CN114205000A - 用于硅光子学的集成半导体光放大器 - Google Patents

用于硅光子学的集成半导体光放大器 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例涉及硅光子集成装置，其包括用于接收光信号的输入端、光学耦合到输入端以在第一路径和第二路径处分离光信号的分离器、与第一路径或第二路径光学耦合的偏振分束器和旋转器(PBSR)、以及与第一路径或第二路径光学耦合并且设置在分离器与PBSR之间的半导体光放大器(SOA)。可以描述和/或要求保护其他实施例。

Description

用于硅光子学的集成半导体光放大器
技术领域
本公开的实施例总体上涉及光子集成电路(PIC)领域，更特别地，涉及集成到硅光子器件中的半导体光放大器(SOA)。
背景技术
计算平台正在越来越多地将光子集成电路用于相干光链路，以通过调制光信号的幅度和相位来增加传输容量。
附图说明
通过以下结合附图的具体实施方式，将容易理解实施例。为了便于描述，相同的附图标记指定相同的结构元件。在附图的各图中，通过示例而非限制的方式示出了实施例。
图1示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之前进行前置放大和在调制器之后进行后置放大的混合集成SOA。
图2示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之前进行前置放大的混合集成SOA。
图3示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之后进行后置放大的混合集成SOA。
图4示出了根据各个实施例的相干接收器，其包括用于在探测器之前进行前置放大的X和Y偏振分支中的每一个的混合集成SOA。
图5示出了根据各个实施例的并入了混合集成SOA的能量高效激光器。
图6示出了根据各个实施例的发射器，其并入了具有微环调制器(MRM)的混合集成SOA。
图7示出了根据各个实施例的接收器，其并入了具有硅(Si)光电探测器(PD)的混合集成SOA。
图8示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其包括双偏振SOA和锗(Ge)PD。
图9示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有偏振分离器旋转器(PSR)、SOA和Ge PD。
图10示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有PSR和组合器、SOA和GePD。
图11示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有PSR和组合器、SOA、波长解复用器和多个Ge PD。
图12示出了根据各个实施例的具有多个SOA的双偏振收发器。
图13示出了根据各个实施例的具有多个SOA以消除过量放大自发发射(ASE)的双偏振收发器内的滤波器位置。
图14示意性地示出了根据一个实施例的计算设备。
具体实施方式
本文描述的实施例可以涉及硅光子集成装置，其包括用于接收光信号的输入端、光学耦合到输入端以在第一路径和第二路径处分离光信号的分离器、与第一路径或第二路径光学耦合的偏振分束器和旋转器(PBSR)、以及与第一路径或第二路径光学耦合并且设置在分离器与PBSR之间的半导体光放大器(SOA)。
硅光子高速相干同相正交(IQ)调制器和相关联的接收器可以基于64GBaud和64正交幅度调制(QAM)高阶调制方案来支持600Gb/s的传输。基于硅光子调制器物理层设计的优化，它们还可以支持用于超过600Gb/s(例如，800Gb/s或1.2Tb/s)的较高传输速率的较高波特率和较高QAM调制组合。
对这种高速相干IQ调制器的性能的基本限制之一是调制器中引起的光损耗。首先，相干IQ调制器需要多个元件，例如用于将信号分离到指定用于两种不同偏振的两个不同分支中的分光器、移相器、偏振旋转器、偏振组合器和不同位置处的许多光耦合器抽头，以便监测IQ调制器内的不同位置处的输入或输出光功率。这些元件将导致来自可调谐激光器的进入光功率的显著功率损耗。第二，也是更重要地，QAM调制的阶数越高，有效光损耗越高。例如，对于基于64Gbaud和16QAM调制方案的400Gb/s应用，额外调制引起的光信号损耗为大约10dB。结合物理传输引起的损耗和调制引起的损耗，并且假设难以实现来自可调谐激光器的光输出功率的增加(例如，大于20dBm)，则难以从在高阶QAM调制下操作的相干IQ调制器获得足够的输出光功率。在需要高产出时，所得的输出功率可能较低。例如，在基于硅光子学的相干400G IQ调制器(64GBaud和16QAM)的传统配置中，输出功率通常在-8dBm到-12dBm左右。然而，在许多应用中，需求可以是-6dBm到+4dBm。根据400Gb/s情况的应用，间隙在从2dB到16dB的任何地方。对于600Gb/s、800Gb/s或利用更高阶QAM调制的更高操作速率，调制引起的损耗高得多，并且相应地，输出信号需要更高。因此，存在所需光功率中不断更大间隙的瓶颈的挑战。
有几种传统尝试来解决这种瓶颈。在一种传统实施方式中，光放大元件被添加或共同封装到可调谐激光器的输出端，以在激光器耦合到调制器中之前增强其输出功率。在另一传统实施方式中，光放大元件可以被共同封装到硅光子调制器的输出端口上。在其他传统实施方式中，光放大元件可以被共同封装到两个接收器臂中，以便增加接收器灵敏度并且增加从收发器到接收器的传输范围。在所有这些传统实施方式中，由于增加的耦合损耗、对复杂耦合透镜的需求、封装尺寸的增加、对光隔离器的需求以及大量复杂的光学对准工作和相关联成本，从外部元件到硅光子调制器和接收器中的耦合或从硅光子调制器和接收器的耦合是具有挑战的。利用这些传统实施方式，所得的封装可能太大，成本太高并且不适合于可插式模块应用。
其他传统实施方式使用基于硅光子学的相干IQ调制器和接收器，而没有集成SOA。在这些传统实施方式中，对于400Gb/s或800Gb/s数据中心互连应用，以及对于距离可能超过80km的地铁应用，功率是不够的。在使用更高阶QAM调制用于更高传输速率时，这些功率挑战增加。
本文描述的实施例可以涉及磷化铟(InP)或其他材料到硅光子平台上的混合集成技术。与上述传统实施方式相比，这种技术提高了质量和可靠性，并且可以以更低成本和更高体积生产。另外，这些实施例可以支持在光子平台上实施的许多不同功能的复杂集成。实施例可以包括将混合基于InP的SOA集成到基于硅光子学的调制器和/或接收器的各个臂中。
实施例可以涉及新的发射器架构设计，其中，硅光子调制器和接收器将与基于InP的SOA集成。在实施例中，它们将使用晶圆接合技术来集成。这些混合SOA集成调制器和接收器的实施例结合了两种材料系统中的最佳点：InP用于放大，并且硅光子材料用于调制器和接收器。实施例可以实现高速调制以支持每波长400Gb/s、800Gb/s到1Tb/s以及以上的高容量相干应用。
另外，传统光子通信系统需要更大的光功率，特别是在速度接近1Tbps/光纤时。在本文描述的实施例中，在硅光子平台中并入III-V/Si混合SOA的各种实施方式可以实现能量高效、复杂性降低并且成本更低的光子系统。特别地，公开了在光子系统内的关键位置处使用III-V/Si混合SOA的优化实施方式以支持更高数据速率的实施例。
硅光子光收发器提供了在缩放高性能计算中克服I/O约束所需的能量高效的高带宽密度解决方案。混合硅光放大器可以集成在发射器或接收器中，以放大光信号并且补偿光链路中的损耗，作为更高功率激光源的替代。如果放大的到集成激光器的背反射导致将使光信号减弱的升高的噪声，则将SOA放置在发射器内可能限制SOA的益处。
实施例还可以涉及放置在激光器之后或发射器之后的光隔离器，其中，一个或多个SOA可以集成在具有锗(Ge)光电探测器的硅光子接收器中，用于独立于对激光器的负面影响的光放大。这些实施例可以在高性能计算中提供用于输入/输出(I/O)的低成本、可缩放的解决方案。接收器中的集成混合硅SOA放大光信号，而不限制放大的背反射，从而使集成在发射器上的激光器不稳定。
硅光子光收发器还提供了实施具有可插式形状因子的具有400Gb/s、800Gb/s和更高数据传输速率的相干光链路所需的低成本、高容量解决方案。相干光链路通过调制光信号的幅度和相位两者来增加传输容量。例如，与用于开关键控的每符号1比特相比，诸如16QAM和64QAM的更高阶调制格式每符号编码4比特和6比特。这可以与偏振分割复用(PDM)组合，以通过以两个正交偏振传输相干信号来使光纤中的数据加倍。
相干双偏振发射器可以包括具有IQ调制器(每个偏振一个IQ调制器)和偏转旋转器和组合器的激光器。相干光接收器由偏振分束器和旋转器组成，以分离偏转，然后使用本地振荡器(参考光信号)在具有平衡光电探测器的90度光混合器中与进入SATA信号混合，以将相位和幅度调制的信号光信号转换到电域中。在相干收发器中，来自同一激光源的光可以被分离并且用于传输和用于接收器本地振荡器。
在传统实施方式中，由于链路中部件的损耗，特别是来自IQ调制器自身的损耗，以及由于调制格式的有效损耗，在没有放大的情况下满足链路预算是具有挑战的。在传统实施方式中，根据应用和调制格式，在6-16dB的功率中可能存在间隙。在实施例中，包括混合III-V Si半导体光放大器(SOA)并且将它们集成在硅光子收发器内可以提供低成本和紧凑的解决方案，以增强信号以便闭合链路。
在以下描述中，将使用本领域技术人员通常采用的术语描述说明性实施方式的各个方面，以将他们的工作实质传达给本领域的其他技术人员。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，本公开的实施例可以仅利用所述方面中的一些来实践。为了解释的目的，阐述了具体数量、材料和配置，以便提供对说明性实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其他实例中，省略或简化了公知的特征，以便不使说明性实施方式难以理解。
在以下具体实施方式中，参考形成其一部分的附图，其中相同的附图标记始终指定相同的部分，并且其中，其通过其中可以实践本公开的主题的说明实施例来示出。应当理解，可以利用其他实施例，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下进行结构或逻辑改变。因此，以下具体实施方式不是以限制意义来理解，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物来限定。
为了本公开的目的，短语“A和/或B”意味着(A)、(B)或(A和B)。为了本公开的目的，短语“A、B和/或C”意味着(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。
本说明书可以使用基于透视图的描述，例如顶部/底部、进/出、上/下等。这样的描述仅用于帮助讨论，而不旨在将本文描述的实施例的应用限制于任何特定的方向。
本说明书可以使用短语“在实施例中”，其可以指代相同或不同实施例中的一个或多个。此外，如关于本公开的实施例所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。
术语“与…耦合”及其派生词可以在本文中使用。“耦合”可以意味着以下的一个或多个。“耦合”可以意味着两个或更多个元件直接物理或电接触。然而，“耦合”也可以意味着两个或更多个元件彼此间接接触，但是仍然彼此协作或交互，并且可以意味着一个或多个其他元件耦合或连接在被称为彼此耦合的元件之间。术语“直接耦合”可以意味着两个或更多个元件直接接触。
图1-图4示出了包括用于放大的混合集成SOA的相干发射器和接收器。这些实施例可以包括用于控制光波特性的马赫-曾德尔(MZ)调制器的元件和结构。例如，利用MZ调制器，输入波导被分离为两个波导干涉仪臂。如果在臂中的一个臂上施加电压，则针对通过该臂的波感应出相移。在两个臂重新组合时，两个波之间的相位差被转换为幅度调制。
在实施例中，硅光子混合SOA集成调制器和接收器的配置是MZ调制器和相干接收器的形状，其中，SOA结构被限定在如图1-图3中所示的MZ 臂中和如图4中所示的接收器臂中的各个位置。
在实施例中，SOA可以由器件晶圆上的硅波导限定，硅波导与MZ臂和接收器臂的下方的输入和输出波导对准。对于增强放大器(booster amplifier)，进入SOA输入端口的激光逐渐垂直向上耦合到SOA外延(EPI)材料和通过注入到InP EPI材料而限定的波导结构。然后，来自SOA的输出光逐渐向下耦合到MZ的输入波导。对于后置调制放大器，进入SOA输入端口的调制器输出光逐渐垂直向上耦合到SOA EPI材料和通过注入到InP EPI材料而限定的波导结构。然后，来自SOA的输出光逐渐向下耦合到MZ的输出波导。
图1示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之前进行前置放大和在调制器之后进行后置放大的混合集成SOA。发射器100示出了输入端102，输入端102可以是波导输入端，其被分离为X偏振104和Y偏振106。随后使用InP SOA 108对光进行放大。在实施例中，对于每个偏振104、106可以有单独的SOA。光随后可以通过MZ结构110进行其他的分离和耦合，MZ结构110可以包括同相调制器112、正交调制器114和监测光电二极管(MPD)116。
MZ结构100的输出端118、120然后通过另一InP SOA 122，以用于在由偏振旋转器光束组合器(PRBC)124组合之前进行信号放大，并且然后通过输出端126输出。在实施例中，对于每个输出端118、120可以有单独的SOA。在实施例中，SOA 122还可以与MPD 128、130耦合。在实施例中，发射器100可以被称为具有用于功率分配器之后的每个分支的混合集成SOA的相干发射器，其中，SOA 108用于MZ结构110之前的前置放大，并且SOA 122用于调制器之后的后置放大。
图2示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之前进行前置放大的混合集成SOA。发射器200可以类似于图1的发射器100；然而，对于发射器200，在MZ结构210之前仅有单个SOA 208，其可以是InP SOA。在实施例中，发射器200可以被称为具有用于功率分配器之后的每个分支的混合集成SOA的相干发射器，其中，SOA 208用于MZ结构210之前的前置放大。
图3示出了根据各个实施例的相干发射器，其包括用于在调制器之后进行后置放大的混合集成SOA。发射器300可以类似于图1的发射器100；然而，对于发射器300，在MZ结构310之后仅有单个SOA 322，其可以是InP SOA。在实施例中，发射器300可以被称为具有用于功率分配器之后的每个分支的混合集成SOA的相干发射器，其中，SOA 322用于MZ结构310之后的后置放大。
图4示出了根据各个实施例的相干接收器，其包括用于在探测器之前进行前置放大的X和Y偏振分支中的每一个的混合集成SOA。相干接收器400包括输入端402和PBSR 401，输入端402用于接收光，然后光通过可变光衰减器(VOA)403并且与监测光电探测器(MPD)405接触。在PBSR 401之后，多个混合SOA，例如X偏振SOA 408和Y偏振SOA 409可以分别放置在两个不同的臂404、406中，以便放大在x偏振和y偏振两者中接收的信号。还可以有本地振荡器(LO)422，其来自具有可调谐激光源(未示出)的窄线。LO 422的输出进入到分束器424，分束器424与SOA 408的输出端和SOA 409的输出端组合，以馈送相干接收器400的电路的其余部分。
注意，在实施例中，X和Y偏振仅指输入信号。在实施例中，在PBSR之后，原始X和Y偏振信号可能已经被转换为硅光子波导中的物理光偏振的一种取向，通常称为横电(TE)模式；因此，在它们到达SOA 408、409之前，实际上以相同的偏振操作，并且然后随后以相同的方式被SOA 408、409放大。在实施例中，SOA 408、409可以在InP EPI增益介质411中。
在关于图1-图3的实施例中，SOA可以放置在MZ结构110、210、310外部和内部的其他位置中。类似地，在关于图4的实施例中，SOA408、409可以放置在相干接收器400内用于放大的各种位置中。
图5-图7公开了并入了III-V/Si混合SOA以实现包括激光器(图5)、微环调制器(图6)和光电二极管(图7)的各种光子元件的能量高效和低成本实施方式的技术和实施例。
图5示出了根据各个实施例的并入了混合集成SOA的能量高效的激光器。激光器件500包括激光器502，激光器502具有与背吸收器504光学耦合的第一端502a。激光器502具有第二端502b，第二端502b是与SOA 506的第一端506a光学耦合的输出端，以放大由激光器502生成的信号。然后，放大的信号通过SOA 506的输出端506b发送到器件输出端508。在传统实施例中，可以省略SOA506。
尽管激光器输出功率对于任何激光器都是重要的度量，但是激光器的效率对于能量高效的系统也是重要的度量。单独使用激光器(例如，激光器502)可能是在操作期间同时满足激光器效率和输出功率要求的挑战。在实施例中，激光器502可以是III-V/Si混合激光器，并且SOA 506可以是用于放大激光器502的输出的III-V/Si混合SOA。
SOA 506可以用于提供给定目标激光器输出规格所需的增益。SOA 506还可以提供独立的方式来控制输出光功率，否则在传统实施方式中激光器502难以单独提供输出光功率。例如，这种独立控制可以提供将激光器502分离为多个并行信道以增加数据速率的机会。另外，这些实施例还可以允许激光器502设计中更大的灵活性，以用于更高的背反射公差和操作稳定性。
例如，如果期望来自65C下的激光器的～12dBm功率，则传统的能量低效的解决方案是将激光器偏置在140mA以达到期望功率。然而，使用本文描述的实施例，使用激光器502和SOA 506的组合将是更加能量高效的。在示例中，可以将激光器502偏置在55mA，这可以是激光器502的最高效的操作条件。驱动激光器高于55mA导致更高的输出功率，但是激光器的效率可能显著下降。在该示例中，来自激光器502和SOA506组合的总电耗为141mW，其中，激光器502消耗85mW，给出～8dBm的功率，并且SOA消耗56mW，给出4dB的增益—与消耗340mW的仅有激光器502相比。因此，对于该示例，这种改变可以导致240％的更高效的系统。注意：本文描述的涉及集成SOA的实施例可以对任何光子装置或系统有效。
图6示出了根据各个实施例的发射器，其并入了具有MRM的混合集成SOA。通信链路600包括MRM 602，MRM 602与来自输入端604的激光进行光学交互，并且向SOA 606输出光。在离开SOA 606之后，光行进到输出端608。传统实施方式可以使用MZ调制器，但是对数据速率和功率效率的更高要求使得MRM 602成为更好的选择。例如，MRM 602比MZ调制器小几个数量级，因此使用MRM 602有助于在给定占用面积(未示出)中为每MRM提供更多的信道。另外，MRM 602功率效率更高，尤其是对于驱动电子器件。然而，MRM 602经受自加热，这主要是由在MRM 602内循环的光量导致的。
在实施例中，可以减少MRM 602所接收的光量，而没有关闭通信链路的风险。通过将SOA606放置在MRM 602之后以放大光，可以消除MRM自加热问题，并且使得能够关闭通信链路。在实施例中，在通信链路600中的MRM 602之后使用SOA 606时，信号质量保持在测量误差范围内。
图7示出了根据各个实施例的接收器，其并入了具有Si PD的混合集成SOA。传统PD700a示出了进入Ge PD 703中的输入光信号702。尽管使用Ge PD 703可以提供更高的响应活性，但是使用Ge PD 703涉及成本高且复杂的集成工艺，特别是在与如下所述实施Si PD相比时。
光电探测器700b示出了其中输入光信号702进入SOA 706中的实施例，其中，SOA706的输出端光学耦合到Si PD 704。在实施例中，为了实现无误差探测，重要的是具有足够的信号强度。实施例可以包括：除了Si PD 704之外，还用III-V/Si SOA替换Ge PD。可以通过比Ge PD简单得多的工艺制造Si PD，从而实现了低实施成本。尽管一些Si PD与Ge PD相比可能具有更低响应度，但是将SOA 706定位在Si PD 704前面将在信号被Si PD 704探测之前放大该信号。
图8-图11包括集成了SOA和Ge PD的所关注架构的实施例的描述。在实施例中，输入到接收器的信号的偏振是随机化的。
图8示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其包括双偏振SOA和Ge PD。集成接收器800并入了双偏振SOA 802，双偏振SOA 802放大包括TE和TM模式两者的光信号804。随后，放大的光信号806被Ge PD 808接收以进行光电转换。在实施例中，SOA 802为混合SOA，并且可以是III-V/Si SOA。
图9示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有偏振分离器旋转器(PSR)、SOA和Ge PD。具有PSR的集成接收器900包括PSR 910以将由PSR 910接收的光信号分离为TE信号912和TE’信号914。在实施例中，为了创建TE’信号914，PSR 910可以将光信号分离为TM分量(未示出)，并且然后旋转TM分量的偏振以创建TE’信号914。
在实施例中，TE信号912然后被第一SOA 916放大，以产生要发送到第一Ge PD 920的放大的TE信号918。TE’信号914被发送到第二SOA 922，以产生要发送到第二Ge PD 926的放大的TE’信号924。在实施例中，可以有多个SOA 916、922，它们从PSR 910接收被路由到一个或多个Ge PD 920、926的多种类型的信号。在实施例中，这些多种类型的信号可以包括不同的偏振。在实施例中，SOA不需要是双偏振或偏振不敏感的。在其他实施例中，可以仅针对TE增益来优化SOA。
图10示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有PSR和组合器、SOA和GePD。集成接收器1000包括组合PSR和组合器1030部件，其接收光信号并且产生TE+TE’信号1032，该信号1032被SOA 1034接收以产生放大的TE+TE’信号1036。放大的TE+TE’信号1036然后被发送到Ge PD 1038。在这些实施例中，SOA 1034不需要是双偏振或偏振不敏感的；因此，可以仅针对TE放大来优化SOA 1034。PSR和组合器1030将输入信号的TE和TM(未示出)分量分离，将TM的偏振旋转到TE’信号，并且然后将TE和TE’一起组合到一个波导1035中，以用于在Ge PD 1038处转换为电信号之前进行放大。
图11示出了根据各个实施例的硅光子集成接收器，其具有PSR和组合器、SOA、波长解复用器和多个Ge PD。集成波分复用接收器1100可以包括PSR和组合器1130，它们可以类似于图10的PSR和组合器1030。PSR和组合器1130可以接收一个或多个光信号并且在TE和TE’信号1132的多个波长上产生信号。SOA 1134用于放大TE和TE’信号1132的多个波长并且产生放大的多个波长1136。这些多个波长1136然后被路由到解复用器1140，以分离单独的波长1142、1144、1146、1148，它们然后被分别路由到Ge PD 1152、1154、1156、1158。
对于上文所述的实施例/架构，SOA可以在饱和以下操作以限制信号失真。在实施例中，接收器800、900、1000、1100可以被扩展为包括多个信道和/或每个信道中的多个波长上的信号。在实施例中，对于每个信道中的多个波长上的信号，SOA 1134可以用于放大多个波长，其中解复用器1140在前进到Ge PD 1152、1154、1156、1158之前分离出每个单独的波长。
图12示出了根据各个实施例的具有多个SOA的双偏振收发器。收发器示意图1200示出了双偏振相干收发器，其包括用于示意图的发射器和接收器部分中的SOA集成的多个选项。在实施例中，SOA在相干收发器中的放置将规定SOA的要求。在给定的放置中，SOA可能需要或可能不需要放大数据或具有高输出饱和功率。收发器示意图1200被分为用于SOA放置的三个区域。区域1200a包括在收发器1200的输入端之后以及在发射器(区域1200b)与接收器(区域1200c)之间的分离器之前或之后的SOA放置。区域1200b包括在IQ调制器之后或在偏振旋转器和组合器之后的发射器中的SOA放置。区域1200c包括在偏振分离器和旋转器之前或之后的接收器中的SOA放置。下面进一步描述区域1200a、1200b、1200c的实施例。这些实施例可以在整个收发器1200中组合以形成各个实施例。
区域1200a包括SOA的实施例，该SOA被放置以用于在收发器的输入端处的和在发射器(区域1200b)或接收器(区域1200c)之间的分离之前或之后的光信号功率增强。SOA1202、1204、1206可以放置在如图所示的位置，可以用于增强从可调谐激光器输入端1208接收的光信号。在实施例中，在这些配置中，SOA 1202、1204、1206可能需要高饱和功率。在实施例中，对于SOA 1202，在片外可调谐激光器提供可调谐激光器输入端1208的情况下，可能仅有耦合损耗。在实施例中，在SOA 1204、1206位于分离器1205之后的情况下，可能有分离器损耗。
例如，如果耦合损耗为3dB，并且分离器1205为3dB，并且SOA所需的增益在9dB的量级以关闭链路，则在SOA在分离器1205之后的情况下，来自SOA的输出功率将是20dBm或100mW。如果SOA 1204、1206放置在用于两种偏振的分离器1205与IQ调制器1220之间，则来自SOA 1204、1206的输出功率将是17dBm或50mW。对于每种SOA位置选项，需要考虑(一个或多个)SOA的总功率消耗和在高光功率下的SOA可靠性。包括更多SOA将固有地消耗更多电功率，然而，从部件可靠性的观点来看，可能期望以较低的光输出功率来操作，是否选择一个选项或另一选项将取决于总体系统要求。在其中SOA 1204、1206放置在用于两种偏振的分离器1205与IQ调制器1220之间的所述选项中，两个SOA 1204、1206通常将消耗更多功率。然而，在一些情况下，这种设计可能不是最佳的，因为在更低的光功率下操作可以改进可靠性，因为故障率随着更低的驱动电流和更低的光功率而改进。是否需要改进的可靠性基于每个应用的系统要求。
混合III-V/Si SOA独特地适于实现这种高饱和功率。因为SOA的饱和功率与约束因子成反比，光模式和量子阱增益材料的重叠，减小约束因子增加了饱和功率。在混合SiSOA中，III-V有源区接合在硅波导的顶部上，并且可以通过改变硅波导的宽度来调谐约束因子。加宽硅波导将模式下拉到硅波导中，并且减少与量子阱的模式重叠。通过使Si波导宽度逐渐变细，可以使约束因子沿SOA的长度最佳化。
对于SOA位置的另一考虑是来自硅光子收发器的Si波导中的双光子吸收(TPA)的非线性光损耗。在电信波长中，这种损耗随着波导中的总功率而增加，有效地限制了硅波导内的功率。因为收发器的输入端处的SOA 1202、1204、1206可以放大来自可调谐激光器的连续波光，所以来自SOA非线性的信号失真不是问题。
区域1200b包括SOA 1222、1224、1226的实施例，SOA 1222、1224、1226在发射器1200b中放置在IQ调制器1220之后或者偏振旋转器1228和偏振组合器1230之后。在实施例中，可以是嵌套Si Mz调制器的IQ调制器1220可以具有例如16dB的量级的显著损耗量。除了来自调制格式的固有惩罚之外，这种损耗降低了SOA 1222、1224、1226所需的输出功率。这可能是因为来自SOA 1222、1224、1226的输出功率不受双光子吸收(TPA)的限制，并且SOA1222、1224、1226的增益与收发器的输入端处的放置相比可以更高。另外，具有用于每种偏振的SOA 1222、1224还提供了通过调谐每个SOA中增益来平衡两种偏振之间的功率的能力。
在实施例中，如果SOA 1226放置在发射器1200b中的偏振旋转器1228和偏振组合器1230之后，则可以使用或需要偏振无关的SOA 1226。与通常使用压应变多量子阱增益材料的被优化用于放大单偏振的SOA 1222、1224相比，具有低偏振相关增益的SOA 1226可能需要不同的III-V增益材料，例如，体有源材料或拉伸应变量子阱，其中，应变量被设置为使TE和TM增益相等。与在IQ调制器1220中的每一个之后使用两个SOA 1222、1224相比，使用单个SOA 1226来放大两个偏振提供了降低的功率消耗。然而，如果对于两个偏振仅存在1个SOA 1226，则缺乏在两个偏振之间均衡功率的能力。
具有放大数据的SOA 1222、1224、1226的性能发射器1200b受到低输入功率的放大自发发射(ASE)和高输入功率的非线性失真的限制。可以从利用已知或估计的链路损耗和SOA参数的传输系统仿真中提取到SOA 1222、1224、1226的输入功率的最佳范围，以在调制之后在所有描述的选项中指导关于收发器1200内的SOA放置的决定。SOA的一个重要参数是噪声系数(NF)，其描述了在放大过程中自发发射的衰减量，或者SOA的输入端处的SNR(信噪比)与SOA的输出端处的SNR的分贝标度的比值。较低的NF是期望的，并且指示在放大过程期间的较低的信号衰减。
区域1200c是包括SOA 1242、1244、1246的实施例的接收器，SOA 1242、1244、1246在接收器1200c中放置在偏振分离器1248和偏振旋转器1250、1251之前或之后。在实施例中，如果SOA 1246放置在偏振分离器1248和偏振旋转器1250之前，则可能需要偏振无关的SOA。与使用两个SOA 1242、1244(每种偏振一个)相比，这种配置提供了降低的功率消耗。在输入双偏振信号被分离和旋转之后，并且在其在90度光混合器中与接收器本地振荡器1250混合之前，接收器1200c中的SOA 1242、1244放置允许两个偏振的单独功率调谐。
图13示出了根据各个实施例的具有多个SOA以消除过量ASE的双偏振收发器内的滤波器位置。接收器部分1300可以类似于图12的接收器1200c，其中SOA 1342、1344、1346分别类似于图12的SOA 1242、1244、1246。如关于区域1300a1所示，带通滤波器1343可以放置在SOA 1342与90度光混合器1350之间，并且带通滤波器1345可以放置在SOA 1344与90度光混合器1351之间。如关于区域1300b1所示，带通滤波器1347可以放置在SOA 1346与偏振分离器1348之间，偏振分离器1348可以类似于图12的偏振分离器1248。
可以使用任何合适的硬件和/或软件将本公开的实施例实施到系统中，以根据需要进行配置。图14示意性地示出了根据一个实施例的计算设备1400。计算设备1400可以容纳诸如主板1402的板(即，外壳1451)。主板1402可以包括多个部件，包括但不限于处理器1404和至少一个通信芯片1406。处理器1404可以物理地和电气地耦合到主板1402。在一些实施方式中，至少一个通信芯片1406也可以物理地和电气地耦合到主板1402。在一些实施例中，通信芯片1406与本公开的教导结合。也就是说，它包括集成在光子装置内的一个或多个SOA。在另外的实施方式中，通信芯片1406可以是处理器1404的一部分。在其他实施例中，其他列举的元件中的一个或多个可以与本公开的教导结合。
取决于其应用，计算设备1400可以包括可以或可以不物理地和电气地耦合到主板1402的其他部件。这些其他部件可以包括但不限于易失性存储器(例如，DRAM)1420、非易失性存储器(例如，ROM)1424、闪存存储器1422、图形处理器1430、数字信号处理器(未示出)、密码处理器(未示出)、芯片组1426、天线1428、显示器(未示出)、触摸屏显示器1432、触摸屏控制器1446、电池1436、音频编解码器(未示出)、视频编解码器(未示出)、功率放大器1441、全球定位系统(GPS)设备1440、罗盘1442、加速计(未示出)、陀螺仪(未示出)、扬声器1450、相机1452、以及大容量存储设备(例如，硬盘驱动器、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)(未示出)。图14中未示出的其他部件可以包括麦克风、滤波器、振荡器、压力传感器、或RFID芯片。在实施例中，封装组件部件1455中的一个或多个可以包括集成在光子装置内的一个或多个SOA，如本文所讨论的。
通信芯片1406可以实现用于向和从计算设备1400传递数据的无线通信。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过使用调制的电磁辐射经由非固态介质来传送数据的电路、设备、系统、过程、技术、通信信道等。该术语并不暗示相关联的设备不包含任何导线，尽管在一些实施例它们可能不包含。通信芯片1406可以实施多种无线标准或协议中的任何一种，包括但不限于电气和电子工程师协会(IEEE)标准，包括Wi-Fi(IEEE 802.11族)、IEEE802.16标准(例如，IEEE 802.16-2005修订)、长期演进(LTE)项目以及任何修订、更新和/或修正(例如，高级LTE项目、超移动宽带(UMB)项目(也被称为“3GPP2”)等)。IEEE 802.16兼容的BWA网络一般地被称为WiMAX网络，即代表全球微波接入互通的首字母缩写词，它是通过IEEE802.16标准的一致性和互通性测试的产品的认证标志。通信芯片1406可以根据全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)、通用移动电信系统(UMTS)、高速分组接入(HSPA)、演进HSPA(E-HSPA)或LTE网络来操作。通信芯片1406可以根据GSM演进的增强型数据(EDGE)、GSM EDGE无线接入网(GERAN)、通用陆地无线接入网(UTRAN)或演进型UTRAN(E-UTRAN)来操作。通信芯片1406可以根据码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、数字增强无绳电信(DECT)、演进数据优化(EV-DO)、其派生物以及被指定为3G、4G、5G及以上的任何其他无线协议来操作。在其他实施例中，通信芯片1406可以根据其他无线协议来操作。在实施例中，通信芯片1406可以包括集成在光子装置内的一个或多个SOA，如本文所讨论的。
计算设备1400可以包括多个通信芯片1406。例如，第一通信芯片1406可以专用于诸如Wi-Fi和蓝牙的较短距离无线通信，并且第二通信芯片1406可以专用于诸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、ev-DO等的较长距离无线通信。
计算设备1400的处理器1404可以包括封装组件中的管芯，例如，光子装置内的一个或多个SOA，如本文所描述的。术语“处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换为可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的任何设备或设备的一部分。
在各种实施方式中，计算设备1400可以是膝上型计算机、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板计算机、个人数字助理(PDA)、超移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、打印机、扫描仪、监视器、机顶盒、娱乐控制单元、数字相机、便携式音乐播放器或数字视频记录器。在其他实施方式中，计算设备1400可以是处理数据的任何其他电子设备，例如，诸如一体传真或打印设备的一体设备。
各种实施例可以包括上述实施例的任何合适的组合，包括以上结合形式(AND)描述的实施例的替代(OR)实施例(例如，“AND”可以是“和/或”)。此外，一些实施例可以包括具有存储在其上的指令的一个或多个制品(例如，非暂时性计算机可读介质)，当执行该指令时导致上述实施例中的任一个的动作。此外，一些实施例可以包括具有用于实行上述实施例的各种操作的任何合适模块的装置或系统。
包括摘要中描述的内容的所示实施方式的以上描述不旨在是穷举的或将本公开的实施例限制于所公开的精确形式。尽管为了说明的目的，本文描述了具体的实施方式和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本公开的范围内各种等同的修改是可能的。
根据以上具体实施方式，可以对本公开的实施例进行这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应被解释为将本公开的各种实施例限制于在说明书和权利要求中公开的具体实施方式。相反，范围完全由所附权利要求确定，根据权利要求解释的已建立原则来解释所附权利要求。
下面提供一些非限制性示例。
示例
示例1是一种硅光子集成装置，包括：输入端，输入端用于接收光信号；分离器，分离器光学耦合到输入端，以将光信号分离到第一路径和第二路径中；偏转分束器和旋转器(PBSR)，偏转分束器和旋转器与第一路径或第二路径光学耦合；半导体光放大器(SOA)，半导体光放大器与第一路径或第二路径光学耦合并且设置在分离器与PBSR之间。
示例2可以包括根据示例1所述的装置，还包括：调制器，调制器光学耦合到第一路径和第二路径，其中，调制器设置在分离器与PBSR之间。
示例3可以包括根据示例2所述的装置，其中，SOA设置在分离器与调制器之间，以放大从第一路径和/或第二路径接收的光。
示例4可以包括根据示例2所述的装置，其中，SOA设置在调制器与PRBC之间。
示例5可以包括根据示例2所述的装置，其中，SOA是设置在分离器与调制器之间的第一SOA；并且还包括设置在调制器与PRBC之间的第二SOA。
示例6可以包括根据示例2所述的装置，其中，SOA包括磷化铟(InP)。
示例7可以包括根据示例1-6中的任一项所述的装置，其中，SOA是混合SOA。
示例8可以包括根据示例1-6中的任一项所述的装置，其中，SOA由装置的晶圆上的硅波导限定。
示例9可以包括根据示例1-6中的任一项所述的装置，其中，第一路径承载光的X偏振，并且第二路径承载光的Y偏振。
示例10可以包括根据示例2所述的装置，其中，调制器包括多个分支；并且还包括：SOA设置在多个分支中的一个分支中。
示例11可以包括根据示例1-6中的任一项所述的装置，其中，装置是调制器或接收器。
示例12是一种相干接收器装置，包括：输入端，输入端用于接收光信号；PBSR，PBSR光学耦合到输入端，以将光信号分离到X路径和Y路径中；SOA，SOA与X路径或Y路径耦合，以放大信号；以及光电探测器，光电探测器与SOA的输出端耦合。
示例13可以包括根据示例12所述的装置，其中，光电探测器还包括多个光电探测器。
示例14可以包括根据示例12所述的装置，其中，SOA与X路径和Y路径耦合，以放大信号。
示例15可以包括根据示例12-14中的任一项所述的装置，其中，SOA包括InP。
示例16可以包括根据示例12-14中的任一项所述的装置，其中，SOA是接合到硅晶圆上的单片外延介质。
示例17是一种激光装置，包括：激光部件，激光部件具有第一端和与第一端相对的第二端，激光部件从激光部件的第二端发射光；背吸收器，背吸收器与激光部件的第一端光学耦合；SOA的第一端，SOA的第一端与激光部件的第二端光学耦合，以放大从激光部件的第二端发射的光；以及输出端，输出端与SOA的第二端耦合，SOA的第二端与SOA的第一端相对。
示例18可以包括根据示例17的装置，其中，激光部件是III-V/Si混合激光器。
示例19可以包括根据示例17-18中的任一项所述的装置，其中，SOA是III-V/Si混合SOA。
示例20是一种调制器装置，包括：微环调制器(MRM)，微环调制器具有用于接收光的输入端和用于发射光的输出端；SOA的输入端，SOA的输入端与MRM的输出端耦合，以放大从MRM的输出端发射的光；并且其中，SOA的输出端发射放大的光。
示例21可以包括根据示例20所述的装置，其中，MRM和SOA耦合到单个硅晶圆。
示例22可以包括根据示例20所述的装置，其中，SOA是III/V/Si混合SOA。
示例23可以包括根据示例20-22中任一项所述的装置，其中，SOA用于在操作期间控制MRM的加热。
示例24是一种接收器装置，包括：输入端，输入端用于接收光信号；SOA，SOA具有与输入端光学耦合的第一端，以放大接收的光信号；以及硅光电探测器，硅光电探测器与SOA的第二端光学耦合。
示例25可以包括根据示例24所述的装置，其中，SOA是III/V Si SOA。
示例26可以包括根据示例24所述的装置，其中，SOA是混合SOA。
示例27可以包括根据示例24-26中的任一项所述的装置，其中，SOA和硅光电探测器在同一晶圆上。
示例28是一种接收器装置，包括：SOA，SOA具有用于接收光信号的输入端以及用于输出放大的信号的输出端；以及锗(Ge)光电探测器(PD)，锗光电探测器与SOA的输出端光学耦合，以将放大的光信号转换为电信号。
示例29可以包括根据示例28所述的装置，其中，SOA是双偏振SOA或偏振不敏感SOA。
示例30可以包括根据示例29所述的装置，其中，接收的光信号包括横电(TE)信号和横磁(TM)信号的组合。
示例31可以包括根据示例29所述的装置，其中，放大的光信号包括放大的TE信号和TM信号。
示例32可以包括根据示例28所述的装置，其中，SOA和锗光电探测器在同一晶圆上。
示例33可以包括根据示例28所述的装置，其中，SOA是第一SOA，其中Ge PD是第一Ge PD；并且还包括：偏振分离器旋转器(PSR)；以及第二SOA和第二Ge PD，其中，第一SOA的输入端和第二SOA的输入端用于从PSR接收信号，其中，第二SOA的输出端光学耦合到第二GePD的输入端。
示例34可以包括根据示例33所述的装置，其中，PSR接收TE信号和TM信号；并且其中，PSR向第一SOA输出TE信号，并且向第二SOA输出TE’信号，其中，TE’信号是由PSR接收的TM信号的旋转偏振。
示例35可以包括根据示例33-34中的任一项所述的装置，其中，第一或第二SOA是双偏振SOA或偏振不敏感SOA。
示例36可以包括根据示例28所述的装置，还包括PSR/组合器，PSR/组合器与SOA的输入端光学耦合，其中，PSR/组合器接收组合TE和TM光信号作为输入，并且输出组合TE和TE’信号，其中，TE’信号是TM信号的旋转偏振。
示例37可以包括根据示例36所述的装置，其中，SOA是偏振敏感的。
示例38可以包括根据示例36-37中的任一项所述的装置，其中，PSR/组合器的输出在一个波导上行进。
示例39可以包括根据示例36所述的装置，其中，到PSR/组合器的输入包括多个波长，并且其中，Ge PD是多个Ge PD；并且还包括设置在SOA与多个Ge PD之间并且与SOA与多个Ge PD光学连接的解复用器，其中，解复用器分别将多个波长之一路由到多个Ge PD之一。
示例40可以包括根据示例26-39中的任一项所述的装置，其中，装置是以下中的选定一种：调制器、接收器、发射器或收发器。

Claims (20)

1.一种硅光子集成装置，包括：
输入端，所述输入端用于接收光信号；
分离器，所述分离器光学耦合到所述输入端，以将所述光信号分离到第一路径和第二路径中；
偏转分束器和旋转器(PBSR)，所述偏转分束器和旋转器与所述第一路径或所述第二路径光学耦合；
半导体光放大器(SOA)，所述半导体光放大器与所述第一路径或所述第二路径光学耦合并且设置在所述分离器与所述PBSR之间。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
调制器，所述调制器光学耦合到所述第一路径和所述第二路径，其中，所述调制器设置在所述分离器与所述PBSR之间。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA设置在所述分离器与所述调制器之间，以放大从所述第一路径和/或所述第二路径接收的光。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA设置在所述调制器与PRBC之间。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA是设置在所述分离器与所述调制器之间的第一SOA；并且
还包括设置在所述调制器与PRBC之间的第二SOA。
6.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA包括磷化铟(InP)。
7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA是混合SOA。
8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述SOA由所述装置的晶圆上的硅波导限定。
9.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一路径承载光的X偏振，并且所述第二路径承载光的Y偏振。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的装置，其中，所述调制器包括多个分支；并且还包括：所述SOA设置在所述多个分支中的一个分支中。
11.一种相干接收器装置，包括：
输入端，所述输入端用于接收光信号；
PBSR，所述PBSR光学耦合到所述输入端，以将所述光信号分离到X路径和Y路径中；
SOA，所述SOA与所述X路径或所述Y路径耦合，以放大所述信号；以及
光电探测器，所述光电探测器与所述SOA的输出端耦合。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述光电探测器还包括多个光电探测器。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述SOA与所述X路径和所述Y路径耦合，以放大所述信号。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述SOA包括InP。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的装置，其中，所述SOA是接合到硅晶圆上的单片外延介质。
16.一种激光装置，包括：
激光部件，所述激光部件具有第一端和与所述第一端相对的第二端，所述激光部件从所述激光部件的所述第二端发射光；
背吸收器，所述背吸收器与所述激光部件的所述第一端光学耦合；
SOA的第一端，所述SOA的所述第一端与所述激光部件的所述第二端光学耦合，以放大从所述激光部件的所述第二端发射的所述光；以及
输出端，所述输出端与所述SOA的第二端耦合，所述SOA的所述第二端与所述SOA的所述第一端相对。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述激光部件是III-V/Si混合激光器。
18.一种调制器装置，包括：
微环调制器(MRM)，所述微环调制器具有用于接收光的输入端和用于发射光的输出端；
SOA的输入端，所述SOA的所述输入端与所述MRM的所述输出端耦合，以放大从所述MRM的所述输出端发射的所述光；并且
其中，所述SOA的输出端发射放大的所述光。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述MRM和所述SOA耦合到单个硅晶圆。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的装置，其中，所述SOA是III/V/Si混合SOA。
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