和第二波导部128可以定义为包括线性部分和弯曲部分的其他形状。在一个实施例中，第一波导部120关于光子芯片102的纵轴与第二波导部128对称，该纵轴从与增益芯片104相邻的光子芯片102的第一端(前端)140向光子芯片102的与增益芯片104相对的第二端(后端)142延伸。由于Sagnac干涉仪的环形特性，第一波导部120和第二波导部128是否对称通常并不重要。在一个实施例中，并且如图所示，第一波导部120和第二波导部126中的每一个终止于邻近的第二端142，使得任何非谐振光通常消散。
耦合波导部124在一个实施例中基本上形成“U”形并且位于第一环形谐振器122和第二环形谐振器126之间，其中，在U形中，弯曲的中间部分邻接一对线性部分。耦合波导部124被定位为足够靠近第一环形谐振器和第二环形谐振器，使得元件光耦合。尽管被描绘为具有弯曲中间部分的“U”形，但是应当理解耦合波导部124可以定义为其他形状。在一个实施例中，耦合波导部124的每一端轴向延伸超过第一环形谐振器122和第二环形谐振器126并终止于邻近的第二端142。
在一个实施例中，第一环形谐振器122形成在第一波导部120的线性部分和耦合波导124的线性部分之间，使得光可以在第一环形谐振器122、波导120以及耦合波导124之间行进。在一个实施例中，第一环形谐振器122被形成为使得第一环形谐振器122和相邻的第一波导120之间的最短路径出现在平分第一波导部120的最后面线性部分的点处。类似地，第二环形谐振器126位于耦合波导124和第二波导128之间，使得光可以在波导124、第二环形谐振器126以及第二波导部128之间行进。因此，第一波导部120和第二波导部128之间的光路或光通道被形成为使光经由第一环形谐振器122、耦合波导124以及第二环形谐振器128沿大致横向或径向行进，以将与两环形谐振器谐振的光有效地反射回增益芯片104，除了沿相对的臂之外。
在一个实施例中，第一加热器130是光子芯片102的集成加热器。第一加热器130位于第一环形谐振器122附近，使得热量可以传递到第一环形谐振器124并且谐振器122的谐振频率可以如下文进一步描述的那样“调谐”。在一个实施例中，第一加热器130通常位于第一环形谐振器的上方，并且在一些情况下，位于第一环形谐振器的正上方，并且可以通过上包层108与第一环形谐振器122间隔开。在其他实施例中，第一加热器130位于相对于第一环形谐振器122的平面的上方并稍微偏移，使得它不完全位于正上方，上包层108的一部分将第一加热器130与第一环形谐振器122间隔开。类似地，在一个实施例中，第二加热器132是光子芯片102的集成加热器。第二加热器132位于第二环形谐振器126附近，使得热量可以传递到第二环形谐振器126。在一个实施例中，第二加热器132通常位于第二环形谐振器126的上方，并且在一些情况下，直接位于第二环形谐振器126的上方，并且可以通过上包层108与第二环形谐振器126间隔开。在其他实施例中，第二加热器132可以在器件层110中的第二环形谐振器126的上方并稍微偏移以不位于其正上方，其中上包层108的一部分将第二加热器132与第二环形谐振器126间隔开。
增益芯片和SOA通常基于类似的半导体技术。增益芯片和SOA的具体功能不同，因此可以考虑不同的优化设计。具体地，增益芯片提供了激光腔的一部分，使得其前表面部分是反射性的，以建立驻波从而驱动相干受激发射进行光激射。SOA不是激光腔的一部分，并且可以相应地设计为仅为通过SOA的光传输提供功率增益。增益芯片和SOA的组成通常是不同的，并且波导的耦合可以考虑不同波导尺寸，例如，通过光斑尺寸转换器。
参照图3，在横截面中描绘了具有位于第一环形谐振器122正上方的第一加热器130的光子芯片102的一部分。包层108将加热器130与环形谐振器122间隔开。备选地，加热器134可以靠近环形谐振器122且位于器件层110中。在一个这样的实施例中，环形谐振器122和加热器130可以被包层108和/或包层112间隔开。
在一个实施例中，加热器130和加热器132可以是弯曲的，并且在一个这样的实施例中，每个加热器通常可以分别限定曲率，该曲率为与环形谐振器122和126的曲率基本相同。具有相同或相似的曲率产生从加热器的部分到环形谐振器的相邻部分的均匀距离。此外，在一个实施例中，第一加热器130和第二加热器132可以包括诸如金属或硅材料的材料，例如铂、氮化钛或多晶硅。
当电流流过集成加热器时，加热器和周围材料的温度升高，并且环形谐振滤波器的折射率因热光效应而变化。折射率的这种变化使硅环形谐振器的谐振频率频移，并且从而允许控制激光频率。尽管可以通过这种加热器电流控制有效地调谐激光频率，但是由于加热器处的高电流和高温，加热材料可能会老化。这可能会在设备使用寿命期间改变加热器电阻并导致激光频率的误差。因此期望对加热器电流进行闭环控制以精确地固定温度，从而固定硅环形谐振器的谐振频率。还期望闭环控制来调整环境温度变化，该温度变化由于加热器的加热会改变环形谐振器的温度。
再次参照图3，在一个实施例中，第一环温度传感器134和第二环温度传感器136可以每个包括电阻式温度传感器，例如电阻式温度检测器(RTD)。第一环温度传感器134和第二环温度传感器136可以包括诸如铂、镍、铜、掺杂硅或其他此类材料的材料。
环温度传感器134和136通常位于靠近它们对应的环形谐振器122和126以便检测它们对应的谐振器的温度。在一些实施例中，第一环温度传感器134和第二环温度传感器136直接制造在它们对应的环形谐振器122和126上，从而更准确地测量环形谐振器及其波导的温度。然而，在温度传感器134和136分别直接制造在环形谐振器122和126上的这种实施例中，由于温度传感器材料和环形谐振器中的光学模式之间的交叠，光传播损耗可能增加。
因此，在一些实施例中，如图2所示，环温度传感器134和136可以靠近它们相应的环形谐振器122和126放置，但是可以被诸如上包层108的二氧化硅材料间隔开。在一个实施例中，第一环温度传感器134和第二环温度传感器136在上包层108处且在它们相应的第一环形谐振器122和第二环形谐振器126的上方(正上方或横向移位或正上方且横向移位)。图3在一个实施例中描绘了形成在上包层108的顶部的第一环温度传感器134，其在第一环形谐振器122上方且横向移位，并且通过包层108的一部分与第一环形谐振器122间隔开。在一个这样的实施例中，环形谐振器122或126与其相应的环温度传感器128或130之间的上包层108约2μm厚。在图3所示的备选实施例中，环温度传感器134在硅器件层中横向移位，如果RTS 134由掺杂硅形成，这可能是特别合适的。
如图2所示，使用诸如铂、镍、铜或掺杂硅等材料的片上集成电阻式温度检测器(RTD)或温度传感器可以制造在靠近硅环形谐振器的位置。它们的电阻读数随温度而变化，并可以用作闭环控制中的信号反馈，以在设备使用寿命期间将环形谐振器保持在恒定温度。理想情况下，RTD应直接制造在硅环形谐振器上，以精确测量硅波导的温度。然而，由于RTD材料和硅环形波导中的光学模式之间的交叠，这种直接接触的配置会显著增加光传播损耗。因此，RTD可以采用沉积在硅环形谐振器顶部上的薄金属膜，RTD与硅环形谐振器通过上二氧化硅包层隔开，或者RTD与硅环形谐振器相邻地在同一硅器件层上使用掺杂硅。
也可以包括RTD的滤波器芯片温度传感器138，形成在硅光子滤波器芯片102的离环形加热器128和130足够远的部分处，从而被配置为感测整体芯片或全局芯片112的温度并提供芯片参考温度。在一个实施例中，滤波器芯片温度传感器136与硅光子滤波器芯片102的一角相邻地形成，位于芯片112的包括SSC 138的端部处。
如此使用或在ECL的增益芯片中使用的半导体光学放大器通常包括具有适当半导体材料的p-n(或p-i-n)结。通常存在附加层，其可以是本征层(低掺杂剂层)并且可以为光波导提供包层。虽然通常可以使用各种半导体材料，但对于光学应用，III-V族半导体可以提供期望的性能。因此，合适的半导体包括例如磷化铟、砷化镓及其变型。下面描述的具体实施例中使用的增益芯片基于InGaAsP。基于磷化铟的光学放大器在Nakagawa等人的题为“Optical Module and Optical Communication system，”的已公布美国专利申请2005/0052726中进一步有所描述，该专利申请通过引用并入本文。基于各种III-V族半导体的半导体激光器在Blauvelt的题为“Wavelength Stabilized Semiconductor Laser Source”的已公布美国专利申请2019/0097385中有所描述，该专利申请通过引用并入本文。具有五个量子阱激光器且将InGaAsP层外延沉积在InP衬底上的脊形激光器在Pezeshki等人的题为“Semiconductor Distributed Feedback(DB)Laser Array with IntegratedAttenuation”的美国专利申请2014/0140363中有所描述，该专利申请通过引用并入本文。
用作增益芯片或SOA(半导体光学放大器芯片)的基于半导体的放大器的基本设计如图4所示。参照图4，描绘了基于半导体的放大器芯片104的实施例。如图所示，基于半导体的放大器芯片104包括衬底160、基电极162、激光元件164。激光元件164包括n掺杂层166、有源区域168、p掺杂层170和驱动电极172。可选的介电层174可以被放置在衬底160的表面上位于未被激光元件164覆盖的位置处。介电层174在图3中以虚线示出，并且介电层174的高度可以与激光元件164的顶部相称，以提供期望程度的表面隔离。衬底160可以包括具有足够掺杂的掺杂半导体以提供期望程度和极化的导电性。增益芯片104的端部可以包括至少覆盖发光层的反射涂层176，尽管如图4所示覆盖作为增益芯片104的器件的整个面。图4中的基于半导体的放大器芯片的相对端是激光元件164的发光端。
增益芯片的一个面可以切割为激光输出端口。另一个面可以涂有抗反射涂层并与硅光子芯片对接耦合。在这里，可以注意，在增益芯片和硅光子芯片两者上设计光斑尺寸转换器以实现模式尺寸匹配。测量的两个芯片之间的对接耦合损耗约为1dB的数量级。这种低耦合损耗对硅光子器件是期望的。从增益芯片的激光输出经过升压器SOA放大，然后通常分别通过两个耦合透镜耦合到单模光纤中。光斑尺寸转换器(例如透镜)可以被设计为将光束尺寸从一个波导调整到另一个波导，该波导可以是光纤。适当的透镜对准在本领域中是已知的。参见例如Arayama的题为“Optical Semiconductor Device and Method ofManufacturing Same”的已公开的美国专利申请2005/0069261，该专利申请通过引用并入本文。多级光斑尺寸转换器在Sodagar等人的题为“Multistage Spot Size Converter inSilicon Photonics”的已公布美国专利申请2019//0170944中有所描述，该专利申请通过引用并入本文。
如本文所述，使用升压器SOA有几个优点。首先，SOA放大器提供大输出功率，同时允许硅光子波导中的低光功率密度。这可以防止硅非线性效应引起的激光不稳定性，如T.Kita等人在“Narrow Spectral Linewidth Silicon Photonic Wavelength TunableLaser Diode for Digital Coherent Communication System”，IEEE JSTQE22，1500612(2016)中所述，该文献通过引用并入本文。其次，硅芯片中降低的光功率降低了波导耦合和传播的绝对损耗，从而改善了器件的功率效率。第三，由于SOA在激光腔之外，它将激光功率控制与波长调谐分开，因此简化了激光控制回路。
每个环形谐振滤波器的传输光谱都可以通过集成波导加热器进行调谐。通过控制两个环形谐振滤波器上的集成加热器功率，可以在大光谱范围内选择在两个环形谐振器的两个传输峰值的重叠频率处的激光发射模式。通过两个级联环形滤波器的光然后被循环回到增益介质芯片以提供激光光学反馈。
参照图5，描绘了整体可调谐激光系统190的示意图以提供对器件的整体操作的进一步了解。如图所示，可调谐激光系统190包括硅光子滤波器芯片102、增益芯片104、SOA106以及控制器192。
如上所述，硅光子滤波器芯片102包括耦接到合束器-分束器118的SSC(光斑尺寸转换器)118，该合束器-分束器118分别通过第一波导部120和第二波导部128耦接到第一环形谐振器122和第二环形谐振器126。虽然SSC 118被描述为硅光子滤波器芯片102的组件，但应该理解，该描述还包括安装在硅光子滤波器芯片102和增益芯片104之间的组件。第一环形谐振器122和第二环形谐振器126经由耦合波导124耦接。因此，SSC 118、合束器-分束器118、第一环形谐振器122以及第二环形谐振器126彼此进行光通信。
控制器192可包括微控制器、微处理器、数字处理器或类似物或其组合，以及本领域已知的适当种类的存储器和其他控制电子器件。同样如上文关于图2所述，滤波器芯片102包括第一加热器130和第二加热器132以及相关联的第一电阻式温度传感器134和第二电阻式温度传感器136。控制器192通常与加热器130和132适当地电通信。因此，控制器192可以被配置为控制由加热器产生的热量，并因此控制多少热量传递到第一环形谐振器122和第二环形谐振器126。
控制器192通常还与第一环温度传感器134、第二环温度传感器136以及滤波器芯片温度传感器138电通信。控制器192被配置为接收来自第一环温度传感器134、第二环温度传感器136以及滤波器芯片温度传感器138的输入，并基于所接收的输入控制加热器130和132。在一个实施例中，控制器192还与增益芯片104电通信并且被配置为控制增益芯片104的一个或多个操作。在一些实施例中，控制器192可以以小增量对加热器执行简单的迭代温度调节，以在适当的方向上调节温度。然而，可以使用更精细的反馈回路，例如下面进一步讨论的比例-积分-微分方法。
如图6中的模拟结果所示，当RTD通过2微米厚的上二氧化硅包层与硅环形谐振器间隔开时，随着集成加热器被加热，当环形谐振器波导升高31℃时，RTD的温度升高17℃。这对应于55％的温度灵敏度。换言之，RTD的温度变化为硅环形谐振器的温度变化的55％。由于温度梯度，基于硅器件层中的掺杂硅的RTD也将具有小于1005相关性的温度灵敏度。任何低于100％的温度灵敏度导致测量环形谐振器波导的温度不精确。这是因为RTD无法区分环形谐振器的局部温度变化和SiPho芯片的全局温度变化。前者的特点是RTD-硅温度梯度和低于100％的温度灵敏度，这取决于RTD和环形谐振器之间的距离。后者的特点是100％的温度灵敏度，因为RTD被埋在SiPho芯片中，并且在热平衡时具有与SiPho芯片完全相同的温度变化。
全局芯片温度变化可能由环境温度变化、增益介质温度变化或来自其他片上集成加热器的热串扰引起。因此，RTD电阻信号是来自以不同温度灵敏度为特征的局部热源和全局热源的总体影响。在不知道两个热源的相应贡献比的情况下，它可能会导致硅环形谐振器的温度读数误差。该温度读数误差可以计算如下：
Figure BDA0003241673870000201
其中TRTD_total＝TRTD_local+TRTD_global是两个热源引起的总RTD温度变化，且SRTD_local和SRTD_global分别是RTD对两个热源的温度灵敏度。图3显示了计算的环形谐振频率误差，假设全局SiPho芯片温度从+40C的环境温度变化为±0.4C，以及环形谐振器频率对温度灵敏度为10GHz/C。对于50％的SRTD_local，会有4GHz的激光频率误差，其高于1GHz的频率误差规范。甚至对于80％的SRTD_local，已经有1GHz频率误差，其消耗了所有频率误差容限。
除了由有限的RTD温度灵敏度引起的频率误差之外，使用光子集成电路的外腔激光器面临的另一个重大挑战是环形谐振滤波器之间的显著热串扰，这是因为它们是在同一硅衬底上制造的。当集成加热器中的一个被调谐以控制一个频率选择元件的特性时，来自集成加热器的热串扰影响第二频率选择元件。为了使第二频率元件保持恒定温度，可以在PID(比例-积分-微分)闭环控制中调谐第二集成加热器，由于来自第二集成加热器的热串扰，这反过来又影响第一频率选择元件。由于热串扰而以迭代方式对多个集成加热器进行的这种调谐可以影响频率选择元件的调谐稳定性、调谐准确度以及调谐时间。如图7所示，当集成加热器2被60mW加热器功率加热时，RTD2电阻读数上升1.8％，而RTD1读数也变化约0.2％，示出了来自集成加热器2的热串扰。
解决频率误差和热串扰的一种方法是添加参考RTD以测量全局芯片温度变化，如图2中的芯片RTD所示。因此，位于两个频率选择元件位置的RTD1和RTD2可以区分局部环形谐振器和全局芯片温度变化的贡献。如下文关于具体原型实施例所述，在没有该参考芯片RTD的情况下，当环境温度变化在10℃和80℃之间时，激光频移高达4GHz。相比之下，在启用参考芯片RTD功能的情况下，频移可以减少约一个数量级。测量的频率误差可以在±0.5GHz以内，在一些实施例中，其小于±1GHz的频率误差规格。当来自SOA的功率增加时，这会导致SiPho芯片中的温度显著增加。下面针对SOA电流从500mA到600mA再到700mA的原型实施例探讨了这种温度升高。启用芯片级RTD传感器后，控制回路能够将激光频率维持在规范范围内。
如上所述，每个环形谐振器也可以与单独的RTD传感器配合使用。此外，如本文所述，芯片级RTD传感器可以提供对环形谐振器温度的改善反馈控制。在图8中示出了具有环形谐振器的SiPho芯片实施例，其中在该实施例中具有用以实现本文所述的改善的修改，且该环形谐振器被配置为类似于Sato等人的结构。参照图8，滤波器芯片200被配置为以类似于上文关于滤波器芯片102所述的方式耦接到增益芯片104。同样类似于滤波器芯片102，滤波器芯片200包括多个层(见图2)，多个层包括上包层108、器件层110、下包层112和衬底114。然而，与形成环形波导光路不同，波导和谐振器与反射器一起形成非环形路径或终止路径，其中入射光遵循与出射光大致相同的路径，如下面进一步说明。滤波器芯片200相对于图2中的结构具有不设置用于提供改善的稳定性和对激光腔中的光学噪声的较低灵敏度的干涉仪的缺点。
在图8所示的实施例中，在由多个层提供的结构中，滤波器芯片200包括第一波导部220、第一环形谐振器222、第二波导部228、第二环形谐振器226、反射器部250、第一加热器230、第二加热器232、第一环温度传感器234、第二环温度传感器236以及芯片温度传感器238。滤波器芯片200定义了第一端(前端)240和第二端(后端)242。第一波导部220、第一环形谐振器222、第二波导部228、第二环形谐振器226和反射器部250形成用于传输光的光路，该光路终止于反射器部250。与环形谐振器谐振的光通过光路反射回来，而其他光通常会消散。
在一个实施例中，第一波导部220形成弧形形状，具有第一大致线性部分，与滤波器芯片200的前端240相邻并被配置用于与增益芯片104进行光通信；第二大致线性部分，与第一环形谐振器222相邻；以及连接第一线性部分和第二线性部分的弯曲部分。在一个实施例中，第二波导部228可以是在第一环形谐振器222和第二环形谐振器226之间横向延伸的大致直的线性波导。反射器部250包括与第二环形谐振器226通信的反射器。在一个实施例中，反射器部250可以包括波导部252和反射器结构254。在其他实施例中，反射器部250可以仅包括充当反射器的波导252，或仅包括反射器结构254。在一个实施例中，反射器254可以包括用金属处理的反射镜、环形反射器或另一种已知类型的光学反射器。
第一加热器230和第二加热器232类似于滤波器芯片102的第一实施例中所述的加热器130和132，并且可以由诸如控制器192的控制器选择性地控制以加热它们相应的环形谐振器222和226，从而改变光学频率，即“调谐”激光器100。第一环温度传感器234和第二环温度传感器236类似于滤波器芯片102的第一实施例中所述的传感器134和136，并且感测它们相应的第一环形谐振器222和第二环形谐振器226的温度。芯片温度传感器238类似于滤波器芯片102的芯片传感器138，并且被配置为在芯片102的远离加热器130和132的部分处感测滤波器芯片200的整体温度或全局温度。
在操作中，并且一般而言，来自与两个谐振环谐振的增益芯片104的光沿着第一波导部220被传输到滤波器芯片200中、通过第一环形谐振器222、通过第二波导228、通过第二环形谐振器226、并且到达反射器250。反射器250沿着第二环形谐振器226、第二波导部228、第一环形谐振器222以及第一波导部220的路径将光反射回来，以输出到增益芯片104(同样参见图2)。
参照图9，滤波器芯片270的另一实施例被描绘为具有终止于反射器的基于非干涉仪的光路。如下文进一步详细描述，滤波器芯片270类似于芯片200，但包括一系列彼此耦接的环形谐振器且没有介入波导。该滤波器设计改编自Bolla等人的题为“Method andDevice for Hitless Tunable Optical Filtering”的已公布美国专利申请2010/0183312中的传输光学滤波器结构，该专利申请通过引用并入本文。
在一个实施例中，如图9所示，滤波器芯片270包括如上文参考滤波器芯片102所述的多个芯片层，即，层108-层114(见图2)，和第一波导220、初始或第一环形谐振器222、最终环形谐振器226、反射器252、初始或第一环形加热器230、最终环形加热器232、初始或第一环温度传感器234、最终环温度传感器236以及芯片传感器238。在第一端240和242之间延伸的轴线定义了纵向轴线。
如图9所示，第一波导部220包括沿芯片270轴向延伸的直的线性波导，并且被配置为在滤波器芯片270的第一端240处与增益芯片104(见图2)通信。尽管第一波导部220被描绘为线性的，但是应当理解，第一波导220可以定义为其他形状，例如但不限于，滤波器芯片200的波导220的弯曲形状，或者滤波器芯片102的波导120的弯曲形状。
滤波器芯片270可以包括两个或更多个环形谐振器，其包括形成环形谐振器串的第一环形谐振器222和最终环形谐振器226。椭圆221指示额外的环形谐振器(未描绘)可以可选地位于第一环形谐振器222和最终环形谐振器226之间。如果没有额外的环形谐振器，则第一环形谐振器222和最终环形谐振器226将彼此相邻放置以提供适当的光耦合。在一个实施例中，环形谐振器沿横向或径向分布，环形谐振器彼此相邻并且彼此光通信。在一个实施例中，如图8所示，环形谐振器在横向方向上线性对齐(即，在一条直线上)。在其他实施例中，一些环形谐振器可以在轴向方向上彼此偏移。
最终波导252轴向延伸并且邻近最终环形谐振器226形成。最终波导252定义了两端，一端靠近芯片端240，而另一端靠近芯片端242。在一个实施例中，并且如图所示，最终环形谐振器232形成并定位在相比于芯片端242更靠近芯片端240的位置。最终波导252充当反射器，将从最终环形谐振器226接收的光反射回到环形谐振器226。最终波导252可以包括其他形状，例如部分环形或弯曲部分，并且可以包括额外的反射元件。
如上文参考滤波器芯片102的实施例所述，加热器230和240连同环温度传感器234和236可以用于控制和调谐固态激光器100。
参照图10，硅光子滤波器芯片102的另一实施例包括图2的实施例的多次滤波Sagnac干涉仪特征。在所描绘的实施例中，滤波器芯片102的该实施例包括光斑尺寸转换器116、分束器-合束器118、第一波导部120、第一环形谐振器122、第二环形谐振器126、第三环形谐振器154、第二波导部128、第一加热器130、第二加热器132、第三加热器150、第一环温度传感器134、第二环温度传感器136、第三环温度传感器152以及滤波器芯片温度传感器138。类似于图2的实施例，图10的滤波器芯片102包括分束器-合束器118，其使入射光学信号分束，使得第一光部分沿第一波导120向第一环形谐振器122行进并且第二光部分沿第二波导128向第二环形谐振器126行进。然而，在该实施例中，第一环形谐振器122和第二环形谐振器126通过一个或多个环形谐振器(例如通过第三环形谐振器154)耦接。原则上，第三环形谐振器可以对反射光施加约束，使光与所有三个环形谐振器适当谐振，这可以导致更大的边带抑制。基于这种设计，如果光与所有三个环形谐振器谐振，则从分束器-合束器沿臂行进的光可以耦合到环形谐振器中、传递到第三环形谐振器154、然后进入第三环形谐振器154的相对环形谐振器，以及沿着相对的臂向下到分束器-合束器。
第二种建议的方法是以使硅环形谐振器、集成加热器以及温度传感用的RTD都与SiPho集成电路上的其他组件显著热隔离的方式在硅衬底中制造热隔离沟槽。这可以显着提高RTD温度灵敏度，从而降低频率误差。图10显示了这种沟槽结构之一的示意图。由于包括加热器、RTD和硅环的所有组件都在热隔离区域内，因此它们在热平衡下将具有几乎相同的温度。换句话说，对局部环形谐振器的RTD温度灵敏度变得接近100％。
如图6所示，当对局部环形谐振器的RTD温度灵敏度提高到95％时，频率误差下降到～0.2GHz，远低于我们规范的1GHz频率误差容限。使用这种热隔离沟槽的第二个好处是显着降低了频率选择元件之间的热串扰，因为集成加热器被限制在热隔离区域内，其中非常有限的生成热量泄漏出该区域。如图11至图15所示，热隔离沟槽可以有几种不同的结构设计。
参照图11至图15，描绘了在芯片中定义热隔离沟槽的硅光子滤波器芯片102的几个实施例。图11至图15中所述的特征不仅可以被滤波器芯片102采用，而且可以被本文所述的滤波器芯片的其他各种实施例采用，包括但不限于滤波器芯片200和270。在环形谐振器、集成加热器以及温度传感器周围使用热隔离沟槽有助于对这些组件进行热隔离，从而显著提高温度传感器的热灵敏度，从而使由温度传感器感测的温度更接近于环形谐振器的温度，从而降低频率调谐误差。虽然图11描绘了在底部和两侧上围绕隔热区域300的隔热沟槽300，但是可以使用如在横截面中所见的其他设计或形状，例如图13和图14中描绘的那些。图11、图13以及图14中的每一个描绘了以透视和横截面观察的硅光子滤波器芯片102的一部分。为了说明性目的，仅描绘了每个环形谐振器122的一部分。
如图11所示，沟槽设计包括例如在加热区域的环形波导下方的硅的完整底切。具体参照图11(图12的横截面)和图12(硅光子滤波器芯片102的一部分的顶视图)，描绘了热隔离沟槽300。在顶视图中，环形谐振器122以虚线显示以指示它是隐藏结构，因为它不在结构表面上。在该实施例中，如图所示，加热器130位于环形谐振器122正上方并且可以形成在包层或其他层中。环温度传感器134在与加热器130相同的层中被定位为与加热器130横向偏移。在所描绘的实施例中，加热器130定义了大于环形谐振器122的横向宽度的横向宽度，以确保对环形谐振器122进行充分且均匀的加热。
热隔离沟槽300包括第一部分或底部部分302、第二部分或内侧部分304、以及第三部分或外侧部分306。如图所示，热隔离沟槽300在横截面中通常可以形成“U”形，并且形成弓形。在一个实施例中，通过去除衬底114、下包层112以及上包层108的围绕环形谐振器122的部分来形成沟槽300，从而留下器件支撑部分310。
热隔离沟槽300在第一侧或底侧、第二侧或内侧以及右侧或外侧上围绕热隔离区域310。在一个实施例中，热隔离区域310包括层114、112以及108的一部分，在层114、112以及108的所述部分中，嵌入有环形谐振器122、加热器130以及环温度传感器134的部分。热隔离区域310从芯片基底部312延伸，并定义了弓形。在一个实施例中，热隔离区域310的曲率与环形谐振器122的曲率基本相同，并且在基底部分312和与基底部分312相对的另一个基底部分之间形成桥状结构。
在一个实施例中，并且如图11和图12所示，热隔离沟槽300不完全周向地围绕环形谐振器122，以便为谐振器122、加热器130、环温度传感器134以及热隔离区域提供一些连接结构和支撑结构。在图11和图12的实施例中，热隔离沟槽300周向延伸约60°。在其他实施例中，热隔离沟槽300延伸超过60°，以提供进一步的隔离，这对于较大的加热器可能是有益的。在一个实施例中，热隔离沟槽300从30°到90°周向地延伸。
第二种隔离沟槽设计是仅在环形波导的一侧制造沟槽，如图13所示。如果环形波导的另一侧有其他组件(因此如图11所示的沟槽蚀刻是不切实际的)，这样可能是一个合适的设计。参照图13，描绘了仅包括底部部分和侧面部分的备选的热隔离沟槽300。在该实施例中，热隔离沟槽300包括在热隔离区域310下方延伸的底部部分302，以及在热隔离区域310的附近和旁边延伸的侧面部分306。
参照图14，描绘了另一个备选的热隔离沟槽300。在该实施例中，热隔离区域310的一部分硅保持完整以支撑环形谐振器122。在该实施例中，热隔离沟槽300包括底部沟槽部分302a和302b、内部沟槽部分304以及外部沟槽部分306。当完全去除下面的硅的冗长硅蚀刻工艺不切实际时，或者当下面没有硅支撑的机械稳定性成为一个问题时，这成为理想的沟槽设计，例如图13的设计。
在其他实施例中，例如图15中描绘的那个，热隔离沟槽300和热隔离区域310可以在环形谐振器122周围延伸360°，或者在其他实施例中主要围绕圆周延伸，例如如图所示的约340°，以几乎形成一个完整的环，但在一个实施例中将具有小于360°的弧长。这样的实施例可以用于最大化热隔离，并且如果使用额外加热器130也可以是有用的。此外，可以使用多个隔热沟槽300，每个隔热沟槽定义小于360°的弧长并且具有小于360°的组合弧长，例如，图15中描绘的那些。
使用这种用于硅光子芯片的绝缘体上硅类型的波导结构，可以通过将二氧化硅包层向下蚀刻到硅衬底来执行欠蚀刻。然后，可以将基于蒸汽的蚀刻的湿蚀刻引入至硅，随着蚀刻的继续，进行欠蚀刻。Dong等人在“Thermally tunable silicon racetrackresonators with ultralowtuning power”Optics Express 2010，Vol.18(19)，20298-20304中进一步描述了这种工艺，该文献通过引用并入本文。
在上下文中适用于本发明的应用的SiPho ESL在以下针对特定原型实施例的部分中更详细地讨论。
温度传感器可以提供频率调谐和热稳定性。无论SiPho芯片热传感器是否足以提供频率的热稳定性，频率调谐涉及调节环形谐振器的温度。尽管最初频率可能与环形加热器的特定热输出相关，但由于时间变化，进行局部测量以进一步调整激光输出频率可能是有益的。
为了维持热稳定性，可以使用闭环反馈控制。芯片级温度传感器中测量的温度可以通过测量RTD处的电压来评估，然后可以通过模拟分析或数字过程进行处理，其中模拟电压可以通过模数转换器进行处理。微处理器可以用于控制系统。基于PID(比例-积分-微分)闭环控制的闭环的实现是众所周知的。控制函数有一项是比例，一项是积分，还有一项涉及微分。不需要使用所有术语。PID控制器可以用于调整提供给加热器的电压，以将芯片温度维持在期望值，以调节温度波动。使用PID控制器来调整闭环反馈回路中的光学组件还在Collings等人的题为“System and Methods for Multiple-Input，Multiple-OutputController in a Reconfigurable Optical Network”的已公布的美国专利申请中有所描述，该专利申请通过应用并入本文。可以使用商用温度控制船(controller ship)，并且可以从Omega Engineering公司(Stamford，CT，USA)获得PID执行控制器。
具体实施方案设计
图2为使用硅光子集成电路的外腔可调谐激光器的示意图。它包括一个增益介质芯片和一个硅光子(SiPh)光学滤波器芯片。增益芯片的增益部分由基于InGaAsP的多个量子阱组成。增益芯片的正面被切割并用作激光输出端口。这个空气和III-V界面将32％的光反射回增益芯片作为光学反馈。增益芯片的这个面然后可以在主动对准或被动倒装接合工艺中对接耦合到SiPho滤波器芯片。SiPho外腔包括两个级联环形谐振滤波器，其传输光谱略有不同。每个环形谐振滤波器的传输光谱都可以通过集成波导加热器进行调谐。通过控制两个环形谐振滤波器上的集成加热器功率，可以在大光谱范围内选择在两个环形谐振器的两个传输峰值的重叠频率处的激光发射模式。通过两个级联环形滤波器的光然后被循环回到增益介质芯片以提供激光光学反馈。基于例如氮化硅的光斑尺寸转换器(SSC)可以用于增益介质芯片波导和SiPho芯片波导之间的模式尺寸匹配。
我们设计的硅光子芯片包括两个级联环形谐振器和回路返回配置的相位控制部分，如图2所示。这两个环可以分别具有300GHz和310GHz的标定自由频谱范围(FSR)。热调谐特意在十分之几的范围内独立调整它们中的每一个。FSR和工作波长决定了环的物理尺寸，并且对于原型SiPho芯片，环的直径为约120-130微米。
如果公共谐振频率被设置为195300GHz(波长约为1535纳米)，则300GHz环将在651的阶次处谐振，而310GHz环将在630的阶次处谐振：300*651＝310*630＝195300。然后每个环也在所引用阶次的±n阶次处谐振，但所引用阶次是唯一在公共频率上强重叠的阶次。谐振峰值的典型FWHM将约为10GHz。所以每个环的精细度将是(310，300)/10～30。粗略地说，这个精细度值意味着典型的谐振光子在继续前进之前在每个环中平均循环30次。这也意味着每个环的“Q”值(谐振器质量)为约195300/10～20，000。
这两个环形谐振器的自由光谱范围(FSR)略有不同，以通过游标效应提供65nm的大调谐范围。环形谐振器和总线波导之间的耦合比经过精心优化，以具有低插入损耗和窄滤波器通带。这为稳定的单模激光提供了足够大的边模抑制比(SMSR)。在每个环形波导和相位控制部分的顶部制造薄膜加热器，其中，针对两个环形谐振器的测量的2π功率为约50mW。我们使用了高效率和高饱和功率增益芯片和SOA，基本上与现有ECL产品中使用的一样。
原型设备进行了性能测试。组装的硅光子可调谐激光器安装在热电冷却器(TEC)上，以保持设备的恒定温度。对于以下所有实验，注入增益芯片的电流保持恒定在200mA。可以改变SOA的注入电流以控制激光器输出功率。图16显示了通过仅加热一个环形谐振器在65nm上调谐的27个波长频道的叠加光谱。如果两个环形谐振器加热器都受到控制，则可以在整个调谐范围内连续调谐激光波长。在该测量中，如图17中下方曲线中的点所示，SOA电流设置为900mA，并且测量的光纤耦合输出功率在整个C波段范围为21.5至21.8dBm。这种大输出功率对于使用复杂调制格式补偿发射器损耗是希望的。如图17中上方曲线中的点所示，在每个波长频道处也获得了超过50dB的大SMSR(边模抑制比)。
该原型用于研究输出功率、光谱线宽以及相对强度噪声(RIN)的SOA电流依赖性。图18(a)显示了在1547.0nm处随SOA电流而变化的光纤耦合输出功率。该图指示输出功率在500mA SOA电流下达到100mW。当SOA电流进一步增加到700mA时，升压SOA开始逐渐饱和。在950mA SOA电流下，最大输出功率达到了创最高纪录的150mW。而且，测量了激光光谱线宽和RIN。我们使用鉴频器方法来测量本征激光线宽，如V.Michaud-Belleau等人在“PassiveCoherent Discriminator Using Phase Diversity for The Simultaneous Measurementof Frequency Noise and Intensity Noise of A Continuous-Wave Laser”，Metrologia53，1154(2016)中所教导，该文献通过引用并入本文。它采用相干延迟线干涉仪将激光频率噪声转换为强度波动，然后可以通过光电探测器进行测量强度波动。100到400MHz之间的频率噪声基线用于估计本征洛伦兹线宽，从而避免较低频率下1/f热噪声和电子噪声的影响。图18(b)中上方的点显示了在1547.0nm处测量的线宽。注意，即使SOA电流增加到900mA，也没有明显的线宽变差。实际上，在SOA工作电流介于200和900mA之间时，线宽远低于60kHz。还测试了两个其他波长在C波段的开头和结尾处的线宽，两者都产生比80kHz窄的线宽(此处未显示数据)。虽然如此窄的线宽适用于16或64QAM调制格式，但如果需要，可以预期通过优化硅光子芯片布局来进一步改善。图18(b)中下方的点图显示了激光RIN和SOA电流之间的关系。对于200至900mA之间的SOA电流，测量的低RIN低于-150dB/Hz(平均范围为0.1至10GHz)。
图19A和图19C中的线显示了由于SOA电流变化或TEC温度设置变化引起的频移。圆点显示了由参考RTD估计的频率，其给出了在±0.2GHz以内的低测量误差。相应的频率误差绘制在图19B和图19D中。这证明了RTD可以精确跟踪外部热扰动(如SOA电流变化或封装温度变化)引起的激光波长漂移。
对于原型设备，波导和加热器周围温度梯度的模拟结果如图20所示。如图6中的模拟结果所示，当RTD通过2微米厚的上二氧化硅包层与硅环形谐振器间隔开时，随着集成加热器被加热，当环形谐振器波导升高31℃时，RTD的温度升高17℃。低于100％的温度敏感度的含义在上文中进行了一般性讨论。
如图21的圆点所示，在没有该参考芯片RTD的情况下，当环境温度变化在10℃和80℃之间时，激光频移高达4GHz。相反，在启用参考芯片RTD功能的情况下，频移可以减少约一个数量级。测量的频率误差可以在±0.5GHz以内，小于±1GHz的频率误差规格，其在图16中以方点绘制。如图22所示，通过将SOA电流从500mA增加到600mA，然后增加到700mA(如图中顶部框架中的两个箭头所示)，可以在普通硅衬底中引入热扰动。这种SOA电流变化对于激光输出功率调谐而言是需要的，但会在光子集成芯片上产生温度变化。如图21下框中实线所示，如果集成芯片RTD功能关闭，则激光频率漂移7.3GHz，然后再漂移7.0GHz，所有均在TEC开启以稳定芯片温度的情况下进行。当在控制回路中启用芯片RTD功能时，如图22的下框中虚线所示，激光频率可以稳定回到原始光谱位置。集成芯片RTD开启时的频率误差远低于±1GHz频率误差规范。观察到的两个频率下降来自PID控制器过冲，其可以通过进一步优化控制器参数来纠正。注意，这种针对温度变化的激光频率稳定性是通过我们的集成传感器技术获得的，无需使用任何外部仪器，例如光谱分析仪(OSA)(如H.Guan等人在“Widely-tunable，narrow-linewidth III-V/silicon hybridexternal-cavity laser forcoherent communication”，Opt.Express26，7920-7933(2018)中所用，该文献通过引用并入本文)或额外的波长锁定器。
由于可以精确跟踪热扰动引起的频移，因此可以相应地调整滤波器加热器功率，以精确补偿和调谐到任何目标频率。图23显示了在调谐加热器功率后目标频移与实际频移之间的关系。对于-30和30GHz之间的目标频移，频率调谐显示小于±0.5GHz的误差。这在我们对于SiPhoECL的±1GHz频率调谐精度的规范范围内。
图24显示了一个频率稳定实验，通过使用单个参考RTD和两个滤波器加热器来证明这种控制方法的可行性。在约9分钟和24分钟时，SOA电流变为600mA，然后变为750mA，这对硅光子芯片产生了一定的热扰动。随时间而变化的SOA电压绘制在图24的右上框中。参照图24的右下框，SOA电压的变化导致激光频率漂移高达20GHz(第一条线)。这种频率漂移由参考RTD精确跟踪(第二条线，其在绘图分辨率中无法与第一条线区分开来)。在40分钟时，启用控制代码，将频率调回到原始频谱位置，误差仅为0.2GHz。随时间而变化的频率误差绘制在右框中。这些结果证明，可以通过仅校准和调谐加热器功率来稳定激光频率以抵抗热扰动，然后将激光频率精确地调谐到任何目标频率，而无需知道滤波器局部温度。
除了卓越的性能之外，大部分封装和测试工艺以及该硅光子激光器的控制电子器件和增益芯片采用我们成熟的商业产品。因此，我们相信这种原型设备，可选地在进一步调适的情况下，具有大批量生产的巨大潜力。
在这篇文章中，我们通过使用集成的高饱和功率升压SOA，展示了一种高性能混合集成硅光子可调谐激光器，其创最高纪录的光纤输出功率超过140mW。我们获得了窄于80kHz的光谱线宽和低于-150dB/Hz的RIN，这适用于高阶调制。升压器SOA的集成没有显示激光光谱线宽和RIN的退化。我们为硅光子芯片开发的集成传感器技术还可以实现低至1GHz以下的精确频率控制。我们进一步证明了这种硅光子可调谐激光器在相干应用中的可行性。
以上实施例旨在说明而非限制。额外的实施例在权利要求和发明构思内。另外，尽管已经参考特定实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出修改。通过引用上述文献的任何并入被限制为使得不包含与本文的明确公开相反的主题。就本文中用组分、元素、成分或其他分区描述的具体结构、组合物和/或方法而言，除非另有明确说明，否则应理解本文的公开内容涵盖具体实施例，包括特定组分、元素、成分、其他分区或其组合的实施例，以及可以包括如讨论中所建议的不改变主题的基本性质的附加特征的基本上由这些特定组分、成分或其他分区或其组合组成的实施例。除非另有明确说明，否则本文使用的术语“约”是指特定参数的测量误差。

Claims (23)

1.一种可调谐固态激光设备，包括：
基于半导体的增益芯片；以及
具有调谐能力的硅光子滤波器芯片，其中，硅光子滤波器芯片包括：输入-输出硅波导；与硅波导一起形成的至少两个环形谐振器；与所述环形谐振器相互接口的一个或多个连接硅波导；与每个环形谐振器相关联的单独加热器；被配置为测量芯片温度的温度传感器；以及控制器，连接到所述温度传感器和所述单独加热器，并设计有反馈回路以维持滤波器温度从而提供经调谐的频率，其中所述一个或多个连接硅波导被配置为将与所述至少两个环形谐振器中的每一个谐振的光重定向回通过所述输入-输出硅波导，
其中所述硅光子滤波器芯片的所述输入-输出硅波导利用光斑尺寸转换器耦接到基于半导体的增益芯片，以提供模式尺寸匹配从而减少由于接口引起的损耗。
2.根据权利要求1所述的可调谐固态激光没备，其中，所述硅光子滤波器芯片还包括与每个环形谐振器相关联的单独电阻式温度传感器，其中所述控制器被连接以接收来自单独环温度传感器的信号从而考虑在所述反馈回路中的测量。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的可调谐固态激光设备，其中，所述硅光子滤波器芯片包括光学连接到所述输入-输出硅波导的光学分束器-合束器，并且其中所述一个或多个连接硅波导包括设置有Sagnac干涉仪的回路的两个分支波导，每个分支波导连接到所述光学分束器-合束器的分束侧，并且其中所述环形谐振器闭合所述干涉仪的回路以形成多次滤波Sagnac干涉仪。
4.根据权利要求3所述的可调谐固态激光设备，其中，所述至少两个环形谐振器为两个环形谐振器，其中所述一个或多个连接硅波导还包括被配置为将所述两个环形谐振器彼此光学连接的大致U形硅波导，并且其中每个环形谐振器分别耦接到分束器-合束器的分支以形成一配置，在所述配置中，如果从分束器-耦合器行进的光与两个谐振环适当地谐振，则所述光耦合进入第一环形谐振器中、沿着所述大致U形硅波导、然后沿着另一环形谐振器、并耦合进入来自所述分束器-合束器的另一分支中朝向所述分束器-耦合器。
5.根据权利要求3所述的可调谐固态激光设备，其中，所述至少两个环形谐振器为三个环形谐振器，其中每两个环形谐振器分别耦接到分束器-合束器的分支，并且其中第三环形谐振器位于其间且光学连接到另外两个环形谐振器以形成一配置，在所述配置中，如果从分束器-耦合器行进的光与所有三个环形谐振器适当地谐振，则所述光从一个分支耦合到第一环形谐振器中、沿着第三环形谐振器、然后沿着另一谐振环、并耦合进入另一分支，以使Sagnac干涉仪的回路完整，其中光被定向为朝向所述分束器-耦合器。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，包层中的沟槽将所述加热器的至少一部分与至少两个环形谐振器热隔离。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，所述增益芯片包括p-n二极管，所述p-n二极管包括III-V半导体层。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的可调谐固态激光设备，其中，所述控制器被设计为执行对环形谐振器温度的比例-积分-微分闭环控制。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的可调谐固态激光设备，还包括被配置为接收所述增益芯片的输出并进一步输出放大的光学信号的半导体光学放大器。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的可调谐固态激光设备，还包括被配置为接收所述增益芯片的输出并进一步输出经放大的光学信号的半导体光学放大器和被配置为冷却组件的热电冷却器，其中所述硅光子滤波器芯片包括光学连接到所述输入-输出硅波导的光学分束器-合束器，并且其中所述一个或多个连接硅波导包括Sagnac干涉仪的两个分支，每个分支连接到所述光学分束器-合束器的分束侧，并且其中所述环形谐振器闭合所述干涉仪的回路以形成多次滤波Sagnac干涉仪。
11.一种用于稳定可调谐外腔激光器的输出的方法，其中，所述可调谐外腔激光器包括基于半导体的增益芯片和硅光子滤波器芯片，所述基于半导体的增益芯片和所述硅光子滤波器芯片利用光斑尺寸转换器彼此耦接以形成激光腔，其中所述硅光子滤波器芯片包括被配置为测量远离任何加热元件的芯片温度的电阻式温度传感器和具有单独集成电阻式加热器的多个环形谐振器，所述方法包括：
使用由控制器驱动的控制回路，所述控制回路被配置为从所述电阻式温度传感器获得读数并调整电阻式加热器的功率以将激光频率维持在容差内。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述控制回路执行对所述电阻式加热器的比例-积分-微分调整。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，所述可调谐外腔激光器还包括控制器，所述控制器包括数字处理器。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，所述激光频率的容差为±0.5Ghz。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中，硅光子滤波器芯片包括输入波导、两个分支波导、连接到所述输入波导和所述两个分支波导的分束器-耦合器、以及桥接在所述两个分支波导之间的至少两个环形谐振器，并且其中所述环形谐振器闭合干涉仪的回路以形成多次滤波Sagnac干涉仪。
16.根据权利要求11至15中的任一项所述的方法，其中，所述可调谐外腔激光器进一步包括被配置为接收来自所述增益芯片的输出并输出经放大的光的半导体光学放大器。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述可调谐外腔激光器具有至少约120mW的功率输出和不超过约60kHz的本征线宽。
18.一种光学芯片，包括：
输入波导；
Sagnac干涉仪，与所述输入波导光学连接，包括：
分束器/耦合器，与所述输入波导连接；
两个波导分支，与分束器-耦合器连接，并且每个分支终止于一端；
两个环形谐振器，每一个环形谐振器耦接到单独的波导分支并通过介入的弯曲波导彼此耦接，以使相应环形谐振器中的光学旋转方向反转，其中所述介入的弯曲波导可以包括或可以不包括另外的环形谐振器；以及
电阻式加热器，与每个环形谐振器相关联，
其中，进入所述输入波导的光被分入特定的波导分支，并且如果所述光与两个环形谐振器和任何介入的环形谐振器谐振，则所述光然后耦合通过一个环形谐振器、沿着介入的弯曲波导、并通过另一环形谐振器进入相对的波导分支中，返回朝向分束器-耦合器。
19.根据权利要求18所述的光学芯片，其中，波导包括元素硅和二氧化硅包层。
20.根据权利要求19所述的光学芯片，其中，所述介入的弯曲波导是U形的，所述U形的相对直边与相应的环形谐振器相互接口。
21.根据权利要求20所述的光学芯片，还包括温度传感器，所述温度传感器被定位为测量芯片温度，而无来自所述电阻式加热器的热梯度的显著测量。
22.根据权利要求21所述的光学芯片，还包括与每个环形谐振器相关联的温度传感器。
23.根据权利要求22所述的光学芯片，还包括提供环形谐振器波导的被加热部分和包层的至少部分热隔离的沟槽。
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