DE112015003234T5 - Integrierter abstimmbarer Hochleistungslaser mit einstellbaren Ausgängen - Google Patents

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Abstract

Ein abstimmbarer Laser, der ein Array paralleler optischer Verstärker enthält, wird beschrieben. Der Laser kann außerdem einen Intrakavität-N × M-Koppler enthalten, der Leistung zwischen einem Kavitätsspiegel und dem Array paralleler optischer Verstärker koppelt. Phaseneinsteller in optischen Pfaden zwischen dem N × M-Koppler und den optischen Verstärkern können verwendet werden zum Einstellen einer von M – 1 Ports des N × M-Kopplers ausgegebenen Menge einer Leistung. Ein abstimmbares Wellenlängenfilter ist in der Laserkavität zum Auswählen einer Laserwellenlänge aufgenommen.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung beansprucht den Vorteil unter 35 U.S.C. §119(e) der U.S.-Provisional-Patentanmeldung Nr. 62/023,483 mit dem Titel "INTEGRATED HIGH-POWER TUNABLE LASER WITH ADJUSTABLE OUTPUTS", eingereicht am 11. Juli 2014, die hierin mittels Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
  • HINTERGRUND
  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft abstimmbare Laser, optische Verstärker und optische Kommunikationssysteme.
  • Verwandte Technik
  • Abstimmbare Laser bestehen konventionell aus einem abstimmbaren Wellenlängenfilter und einem einzelnen optischen Verstärkungsmedium innerhalb einer Resonanzlaserkavität. Eine Abbildung eines konventionellen abstimmbaren Lasers 100 ist in 1 gezeigt. Die Laserkavität kann einen Intrakavitätsstrahl 102 enthalten, der zwischen einem Hochreflektor-Endspiegel 105 und einem partiell-übertragenden Spiegel 140 (hier als ein "Ausgabekoppler" bezeichnet) reflektiert. Der Intrakavitätsstrahl passiert durch das Verstärkungsmedium 110 und das abstimmbare Wellenlängenfilter 130, wenn er zwischen dem Endspiegel und dem Ausgabekoppler zirkuliert.
  • Solche Laser haben normalerweise nur einen Ausgangsstrahl 104, der von dem Ausgabekoppler 140 emittiert. Beispielsweise kann der Ausgabekoppler ungefähr 10% der optischen Leistung in dem Intrakavitätsstrahl 102 außerhalb der Laserkavität zum Bilden des Ausgangsstrahls 104 übertragen bzw. senden. Konventionell kann die außerhalb der Laserkavität gekoppelte Menge der Leistung nicht eingestellt werden, während der Laser in Betrieb ist. Anstelle dessen muss der Laser abgeschaltet werden, und ein unterschiedlicher Ausgabekoppler 130 muss installiert und ausgerichtet werden.
  • Weil ein konventioneller Laser ein Verstärkungsmedium enthält, ist die Laserleistung durch die Sättigungsleistung des Verstärkungsmediums 130 beschränkt. Sobald der Sättigungsleistungspegel in dem Verstärkungsmedium erreicht wird, kann kein weiterer wesentlicher Anstieg der Ausgangsleistung von der Laserkavität erreicht werden. Um die Laserleistung zu erhöhen, gibt eine konventionelle Technik den Ausgangsstrahl 104 durch einen stromabwärts des Lasers 100 gelegenen optischen Verstärker.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Technologie betrifft abstimmbare Laser, Hochleistungslaser und optische Verstärker. Eine Mehrzahl optischer Verstärker kann parallel in einer Laserkavität (Engl.: laser cavity) integriert sein. Außerdem kann der Laser ein abstimmbares Filter enthalten und eine Mehrzahl von Leistungsausgabe-Ports bereitstellen, wo eine Leistung von jedem Port einstellbar ist. Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein Laser mit einer Laserkavität einen Reflektor bei einem ersten Ende der Laserkavität und einen Intrakavität-N × M-Koppler umfassen, der angeordnet ist zum Empfangen von Licht von dem Reflektor bei einem ersten Port und zum Verteilen des Lichts an N Ausgabe-Ports. Der Laser kann ferner Q optische Verstärker, die angeordnet sind zum Verstärken von Licht von wenigstens manchen der N Ausgabe-Ports, und wenigstens einen Reflektor enthalten, der zum Reflektieren des verstärkten Lichts zurück zu dem N × M-Koppler angeordnet ist. Die Anzahl in der Laserkavität aufgenommener optischer Verstärker kann größer als oder gleich zwei sein.
  • Verfahren zum Betreiben eines abstimmbaren Lasers mit integrierten optischen Verstärken werden auch beschrieben. Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Erzeugen von kohärentem Licht Handlungen eines Reflektierens von Licht von einem ersten Reflektor und eines Verteilens des reflektierten Lichts, mit einem N × M-Koppler, an N optische Pfade umfassen. Das Verfahren kann ferner ein Produzieren von verstärktem Licht mittels Verstärken von Licht in wenigstens zwei der N optischen Pfade und ein Zurückgeben des verstärkten Lichts an den N × M-Koppler und den ersten Reflektor enthalten. Ein Verfahren zum Betreiben eines abstimmbaren Lasers kann außerdem ein Einstellen einer Phase eines optischen Signals in wenigstens einem der N optischen Pfade zum Einstellen einer Ausgabeleistung von einem von mehrfachen Leistungsausgabe-Ports des abstimmbaren Laser enthalten.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Vielfältige Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden mit Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben werden. Es sollte erkannt werden, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. In mehrfachen Figuren auftretende Elemente sind mit demselben Bezugszeichen in all den Figuren, in denen sie auftreten, angegeben.
  • 1 bildet eine konventionelle abstimmbare Laserkavität ab.
  • 2 bildet einen abstimmbaren Laser ab, der parallel angeordnete N optische Verstärker enthält, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 3A bildet einen N × M-Koppler ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 3B bildet einen N × M-Koppler ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 4 bildet einen thermooptischen Phasenschieber ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 5 bildet ein abstimmbares Wellenlängenfilter ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 6A bildet einen Wellenleiter-Schleifenspiegel ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 6B bildet einen Wellenleiterspiegel ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 7A bildet stoßgekoppelte Wellenleiter mit Modengröße-Anpassungsregionen ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 7B bildet stoßgekoppelte Wellenleiter mit Modengröße-Anpassungsregionen ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 8 bildet einen optischen Halbleiterverstärker ab, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 9 bildet einen abstimmbaren Laser ab, der N optische Verstärker enthält, gekoppelt mit einem kohärenten optischen Empfänger und optischen Sender, gemäß manchen Ausführungsformen.
  • 10A und 10B bilden eine alternative Ausführungsform zum Koppeln von N optischen Verstärkern mit N Ports eines N × M-Kopplers in einer abstimmbaren Laserkavität ab.
  • 11A bildet eine Ausführungsform eines gekoppelten optischen Verstärkerchips und eines Siliziumphotonikchips ab, in welcher eine Laserkavität zwischen den zwei Chips verteilt ist.
  • 11B bildet eine Ausführungsform eines gekoppelten optischen Verstärkerchips und eines Siliziumphotonikchips ab, in welcher eine Laserkavität zwischen den zwei Chips verteilt ist.
  • 11C bildet eine Ausführungsform eines gekoppelten optischen Verstärkerchips und eines Siliziumphotonikchips ab, in welcher eine Laserkavität zwischen den zwei Chips verteilt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Technologie erstreckt sich auf abstimmbare Laser, die in optischen Kommunikationssystemen verwendet werden können, unter anderen Anwendungen. Aspekte der Anmeldung enthalten Apparate und Verfahren zum Bereitstellen eines abstimmbaren Lasers, der eine Mehrzahl optischer Verstärker in einer Parallelkonfiguration enthält, und der eine Ausgabeleistung von mehrfachen einstellbaren Leistung-Ports bereitstellen kann. Außerdem ist der abstimmbare Laser leicht auf höhere Leistungen und zusätzliche Leistung-Ports skalierbar. Gemäß einem anderen Aspekt der Anmeldung werden Verfahren zum Herstellen eines abstimmbaren Lasers der hierin beschriebenen Typen offenbart.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein abstimmbarer Laser, so wie abstimmbarer Laser 200, der unten in Verbindung mit 2 beschrieben ist, mikrofabriziert und in integrierten optischen Systemen, so wie photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs, Photonic Integrated Circuits), verwendet werden. Die PICs können beispielsweise in optischen Kommunikationssystemen oder optischen kohärenten Tomografiesystemen verwendet werden. In manchen Fällen kann der abstimmbare Laser zum Liefern einer optischen Trägerwelle und/oder eines Lokaloszillators an optische Sender und Empfänger verwendet werden. In manchen Ausführungsformen kann ein abstimmbarer Laser (so wie der abstimmbare Laser 200) in einem Faseroptiksystem, beispielsweise als ein abstimmbarer Faserlaser, hergestellt sein. Ein abstimmbarer Faserlaser kann eine Mehrzahl von Faserverstärkern enthalten, die parallel angeordnet sind und gekoppelt in eine Laserkavität mit Verwendung von Faserkopplern.
  • Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen als auch zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können individuell, alle zusammen oder in irgendeiner Kombination von zwei oder mehr verwendet werden, da die Anmeldung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
  • Mit Verweis auf 2 kann ein abstimmbarer Laser 200 in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ein Array optischer Verstärker 230-1, 230-2...230-N (kollektiv als 230 und individuell als 230-m bezeichnet) umfassen, die mit einem Intrakavität-N × M-optischer-Koppler 250 und mit einem ersten Kavitätsreflektor 207 bei einem ersten Ende der abstimmbaren Laserkavität gekoppelt sind. Die N optischen Verstärker können mit dem N × M-Koppler durch eine Mehrzahl optischer Pfade 212 und 222 gekoppelt sein. In manchen Ausführungsformen können die optischen Pfade integrierte photonische Wellenleiter umfassen, die beispielsweise aus einem Halbleiter und/oder Oxidmaterial auf einem Substrat hergestellt sind. In manchen Implementierungen können die optischen Pfade 212 und/oder 222 Faseroptik-Wellenleiter umfassen. Ein zweites Ende der Laserkavität kann einen zweiten Reflektor 205 umfassen, der zum Reflektieren von Licht zurück durch die optischen Verstärker 230 angeordnet ist. Außerdem kann der Laser P Ausgabeleistung-Ports 260-1...260-P (kollektiv als 260 und individuell als 260-m bezeichnet) enthalten. Wie unten beschrieben, sind in manchen Ausführungsformen N und P ganze Zahlen, und P kann gleich oder kleiner M – 1 sein.
  • Obwohl 2 N optische Verstärker abbildet, die mit N Eingabe-Ports des N × M-Kopplers gekoppelt sind, können manche Ausführungsformen weniger als N optische Verstärker haben. Beispielsweise können manche Ausführungsformen Q optische Verstärker haben, die mit einem Teilstück der N Eingabe-Ports des N × M-Kopplers gekoppelt sind, wo Q geringer als N ist. Ein Eingabe-Port, der nicht einen optischen Verstärker damit gekoppelt hat, kann als ein Intrakavität-Leistungsmonitor in manchen Ausführungsformen verwendet werden.
  • Der abstimmbare Laser 200 kann ferner ein abstimmbares Wellenlängenfilter 130 und wenigstens einen Intrakavität-Phasenschieber enthalten. Wenigstens ein Laserkavität-optischer-Pfad 224, der sich zwischen dem N × M-Koppler 250 und dem ersten Kavitätsreflektor 207 erstreckt, kann bereitgestellt sein und kann das abstimmbare Wellenlängenfilter 130 enthalten. In manchen Ausführungsformen kann der Laserkavität-optischer-Pfad 224 einen Phasenschieber enthalten. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Intrakavität-Phasenschiebern 240-1, 240-2...240-N bereitgestellt (kollektiv als 240 und individuell als 240-m bezeichnet), ein entsprechender für jeden der optischen Verstärker 230. Der bzw. die Phasenschieber 240 kann/können in den optischen Pfaden 222, die mit dem N × M-Koppler 250 verbunden sind, gelegen sein. Das Wellenlängenfilter 130 kann abgestimmt sein zum Auswählen einer Laserwellenlänge (Engl.: lasing wavelength), die zwischen dem ersten Kavitätsreflektor 207 und dem zweiten Reflektor 205 zirkuliert, durch die optischen Verstärker 230 passierend. Der bzw. die Phasenschieber 240 kann/können abgestimmt sein zum Einstellen einer Menge einer Ausgabeleistung, die von einem oder mehr der Leistung-Ports 260-1...260-P geliefert worden ist. Das Abstimmen (oder Einstellen) der Phasenschieber kann dynamisch (während des Betriebs des Lasers) in manchen Ausführungsformen sein. Demgemäß kann eine Laserwellenlänge für den abstimmbaren Laser 200 ausgewählt werden durch Bereitstellen eines Steuersignals an das abstimmbare Wellenlängenfilter 130. Außerdem kann die Leistung von einem oder mehr der Leistung-Ports eingestellt werden, während der Laser in Betrieb ist, durch Bereitstellen von einem oder mehr Steuersignalen an einen oder mehr der Phasenschieber.
  • Der abstimmbare Laser 200 kann außerdem einen Wellenlängen-Feststeller (Engl.: wavelength locker) 270 enthalten. Der Wellenlängen-Feststeller 270 kann einen integrierten photonischen Schaltkreis umfassen, der ausgestaltet ist zum Fühlen bzw. Erfassen einer Betriebswellenlänge des abstimmbaren Lasers. Der Wellenlängen-Feststeller 270 kann ein Interferometer, eine Bragg-Gitterstruktur, einen Resonator oder eine Kombination davon umfassen und kann ein Signal produzieren, das durch eine Wellenlängenfeststell-Schaltungsanordnung 280 erfasst worden ist, das eine Wellenlänge für den abstimmbaren Laser angibt. Eine Ausgabe von der Wellenlängenfeststell-Schaltungsanordnung 280 kann dem abstimmbaren Intrakavitätswellenlängenfilter 130 bereitgestellt sein, um eine Betriebswellenlänge des abstimmbaren Lasers zu stabilisieren. In manchen Ausführungsformen kann ein Wellenlängen-Feststeller 270 aus einem Material mit einem niedrigen thermooptischen Koeffizienten hergestellt sein. In manchen Fällen können der Wellenlängen-Feststeller 270 und/oder wenigstens ein Teilstück des Chips oder der Chips, auf dem/denen der abstimmbare Laser hergestellt ist, mit Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers oder Heizers temperaturgesteuert werden.
  • Im Betrieb kann der abstimmbare Laser 200 Laserlicht produzieren, das von dem ersten Kavitätsreflektor 207 reflektiert, durch den N × M-Koppler 250 passiert, wo es an die N optischen Verstärker 230 verteilt und durch diese verstärkt wird, und dann zu dem zweiten Reflektor 205 schreitet, wo es zurück durch die Verstärker und die Laserkavität reflektiert wird. Wenn das Licht vor und zurück in der Laserkavität zirkuliert, trägt jeder der N optischen Verstärker 230 eine Verstärkung zu der Intrakavitätslaserleistung bei. Außerdem wird ein Teilstück der Intrakavitätsleistung aus der Kavität durch die P Ausgabeleistung-Ports 260 abgegriffen. In vielfältigen Ausführungsformen sind N, M und P ganze Zahlen. N kann größer oder gleich 2 sein. M kann kleiner als, gleich oder größer als N sein. P kann kleiner als oder gleich M sein. In manchen Ausführungsformen ist N = M und P = N – 1.
  • Eine Bereitstellung eines Arrays optischer Verstärker 230 parallel, vielmehr als nur eines großen Verstärkers in einer Laserkavität, verbessert die thermische und optische Leistungsfähigkeit des abstimmbaren Lasers 200. Das Array verbreitet die durch die Verstärker 230 erzeugte Wärme über eine große Fläche, wo sie einfacher abgeführt werden kann. Beispielsweise wird ein Injektionsstrom zum Treiben der Verstärker, um eine gegebene Leistungsmenge zu erhalten, über N separate Regionen eines Substrats gespreizt, vielmehr als in einer einzelnen Region konzentriert zu werden. Ein Array optischer Verstärker erlaubt auch eine höhere optische Sättigungsleistung in dem Laser. In einem optischen Halbleiterverstärker kann die Menge verfügbarer Träger pro Volumeneinheit für eine optische Verstärkung eine Obergrenze haben. Indem man mehrfache Verstärker parallel hat, wird das Verstärkervolumen erhöht, während der optische Einzelmodenbetrieb in jedem Verstärker beibehalten wird, und deshalb wird die Menge verfügbarer Träger für die optische Verstärkung erhöht.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen können die optischen Verstärker 230 auf einem ersten Halbleiterchip 210 gelegen sein. Der N × M-Koppler 250 und das abstimmbare Filter 130 können auf einem zweiten Halbleiterchip 220 gelegen bzw. angeordnet sein. Die Phasenschieber 240 können auf dem ersten oder dem zweiten Halbleiterchip gelegen sein. Der erste Halbleiterchip 210 kann irgendein geeignetes erstes Material umfassen, beispielsweise Indiumphosphid und/oder irgendwelche seiner Legierungen (kollektiv als Indiumphosphid bezeichnet), Galliumarsenid und/oder irgendwelche seiner Legierungen, oder Galliumnitrid und/oder irgendwelche seiner Legierungen. Das Material des ersten Halbleiterchips 210 kann von einem zweiten Halbleitermaterial des zweiten Halbleiterchips 220 unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der zweite Halbleiterchip 220 Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und/oder Siliziumnitrid umfassen und integrierte Siliziumphotonikvorrichungen enthalten.
  • Wenn ein abstimmbarer Laser, so wie der abstimmbare Laser 200, über zwei Halbleiterchips verteilt ist, können Modengröße-Adapter bei der Verbindungsstelle der optischen Pfade zwischen den zwei Halbleiterchips gebildet sein. Beispielsweise können Modengröße-Adapter bei den Enden integrierter Wellenleiter gebildet sein, zu dem Rand eines Chips laufend. In dem Beispiel von 2 sind Modengröße-Adapter 215-1, 215-2...215-N bereitgestellt (hier kollektiv als 215 bezeichnet), einer für jeden der optischen Pfade 212. Die Modengröße-Adapter können einen Kopplungswirkungsgrad der optischen Strahlung von einem optischen Pfad (z.B. einem Wellenleiter) 212 auf dem ersten Halbleiterchip 210 zu einem optischen Pfad (z.B. einem Wellenleiter) 222 auf dem zweiten Halbleiterchip 222 verbessern.
  • Ein Beispiel eines optischen N × M-Kopplers 350, der als der N × M-Koppler 250 von 2 verwendet werden kann, ist in 3A abgebildet, obwohl die vielfältigen Aspekte der vorliegenden Anmeldung nicht nur auf diesen Kopplertyp beschränkt sind. In manchen Implementierungen kann ein optischer Koppler einen Multimodeninterferenz-(MMI, Multi-Mode Interference) Koppler oder einen Sternkoppler umfassen. Ein optischer Koppler kann N erste Ports auf einer Seite einer Kopplungsregion 320 und M zweite Ports auf einer zweiten Seite der Kopplungsregion umfassen. In dem veranschaulichten Beispiel gleicht N vier, so dass erste Ports 310-1...310-4 (kollektiv als 310 bezeichnet) bereitgestellt sind, während M zwei gleicht, so dass zwei Ports 330-1 und 330-2 (kollektiv als 330 und individuell als 330-m bezeichnet) bereitgestellt sind. Es sollte wahrgenommen werden, dass andere Anzahlen von Ports bereitgestellt sein können. In manchen Ausführungsformen kann die Kopplungsregion 320 einen integrierten Schichtwellenleiter bzw. Plattenwellenleiter (Engl.: slab waveguide) umfassen, in welchem von den N ersten Ports 310 eintretende optische Moden expandieren und optisch interferieren vor einem Austreten durch die M zweiten Ports 330. In manchen Implementierungen kann ein optischer Koppler 350 als eine integrierte Siliziumoptikvorrichtung gebildet sein, worin N und M Ports und die Kopplungsregion 320 als Siliziumwellenleiterstrukturen hergestellt sind. Die N und M Ports können Einzelmoden-Optikwellenleiter umfassen, die jeweils transversale Dimensionen zwischen ungefähr 50 nm und ungefähr 700 nm haben. In manchen Ausführungsformen kann ein Einzelmoden-Wellenleiter eine Höhe zwischen ungefähr 50 nm und ungefähr 300 nm und eine Breite zwischen ungefähr 200 nm und ungefähr 700 nm haben. Die Kopplungsregion 320 kann einen Multimoden-Schichtwellenleiter umfassen und eine selbe Höhe wie Wellenleiter der N und M Ports haben. Eine Breite der Kopplungsregion kann zwischen ungefähr 1 Mikrometer und ungefähr 50 Mikrometer sein.
  • In anderen Ausführungsformen kann ein optischer Koppler 350 mit Verwendung irgendeines geeigneten Halbleitermaterials, eines Dielektrikummaterials oder von Materialkompositionen gebildet sein. Materialkompositionen können metallische Schichten in manchen Ausführungsformen enthalten. Dielektrikummaterialien können Isolatoren, wie Oxide oder Nitride, enthalten. Optische Koppler, die aus anderen Materialien oder Materialkompositionen gebildet sind, können unterschiedliche Dimensionen als die oben aufgeführten haben.
  • Für einen optischen Koppler 350 können die ersten Ports 310 als "Eingabe"-Ports bezeichnet werden, und die zweiten Ports 330 können als "Ausgabe"-Ports bezeichnet werden. Jedoch kann ein N × M-optischer-Koppler eine Reziprozität aufweisen und in beiden Richtungen arbeiten. Beispielsweise kann ein optischer Koppler bei N "Eingabe"-Ports empfangenes Licht unter M "Ausgabe"-Ports verteilen. Das empfangene Licht kann eine Verteilung von N unterschiedlichen Intensitäten haben. Das unter den M Ausgabe-Ports verteilte Licht kann eine Verteilung von M unterschiedlichen Intensitäten haben. Der Gesamtbetrag der Ausgabeintensitäten kann oder kann nicht ungefähr gleich zu einem Gesamtbetrag der Eingabeintensitäten sein, in Abhängigkeit von dem Design des optischen Kopplers. In manchen Implementierungen kann die Richtung des Lichts umgekehrt sein, so dass der optische Koppler bei den M Ports empfangenes Licht unter den N Ports mit derselben Verteilung N unterschiedlicher Intensitäten verteilt. Obwohl 3A einen 4 × 2-optischer-Koppler abbildet, kann es irgendeine andere Anzahl erster Ports 310 und zweiter Ports 330 geben.
  • Ein anderes Beispiel eines N × M-optischer-Kopplers 352 ist in 3B abgebildet. In dem veranschaulichten Beispiel gleicht N zwei, so dass erste Ports 310-1 und 310-2 bereitgestellt sind, und M vier, so dass zweite Ports 330-1...330-4 bereitgestellt sind. Diese Anzahlen sind lediglich Beispiele. Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein optischer Koppler eine Mehrzahl von Einzelmoden-Optikwellenleitern umfassen, die entlang ihrer Länge wechselwirken. Beispielsweise können zwei oder mehr Wellenleiter parallel und in dichter Nähe zueinander bei Kopplungsregionen 315 und 325 verlaufen (z.B. ein optischer gerichteter Koppler oder ein optischer adiabatischer Koppler). Die Kopplungsregionen können Regionen sein, wo zwei oder mehr Wellenleiter nah zueinander beabstandet sind, so dass sich wenigstens ein abklingendes Feld (Engl.: evanescent field) von einem Wellenleiter in wenigstens einen benachbarten Wellenleiter erstreckt. Wenn eine optische Mode sich entlang eines Wellenleiters bewegt, wird sich Leistung von einem Wellenleiter in wenigstens einen benachbarten Wellenleiter koppeln.
  • Wie oben bemerkt, können ein oder mehr der optischen Pfade, die sich zwischen dem N × M-optischer-Koppler 250 und den N optischen Verstärkern 230 erstrecken, ein oder mehr Phasenschieber 240 enthalten. In manchen Implementierungen gibt es einen Phasenschieber in jedem optischen Pfad 222. Ein Phasenschieber 240-m kann ausgestaltet sein zum Einstellen einer Phase eines optischen Signals, das sich entlang des optischen Pfades 222 bewegt, und zum Einwirken auf die optische Interferenz von Feldern bei dem N × M-Koppler 250. Durch Einstellen der Phase eines optischen Signals in einem oder mehr optischen Pfaden 222 kann eine Menge einer Leistung, die von den Ausgabeleistung-Ports 260 und in dem Laserkavität-optischer-Pfad 224 emittiert worden ist, abgeändert werden. Ein Einstellen einer Phase in einem der optischen Pfade 222 kann beispielsweise den Weg ändern, in dem die optischen Felder bei dem N × M-Koppler 250 interferieren und Leistung an jeden der M Ports liefern. Gemäß einer Phasenfestlegung kann als ein Beispiel die gesamte Intrakavitätsleistung durch den Laserkavität-optischer-Pfad 224 fließen. Eine andere Phasenfestlegung kann manches der Intrakavitätsleistung unter den Leistung-Ports 260 verteilen.
  • Damit die Phasenschieber 240 eine optische Interferenz in dem N × M-Koppler 250 konsistent über einen breiten Wellenlängenbereich beeinflussen, können die optischen Pfadlängen zwischen dem N × M-Koppler und dem zweiten Reflektor 205 durch jeden optischen Verstärker ungefähr gleich sein. In der Praxis können sich die optischen Pfadlängen unterscheiden, vorausgesetzt, dass sie sich nicht um mehr als die zeitliche Kohärenzlänge der Laserstrahlung unterscheiden. Ein Haben unterschiedlicher optischer Pfadlängen kann in einer Wellenlängenabhängigkeit resultieren und kann in manchen Ausführungsformen verwendet werden, um eine optische Wellenlängenfilterung in der Laserkavität bereitzustellen. In manchen Implementierungen können die Phasenschieber 240 durch Steuersignale eingestellt werden, die manuell und/oder automatisch variiert werden. Beispielsweise kann jeder Leistung-Port 260-m einen optischen Abgriff und einen Leistungsdetektor enthalten, so dass ein Operator ein Steuersignal zum Einstellen der Phasenschieber bereitstellen kann, um ein erwünschtes Leistungsverhältnis von den Leistung-Ports zu erhalten. Zusätzlich oder alternativ kann eine Rückkopplungsschaltungsanordnung bzw. Regelungsschaltungsanordnung oder irgendein geeigneter Regelungsschaltkreis Steuersignale an die Phasenschieber 240 in Ansprechen auf eine erfasste Leistung bei einem oder mehr Ports bereitstellen, um die Leistung von einem oder mehr Ports 260 zu stabilisieren. Der Rückkopplungsschaltkreis kann irgendein geeigneter Schaltkreis sein oder kann via eine digitale Signalverarbeitung implementiert sein. Eine Rückkopplungsschaltungsanordnung kann wenigstens ein Leistungssignal von einem Detektor empfangen, der zum Überwachen einer Leistung von einem Leistung-Port angeordnet ist, und ein Steuersignal einem Phasenschieber 240-m zum Abändern einer Phase in Ansprechen auf das empfangene Leistungssignal bereitstellen. Der Rückkopplungsschaltkreis kann das empfangene Leistungssignal mit einem zweiten Signal vergleichen, um einen Wert für das Steuersignal zu bestimmen.
  • 4 bildet ein nicht-beschränkendes Beispiel eines Phasenschiebers 440 ab, der in einem abstimmbaren Laser verwendet werden kann, beispielsweise als ein Phasenschieber 240-m des abstimmbaren Lasers. Gemäß manchen Ausführungsformen kann der Phasenschieber 440 ein thermooptischer Phasenschieber sein, wie von M.R. Watts et al. in "Adiabatic Thermo-Optic Mach-Zehnder Switch", Opt. Lett. Vol. 38, Nr. 5, 733–735 (2013) beschrieben, welches hier mittels Verweis aufgenommen ist. Solche thermooptischen Phasenschieber können eine effiziente optische Phasenmodulation bis 2π in einer Länge eines Wellenleiters kleiner als 20 Mikrometer erreichen. In anderen Ausführungsformen kann der Phasenschieber 440 einen Halbleiter-basierten Phasenschieber umfassen, der die Phase mittels Strominjektion in einen Wellenleiter abändert. Für eine Glasfaserimplementierung kann der Phasenschieber ein piezoelektrisches Material umfassen, welches eine Faserlänge dehnt. Ungeachtet des Typs des Phasenschiebers 440 kann er durch eine elektrische Vorspannung zum Einstellen der Phase eines den optischen Pfad 222 durchlaufenden optischen Signals gesteuert werden.
  • Ein thermooptischer Phasenschieber kann Widerstandselemente 410 enthalten, die bei einem optischen Pfad (in diesem Beispiel als ein Wellenleiter angenommen) 222 gelegen sind. In manchen Ausführungsformen kann nur ein Widerstandselement 410 benachbart zu dem Wellenleiter sein. Ein Widerstandselement 410 kann neben und/oder über und/oder unter dem optischen Wellenleiter gelegen sein. Ein Widerstandselement kann aus einem Widerstandhalbleitermaterial, Metall oder irgendeinem anderen geeigneten Material gebildet sein, das einen elektrischen Strom in Wärme umwandelt. Ein thermooptischer Phasenschieber 440 kann ferner elektrisch leitfähige Leiterbahnen enthalten, die sich zu einem ersten Anschluss 425 und einem zweiten Anschluss 427 erstrecken. Die ersten und zweiten Anschlüsse können Kontakt-Pads sein. Ein elektrischer Strom kann über das Widerstandselement 410 via die ersten und zweiten Anschlüsse angelegt werden. Wenn ein Strom durch das Widerstandselement fließt, kann das Widerstandselement Wärme abführen, die mit wenigstens einem Teilstück des optischen Wellenleiters 222 koppelt, und dadurch den Brechungsindex innerhalb des optischen Wellenleiters ändern. Diese Änderung des Brechungsindex kann die Phase eines durch den Wellenleiter 222 sich bewegenden optischen Signals ändern. Ein thermooptischer Phasenschieber kann sich entlang eines Wellenleiters über eine Distanz zwischen ungefähr 2 Mikrometer und ungefähr 400 Mikrometer erstrecken, gemäß manchen Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen können andere Längen enthalten.
  • Die hierin beschriebenen vielfältigen Aspekte sind nicht auf thermooptische Phasenschieber 440 beschränkt. In manchen Implementierungen kann ein Phasenschieber 240-m einen elektrooptischen Phasenschieber umfassen. Ein elektrooptischer Phasenschieber kann einen Halbleiterübergang (z.B. einen p-n oder p-i-n) umfassen, der in einem Teilstück eines integrierten Wellenleiters gebildet ist. Der Halbleiterübergang kann ausgestaltet sein zum Injizieren von Ladungsträgern in eine Region des Wellenleiters, durch welche(n) eine optische Mode sich bewegt. Die Injektion von Ladungsträgern erhöht die optische Absorption und kann den Brechungsindex in dem Wellenleiter durch auf die optische Absorption angewendete Kramers-Kronig-Beziehungen ändern. Ein elektrooptischer Phasenschieber kann sich entlang eines Wellenleiters über eine Distanz zwischen ungefähr 50 Mikrometer und ungefähr 800 Mikrometer erstrecken, gemäß manchen Ausführungsformen. Andere Ausführungsformen können andere Längen enthalten.
  • 5 bildet ein abstimmbares Wellenlängenfilter 530 ab, das in einer abstimmbaren Hochleistung-Laserkavität enthalten sein kann, gemäß manchen Ausführungsformen. Beispielsweise kann das abstimmbare Wellenlängenfilter 530 als das abstimmbare Wellenlängenfilter 130 von 2 dienen. Das abstimmbare Wellenlängenfilter 530 kann ein Paar integrierter photonischer Ringresonatoren 510, 520 enthalten, die benachbart zu einem Laserkavität-optischer-Pfad 224 gelegen sind. Die Ringresonatoren 510, 520 können kreisförmig, elliptisch sein oder ein Rennbahnmuster (Engl.: race track pattern) haben oder können von unterschiedlichen Größen sein. Jeder Ringresonator kann einen freien Spektralbereich haben, der thermooptisch durch Heizwiderstandselemente 540 eingestellt werden kann. Durch Einstellen des freien Spektralbereichs jedes Ringresonators ist es möglich, eine Wellenlänge eines optischen Signals auszuwählen, die zu dem ersten Ringresonator 510 von dem Laserkavität-Optischer-Wellenleiter 224-1 koppeln kann, zu einem Zwischenwellenleiter 224-2 koppeln kann, zu dem zweiten Ringresonator 520 koppeln kann, und zu einem Endwellenleiter 224-3 koppeln kann, wo das optische Signal sich hinbewegt und von dem Laserkavitätsreflektor 207 reflektiert.
  • Die Ringresonatoren 510, 520 können als integrierte optische Wellenleiter gebildet sein, gemäß manchen Ausführungsformen. Die Ringresonatorwellenleiter können ein Querprofil haben, das ungefähr dasselbe wie ein Querprofil des Kavität-Optischer-Wellenleiters 224-1 ist, und wie oben beschrieben. In manchen Ausführungsformen können die Ringresonatorwellenleiter aus einem selben Material wie der Kavität-Optischer-Wellenleiter 224-1 (z.B. Silizium) gebildet sein.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann der erste Laserkavitätsreflektor 207 irgendeinen geeigneten Reflektor umfassen, der auf einem PIC integriert sein kann. Ein Beispiel eines Reflektors ist in 6A veranschaulicht. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Reflektor einen Wellenleiter-Schleifenspiegel (Engl.: waveguide loop mirror) umfassen. Beispielsweise kann sich ein Ende des Kavität-optischer-Pfades (z.B. Wellenleiter) 224 in eine Schleife 610 bei einem Ende der Laserkavität erstrecken, welche(s) zurück auf dem Kavität-Optischer-Wellenleiter kreist. In manchen Ausführungsformen kann die Schleife 610 einen Einzelmodenwellenleiter umfassen, der ein selbes Querprofil hat und aus denselben Materialien wie der Kavität-Optischer-Wellenleiter 224 gebildet ist. Die Schleife kann sich in irgendeiner geeigneten Form, beispielsweise einer Tränenform, erstrecken.
  • Ein anderes Beispiel eines Reflektors 207, der bei einem Ende eines Wellenleiters auf einem Chip implementiert sein kann, ist in 6B abgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform kann ein Reflektor einen Multimodeninterferenzreflektor mit einer expandierten Region 630 eines Wellenleiters 224 umfassen. Die expandierte Region 630 kann eine Schichtwellenleiterregion oder optische Kavität haben, in welche sich eine entlang des Wellenleiters 224 bewegende optische Mode (Engl.: optical mode) erstrecken, optisch interferieren und zurück in den Wellenleiter 224 reflektieren kann.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein zweiter Reflektor 205 bei einem entgegengesetzten Ende der Laserkavität als eine reflektierende Beschichtung implementiert sein, die auf Facetten bzw. Seitenflächen auf optischen Wellenleitern 212 abgelagert ist. Beispielsweise kann der erste Halbleiterchip gespalten (Engl.: cleaved) oder getrennt bzw. geschnitten (Engl.: cut) werden, mit einem Exponieren der Facetten bzw. Seitenflächen der Wellenleiter 212, die durch die optischen Verstärker passieren. Eine reflektierende Beschichtung kann dann auf den exponierten Facetten abgelagert worden. Die reflektierende Beschichtung kann eine Mehrschicht-Dielektrikumbeschichtung mit einer hohen Reflektivität bei der Laserwellenlänge umfassen. In anderen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl zweiter Reflektoren verwendet werden. Beispielsweise kann jeder Wellenleiter 212 einen Schleifenspiegel oder Multimodeninterferenzreflektor enthalten, so dass der zweite Reflektor 205 ein Array von Reflektoren umfasst.
  • Wie in 2 veranschaulicht, können die optischen Verstärker 230 auf einem ersten Halbleiterchip 210 gelegen sein, und der N × M-Koppler 250 kann auf einem zweiten Halbleiterchip 220 gelegen sein. Die optischen Verstärker 230 können mit dem N × M-Koppler durch N optische Pfade 212, 222 verbinden, die integrierte optische Wellenleiter umfassen. Die integrierten Wellenleiter können in manchen Implementierungen stoßgekoppelt bzw. angrenzend-gekoppelt (Engl.: butt-coupled) miteinander bei Rändern bzw. Kanten der Halbleiterchips sein, wie in 7A und 7B abgebildet. Solche stoßgekoppelten Wellenleiter können einen effizienten Leistungstransfer von einem Wellenleiter 212 auf einem Chip zu einem anderen Wellenleiter 222 auf einem benachbarten Chip bereitstellen. Wo die Wellenleiter sich bei dem Rand des Chips treffen, kann es Modengröße-Adapter 215 geben. Ein Beispiel eines Modengröße-Adapters 715 ist in 7A abgebildet.
  • In manchen Implementierungen kann ein Modengröße-Adapter 715 ein Teilstück eines integrierten optischen Wellenleiters umfassen, der sich in der Struktur ändert, wie er den Rand eines Halbleiterchips oder einer Region erreicht, wo die optische Kopplung zu einem anderen Wellenleiter stattfinden wird. Beispielsweise kann ein Wellenleiter 212 für einen optischen Verstärker 230-1 sich schrittweise in der Größe und/oder Kurve bei einer Modengröße-Anpassungsregion 720 nah einem Rand des ersten Halbleiterchips 210 expandieren. Die Expansion in der Größe kann eine Querdimension eines Wellenleiters bis zu 2 Mikrometer oder mehr erhöhen, in manchen Fällen. Die Expansion kann ermöglichen, dass die optische Mode in dem Wellenleiter sich in einer Richtung quer zu dem Wellenleiter nah des Randes des Chips expandiert, und kann dadurch eine Kopplung der optischen Mode von einem Wellenleiter auf dem ersten Chip zu einem zweiten Wellenleiter 222 auf dem zweiten Halbleiterchip 220 weniger empfindlich hinsichtlich einer Fehlausrichtung zwischen den Wellenleitern machen.
  • Modengröße-Anpassungsregionen 720, 730 jedes Wellenleiters können irgendeinem gekrümmten Pfad folgen, so dass eine optische Mode, die sich entlang einer optischen Achse 703 in der ersten Anpassungsregion 720 bewegt und aus dem ersten Halbleiterchip 210 austritt, mit einer optischen Achse der zweiten Anpassungsregion 730 ausgerichtet ist und einen Winkel α bezüglich einer Normalen einer Facette bzw. Seitenfläche jedes Wellenleiters bei den Chiprändern bildet. Der Winkel α kann zwischen ungefähr 5° und ungefähr 40° sein, gemäß manchen Ausführungsformen. Ein Stoßkoppeln bzw. Angrenzend-Koppeln (Engl.: butt-coupling) mit Verwendung solcher winkliger optischer Achsen kann schädliche Wirkungen potentieller Reflexionen von den Chiprändern reduzieren. Beispielsweise können potentielle Reflexionen von dem Chiprand in eine Richtung reflektieren, die nicht leicht in den optischen Wellenleiter 212 zurück reflektiert wird. Das reflektierte Licht kann in einer Richtung sein, die außerhalb der numerischen Apertur des Wellenleiters ist, und wird deshalb nicht aufgefangen und geführt durch Wellenleiter 212. Ein optischer Kleber oder ein indexabgleichender Kleber kann in manchen Fällen zum Bonden bzw. Binden der stoßgekoppelten Wellenleiter verwendet werden. In manchen Implementierungen können die optischen Achsen der stoßgekoppelten Wellenleiter normal zu den Chiprändern sein, und ein optischer Kleber oder indexabgleichender Kleber kann zum Bonden bzw. Binden der stoßgekoppelten Wellenleiter verwendet werden. Gemäß manchen Ausführungsformen kann eine Antireflexionsbeschichtung (z.B. ein Mehrschicht-Dielektrikumstapel) auf Facetten bzw. Seitenflächen stoßgekoppelter Wellenleiter gebildet sein, um Schnittflächenreflexionen zu reduzieren (z.B. wenn von einem InP-Chip, in dem der Mantel InP umfassen kann, zu einem Si-Chip gehend, in dem der Mantel ein Oxid umfassen kann).
  • Ein anderes Beispiel des Modengröße-Adapters 717 ist in 7B abgebildet. In manchen Ausführungsformen können die optischen Wellenleiter sich in lateralen und/oder vertikalen Dimensionen in den Modengröße-Anpassungsregionen 722, 732 bei Rändern der jeweiligen Chips verjüngen und reduzieren. In manchen Implementierungen kann sich eine Querdimension eines Wellenleiters auf ungefähr 50 nm reduzieren. Durch Reduzieren einer Querdimension eines optischen Wellenleiters wird eine optische Mode innerhalb des Wellenleiters weniger stark eingeengt und expandiert bzw. dehnt sich aus in das umgebende Dielektrikum oder die Luft, wenn der Wellenleiter kleiner bzw. schmaler wird. Dies kann die Lateraldimension einer optischen Mode erhöhen, die sich entlang des Wellenleiters bewegt, wenn sie den Rand des Halbleiterchips erreicht.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen und mit erneutem Verweis auf 2 können die optischen Verstärker 230 irgendeinen geeigneten Typ eines optischen Verstärkers umfassen. In einem Faseroptiksystem kann ein optischer Verstärker beispielsweise eine Erbium-dotierte Faser umfassen. Wenn in einem PIC implementiert, kann ein optischer Verstärker einen optischen Halbleiterverstärker (SOA, Semiconductor Optical Amplifier) umfassen. In manchen Ausführungsformen kann ein SOA 800 eine wie in der Elevationsansicht von 8 abgebildete Struktur haben. Beispielsweise kann ein SOA auf einem Halbleitersubstrat 805 gebildet sein, das ein Silizium-(Si)Substrat oder ein Indiumphosphid-(InP)Substrat sein kann, obwohl andere Halbleitersubstrate in anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Es kann oder kann nicht eine Dielektrikumschicht oder Isolierschicht 810 (beispielsweise eine Oxidschicht oder Nitridschicht) auf dem Substrat geben. Beispielsweise kann das Substrat ein Halbleiter-auf-Isolator-(SOI, Semiconductor On Insulator)Substrat umfassen, gemäß manchen Ausführungsformen. Die Isolationsschicht 810 kann zwischen ungefähr 50 nm dick und ungefähr 4 Mikrometer dick sein.
  • In manchen Implementierungen kann der optische Halbleiterverstärker 800 InP-Material umfassen und eine auf dem Substrat gebildete erste n-dotierte InP-Basisschicht 820 enthalten. Die Basisschicht 820 kann zwischen 100 nm dick und ungefähr 2 Mikrometer dick sein. Eine Pufferschicht 825, die n-dotiertes InP umfasst, kann auf der Basisschicht 820 gebildet sein. Die Pufferschicht 825 kann mittels epitaxischem Wachstum oder Ionenimplantation gebildet sein, gemäß manchen Ausführungsformen, und kann zwischen ungefähr 5 nm und ungefähr 50 nm dick sein. Eine intrinsische Schicht 830 von InP kann anschließend epitaxisch auf die Pufferschicht gewachsen sein. Die intrinsische Schicht 830 kann zwischen ungefähr 50 nm und ungefähr 200 nm dick sein, gemäß manchen Ausführungsformen. Eine p-dotierte Schicht 840 kann auf der intrinsischen Schicht zum Bilden eines p-i-n-Übergangs gebildet sein. Die intrinsische Schicht 830 und die p-dotierte Schicht 840 können epitaxisch gewachsen sein. Der SOA 800 kann außerdem elektronenblockierende und lochblockierende Schichten (nicht gezeigt) in manchen Ausführungsformen enthalten. Ein erster elektrischer Kontakt (nicht gezeigt) kann auf der p-dotierten Schicht 840 gebildet sein, und ein zweiter elektrischer Kontakt kann mit der Basisschicht 820 verbinden, so dass ein Strom über den p-i-n-Übergang angelegt werden kann.
  • Gemäß manchen Implementierungen kann ein SOA, so wie SOA 800, in einer Wellenleiterstruktur gemustert sein. Ein Querschnitt der Wellenleiterstruktur kann ein wie in 8 abgebildetes Profil haben. Eine optische Mode kann auf den Wellenleiter begrenzt bzw. eingeengt sein und primär durch die intrinsische Region 830 des Wellenleiters passieren, wo eine Ladungsträger-Rekombination und optische Verstärkung auftreten können. Obwohl 8 einen Erhöhungswellenleiter (Engl.: ridge waveguide) abbildet, können manche Ausführungsformen einen versenkten Wellenleiter enthalten (beispielsweise einen Wellenleiter mit Halbleitermaterial, das auf zwei oder mehr Seiten von einem Dielektrikum mit einem geringeren Brechungsindex umgeben ist).
  • Obwohl ein optischer Halbleiterverstärker als Indiumphosphid-basiert (was Legierungen von InP inkludiert) in Verbindung mit 8 beschrieben wird, können in anderen Ausführungsformen für einen SOA andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise kann ein SOA Galliumarsenid und/oder seine Legierungen umfassen. In manchen Implementierungen kann ein SOA Galliumnitrid und/oder seine Legierungen umfassen. In manchen Ausführungsformen kann ein SOA Legierungen von Indiumaluminium umfassen.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein abstimmbarer Laser, der eine Mehrzahl optischer Verstärker enthält, in einem PIC für optische Kommunikationen implementiert sein, wie in 9 abgebildet. Ein PIC 900 kann den abstimmbaren Laser 901 umfassen, der beispielsweise einen 4 × 4-optischer-Koppler 250, vier SOAs 230-1, 230-2, 230-3 und 230-4, vier Modengröße-Adapter 215-1, 215-2, 215-3 und 215-4 und vier Phasenschieber 240-1, 240-2, 240-3 und 240-4 enthält. Der abstimmbare Laser 901 kann drei Leistungsausgabe-Ports 904-1–904-3 zusätzlich zu einem Laserkavitätspfad 244 enthalten, der eine Intrakavitätsleistung zu einem abstimmbaren Wellenlängenfilter 130 und einem Reflektor 207 richtet. Der Laserkavitätspfad 244 kann im Wesen derselbe wie der zuvor beschriebene Pfad 224 sein. Laserlicht von einem ersten Leistung-Port 904-1 kann zu einem kohärenten Empfänger 902 koppeln. Dieses Laserlicht kann ein Lokaloszillatorsignal für den kohärenten Empfänger bereitstellen. Durch den abstimmbaren Laser 901 erzeugtes Laserlicht kann auch durch zwei andere Leistung-Ports 904-2, 904-3 einem optischen Sender 903 bereitgestellt werden.
  • Der kohärente Empfänger 902 kann auf einem selben Halbleiterchip 220 wie ein Teilstück des abstimmbaren Lasers 901 gebildet sein oder kann auf einem unterschiedlichen Halbleiterchip gebildet sein. In manchen Ausführungsformen kann ein kohärenter optischer Empfänger einen optischen Oberflächenkoppler 910 enthalten, der ausgestaltet ist zum Empfangen von Signallicht, auf welchem eine Information codiert ist, von einer Glasfaser, und zum Koppeln des Signallichts in integrierte optische Wellenleiter des kohärenten Empfängers 902. Der kohärente Empfänger kann ferner ein oder mehr Integrierter-kohärenter-Empfänger-photonische-Schaltkreise 920-1, 920-2 enthalten, die das empfangene Signallicht verarbeiten und eine Mehrzahl elektrischer Signale produzieren, die durch Kontakt-Pads 915 erfasst werden können. Ein von dem abstimmbaren Laser 901 bereitgestelltes Lokaloszillatorsignal kann mit einem optischen Spalter bzw. Splitter 912 zum Bereitstellen eines Lokaloszillatorsignals für jeden der Integrierter-kohärenter-Empfänger-Schaltkreise 920-1, 920-2 aufgespalten werden. Die Integrierter-kohärenter-Empfänger-Schaltkreise 920-1, 920-2 können phasenungleiche und polarisationsungleiche photonische Schaltkreise enthalten.
  • Der optische Sender 903 kann ein Paar verschachtelter Mach-Zehnder-Interferometer 950 umfassen. Ein verschachteltes Mach-Zehnder-Interferometer kann eine Mehrzahl optischer Spalter 912 und eine Mehrzahl thermooptischer Phasenschieber 940 enthalten. Ein verschachteltes Mach-Zehnder-Interferometer kann außerdem elektrooptische Hochgeschwindigkeit-Phasenmodulatoren 952 enthalten. Die verschachtelten Mach-Zehnder-Interferometer können für eine Quadratursignalmodulation und/oder Doppelpolarisationsmodulation optischer Signale verwendet werden. Ein optischer Sender 903 kann ferner einen Ausgabeoberflächenkoppler 980 enthalten, der ausgestaltet ist zum Koppeln einer optischen Strahlung von einem oder mehr Wellenleitern an eine Glasfaser.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein verschachteltes Mach-Zehnder-Interferometer 950 außerdem einen 2 × 2-optischer-Koppler 914 enthalten, von dem ein Austritt-Port ein optisches Referenzsignal einem Auf-Chip-Fotodetektor bereitstellen kann. Der Fotodetektor kann das optische Referenzsignal in ein elektrisches Signal umwandeln, das bei einem Signal-Pad 915 erfasst werden kann. Das elektrische Signal kann überwacht werden, um relative Leistungen von den zwei verschachtelten Mach-Zehnder-Interferometern 950 zu bestimmen.
  • Obwohl ein abstimmbarer Laser beschrieben worden ist als einer, der ein Teilstück mit auf einem ersten Halbleiterchip 210 gebildeten optischen Verstärkern und ein auf einem zweiten Halbleiterchip 220 gebildeten zweiten Teilstück hat, kann in manchen Implementierungen ein abstimmbarer Laser auf einem einzelnen Halbleiterchip gebildet sein, wie in 10A für den abstimmbaren Laser 1000 auf Chip 1010 abgebildet. Eine Elevationsansicht der Struktur ist in 10B gezeigt. Beispielsweise können ein N × M-optischer-Koppler 250 und integrierte optische Wellenleiter 310-1...310-4, 330-1...330-4 in einer ersten Halbleiterschicht 1022 auf einem Substrat 1005 gebildet sein. In manchen Implementierungen kann die erste Halbleiterschicht eine Siliziumhalbleiterschicht umfassen (z.B. eine Silizium-auf-Isolator-Schicht). Außerdem können die Phasenschieber 240-1...240-4 für einen oder mehr der N Eingabe-Ports an den Koppler 320 auf der ersten Halbleiterschicht 1022 gebildet sein. Eine zweite Schicht 1024 eines Halbleitermaterials, beispielsweise InP, kann über der ersten Halbleiterschicht 1022 gebildet sein, wie in 10B abgebildet. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die zweite Schicht des Halbleitermaterials durch einen Bonden-Prozess gebildet sein. Beispielsweise kann ein Wafer-Bonden- und Zurückätzungsprozess eingesetzt werden, wie in U.S.-Patent Nr. 9,020,001 beschrieben, welches hier mittels Verweis aufgenommen ist.
  • Optische Halbleiterverstärker 230 und ihre jeweiligen Wellenleiter 212 können in der zweiten Halbleiterschicht 1024 gebildet sein. In manchen Ausführungsformen kann ein Isolierdielektrikum, beispielsweise ein Oxid, 1030 zwischen den zwei Schichten abgelagert bzw. deponiert sein. Eine Isolierschicht kann auch als eine Überschicht zum Passivieren der Vorrichtung abgelagert sein. Leistung von den optischen Halbleiterverstärkern 230 auf der zweiten Schicht kann zu den unteren Ports (z.B. Siliziumwellenleiter) 310 durch abklingende bzw. evaneszente Kopplung gekoppelt werden. Auf diese Weise kann die Leistung in der Laserkavität sich von einem Kavitätsreflektor 205 durch die optischen Halbleiterverstärker in die tiefer liegenden Siliziumwellenleiter und durch den N × M-optischer-Koppler 320 zu einem anderen Kavitätsspiegel 207 (nicht gezeigt) bewegen, der mit einem Port 330-m des optischen Kopplers 320 gekoppelt ist.
  • In manchen Ausführungsformen kann es vorzuziehen sein, die optischen Verstärker 230 auf einem von anderen Komponenten des abstimmbaren Lasers unterschiedlichen Substrat zu bilden. 11A bis 11C bilden Ausführungsformen ab, in denen die SOAs auf einem ersten Substrat oder Halbleiterchip 210 gebildet und mit einem zweiten Halbleiterchip 220 gekoppelt sein können, auf dem der N × M-Koppler, Phasenschieber und ein abstimmbares Wellenlängenfilter gelegen sind. In manchen Implementierungen können die SOAs auf einer "Prozessseite" (Engl.: process side) oder "Vorrichtungsseite" (Engl.: device side) 1110 des ersten Halbleiterchips 210 gebildet sein. Wie in der Ausgestaltung 1101 von 11A gezeigt, kann der erste Chip umgedreht und zu einem ersten Submount 1115 gebondet werden/sein. Solch ein Flip-Chip-Bonden kann die Wärmeabführung von den SOAs verbessern. Beispielsweise kann das Submount ein Material (beispielsweise Aluminiumnitrid) umfassen, das eine höhere thermische Leitfähigkeit als das Material des ersten Halbleiters 210 (beispielsweise Indiumphosphid) hat. Das erste Submount 1115 kann an einen Basemount 1105 gebondet sein. Der zweite Halbleiterchip 220 kann dann ausgerichtet und gebondet werden zu bzw. an dem Basemount. In manchen Ausführungsformen werden die Komponenten auf dem zweiten Halbleiterchip 220 auf einer Prozessseite 1120 gebildet. In manchen Ausführungsformen kann der zweite Halbleiterchip 220 mit einer Positionierungsvorrichtung manipuliert und seine Ausrichtung mit/zu dem ersten Chip eingestellt werden, bis eine korrekte Ausrichtung erzielt wird. Gemäß manchen Ausführungsformen kann eine korrekte Ausrichtung erfasst werden mittels Überwachen einer optischen Leistung, die von einem Chip zu dem anderen transferiert worden ist. In manchen Fällen kann ein vergrößertes Bild der Chipschnittfläche betrachtet oder verarbeitet werden, um eine korrekte Ausrichtung zu bestimmen. Das vergrößerte Bild kann durch eine Kombination einer optischen und elektronischen Vergrößerung mit Verwendung optischer Linsen und eines CCD- oder CMOS-Bildgebungsarrays erhalten werden. Sobald ausgerichtet, kann dann ein Epoxid oder UV-aushärtbarer Kleber 1130 ausgehärtet werden zum Befestigen bzw. Fixieren des zweiten Halbleiterchips 220 und zum Bewahren der Ausrichtung. In manchen Ausführungsformen kann außerdem ein UV-aushärtbarer Kleber oder ein optischer Kleber zusätzlich zwischen dem ersten Halbleiterchip 210 und dem zweiten Halbleiterchip 220 gelegen sein, um sowohl eine Adhäsion als auch einen Indexabgleich bzw. eine Indexanpassung zwischen den optischen Pfaden (beispielsweise Wellenleiter) 212, 222 auf jedem Chip bereitzustellen.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen können der erste Halbleiterchip 210 und der zweite Halbleiterchip 220 beide an einem Basemount 1105 Flip-Chip-gebondet sein, wie in Ausgestaltung 1102 von 11B abgebildet. In manchen Fällen kann einer oder beide der Chips an dem Basemount 1105 Lötmittel-gebondet (beispielsweise mit Verwendung von Kontaktierhügel-Bonds bzw. Bump-Bonds) sein. Beispielsweise können das Lötmittel vor dem Bonden erwärmt, die Chips ausgerichtet werden, und dann kann das Lötmittel abgekühlt werden, um die Chips zu bonden und die Ausrichtung zu bewahren. In manchen Ausführungsformen kann ein UV-aushärtbarer oder optischer Kleber zusätzlich zwischen den Chips und/oder zwischen den Chips und dem Basemount 1105 verwendet werden, um beim permanenten Fixieren der Chips zu unterstützen, nachdem die Ausrichtung erzielt worden ist.
  • Gemäß manchen Implementierungen kann der die SOAs enthaltende erste Halbleiterchip 210 an dem zweiten Halbleiterchip 220 Flip-Chip-gebondet sein, wie in Ausgestaltung 1103 von 11C abgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform kann der zweite Halbleiterchip 220 einen Einschnitt bzw. Graben (Engl.: trench) 1150 oder ein anderes Aufnahmemerkmal zum Aufnehmen des ersten Halbleiterchips 210 enthalten. Beispielsweise kann der Einschnitt eine Tiefe zwischen ungefähr 500 nm und ungefähr 10 Mikrometer haben, so dass optische Pfade (z.B. Wellenleiter) 212, 222 auf den zwei Chips im Wesentlichen coplanar werden, wenn die Chips zusammen-gebondet sind. Die Chips können mit Verwendung von Lötmittel-Bonden und/oder adhäsivem Bonden, wie oben beschrieben, ausgerichtet und gebondet werden.
  • Nachdem somit einige Aspekte und Ausführungsformen der Technologie dieser Anmeldung beschrieben worden sind, sollte es erkannt werden, dass vielfältige Abänderungen, Modifizierungen und Verbesserungen leichtfertig dem Fachmann in dem Gebiet einfallen werden. Solche Abänderungen, Modifizierungen und Verbesserungen sollen beabsichtigungsgemäß innerhalb des Schutzbereichs der in der Anmeldung beschriebenen Technologie enthalten sein. Es sollte deshalb verstanden werden, dass die vorhergehenden Ausführungsformen nur beispielhaft präsentiert sind, und dass innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente erfinderische Ausführungsformen anders als die spezifisch beschriebenen praktiziert werden können. Außerdem ist irgendeine Kombination von zwei oder mehr Merkmalen, Systemen, Artikeln, Materialien und/oder Verfahren, die hier beschrieben worden sind, falls solche Merkmale, Systeme, Artikel, Materialien und/oder Methoden nicht wechselweise inkonsistent sind, innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung enthalten.
  • Wie beschrieben können außerdem manche Aspekte als ein oder mehr Verfahren verkörpert sein. Die als ein Teil des Verfahrens durchgeführten Handlungen können auf irgendeine geeignete Weise geordnet sein. Demgemäß können Ausführungsformen konstruiert werden, in denen Handlungen in einer anderen Reihenfolge als veranschaulicht durchgeführt werden, was ein gleichzeitiges Durchführen mancher Handlungen enthalten kann, obwohl als sequenzielle Handlungen in veranschaulichenden Ausführungsformen gezeigt.
  • Alle Definitionen, wie hier definiert und verwendet, sollten als überbestimmend gegenüber Lexikondefinitionen, Definitionen in mittels Verweis aufgenommenen Dokumenten und/oder gewöhnlichen Bedeutungen der definierten Begriffe verstanden werden.
  • Die unbestimmten Artikel "ein", "eine" und "einer", wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, wenn nicht klar gegenteilig angegeben, sollten verstanden werden als "wenigstens eins" bedeutend.
  • Die Phrase "und/oder", wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, sollte verstanden werden, "eines oder beide" der so verbundenen Elemente zu bedeuten, d.h. Elemente, die in manchen Fällen verbindend vorhanden und in anderen Fällen getrennt vorhanden sind.
  • Wie hier in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet, sollte die Phrase "wenigstens eines", in Bezug auf eine Liste von einem oder mehr Elementen, verstanden werden, wenigstens ein Element zu bedeuten, das aus irgendeinem oder mehr der Elemente in der Liste von Elementen ausgewählt worden ist, aber nicht notwendigerweise wenigstens eines von jedem Element inkludierend, das spezifisch innerhalb der Liste von Elementen aufgeführt ist, und nicht irgendwelche Kombinationen von Elementen in der Liste von Elementen ausschließend. Diese Definition lässt auch zu, dass Elemente optional vorhanden sein können, anders als die Elemente, die spezifisch innerhalb der Liste von Elementen identifiziert sind, auf welche sich die Phrase "wenigstens eines" bezieht, ob bezogen auf oder ohne Bezug zu diesen Elementen, die spezifisch identifiziert sind.
  • Die Terme "approximativ" und "ungefähr" können verwendet sein, innerhalb ±20% eines Zielwertes in manchen Ausführungsformen, innerhalb ±10% eines Zielwertes in manchen Ausführungsformen, innerhalb ±5% eines Zielwertes in manchen Ausführungsformen und sogar innerhalb ±2% eines Zielwertes in manchen Ausführungsformen zu bedeuten. Die Terme "approximativ" und "ungefähr" können den Zielwert enthalten.
  • In den Ansprüchen und auch in der obigen Beschreibung sollen alle Übergangsphrasen, so wie "umfassend", "einschließlich", "tragend", "mit", "enthaltend", "involvierend", "haltend", "zusammengesetzt aus" und dergleichen als offen bzw. mit unbestimmtem Ende verstanden werden, d.h. als mit aber nicht beschränkt auf. Die Übergangsphrasen "bestehend aus" und "im Wesentlichen bestehend aus" sollen abgeschlossene bzw. semi-abgeschlossene Übergangsphrasen sein.

Claims (21)

  1. Laser mit einer Laserkavität, umfassend: einen ersten Reflektor bei einem ersten Ende der Laserkavität; einen Intrakavität-N × M-Koppler, der angeordnet ist zum Empfangen von Licht von dem ersten Reflektor bei einem ersten Port und zum Verteilen des Lichts an N Ausgabe-Ports; Q optische Verstärker, die angeordnet sind zum Verstärken von Licht von wenigstens manchen der N Ausgabe-Ports, zum Produzieren von verstärktem Licht; und wenigstens einen zweiten Reflektor, der angeordnet ist zum Reflektieren des verstärkten Lichts zurück zu dem N × M-Koppler, wo Q ≥ 2.
  2. Laser nach Anspruch 1, mit ferner wenigstens einem Phasenschieber in wenigstens einem optischen Pfad zwischen dem N × M-Koppler und den Q optischen Verstärkern.
  3. Laser nach Anspruch 2 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei der wenigstens eine Phasenschieber wenigstens einen thermooptischen Phasenschieber umfasst.
  4. Laser nach Anspruch 2 oder 3 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner M – 1 Leistung-Ports, die mit dem N × M-Koppler verbunden sind, wobei der wenigstens eine Phasenschieber einstellbar ist zum Abändern einer Menge einer Laserleistung von wenigstens einem der M – 1 Leistung-Ports.
  5. Laser nach Anspruch 4 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: einem Detektor, der angeordnet ist zum Fühlen einer optischen Leistung von einem der M – 1 Leistung-Ports; und einem Rückkopplungsschaltkreis, der angeordnet ist zum Empfangen eines Leistungssignals von dem Detektor und zum Abändern einer Phase eines Phasenschiebers in Ansprechen auf das empfangene Leistungssignal.
  6. Laser nach einem der Ansprüche 1–4 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner einem abstimmbaren Wellenlängenfilter in der Laserkavität und gekoppelt mit dem N × M-Koppler.
  7. Laser nach Anspruch 6 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das abstimmbare Wellenlängenfilter wenigstens einen mit einem Wellenleiter gekoppelten Ringresonator umfasst.
  8. Laser nach Anspruch 6 oder 7 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das abstimmbare Wellenlängenfilter ausgestaltet ist zum Abstimmen einer Wellenlänge des Lasers über einen Bereich von Wellenlängen, wobei der Bereich von Wellenlängen zwischen 1200 nm und 1700 nm liegt.
  9. Laser nach einem der Ansprüche 1–8 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Reflektor und der N × M-Koppler auf einem ersten Substrat integriert sind, und die Q optischen Verstärker auf einem zweiten Substrat integriert sind.
  10. Laser nach Anspruch 9 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: ersten mikrofabrizierten Wellenleitern auf dem ersten Substrat und zweiten mikrofabrizierten Wellenleitern auf dem zweiten Substrat, angeordnet zum Koppeln der N Ausgabe-Ports des N × M-Kopplers mit den Q optischen Verstärkern; und Modengröße-Adaptern, die zwischen den ersten mikrofabrizierten Wellenleitern und den zweiten mikrofabrizierten Wellenleitern gelegen sind.
  11. Laser nach Anspruch 10 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei die ersten mikrofabrizierten Wellenleiter mit den zweiten mikrofabrizierten Wellenleitern stoßgekoppelt sind.
  12. Laser nach einem der Ansprüche 9–11 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Substrat einen Siliziumphotonikchip umfasst, und das zweite Substrat Indiumphosphid umfasst.
  13. Laser nach Anspruch 12 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: M – 1 Leistung-Ports, die mit dem N × M-Koppler verbunden sind; einem kohärenten optischen Empfänger auf dem Siliziumphotonikchip, wobei ein erster der M – 1 Leistung-Ports mit dem kohärenten Empfänger verbunden ist; und einem optischen Modulator auf dem Siliziumphotonikchip, wobei ein zweiter der M – 1 Leistung-Ports mit dem optischen Modulator verbunden ist.
  14. Verfahren zum Erzeugen von kohärentem Licht, wobei das Verfahren umfasst: Reflektieren von Licht von einem ersten Reflektor; Verteilen des Lichts, mit einem N × M-Koppler, an N optische Pfade; Produzieren von verstärktem Licht mittels Verstärken von Licht in wenigstens manchen der N optischen Pfade; und Zurückgeben des verstärkten Lichts an den N × M-Koppler und den ersten Reflektor.
  15. Verfahren nach Anspruch 14 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das Produzieren von verstärktem Licht mittels Verstärken von Licht in wenigstens manchen der N optischen Pfade ein Verstärken des Lichts mit Q optischen Halbleiterverstärkern umfasst, die mit Q optischen Wellenleitern gekoppelt sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das Zurückgeben des verstärkten Lichts ein Zurückgeben des verstärkten Lichts von einem ersten Halbleitermaterial an ein zweites Halbleitermaterial umfasst, in dem die N × M-Koppler hergestellt sind, wobei das erste Halbleitermaterial von dem zweiten Halbleitermaterial unterschiedlich ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Halbleitermaterial Indiumphosphid umfasst, und das zweite Halbleitermaterial Silizium umfasst.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner einem Einstellen eines abstimmbaren Filters zum Auswählen einer Wellenlänge des von dem ersten Reflektor reflektierten Lichts, wobei die Wellenlänge zwischen ungefähr 1200 nm und ungefähr 1700 nm ist.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14–17 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: Bereitstellen von Teilstücken von kohärentem Licht aus M – 1 Leistung-Ports, die mit dem N × M-Koppler verbunden sind; und Einstellen einer Phase von Licht in wenigstens einem der N optischen Pfade zum Abändern einer Menge einer Leistung in wenigstens einem der M – 1 Leistung-Ports.
  20. Verfahren nach Anspruch 19 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: Bereitstellen eines ersten Signals von einem ersten Leistung-Port der M – 1 Leistung-Ports an einen kohärenten optischen Empfänger, der auf einem selben Chip wie der N × M-Koppler gelegen ist; und Bereitstellen eines zweiten Signals von einem zweiten Leistung-Port der M – 1 Leistung-Ports an einen optischen Modulator, der auf demselben Chip gelegen ist.
  21. Verfahren nach Anspruch 20 oder einem anderen vorhergehenden Anspruch, mit ferner: Mischen des ersten Signals als ein Lokaloszillator mit einem empfangenen optischen Signal; und Modulieren des zweiten Signals als eine Trägerwelle zum Codieren wenigstens eines Teilstücks eines übertragenen optischen Signals.
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