CN114157367A - 集成波长锁定器 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及一种集成波长锁定器。该波长锁定器包括：无热非对称Mach‑Zehnder干涉仪AMZI，无热非对称Mach‑Zehnder干涉仪AMZI包括输入耦合器、两个波导臂、和具有至少两个输出端口的输出耦合器；被放置在至少两个输出端口处的至少两个相应的光检测器，至少两个相应的光检测器用于测量离开至少两个输出端口的至少两个相应的光学干涉信号；用于测量所述AMZI的温度的温度传感器和用于测量所述AMZI中的张力的张力计；以及电路装置，被配置为基于所测量的温度和张力来调整锁定条件，并且基于从所测量的光学干涉信号得出的反馈参数来调谐耦合到所述AMZI中的光的频率，以满足所调整的所述锁定条件。

Description

集成波长锁定器
相关申请
本申请是申请号为201710936341.3、申请日为2017年10月10日、发明名称为“集成波长锁定器”的发明专利申请的分案申请。
优先权
本申请要求于2016年10月10日提交的美国临时申请序列号62/406,351和2017年8月29日提交的美国申请序列号15/689,319、15/和15/的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及用于光子集成电路(PIC)的波长锁定器，更具体地涉及集成波长锁定器。
背景技术
光通信链路通常需要指定网格内的光波长对准。为此目的，已经使用体光学或光纤耦合的单标准具外部波长锁定器来提供波长参考；然而，这些外部锁定器往往是昂贵的，具有大的体积(例如，大于100mm3)，并且限制了PIC的架构。在晶圆级芯片上制造的集成波长锁定器是非常期望的，因为它们需要更少的体积，可以以高容量低成本与其他集成的光子组件一起被制造，并且使能更多功率效率的PIC的功能架构。然而，传统的集成波长锁定器的性能对于许多产品来说是不够的。例如，制造改变可以降低锁定灵敏度和/或其可预测性，并且制造后施加的温度波动和张力可以降低锁定精度。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种波长锁定系统，包括：集成光子电路PIC，其包括可调谐光源，以及波长锁定器，包括具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI，所述输出耦合器具有多个输出端口、并且在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从所述光源被耦合到所述AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和多个所述光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成光学干涉信号的两个信号之间由所述输出耦合器施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；存储器，存储与所述光源的指定的锁定频率相关联的一个或多个目标滤波器参数；以及电子处理电路装置，被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算一个或多个滤波器参数，并且调谐所述光源的频率，直到一个或多个计算的滤波器参数与所述一个或多个目标滤波器参数相匹配。
根据本公开的第二方面，提供了一种使用包括AMZI和输出耦合器的集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率的方法。该方法包括：在所述AMZI的输入处，将光从所述光源耦合到所述AMZI中；在所述AMZI的输出处，测量各自从两个信号的干涉得到的多个光学干涉信号，其中在两个干涉信号之间由所述输出耦合器施加的相对相移在所述光学干涉信号中的至少两个光学干涉信号之间相差不是180度的倍数的值；从所测量的所述光学干涉信号来确定一个或多个滤波器参数；以及调谐所述光源的频率，直到所确定的所述一个或多个滤波器参数匹配与指定的锁定频率相关联的一个或多个对应的存储的目标滤波器参数。
根据本公开的第三方面，提供了一种制造多芯片集成波长锁定器模块的方法，该方法包括：在半导体衬底上，创建包括可调谐光源和波长锁定器的光子集成电路PIC，所述波长锁定器包括具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI，所述输出耦合器具有多个输出端口、和在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从光源耦合到AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和所述多个光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间由所述输出耦合器施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；创建包括存储器和处理电路装置的电子控制芯片，所述电子控制芯片被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算滤波器相位并调谐所述光源的频率，直到所计算的所述滤波器相位与对应于指定的锁定频率的目标滤波器相位匹配；以及将所述PIC和所述电子控制芯片结合到公共基板上，以形成所述多芯片集成波长锁定器模块。
附图说明
图1是根据各种实施例的示例波长锁定系统的示意图。
图2A是根据各种实施例的包括不对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)和单个检测器的示例波长锁定器的示意图。
图2B是根据各种实施例的针对图2A所示的波长锁定器测量的作为频率的函数的光电流的曲线图。
图2C是根据各种实施例的包括具有平衡接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。
图2D是根据各种实施例的针对图2C的波长锁定器测量的作为频率的函数的单个和平衡光电流的曲线图。
图2E是根据各种实施例的包括具有主动调谐元件和平衡接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。
图3A是根据各种实施例的包括具有90度混合接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。
图3B是根据各种实施例的针对图3A的波长锁定器测量的作为频率的函数的单个同相和正交光电流曲线图。
图3C是根据各种实施例的针对图3A的波长锁定器测量的作为频率的函数的平衡同相和正交光电流的曲线图。
图3D是根据各种实施例的从图3C的测量的同相和正交光电流计算的作为频率的函数的AMZI滤波器相位的曲线图。
图4A是根据各种实施例的包括粗略滤波器和精细滤波器的波长锁定器的示意图，粗略滤波器和精细滤波器各自包括具有90度混合接收机的AMZI。
图4B是根据各种实施例的包括粗略滤波器和精细滤波器的波长锁定器的示意图，粗略滤波器和精细滤波器各自包括具有一个干涉仪臂中的主动调谐元件的AMZI。
图5A是根据各种实施例的针对基于硅/氮化硅(Si/SiNx)的无热AMZI分别在30℃、53℃和85℃的温度下的作为相对波长的函数的滤波器传输的曲线图。
图5B是根据各种实施例的基于Si/SiNx的无热AMZI的依赖于波长的残余无热性的曲线图。
图6是根据各种实施例的针对一定范围的温度和波长的基于Si/SiNx的无热AMZI的残余无热性的无热性的曲线图。
图7A是图示根据各种实施例的用于校准具有相干接收机的集成波长锁定器的示例方法的流程图。
图7B是图示根据各种实施例的用于操作具有相干接收机的集成波长锁定器的示例方法的流程图。
图8A是图示根据各种实施例的用于校准具有包括一个干涉仪臂中的加热器的AMZI的集成波长锁定器的示例方法的流程图。
图8B是图示根据各种实施例的用于操作具有包括一个干涉仪臂中加热器的AMZI的集成波长锁定器的示例方法的流程图。
图9是图示根据各种实施例的制造和组装多芯片集成波长锁定模块的示例方法的流程图。
图10A是根据各种实施例的在绝缘体上硅(SOI)衬底上具有集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图。
图10B是根据各种实施例的在化合物半导体衬底上具有集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图。
图10C是根据各种实施例的具有图10A的集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图，其进一步示出了用于加热器和传感器的金属沉积物。
图10D是根据各种实施例的包括PIC和电子控制芯片的多芯片模块的简化示意性横截面图。
具体实施方式
在各种实施例中，本公开提供拥有改进的操作性能并且适用于在宽环境温度范围和标准封装环境中使用的集成波长锁定器的配置、制造方法、和操作方法。通常，根据本文，片上光源(例如，激光或可调谐发光二极管(LED))的频率(以及波长)被“锁定”，即被设置为基于例如用一个或多个光检测器测量的片上AMZI的周期性频率依赖的光响应的期望的“锁定位置”。
在AMZI的输出处的响应的灵敏度(本文也称为“锁定灵敏度”)通常是频率依赖的，而AMZI可以被设计成在给定的锁定位置(或等同地，锁定频率)处的最大灵敏度，制造变化可能导致最大锁定灵敏度的频率偏移，从而降低在期望的锁定频率处的灵敏度。各种实施例对锁定灵敏度中的这种劣化进行了校正，在某些情况下实现了与小于50GHz的频率不确定度相对应的锁定频率的精度和稳定性。在一些实施例中，集成波长锁定器包括在AMZI的一个臂中的加热器或其它主动调谐元件(例如，由诸如掺杂硅、磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)的半导体制成)，其允许调整将期望的锁定频率置于高锁定灵敏度的范围内的两个干涉仪臂之间的光学路径长度差。在其他实施例中，AMZI的输出耦合器产生多个干涉信号，该多个干涉信号在干涉信号之间传递的相对相移不同，并且可以被组合以获得具有明显较低频率依赖(替代地，在一些实施例中，几乎与频率无关)的锁定灵敏度和精度的响应，并且因此受制造变化的影响较小。例如，在某些实施例中，输出耦合器提供四个输出端口，并且与输出端口处的四个相应的光检测器一起形成用于测量平衡同相和正交信号的90度光混合接收机。更通常地，AMZI的输出耦合器和两个或更多个光检测器可以被配置为共同提供“相干接收机”，即接收机产生和测量干涉信号，该干涉信号在相应的信号对之间被施加的相对相移中相差不是180度的倍数的已知值，该相应信号对被干涉以形成干涉信号。本文中，受干涉的两个信号之间施加的相对相移(在干涉之前)是在AMZI的干涉仪臂中产生的相位差和由输出耦合器施加的附加的相对相移之和。在两个干涉信号之间，这些附加的相对相移和因此被干涉的信号之间的(总)相对偏移在相干接收机中不同。除了渲染锁定更低的频率依赖性甚至几乎与频率无关的灵敏度之外，相干接收机能够实现确定在AMZI的全部周期(本文也是“滤波器周期”)内的两个干涉信号之间的AMZI的干涉仪臂中唯一地产生的相位差(以下也称为“滤波器相位”)。
除了制造变化之外，AMZI的响应也可以由温度中的波动或机械张力影响。虽然可以通过选择使AMZI无热的材料和尺寸来显著地降低温度的影响，但残留的温度依赖性仍然存在。因此，在各种实施例中，基于利用在AMZI处或附近的波长锁定器中包括的一个或多个温度传感器的温度测量，至少部分地计算地实现对温度改变的补偿。类似地，根据一些实施例，测量由于例如PIC的处理、安置和安装以及老化而在后期制造中引起的机械张力，其中一个或多个张力计在AMZI处或附近，以能够实现张力诱发效应的计算校正。根据本文的温度和/或张力测量和补偿可以进一步提高波长锁定精度。
由于AMZI的响应在频率上是周期性的，所以它允许仅在AMZI的给定滤波器周期或者换句话说达到滤波器周期的倍数内确定光源的频率位置(并且因此波长)。如果光源的频率可以改变多于一个滤波器周期，则这是不够的。在一些实施例中，通过将两个或多个AMZI和相关联的检测器(例如，包括加热器或90度混合接收机)组合到两级或多级集成波长锁定器中来克服该缺陷。在两级波长锁定器中，一级中的AMZI用作粗略滤波器，以允许入射光的频率位于另一级中的AMZI的周期中的一个周期内，并且第二AMZI用作精细滤波器以确定所确定的滤波周期内的频率。
具体地，当结合附图时，将从以下各种实施例的详细描述中更容易地理解前述内容。该描述被构造为集中于所公开主题的不同方面的多个子标题部分。然而，应当理解，实施例可以组合来自各个部分的方面或特征。例如，具有干涉仪臂中的主动调谐元件的波长锁定器和具有相干接收机的波长锁定器可以受益于对温度或机械张力的直接测量和补偿，并且可以被分级以增加锁定范围而不损害锁定精度。
系统概述和操作原理
图1是根据各种实施例的用于锁定可调光源102的频率的示例波长锁定系统100的示意图。系统100包括波长锁定器104和相关联的电子处理电路装置106和存储器108。为了锁定光源102的频率，光从光源102被耦合到波长锁定器104的AMZI 110。在AMZI 110的输出处，输出耦合器112产生用检测器114(例如，产生与检测到的光的强度成比例的光电流的光检测器)测量的一个或多个光学干涉信号。一起形成波长锁定器104的接收机116的输出耦合器112和检测器114的各种配置在下文中描述。捕获测量的电子信号被发送到电子处理电路装置106，其中它们可被处理以计算AMZI 110的滤波器相位(或与滤波器相位相关的其它滤波器参数)。
在波长锁定系统100的校准期间，期望的锁定频率的光被输入到波长锁定器104，并且从其导出的所测量的光电流和/或滤波器相位(或其他滤波器参数)作为目标滤波器相位(或更一般地，目标滤波器参数)被存储在存储器108中。在随后的光源102的波长锁定期间，可以从存储器108检索所存储的目标滤波器参数，用于与当时测量的滤波器参数进行比较，并且基于比较，反馈可以被提供给光源102。备选地或附加地，使用目标滤波器参数，校准可以涉及调谐波长锁定器104中的主动调谐元件(例如集成加热器的功率设置)，以实现指定的光电流，并且将主动调谐元件的设置(例如，加热器功率设置)作为目标设置存储在存储器108中；然后根据这些目标设置操作波长锁定器104以锁定光源102的频率。可选地，根据各种实施例，波长锁定器104可以包括在AMZI 110处或接近AMZI 110的温度传感器118和/或张力计120，允许AMZI 110的温度和张力在波长锁定光源102之前被测量，并且基于与在校准时间在存储器108中存储的相应温度和张力值的比较来计算地进行补偿。
如下文相对于图9-10B更详细描述的，波长锁定器104可以与光源102一起被集成在单个PIC上。处理电路装置106和存储器108可以被提供在相同的芯片上，或者在单独的电子控制芯片上。如果是后者，则PIC和电子控制芯片可以封装成多芯片波长锁定器模块。备选地，处理电路装置106和存储器108可以全部或部分地被提供在外部设备中。
图2A是图示根据各种实施例的波长锁定的原理的示例AMZI 200的更详细示意图。AMZI 200包括具有不同光学路径长度的两个干涉仪臂202、204，在通过两个臂202、204传播的光上传递大致不同的相应相移。光被通过输入耦合器205被耦合到两个干涉仪臂202、204中，并在其间分开。在AMZI 200的输出处，输出耦合器206对光的重新组合和干涉产生光学响应，可用适当的光学检测器208测量，其取决于干涉仪臂202、204之间的相对相移(即，滤波器相位)，因此在频率方面周期性地改变。在频率方面的周期性也被称为干涉仪的“自由谱范围(FSR)”，与两个臂202、204之间的光学路径长度差成反比。
图2B图示了具有100GHz的FSR的AMZI的、由单个光检测器(例如检测器208)测量的作为感应光电流的频率依赖光学响应209。(所描绘的频率是相对于一些绝对频率值取的)。光电流I与检测到的功率Pdet成比例(检测器的响应度R是比例因子)，其是输入功率Pin和在两个干涉仪臂之间相对相移或滤波器相位
Figure BDA0003377792000000081
的函数：
Figure BDA0003377792000000082
AMZI的光学响应可以根据已知的外部波长参考(例如精确的校准激光或滤波器)进行校准，然后用作集成光学参考。校准可以涉及对片上激光进行调谐，直到其匹配外部波长参考，并将得到的光电流记录在存储器中。在现场部署之后，测量的光电流与记录值的偏差可用作用于稳定激光波长的反馈。
如图2B所示，锁定灵敏度，即所测量的发射功率(或光电流或其他AMZI响应209)对光源的频率中改变的灵敏度，其对应于频率依赖的功率的斜率dPdet/df，随着频率而改变其自身，并且在滤波器中点处是最大值，其中功率(或光电流)是其峰值的一半。因此，滤波器中点是最佳锁定位置。相反，当期望的锁定频率处于峰值或零点时，斜率为零，因此锁定灵敏度差，导致波长锁定精度降低。另外，在峰值或零点附近，在某些系统配置中，频率确定可能是不明确的，因为在峰值或空值的任一方向上的给定幅度的频率改变导致相同的光电流，并且因此是无法区分的不存在的光源的频率抖动(其将允许确定光电流的斜率作为频率的函数)。(不同地看，只有知道落在特定的一对相邻峰和零之间(对应于只有FSR的一半的范围)，才能唯一地确定频率。)为了避免这种模糊(或增加滤波器到其全FSR的锁定范围)并且实现高锁定灵敏度，期望配置波长锁定器，使得期望的锁定频率(对应于校准频率)落在滤波器中点处或附近。然而，实际上，制造改变导致AMZI响应从设备到设备是被频移的，使得校准频率可以接近滤波器响应的中点、峰值或零点；锁定灵敏度因此在设备之间改变，并且对于任何给定的设备是不可预测的。原则上，虽然AMZI可以在制造后进行测量和校正(例如通过在芯片表面上聚焦的激光退火来将每个器件修整在规格范围内)，但是这种方案并不适合大批量生产。
图2C是包括放置在AMZI 200的两个相对输出端口上的AMZI200和两个检测器208、210以创建“平衡接收机”的波长锁定器的示意图。图2D是在两个单独的检测器208、210处测量的频率依赖的光电流212、213以及从另一个检测器信号减去一个检测器信号得到的平衡检测器响应214的图。可以看出，平衡接收机捕获所有发射功率，增加总信号幅度和因此两倍的锁定灵敏度。然而，锁定灵敏度dPdet/df仍然根据锁定位置而改变，并且在滤波器峰值215或零216处较差。例如，假定锁定位置在图2B中的50GHz，并且针对信号超过10％的噪声水平，只有满量程电压范围的改变>10％被测量。与低于噪声本底的信号波动相对应的频率范围将在锁定位置周围为±3.6GHz(如下面进一步分析所示)，从而允许达到此幅度的振荡发生。相比之下，当锁定位置在图2D中的25GHz时，最小可测量的频移将为±0.8GHz，对应于高得多的锁定精度。除了在锁定灵敏度方面仍然存在很大改变之外，平衡接收机不能解决确定滤波器相位以及因此在整个FSR上的光源的频率的模糊性。
主动波长锁定器调谐
为了克服由于制造变化引起的锁定灵敏度的可变性，并且在约半个滤波器周期上促进不模糊的滤波器相位确定，根据一些实施例，AMZI可以被提供有干涉仪臂之一中的主动调谐元件来调整光学路径长度差，从而将锁定频率移动到制造后的高灵敏度滤光器位置。在图2E中，主动调谐元件被符号地示为元件218。主动调谐元件218例如可以是加热器，该加热器可用于改变波导(如图所示，形成干涉仪臂202的波导)的一部分的折射率和/或物理长度(前者通常主导)。备选地，主动调谐元件218可以利用半导体材料来调整形成干涉仪臂202的波导的一部分内的折射率，例如，利用化合物半导体(诸如InP和GaAs)中的线性或二次电光效应，或在掺杂硅或化合物半导体中的自由载体吸收。校准AMZI 200涉及使用主动调谐元件218以将AMZI滤波器的最大斜坡位置与校准频率对准，然后保持主动调谐元件的设置(诸如在加热器的情况下，加热器功率)恒定。校准的设置(例如加热器功率值)被保存为目标设置，并且在需要时可以调用以保持AMZI 200的对准。具有集成加热器的波长锁定器的稳定性被强烈地通过加热器及其电源(和/或任何环境温度传感器)的稳定性来确定。
相干接收机配置
在一些实施例中，通过相干接收机的使用，制造的灵敏度变化的严重性被显著地降低，并且整个滤波器周期的滤波器相位的不模糊确定被促进。在相干接收机中，AMZI 200的输出耦合器206接收通过两个干涉仪臂202、204进来的两个信号作为输入，并产生多个相应的光干涉信号作为输出，赋予两个干涉信号之间附加的相对相移
Figure BDA0003377792000000111
(其中i是的干涉信号的数量的索引)(对于
Figure BDA0003377792000000112
的总相对相移)，并且这些附加的相对相移
Figure BDA0003377792000000113
在至少两个光学干涉信号之间相差不是180°的倍数的值。在90度混合接收机中，例如，创建在0°、90°、180°和-90°的干涉信号之间具有附加相对相移
Figure BDA0003377792000000114
的四个光学干涉信号。在120度混合接收机中，创建了具有0°、120°和-120°的附加相对相移
Figure BDA0003377792000000115
的三个光学干涉信号。通常，从具有三个不同相对相移(其中至少两个相差不是180°的倍数的值)的三个光学干涉信号，或者从具有不同相对相移(相差不是180°的倍数的值)的两个光学干涉信号结合已知的干涉信号幅度，滤波器相位以及因此光源的频率可以在滤波器周期内被唯一地确定(即分别高达360°的倍数或FSR)。
图3A图示了作为根据本文的相干接收机的示例的在AMZI 300的输出处具有四个检测器的90度光混合接收机。90度混合接收机可以使用作为AMZI 300的输出耦合器306来实现，例如4×4多模干涉(MMI)耦合器、2x4MMI耦合器后跟有2x2MMI耦合器、星形耦合器、或三向耦合器(参见例如2010年Opt.Express 18[5]第4275-4288页Seok-Hwan Jeong等人的“Compact optical 90hybrid employing a tapered 2x4 MMI coupler seriallyconnected by a 2x2 MMI coupler”，其通过引用并入本文)。然而实现的，输出耦合器306提供四个输出端口，其相应的信号由四个检测器308、309、310、331测量。图3B示出了分别由检测器308、309、310、311测量的信号312、313、314、315。四个检测器308、309、310、311形成两个平衡的检测器对。一对平衡的检测器对308、309测量由0°和180°(高达360°的倍数)的附加的相对相移
Figure BDA0003377792000000123
得到的同相信号312、313，提供平衡的同相光电流信号(I)：
Figure BDA0003377792000000121
另一个平衡的检测器对310、311测量由±90°(高达360°的倍数)的附加的相对相移
Figure BDA0003377792000000124
得到的正交信号314、315，提供平衡的正交光电流信号(Q)：
Figure BDA0003377792000000122
图3C示出了用于相应检测器对的平衡的I和Q响应316、317。
从I和Q响应316、317，滤波器相位
Figure BDA0003377792000000125
可以例如使用双参数反正切函数(其通过分别考虑正弦和余弦的符号来解决反正切函数的模糊)来直接提取。图3D示出了基于I和Q响应计算的(相位缠绕的)滤波器相位
Figure BDA0003377792000000126
可以看出，滤波器的相位318在滤波器的整个滤波器周期(或FSR)从-180至180度是线性。与如图2B所示的单个检测器的响应209或图2D所示的平衡检测器响应214相比，其中在响应的峰值或零点附近的相位确定是模糊的，因为到相位的任一侧或零值的相位导致相同的光电流，图3D中的滤波器相位318可以在滤波器周期(或FSR)内唯一地被确定。
对应于来自两个AMZI路径的干涉的实部和虚部的I和Q响应316、317可以被组合成具有恒定幅度和频率依赖相位(对应于过滤器相位)的复值信号。该复值信号对频率中的改变的灵敏度通常低于单个平衡接收机在其最佳工作点的灵敏度，但是表现出比单个平衡接收机的信号更低的频率依赖性，并且在一些实施例中，取决于限制灵敏度的因子是什么(例如，噪声的类型(其在I和Q响应之间可能或可能不是独立的)、或光电流的模数转换的分辨率)，甚至变为频率独立。一般来说，90度混合物的灵敏度在最佳和最差锁定位置之间的相差最大只有约1.4的因子，与平衡接收机在0.1％相对噪声水平处大约44的因子相比，并且在0.01％的噪声水平处为约140的因子，因此使用90度混合有更大的好处，因为噪声水平被降低。在0.01％相对噪声水平处，90度混合频率精度在其相应最差工作点处比平衡检测器好多于50倍(对应于5位以上)，而平衡接收机的精度在它们的相应最佳工作点处仅为90度混合接收机的大约两倍。因此，尽管使用90度混合接收机实现的最高锁定灵敏度低于用平衡接收机实现的最高锁定灵敏度，但用90度混合接收机的最差性能更好。具有90度混合接收机的波长锁定器在所有锁定位置都工作得很好。
波长锁定器的灵敏度或精度由在给定滤波器位置处的频率依赖传递函数I(Pin)(其取决于使用的接收机)的斜率和检测信号中的噪声水平来确定。更具体地说，可以将精度确定为导致测量光电流的改变ΔI刚好高于噪声Inoise的最小频移Δf，其被建模为最大噪声水平并且独立于信号幅度：
Figure BDA0003377792000000131
从
Figure BDA0003377792000000132
其中2π/FSR≡A1，并且FSR表示AMZI的过滤器周期，遵循：
Figure BDA0003377792000000133
或针对Δf：颠倒：
Figure BDA0003377792000000134
评估平衡接收机的该表达式，其传递函数为
Figure BDA0003377792000000135
我们获得，对于f的值，其中sin(A1f)≠0：
Figure BDA0003377792000000136
对于sin(A1f)≠0，精度|Δf|可以近似为来自A1f0＝0的改变|f-f0|，其中光电流中的对应改变|I-I0|超过噪声：
Figure BDA0003377792000000137
Figure BDA0003377792000000141
对于90度光混合接收机，可以将相同的分析应用于同相和正交平衡输出，每个输出具有峰值光电流的一半和与平衡光检测器情况相同的噪声(对应于总信号噪声下降二的平方根)。这是对90度混合的精度的最差情况估计，并且假设每个电迹线噪声是被固定的(例如，热或串扰)。两个平衡输出的传递函数为：
Figure BDA0003377792000000142
Figure BDA0003377792000000143
对于A1f＝0，精度受到正交输出精度的限制，
Figure BDA0003377792000000144
并且对于A1f＝π/2，精度受到同相输出精度的限制，
Figure BDA0003377792000000145
假设两个平衡接收线各自可以具有相同的最大噪声幅度，则可以通过以正交方式组合来计算总的最大噪声：
Figure BDA0003377792000000146
该分析对于计算由于信号的模数转换中的量化误差的频率不确定性也是有用的。对于量化误差，两个平衡接收机线将由于量化而各自具有相同的电流分辨率和最大误差。由于量化误差的总频率不确定度对于0、90、180或270度的两个AMZI波导模式的相对相位将是最小的，其中所有的误差是由于两个平衡检测器通道中的一个。对于45、135、225或315度的两个AMZI波导模式的相对相位，总量化误差将变大
Figure BDA0003377792000000151
的因子，其中两个平衡检测器通道对误差贡献相等。
存在其中相干接收机的频率不确定性可能几乎独立于两个AMZI波导模式的相位的其他情况。如果两个平衡通道上的噪声源各自具有相同的高斯分布，则这可能发生，其中噪声源是不相关的。如果噪声仅由于检测和放大电路的Johnson-Nyquist噪声，则该模型是适当的。导致相位独立性的该模型中的关键区别在于，具有概率分布而不是每个通道的最大噪声的噪声的建模避免了在45+90·n度处的惩罚，其中两个平衡检测器通道对信号贡献相等，因为它们的概率分布被正交地组合。因此，在给定的时间点，两个平衡检测器通道引入高于平均水平的噪声误差的概率低于两个平衡检测器通道中的第一个引入高于平均水平的噪声误差的概率。
从针对平衡接收机和90度混合接收机的上述表达式，可以针对给定的工作点和相对噪声水平Inoise/(R·Pin)来计算接收机精度。为了降低噪声水平，AMZI或光源可能具有被施加的频率抖动以减少直流(DC)噪声，然后可以以抖动频率的整数倍测量该信号。然而，无论系统中的整体噪声电平如何，不同接收机配置之间的相对精度保持相同。下表比较了在三个相对噪声水平处平衡接收机和具有固定噪声的90度混合接收机的最佳情况和最差情况接收机精度。(对于平衡接收机，最差工作点位于滤波器响应具有最小斜率的位置，即在峰值或零点处，并且最佳工作点位于滤波器响应具有最高斜率的位置，即滤波器中点。对于90度混合，最差的工作点是在同相和正交信号幅度相等的点。)在平衡检测器通道中具有不相关高斯噪声的90度混合接收机的情况也包括在内。对于后一种情况，噪声水平可以独立于相位。由于它是概率分布，所以可以概率地描述噪声。例如，在表中，3σ噪声水平是指对于99.7％的测量不会被超过的噪声水平。
Figure BDA0003377792000000152
Figure BDA0003377792000000161
作为平衡接收机和90度混合接收机的结果的比较揭示了：在最佳工作点处，90度光混合接收机的精度低于平衡接收机的精度，但是在最差的工作点处，90度光混合接收机的精度高于平衡接收机的精度。当滤波器的位置是未知的时，例如由于制造变化和制造后调谐的缺乏，该系统通常被设计用于最差情况的工作条件；因此，90度混合配置是通常优选的。除了在最差情况场景下提供更好的性能之外，90度混合接收机配置导致较小的精度的变化，提高了波长锁定性能的可预测性。对于120度混合接收机，精度与90度混合接收机相似。为了计算120度混合接收机的精度，将接收功率被计算地分为正交分量，然后按照上述90度混合接收机的公式。对于在同相和正交正交状态之间具有不均匀分布的输入功率的其他非标准多相接收机，在每种状态下接收的功率量可以被用于计算最佳工作点和最差工作点。
有利地，具有相干接收机的波长锁定器允许实现无源光学腔的稳定性，并且由于无源光学腔不消耗功率，因此其稳定性可以明显优于主动调谐元件的稳定性。相干接收机的附加优点包括：降低的功耗，因为不需要调谐元件；可能影响PIC稳定性或可靠性的减少的热梯度，因为避免了用于相位调谐的加热器；以及作为激光(或其他光源)直接锁定到AMZI的简化反馈回路和控制，无需附加的调谐和稳定电路。
分级滤波器配置
如上所示，根据本文的波长锁定器的波长精度与AMZI的滤波器周期(或FSR)成比例。更窄的周期(例如，如图2B、2D和3B-3D所示的100GHz)提供比较宽的周期(例如，2THz)更大的波长精度。常见的是，光源的波长可以调谐超出单个窄的AMZI周期的限制，从而在频率上引入模糊性。单个AMZI允许将光源的频率被确定仅高达其FSR的倍数。为了解决这种模糊性，同时仍然实现由窄周期滤波器提供的更高的波长精度，根据一些实施例，可以使用次级较粗略的滤波器来定位精细滤波器的单个周期。这种两级滤波器在图4A和4B中被示出。参考图4A，输入信号在两个AMZI 400、402之间被分开，AMZI 400、402中的每一个配备有根据图3A-3D的实施例的90度混合接收机。一个AMZI 400具有大的FSR(例如，2THz)，并且用作粗略滤波器以确定具有足够的精度的光源的频率以将其定位在另一个AMZI 402的滤波器周期中的特定滤波器周期内。其他AMZI 402具有小的FSR(例如，100GHz)，并且用作精细滤波器以确定在所确定的滤波器周期内的光源的频率。如将理解的，这种两级波长锁定器配置通常适用于任何AMZI，并且不需要90度混合接收机的使用(尽管它们是有益的)。例如，如图4B所示，具有主动调谐元件的AMZI 404、406可以用于实现每个AMZI 404、406内的最佳锁定位置。
将进一步理解，具有不同的相应FSR的三个或更多个AMZI可以用于适应光源的甚至更大的调谐范围和/或通过在最精细滤波器级中较窄周期的AMZI的使用来允许增加的波长精度。在操作中，光源的波长已知在粗糙滤波器的整个工作范围内，或者位于使用附加的传感器(诸如来自另一组件的温度读数或光电流)的范围内。然后来自粗滤波器传输的信息被用于将激光在下一精细滤波器的单个周期内对准等等，直到可以定位最精细的滤波器的单个周期。通过其滤波器级的添加可以增加由多级波长锁定器覆盖的整个频率范围的因素是由添加的滤波器级覆盖的范围与其频率精度之间的比率。在各种实施例中，单个滤波器级可以覆盖其频率精度的至少五倍甚至可以达到一百倍的频率范围，其中在使用张力和温度传感器时可实现小于1GHz的精度。因此，在一些实施例中，单个滤波器级可以例如实现50GHz或更小的锁定精度同时具有超过250GHz或甚至5THz的锁定范围。使用多级波长锁定器配置，可以实现50GHz的锁定精度同时具有超过8THz的锁定范围，其对应于C波段内的60nm激光调谐范围，并且对于大量应用是足够的。随着每个滤波器级被添加，每个单独级的范围要求可以放宽。
温度和张力补偿
AMZI的光学响应通常响应于引起热膨胀的温度改变或热光学系数的改变或由于干涉仪臂之间的路径长度差中的张力引起的改变而在频率中偏移。因此，在存在温度改变或机械张力的情况下，除非考虑到温度和/或张力，否则根据本文用作波长参考的AMZI的波长精度被减少。
如本领域已知的那样并且可以在所公开的主题的实施例中采用的，可以用无热AMZI显著地降低AMZI响应中的温度相关偏移。为了呈现AMZI无热，可以利用具有互补热性质的波导部分来配置波导臂，使得每个臂中的温度诱导的光学路径长度改变，或在两臂中至少在任何温度诱导的光学路径长度改变之间的差异在工作温度范围内是最小的。可以通过不同的波导材料和/或不同的波导宽度的使用来实现互补的热性能。例如，在一些实施例中，诸如硅(Si)、氧化硅(SiO2)、GaAs或InP的单一材料与两个波导宽度结合使用；在其他实施例中，诸如硅和氮化硅(SiNx)或硅和氧化硅的两个不同的材料被用于两个波导；并且在另外的实施例中，单个波导材料和宽度与用于两个波导的两个不同的包层材料(例如旋涂聚合物)组合。
在一个特定实施例中，具有分散dβ1/dT的第一材料(例如硅)用于一个波导中的额外长度Δl，并且具有不同分散dβ2/dT的第二材料(例如，SiNx)用于另一个波导的额外长度Δl+ΔL；本文，
Figure BDA0003377792000000191
是波数，其中
Figure BDA0003377792000000192
是相应材料的折射率，分散是随着温度T改变而在波数中改变。长度Δl和ΔL被取决于两种材料而选择，使得当AMZI相对于给定的波长特定温度(在此称为“标称无热温度”)经历温度改变时，所得到的光学路径长度中的改变基本上对于两个干涉仪臂而言是相同的，使得臂之间的光学路径长度的差异保持基本上固定(即，针对标称的无热温度附近的小的温度改变，其改变很小的量)。因此，过滤相位
Figure BDA0003377792000000193
保持不受温度改变的影响。
使用Si和SiNx波导的制造的无热AMZI的结果在图5A和5B中示出。在图5A中，对于30℃(实线500)、53℃(粗虚线502)、和85℃(精细虚线504)分别示出了无热AMZI的传输零点(对应于输出处的相消干涉)。可以看出，该幅度的温度改变导致峰值波长λpeak(分别对应于峰值506、508、510)在0.1nm量级上的偏移。图5B示出了在1270至1320nm的波长范围内53℃下的剩余无热性dλpeak/dT512的波长依赖性；在该范围内，无热性在-1pm/℃的数量级上。
对于给定的峰值波长，仅在标称无热温度下，无热AMZI是完全无热的(在这种意义上，滤波器峰值传输波长或频率随温度的改变dλpeak/dT或dfpeak/dT等于零)。远离标称无热温度，稍微出现误差。这在图6中示出，图6示出了跨越波长和温度范围的二维空间内的恒定无热性水平的线(线600、602、604、606、608、610、612)。对于粗糙应用，该误差可能是微不足道的，但当波长锁定器的所需频率精度≤50GHz时，该误差可能具有实际的显著的效果。
因此，根据各种实施例，通过利用放置在AMZI附近的集成温度传感器(例如，图1中的传感器118)来测量AMZI的温度来补偿误差，并且基于测量的温度来计算地校正对应于期望的锁定频率的AMZI的所存储的目标滤波器相位(或其他目标滤波器参数)。为此目的，在多个波长和温度处测量AMZI滤波器响应(在设备部署之前)。计算校正可以利用处理逻辑(例如，作为电子处理电路装置106的一部分提供)实现，该处理逻辑被配置为一旦温度以及，在一些情况下，光电流被测量时，例如使用校正系数和/或目标参数/对温度的设置的存储功能依赖性，来计算校正系数或对存储的目标参数/设置的调整。备选地，校正系数和/或校正的目标参数值或设置的预先计算的查找表可以被存储(例如，在存储器108中)，并且电子处理电路装置可以被配置为基于所测量的温度和张力来选择所存储的校正系数和/或的目标参数值或设置之一。也可以使用实时计算和预计算的组合。处理逻辑和/或查找表可以在片上(或至少在相同的多芯片模块中)或波长锁定器可访问的外部设备中提供。
从检测器信号计算的滤波器相位与所调整的目标滤波器相位的比较(或备选地，基于温度调整的测量的滤波器相位与(原始的)目标滤波器相位的比较)可以被用作反馈以将激光(或其他光源)调谐到期望的锁定频率。对于集成温度传感器的ΔTsensor的误差，峰值波长的温度诱导偏移的误差为dλpeak/dT·ΔTsensor。由于dλpeak/dT小，温度读数不需要高度准确以提供对无热AMZI的显著校正。例如，在50℃的温度改变上的5℃的误差仍然校正了在无热AMZI温度诱导的误差的90％。附加地，在0℃温度改变上的5℃误差会导致由于AMZI的高无热性而导致小于1GHz的误差。因此，温度传感器提供对无热AMZI的增强，并且波长锁定器的相对误差优于温度传感器的相对误差。
类似于温度效应，可以根据各种实施例通过基于张力测量的计算校正来考虑AMZI响应的张力诱导变化。张力效应可以改变AMZI的路径长度，从而偏移其频率依赖响应。在校准期间，集成波长锁定器被映射到外部波长参考，并且固有地考虑了在校准之前发生的任何张力改变。然而，由于波长锁定器的处理、安置、安装和老化的校准后的张力改变将会影响滤波器的位置。为了测量张力，可以使用具有不同金属的两个电阻温度检测器(RTD)制成集成的张力计。一种金属具有高的电阻温度系数(TCR)，而另一种金属具有低的TCR；例如，较高的TCR可能大于1000ppm/℃，较低的TCR可能小于100ppm/℃。此外，有利的是在高TCR金属上具有低标度因子(GF，定义为电阻与施加张力的相对改变的比率)，并且在低TCR金属上具有低的热膨胀系数(CTE)以最小化张力测量误差。在一些实施例中，高TCR金属的GF小于6，低TCR金属的CTE小于100ppm/℃。用于两个RTD的合适的金属例如是用于高TCR金属的铂(Pt)和用于低TCR金属的镍铬(NiCr)。虽然NiCr是最常见的集成低TCR金属，但附加的合适的金属和合金包括镍铬硅(NiCrSi)、氮化钽(TaN)和铬硅钽铝(CrSiTaAl)。普通的集成高TCR金属包括铝(Al)、镍(Ni)、和钨(W)，而金(Au)、银(Ag)和铜(Cu)不常用。由这两种金属制成的RTD随温度和张力改变(分别为ΔT和Δ∈)而发生的电阻改变分别为：
RPt RTD＝R0，Pt RTD(1+TCRpt·ΔT+GFPt·Δ∈+ΔCTEPt·ΔT·GFPt)
RNiCr RTD＝R0，NiCr RTD(1+TCRNiCr·ΔT+GFNiCr·Δ∈+ΔCTENiCr·ΔT·GFNiCr)
本文R0，Pt RTD和R0，NiCr RTD是参考电阻。从两个RTD上的给定的电阻测量集合，张力和温度改变可以根据以下各项进行提取：
Figure BDA0003377792000000221
Figure BDA0003377792000000222
基于测量的张力，可以在与测量的滤波器相位进行比较之前计算地校正目标滤波器相位(或其它目标滤波器参数)。与温度改变的校正一样，基于张力的计算校正可以用处理逻辑和/或校正系数或张力依赖目标参数/设置的预先计算的查找表来实现。
组合温度和各向同性张力改变的校正，可以使用下式计算AMZI目标滤波器相位的校正
Figure BDA0003377792000000223
Figure BDA0003377792000000224
其中β1和β2是温度的函数。对于在X和Y方向之间不同的各向异性张力，校正基于用两个相应的张力计测量的两个值Δ∈x和Δ∈y，每个张力计与相应的轴对齐。在基于张力和温度的调整被预先计算的实施例中，查找表可以包括用于基于温度和基于张力的调整的单独的校正系数集合，或存储调整温度和张力值组合范围的目标参数或设置。将光源调谐到基于测量的温度和张力调整的目标滤波器相位类似于在给定温度和波长(例如，使用图6所示的关系)或给定的张力和波长处读出精确的误差，以及将激光的频率位置调整该误差。
应当理解，如上所述的温度和张力补偿通常可应用于任何基于AMZI的波长锁定器，包括但不限于具有如本文公开的具有90度混合接收机或主动调谐元件的波长锁定器。
波长锁定器校准和操作
参考图7A-8B，现在将描述根据各种实施例的校准和操作集成波长锁定器的示例方法。图7A示出了用于包括相干(例如，90度混合)接收机的波长锁定器的示例校准方法700。一旦PIC激光被打开(动作702)，并且可选地，在用于AC检测的唯一频率抖动已被施加，其可以用于降低噪声电平(动作704)之后，PIC激光的光学信号在校准系统中被捕获(动作706)，诸如可以包括参考激光的外部(即片外)波长滤波器或波长测量系统，提供对应于期望的锁定波长的校准波长。功率分割器可以例如路由芯片外的激光输出已知部分，而剩余的激光输出被耦合到片上波长锁定器中。PIC激光波长被与校准波长进行比较(动作708)，然后被调谐直到实现与校准波长的匹配(动作710)。在这种状态下，相干接收机(或多级波长锁定器中的多个相干接收机)的所有检测器上的光电流被测量(动作712)并被计算地转换为滤波器相位(或多个相应级的多个滤波器相位)(动作714)。滤波器相位被存储在与波长锁定器相关联的(例如片上)存储器中(动作716)。作为使用PIC激光本身的备选，波长锁定器可以使用以期望的锁定波长发射光的外部参考激光来进行校准。
图7B图示了用于使用根据图7A的方法700校准的用于波长稳定的具有相干接收机的波长锁定器的方法750。一旦PIC激光被打开(动作752)，并且可选地施加了频率抖动(动作754)，则相干接收机的所有检测器上的光电流被测量(动作756)并被计算地转换为滤波器相位(在下文中的“测量滤波器相位”，以区分目标滤波器相位)(动作758)。可选地，AMZI中的温度和/或张力被测量，并用于调整所测量的滤波器相位或所存储的目标滤波器相位(步骤760)。在任何这样的调整之后，所测量的滤波器相位与目标滤波器相位进行比较(动作762)，并且PIC激光被调谐直到所测量的滤波器相位与目标滤波器相位匹配(动作764)。在具有多个滤波器级的实施例中，对于每个级重复该过程，从更粗糙滤波器到精细滤波器。为了保持激光波长在延长的时间段内被锁定，基于与目标滤波器相位进行比较的滤波器相位(动作756、758)和激光调谐的测量(如果适用的话，在基于温度或基于张力的调整之后)(动作760、762、764)可以连续地或以规定的或以其他指定的时间间隔被重复。如将理解的，方法750的各种动作不需要全部按照所描述的精确顺序执行。例如，AMZI中的温度和/或张力的测量和基于其的目标相位调整可以在测量的滤波器相位的确定之前进行。此外，在工作期间温度和张力可以被假设为恒定的情况下，它们的测量和目标相位调整在每次迭代期间不需要重复。
图8A图示了具有主动调谐元件的集成波长锁定器的示例校准方法800。一旦PIC激光被打开(动作702)，并且可选地，在针对AC检测应用了唯一的频率抖动(动作704)之后，在校准系统中PIC激光的光学信号被捕获(动作706)，并且以波长相对于校准波长进行比较(动作708)，并且以与方法700(图7A)相同的方式针对具有相干接收机的波长锁定器，PIC激光被调谐直到其波长与校准波长匹配(动作710)。此外，平衡接收机的检测器上的光电流被测量(动作812)。然而，代替将所测量的光电流转换为滤波器相位，它们用于调谐AMZI中的加热器(或其它主动调谐元件)，直到对应的平衡检测器信号为零(动作812)，其发生在滤波器的最大斜率，即最高灵敏度点。加热器功率值和任何其他调谐加热器设置作为目标设置被存储在存储器中(动作814)。在多级波长锁定器中，所有AMZI中加热器的加热器设置可以被调整，例如从最粗糙滤波器到最精细滤波器，以实现所有级上的零平衡光电流。多个级可以彼此独立地被调谐，其中少量的热串扰可能导致级之间的一些非常小的相互作用。如果串扰效应由于多级近似而对精度有显著的影响，则可以在第一次迭代之后重复校准过程以补偿这些热效应。在每次迭代中，热调整变小，串扰最终变得可忽略。备选地，每个级可以利用独立的闭环反馈来操作，以将所有级同时收敛到零平衡的光电流。
图8B图示了用于使用根据图8A的方法校准的用于波长稳定的具有主动调谐元件的波长锁定器的方法850。PIC激光打开(动作752)，可选地施加频率抖动(动作754)，然后AMZI中的加热器设置为在存储器中存储的功率值或其他目标设置(动作854)，接着基于AMZI的温度和/或张力的测量来可选地调整目标设置(动作852)。温度传感器放置在距离加热器足够远的地方，两者之间的热量串扰最小，因此温度传感器记录PIC而不是加热器的环境温度；在某些实施例中，可以通过将温度传感器放置在与加热器相对的AMZI臂附近来实现。然后测量平衡接收机的检测器上的光电流(动作856)，并作为反馈被提供以调谐PIC激光直到平衡光电流为零(动作858)。在具有多个滤波器级的实施例中，通过测量相应的AMZI中的温度和/或张力(如果适用的话)，将相应的加热器调整到其存储的目标设置，并且调谐激光直到用相应接收机测量的平衡光电流为零(动作852-858)来从最粗糙过滤器到最精细过滤器依次调谐级。当调谐激光时，任何更粗糙级的加热器可以在更精细级的优化期间保持打开。备选地，可以调谐仅具有该级的加热器被打开的滤波器级，其降低了功率消耗并避免了串扰。可以继续进行光电流测量和激光调谐(动作856,858)，或以指定的间隔重复，以保持锁定位置。根据温度和张力的稳定性，基于其上(动作852、854)的它们的测量和调整可以但不必在每次迭代期间重复。
总结上述方法，根据本文的波长锁定通常涉及用波长锁定器的检测器来测量光电流，并且使用电子处理电路装置，调谐被耦合到AMZI中的光的频率以满足一定的锁定条件。锁定条件可以根据波长锁定器的类型而变化。在AMZI中没有主动调谐元件的波长锁定器中，锁定条件可能涉及在校准期间存储的分别从所测量的光电流导出的滤波器相位或其他滤波器参数与目标滤波器相位或其他目标滤波器参数之间的匹配。在AMZI中具有主动调谐元件(例如加热器)的波长锁定器中，锁定条件可以是当主动调谐元件被调谐到所存储的目标设置(例如，目标加热器功率)时，所测量的光电流假定为指定值，例如平衡光电流基本上(即，在与测量相关的误差的边际内)为零。在任一情况下，使用从所测量的光学干涉信号导出的反馈参数(例如从光学干涉信号计算的滤波器相位或平衡的光电流本身)来调谐激光直到满足锁定条件。在一些实施例中，基于AMZI中的测量的温度和/或张力来调整锁定条件的参数，诸如目标参数或目标设置。
PIC制造和包装
可以使用合适的蚀刻和沉积步骤顺序，将如上所述的波长锁定器与要被波长锁定的光源一起制造在单个PIC芯片上。存储目标滤波器相位和/或目标设置的存储器和用于处理光学干涉信号以基于所存储的目标滤波器相位或设置和测量来调谐芯片上光源的电子电路装置可以在单独的电子控制芯片(或多个芯片)上实现，并且PIC芯片和电子控制芯片两者均可以被结合(例如，凸点焊接或引线焊接)或以其他方式附接到统一的基板以形成多芯片模块或“封装”。备选地，存储器和电子电路装置可以在PIC芯片本身上实现，或者与PIC芯片垂直集成。还可以在电连接到PIC的单独设备中提供存储器和/或电子电路装置，例如具有硬件处理器和相关联的存储器的通用计算机，其执行合适的软件以提供信号处理功能。此外，处理功能和存储的数据可以在片上和片外电路装置和存储器之间被分割。
图9以流程图的形式图示了根据各种实施例的制造和组装多芯片集成波长锁模块的示例方法900。方法900的各个步骤在图10A-10D中进一步被图示出。方法900在动作902中开始，创建包括可调谐光源和诸如绝缘体上硅(SOI)衬底或化合物半导体衬底的半导体衬底上的集成波长锁定器的光学部件的PIC。PIC创建的细节和所得到的PIC结构通常根据衬底的类型而变化。通常，该过程可涉及一系列光刻(例如光刻)图案化、蚀刻和沉积(包括例如外延生长)步骤。
参考图10A，以横截面图示出了在SOI衬底1002(其包括硅层、硅氧化物层和硅层)上的PIC 1000的实现。SOI衬底1002的顶部硅层1004被图案化，然后被部分地蚀刻以在区域1007中形成AMZI的波导和其它集成光学结构1006(包括输出耦合器)，以及在区域1008中形成激光二极管和相关联的调制器(用于发送数据并且可选地将低频抖动信号施加到激光)和光电二极管(用作检测器)。可以使用区域1008中的半导体材料来调谐激光，以利用线性和/或二次电光效应或载流子注入(经由自由载体吸收、带隙收缩、带填充效应)或通过放置在激光腔内的区域1007中的热调谐元件。输出耦合器可以是例如采用在输入和输出端口处合并到(较窄的和可选地为锥形的)波导中的矩形(在顶视图中，例如如图3A所示)的形式的MMI。选择矩形MMI的尺寸和输入和输出的位置，使得在源自于输入并干涉输出中的一个的两个波之间被施加规定的相移；这些相移通常在输出端口之间不同。对于90度混合接收机，例如，输出耦合器可以被配置为使得两个干涉信号之间的相移分别在四个输出端口处为0°、90°、180°和270°。(如果四个相对相移全部偏移相同的附加相移，则可以获得相同的滤波器相位信息。)在图案化和蚀刻的硅层之上，可以沉积氧化硅绝缘层以形成包层1010。在激光和检测器的区域1008中，在这些部件的集成光学结构之上的包层1010的顶部上，包括n掺杂和p掺杂区域的化合物半导体材料1012被沉积以形成激光二极管、调制器、和光电二极管；通常，化合物半导体包括结合到表面上并且被针对每个功能进行了优化的多种不同材料。焊盘金属和金属触点(未示出)被沉积以促进施加通过激光二极管的电流以引起受激发射，向激光调谐元件施加电流或电压，在调制器上产生可变电场以发送数据并可选地为波长锁定器提供抖动，以及测量在光电二极管中产生的电流。在激光二极管中产生的光被耦合到下面的集成光学结构中，其可以形成具有通向调制器的输出耦合器、可选的光开关和功率分割器以及AMZI的输入的谐振腔。来自波长锁定器的输出耦合器的输出端口的光耦合到光电二极管的化合物半导体中。
图10B同样在横截面图中图示了化合物半导体衬底1022(诸如例如InP或GaAs)上的PIC 1020的备选实现。PIC 1020包括沉积在衬底1022上的用于激光二极管、调制器和光电二极管的第一类型的各种主动区(统称为第一区域1024)(其中不同类型的第一类型的材料可以用于不同的相应部件)以及用于波长锁定器的AMZI(包括输出耦合器)的第二类型的区域(指示为第二区域1026)。第一类型的区域是掺杂的化合物半导体。第二类型(用于调谐AMZI)的区域是具有沉积在表面上的热调谐器的掺杂化合物半导体或未掺杂化合物半导体。为了创建该PIC 1020，第一类型的化合物半导体材料在衬底1022的整个表面上外延生长。然后将合适的掩模材料(诸如氧化物或氮化物)沉积在表面上并在第一区域中被光刻保护。在第二区域1026中，将掩模材料和第一类型的半导体材被料蚀刻掉以露出裸衬底1022或合适的生长缓冲层。此后，第二类型的化合物半导体材料在暴露的第二区域1026中外延生长。然后可以去除覆盖第一区域1024的掩模材料和沉积在其上的第二类型的任何材料。为了创建第一类型的多个区域(作为第一区域1024的子区域)，在整个表面上外延生长材料的过程，在期望的情况下将其屏蔽，并在沉积第二类型的材料之前或之后，在其余区域(例如，第二区域)可以根据需要重复对其进行蚀刻。此外，当暴露时，第一类型或第二类型的每个区域(或子区域)可以被光刻图案化和蚀刻。例如，激光、检测器和波长锁定器的脊波导和波束限制结构1028被光刻地定义并蚀刻在第二区域1026中。最后，包层1030(例如，氮化硅或氧化硅)被布置在表面上，并且焊盘金属和金属触点被限定和沉积(根据具体制造工艺而改变的步骤的确切顺序)。在该实施例中，在所形成的集成光学结构1028中产生、调制、布线和检测光。
回到图9的描述，在包括AMZI中的加热器、温度传感器和/或张力计的实施例中，一系列附加的金属沉积步骤跟随着波长锁定器的集成光学结构的创建(904)。参照图10C(其示出了PIC 1000的SOI实现)，为了创建用于热调谐AMZI的加热器1050，将高熔点金属(诸如例如钨(W))例如以连续的贴片或绕线迹线的形式沉积在MZI的波导臂之一上。为了监视AMZI中的温度和/或张力，用于温度传感器1052和张力计1054的金属沉积在AMZI附近。对于温度传感器1052，使用具有高TCR(例如，超过1000ppm/℃)的金属，例如铂，并且对于张力计1054，添加具有低TCR的第二金属(例如，低于100ppm/°)，诸如例如镍铬。用于加热器1050、温度传感器1052和/或张力计1054的金属沉积物被封装在电介质1056中。所有电气组件通过封装电介质中的通孔连接到厚金属迹线(例如由金或银制成)。这些厚金属迹线允许将集成组件连接到外部电子设备，例如探针卡和引线键。在一些实施例中，铜微柱或柱被添加到PIC 1000的表面上并附着到厚金属迹线上。这些铜微柱从PIC 1000的表面延伸到10微米到100微米之间；它们具有沉积在其顶表面上的焊料，并且它们在金属迹线界面处在其基底周围具有附加的电介质或聚合物封装。微柱可以连接到有机衬底上的电焊盘，然后可以通过在有机衬底上图案化的球栅阵列将其连接到印刷电路板(PCB)。该堆栈允许从PCB到PIC组件的电连接。
再次参考图9，具有集成波长锁定器的PIC可以通过以规则布置(例如，方形网格)在单个半导体晶片上同时创建大量的PIC来批量制造。在PIC的创建(动作902和可选的动作904)之后，例如通过沿着栅格线的切割将晶片分割成与各个PIC相对应的裸片(或芯片)(906)。包括存储器和用于处理光学干涉信号的处理电路装置的电子控制芯片可以独立于PIC创建(动作908)；适用于电子集成电路的制造过程是本领域普通技术人员周知的。然后将PIC和电子控制芯片组装成多芯片模块或封装。例如，如图10D中示意性所示，PIC 1060和电子控制芯片1062可以并排地结合到统一的多芯片衬底1064(动作910)。在一些实施例中，PIC 1060和电子控制芯片1062是附接到基板1064的倒装芯片，即，它们面朝下安装并对准，使得芯片的焊盘金属上的焊料凸块在多芯片基板上与电连接器接触。在其他实施例中，PIC1060和电子控制芯片1062面朝上安装在基板1064上，并且通过引线接合来形成电连接。多芯片衬底1064上的PIC 1060的组装经常导致波长锁定器中的张力改变。
一旦已经组装了多芯片集成波长锁定器模块，它就准备进行波长锁定器的测试和校准(动作912)。为此目的，多芯片基板1064可以装配到固定温度测试台的配合插座中。校准可以利用在感兴趣波长处操作的外部参考激光，以将光耦合到波长锁定器中。备选地，来自片上光源的光可以被功率分割，并且一部分可以被发送到波长锁定器，而另一部分可以被片外路由到外部无源波长滤波器(例如，Fabry-Perot滤波器)或高分辨率波长测量系统(例如，更复杂的光谱仪)；这允许将片上光源调谐到感兴趣的波长，然后将波长锁定器校准到片上光源。无论哪种方式，光在波长锁定器的光检测器上被测量。在一些实施例中，所测量的光电流或由其计算的一个或多个滤波器参数(诸如目标滤波器相位)被存储在片上存储器中。备选地，在具有加热器(或类似的主动调谐元件)的实施例中，该加热器被调谐直到所测量的光电流达到所期望的值(例如，直到所测量的平衡光电流基本上为零)，并且对应的加热器设置(例如，加热器功率)被存储在片上存储器中。温度传感器和张力计(如果存在的话)的电阻值同样存储在存储器中。在成功校准之后，将多芯片模块组装到PCB或高密度互连基板上(动作914)以形成适合于集成到设备的光学组件，在光学组件(诸如，数据中心收发机、电信收发机、光纤路由器、传感器系统、或医疗激光)被最终被采用的情况下。PCB可以包括例如用于光学组件的输入/输出信号的连接器，用于从单电压片外源创建不同电压的电源供应的电路装置和/或一个或多个电容器。PCB上的组件也可以改变波长锁定器的张力；在PIC包括张力计的情况下，如上所述，任何这样的改变可以被计算地补偿。在将PIC和电子控制芯片集成到多芯片模块(这是首次组装波长锁定器的所有组件)之后，在PCB上组装完成之前，立即进行的测试和校准用于发现和消除任何在制造过程中尽可能早地出现故障的设备以限制开销。
示例实施例
已经描述了波长锁定器以及相关联的制造和使用方法的不同方面和特征，提供了以下编号的示例作为示意性实施例。
1.一种系统，包括：
集成光子电路(PIC)，其包括可调谐光源，以及波长锁定器，包括具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，所述输出耦合器具有多个输出端口并且在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从所述光源被耦合到所述AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和所述多个光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成光学干涉信号的两个信号之间施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；存储器，存储与所述光源的指定锁定频率相关联的一个或多个目标滤波器参数；以及电子处理电路装置，被配置为从所测量的光学干涉信号计算一个或多个滤波器参数，并调谐所述光源的频率，直到所述一个或多个计算的滤波器参数与所述一个或多个目标滤波器参数相匹配。
2.根据示例1所述的系统，其中所述AMZI和所述多个光检测器形成第一滤波器，所述波长锁定器还包括第二滤波器，所述第二滤波器包括具有输出耦合器的第二AMZI，所述输出耦合器具有多个输出端口和放置在输出端口处的第二多个相应光检测器，所述第二AMZI的所述输出耦合器和所述第二多个光检测器被配置为第二相干接收机，其中所述第一滤波器的滤波器周期大于所述第二滤波器的滤波器周期，并且所述第一滤波器的频率误差小于所述第二滤波器的所述滤波器周期。
3.根据示例2所述的系统，其中所述第一滤波器的所述滤波器周期是所述第二滤波器的所述滤波器周期的至少五倍。
4.根据示例1至3中任一项所述的系统，其中所述波长锁定器能够将所述光源的频率锁定在50GHz或更小的频率以内。
5.根据示例4所述的系统，其中所述波长锁定器能够将所述光源的频率锁定在至少200GHz的范围内。
6.根据示例1至5中任一项所述的系统，其中所述输出耦合器具有四个输出端口，并且所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光接收机。
7.根据示例1至5中任一项所述的系统，其中所述输出端口和相应光检测器形成多个平衡接收机对。
8.根据示例1至7中任一项所述的系统，其中所述PIC、和包括所述存储器和所述电子处理电路装置的电子控制芯片被结合到单个衬底以形成多芯片模块。
9.根据示例1至8中任一项所述的系统，其中所述AMZI是无热的。
10.根据示例1至9中任一项所述的系统，其中所述波长锁定器还包括用于测量所述AMZI的温度的温度传感器或用于测量所述AMZI中的张力的张力计中的至少一个，其中所述电子处理电路装置被配置为基于所测量的温度或张力来调整一个或多个目标滤波器参数，或者其中所述存储器存储多个温度依赖或张力依赖的目标滤波器参数集合。
11.一种使用包括AMZI的集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率的方法，所述方法包括：在所述AMZI的输入处，将光从所述光源耦合到所述AMZI中；在所述AMZI的输出处，测量各自从两个信号的干涉得到的多个光学干涉信号，其中在两个干涉信号之间施加的相对相移在光学干涉信号中的至少两个干涉信号之间相差不是180度的倍数的值；从所测量的光学干涉信号来确定一个或多个滤波器参数；以及调谐所述光源的频率，直到所确定的一个或多个滤波器参数匹配与指定的锁定频率相关联的一个或多个对应的存储的目标滤波器参数。
12.根据示例11所述的方法，其中所述AMZI形成第一滤波器的一部分，所述波长锁定器包括具有第二AMZI的第二滤波器，所述第二AMZI的滤波器周期小于所述第一AMZI的滤波器周期，所述光源的所述频率利用所述第一滤波器来调谐，以使一个或多个存储的目标滤波器参数在与不大于所述第二AMZI的所述滤波器周期的频率误差相对应的误差边际内匹配，所述方法还包括：在利用所述第一滤波器对所述光源的所述频率进行粗糙调谐之后，通过以下各项用所述第二滤波器对所述光源的所述频率进行精细调谐：
在所述第二AMZI的输入处将光从所述光源耦合到所述第二AMZI中；
在所述第二AMZI的输出处测量各自从两个信号的干涉得到的多个光学干涉信号，其中在所述两个干涉信号之间被施加的相对相移在所述光学干涉信号中的至少两个光学干涉信号之间相差不是180°的倍数的值；
从所测量的所述光学干涉信号确定所述第二AMZI的一个或多个滤波器参数；
以及调谐所述光源的所述频率，直到在与小于与所述第一滤波器相关联的所述频率误差的频率误差相对应的误差边际内，所确定的所述第二AMZI的一个或多个滤波器参数与所述第二AMZI的一个或多个对应的存储的目标滤波器参数匹配。
13.根据示例11或示例12的方法，其中所测量的光学干涉信号包括同相和正交信号。
14.根据示例11至13中任一项所述的方法，其中所测量的光学干涉信号包括成对的平衡信号。
15.根据示例11至14中任一项所述的方法，还包括测量所述AMZI中的温度或所述AMZI中的张力中的至少一个，以及在与从所测量的光学干涉信号确定的所述一个或多个滤波器参数进行比较之前，基于所测量的温度或张力来调整所述一个或多个目标滤波器参数。
16.根据示例11至15中任一项所述的方法，其中所述光源的频率被锁定在50GHz或更小的频率以内。
17.一种制造多芯片集成波长锁定器模块的方法，所述方法包括：
在半导体衬底上创建包括可调谐光源和波长锁定器的光子集成电路(PIC)，所述波长锁定器包括：具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，所述输出耦合器具有多个输出端口和在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从光源耦合到AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和所述多个光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间被施加的相对相移被在所述输出端口中的至少两个之间相差不是180°的倍数的值；创建包括存储器和处理电路装置的电子控制芯片，电子控制芯片被配置为从所测量的光学干涉信号计算滤波器相位并调谐所述光源的频率，直到所计算的滤波器相位与对应于指定的锁定频率的目标滤波器相位匹配；以及将PIC和电子控制芯片结合到公共基板上以形成所述多芯片集成波长锁定器模块。
18.根据示例17所述的方法，还包括通过以下各项来校准波长锁定器：向所述AMZI的输入提供具有指定的锁定频率的参考信号，测量在所述多个光检测器和所述AMZI的输出端口处的光学干涉信号并将所测量的光学干涉信号计算地转换为滤波器相位，以及将所述滤波器相位作为所述目标滤波器相位存储在存储器中。
19.根据示例18所述的方法，其中所述参考信号由外部光源提供。
20.根据示例18所述的方法，其中所述参考信号由所述PIC的光源在使用外部波长滤波器将所述光源调谐到所指定的锁定频率之后提供。
21.一种波长锁定器，包括：
非热非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，包括输入耦合器、两个波导臂、提供至少两个输出端口的输出耦合器、以及主动调谐元件，所述主动调谐元件布置在所述波导臂中的一个中并且被配置为调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差；以及被放置在所述至少两个输出端口处的至少两个相应的光检测器，所述至少两个相应的光检测与所述输出耦合器一起形成平衡接收机。
22.根据示例21所述的波长锁定器，其中所述AMZI和所述光检测器被集成在光子集成电路中。
23.根据示例21或22所述的波长锁定器，其中所述主动调谐元件包括加热器。
24.根据示例21至23中任一项所述的波长锁定器，还包括存储与指定锁定频率相关联的所述主动调谐元件的目标设置的存储器。
25.根据示例24所述的波长锁定器，还包括：电路装置，被配置为将所述主动调谐元件设置为所述目标设置，以及基于用所述平衡接收机测量的平衡光电流来调谐光源的频率，以使所述平衡光电流基本为零，所述光源将光耦合到所述AMZI中。
26.根据示例24或示例25所述的波长锁定器，还包括温度传感器或张力计中的至少一个，所述存储器存储针对所述AMZI的多个温度或所述AMZI中的多个水平的张力的温度依赖目标设置或张力依赖目标设置，或者所述波长锁定器还包括基于所测量的温度或张力来调整所述目标设置的电路。
27.根据示例21至26中任一项所述的波长锁定器，其中所述AMZI和所述平衡接收机形成第一滤波器，所述波长锁定器还包括第二滤波器，所述第二滤波器包括第二AMZI和第二平衡接收机，其中第一滤波器的滤波器周期大于所述第二滤波器的滤波器周期，并且所述第一滤波器的频率误差小于所述第二滤波器的所述滤波器周期。
28.根据示例27所述的波长锁定器，其中所述第一滤波器的滤波器周期是所述第二滤波器的所述滤波器周期的至少五倍。
29.一种用于使用集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率方法，所述集成波长锁定器包括具有在一个干涉仪臂中的主动调谐元件的AMZI，所述方法包括：将由所述光源发射的光在AMZI的输入处耦合到所述AMZI；调整所述主动调谐元件的设置以匹配在存储器中存储的目标设置，所述目标设置与指定的锁定频率相关联；
在所述AMZI的输出处测量平衡光电流；以及调谐所述光源的频率，直到所测量的平衡光电流基本为零。
30.根据示例29所述的方法，其中所述主动调谐元件包括加热器，并且被调整的所述设置包括加热器功率。
31.根据示例29或示例30的方法，还包括测量所述AMZI中的温度或所述AMZI中的张力中的至少一个，并且在调谐所述光源的所述频率之前基于所测量的温度或张力来调整所述主动调谐元件的所述设置以使所平衡的光电流基本上为零。
32.根据示例29至31中任一项所述的方法，还包括在通过以下各项锁定所述光源的所述频率之前校准所述集成波长锁定器：基于具有指定的锁定频率的外部参考信号来调谐所述光源的所述频率，直到所述光源的所述频率与指定的锁定频率相匹配；以及当所述光源的所述频率与所指定的锁定频率匹配时，调谐所述主动调谐元件的所述设置，直到在所述AMZI的所述输出处测量的平衡光电流基本为零，并然后将该设置作为所述目标设置存储在存储器中。
33.根据示例29至32中任一项所述的方法，其中所述AMZI形成第一滤波器的一部分，所述集成波长锁定器包括具有第二AMZI的第二滤波器，所述第二AMZI的滤波器周期小于所述第一AMZI的滤波器周期，所述光源的所述频率在所述第一滤波器中调谐达到不大于所述第二AMZI的滤波器周期的频率误差，所述方法还包括：在用所述第一滤波器粗糙地调谐所述光源的频率之后，通过以下各项用第二滤波器来对所述光源的频率进行精细调谐：在所述第二AMZI的输入处将由所述光源发射的光耦合到所述第二AMZI中；以及当所述主动调谐元件的所述设置与存储器中存储的所述目标设置相匹配时，在所述第二AMZI的输出处测量第二平衡光电流并调谐所述光源的所述频率，直到所测量的第二平衡光电流基本为零。
34.一种制造集成波长锁定器模块的方法，所述方法包括：在半导体衬底上创建包括可调光源和波长锁定器的PIC，所述波长锁定器包括具有两个波导臂的AMZI、和平衡接收机；以及在所述波导臂之一上沉积金属，以形成用于调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差的主动调谐元件。
35.根据示例34所述的方法，还包括：创建电子控制芯片，所述电子控制芯片包括存储器和处理电路，所述存储器存储有所述主动调谐元件的目标设置，所述处理电路被配置为基于用所述平衡接收器测量的平衡光电流来调谐所述光源的所述频率，以使所述平衡光电流基本为零，所述光源将光耦合到所述AMZI；以及将所述PIC和所述电子控制芯片结合到公共衬底上以形成所述集成的波长锁定器模块。
36.根据示例35所述的方法，还包括通过以下各项校准所述集成波长锁定器模块：向所述AMZI的输入提供具有指定锁定频率的参考信号；以及调谐所述主动调谐元件的设置，直到用所述平衡接收机测量的平衡光电流基本为零，并且然后将该设置作为所述目标设置存储在所述存储器中。
37.根据示例36所述的方法，其中所述参考信号由外部光源提供。
38.根据示例36所述的方法，其中所述参考信号由所述PIC的所述光源在使用外部波长滤波器将所述光源调谐到所述指定的锁定频率之后提供。
39.根据示例36至38中任一项所述的方法，还包括在邻近所述AMZI的所述PIC中创建张力计，并且在将所述PIC和所述电子控制芯片结合到所述公共衬底之后，测量所述AMZI中的张力并将所测量的张力存储在所述存储器中。
40.根据示例36至39中任一项所述的方法，还包括在邻近所述AMZI的所述PIC中创建温度传感器，其中校准所述集成波长锁定器模块还包括测量所述AMZI的所述温度并将所测量的温度存储在所述存储器中。
41.一种波长锁定器，包括：
无热非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，所述无热非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)包括输入耦合器、两个波导臂、和具有至少两个输出端口的输出耦合器；被放置在所述至少两个输出端口处的至少两个相应的光检测器，其用于测量离开所述至少两个输出端口的至少两个相应的光学干涉信号；用于测量所述AMZI的温度的温度传感器和用于测量所述AMZI中的张力的张力计；以及电路，被配置为基于所测量的温度和张力来调整锁定条件，并且基于从所测量的光学干涉信号导出的反馈参数来调谐耦合到所述AMZI中的光的频率，以满足所调整的锁定条件。
42.根据示例41所述的波长锁定器，其中所述输出耦合器和所述至少两个光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间被施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个之间相差不是180°的倍数的值，并且其中所述反馈参数是滤波器相位，并且如果所述滤波器相位匹配与指定锁定频率相关联的目标滤波器相位，则锁定条件被满足，所述目标滤波器相位基于所测量的温度和张力被调整。
43.根据示例41或示例42的波长锁定器，其中所述输出耦合器具有四个输出端口，所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光学接收机。
44.根据示例41所述的波长锁定器，其中所述AMZI包括在所述波导臂之一中被配置为调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差的主动调谐元件，其中所述至少两个光检测器包括形成平衡接收机的一对光检测器，其中所述反馈参数是用所述平衡接收机测量的平衡光电流，并且其中当所述主动调谐元件的设置与和指定的锁定频率相关联的目标设置相匹配时，如果所述平衡光电流基本上为零，则所述锁定条件被满足，所述目标设置基于所测量的温度和张力来调整。
45.根据示例41至44中任一项所述的波长锁定器，其中所述锁定条件包括目标参数，所述波长锁定器还包括存储针对多个温度和张力的目标参数值或校正系数的存储器，所述电路被配置为基于所测量的温度和张力来选择所存储的目标参数值或校正系数之一。
46.根据示例41至45中任一项所述的波长锁定器，其中所述锁定条件包括目标参数，并且其中所述电路被配置为：基于使用目标参数对温度和张力的存储功能依赖性所测量的温度和张力，计算地调整与标称温度和标称张力相关联的所存储的目标参数值。
47.根据示例41至46中任一项所述的波长锁定器，其中所述张力计包括两个电阻温度检测器，所述电阻温度检测器由两种相应的金属组成，所述金属在它们的电阻的相应温度系数中不同。
48.一种用于使用包括无热AMZI的集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率的方法，所述方法包括：在所述AMZI的输入处，将由所述光源发射的光耦合到所述AMZI中；在所述AMZI的输出处测量至少两个光学干涉信号；测量所述AMZI的温度和所述AMZI中的张力；基于所测量的温度和张力来调整锁定条件；以及基于从所测量的光学干涉信号导出的反馈参数来调谐所述光的频率，以满足所调整的锁定条件。
49.根据示例48所述的方法，还包括从所测量的光学干涉信号来计算所述AMZI的滤波器相位，所述滤波器相位构成所述反馈参数，其中所述锁定条件通过调谐所述光的所述频率来满足，以使得所述滤波器相位匹配与指定锁定条件相关联的目标滤波器相位，并基于所测量的温度和张力进行调整。
50.根据示例49所述的方法，其中所述至少两个光学干涉信号包括平衡同相和正交信号。
51.根据示例48所述的方法，还包括调整在所述AMZI的一个波导臂中包括的主动调谐元件的设置以匹配与指定的锁定频率相关联的并且基于所测量的温度和张力来调整的目标设置，其中所述反馈参数是从所述至少两个光学干涉信号得到的平衡光电流，并且其中通过调谐所述光的所述频率以使所述平衡光电流基本上为零、同时所述主动调谐元件的所述设置与所述目标设置匹配，来满足所述锁定条件。
52.根据示例48至51中任一项所述的方法，其中调整所述锁定条件包括：基于测量温度和张力，在针对多个温度和张力而存储的目标参数值中，选择在所述锁定条件中包括的目标参数的值。
53.根据示例48至51中任一项所述的方法，其中调整所述锁定条件包括：基于使用所存储的所述目标参数对温度和张力的功能依赖性所测量的温度和张力，计算地调整在所述锁定条件中包括的目标参数的值。
54.根据示例48至53中任一项所述的方法，还包括：在用于频率锁定的所述波长锁定器的使用之前，在多个波长和温度处测量所述AMZI的滤波器响应。
55.一种制造集成波长锁定器模块的方法，所述方法包括：在半导体衬底上创建包括可调谐光源和波长锁定器的PIC，所述波长锁定器包括AMZI，所述AMZI具有两个波导臂、和用于在AMZI的输出处测量至少两个相应的光干涉信号的至少两个光检测器；以及在所述AMZI附近沉积金属，以形成张力计和温度传感器。
56.根据示例55所述的方法，其中对于所述张力计，具有不同的相应电阻的温度系数的两种金属被沉积。
57.根据示例56的方法，其中用于张力计的两种金属是铂和镍-铬。
58.根据示例55至57中任一项所述的方法，其中对于所述温度传感器，具有高于1000ppm/℃的电阻的温度系数的金属被沉积。
59.根据示例55至58中任一项所述的方法，还包括将所述张力计和所述温度传感器封装在电介质中。
60.根据示例55至59中任一项所述的方法，还包括：创建电子控制芯片，电子控制芯片包括存储器和处理电路，所述存储器存储与锁定条件相关联的一个或多个参数，所述处理电路被配置为基于温度和张力测量来调整所述一个或多个参数，并且基于从所测量的光学干涉信号导出的反馈参数来调谐耦合到所述AMZI中的光的频率，以用所调整的一个或多个参数来满足所述锁定条件；以及将所述PIC和所述电子控制芯片结合到公共衬底上以形成所述集成波长锁定器模块。
虽然已经参考具体示例实施例描述了实施例，但是将显而易见的是，在不脱离本公开的更广泛范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是示意性的而不是限制性的。

Claims (54)

1.一种波长锁定器，包括：
无热非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI，所述无热非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI包括输入耦合器、两个波导臂、和具有至少两个输出端口的输出耦合器；
被放置在所述至少两个输出端口处的至少两个相应的光检测器，所述至少两个相应的光检测器用于测量离开所述至少两个输出端口的至少两个相应的光学干涉信号；
用于测量所述AMZI的温度的温度传感器和用于测量所述AMZI中的张力的张力计；以及
电路装置，被配置为基于所测量的所述温度和所述张力来调整锁定条件，并且基于从所测量的所述光学干涉信号得出的反馈参数来调谐耦合到所述AMZI中的光的频率，以满足所调整的所述锁定条件。
2.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述输出耦合器和所述至少两个光检测器被配置为相干接收机，在所述相干接收机中，在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间被施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值，并且其中所述反馈参数是滤波器相位，并且在所述滤波器相位与指定的锁定频率相关联的目标滤波器相位相匹配的情况下，锁定条件被满足，所述目标滤波器相位基于所测量的所述温度和所述张力而被调整。
3.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述输出耦合器具有四个输出端口，并且所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光学接收机。
4.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述AMZI包括在所述波导臂中的一个波导臂中被配置为调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差的主动调谐元件，其中所述至少两个光检测器包括形成平衡接收机的一对光检测器，其中所述反馈参数是利用所述平衡接收机测量的平衡光电流，并且其中当所述主动调谐元件的设置与指定的锁定频率相关联的目标设置相匹配时，在所述平衡光电流基本上为零的情况下，所述锁定条件被满足，所述目标设置基于所测量的所述温度和所述张力而被调整。
5.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述锁定条件包括目标参数，所述波长锁定器还包括存储针对多个温度和张力的目标参数值或校正系数的存储器，所述电路装置被配置为基于所测量的所述温度和所述张力来选择所存储的所述目标参数值或所述校正系数中的一个。
6.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述锁定条件包括目标参数，并且其中所述电路装置被配置为：基于所测量的所述温度和所述张力，使用目标参数对温度和张力的所存储的功能依赖性，计算地调整与标称温度和标称张力相关联的所存储的目标参数值。
7.根据权利要求1所述的波长锁定器，其中所述张力计包括两个电阻温度检测器，所述两个电阻温度检测器由两种相应的金属制成，所述两种相应的金属在它们的电阻的相应温度系数中不同。
8.一种波长锁定方法，包括：
在光子集成电路PIC的无热AMZI的输入处将由所述PIC的光源发射的光耦合到所述AMZI中；
在所述AMZI的输出处，测量至少两个光学干涉信号；
测量所述AMZI的温度和所述AMZI中的张力；
基于所测量的所述温度和所述张力来调整锁定条件；以及
基于从所测量的所述光学干涉信号得出的反馈参数来调谐所述光的频率，以满足所调整的所述锁定条件。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括从所测量的所述光学信号计算所述AMZI的滤波器相位，所述滤波器相位构成所述反馈参数，其中所述锁定条件通过调谐所述光的所述频率而被满足，以使得所述滤波器相位匹配目标滤波器相位，所述目标滤波器相位与指定的锁定条件相关联的并且基于所测量的所述温度和所述张力而被调整。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少两个光学干涉信号包括平衡同相和正交信号。
11.根据权利要求8所述的方法，还包括调整所述AMZI的一个波导臂中包括的主动调谐元件的设置，以匹配与指定的锁定频率相关联的、并且基于所测量的所述温度和所述张力被调整的目标设置，其中所述反馈参数是从所述至少两个光学干涉信号产生的平衡光电流，并且其中通过调谐所述光的所述频率以使所述平衡光电流基本上为零、同时所述主动调谐元件的所述设置与所述目标设置相匹配，来满足所述锁定条件。
12.根据权利要求8所述的方法，其中调整所述锁定条件包括：基于所测量的所述温度和所述张力，在针对多个温度和张力而存储的目标参数值之中，选择所述锁定条件中包括的目标参数的值。
13.根据权利要求8所述的方法，其中调整所述锁定条件包括：基于所测量的所述温度和所述张力，使用所述目标参数对温度和张力的所存储的功能依赖性，计算地调整所述锁定条件中包括的目标参数的值。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括：在对用于频率锁定的所集成的所述波长锁定器的使用之前，测量所述AMZI在多个波长和温度处的滤波器响应。
15.一种制造集成波长锁定器模块的方法，所述方法包括：
在半导体衬底上，创建包括可调谐光源和波长锁定器的PIC，所述波长锁定器包括AMZI和至少两个光检测器，所述AMZI具有两个波导臂，所述至少两个光检测器用于测量AMZI的输出处的至少两个相应的光学干涉信号；以及
在所述AMZI附近沉积金属，以形成张力计和温度传感器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中对于所述张力计，具有不同的相应电阻温度系数的两种金属被沉积。
17.根据权利要求16的方法，其中用于所述张力计的所述两种金属是铂和镍-铬。
18.根据权利要求15所述的方法，其中对于所述温度传感器，具有高于1000ppm/℃的电阻温度系数的金属被沉积。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括将所述张力计和所述温度传感器封装在电介质中。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：
创建一个或多个电子控制芯片，所述电子控制芯片包括存储器和处理电路装置，所述存储器用于存储与锁定条件相关联的一个或多个参数，所述处理电路装置被配置为基于分别利用所述温度传感器和张力计的温度和张力测量来调整所述一个或多个参数，并且基于从所测量的光学干涉信号得出的反馈参数来调谐被耦合到所述AMZI中的光的频率，以利用所调整的所述一个或多个参数来满足所述锁定条件；以及
将所述PIC和所述一个或多个电子控制芯片结合到公共衬底上，以形成所述集成波长锁定器模块。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述存储器存储针对多个温度和张力的目标参数值或校正系数，并且其中所述处理电路装置被配置为基于所述温度和张力测量来选择所存储的所述目标参数值或所述校正系数中的一个。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述一个或多个参数包括目标参数，并且其中所述处理电路装置被配置为基于所述温度和张力测量，使用所述目标参数对温度和张力的所存储的功能依赖性，来计算地调整与标称温度和标称张力相关联的所述目标参数的所存储的值。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述反馈参数是所述AMZI的滤波器相位，并且所述一个或多个参数包括与指定的锁定频率相关联的目标滤波器相位，所述处理电路装置被配置为基于所述温度和张力测量来调整所述目标滤波器相位，其中在所述滤波器相位与所述目标滤波器相位相匹配的情况下，锁定条件被满足。
24.根据权利要求20所述的方法，其中所述AMZI包括在所述波导臂中的一个波导臂中被配置为调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差的主动调谐元件，其中所述一个或多个参数包括与指定的锁定频率相关联的所述主动调谐元件的目标设置，其中所述处理电路装置被配置为基于所述温度和张力测量来调整所述目标设置，其中反馈参数是利用至少两个光检测器测量的平衡光电流，并且其中当所述主动调谐元件的设置与所述目标设置相匹配时，在所述平衡光电流基本上为零的情况下，所述锁定条件被满足。
25.根据权利要求20所述的方法，还包括在结合之后校准所述集成波长锁定器模块。
26.根据权利要求25所述的方法，其中校准所述集成波长锁定器模块包括：
将所述公共衬底安装到固定温度测试台的配合插座中；
将感兴趣波长的光耦合到所述波长锁定器中；以及
确定与所述锁定条件相关联的所述一个或多个参数并将所确定的所述一个或多个参数存储在所述存储器中。
27.根据权利要求26所述的方法，其中确定所述一个或多个参数包括：在感兴趣波长的光被耦合到所述波长锁定器中的同时，测量两个或更多个所述光检测器处的光电流。
28.根据权利要求27所述的方法，其中被存储在所述存储器中的所述一个或多个参数包括所测量的所述光电流或从所测量的所述光电流计算的一个或多个滤波器参数中的至少一项。
29.根据权利要求27所述的方法，其中确定所述一个或多个参数还包括：调谐所述波导臂中的一个波导臂中的主动调谐元件直到所测量的所述光电流达到期望值为止，并且其中被存储在所述存储器中的所述一个或多个参数包括与达到所述期望值的所述光电流相对应的调谐元件设置。
30.根据权利要求25所述的方法，还包括：在所述校准之后，将所述集成波长锁定器模块组装到印刷电路板或高密度互连衬底上以形成光学组件，并且重新校准所述集成波长锁定器模块以补偿张力的从所述组装产生的任何变化。
31.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在所述半导体衬底上创建存储器和处理电路装置，所述存储器存储与锁定条件相关联的一个或多个参数，所述处理电路装置被配置为基于分别利用所述温度传感器和张力计的温度和张力测量来调整所述一个或多个参数，并且基于从所测量的光学干涉信号得出的反馈参数来调谐被耦合到所述AMZI的光的频率，以利用所调整的所述一个或多个参数来满足所述锁定条件。
32.根据权利要求15所述的方法，其中创建所述可调谐光源和所述波长锁定器包括一系列光刻图案化、蚀刻和沉积步骤。
33.根据权利要求15所述的方法，其中所述AMZI还包括提供至少两个输出端口的输出耦合器，所述至少两个光学干涉信号在所述至少两个输出端口处离开所述AMZI，并且其中所述AMZI的所述输出耦合器和所述至少两个光检测器被配置为相干接收机，在所述相干接收机中，在被干涉以形成所述至少两个光学干涉信号的两个信号之间被施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述AMZI包括提供四个输出端口的输出耦合器，并且所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光学接收机。
35.一种集成光子电路PIC，包括：
可调谐光源；以及
波长锁定器，包括非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI和多个相应光检测器，所述非对称Mach-Zehnder干涉仪具有输出耦合器，所述输出耦合器具有多个输出端口，所述多个相应光检测器被放置在所述多个输出端口处，用于测量在光从所述光源被耦合到所述AMZI中时离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和所述多个光检测器被配置为相干接收机，在所述相干接收机中，由所述输出耦合器在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值。
36.根据权利要求35所述的PIC，其中所述AMZI和所述多个光检测器形成第一滤波器，所述波长锁定器还包括第二滤波器，所述第二滤波器包括具有输出耦合器的第二AMZI和第二多个相应光检测器，所述输出耦合器具有多个输出端口，所述第二多个相应光检测器被放置在所述输出端口处，所述第二AMZI的所述输出耦合器和所述第二多个光检测器被配置为第二相干接收机，其中所述第一滤波器的滤波周期大于所述第二滤波器的滤波周期，并且所述第一滤波器的频率误差小于所述第二滤波器的所述滤波周期。
37.根据权利要求36所述的PIC，其中所述第一滤波器的所述滤波周期比所述第二滤波器的所述滤波周期大至少五倍。
38.根据权利要求35所述的PIC，其中所述波长锁定器能够将所述光源的所述频率锁定在50GHz内或更低。
39.根据权利要求38所述的PIC，其中所述波长锁定器能够将所述光源的所述频率锁定在跨至少200GHz的范围。
40.根据权利要求35所述的PIC，其中所述输出耦合器具有四个输出端口并且所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光学接收机。
41.根据权利要求35所述的PIC，其中所述输出端口和所述相应的光检测器形成多个平衡接收机对。
42.根据权利要求35所述的PIC，其中所述AMZI是无热的。
43.根据权利要求35所述的PIC，其中所述波长锁定器还包括用于测量所述AMZI的温度的温度传感器或用于测量所述AMZI中的张力的张力计中的至少一个。
44.根据权利要求35所述的PIC，还包括：
存储器，用于存储与所述光源的指定锁定频率相关联的一个或多个目标滤波器参数；以及
电子处理电路装置，被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算一个或多个滤波器参数并且调谐所述光源的频率直到所计算的所述一个或多个滤波器参数与所述一个或多个目标滤波器参数匹配。
45.根据权利要求44所述的PIC，其中所述电子处理电路装置还被配置为基于所述AMZI的所测量的温度或所述AMZI中的所测量的张力中的至少一个来调整所述一个或多个目标滤波器参数。
46.根据权利要求44所述的PIC，其中所述存储器存储针对所述AMZI的多个温度或所述AMZI中的多个张力中的至少一个的多组目标滤波器参数。
47.一种制造包括可调谐光源和波长锁定器的集成光子电路PIC的方法，所述方法包括：
对绝缘体上硅衬底的顶部硅层进行图案化和蚀刻，以在所述顶部硅层的第一区域中形成非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI的集成光学结构，并且在所述顶部硅层的第二区域中形成被耦合到所述AMZI的输入端口的激光二极管和被耦合到所述AMZI的输出耦合器的多个相应输出端口的多个光电二极管的集成光学结构，所述输出耦合器的尺寸和所述输入端口和输出端口的位置被配置，使得由所述输出耦合器在两个光学信号之间施加的相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值，所述两个光学信号在所述输入端口处起源并且在所述输出端口处干涉；
在经图案化和蚀刻的所述顶部硅层的顶部沉积包层，并且使所述包层绝缘；以及
在所述第二区域上方的所述包层的顶部沉积n掺杂和p掺杂的化合物半导体材料，以形成所述激光二极管和所述多个光电二极管。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述输出耦合器包括合并到所述波导以及所述输入端口和输出端口中的矩形多模干涉仪。
49.根据权利要求47所述的方法，其中所述输出耦合器具有四个输出端口并且被配置为使得所述相移在所述输出端口中的两个端口之间相差90°。
50.一种校准集成波长锁定器的方法，所述方法包括：
向波长锁定器的非对称Mach-Zehnder干涉仪AMZI的输入端提供具有校准波长的参考信号，
在所述AMZI的输出端测量多个光学干涉信号，每个光学干涉信号从两个信号的干涉产生，其中在所述两个干涉信号之间被施加的相对相移在所述光学干涉信号中的至少两个光学干涉信号之间相差不是180°的倍数的值；
将所测量的光学干涉信号计算地转换为滤波器参数，以及
将所述滤波器参数作为目标滤波器参数存储在存储器中。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述参考信号由外部光源提供。
52.根据权利要求50所述的方法，其中在使用外部波长滤波器将所述光源调谐到所述校准波长之后，由在公共光子集成电路PIC中与所述波长锁定器集成的光源提供所述参考信号。
53.根据权利要求52所述的方法，还包括对所述光源应用频率抖动。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述多个光学干涉信号利用被放置在所述AMZI的所述输出端的多个相应光检测器而被测量，所述光检测器和所述AMZI的输出耦合器被共同配置为相干接收机。
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