JP2009522608A - 集積化されたｄｗｄｍ伝送器のための方法とシステム - Google Patents

Abstract

集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置は、サポート部品とサポート部品に重なるシリカ・オン・シリコン基板とを含む。サポート部品は温度調整部品を含む。シリカ・オン・シリコン基板は、サポート部品に重なり、そしてシリカ層とシリコン層とを含む。シリカ・オン・シリコン基板は、第１の表面領域と第２の表面領域とを含んだ対応する基板表面を含む。実施形態では、２つの表面領域は同一平面上にはない。伝送器装置は、シリカ層内に、光学マルチプレクサを含み、その光学マルチプレクサは複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含む。伝送器装置は、シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域に重なる１つ以上の半導体レーザアレイチップをも含む。レーザアレイチップのそれぞれは、複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合された２つ以上のレーザを含む。

Description

本発明は、ファイバ光学伝送技術に関わり、特にとりわけ、集積化されたＤＷＤＭ伝送器のための方法とシステムに関わる。

本発明はファイバ光学伝送システムを対象としている。さらにとりわけ本発明は、光学伝送器システムのサイズとコストを減らすための方法とシステムを提供する。本発明は、単なる例によってＤＷＤＭ光学伝送システムに適用された。しかし本発明は、より広い範囲の適用性を有している、ということが理解されよう。

１９９０年代半ばの、その最初の展開以来、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）は、長距離および地域的バックボーン伝送ネットワークのための、最有力の技術になった。そして、地下鉄エリアネットワークへ向かってその道を徐々に進んでいる。従来のＤＷＤＭシステムにおいて、それぞれの光学部品はレーザまたはＭＵＸフィルタでありうるが、個々にパッケージされる。ラインカード(linecard)は１つまたは幾つかの光学部品のまわりに構築される。例えば、所定の波長のための伝送器カードはレーザとモジュレータ（または集積化されたレーザ／モジュレータ）を含む。レーザパッケージの中に置かれたレーザチップは、通常、リン化インジウム（ＩｎＰ）半導体化合物から作られる。異なった波長における多数の伝送器ラインカードの光学出力は、いくつかのＭＵＸフィルタを含んだマルチプレクサラインカードを通して混合される。一般に使われるＭＵＸフィルタは、シリカ・オン・シリコン基板から作られたアレイ導波路格子（ＡＷＧ）に基づいている。ラインカード間の光学接続は、光学ファイバを通じてのものである。次に、マルチプレクサラインカードからの光学出力は、光学アンプによって増幅され、そして送信ファイバに向かって発射される。

これらの従来のＤＷＤＭシステムはいくつかの領域で有用であるが、それらは、より広範囲の用途でそれらの有効性を制限する多くの制限をもつ。これらの限界のいくつかを以下に述べ、そして本発明の実施形態に基づく、改善された技術を提示する。

本発明はファイバ光学伝送システムを対象としている。さらにとりわけ本発明は、光学伝送器システムのサイズとコストを減らすための方法とシステムを提供する。本発明は、単なる例によってＤＷＤＭ光学伝送システムに適用された。しかし本発明は、さらにより広い範囲の適用性を有している、ということが理解されよう。

特定の実施の態様において、本発明は、サポート部品とシリカ・オン・シリコン基板とを含む集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置を提供する。サポート部品は温度調整部品を含む。特定の実施の態様において、温度調整部品は熱電気クーラー（ＴＥＣ）を含む。シリカ・オン・シリコン基板はシリカ層とシリコン層とを含む。シリカ・オン・シリコン基板は、第１の表面領域と第２の表面領域を含んだ基板表面に対応する。一つの実施の態様において、第１の表面領域と第２の表面領域は同一平面上にはない。集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置は、シリカ層の中の光学マルチプレクサをも含む。光学マルチプレクサは、複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含む。特定の実施の態様において、光学マルチプレクサはアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を含む。この装置は、シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域に重なる１つ以上の半導体レーザアレイチップをも含む。特定の例において、１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれは、フリップチップ法を使ってシリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域にマウントされる。一実施の態様において、１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合されている。一例において、１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、２つ以上のＩｎＰレーザダイオードを含む。特定の実施の態様において、光学マルチプレクサはシリコン層に重なり、そして第２の表面領域の下に位置している。

本発明の他の実施の態様によれば、ＤＷＤＭ伝送器システムが提供される。このＤＷＤＭ伝送器システムは、サポート部品と、サポート部品に重なるシリカ・オン・シリコン基板とを含む。サポート部品は温度調整部品を含む。特定の実施の態様において、温度調整部品は熱電気クーラー（ＴＥＣ）を含む。シリカ・オン・シリコン基板はシリカ層とシリコン層とを含む。シリカ・オン・シリコン基板は、第１の表面領域と第２の表面領域を含んだ基板表面に対応する。一実施の態様において、第１の表面領域と第２の表面領域は同一平面上にはない。ＤＷＤＭ伝送器システムは、シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域の下のシリカ層内に光学マルチプレクサをも含む。光学マルチプレクサは、複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含む。ＤＷＤＭ伝送器システムは、シリカ・オン・シリコン基板の第２の表面領域に重なる１つ以上の半導体レーザアレイチップをも含む。１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合されている。伝送器システムは複数のマイクロヒータをも含み、該マイクロヒータのそれぞれは前記レーザの１つに隣接して配置されている。ＤＷＤＭ伝送器システムは、伝送器システムの中心波長を維持するための光学分析器とコントローラをさらに含む。光学分析器は出力導波路に光学的に結合される。上記コントローラは、前記中心周波数に関連する情報を使って前記温度調整部品の温度を調整するために、前記光学分析器および前記複数のマイクロヒータに電気的に結合される。

代案の実施の態様において、本発明は、集積化されたＤＷＤＭ伝送器に関係する目標波長を維持するための方法を提供する。この方法は、シリカ・オン・シリコン基板の上にマウントされた複数のＩｎＰレーザダイオードを含んだ集積化されたＤＷＤＭ伝送器を提供する段階を含む。集積化された伝送器は、シリカ・オン・シリコン基板の下にある熱電気クーラー（ＴＥＣ）と対応する複数のマイクロヒータと、をも含む。この方法は、所定の広範囲なＴＥＣ温度においてレーザ周波数分布を決定する段階と、ＩＴＵ−Ｔ格子に従って対応する目標波長以下にそれぞれのレーザ周波数をシフトするように、第２の広範囲な温度にＴＥＣを調整する段階と、を含む。次に、この方法は、レーザダイオードのそれぞれの波長を微調整する。複数のレーザダイオードのそれぞれに対して、この方法は、ＩＴＵ−Ｔ格子に従って対応する目標波長に対して中心波長を増やすように、対応するマイクロヒータの温度を調整する。

さらに他の実施の態様において、本発明は、集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置を作るための方法を提供する。この方法は、シリコン層を提供する段階と、そのシリコン層の上に位置するシリカ層の中に光学マルチプレクサを形成する段階を含む。一実施の態様において、光学マルチプレクサは複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含む。この方法は、シリカ層の少なくとも第１の部分を除去して表面を露出する段階を含む。特定の実施の態様において、露出した表面はシリコン表面である。他の実施の態様において、露出した表面はシリカ表面である。この方法は、１つ以上の半導体レーザアレイチップを、前記表面にマウントする段階をも含む。マウントする段階は、例えば、フリップチップ・マウンティング法を使って行なうことができる。１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが前記複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合される。特定の実施の態様において、１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれはＩｎＰで作られる。この方法は、サポート部品に、シリコン層を取り付ける段階を含み、該サポート部品は温度調整部品を含む。特定の実施の態様において、光学マルチプレクサを形成する段階は、シリコン層の上に第１のドープされないシリカサブ層を形成する段階と、第１のドープされないシリカサブ層の上にドープされたシリカサブ層を形成する段階と、ドープされたシリカサブ層の少なくとも第２の部分をエッチングする段階と、エッチングされたドープされたシリカサブ層と第１のドープされないシリカサブ層の上に第２のドープされないシリカサブ層を堆積する段階と、を含む。

本発明により、従来技術を超えて多くの利益が達成される。例えば、ある特定の実施の態様において、本発明は、半導体（ＩｎＰ）レーザ／モジュレータチップをマウントするための基板として、シリカ／シリコンＡＷＧを使う方法と装置を提供する。シリカ・オン・シリコンに対する１ユニット領域当たりの処理費用がＩｎＰに対するものよりも２オーダー低い規模でありうるので、本発明の実施の態様によるＡＷＧは、遥かに低いコストで作ることができる。シリカ・オン・シリコンＡＷＧは、とても成熟した技術である。例えば、伝送損失は、ＩｎＰから作られたものよりもシリカ・オン・シリコンから作られたＡＷＧにおいて、ずっと小さい。さらに本発明の実施の態様によれば、ＡＷＧなしで、ＩｎＰチップをずっと小さくできる。高い歩留りと小さなサイズは、本発明の実施の態様に従ったハイブリッド集積化のために使われるＩｎＰチップのコストを著しく減らす。最終的な装置に関して、本発明の特定の実施の態様によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器のサイズは、モノリシックに集積化されたＤＷＤＭ伝送器に匹敵する。従って、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の小さなサイズの利点は、本発明の実施の態様によって維持される。

本発明の種々のさらなる目的、特徴、および利点は、以下の詳細な記載、および添付の図面を参照することによって、一層完全に理解することができる。

本発明はファイバ光学伝送システムを対象としている。さらにとりわけ本発明は、光学伝送器システムのサイズとコストを減らすための方法とシステムを提供する。本発明は、単なる例によってＤＷＤＭ光学伝送システムに適用された。しかしそれは、より広い範囲の適用性を有している、ということが理解されよう。

上述のように、従来のＤＷＤＭシステムの光学部品は、通常、個々にパッケージされる。パッケージコストは、大いに部品の価格を決めている。例えば、裸の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザチップは、単に数ドルの費用しかかからない一方で、パッケージングされたＤＦＢレーザは、主としてパッケージのコストに起因して数百ドルの値段で売られている。従って、従来のＤＷＤＭシステムデザインによってさらにコストを減らすことは困難である。さらに、個別の部品でそれぞれ作られた多数のラインカードは、ＤＷＤＭ端末のサイズを減らすことを難しくしている。

ここ数年間で、単独のＩｎＰチップ上に多数のレーザ／モジュレータおよびＡＷＧをモノリシックに集積化する努力がなされてきた。このようにして、ＤＷＤＭ端末のサイズは著しく減少しうる。モノリシックな集積化方法は、ＩｎＰチップ処理技術に重く頼っており、それはまだ成熟に至っていない。ＩｎＰ処理の歩留りは、一つの素子チップのためでさえも、シリコン処理と比較して低い。一つのチップ上の集積化された多数の素子により、歩留りは指数関数的に減少する傾向がある。しかも、受動的な（パッシブな）素子であるＡＷＧは、通常、レーザのような活性な（アクティブな）素子よりはるかに大きな集積化されたチップの領域を占める。これは、高価なＩｎＰ材料の非能率的な使用につながる。

一般的に大雑把に言えば、ＩｎＰウェハのサイズは、シリコンウェハより１オーダー（一桁）小さな規模である。例えば、ＩｎＰウェハの直径は、シリコンウェハが８”あるいは１２”でさえもあるのと比較して、通常、２”（インチ）または３”である。ＩｎＰウェハのためのユニット領域当たりの処理コストは、シリコンウェハに対するものより２オーダー高い規模でありうる。高い処理コストと結びついた低いチップ歩留りは、ＩｎＰチップ上にＤＷＤＭ伝送器をモノリシックに集積化することを不経済にする。上記のことから、ＤＷＤＭ伝送器デザインのための改善された技術が要求されると見られる。

実施形態に応じて、本発明は使われうる種々の特徴を含む。これらの特性は以下を含む：

１．ＰＬＣの受動的な導波路が半導体レーザのような活性なＩｎＰ導波路に光学的に結合されるように、シリカ・オン・シリコン平面光波回路（ＰＬＣ）がＩｎＰチップをマウントするためにベンチ（台）として使われる。

２．ハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器は、１つ以上の、ＩｎＰから作られた直接変調されたレーザ（ＤＭＬ）アレイチップ、および、シリカ・オン・シリコン平面光波回路（ＰＬＣ）から作られた、アレイにされた導波路格子（ＡＷＧ）、を含み；そして、

３．集積化され、伝送器に結合された光学分析器と熱電気クーラー（ＴＥＣ）を使って、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の中心波長を維持するための方法が提供される。

示すように、上記特徴は、１つ以上の実施形態でありうる。これらの特徴は単なる例であって、不当に本願の範囲を限定すべきものではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。

図１Ａは、本発明の一実施形態によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の、単純化された平面図である。この図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。示すように、ハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器１００は、シリコンベンチ１０１を含む。特定の実施形態において、シリコンベンチ１０１はシリカ・オン・シリコン基板を含む。ハイブリッド伝送器１００はシリコンベンチ内の光学マルチプレクサをも含む。特定の実施形態において、光学マルチプレクサは、シリコンベンチ内のシリカ・オン・シリコン平面光波回路（ＰＬＣ）に作られた、アレイにされた導波路格子（ＡＷＧ）１１０を含む。ハイブリッド伝送器１００はさらに、１つ以上のレーザアレイチップ、例えば１１４と１１５、を含む。好ましい実施形態において、レーザアレイチップはＩｎＰに作られたＤＭＬレーザを含む。特定の実施形態において、それぞれのＩｎＰレーザアレイチップは、２つ以上のレーザを含む。勿論、他のバリエーション、変更、および選択肢がありうる。

特定の実施形態において、ＡＷＧ１１０は、１つの光学出力ポート１１２、多数の入力ポート１１３、および格子導波路１１６を含む。一実施形態において、出力ポート１１２は、光学送信システムに結合されうる光学ファイバ１１９に光学的に結合される。例えば、出力および入力ポートは、すべて導波路の形態で実装できる。特定の実施形態において、格子導波路１１６は、入力および出力ポートに結合するために多くの導波路を含む。これらの導波路は、波長分割多重化および逆多重化機能を遂行するために、さまざまな長さをもつ。いくつかの実施形態において、ＡＷＧのそれぞれの入力ポートは、光伝送に関係する中心波長と通過バンド（帯域）をもつ。特定の実施形態において、中心波長は、ＩＴＵ−Ｔ標準によって定義された周波数、例えば１９３．１ＴＨｚ、に関連する特定の波長に対応している。

図１Ｂは、本発明の実施形態によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器１００の単純化された断面図である。この図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。示すように、導波路は、シリコン基板１２４の上のドープされないシリカ層１２２に囲まれた、ドープされたシリカ領域１２１を含む。特定の実施形態において、ドープされたシリカ領域１２１は、ドープされないシリカ領域より高い屈折率をもつ。特定の例において、ドープされたシリカ領域１２１は約１．４７の屈折率をもち、ドープされないシリカ領域は約１．４５の屈折率をもつ。図１Ｂにおいて、導波路１２１は、入力ポート１１３、格子導波路１１６、および出力ポート１１２における導波路の一部の部分断面図を示すために使われている。

本発明の実施形態によれば、集積化された伝送器１００は、１つ以上のレーザアレイチップを含み、それぞれのレーザアレイチップは２つ以上のレーザを含むことができる。図１Ａに示した特定の実施形態において、集積化された伝送器１００は、２つの直接変調されたレーザ（ＤＭＬ）アレイチップ１１４と１１５を含む。この特定の例において、ＤＭＬアレイチップ１１４と１１５のそれぞれは、ＩｎＰで作られた４つの直接変調されたレーザ（ＤＭＬ）を含む。特定の実施形態において、ＤＭＬは、このタイプの分布帰還型ＤＦＢレーザのものであって、それ故一つの周波数モードで動作させられる。いくつかの実施形態において、それぞれのＤＭＬは、ＩＴＵ−Ｔ標準、例えば１９３．１ＴＨｚによって定義される特定の波長（周波数）の付近で動作する。もちろん、当技術分野の当業者ならば、他の変化、変更、および選択肢を理解するであろう。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ＤＭＬアレイは、一つのＤＭＬチップでもありうる。他の実施形態において、ＤＭＬは集積化されたＣＷレーザとモジュレータ、例えば電子吸収（ＥＡ）モジュレータをもった集積化されたＤＦＢレーザで代用することができる。代案の実施形態において、レーザは分布ブラッグ格子（ＤＢＲ）レーザでもありうる。種々の実施形態において、ＡＷＧは広帯域のＮｘ１ＰＬＣ導波路結合器(combiner；コンバイナ)で代用することができる。ある特定の実施形態において、エルビウム・ドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、またはエルビウム・ドープされた導波路増幅器（ＥＤＷＡ）が、広帯域結合器の超過損失を補償するために使うことができる。

図１Ａに示すように、本発明のいくつかの実施形態によれば、ＤＭＬアレイチップが、ＡＷＧ１１０の入力ポート１１３の近傍においてシリコンベンチ１０１の一部の上にマウントされる。一実施形態において、このマウントは、ｐ側下方の、フリップチップ法を使って行なわれる。この実施形態に応じて、適切な接着剤を使う他のボンディング法をも使うことができる。図１Ｂにおいて、シリコンベンチ１０１はシリカ・オン・シリコン基板を含む。シリコンベンチの領域はＡＷＧ導波路を含む。シリコンベンチの他の領域では、シリカの部分が除去され、そしてＤＭＬアレイチップがシリコン基板上に残っているシリカの表面上にマウントされている。他の実施形態において、シリコンベンチの第２の領域内のシリカ層は除去され、そしてＤＭＬアレイチップが露出したシリコン表面上にマウントされる。

本発明の特定の実施形態によれば、シリコンベンチは、図１Ｂで示すようにサポート部品１３０の上にマウントされる。特定の実施形態において、サポート部品１３０は、任意選択的なサブマウント１３２(submount)および温度調整部品１３４を含む。温度調整部品は、導波路、ＡＷＧ、およびＤＭＬのような光学部品を、適切な動作温度、例えば〜２５℃に保つ。特定の実施形態において、温度調整部品は熱電気クーラー（ＴＥＣ）を含む。ある特定の実施形態において、集積化された伝送器１００は、温度調整のために、レーザのそれぞれに近接したマイクロヒータをも含む。一実施形態では、動作温度において、ＤＭＬの中心波長は、例えば１９３．１ＴＨｚ、１９３．２ＴＨｚ、１９３．３ＴＨｚなど、ＡＷＧ入力ポートのそれに概ねマッチさせられる。通常、ＡＷＧの中心波長は〜０．０１ｎｍ／℃だけ温度によってシフトしうる。また、ＩｎＰレーザの中心波長は、〜０．１ｎｍ／℃だけ温度によってシフトしうる。いくつかの実施形態において、サポート部品１３０は、温度調整部品１３４上のサブマウント１３２をも含む。一実施形態において、サブマウント１３２は機械的な力を提供する金属またはセラミックスを含んだ材料から作られる。サブマウントは、レーザおよび導波路のような光学部品の温度を制御するための温度調整部品に要求される良好な熱伝導率をももつ。

本発明の実施形態によれば、ハイブリッド集積化の主な困難性は、２つのタイプの導波路間における空間モードの不整合性に因っている。１，５５０ｎｍ周波数窓での用途に対して、標準的なシリカＰＬＣのモード直径は、通常、約７〜１０°の出力発散角で、標準的な単一モードファイバのそれに類似して約８〜１０μｍである。一方、標準的なＩｎＰレーザのモード直径は、通常、約３５°の出力発散角で約２μｍである。モード不整合性に起因して、光学結合効率は低く、典型的な１０ｄＢ結合損失を伴なう。要求される位置決め精度も、レーザ出力の大きな発散角に起因して、高い。これらの不利点は、ハイブリッド法の有用性を著しく限定しうる。

本発明の特定の実施形態において、ＩｎＰチップにおけるモードコンバータ（またはビーム拡張器）は、ＰＬＣ導波路のそれに匹敵するレーザ出力モード直径を増やすために使われる。これは、〜３デシベルまでの結合損失を減らし、整列の要求を緩和する。本発明の実施形態によれば、改善された整列と減少した結合損失のための方法が提供される。さらなる詳細事項は以下で論じる。

図２Ａは、本発明の他の実施形態によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の、単純化された拡大平面図である。これらの図は単なる例であって、不当に本願の範囲を限定すべきものではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。図２Ａに示すように、ハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器２００は、アレイにされた導波路格子（ＡＷＧ）（図示せず）のような光学マルチプレクサに結合された導波路２１２と２１３を含む。例として、図１Ａで記載したように、導波路とＡＷＧは、シリカ・オン・シリコン平面光波回路（ＰＬＣ）に作られる。集積化された伝送器２００もＤＦＢレーザ２１４と２１５を含む。ＤＦＢレーザの例は、図１Ａと図１Ｂに関連して上述した。本発明の特定の実施形態において、導波路２１２と２１３は、それぞれレーザ２１４と２１５に対し、ある傾斜角で置かれ、ＡＷＧ入力導波路ファセット(facet)からの反射を最小にする。というのは、ＤＦＢレーザの性能が光の反射によって劣化する傾向があるからである。この傾斜配置は、図２Ａにおいて２１７として示されている。特定の実施形態において、反射された光は、約２０°かそれ以上の角度でレーザ軸からそれる。

図２Ｂは、本発明の一実施形態によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器２００の、単純化された拡大断面図である。この図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。示すように、伝送器２００の断面図は、シリコン基板２２４上のドープされないシリカ層２２２に囲まれたシリカ導波路２１３を含む。一実施形態において、レーザ導波路２１５は、垂直及び水平の両方に±約２μｍの精度でシリカ導波路２１３に整列される。いくつかの実施形態において、レーザ２１５のファセット（出力ポート）とシリカ導波路２１３との間には直接の接触がない。特定の例において、ファセット間の距離２１８は、約３０μｍ以内で保持される。もちろん、他の変化、変更、および選択肢も可能である。

一実施形態において、アレイの個々のレーザ間の物理的距離、従って対応するＡＷＧ入力導波路間の距離は、高速のデータ変調に起因した熱的クロストークおよび電気的クロストークを最小にするのに十分大きく維持される。単なる例としては、図２Ａに示すような、レーザ２１４と２１５との間の適切な距離は、０．３〜０．５ｍｍである。

本発明の特定の実施形態によれば、レーザチップ、ＡＷＧ、およびＴＥＣを含むサポート部品は、適切な電気的ワイヤーボンディングの後に、一つのパッケージ中に配置されてＤＷＤＭ伝送器を形成する。この実施形態に応じて、伝送器は種々の入力および出力をもつことができる。例えば、伝送器は、ＡＷＧとＤＭＬの温度、ＤＭＬのＤＣ電流とＲＦ変調など、を制御し監視する多数の電気的入力をもつことができる。他の例において、伝送器は、通常、光学ファイバ・ピグテール(pigtail)を通して、多チャネルＤＷＤＭ信号を送る一つの光学出力を持つ。

本発明の各実施形態によれば、ハイブリッド集積化における他の重要な問題は、ＩｎＰとシリコンとの間の熱膨張の不整合性である。ＩｎＰの熱膨張係数は約４．６ｘ１０^−６℃^−１であるが、シリコンのそれは約２．６ｘ１０^−６℃^−１である。本発明の特定の実施形態において、ＤＭＬとＡＷＧのボンディングは約３００℃において行なわれるが、一方で伝送器の動作温度は約３０℃である。従って、およそ４つのＤＭＬアレイのサイズである２ミリチップは、ボンディング後のシリコン基板（ＡＷＧ）に対して〜約１．１μｍだけ縮むことになる。このような不整合性は、導波路整列に影響するだけではなく、レーザチップ上にひずみを誘発し、レーザ性能を劣化させうる。例えば、ひずみは,レーザの中心波長を、設計された波長からシフトさせてしまう。

本発明の特定の実施形態において、熱的不整合性の問題は一つのＤＭＬチップを使うことによって最小できる。しかしながら、これは、レーザチップをＰＬＣベンチに組み立てるための時間を著しく増やすことになる。この問題は、ＤＷＤＭチャネルの数が多く、例えばＮ＝４０になるのにつれて一層深刻になりうる。本発明の他の実施形態において、それぞれ≦２ｍｍのサイズをもった多数の小さなＤＭＬアレイが、ＤＷＤＭ伝送器に対して好ましい。それぞれのＤＭＬレーザアレイは、２つ以上のレーザを含むことができる。もちろん、他の変化、変更、および選択肢も可能である。例えば、本発明のいくつかの実施形態によれば、低温のボンディング法を使うことによって、＞２ｍｍサイズをもったＤＭＬアレイを含めることができる。

本発明の一実施形態によれば、ＤＭＬの中心波長の細かい調整のための方法が提供される。製造誤差に起因して、レーザの中心波長は、温度を操作する温度調整部品におけるＩＴＵ−Ｔ格子上に正確には収まらない。例えば、その変化は、通常、１ｎｍのオーダーである。本発明のある特定の実施形態において、ＤＭＬ導波路の温度を上げるためにマイクロヒータが使われる。例えば、特定の実施形態において、レーザチップまたはＰＬＣのいずれかの上で、それぞれのＤＭＬ導波路に隣接してマイクロヒータが配置される。本発明の特定の実施形態によれば、基板に対して約０〜１０℃局所的に温度を上げることによって、ＤＭＬの中心波長をＩＴＵ格子に対して調整することができる。この方法のさらなる詳細は以下で図３を参照しながら論じる。

図３は、本発明の他の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器システムの、単純化された図である。この図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。示すように、集積化された伝送器システム３００は、図１Ａおよび図１Ｂに関連して上述した伝送器１００に類似するハイブリッド集積化された伝送器３５０を含む。簡単な参照のために、装置の対応する部品は同一の参照符号によって表わされている。示すように、ハイブリッド集積化された伝送器３５０は、レーザ１１５、および、シリコン層１２４に重なるドープされないシリカ層１２２を含んだシリコンベンチ１０１内に形成されたシリカ導波路１２１を含む。シリコン基板１２４は、熱電気クーラー（ＴＥＣ）のような温度調整部品１３４と任意選択的なサブマウント１３２とを含むサポート部品１３０に重なる。特定の実施形態において、集積化された伝送器システム３００は、レーザ１１５に近接したマイクロヒータ３３５、光学分析器３６２、およびコントローラ３６４をも含む。光学分析器３６２は、光学ファイバ１１９を通じて光学情報通信システムに光学的に結合できる、集積化されたＤＷＤＭ伝送器内の出力導波路に光学的に結合される。コントローラ３６４は、光学分析器３６２およびマイクロヒータ３３５に電気的に結合される。一実施形態において、マイクロヒータは、レーザチップまたはＰＬＣのいずれかの上で、それぞれのレーザに隣接して配置される。特定の実施形態において、マイクロヒータは、図３に示すようにレーザ１１５に近接して堆積される金属ストリップのような、抵抗素子である。

上記では、集積化されたＤＷＤＭ伝送器システムのために選択されたグループの部品を使うことを示してきたが、多くの選択肢、変更、および変化が可能である。例えば、いくつかの部品は拡張され、および／または、一体化されうる。他の部品は、上で言及したものに挿入されうる。その実施形態に応じて、部品の配列は他のものと交換することができる。例えば、集積化された伝送器３５０は、図２Ａおよび図２Ｂに関連して上述した伝送器２００における特徴を含むことができる。

図４Ａは、本発明の実施形態による集積化されたＤＷＤＭ伝送器の目標波長を維持するための方法の、単純化されたフローチャートである。図４Ｂ〜図４Ｄは、この方法による、単純化された周波数図である。これらの図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、他の変化、変更、および選択肢を理解するであろう。この方法は、図３における集積化されたＤＷＤＭシステム、図４Ａのフローチャート、および図４Ｂ〜図４Ｄの周波数図を参照して、以下のように概説することができる。

１．（プロセス４１０）所定の広範囲なＴＥＣ温度においてレーザ周波数分布を決定する段階。２５℃のＴＥＣ温度における周波数分布の例が図４Ｂに示されている。

２．（プロセス４２０）対応するＩＴＵ−Ｔ格子に対する目標波長以下にすべてのレーザ周波数をシフトするように、第２の広範囲な温度にＴＥＣを調整する段階。一例が図４Ｃに示されている。

３．（プロセス４３０）それぞれのレーザに対して、光学分析器３６２を使って出力導波路における中心周波数を決定する段階。

４．（プロセス４４０）コントローラ３６４を使って、測定された中心波長と目標波長との間の偏差を決定する段階。

５．（プロセス４５０）コントローラ３６４を使って、ＩＴＵ−Ｔ格子に従って対応する目標波長に接近するように、そのレーザの中心波長を増やすように、マイクロヒータ３３５の温度を調整する段階。図４Ｄは、ＩＴＵ−Ｔ格子に従って対応する目標波長にシフトされた波長の例である。

プロセスに関する上記の手順は、本発明の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器に関係する目標波長を維持するための方法を提供する。示すように、この方法は、格子のより短い周波数側にすべてのレーザ波長をシフトするためにＴＥＣを使い、すべてのレーザ波長をＩＴＵ−Ｔ格子にシフトするための必要性に応じてそれぞれのレーザの局所的な温度を上げるために局所的なマイクロヒータを使うような方法を含んだプロセスの組み合わせを利用する。いくつかの段階を追加すること、１つ以上の段階を削除すること、ここでの特許請求の範囲を逸脱することのない異なった手順における１つ以上の段階を提供すること、のような他の選択肢も提供できる。ここでの方法のさらなる詳細は本明細書を通じて見いだすことができる。

図５は、本発明の実施形態による集積化されたＤＷＤＭ伝送器を作るための方法の、単純化されたフローチャートである。この図は単なる例であって、不当にここでの特許請求の範囲を限定するべきではない。当業者ならば、多くの変化、変更、および選択肢を理解するであろう。この方法は、図５のフローチャートを参照して、以下のように概説することができる。

１．（プロセス５１０）シリコン層を提供する段階。

２．（プロセス５２０）シリコン層の上のシリカ層の中に光学マルチプレクサを形成する段階。

３．（プロセス５３０）シリカ層の少なくとも第１の部分を除去して表面を露出する段階。

４．（プロセス５４０）上記表面に１つ以上の半導体レーザアレイチップをマウントする段階。

５．（プロセス５５０）シリコン層をサポート部品に取り付ける段階。

示すように、図５は、集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置を作るための方法を提供する。この方法は、（プロセス５１０）シリコン層を提供する段階と、（プロセス５２０）シリコン層の上に位置するシリカ層の中に光学マルチプレクサを形成する段階とを含む。一実施形態において、光学マルチプレクサは、複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路を含む。特定の実施形態において、光学マルチプレクサは、アレイ導波路格子を含む。プロセス５３０において、この方法は、シリカ層の少なくとも第１の部分を除去して表面を露出する段階を含む。この実施形態に応じて、露出された表面はシリコン表面またはシリカ表面でありうる。プロセス５４０では、この方法は、上記表面に１つ以上の半導体レーザアレイチップをマウントする段階をも含む。特定の実施形態において、レーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のＩｎＰレーザダイオードを含む。マウンティングは、例えばフリップチップ・マウンティング法を使って行なうことができる。１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のレーザを含み、２つ以上のレーザのそれぞれは、複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合される。この方法は、（プロセス５５０）シリコン層をサポート部品に取り付ける段階を含み、そのサポート部品は温度調整部品を含む。特定の実施形態において、光学マルチプレクサを形成するプロセス（プロセス５２０）は次のプロセスを含む：すなわち、シリコン層の上に第１のドープされないシリカサブ層を形成する段階；第１のドープされないシリカサブ層の上に、ドープされたシリカサブ層を形成する段階；ドープされたシリカサブ層の少なくとも第２の部分をエッチングする段階；エッチングされたドープされたシリカサブ層と第１のドープされないシリカサブ層の上に第２のドープされないシリカサブ層を堆積する段階。

プロセスの上記手順は、本発明の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置を作るための方法を提供する。示すように、この方法は、シリカ・オン・シリコン基板の中に光学マルチプレクサを作る方法と、基板の１部の上にレーザアレイチップをマウントする方法と、を含んだプロセスの組み合わせを利用する。いくつかの段階を追加すること、１つ以上の段階を削除すること、ここでの特許請求の範囲を逸脱することのない異なった手順における１つ以上の段階を提供すること、のような他の選択肢も提供できる。ここでの方法のさらなる詳細は本明細書を通じて見いだすことができる。

本発明により、従来技術を超えて多くの利益が達成される。例えば、ある特定の実施形態において、本発明は、半導体（ＩｎＰ）レーザ／モジュレータチップをマウントするための基板として、シリカ／シリコンＡＷＧを使う方法と装置を提供する。シリカ・オン・シリコンに対する１ユニット領域当たりの処理費用がＩｎＰに対するものよりも２オーダー低い規模でありうるので、本発明の実施形態によるＡＷＧは、遥かに低いコストで作ることができる。シリカ・オン・シリコンＡＷＧは、とても成熟した技術である。例えば、伝送損失は、ＩｎＰから作られたものよりもシリカ・オン・シリコンから作られたＡＷＧにおいて、ずっと小さい。さらに本発明の実施形態によれば、ＡＷＧなしで、ＩｎＰチップをずっと小さくできる。高い歩留りと小さなサイズは、本発明の実施形態に従ったハイブリッド集積化のために使われるＩｎＰチップのコストを著しく減らす。最終的な装置に関して、本発明の特定の実施形態によるハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器のサイズは、モノリシックに集積化されたＤＷＤＭ伝送器に匹敵する。従って、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の小さなサイズの利点は、本発明の実施形態によって維持される。

本発明の好ましい実施形態を示し、述べてきたが、その一方で、本発明がそれらの実施形態のみに限定されるものでない、ということは明白でろう。特許請求の範囲に記述されるような本発明の精神と範囲から逸脱することのない、多数の変更、交換、変化、代用、および均等物は、当業者には明白であろう。

本発明の一実施形態による、ハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の単純化された平面概略図である。 本発明の一実施形態による、図１Ａのハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の単純化された断面図である。 本発明の他の実施形態による、ハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の単純化された拡大平面図である。 本発明の他の実施形態による、図２Ａのハイブリッド集積化されたＤＷＤＭ伝送器の単純化された拡大断面図である。 本発明の他の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器システムの単純化された概略図である。 本発明の一実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の目標波長を維持するための方法の、単純化されたフローチャートである。 本発明の上記の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の目標波長を維持するための方法を示す、単純化された周波数図である。 本発明の上記の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の目標波長を維持するための方法を示す、単純化された周波数図である。 本発明の上記の実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器の目標波長を維持するための方法を示す、単純化された周波数図である。 本発明の一実施形態による、集積化されたＤＷＤＭ伝送器で作るための方法の、単純化されたフローチャートである。

符号の説明

１００ ＤＷＤＭ伝送器（ハイブリッド伝送器）
１０１ シリコンベンチ
１１０ 導波路格子（ＡＷＧ）
１１２ 光学出力ポート
１１３ 入力ポート
１１４、１１５ レーザ（ＤＭＬ）アレイチップ
１１６ 格子導波路
１１９ 光学ファイバ
１２１ シリカ導波路
１２２ シリカ層
１２４ シリコン基板
１３０ サポート部品
１３２ サブマウント
１３４ 温度調整部品
２００ ＤＷＤＭ伝送器
２１２ 導波路
２１３ シリカ導波路
２１４ ＤＦＢレーザ
２１５ レーザ導波路
２２２ シリカ層
２２４ シリコン基板
３００ 伝送器システム
３３５ マイクロヒータ
３５０ 伝送器
３６２ 光学分析器
３６４ コントローラ

Claims (31)

1. サポート部品であって、温度調整部品を含むサポート部品と、
   前記サポート部品に重なるシリカ・オン・シリコン基板であって、該シリカ・オン・シリコン基板がシリカ層とシリコン層を含み、かつ基板表面に対応し、該基板表面が第１の表面領域と第２の表面領域とを含み、該第１の表面領域と第２の表面領域とは同一平面上にないようなシリカ・オン・シリコン基板と、
   シリカ層の中の光学マルチプレクサであって、該光学マルチプレクサが複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含むような光学マルチプレクサと、
   前記シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域に重なる１つ以上の半導体レーザアレイチップであって、該１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれが２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合されているような半導体レーザアレイチップと、
   を有する集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置であって、
   前記光学マルチプレクサがシリコン層に重なり、前記第２の表面領域の下に位置している、ことを特徴とする装置。
2. 前記光学マルチプレクサはアレイ導波路格子を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、フリップチップ法を使って、前記シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域の上にマウントされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のＩｎＰレーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. さらに複数のマイクロヒータを有し、該マイクロヒータのそれぞれは前記レーザの１つに隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. １つ以上のレーザアレイチップに関係する２つ以上のレーザは、約０．３〜０．５ｍｍの距離だけ離されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記光学マルチプレクサは、真性シリカ層内にドープされたシリカ導波路を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. ２つ以上のレーザのそれぞれと複数の入力導波路の対応するものとの間のカプリングは、約２０°またはそれより大きな傾斜角によって特徴付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. ２つ以上のレーザのそれぞれと複数の入力導波路の対応するものとの間のカプリングは、約３０μｍまたはそれより小さな距離で特徴付けられるギャップを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記サポート部品はさらにサブマウントを有し、該サブマウントは金属含有材料またはセラミック含有材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、レーザ軸と垂直な方向において２ｍｍまたはそれより小さな幅によって特徴付けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、２ｍｍまたはそれより大きな幅によって特徴付けられ、前記レーザアレイチップのそれぞれは、低温のボンディング法を使ってマウントされることを特徴とする請求項１に記載の装置。
13. 前記温度調整部品は熱電気クーラー（ＴＥＣ）を含み、該ＴＥＣは１０℃範囲の温度を変えることができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
14. 前記出力導波路における中心周波数を測定するための、前記出力導波路に光学的に結合された光学分析器と、
    前記中心周波数に関連する情報を使って前記温度調整部品の温度を調整するための、前記光学分析器および前記温度調整部品に電気的に結合されたコントローラと
    を、さらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、直接変調されたレーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、電子吸収（ＥＡ）モジュレータをもつ集積化されたＤＦＢレーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
18. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、分布ブラッグ格子（ＤＢＲ）レーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
19. 前記光学マルチプレクサは、広帯域のＮｘ１ＰＬＣ導波路結合器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
20. 広帯域結合器の超過損失を補償するために、エルビウム・ドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、またはエルビウム・ドープされた導波路増幅器（ＥＤＷＡ）を、さらに有することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
21. サポート部品であって、温度調整部品を含むサポート部品と、
    前記サポート部品に重なるシリカ・オン・シリコン基板であって、該シリカ・オン・シリコン基板がシリカ層とシリコン層を含み、かつ基板表面に対応し、該基板表面が第１の表面領域と第２の表面領域とを含み、該第１の表面領域と第２の表面領域とは同一平面上にないようなシリカ・オン・シリコン基板と、
    前記シリカ・オン・シリコン基板の第１の表面領域の下のシリカ層の中の光学マルチプレクサであって、該光学マルチプレクサが複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含むような光学マルチプレクサと、
    前記シリカ・オン・シリコン基板の第２の表面領域に重なる１つ以上の半導体レーザアレイチップであって、該１つ以上のレーザアレイチップのそれぞれが２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合されているような半導体レーザアレイチップと、
    複数のマイクロヒータであって、該複数のマイクロヒータのそれぞれが前記レーザの１つに隣接して配置されているマイクロヒータと、
    前記出力導波路における中心周波数を測定するための、前記出力導波路に光学的に結合された光学分析器と、
    前記中心周波数に関連する情報を使って前記温度調整部品の温度を調整するために、前記光学分析器および前記複数のマイクロヒータに電気的に結合されたコントローラと、
    を有することを特徴とするＤＷＤＭ伝送器システム。
22. 前記光学マルチプレクサはアレイ導波路格子を含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、フリップチップ法を使って、前記シリカ・オン・シリコン基板の第２の表面領域の上にマウントされることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
24. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは２つ以上のＩｎＰレーザダイオードを含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
25. 集積化されたＤＷＤＭ伝送器であって、該集積化された伝送器がシリカ・オン・シリコン基板上にマウントされた複数のＩｎＰレーザダイオードと、対応する複数のマイクロヒータとを含み、それぞれのマイクロヒータが前記複数のレーザダイオードの１つに隣接して配置され、集積化された伝送器はシリカ・オン・シリコン基板の下にある熱電気クーラー（ＴＥＣ）をも含むような集積化されたＤＷＤＭ伝送器を提供する段階と、
    所定の広範囲なＴＥＣ温度においてレーザ周波数分布を決定する段階と、
    ＩＴＵ−Ｔ格子に従って対応する目標波長以下にそれぞれのレーザ周波数をシフトするように、第２の広範囲な温度にＴＥＣを調整する段階と、
    複数のレーザダイオードのそれぞれに対して、ＩＴＵ−Ｔ格子に従って目標波長に接近するように、その中心波長を増やすように対応するマイクロヒータの温度を調整する段階と、
    を有することを特徴とする、集積化されたＤＷＤＭ伝送器に関係する目標波長を維持するための方法。
26. 前記集積化されたＤＷＤＭ伝送器は、さらに、
    温度調整部品に重なるシリカ・オン・シリコン基板と、
    前記シリカ・オン・シリコン基板の第１の領域におけるアレイ導波路格子と、
    ＩｎＰレーザアレイチップであって、該ＩｎＰレーザアレイチップが前記シリカ・オン・シリコン基板の第２の領域にマウントされているようなＩｎＰレーザアレイチップと、
    を有することを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. シリコン層を提供する段階と、
    シリカ層の中に、光学マルチプレクサであって、該シリカ層がシリコン層の上に位置し、該光学マルチプレクサが複数の入力導波路と少なくとも１つの出力導波路とを含むような光学マルチプレクサを形成する段階と、
    前記シリカ層の少なくとも第１の部分を除去して表面を露出する段階と、
    １つ以上の半導体レーザアレイチップであって、該１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれが２つ以上のレーザを含み、該２つ以上のレーザのそれぞれが前記複数の入力導波路の対応するものに光学的に結合されているような半導体レーザアレイチップを、前記表面にマウントする段階と、
    サポート部品であって、該サポート部品が温度調整部品を含むようなサポート部品に、シリコン層を取り付ける段階と、
    を有する集積化されたＤＷＤＭ伝送器装置を作るための方法であって、
    前記光学マルチプレクサを形成する段階は、
    前記シリコン層の上に第１のドープされないシリカサブ層を形成する段階と、
    前記第１のドープされないシリカサブ層の上に、ドープされたシリカサブ層を形成する段階と、
    前記ドープされたシリカサブ層の少なくとも第２の部分をエッチングする段階と、
    エッチングされたドープされたシリカサブ層と前記第１のドープされないシリカサブ層の上に第２のドープされないシリカサブ層を堆積する段階と、
    を含むことを特徴とする、集積化されたＤＷＤＭ伝送器を作るための方法。
28. 前記１つ以上の半導体レーザアレイチップのそれぞれは、ＩｎＰで作られた２つ以上のレーザダイオードを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記露出した表面は、シリコン表面であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 前記露出した表面は、シリカ表面であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
31. １つ以上の半導体レーザアレイチップのマウンティングは、フリップチップ法を使って行なわれることを特徴とする請求項２７に記載の方法。