ES2399294T3 - Método y sistema para transmisores DWDM integrados - Google Patents

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Abstract

Un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado, cuyo método comprende: proporcionar una capa de silicio; formar un multiplexor óptico dentro de una capa de sílice, estando la capa de sílice situada sobre la capa de silicio,incluyendo el multiplexor óptico una pluralidad de guías de onda de entrada y al menos una guía de onda de salida;la eliminación de al menos una primera parte de la capa de sílice para dejar expuesta una superficie; montar uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie, incluyendo cada unode los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores dos o más láseres, cada uno de los doso más láseres estando ópticamente acoplados a una correspondiente de la pluralidad de guías de onda de entrada; unir la capa de silicio a un componente de soporte, incluyendo el componente de soporte un componente de ajuste de latemperatura; en donde la formación del multiplexor óptico incluye: la formación de una primera sub-capa de sílice no dopado sobre la capa de silicio; la formación de una sub-capa de sílice dopado sobre la primera sub-capa de sílice no dopado; el ataque químico de al menos una segunda parte de la sub-capa de sílice dopado; la deposición de una segunda sub-capa de sílice no dopado sobre la sub-capa de sílice dopado con ataque químico y laprimera sub-capa de sílice no dopado ycaracterizado porque el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en lasuperficie comprende: el acoplamiento de cada uno de los dos o más láseres y la correspondiente de entre la pluralidad de guías de onda deentrada en un ángulo de inclinación de aproximadamente 20º o mayor; proporcionar una pluralidad de microcalentadores (335) para ajuste de la temperatura, con cada microcalentador estandodispuesto adyacente a cada uno de los dos o más láseres; proporcionar un analizador óptico (362) y un controlador (364), con el analizador óptico estando ópticamente acoplado auna guía de onda de salida en el transmisor DWDM integrado y el controlador (364) estando eléctricamente acoplado alanalizador óptico y a los microcalentadores (335).

Description

Método y sistema para transmisores DWDM integrados
Campo de la tecnología
La presente invención se refiere a las tecnologías de transporte de fibras ópticas y más en particular, a un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado y dicho aparato transmisor DWDM integrado.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado según se indica en el preámbulo de la reivindicación 1.
Desde su primer desarrollo a mediados de los años 1990, la multiplexación por división en longitud de onda densa (DWDM) se ha convertido en una tecnología dominante para las redes de transporte centrales, regionales y de larga distancia y gradualmente tienden a convertirse en las redes del área metropolitana. En un sistema DWDM convencional, cada componente óptico, sea un filtro MUX o de láser, está individualmente empaquetado. Una tarjeta de línea está construida con uno o varios componentes ópticos. Por ejemplo, una tarjeta de transmisor, para una longitud de onda dada, incluye un láser y un modulador (o un láser/modulador integrado). Los circuitos integrados de láser, que están situados en el interior de los paquetes de láser, suelen obtenerse a partir de compuestos de semiconductores de fosfuro de indio (InP). Las salidas ópticas de múltiples tarjetas de línea de transmisor, a diferentes longitudes de onda, están combinadas mediante una tarjeta de línea de multiplexor, que incluye algunos filtros MUX. Un filtro MUX frecuentemente utilizado está basado en cualquier red de difracción de guías de onda (AWG) obtenida de sílice sobre silicio. Las conexiones ópticas entre las tarjetas de línea son a través de fibras ópticas. La salida óptica desde la tarjeta de línea de multiplexor se amplifica luego por un amplificador óptico y se impulsa hacia la fibra de transmisión.
Aún cuando estos sistemas DWDM convencionales son útiles en algunas áreas, presentan numerosas limitaciones que restringen su eficacia en aplicaciones más amplias. Algunas de estas limitaciones se examinan a continuación y luego, se presentan técnicas mejoradas basadas en formas de realización de la presente invención.
El documento EP 1 028503 A2 da a conocer una fuente óptica estable de longitud de onda y dicha fuente comprende una fuente óptica de longitud de onda ajustable, un MMZI para recibir una señal desde la fuente óptica ajustable y para proporcionar una salida primaria y una o más salidas secundarias y una disposición de realización que responde a las salidas para ajustar la fuente de longitudes de onda. Fotodetectores acoplados a la salida primaria y a una o más de las salidas secundarias proporcionan información de realimentación para mantener la estabilidad de la longitud de onda.
El artículo titulado “Diseño y aplicaciones de circuitos de ondas de luz planares basados en sílice” por Kaneko et al publicado en IEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics vol 5, nº 5 septiembre/octubre 1999, da a conocer el reciente progreso y las futuras perspectivas de las tecnologías de PLC incluyendo multiplexores de redes de difracción de guías de onda matriciales, multiplexores ópticos de extracción-inserción y tecnologías de integración de optoelectrónica híbrida.
El documento WO 01/33268 A1 da a conocer un par de guías de onda asimétricas con una respuesta térmica diferencial que tiene una frecuencia de acoplamiento óptico que puede ser sintonizada por medios termo-ópticos. La sintonía puede revisarse también aplicando un campo eléctrico a través de una parte de cristal líquido o la estructura de guías de onda.
El artículo titulado “Control de la alineación de longitudes de onda en una red óptica pasiva de acceso múltiple por división en longitud de onda” por Tervonen et al publicado en Electronics Letters vol. 39, nº 2 en enero de 2003, da a conocer que en una red óptica pasiva de acceso múltiple por división en longitud de onda basada en una segmentación espectral, la desviación de la longitud de onda de un multiplexor/demultiplexor, debido a la temperatura ambiente variable en la instalación exterior pasiva se compensa controlando la temperatura del otro dispositivo situado en la oficina central para alineación de la longitud de onda.
Sumario de la invención
La presente invención se refiere a sistemas de transporte de fibras ópticas. Más en particular, la invención da a conocer un método para reducir el tamaño y coste de los sistemas de transporte óptico. Solamente a modo de ejemplo, la invención ha sido aplicada a sistemas transmisores ópticos DWDM. En particular, la invención se refiere a un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado según se indica en la reivindicación 1. Las reivindicaciones dependientes se refieren a formas de realización operativamente ventajosas.
Numerosas ventajas operativas se consiguen mediante la presente invención con respecto a las técnicas convencionales. Por ejemplo, en algunas formas de realización, la invención da a conocer métodos y aparatos que utilizan una AWG de sílice/silicio como un substrato para montar circuitos integrados de láser de semiconductores (InP)/moduladores. Puesto que el coste de procesamiento por área unitaria para sílice sobre silicio puede ser dos
órdenes de magnitud menor que para InP, la AWG, según las formas de realización de la presente invención, se puede obtener a mucho menor coste. Las AWGs de sílice sobre silicio son una tecnología mucho más desarrollada. Por ejemplo, la pérdida de transmisión es mucho menor en las AWGs obtenidas de sílice sobre silicio que los obtenidos de InP. Además, según una forma de realización de la invención, sin la AWG, el circuito integrado de InP se puede obtener mucho más pequeño. El alto rendimiento y el pequeño tamaño reducen, en gran medida, el coste de los circuitos integrados de InP utilizados para la integración híbrida según formas de realización de la presente invención. En términos del dispositivo acabado, el tamaño de un transmisor DWDM integrado híbrido, según formas de realización específicas de la invención, es comparable con el de un transmisor DWDM integrado de forma monolítica. De este modo, la ventaja del pequeño tamaño de un transmisor DWDM integrado se conserva según las formas de realización de la presente invención.
Varios objetos, características y ventajas adicionales de la presente invención pueden ser más evidentes haciendo referencia a la descripción detallada y dibujos adjuntos siguientes.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1A es un diagrama de una vista superior simplificada de un ejemplo ilustrativo de un transmisor DWDM integrado híbrido que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones;
La Figura 1B es un diagrama de una vista en sección transversal simplificada del transmisor DWDM integrado híbrido representado en la Figura 1A;
La Figura 2A es un diagrama de una vista superior ampliada simplificada de un transmisor DWDM integrado híbrido según otro ejemplo ilustrativo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones;
LA Figura 2B es un diagrama de una vista en sección transversal ampliada simplificada de un transmisor DWDM integrado híbrido representado en la Figura 2A;
La Figura 3 es un diagrama de una vista simplificada de un sistema transmisor DWDM integrado según una forma de realización de la presente invención;
La Figura 4A es un diagrama de flujo simplificado de un método ilustrativo para mantener una longitud de onda objetivo en un transmisor DWDM integrado según la forma de realización de la presente invención;
Las Figuras 4B-4D son diagramas de longitudes de onda simplificados que ilustran el método para mantener una longitud de onda objetivo en un transmisor DWDM integrado según la anterior forma de realización de la invención y
La Figura 5 es un diagrama de flujo simplificado de etapas particulares de un método para obtener un transmisor DWDM integrado según la forma de realización de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere a sistemas de transporte de fibras ópticas. Más en particular, la invención da a conocer un método y dispositivo para reducir el tamaño y coste de los sistemas de transmisores ópticos. Solamente a modo de ejemplo, la invención ha sido aplicada a sistemas de transporte ópticos DWDM. No obstante, ha de entenderse que la invención tiene un alcance mucho más amplio de aplicabilidad.
Según se describió anteriormente, los componentes ópticos en un sistema DWDM convencional suelen estar individualmente empaquetados. En gran medida, el coste del empaquetado determina el precio de los componentes. Por ejemplo, un circuito integrado de láser de realimentación distribuida (DFB) puede costar solamente unos dólares, mientras que un láser DFB empaquetado se vende por varios centenares de dólares, lo que se debe, en gran medida, al coste del empaquetado. Por ello, resulta difícil reducir todavía más el coste con el diseño del sistema DWDM convencional. Además, las múltiples tarjetas de línea, cada una construida con los componentes individuales, hace difícil reducir el tamaño de los terminales DWDM.
En los últimos años, se realizaron esfuerzos para integrar, de forma monolítica, múltiples láseres/moduladores y la AWG en un circuito integrado InP único. De este modo, el tamaño de un terminal DWDM se puede reducir en gran medida. Los métodos de integración monolítica se basan principalmente en tecnologías de procesamiento de circuitos integrados InP, que todavía no han alcanzado la madurez operativa. El rendimiento del procesamiento de InP es bajo en comparación con el procesamiento del silicio, incluso para circuitos integrados de elementos individuales. Con múltiples elementos integrados en un circuito integrado único, el rendimiento tiende a disminuir de forma exponencial. Además, la AWG, que es un elemento pasivo, suele ocupar una superficie mucho mayor del circuito integrado que los elementos activos, tales como láseres. Esto da lugar a un uso ineficiente de los materiales InP de alto coste.
Como regla general, el tamaño de los circuitos integrados de InP es de un orden de magnitud más pequeño que los de silicio. Por ejemplo, los diámetros de los circuitos integrados de InP suelen ser de 2 pulgadas (5,08 cm) o de 3 pulgadas
(7,62 cm), en comparación con 8 pulgadas (20,32 cm) o incluso 12 pulgadas (30,48 cm) para los de silicio. El coste de procesamiento por área unitaria para los circuitos integrados de InP pueden ser dos órdenes de magnitud mayores que los de silicio.
El bajo rendimiento del circuito integrado, acoplado con el alto coste de procesamiento, hace que no sea económico integrar, de forma monolítica, un transmisor DWDM en un circuito integrado de InP. De lo anterior se deduce que es deseable una técnica mejorada para el diseño del transmisor DWDM.
La presente invención incluye varias características que pueden utilizarse. Estas características incluyen las siguientes:
1.
Un circuito de onda de luz planar de sílice sobre silicio (PLC) se utiliza como un soporte para el montaje de los circuitos integrados de InP, de modo que las guías de onda pasivas del circuito PLC estén ópticamente acopladas a las guías de onda de InP activas, tales como láseres de semiconductores.
2.
Un transmisor DWDM integrado híbrido incluye uno o más múltiples circuitos integrados de láseres matriciales de modulación directa (DML) de InP y una red de difracción de guías de onda matricial (AWG) obtenida a partir del circuito de onda de luz planar de sílice sobre silicio (PLC) y
3.
Un método se da a conocer para mantener las longitudes de onda centrales de un transmisor DWDM integrado utilizando un analizador óptico y un enfriador termoeléctrico (TEC) acoplado al transmisor integrado.
Según se ilustra, las características anteriores pueden estar en una o más de las formas de realización. Estas características son simplemente ejemplos, que no deben limitar indebidamente el alcance de la aplicación. Un experto en esta técnica reconocería numerosas variaciones, modificaciones y alternativas.
La Figura 1A es un diagrama de una vista superior simplificada de un transmisor DWDM integrado híbrido según un ejemplo ilustrativo que no cae dentro del alcance de las reivindicaciones. Este diagrama es simplemente un ejemplo. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. Según se muestra, el transmisor DWDM integrado híbrido 100 incluye un soporte de silicio 101. En un ejemplo concreto, el soporte de silicio 101 incluye un substrato de sílice sobre silicio. El transmisor híbrido 100 incluye, además, un multiplexor óptico en el soporte de silicio. En un ejemplo concreto, el multiplexor óptico incluye una red de difracción de guías de onda (AWG) 110 obtenida en un circuito de onda de luz planar de sílice sobre silicio (PLC) en el soporte de silicio. Un transmisor híbrido 100 comprende, además, uno o más múltiples circuitos integrados de láseres matriciales, por ejemplo, 114 y 115. En un ejemplo preferido, los circuitos integrados de láseres matriciales incluyen láseres DML obtenidos en InP. En un ejemplo concreto, cada circuito integrado de láseres matriciales de InP incluye dos o más láseres. Por supuesto, pueden existir otras variaciones, modificaciones y alternativas.
En un ejemplo concreto, la AWG 110 incluye un puerto de salida óptico 112, múltiples puertos de entrada 113 y guías de onda de red de difracción 116. En un ejemplo, el puerto de salida 112 está ópticamente acoplado a un fibra óptica 119, que se puede acoplar a un sistema de transmisión óptica. Los puertos de salida y de entrada, por ejemplo, pueden todos ellos realizarse en la forma de guía de onda. En un ejemplo concreto, las guías de onda de red de difracción 116 incluyen varias guías de onda para el acoplamiento a los puertos de entrada y de salida. Estas guías de onda tienen longitudes variables para realizar funciones de multiplexación y demultiplexación por división en longitudes de onda. En algunos ejemplos, cada puerto de entrada de la AWG tiene una longitud de onda central y una banda de paso asociada con la transmisión de la luz. En una forma de realización concreta, la longitud de onda central corresponde a una longitud de onda particular asociada con una frecuencia definida por las normas de ITU-T, por ejemplo, 193,1 THz.
La Figura 1B es un diagrama de una vista en sección transversal simplificada del transmisor DWDM integrado 100 según un ejemplo que no cae bajo el alcance de protección de las reivindicaciones. Este diagrama es simplemente un ejemplo. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. Según se ilustra, una guía de onda incluye una zona de sílice dopado 121 encerrada en una capa de sílice no dopado 122 sobre un substrato de silicio
124. En un ejemplo concreto, la zona de sílice dopado 121 tiene un más alto índice de refracción que la zona de sílice no dopado. En un ejemplo concreto, la zona de sílice dopado 121 tiene un índice de refracción aproximado de 1,47 y la zona de sílice no dopado tiene un índice de refracción aproximado de 1,45. En la Figura 1B, la guía de onda 121 se utiliza para ilustrar una vista en sección transversal de partes de guías de onda en el puerto de entrada 113, guías de onda de red de difracción 116 y un puerto de salida 112.
El transmisor integrado 100 incluye uno o más circuitos integrados de láseres matriciales y cada circuito integrado de láser matricial puede incluir dos o más láseres. En el ejemplo concreto ilustrado en la Figura 1A, el transmisor integrado 100 incluye dos circuitos integrados de láseres matriciales de modulación directa (DML) 114 y 115. En este ejemplo concreto, cada uno de los circuitos integrados matriciales de DML 114 y 115 incluye cuatro láseres de modulación directa (DMLs) obtenidos en la tecnología InP. En un ejemplo concreto, los DMLs son de los tipos de láseres de realimentación distribuida (DFB) y por ello, se hacen funcionar en un modo de frecuencia única. En algún ejemplo, cada DML funciona en torno a una longitud de onda particular (frecuencia) definida por las normas ITU-T, por ejemplo, 193,1 THz. Por supuesto, un experto en esta materia reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas.
Los conjuntos matriciales DML pueden ser también circuitos integrados DML individuales. Los DMLs se pueden sustituir por moduladores y láseres de CW integrados, por ejemplo, un láser DFB integrado con un modulador de electroabsorción (EA). Los láseres pueden ser también láseres de red de difracción Bragg distribuida (DBR). La red de difracción AWG se puede sustituir por un combinador de guías de onda PLC N x 1 de banda ancha. Un amplificador de fibras dopadas con erbio (EDFA) o un amplificador de guía de onda con dopado de erbio (EDWA) se puede utilizar para compensar la pérdida excesiva del combinador de banda ancha.
Según se ilustra en la Figura 1A, los circuitos integrados matriciales DML están montados sobre una parte del soporte de silicio 101, en la proximidad de los puertos de entrada 113 de la AWG 110. Este montaje se realiza utilizando un método denominado flip-chip p-side down. Otros métodos de ensamblado, utilizando adhesivos adecuados, se pueden emplear también a este respecto. En la Figura 1B, el soporte de silicio 101 incluye un substrato de sílice sobre silicio. Una zona de soporte de silicio incluye la guía de ondas de la AWG. En otra zona del soporte de silicio, se elimina una parte de la sílice y se montan circuitos integrados matriciales DML, sobre la superficie del restante substrato de sílice sobre silicio. Como alternativa, la capa de sílice en una segunda zona del soporte de silicio es eliminada y los circuitos integrados matriciales de DML se montan sobre la superficie de silicio expuesta.
El soporte de silicio puede montarse sobre un componente de soporte 130, según se ilustra en la Figura 1B. El componente de soporte 130 puede incluir un submontaje opcional 132 y un componente de ajuste de la temperatura 134. El componente de ajuste de la temperatura mantiene a los componentes ópticos, tales como las guías de onda, la AWG y los DMLs a una temperatura operativa adecuada, por ejemplo ~25ºC. En la forma de realización específica, el componente de ajuste de la temperatura incluye un enfriador termoeléctrico (TEC). En algunas formas de realización, el transmisor integrado 100 incluye, además, un microcalentador en una proximidad a cada uno de los láseres para ajuste de la temperatura. A la temperatura operativa, las longitudes de onda centrales de los DMLs pueden adaptarse aproximadamente a las de los puertos de entrada de la AWG, por ejemplo, 193,1 THz, 193,2 THz, 193,3 THz, etc. En condiciones normales, las longitudes de onda centrales de la AWG pueden desplazarse con la temperatura en ~ 0,01 nm/ºC y las longitudes de onda centrales de los láseres InP se desplazan con la temperatura en ~0,1 nm/ºC. El componente de soporte 130 incluye, además, un submontaje 132 en el componente de ajuste de la temperatura 134. En una forma de realización, el submontaje 132 se obtiene a partir de materiales que contienen metal o productos cerámicos que proporcionan una resistencia mecánica. El submontaje tiene, además, una buena conductancia térmica que se requiere para que el componente de ajuste de la temperatura pueda controlar la temperatura de los componentes ópticos, tales como el láser y las guías de ondas.
Según una forma de realización de la presente invención, una dificultad principal de la integración híbrida se debe a la desadaptación de modos espaciales entre los dos tipos de guías de onda. Para aplicaciones en la ventana de longitudes de onda de 1,550 nm, los diámetros de modos del PLC de sílice estándar suelen ser aproximadamente de 8 a 10 μm, con divergencia del haz de salida de aproximadamente 7-10º, similar a los de las fibras monomodo estándar. Los diámetros de modos de láseres InP estándar, por el contrario, suelen ser aproximadamente 2 μm, con divergencia de haz de salida de aproximadamente 35º. Debido a la desadaptación de modos, la eficiencia de acoplamiento óptica es baja, con una pérdida de acoplamiento de 10 dB típica. La exactitud de colocación requerida es también alta debido al gran ángulo de divergencia de la salida de láser. Estos inconvenientes pueden limitar, en gran medida, la utilidad del método híbrido.
En formas de realización específicas de la presente invención, convertidores de modos (o expandidores de haces) en los circuitos integrados de InP se utilizan para aumentar el diámetro del modo de salida láser comparable con el de la guía de onda de PLC. Esto reduce la pérdida de acoplamiento a aproximadamente 3 dB y para relajar las exigencias de alineación. Según formas de realización de la invención, se dan a conocer métodos para mejorar la alineación y reducir la pérdida de acoplamiento. Detalles adicionales se proporcionan a continuación.
La Figura 2A es un diagrama de una vista superior ampliada simplificada de un transmisor DWDM integrado híbrido según un ejemplo ilustrativo. Estos diagramas son simplemente ejemplos, que no deben limitar indebidamente el alcance de protección de las reivindicaciones. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. Según se ilustra en la Figura 2A, el transmisor DWDM integrado híbrido 200 incluye guías de onda 212 y 213 que están acopladas a un multiplexor óptico, tales como una red de difracción de guías de onda (AWG) (no ilustrada). A modo de ejemplo, las guías de onda y la AWG se obtienen a partir de un circuito de onda de luz planar de sílice sobre silicio (PLC) según se describe en la Figura 1A. El transmisor integrado 200 incluye también láseres DFB 214 y 215. Ejemplos de láseres DFB se examinaron anteriormente en relación con las Figuras 1A y 1B. Las guías de onda 212 y 213 están situadas en un ángulo de inclinación con respecto a los láseres 214 y 215, respectivamente, para reducir al mínimo la reflexión que forma facetas de guías de onda de entrada de la AWG, puesto que el rendimiento del láser DFB tiende a degradarse por reflexiones de la luz. Esta disposición inclinada se ilustra como 217 en la Figura 2A. La luz reflejada está en un ángulo aproximado de 20º o mayor respecto al eje del láser.
La Figura 2B es un diagrama de una vista en sección transversal ampliada simplificada del transmisor DWDM integrado híbrido 200. Este diagrama es simplemente un ejemplo, que no debería limitar indebidamente el alcance de protección de las reivindicaciones de la presente invención. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. Según se indica la vista en sección transversal del transmisor 200 incluye una guía de ondas de sílice 213 encerrada en una capa de sílice no dopado 222 sobre un substrato de silicio 224. La guía de onda de
láser 215 está alineada con la guía de onda de sílice 213, tanto vertical como horizontalmente, con precisiones aproximadas de + 2 μm. En algunas formas de realización, no existe ningún contacto directo entre facetas (puerto de salida) del láser 215 y la guía de onda de sílice 213. En un ejemplo concreto, la distancia 218 entre las facetas se mantiene dentro de aproximadamente 30 μm. Por supuesto, pueden existir otras variaciones, modificaciones y alternativas.
La separación física entre los láseres individuales en el conjunto matricial y por lo tanto, la separación entre las guías de onda de entrada de la AWG correspondientes puede mantenerse suficientemente grande para reducir al mínimo la diafonía térmica y la diafonía eléctrica debido a las modulaciones de datos de alta velocidad. Solamente a modo de ejemplo, según se ilustra en la Figura 2A, una distancia adecuada entre láseres 214 y 215 es aproximadamente 0,3-0,5 mm.
Los circuitos integrados de láser, la AWG y el componente de soporte incluyendo el TEC, después de una unión de cables eléctricos adecuada, puede colocarse en el interior de un paquete único para formar un transmisor DWDM. Dependiendo de las formas de realización, el transmisor puede tener varias entradas y salidas. Por ejemplo, el transmisor puede tener múltiples entradas eléctricas que controlan y vigilan las temperaturas de la AWG y de DMLs, las corrientes continuas DC y las modulaciones de RF de los DMLs, etc. En otro ejemplo, el transmisor tiene una salida óptica única, normalmente a través de una conexión de fibra óptica, que envía las señales de DWDM de múltiples canales.
Otra cuestión importante, en la integración híbrida, es la desadaptación de dilatación térmica entre InP y el silicio. El coeficiente de dilatación térmica de InP es aproximadamente 4,6 x 10-6 ºC-1 y el del silicio es aproximadamente 2,6 x 106 ºC-1. En una forma de realización específica de la invención, la unión de los DMLs y de la AWG se realiza a aproximadamente 300º C, mientras que la temperatura de funcionamiento del transmisor es aproximadamente 30º C. De este modo, un circuito integrado de 2 mm, que es aproximadamente el tamaño de un conjunto de cuatro DMLs, se contraerá en ~ 1,1 μm en relación con el substrato de silicio (AWG) después del ensamblado. Dicha desadaptación no solamente afectaría a la alineación de guías de onda, sino que también introduce deformaciones en el circuito integrado de láser, que podría degradar el rendimiento del láser. Por ejemplo, la deformación puede causar que las longitudes de onda centrales de los láseres se desplacen con respecto a las longitudes de onda diseñadas.
El problema de la desadaptación térmica se puede reducir al mínimo utilizando circuitos integrados DML simples. Sin embargo, esto aumentará, en gran medida, el tiempo para el montaje de circuitos integrados de láser al soporte de PLC. El problema puede hacerse más importante cuando el número de canales de DWDM se hace grande, por ejemplo, N =
40. Según otra forma de realización de la invención, múltiples pequeños conjuntos matriciales de DML, cada uno con un tamaño menor o igual a 2 mm se prefieren para el transmisor DWDM. Cada conjunto de láseres DML puede incluir dos o más láseres. Por supuesto, pueden existir otras variaciones, modificaciones y alternativas. Por ejemplo, utilizando un método de ensamblado a baja temperatura, se pueden incluir los conjuntos matriciales de DML con un tamaño superior a 2 mm según algunas formas de realización de la presente invención.
Se puede utilizar un método para el ajuste fino de las longitudes de onda centrales de los DMLs. Debido a la tolerancia de fabricación, las longitudes de onda centrales de los láseres puede no caer exactamente en la rejilla de distribución de ITU-T a la temperatura de funcionamiento del componente de ajuste de la temperatura. La variación, por ejemplo, suele estar en el orden de magnitud de 1 nm. Un microcalentador se utiliza para elevar una temperatura de una guía de onda de DML. Por ejemplo, un microcalentador se coloca adyacente a cada guía de onda de DML, bien sea en el circuito integrado de láser, bien sea en el PLC. Según una forma de realización específica de la invención, elevando la temperatura local a aproximadamente 0-10º C en relación con el substrato, se puede realizar una sintonía fina de las longitudes de onda centrales de los DMLs para las rejillas de ITU. Más detalles sobre este método se examinan a continuación haciendo referencia a la Figura 3.
La Figura 3 es un diagrama de una vista simplificada de un sistema transmisor DWDM integrado, según la forma de realización de la presente invención. Este diagrama es simplemente un ejemplo, que no debe limitar indebidamente el alcance de protección de las reivindicaciones de la presente invención. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. Según se ilustra, el sistema transmisor integrado 300 incluye un transmisor integrado híbrido 350 similar al transmisor 100 examinado anteriormente en relación con las Figuras 1A y 1B. Para una fácil referencia, las partes correspondientes de los dispositivos se marcan con referencias numéricas idénticas. Según se ilustra, el transmisor integrado híbrido 350 incluye un láser 115, una guía de onda de sílice 121 formada en un soporte de sílice 101 que incluye una capa de sílice no dopado 122 que se superpone sobre una capa de silicio 124. El substrato de silicio 124 se superpone sobre un componente de soporte 130, que incluye un componente de ajuste de la temperatura 134, tal como un enfriador termoeléctrico (TEC) y un submontaje opcional 132. En una forma de realización específica, el sistema transmisor integrado 300 incluye también un microcalentador 335 en una proximidad al láser 115, un analizador óptico 362 y un controlador 364. El analizador óptico 362 está ópticamente acoplado a una guía de onda de salida en el transmisor DWDM integrado, que puede acoplarse ópticamente a un sistema de comunicación óptica a través de fibra óptica 119. El controlador 364 está eléctricamente acoplado al analizador óptico 362 y el microcalentador 335. Un microcalentador está colocado adyacente a cada láser, bien sea sobre el circuito integrado de láser o sobre el PLC. En una forma de realización específica, el microcalentador es un elemento resistivo, tal como una cinta metálica, depositada en una proximidad al láser 115 según se indica en la Figura 3.
Aunque la descripción anterior se hizo utilizando un grupo seleccionado de componentes para el sistema transmisor DWDM integrado, pueden existir numerosas alternativas, modificaciones y variaciones. Por ejemplo, algunos de los componentes pueden expandirse y/o combinarse. Otros componentes se pueden insertar a los anteriormente indicados. Dependiendo de la forma de realización, la disposición de los componentes puede intercambiarse con otras sustituidas. Por ejemplo, el transmisor integrado 350 puede incluir características del transmisor 200 anteriormente descrito en relación con las Figuras 2A y 2B.
La Figura 4A es un diagrama de flujo simplificado de un método para mantener una longitud de onda objetivo en un transmisor DWDM integrado según la invención. Las Figuras 4B-4D son diagramas de longitudes de onda simplificados según el método. Estos diagramas son simplemente ejemplos, que no deberían limitar indebidamente el alcance de protección de las reivindicaciones. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. El método puede describirse brevemente a continuación, haciendo referencia al sistema DWDM integrado en la Figura 3, al diagrama de flujo en la Figura 4A y los diagramas de longitudes de onda en las Figuras 4B-4D.
1.
(Proceso 410). Determinar la distribución de longitudes de onda de láser a una temperatura de TEC global predeterminada. Un ejemplo de distribución de longitudes de onda, a la temperatura de TEC de 25º C, se ilustra en la Figura 4B.
2.
(Proceso 420). Ajustar el TEC a una segunda temperatura global para desplazar las longitudes de onda de todos los láseres por debajo de las longitudes de onda objetivo para las rejillas de ITU-T correspondientes. Un ejemplo se ilustra en la Figura 4C.
3.
(Proceso 430). Para cada láser, determinar una frecuencia central en una guía de ondas de salida, utilizando el analizador óptico 362.
4.
(Proceso 440). Determinar una desviación entre la longitud de onda central medida y la longitud de onda objetivo, utilizando el controlador 364.
5.
(Proceso 450). Ajustar una temperatura del microcalentador 335, utilizando el controlador 364, para incrementar la longitud de onda central del láser para la aproximación de la longitud de onda objetivo correspondiente en función de las rejillas de ITU-T. La Figura 4D es un ejemplo de las longitudes de onda desplazadas con respecto a las longitudes de onda objetivo correspondientes, según la rejilla de ITU-T.
La secuencia anterior de procesos proporciona un método para mantener una longitud de onda objetivo asociada con un transmisor DWDM integrado según una forma de realización de la invención. Según se ilustra, el método utiliza una combinación de procesos incluyendo una forma de utilizar el TEC para desplazar todas las longitudes de onda de láser al lado de la longitud de onda más corta de las rejillas y utilizando microcalentadores locales para aumentar la temperatura local en cada láser cuando se necesita para desplazar todas las longitudes de onda de láser a las rejillas de ITU-T. Otras alternativas pueden darse también a conocer en las que se añaden etapas, se eliminan una o más etapas o se proporcionan una o más etapas en una secuencia diferente sin desviarse por ello del alcance de protección de las reivindicaciones presentes. Más detalles del presente método se pueden encontrar a través de la presente especificación.
La Figura 5 es un diagrama de flujo simplificado de etapas particulares de un método para obtener un transmisor DWDM integrado según una forma de realización de la presente invención. Este diagrama es simplemente un ejemplo, que no debería limitar indebidamente el alcance de protección de las reivindicaciones adjuntas. Un experto en esta técnica reconocería otras variaciones, modificaciones y alternativas. El método se puede describir brevemente a continuación haciendo referencia al diagrama de flujo en la Figura 5.
1.
(Proceso 510). Proporciona una capa de silicio;
2.
(Proceso 520). Formar un multiplexor óptico en una capa de sílice sobre la capa de silicio;
3.
(Proceso 530). Eliminar al menos una primera parte de la capa de sílice para dejar expuesta una superficie;
4.
(Proceso 540). Montar uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie y
5.
(Proceso 550). Unir la capa de silicio a un componente de soporte.
Según se ilustra, la Figura 5 proporciona un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado. El método incluye (Proceso 510) proporcionar una capa de silicio y (Proceso 520) formar un multiplexor óptico dentro de una capa de sílice situada sobre la capa de silicio. En una forma de realización, el multiplexor óptico incluye una pluralidad de guías de onda de entrada y al menos una guía de onda de salida. En una forma de realización específica, el multiplexor óptico incluye una red de difracción de guías de onda matricial. En el proceso 530, el método incluye la eliminación de al menos una primera parte de la capa de sílice para dejar expuesta una superficie. Dependiendo de la forma de realización, la superficie expuesta puede ser una superficie de silicio o una superficie de sílice. En el proceso 540, el método incluye,
además, el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie. Cada uno de los circuitos integrados de láseres matriciales incluye dos o más diodos láser InP. Se puede realizar el montaje, por ejemplo, utilizando un método de montaje denominado flip-chip. Cada uno de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales incluyen dos o más láseres y cada uno de los dos o más láseres está acoplado ópticamente a una correspondiente de entre la pluralidad de guías de onda de entrada. El método incluye (Proceso 550) unir la capa de silicio a un componente de soporte, incluyendo dicho componente de soporte un componente de ajuste de la temperatura. En una forma de realización específica, el proceso de formación del multiplexor óptico (Proceso 520) incluye los procesos siguientes: formación de una primera sub-capa de sílice no dopado sobre la capa de silicio; formación de una sub-capa de sílice dopado sobre la primera sub-capa de sílice no dopado; el ataque químico en al menos una segunda parte de la sub-capa de sílice dopado y la deposición de una segunda sub-capa de sílice no dopado sobre la sub-capa de sílice dopado objeto de ataque químico y la primera sub-capa de sílice no dopado.
La anterior secuencia de procesos proporciona un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado según una forma de realización de la invención. Según se indica, el método utiliza una combinación de procesos incluyendo una forma de obtener un multiplexor óptico en un substrato de sílice sobre silicio y el montaje de circuitos integrados de láseres matriciales sobre una parte del substrato. Otras alternativas pueden proporcionarse también en las que se añaden etapas, se eliminan una o más etapas o se proporcionan una o más etapas en una secuencia diferente sin desviarse por ello del alcance de protección de las reivindicaciones adjuntas. Más detalles del presente método se pueden encontrar a través de la presente especificación.
Numerosas ventajas operativas se consiguen por la presente invención con respecto a las técnicas convencionales. Por ejemplo, en algunas formas de realización, la invención da a conocer métodos y aparatos que utilizan una AWG de sílice/silicio como un substrato para montar circuitos integrados de láser de semiconductores (InP)/modulador. Puesto que el coste de procesamiento por área unitaria para sílice sobre silicio puede ser dos órdenes de magnitud más bajo que el de InP, la red de difracción AWG según las formas de realización de la presente invención pueden obtenerse a mucho más bajo coste. Las redes de difracción AWGs de sílice sobre silicio es una tecnología mucho más desarrollada. Por ejemplo, la pérdida de transmisión es mucho más pequeña en las AWGs obtenidas de sílice sobre silicio que las obtenidas de InP. Además, según una forma de realización de la invención, sin la AWG, el circuito integrado de InP puede obtenerse mucho más pequeño. El alto rendimiento y el pequeño tamaño reducen, en gran medida, el coste de los circuitos integrados de InP utilizados para la integración híbrida en conformidad con las formas de realización de la presente invención. En términos de dispositivo acabado, el tamaño de un transmisor DWDM integrado híbrido, según formas de realización específicas de la invención, es comparable con el de un transmisor DWDM integrado de forma monolítica. De este modo, las ventajas del pequeño tamaño de un transmisor DWDM integrado se conservan según las formas de realización de la presente invención.
Aunque las formas de realización preferidas de la invención han sido ilustradas y descritas, será evidente que la invención no está limitada a estas formas de realización solamente. Numerosas modificaciones, cambios, variaciones, sustituciones y equivalentes serán evidentes para los expertos en esta técnica sin desviarse por ello del alcance de protección de la invención según se describe en las reivindicaciones.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método para obtener un aparato transmisor DWDM integrado, cuyo método comprende: proporcionar una capa de silicio; formar un multiplexor óptico dentro de una capa de sílice, estando la capa de sílice situada sobre la capa de silicio,
    incluyendo el multiplexor óptico una pluralidad de guías de onda de entrada y al menos una guía de onda de salida; la eliminación de al menos una primera parte de la capa de sílice para dejar expuesta una superficie; montar uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie, incluyendo cada uno
    de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores dos o más láseres, cada uno de los dos
    o más láseres estando ópticamente acoplados a una correspondiente de la pluralidad de guías de onda de entrada;
    unir la capa de silicio a un componente de soporte, incluyendo el componente de soporte un componente de ajuste de la temperatura; en donde la formación del multiplexor óptico incluye: la formación de una primera sub-capa de sílice no dopado sobre la capa de silicio; la formación de una sub-capa de sílice dopado sobre la primera sub-capa de sílice no dopado; el ataque químico de al menos una segunda parte de la sub-capa de sílice dopado; la deposición de una segunda sub-capa de sílice no dopado sobre la sub-capa de sílice dopado con ataque químico y la
    primera sub-capa de sílice no dopado y
    caracterizado porque el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie comprende: el acoplamiento de cada uno de los dos o más láseres y la correspondiente de entre la pluralidad de guías de onda de
    entrada en un ángulo de inclinación de aproximadamente 20º o mayor;
    proporcionar una pluralidad de microcalentadores (335) para ajuste de la temperatura, con cada microcalentador estando dispuesto adyacente a cada uno de los dos o más láseres; proporcionar un analizador óptico (362) y un controlador (364), con el analizador óptico estando ópticamente acoplado a
    una guía de onda de salida en el transmisor DWDM integrado y el controlador (364) estando eléctricamente acoplado al analizador óptico y a los microcalentadores (335).
  2. 2.
    El método según la reivindicación 1 en donde cada uno de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores incluye dos o más diodos láser obtenidos en la tecnología InP.
  3. 3.
    El método según la reivindicación 1, en donde la superficie expuesta es una superficie de silicio o una superficie de sílice.
  4. 4.
    El método según la reivindicación 1, en donde el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores se realiza utilizando un método de montaje denominado flip-chip.
  5. 5.
    El método según la reivindicación 1, en donde el componente de ajuste de la temperatura es un enfriador termoeléctrico (TEC).
  6. 6.
    El método según la reivindicación 1, en donde el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie comprende:
    separar los dos o más láseres asociados con cada uno de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales en una distancia aproximada de 0,3-0,5 mm.
  7. 7.
    El método según la reivindicación 1, en donde el montaje de uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores en la superficie comprende:
    el acoplamiento de cada uno de los dos o más láseres y la correspondiente de entre la pluralidad de guías de onda de entrada con una separación aproximada de 30 μm o más pequeña.
  8. 8.
    El método según la reivindicación 1, en donde cada uno de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores está caracterizado por una anchura de 2 mm o más pequeña en la dirección perpendicular a un eje del láser.
    5 9. El método según la reivindicación 1, en donde cada uno de los uno o más circuitos integrados de láseres matriciales de semiconductores comprende uno del grupo constituido por: láseres de modulación directa; 10 láseres de realimentación distribuida (DFB); láser DFB integrado con un modulador de electro-absorción (EA) y
    láseres de red de difracción Bragg distribuida (DBR). 15
  9. 10. Un aparato transmisor DWDM integrado obtenido según un método estipulado en las reivindicaciones 1 a 9.
    láseres
    Inicio
    Determinar distribución longitudes de onda láser
    Ajustar la temperatura del TEC
    Determinar la longitud de onda central
    Determinar la desviación de longitud de onda
    Ajustar temperatura del microcalentador
    Fin
    Longitud de onda láser rejillas ITU-T
    Inicio
    Proporcionar una capa de silicio
    Formar un multiplexor óptico
    Eliminar una primera parte de capa de sílice
    Montar circuitos integrados de láseres matriciales
    Unir la capa de silicio a un componente de soporte
    Fin
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