專利名稱：多導(dǎo)向垂直堆棧中用于波長解復(fù)用的集成光學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光子集成領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種m-v復(fù)合半導(dǎo)體
材料的光子集成電路(PIC)中的波分復(fù)用技術(shù)(WDM)。
背景技術(shù)：
最近幾年，我們已經(jīng)看到，在帶寬需求日益增長且競爭技術(shù)(例如，基于 絞線銅纜、同軸電纜或者無線傳輸)基本不能進行傳送的驅(qū)動下，光接入和局 域網(wǎng)取得了快速的進步。通過光纖進行傳輸形成通信的通用方式，從長途到都 會再到寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，使得光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)大量出現(xiàn)、以及不同媒體流(例如，數(shù) 據(jù)、聲音和視頻)匯集到在光域中傳送給終端用戶的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)中。這在 未來是對"最后一英里"瓶頸的耐久的解決方案，不僅可動態(tài)地增加網(wǎng)絡(luò)容量， 還能減少從光域到電域(反之亦然)的代價高昂的轉(zhuǎn)換。
光纖深入滲透到接入網(wǎng)絡(luò)要求非并行地大量配置光學(xué)傳動設(shè)備(optical gear),這些光學(xué)傳動設(shè)備驅(qū)動去向和來自互聯(lián)網(wǎng)用戶的流量。例如，必須在 每個光學(xué)線路終端(OLT) /網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)處配置光學(xué)收發(fā)器，該光學(xué)收 發(fā)器在一個波長接收下游信號，在另一個波長發(fā)送上游信號，兩種波長共用相 同的光纖。因此在制造這樣的組件時的成本效益和數(shù)量的可擴展性正逐漸成為 主要問題。業(yè)界普遍接受的是，直至光學(xué)收發(fā)器的大批量制造和其它大量采用 的光學(xué)組件達(dá)到消費產(chǎn)品的成本效益和可擴展水平，光學(xué)互聯(lián)網(wǎng)才會變成常用 的服務(wù)。
在當(dāng)前的光學(xué)組件制造范例的框架中，該問題的根本原因是勞動密集型光 學(xué)校直和花費巨大的多重封裝(multiple packaging),其中該光學(xué)組件制造范例 主要基于來自現(xiàn)貨供應(yīng)的獨立式被動和主動光子器件的散裝光學(xué)次模塊 (OSA)。這些不僅限制了成本效益，還嚴(yán)重限制了制造商提高產(chǎn)量、以及在制造時提供可擴展性的能力。解決方案是，減少OSA中的光學(xué)校直和封裝內(nèi) 容，最終采用光子集成電路(PIC)技術(shù)代替光學(xué)模塊，在光子集成電路中， 光學(xué)電路的所有功能元件都單片集成到相同的基板上。接下來，采用平版印刷 方式形成的自動被動式校直代替手動進行的主動光學(xué)校直，同時消除多重封 裝，使得能夠基于現(xiàn)有的平面技術(shù)和晶圓制造技術(shù)，自動、大批量可擴展地量 產(chǎn)復(fù)雜的光學(xué)組件。
在申請的上下文中，在光學(xué)傳輸系統(tǒng)中采用的單片PIC所選用的材料仍然 是磷化銦(InP)和相關(guān)的m-v半導(dǎo)體，因為它們唯一允許在期望用于光學(xué)無 線電通訊的頻譜范圍內(nèi)運行的主動和被動器件被合并到相同的InP基板上。特 別地，InP PIC可能是最大量采用的組件的成本效益和大批量可擴展性的解決 方案的最好希望，該大量采用的組件是在1.3pm (上游)和1.5pm (下游)波 長范圍內(nèi)運行的接入被動式光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的光學(xué)收發(fā)器，參見例如V.Tolstikhin ("Integrated Photonics: Enabling Optical Component Technologies for Next Generation Access Networks", Proc. Asia Optical Fiber Communication & Optoelectronic Exposition & Conference, October 2007).
在PIC中，每個半導(dǎo)體波導(dǎo)器件的功能都由其波段結(jié)構(gòu)預(yù)先確定，特別是 其導(dǎo)向?qū)拥膸恫ㄩL。因此，功能不同的器件必定由不同但兼容的半導(dǎo)體材料 制成。這是基本的要求，對PIC的設(shè)計和制造有意義深遠(yuǎn)的影響。在PIC中
集成多種功能可以用幾種方式來實現(xiàn)，這些方式隨著它們的設(shè)計柔性和/或制
造復(fù)雜性而變化。多導(dǎo)向垂直集成(MGVI)技術(shù)就是這樣的技術(shù)，其中，在 外延生長的過程中，不同功能(因此由不同的材料構(gòu)成)的光學(xué)波導(dǎo)中的一個 單片集成在另一個上方。它具有柔性，因為不同的光學(xué)波導(dǎo)在垂直方向上是分 開的，因此它們的導(dǎo)向?qū)涌梢员粏为氃O(shè)計。并且，它的制造相對簡單，因為可 以僅使用一個外延生長步驟和標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝來制造多功能PIC。成本 效益的晶圓制造的設(shè)計柔性和適配性的組合使得MGVI成為用于大量生產(chǎn)高 功能、便宜的光學(xué)組件的吸引人的通用集成技術(shù)。
另一方面，基于MGVI平臺的PIC設(shè)計具有挑戰(zhàn)性，因為必須通過光學(xué) 信號在垂直堆棧的光學(xué)波導(dǎo)之間的可控轉(zhuǎn)接，將MGVI結(jié)構(gòu)上的不同垂直級別上的不同功能的波導(dǎo)元件組織到相同的光學(xué)電路上。接下來PIC在多個波長 上運行使得問題進一步復(fù)雜化，每個波長在MGVI結(jié)構(gòu)的某一垂直級別上的 指定波導(dǎo)上被生成、處理或者檢測，而所有的波長共用相同的輸入/輸出光學(xué) 端口。特別地，需要一種光學(xué)設(shè)備，此處稱為垂直波長(解)復(fù)用器(VWM)， 它允許將不同波長范圍的光學(xué)信號合并和分裂，這樣，在使用時，每個特定波 長范圍的信號都從波長指定的(公共)輸入波導(dǎo)轉(zhuǎn)接到(該波長指定的)公共 輸出波導(dǎo)，而不會與其它波長指定的波導(dǎo)產(chǎn)生明顯的干涉。另外，它應(yīng)該緊湊、 與PIC性能要求兼容，并且能夠容忍制造工藝的變化。
早期的設(shè)計可以限定為VWM，它基于雙導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，最初由Suematsu等 人提出("Integrated Twin-Guide AIGaAs Laser with Multiheterostructure", IEEE J. Quantum Electron., Vol. 11, 457-460頁，1975)。這實際上是一個定向耦合設(shè)備， 其中用透明薄層分開兩個波導(dǎo)，這樣，在使用時特定波長和極性的光學(xué)信號在 兩者之間轉(zhuǎn)接，通過預(yù)定的傳播距離，該傳播距離對于光學(xué)信號的波長和極性 來說是特定的。雖然非常簡單，但是該設(shè)計只能在相對較窄的波長范圍內(nèi)運行， 并具有很高的極性敏感度，這都與在垂直堆棧的波導(dǎo)之間傳輸?shù)闹C振耦合機制 相關(guān)。
之后，采用波長選擇的定向耦合器來進行垂直波長分離的想法已經(jīng)受到更 多的關(guān)注，并主要基于諧振耦合技術(shù)進行發(fā)展，例如諧振光柵輔助耦合(例如， R. C. Alferness等人，"Grating-assisted InGaAsP InP vertical co-direction coulper filter" ，Appl.Phys. Lett., Vol. 55, 2011頁，1989)或者諧振消逝場耦合。諧振 消逝場耦合技術(shù)本身可以被劃分為使用平面波導(dǎo)(例如，V.Magnin等人"Design and Optimization of a 1.3/1.55卞m Wavelength Selective p-i-n Photodiode Based on Multimode Diluted Waveguide", IEEE Photo. Technol. Lett.， Vol. 17, No"2, pp 459-461， 2005)、直脊形波導(dǎo)(例如，C. Wu,等人"A Vertically Coupled InGaAsP/InP Directional Coupler Filter of Ultra-narrow Bandwidth", IEEE Photon. Technology Lett.， Vol.3， No.6, 519-521頁，1991 )、以及錐形波導(dǎo)(例如，C,W. Lee 等人"Asymmetric Waveguides Vertical Couplers for Polarization-Independent Coupling and Polarization-Mode Splitting" , J. Lightwave Technol" Vol.23, No.4,1818-1826頁，2005)的解決方案。
對諧振光柵輔助設(shè)計的分析表明，這些僅僅適用于窄波長傳輸頻帶的應(yīng) 用，并要求光柵設(shè)置在分離垂直集成的波導(dǎo)的層上。這排除使用一個步驟的外 延生長，該一個步驟的外延生長是垂直集成平臺的重要有益之處，允許采用該
產(chǎn)量、低成本的方法在m-v半導(dǎo)體材料上制造組件。
在諧振消逝場耦合的設(shè)計中，垂直集成的波導(dǎo)之間的傳輸在沿傳播軸在預(yù) 定的距離發(fā)生，這個位置對于光學(xué)信號的波長和極性來說是特定的。這顯著地 限制了設(shè)計者設(shè)計全功能的光子電路，同時也將諧振消逝場耦合設(shè)計限制為僅 為適用于窄帶通應(yīng)用。
此外，任何窄波長帶通的設(shè)計都要求非常嚴(yán)厲的制造公差，即使是外延結(jié) 構(gòu)和/或器件的布局的微小變化，都可能導(dǎo)致中心波長移位到特定的帶通之外， 并致使組件對預(yù)定的應(yīng)用來說不起作用。這會降低制造產(chǎn)量，因此增加性能兼
容的PIC組件的制造成本。
最近，V. Tolstikhin等人已經(jīng)提出了 一種適用于MGVI平臺內(nèi)應(yīng)用的VWM 設(shè)計的普通方法("Intergrated Vertical Wavelength (De)Multiplexer"美國專利申 請11/882,126)，在該現(xiàn)有技術(shù)中，集成VWM根據(jù)公共波導(dǎo)和多個波長指定 的波導(dǎo)之間的橫向錐形輔助絕熱轉(zhuǎn)接的原理運行。所有的波導(dǎo)都是一個垂直集 成在另一個的上方，并按照它們的導(dǎo)向?qū)拥膸恫ㄩL(下文稱為"帶隙波長") 上升的順序一個接一個地定位，因此公共波導(dǎo)位于MGVI結(jié)構(gòu)的底部，對應(yīng) 最長帶隙波長的指定波導(dǎo)位于MGVI結(jié)構(gòu)的頂部。對于共用公共波導(dǎo)的多個 波長中的每一個波長來說，該公共和波長指定波導(dǎo)之間的波阻抗匹配在某一預(yù) 定的距離發(fā)生，這樣，在使用時，較長的波長在被絕熱傳輸?shù)剿鼈兊闹付ú▽?dǎo) 之前，在公共波導(dǎo)中傳播。這通過操作多步橫向錐度來實現(xiàn)，該橫向錐度在每 個波導(dǎo)級別上定義，并可從一個到另一個連貫調(diào)節(jié)，以按照某種預(yù)定的方法改 變波導(dǎo)有效折射率，或者，換句話說，改變波導(dǎo)的波阻抗。
雖然可以通用、緊湊并且簡單地制造VWM，其中VWM用于基于MGVI 平臺的PIC，但是上述集成波導(dǎo)設(shè)備具有實質(zhì)上的局限性，也就是多步橫向錐 度，沿著傳播方向可控波阻抗的改變所需的該設(shè)計的關(guān)鍵要素，可能并不一定與它們所設(shè)置的波長指定的波導(dǎo)的期望布局兼容。因此，有利的是，通過增加
MGVI平臺中的設(shè)計柔性，來提供消除了現(xiàn)有技術(shù)的約束的解決方案。這會進 一步將它發(fā)展為基于一步外延生長和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝的通用PIC平臺。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是MGVI平臺中的VWM設(shè)計，該MGVI平臺用于在多個 波長范圍(為了簡潔起見，下文稱為"波長")內(nèi)進行光學(xué)信號的可控、非諧 振絕熱轉(zhuǎn)接，所述光學(xué)信號在公共波導(dǎo)中非定向或者雙向傳播到多個波長指定 的波導(dǎo)，或者從多個波長指定的波導(dǎo)非定向或者雙向傳播到公共波導(dǎo)中，而不 會與其它的波導(dǎo)產(chǎn)生顯著的干涉，這樣，在使用中，公共和所有波長指定的波 導(dǎo)都形成于相同MGVI結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)向?qū)由?，在一個外延生長步驟中單片集 成到相同的半導(dǎo)體基板上，但是彼此獨立最優(yōu)化。
發(fā)明概要
根據(jù)本發(fā)明，所述VWM包括半導(dǎo)體基板、以一個生長步驟生長于該基
板上的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、帶隙波長剛好位于任何運行波長以下的公共波導(dǎo)、以 及具有不同帶隙波長的多個波長指定的波導(dǎo)，在該外延結(jié)構(gòu)中形成的所有波導(dǎo)
都一個垂直集成在另一個的上方，并按照帶隙波長上升的順序一個接一個地定 位，其中至少一個波長指定的波導(dǎo)設(shè)置有橫向路由器，用于使其對應(yīng)波長的光
學(xué)信號改變方向，使該信號離開其它波長共用的光道，因此允許獨立設(shè)計和優(yōu) 化這個(這些)指定波導(dǎo)的布局，這樣，在使用中，多個波長范圍內(nèi)的光學(xué)信 號可以在公共波導(dǎo)和多個指定波導(dǎo)中有效轉(zhuǎn)接，而不會與其它的指定波導(dǎo)發(fā)生 任何顯著的干涉或者危及這個(這些)特殊的指定波導(dǎo)的性能。
在此公開的VWM中，導(dǎo)向光從公共波導(dǎo)到以橫向重新定向為特征的波長 指定的波導(dǎo)的轉(zhuǎn)接在兩個連續(xù)的步驟中發(fā)生。在第一步驟中，共用公共波導(dǎo)的 多個波長中的其中一個波長的光學(xué)信號從這個波導(dǎo)垂直轉(zhuǎn)接到其指定波導(dǎo)的
ii導(dǎo)向?qū)印?br>
與現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)類似，參見V. Tolstikhin等人的("Integrated Vertical Wavelength (De)Multiplexer"，美國專利申請11882,126)這種轉(zhuǎn)接的設(shè)計控制 通過使用多步橫向錐度來實現(xiàn)，在MGVI結(jié)構(gòu)中的每一個導(dǎo)向級別定義，并 設(shè)計用來確保公共波導(dǎo)和波長指定的波導(dǎo)在沿著傳播方向的某一預(yù)定距離的 波阻抗匹配，該預(yù)定距離對于多個運行波長中較短的波長會比較短，對于較長 的波長會比較長。在第二步驟中，通過使用例如波導(dǎo)彎頭、轉(zhuǎn)向鏡、角形反射 器之類的元件或者任何其它可以被PIC設(shè)計者利用的合適波導(dǎo)設(shè)備，將己經(jīng)垂 直限制于其指定波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)觾?nèi)的特定波長的光學(xué)信號橫向轉(zhuǎn)向以朝向該波 導(dǎo)。
在類似的方式中，多個波長的光學(xué)信號從多個它們的指定波導(dǎo)到公共波導(dǎo) 的轉(zhuǎn)接也在兩個連續(xù)的步驟中發(fā)生，第一，橫向轉(zhuǎn)向光學(xué)信號，同時繼續(xù)將它 們垂直限定在MGVI結(jié)構(gòu)的對應(yīng)導(dǎo)向?qū)觾?nèi)；第二，通過垂直轉(zhuǎn)接將光學(xué)信號 從MGVI結(jié)構(gòu)中它們的指定導(dǎo)向?qū)愚D(zhuǎn)接到公共層。
VWM中的公共波導(dǎo)一直是被動波導(dǎo)，其帶隙波長剛好小于在VWM中傳 播的光學(xué)信號的任何運行波長。由于它與指定的波導(dǎo)相關(guān)，這些波導(dǎo)可以是被 動(波長指定顯著小于帶隙波長)或者主動(波長指定接近或者大于帶隙波長) 波導(dǎo)，或者是主動波導(dǎo)和被動波導(dǎo)的組合。通常，被動波導(dǎo)用于將PIC的輸入 /輸出光學(xué)端口連接到PIC的其它部分，但是它也可以是另一個集成光子電路 設(shè)備的一部分，例如，定向耦合器或者任何種類的平板解/復(fù)用器，這些設(shè)備 在運行時不要求光電或者電光轉(zhuǎn)換。通常，主動波導(dǎo)典型地包括帶有較窄帶隙 本征區(qū)域的PIN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該本征區(qū)域同時用作光學(xué)波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)?；該主?波導(dǎo)用于提供光電或者電光轉(zhuǎn)換，例如生成(激光)或者檢測(光電探測器) 光學(xué)信號。
當(dāng)特征是橫向轉(zhuǎn)向的波長指定的波導(dǎo)是被動波導(dǎo)時，橫向路由器可以設(shè)置 在MGVI結(jié)構(gòu)的與正在討論的指定波導(dǎo)相同的導(dǎo)向?qū)由稀５?，?dāng)波長指定的
波導(dǎo)是主動波導(dǎo)時，這可能會導(dǎo)致橫向路由器中不可接受的高插入損耗。在這 種情況下，比較有利的是，指定波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)佑蓛蓚€垂直堆棧的導(dǎo)向?qū)訕?gòu)成，其中下方的一層對于對應(yīng)這個指定波導(dǎo)的波長(也就是，具有比這個指定波導(dǎo) 的運行波長短的帶隙波長)的光學(xué)信號來說是透明的。接下來，下部的導(dǎo)向?qū)?可以被用于形成波導(dǎo)路由器，用于將光學(xué)信號橫向轉(zhuǎn)向到它在上方導(dǎo)向?qū)又行?成的指定主動波導(dǎo)，而不會有或者僅有很少的損耗。
所述類別的最簡單的集成光電設(shè)備是二波長VWM，其中在波長、和入2
a2>^)(下文分別稱為第一和第二波長)運行的兩個指定波導(dǎo)垂直集成在相 同的基板上，位于公共波導(dǎo)的上方，公共波導(dǎo)連接到公用的光學(xué)輸入或輸出端 口，這樣具有較長運行波長的公共波導(dǎo)(下文稱為第二指定波導(dǎo))與公共波導(dǎo)
橫向?qū)R但在垂直方向上分開，但是通過使用與VMGI結(jié)構(gòu)設(shè)計兼容以及符 合整體PIC性能要求的一個或者另一個的波導(dǎo)變更行程的技術(shù)方案，具有較短
運行波長的指定波導(dǎo)(下文稱為第一指定波導(dǎo))與公共波導(dǎo)和第二波導(dǎo)在橫向 對齊但在垂直方向上分開。
在以下描述的二波長VWM的典型實施例中，兩個指定波導(dǎo)都是主動波 導(dǎo)，因此與公共和第二指定波導(dǎo)橫向解耦(decouple)的第一指定波導(dǎo)具有雙 核導(dǎo)向?qū)樱@樣下方的一個在該第一波長是透明的，可用來將這個波長的光學(xué) 信號橫向轉(zhuǎn)向并使之離開公共和第二指定波導(dǎo)，幾乎沒有額外的損耗。本技術(shù) 領(lǐng)域的人員將會很容易明白相同的設(shè)計和運行原理如何延伸到兩個被動指定 波導(dǎo)或者主動和被動指定波導(dǎo)任意組合的情況。
本發(fā)明中二波長VWM形式的第一實施例與MGVI結(jié)構(gòu)相關(guān)，其中第一 和第二指定波導(dǎo)都是光電檢測器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在兩個不同波長獨立檢測輸入 光學(xué)信號的單片集成的雙色接收器。在這樣的集成光子設(shè)備中，第一指定波導(dǎo)
是與公共和第二指定波導(dǎo)橫向分離的波導(dǎo)光電檢測器，該第一指定波導(dǎo)的布局 可以以任何可想到的方式進行優(yōu)化，以得到例如，更高的設(shè)備響應(yīng)度和/或速 度，而不會影響第二指定波導(dǎo)的設(shè)計和性能。如果第一指定波導(dǎo)中的光電檢測 器不是橫向分離的，不僅這樣的優(yōu)化是不可能的，并且通常設(shè)置在主動脊形波 導(dǎo)上方的金屬觸片也會限制第二指定波導(dǎo)和作為整體的VWM的設(shè)計和優(yōu)化。 在本發(fā)明的二波長VWM形式的第二實施例中，第一和第二指定波導(dǎo)都 是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)在兩個不同波長獨立生成輸出光學(xué)信號的單片集成的雙色接收器。在這樣的集成光子設(shè)備中，第一指定波導(dǎo) 是與公共和第二指定波導(dǎo)橫向分離的邊緣發(fā)射激光器，該第一指定波導(dǎo)的布局 可以獨立設(shè)計和優(yōu)化，例如通過從激光脊上或者旁邊的脊形表面蝕刻布拉格光 柵，得到分布式的反饋/反射比，而不會影響第二指定波導(dǎo)的設(shè)計和性能。同 樣，如果第一指定波導(dǎo)中的光電檢測器不是橫向分離的，在激光脊上或者旁邊 蝕刻布拉格光柵的表面，以及脊上的金屬觸片，都將限制第二指定波導(dǎo)和作為
整體的VWM的設(shè)計和優(yōu)化。
在二波長VWM的第三實施例中，第一指定波導(dǎo)是光電檢測器，第二指 定波導(dǎo)是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)單片集成的雙向收發(fā) 器，其中以較短的波長接收輸入光學(xué)信號，以較長的波長發(fā)射輸出光學(xué)信號。 在X產(chǎn)1310nm且Xfl490nm的特定情況下，這個實施例涉及時分復(fù)用(TDM) 光纖到戶(FTTH)被動式光學(xué)網(wǎng)絡(luò)(PON)內(nèi)的OLT設(shè)備的單光纖雙向光學(xué) 收發(fā)器。如以上所述的第一示范性實施例，第一指定波導(dǎo)，即與公共和第二指 定波導(dǎo)橫向分離的光電檢測器，的布局可以獨立設(shè)計和優(yōu)化，而不會影響第二 指定波導(dǎo)即激光器的設(shè)計和性能。
在二波長VWM的第四實施例中，第一指定波導(dǎo)是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入 式激光器，第二指定波導(dǎo)是光電檢測器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)單片集成的雙向收發(fā)器， 其中以較短的波長發(fā)射輸出光學(xué)信號，以較長的波長接收輸入光學(xué)信號。在 X產(chǎn)1310nm且X2=1490nm的特定情況下，這個實施例涉及TDM FTTH PON內(nèi) 的ONU設(shè)備的單光纖雙向光學(xué)收發(fā)器。如以上所述的第二示范性實施例，第 一指定波導(dǎo)，即與公共和第二指定波導(dǎo)橫向分離的激光器，其布局可以獨立優(yōu) 化，而不會影響第二指定波導(dǎo)即光電檢測器的設(shè)計和性能。
對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，波導(dǎo)光電檢測器和邊緣發(fā)射半導(dǎo) 體注入式激光器的其它組合也可能用來分別接收和發(fā)射光學(xué)信號，這些可能的 組合在于運行波長、以及具有多波長的復(fù)雜性擴展等方面。對本技術(shù)領(lǐng)域的人 員來說顯而易見的是，除了接收和發(fā)射，與VWM集成的光學(xué)功能也可以擴展 到包括，但不限于，放大、衰減、切換和路由。用這種方式，VWM可形成 MGVI平臺內(nèi)PIC設(shè)計的通用構(gòu)建模塊。
1
現(xiàn)在將結(jié)合以下的附圖描述本發(fā)明的示范性實施例，其中
圖1示出了二波長VWM形式的現(xiàn)有技術(shù)，該VMW具有一個公共被動和 兩個波長指定的主動波導(dǎo)，Tolstikhin等人("Integrated Vertical Wavelength (De)Multiplexer"，美國專利申請11/882,126);
圖2給出了本發(fā)明具有一個公共和兩個波長指定波導(dǎo)的二波長VWM形式 的實施例的三維示意圖，其中第一指定波導(dǎo)在垂直和橫向上與公共和第二指定 波導(dǎo)分離，其中采用波導(dǎo)彎頭來實現(xiàn)第一 (較短的)波長的橫向轉(zhuǎn)向；
圖3示出了本發(fā)明的第一實施例中與第一(較短的)波長在與二波長VWM
中的公共波導(dǎo)垂直分離后的橫向轉(zhuǎn)向相關(guān)的方面，其中采用波導(dǎo)彎頭來實現(xiàn)橫 向轉(zhuǎn)向；
圖4a示出了兩種運行波長^和人2 a一^)的光學(xué)導(dǎo)向模型的模擬二維輪 廓，位于圖3所示的VWM的起始處的公共波導(dǎo)中，并具有表l詳細(xì)描述的示 范性層結(jié)構(gòu)；
圖4b示出了兩種運行波長 n和x2 a,<x2)的光學(xué)導(dǎo)向模型的模擬二維輪
廓，位于圖3所示的VWM中部，并具有表1詳細(xì)描述的示范性層結(jié)構(gòu)；
圖4c示出了兩種運行波長^和、(^<、)的光學(xué)導(dǎo)向模型的模擬二維輪
廓，位于圖3所示的VWM尾端，并具有表1詳細(xì)描述的示范性層結(jié)構(gòu)；
圖5示出了本發(fā)明的第二實施例中與第一(較短的)波長在與二波長VWM
中的公共波導(dǎo)垂直分裂后的橫向轉(zhuǎn)向相關(guān)的方面，其中采用波導(dǎo)彎頭來實現(xiàn)橫
向轉(zhuǎn)向，在靠近波導(dǎo)彎頭處附帶有反射深蝕刻槽；
圖6示出了本發(fā)明的第三實施例中與第一(較短的)波長在與二波長VWM
中的公共波導(dǎo)垂直分裂后的橫向轉(zhuǎn)向相關(guān)的方面，其中采用波導(dǎo)彎頭來實現(xiàn)橫 向轉(zhuǎn)向，在靠近波導(dǎo)彎頭處附帶有淺蝕刻橫向反諧振反射光學(xué)波導(dǎo)(ARROW) 結(jié)構(gòu)；
圖7示出了本發(fā)明的第四實施例中與第一(較短的)波長在與二波長VWM 中的公共波導(dǎo)垂直分裂后的橫向轉(zhuǎn)向相關(guān)的方面，其中采用淺蝕刻全內(nèi)反射(TIR)鏡來實現(xiàn)橫向轉(zhuǎn)向。
具體實施例方式
現(xiàn)在教導(dǎo)性地開始詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，并回顧根據(jù)Tolstikhin (美 國專利申請...)的現(xiàn)有技術(shù)中二波長VWM的結(jié)構(gòu)和運行原理。參照圖1示出 了這種集成光子設(shè)備的三維截面示意圖，其特征是一個公共被動波導(dǎo)110和兩 個波長指定的主動波導(dǎo)111和112，所有的波導(dǎo)垂直集成在相同的半導(dǎo)體基板 上(未圖示)，并且由縱向(也就是，在傳播方向上)的半導(dǎo)體處理步驟來區(qū) 分。在這個MGVI設(shè)備中，每個波導(dǎo)都具有自己的導(dǎo)向?qū)?，該?dǎo)向?qū)佑蓭?波長？ig定義，該帶隙波長大于周圍的覆層的波長。被動波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)又械膸?隙波長^。小于第一波長指定的導(dǎo)向?qū)又械膸恫ㄩL^g"該帶隙波長Mi反過
來小于第二波長指定的導(dǎo)向?qū)又械膸恫ㄩL^2，也就是k?！?vc^2。設(shè)定以
波長、和、(其中前者小于后者，也就是^<12)為中心的兩種運行波長范圍 均大于公共波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)又械膸恫ㄩL，并接近或者小于它們對應(yīng)的指定波導(dǎo)
的導(dǎo)向?qū)拥膸恫ㄩL，也就是^g0〈、(2)^kJK2)。
在圖1所示的MGVI結(jié)構(gòu)中，在任何運行波長，這三個波導(dǎo)110-112中的 導(dǎo)向?qū)佣加懈哂谙噜徃矊拥恼凵渎?，這是這個層內(nèi)部或周圍的光場垂直限制的 條件。雖然是必須的，但是這個條件并不足以使這樣的限制發(fā)生。導(dǎo)向?qū)又С?受導(dǎo)向模型的能力也取決于波導(dǎo)的橫向結(jié)構(gòu)。特別地，由垂直蝕刻橫向形成的 脊形波導(dǎo)中的所述導(dǎo)向?qū)又С种辽僖粋€受導(dǎo)向模型，如果蝕刻在這個層(位置 (situation),下文稱為"淺蝕刻脊形波導(dǎo)"或者"淺蝕刻")之上停止，但是不支 持任何受導(dǎo)向模型，如果蝕刻通過這個層(位置，下文稱為"深蝕刻脊形波導(dǎo)" 或者"深蝕刻")，并且脊形的寬度w窄于某一臨界的截止寬度wco。最后的參 數(shù)取決于波長，因此在由與InP相關(guān)的DI-V半導(dǎo)體材料構(gòu)成的MGVI結(jié)構(gòu)中， 對于給定的層結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)布局來說，wC() ( O對于較短的人來說比比較窄，對 于較長的^來說比較寬。這允許波長敏感導(dǎo)向，對于給定的脊形寬度w，根據(jù) 截止?fàn)顩rwco(Xc。)，確定的波長短于Ao的光場被導(dǎo)向，而波長長于Xco的光 場不會被導(dǎo)向。在圖1所示的波導(dǎo)設(shè)備中，第一深蝕刻的橫向指定脊形波導(dǎo)的基礎(chǔ)模型的 截止波長大于第一波長、但小于第二波長 12，也就是、<、01<入2，但是第二深 蝕刻的指定脊形波導(dǎo)的基礎(chǔ)模型的截止波長大于第二波長U也就是、02>人2。 第一和第二主動波導(dǎo)實際上可以在它們的導(dǎo)向?qū)又?，這些層作為深蝕刻脊形的 一部分出現(xiàn)且脊形的寬度大于脊形的截止寬度處并可主動為光學(xué)域?qū)颉Ｒ?br>
此，根據(jù)Tolstikhin (美國專利申請…)，通過使主動波導(dǎo)脊形出現(xiàn)橫向錐度，
可沿著傳播方向的預(yù)定距離，產(chǎn)生使得第一和第二運行波長、和？12的光學(xué)模
型被分別耦合到第一和第二主動波導(dǎo)的必要和充分條件。
根據(jù)該教導(dǎo)設(shè)計的層結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)布局可得到單片集成的VWM，其中處于 不同波長范圍的兩種光學(xué)信號在公共被動波導(dǎo)中同向或者雙向傳播，如輸入信 號110所示，這兩種光學(xué)信號可以被垂直分裂為兩個波長指定的波導(dǎo)，由信號 111和信號112表示。雖然這是在MGVI環(huán)境中進行波長解復(fù)用的非常通用的 方法，但是對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，這將第一指定波導(dǎo)的布局 設(shè)計限制為符合深蝕刻橫向錐度所要求的性能，該深蝕刻橫向錐度與第一主動 波導(dǎo)形成于相同的級別上。具體地，在第一指定波導(dǎo)的整個長度上，在第一波 長運行的第一深蝕刻指定波導(dǎo)的寬度應(yīng)該保持位于第二波長的截止寬度値之
下，也就是 l2^kXM(人2)。這很難實施，如果第一指定波導(dǎo)必須具有低阻抗頂部
觸片和/或在脊形頂部或旁邊表面蝕刻的光柵和/或該指定波導(dǎo)設(shè)計所要求的類
似特性的任何其它特征。本技術(shù)領(lǐng)域的人員還會明白，第二波長112的傳遞將 不會被絕熱耦合，直至與第一指定波導(dǎo)lll相關(guān)的所有功能元件，例如頂部觸 片或者頂部/一側(cè)的光柵己經(jīng)實現(xiàn)，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)很長，從而限制了每個晶圓上 的裸片數(shù)，增加了組件成本。
該問題的解決方案在圖2中示出，圖2給出了本發(fā)明第一實施例中具有一 個公共和兩個波長指定波導(dǎo)的二波長VWM 200形式的實施例的三維示意圖。 雖然這種波導(dǎo)設(shè)備的底部類似于圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)，但是這兩者在設(shè)計和運 行原理上有根本的不同。
設(shè)計方式，MGVI結(jié)構(gòu)的不同之處在于第一指定波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)影▋蓪樱?每層都能夠支持第一運行波長的導(dǎo)向模型，其中下部核心層對于這個波長是透明的(也就是，由帶隙波長剛好高于第一運行波長的半導(dǎo)體材料制成)。另一 個設(shè)計區(qū)別是，波導(dǎo)路由器設(shè)置在第一指定波導(dǎo)的導(dǎo)向?qū)拥南虏亢诵?，并且?橫向的，這樣一旦第一 (較短)運行波長中的光學(xué)信號與第二 (較長)運行波 長內(nèi)的光學(xué)信號垂直分裂，并耦合到這個層內(nèi)，它就可以橫向轉(zhuǎn)向離開公共和 第一指定波導(dǎo)。雖然橫向路由器的實際設(shè)計可以變化，但在任何實施例中，在 此公開的VWM的角色都是相同的在第一和第二運行波長中的光學(xué)信號已經(jīng) 被垂直分離后，將它們橫向分離。這允許第一和第二主動波導(dǎo)的布局設(shè)計獨立
于彼此進行優(yōu)化，從而改善了 VWM和整個PIC的設(shè)計柔性，該PIC可能只 是其中的一部分。對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，第一運行波長最終 的分離允許其指定波導(dǎo)的功能元件在用于實施第二絕熱耦合器和第二指定波 導(dǎo)的功能元件的相同縱向跡線內(nèi)實現(xiàn)。這樣二步VWM200短于現(xiàn)有技術(shù)中功 能類似的一步VWM，增加了每個晶圓的裸片數(shù)量，減少了組件成本，并增加 了電學(xué)互聯(lián)、組件布局等的柔性。
在運行原理方面，圖l和圖2所示的兩種波導(dǎo)設(shè)備的區(qū)別在于，前者中， 第一和第二運行波長中的光學(xué)信號之間的空間分離僅通過垂直分裂的方式來 實現(xiàn)，但是在后者中，兩種波長之間的空間分離結(jié)合了垂直分裂和橫向路由 前者，通過現(xiàn)有技術(shù)中Tolstikhin (美國專利申請...)等人描述的類似處理， 后者，通過使離開被動波導(dǎo)的第一 (較短)波長橫向轉(zhuǎn)向且仍然限制第二 (較 長)波長來實現(xiàn)。這減少了第二波長與第一指定波導(dǎo)之間的干涉，改善了 VWM 和整個PIC的設(shè)計柔性，該PIC可能只是其中的一部分。
圖2示出了通用的二步VWM設(shè)計的關(guān)鍵元件，其中圖示的二波長器件 200包括公共被動波導(dǎo)210、第一指定主動波導(dǎo)220、第二指定主動波導(dǎo)230、 以及二步橫向錐部240和250，用于將第二波長的光學(xué)信號從被動波導(dǎo)210可 控絕熱轉(zhuǎn)接到第二指定波導(dǎo)230內(nèi)。圖2所示的特定實施例中，用于使離開被 動波導(dǎo)的第一波長橫向轉(zhuǎn)向且仍然限制第二波長的橫向路由器以波導(dǎo)彎頭 260的形式實施。
圖3所示是二波長VWM 300形式的本發(fā)明的第一實施例，它采用波導(dǎo)彎 頭，用于使第一波長在與第二波長垂直分離后橫向轉(zhuǎn)向。彎頭設(shè)計的主要要求是低損耗和緊湊，這兩者并沒有明顯結(jié)合，因為彎頭的曲率越高，傳播通過彎 曲的波導(dǎo)部分的光學(xué)信號所受到的輻射損耗越高。但是，滿足這些要求并與
VWM的脊形波導(dǎo)布局兼容的小型波導(dǎo)彎頭設(shè)計的可行性已經(jīng)被許多現(xiàn)有技 術(shù)證實。例如，L. H. Spiekman等人"Ultra Small waveguide bens: the corner mirror of the foture " IEE-Proc.-Optoelectronics, Vol. 42, 61-65頁(1995)。
圖3所示的波導(dǎo)設(shè)備的示范性MGVI層結(jié)構(gòu)在表1中示出，它設(shè)計在波 長、=1310nm且X2=1490nm運行，并且在在InP基板上一步外延生長的基于 InP材料的系統(tǒng)內(nèi)實施。
表1:圖3所示的二波長VWM 300的被動部分的示范性結(jié)構(gòu)
#層材料折射率厚度((am)
1310nm1490nm
6轉(zhuǎn)接波導(dǎo)上部覆InP3.20723.17700.450
層
5轉(zhuǎn)接波導(dǎo)核心GalnAsP3.27423.23690.500
d勵Onm)
4轉(zhuǎn)接波導(dǎo)下部覆InP3.20723.17700.250
層
3蝕刻停止處GalnAsPN/A0.005
P^=1300nm)
2波導(dǎo)分離InP3.20723.1770l扁
1公共波導(dǎo)核心InP- GalnAsP (Xo=1000ran)3.21063.17994.500
0基板InP3.20723.1770N/A
如上所列，二波長VWM300的被動光道包括:
a. 公共波導(dǎo)，包括層0至2，由帶隙波長剛好低于運行波長、和、的材料 制成，設(shè)計用于減小這些波長的傳播損耗，同時提供至雙核第一指定波導(dǎo)的下 部導(dǎo)向?qū)拥耐耆珴u逝場耦合(su伍cient evanescent-field coupling),該下部導(dǎo)向 層在下文也被稱作"轉(zhuǎn)接波導(dǎo)"；以及
b. 轉(zhuǎn)接波導(dǎo)，層4-6,在兩種運行波長均為透明，因此由帶隙波長剛好低 于運行波長、和？12的材料制成，設(shè)計用于耦合這些波長的每一個中公共波導(dǎo) 的漸逝場，這樣，在使用中，轉(zhuǎn)接波導(dǎo)層可被用于形成公共波導(dǎo)的淺蝕刻脊、 以及轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的深蝕刻脊。第一和第二主動波導(dǎo)220和230分別設(shè)計用于在第一和第二波長運行，它 們生長在表1所列的VWM的被動部分的頂部。對于特征是兩個主動波長指定 的波導(dǎo)的上述二波長VWM的四個實施例中的每一個來說，假定、小于或者 接近第一指定波導(dǎo)的上部導(dǎo)向?qū)?20的帶隙波長，入2小于或者接近第二指 定波導(dǎo)的上部導(dǎo)向?qū)?30的帶隙波長，但是大于，也就是人5 ^ <人2^^2，
圖3所示且基于表1所述的示范性MGVI結(jié)構(gòu)的波長設(shè)備的橫向特征， 例如導(dǎo)向、錐度、和彎曲全部都由標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體蝕刻工藝來形成，脊形結(jié)構(gòu)從 層6的頂部表面開始，通過整個轉(zhuǎn)接波導(dǎo)堆棧，并在通過蝕刻停止層3之后結(jié) 束。半導(dǎo)體波導(dǎo)設(shè)計領(lǐng)域的人員應(yīng)該明白，基于實現(xiàn)所要求導(dǎo)向特性的不同材 料系統(tǒng)(例如，AIGalnAs-InP或者AIGaAs-GaAs)和方法，可以有許多其它 的解決方案。例如，可設(shè)計均勻透明光學(xué)層，其可由交替低、高反射率的材料 以適當(dāng)調(diào)節(jié)的厚度制成，以達(dá)到有效折射率的期望{直，來代替很難以要求的材 料成分和厚度生長的類似光學(xué)性能的均勻材料。
下面將參照圖4a、 4b和4c描述所有VWM的普遍運行原理，圖4a、 4b 和4c分別示出了圖2和3所示的二波長VWM實施例200和300的數(shù)學(xué)模擬 結(jié)果。它們?nèi)疾捎貌▽?dǎo)彎頭作為VWM的橫向路由元件。模擬中所采用的層 結(jié)構(gòu)如以上的表1所示。圖4a-4c所示的是圖3示出的波導(dǎo)設(shè)備的不同橫截面 的光場的二維輪廓。
在二波長VWM 300連接到兩種運行波長公用的輸入/輸出端口的一端，在 結(jié)構(gòu)底部的公共波導(dǎo)中每種光學(xué)信號都被限制。這可從圖4看出，圖4示出了 圖3所示結(jié)構(gòu)的底部左側(cè)橫截面X-X的光學(xué)模型的二維場輪廓。被動波導(dǎo)的 垂直限定由導(dǎo)向和相鄰層0-2的合適設(shè)計來保證，但是橫向限定由如轉(zhuǎn)接波導(dǎo) 層4-6所形成的淺脊部來實現(xiàn)。在每種波長下，公共波導(dǎo)都是透明的，僅支持 一種二維模型；該模型的場輪廓在兩種波長下非常類似，因此它們在視覺上無 法區(qū)分。
公共波導(dǎo)的垂直限定被選擇為相對較弱，這樣，在使用中，首先耦合到轉(zhuǎn) 接波導(dǎo)層4-6所形成的淺脊部的垂直模型的漸逝場能夠橫向?qū)?，并且能夠通過絕熱調(diào)節(jié)脊部的寬度，有效控制橫向?qū)?。在被動式波?dǎo)截面X-X，脊部設(shè) 計得足夠?qū)?，以確保被垂直限定在導(dǎo)向?qū)觾?nèi)部和周圍的光學(xué)信號的橫向?qū)颍?但是同時，脊部設(shè)計得足夠窄，以防止每種運行波長的光學(xué)場垂直限定在轉(zhuǎn)接 波導(dǎo)中。通過使脊部向上逐漸變細(xì)，對于較短的波長？W來說可以改變這些狀 況，但是對于較長的波長人2仍然保持不變，因此在脊部的某一寬度，前者絕
熱傳輸?shù)睫D(zhuǎn)接波導(dǎo)450b，而后者仍然被限定在公共波導(dǎo)440中。這種轉(zhuǎn)接機 制類似于現(xiàn)有技術(shù)中Tolstikhin (美國專利申請…)所描述的機制，并且基于 以波長選擇的方式來控制垂直堆棧的波導(dǎo)之間的垂直轉(zhuǎn)接的能力，其中設(shè)定波 導(dǎo)模型經(jīng)歷正常的波長彌散，并以帶隙波長在它們的導(dǎo)向?qū)觾?nèi)的上升順序設(shè) 置。
絕熱轉(zhuǎn)接的結(jié)果在圖4b中示出，圖4b給出了圖3所示波導(dǎo)設(shè)備的準(zhǔn)三維 視圖沿著Y-Y截面方向、光場在第一 (較短)波長和第二 (較長)波長時的 二維模型輪廓，其中基于表1的層結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學(xué)模擬得到圖3所示的波導(dǎo)設(shè) 備。從這個截面中很清楚地看到，較長波長的光場(左)仍然保持主要定域在 被動波導(dǎo)，但是較短波長的光場(右)己經(jīng)耦接到轉(zhuǎn)接波導(dǎo)。換句話說，截面 Y-Y示出了兩種運行波長之間的完全垂直的波長分裂，這通過脊部350的絕熱 錐度來實現(xiàn)。
一旦波長被垂直分裂，通過使用一個或者另一個機制使垂直或者橫向限定 在轉(zhuǎn)接波導(dǎo)中的第一波長的光轉(zhuǎn)向，而第二波長不受影響，它們也可以被橫向 分離。在圖3所示的示范性實施例中，通過使用插入轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的兩個筆直部分 350b和350d之間的波導(dǎo)彎頭350c來實現(xiàn)。
為了為第二波長提供橫向?qū)虻匀淮怪毕薅ㄔ诠膊▽?dǎo)的導(dǎo)向?qū)又校?成與公共波導(dǎo)同向的轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的另一部分。它從朝向第二指定波導(dǎo)擴展的橫向 錐度360a開始，該第二波導(dǎo)被設(shè)計用于將第二波長絕熱耦接到附加的轉(zhuǎn)接波 導(dǎo)360b，并確保朝向第二指定波導(dǎo)低損耗傳播。 一旦第二波導(dǎo)被耦接到附加 轉(zhuǎn)接波導(dǎo)360b的筆直部分，這兩個波長就在橫向上彼此完全分離。
上述處理的結(jié)果在圖4c中示出，圖4c給出了圖3所示波導(dǎo)設(shè)備的準(zhǔn)三維 視圖沿著Z-Z截面方向、光場在第一波長和第二波長時的二維模型輪廓，其中基于表1的層結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學(xué)模擬得到圖3所示的波導(dǎo)設(shè)備。很明顯，在這點
上，較長波長(左)的光場剛好耦接到轉(zhuǎn)接波導(dǎo)層形成的附加脊部，并且，同 時，與幾乎全部限定在這些層內(nèi)的較短波長(右)的光場橫向分離。因此，兩 種波長完全在空間上分離，但是它們中的每一個都垂直和橫向限定在通過它們 的指定波導(dǎo)/從指定波導(dǎo)來的轉(zhuǎn)接波導(dǎo)中。
波束傳播模擬基于多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性的精微計算，例如，如
Tolstikhin在"Optical properties of semiconductor heterostructure for active photonic device modeling,". Vac. Science & Technology A, Vol. A18, 605-609頁， 2000中所述，該波束傳播模擬表明兩種波長中每一種的插入損耗都可以被降 低到剛好低于ldB。例如，對于基于表1的層結(jié)構(gòu)建模的二波長VWM 300，
從公共波導(dǎo)轉(zhuǎn)接到其指定波導(dǎo)的較長波長所經(jīng)歷的端對端插入損耗可以被降 低到大約0.5dB。因此，可以以相當(dāng)?shù)偷牟迦霌p耗實現(xiàn)二波長VWM 300的空
間波長分離，這確實是本發(fā)明的另一個優(yōu)點。
對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，除了轉(zhuǎn)接波導(dǎo)彎頭，也可能采用 其它機制，在第一 (較短)波長被從公共波導(dǎo)到轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的絕熱轉(zhuǎn)接從第二 (較 長)波長分裂后，使第一波長橫向轉(zhuǎn)向。本技術(shù)領(lǐng)域的人員也會明白，雖然在 運行中二波長VWM300作為二波長分裂器進行描述，但是，其它實施例也是 可能的。例如，在每個部分360b和360d之后設(shè)置波導(dǎo)光電檢測器，形成二波 長VWM接收器，如在本發(fā)明的第一實施例中所述。反向運行該結(jié)構(gòu)，則會 形成二波長合并器，這樣兩個邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器被組合到二波長 VWM發(fā)射器，如本發(fā)明的第二實施例所述。此外，采用波導(dǎo)光電檢測器的一 種波長和采用邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器的另一種波長則形成二波長 VWM雙向收發(fā)器，如本發(fā)明的第三和第四實施例所述。
圖5示出了與本發(fā)明的橫向路由器方面有關(guān)的第二實施例，其中二波長 VWM 500的轉(zhuǎn)接波導(dǎo)510c的波導(dǎo)彎頭部分還帶有彎曲的深槽510d，該深槽 510d被蝕刻在波導(dǎo)彎頭的附近，因此，在使用中，它為在其中傳播的波導(dǎo)模 型提供了附加的橫向限定，因此減少了從轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的彎曲部分的泄露，從而改 善了第一波長的插入損耗。急劇彎曲的波導(dǎo)彎頭和彎曲的槽，與圖5所示類似，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)被證明是波導(dǎo)彎頭中發(fā)生的泄漏問題的有效解決方案，例
如，參見Seo等人("Low Transition Losses in Bent Rib Waveguides", J. Lightwave Technology, Vol.14, No.10, 2255-2259, 1996)。相同特性的更多改進可通過在波 導(dǎo)彎頭的內(nèi)側(cè)或/和外側(cè)增添連續(xù)/分段的槽來實現(xiàn)。
現(xiàn)在參照圖6，示出了本發(fā)明的橫向路由器的第三實施例，其中第一波長 的橫向轉(zhuǎn)向仍然通過彎曲轉(zhuǎn)接波導(dǎo)610c來實現(xiàn)，但是橫向箭頭(ARROW) 結(jié)構(gòu)610e至610g被用作附加特征，用于減少光學(xué)模型在轉(zhuǎn)接波導(dǎo)的彎頭部分 的泄漏，該橫向箭頭(ARROW)結(jié)構(gòu)610e至610g由靠近波導(dǎo)彎頭的半導(dǎo)體 蝕刻處理形成。橫向箭頭(ARROW)結(jié)構(gòu)610e至610g的設(shè)計和運行原理剛 好在現(xiàn)有技術(shù)中描述，參見例如Galarza等人("Simple low-loss waveguide bends using ARROW effect", Appl. Physics B, Vol.80 745-748頁，2005 )。彎曲的橫向 箭頭結(jié)構(gòu)附加在波導(dǎo)彎頭的外側(cè)，允許更高的彎曲曲率，而不會有額外的損耗， 因此，能夠?qū)崿F(xiàn)更小的跡線設(shè)計。
圖7示出了本發(fā)明的橫向路由器的第四實施例，其中二波長VWM的第 一波長的橫向轉(zhuǎn)向與蝕刻在轉(zhuǎn)接波導(dǎo)710b和710c之間的兩個筆直部分的帶角 槽710e中的TIR相關(guān)。使公共和第一指定波導(dǎo)之間的被導(dǎo)向光學(xué)信號轉(zhuǎn)向的 橫向波導(dǎo)路由器由TIR鏡710e和圖7所示的波導(dǎo)彎頭710d組成，或者是TIR 鏡和波導(dǎo)彎頭的另一個組合，其中這兩個元件以相對于傳播方向相反的順序定 位，或者是兩個TIR鏡的另一個組合， 一個TIR鏡710e如圖7所示，另一個 代替波導(dǎo)彎頭710d。
對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，兩種波長可能在上述的每一個二 波長VWM 300、 500、 600、 700的被動式波導(dǎo)光道中同向和雙向傳播，這能 夠分別實現(xiàn)波長分裂和結(jié)合功能。用這種方式，本發(fā)明的橫向路由器的每個實 施例300、 500、 600、 700可以被用于形成二波長接收器或發(fā)射器或收發(fā)器的 VWM。
此外，對本技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，二波長VWM形成多波 長電路的構(gòu)建模塊，其中多VWM元件可以被用于從/向公共傳輸信道中提取 和/或添加多波長或波長帶。雖然實施例是參照二波長接收器、發(fā)射器和雙向收發(fā)器進行了描述，但是本發(fā)明的VWM可以被用于要求這樣性能的任何其它 PIC，例如，波長選擇開關(guān)或可重新配置的光學(xué)分插復(fù)用器。還可以構(gòu)思，在 某些光子電路中，可以繼續(xù)設(shè)置多VWM元件，可選擇地在兩者之間插入半導(dǎo) 體放大器，用于補償插入損耗。
在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以構(gòu)思許多其它實施例。
權(quán)利要求
1、一種可在III-V半導(dǎo)體材料系統(tǒng)中實施的集成光子設(shè)備，其特征在于，包括半導(dǎo)體基板，所述基板用于支持外延半導(dǎo)體生長；生長于所述半導(dǎo)體基板上的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以一個生長步驟生長且包括公共指定波導(dǎo)，所述公共指定波導(dǎo)位于所述外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底部并用于支持光學(xué)信號在預(yù)定的第一波長范圍內(nèi)傳播；多個波長指定的波導(dǎo)中的至少一個，所述多個波長指定的波導(dǎo)位于所述公共指定波導(dǎo)上方，所述多個波長指定的波導(dǎo)按照波長帶隙增加的順序垂直設(shè)置，且每一個都支持預(yù)定的第二波長范圍，所述預(yù)定的第二波長范圍中的每一個都位于預(yù)定的第一波長范圍內(nèi)；所述多個波長指定的波導(dǎo)的其中一個的至少一部分包括垂直-橫向分裂器，所述垂直-橫向分裂器包括垂直元件，用于將所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的預(yù)定第二波長范圍內(nèi)的光學(xué)信號從公共指定波導(dǎo)耦接到所述多個波長指定的波導(dǎo)的其中一個，以及橫向元件，用于橫向路由所述垂直耦接的光學(xué)信號，其中所述公共指定波導(dǎo)與所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的垂直元件光學(xué)對準(zhǔn)并沿著公共的傳播方向形成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述垂直-橫向分 裂器形成所述預(yù)定第二波長范圍內(nèi)的光學(xué)信號的波長復(fù)用器、光學(xué)功率分裂 器、以及波長解復(fù)用器中的至少一個。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 公共指定波導(dǎo)的帶隙波長低于所述多個波長指定波導(dǎo)的任何預(yù)定第二波長范 圍至少第一預(yù)定波長偏移量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的帶隙波長高于所述多個波長指定波導(dǎo)之前的 波長指定波導(dǎo)的預(yù)定第二波長范圍，所述之前的波長指定的波導(dǎo)是所述多個波 長指定波導(dǎo)的其中一個，其垂直設(shè)置在所述選擇的波長指定波導(dǎo)的下方、靠近它并距離第二預(yù)定波長偏移量。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的帶隙波長低于所述多個波長指定波導(dǎo)之后的 波長指定波導(dǎo)的預(yù)定第二波長范圍，所述之后的波長指定的波導(dǎo)是所述多個波 長指定波導(dǎo)的其中一個，其垂直設(shè)置在所述選擇的波長指定波導(dǎo)的上方、靠近 它并距離第三預(yù)定波長偏移量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，對于 耦接到所述公共指定波導(dǎo)并在其中傳播的光學(xué)信號，所述光學(xué)信號具有預(yù)定第 一波長范圍的運行波長，并被絕熱傳輸?shù)剿龆鄠€波長指定波導(dǎo)的其中一個的 垂直-橫向分裂器的垂直元件，而不會與所述多個波長指定波導(dǎo)的任何其它波 長指定波導(dǎo)發(fā)生干涉，所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個被絕熱傳輸?shù)剿龉?學(xué)信號的運行波長選擇的波長指定波導(dǎo)；其中所述光學(xué)信號的運行波長因此位 于它被絕熱傳遞到的所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的預(yù)定第二波長范圍 內(nèi)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 多個波長指定波導(dǎo)的其中一個中生成的發(fā)射光學(xué)信號從垂直-橫向分裂器的垂 直元件被絕熱傳輸?shù)焦仓付ú▽?dǎo)，而不會與所述多個波長指定波導(dǎo)的任何其 它波長指定波導(dǎo)發(fā)生干涉，所述發(fā)射信號位于所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一 個的預(yù)定第二波長范圍以及所述預(yù)定第一波長范圍內(nèi)，并在所述第一垂直-橫 向分裂器的第二元件、所述第一垂直-橫向分裂器的第三元件、以及光學(xué)耦接 到所述第一垂直-橫向分裂器的第三元件的光學(xué)電路中的至少一個中生成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 多個波長指定波導(dǎo)的每一個都可被配置為光學(xué)發(fā)射器、可變衰減器、可傳輸波 導(dǎo)、可變光學(xué)放大器、以及光學(xué)檢測器中的至少一個。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述 多個波長指定波導(dǎo)中的至少一個波長指定波導(dǎo)可根據(jù)應(yīng)用于該波長指定波導(dǎo) 的偏置電平，被配置為光學(xué)發(fā)射器和光學(xué)檢測器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述多個波長指定波導(dǎo)中的每一個都被配置為光學(xué)發(fā)射器和光學(xué)檢測器中的至少一個o
11、 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述垂直-橫向分裂器的垂直元件至少包括錐形部。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述垂直-橫向分裂器的橫向元件包括以下中的至少一個直波導(dǎo)、轉(zhuǎn)向鏡、反 射鏡、錐形部以及彎曲的波導(dǎo)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1-12中任一項所述的集成光子設(shè)備，其特征在于，所述垂直-橫向分裂器的橫向元件包括以下中的至少一個沿著所述橫向元件的 一條邊的至少一部分以預(yù)定距離設(shè)置的槽、沿著所述橫向元件的一條邊的至少 一部分以預(yù)定距離設(shè)置的至少一系列槽、蝕刻在所述橫向元件的至少一部分上 的垂直刻面、以及沿著所述橫向元件的一條邊的至少一部分設(shè)置的防諧振反射 光學(xué)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
14、 一種提供光學(xué)組件的方法，其特征在于，包括提供生長于半導(dǎo)體基板上的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以一個 生長步驟生長；提供公共指定波導(dǎo)，所述公共指定波導(dǎo)位于所述外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的底部并 用于支持光學(xué)信號在預(yù)定的第一波長范圍內(nèi)傳播；提供多個波長指定的波導(dǎo)中的至少一個，所述多個波長指定的波導(dǎo)的每一 個都位于所述公共指定波導(dǎo)上方，所述多個波長指定的波導(dǎo)按照波長帶隙增加 的順序垂直設(shè)置，且每一個都支持預(yù)定的第二波長范圍，所述預(yù)定的第二波長 范圍中的每一個都位于預(yù)定的第一波長范圍內(nèi)；在所述多個波長指定的其中一個的至少一部分內(nèi)提供垂直-橫向分裂器， 所述垂直-橫向分裂器包括垂直元件，用于將所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一 個的預(yù)定第二波長范圍內(nèi)的光學(xué)信號從公共指定波導(dǎo)耦接到所述多個波長指 定的波導(dǎo)的其中一個，以及橫向元件，用于橫向路由所述垂直耦接的光學(xué)信號， 其中所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的垂直元件與所述公共指定波導(dǎo)光學(xué) 對準(zhǔn)并沿著公共的傳播方向形成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，提供所述垂直-橫向分裂 器包括提供所述預(yù)定第二波長范圍內(nèi)的光學(xué)信號的波長復(fù)用器、光學(xué)功率分裂 器、以及波長解復(fù)用器中的至少一個。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14-15中任一項所述的方法，其特征在于，所述公共指 定波導(dǎo)的帶隙波長低于所述多個波長指定波導(dǎo)的任何預(yù)定第二波長范圍至少 第一預(yù)定波長偏移量。
17、 根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項所述的方法，其特征在于，所述多個波 長指定波導(dǎo)的其中一個的帶隙波長高于所述多個波長指定波導(dǎo)之前的波長指 定波導(dǎo)的預(yù)定第二波長范圍，所述之前的波長指定的波導(dǎo)是所述多個波長指定 波導(dǎo)的其中一個，其垂直設(shè)置在所述選擇的波長指定波導(dǎo)的下方、靠近它并距 離第二預(yù)定波長偏移量。
18、 根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項所述的方法，其特征在于，所述多個波 長指定波導(dǎo)的其中一個的帶隙波長低于所述多個波長指定波導(dǎo)之后的波長指 定波導(dǎo)的預(yù)定第二波長范圍，所述之后的波長指定的波導(dǎo)是所述多個波長指定 波導(dǎo)的其中一個，垂直設(shè)置在所述選擇的波長指定波導(dǎo)的上方、靠近它并距離 第三預(yù)定波長偏移量。
19、 根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項所述的方法，其特征在于，還包括將光 學(xué)信號耦接到所述公共指定波導(dǎo)并在其中傳播，所述光學(xué)信號具有預(yù)定第一波 長范圍的運行波長，并被絕熱傳輸?shù)剿龆鄠€波長指定波導(dǎo)的其中一個的垂直 -橫向分裂器的垂直元件，而不會與所述多個波長指定波導(dǎo)的任何其它波長指 定波導(dǎo)發(fā)生干涉，所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個被絕熱傳輸?shù)剿龉鈱W(xué)信 號的運行波長選擇的波長指定波導(dǎo)；其中所述光學(xué)信號的運行波長因此位于它 被絕熱傳遞到的所述多個波長指定波導(dǎo)的其中一個的預(yù)定第二波長范圍內(nèi)。
20、 根據(jù)權(quán)利要求14-19中任一項所述的方法，其特征在于，在所述多個 波長指定波導(dǎo)的其中一個中生成發(fā)射光學(xué)信號，所述發(fā)射光學(xué)信號從垂直-橫 向分裂器的垂直元件被絕熱傳輸?shù)焦仓付ú▽?dǎo)，而不會與所述多個波長指定 波導(dǎo)的任何其它波長指定波導(dǎo)發(fā)生干涉，所述發(fā)射信號位于所述多個波長指定 波導(dǎo)的其中一個的預(yù)定第二波長范圍以及所述預(yù)定第一波長范圍內(nèi)，并在所述第一垂直-橫向分裂器的第二元件、所述第一垂直-橫向分裂器的第三元件、以 及光學(xué)耦接到所述第一垂直-橫向分裂器的第三元件的光學(xué)電路中的至少一個 中生成。
21、 根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項所述的方法，其特征在于，提供所述多 個波長指定波導(dǎo)的每一個包括提供波長指定波導(dǎo)，包括光學(xué)發(fā)射器、可變衰減 器、可傳輸波導(dǎo)、可變光學(xué)放大器、以及光學(xué)檢測器的其中至少一個。
22、 根據(jù)權(quán)利要求14-21中任一項所述的方法，其特征在于，提供所述多 個波長指定波導(dǎo)中的至少一個波長指定波導(dǎo)包括根據(jù)應(yīng)用于該波長指定波導(dǎo) 的偏置電平，提供被配置為光學(xué)發(fā)射器和光學(xué)檢測器的波長指定波導(dǎo)。
23、 根據(jù)權(quán)利要求14-22中任一項所述的方法，其特征在于，提供所述垂 直-橫向分裂器包括提供至少一個垂直單元和橫向單元，所述垂直單元包括至 少第一錐形部，所述橫向單元包括直波導(dǎo)、轉(zhuǎn)向鏡、反射鏡、第二錐形部以 及彎曲的波導(dǎo)中的至少一個。
24、 根據(jù)權(quán)利要求14-23中任一項所述的方法，其特征在于，所述垂直-橫向分裂器的橫向元件包括以下中的至少一個沿著所述橫向元件的一條邊的 至少一部分以預(yù)定距離設(shè)置的槽、沿著所述橫向元件的一條邊的至少一部分以 預(yù)定距離設(shè)置的至少一系列槽、蝕刻在所述橫向元件的至少一部分上的垂直刻 面、以及沿著所述橫向元件的一條邊的至少一部分設(shè)置的防諧振反射光學(xué)波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種集成光子設(shè)備，在由IH-V半導(dǎo)體構(gòu)成的多導(dǎo)向垂直集成結(jié)構(gòu)上實施，并以一個外延生長步驟生長，所述集成光子設(shè)備允許將在公共被動式波導(dǎo)內(nèi)同向或雙向傳播的光學(xué)信號垂直和橫向分裂成多個垂直集成的被動式或者主動式波長指定(wavelength designated)的波導(dǎo)，因此，使得在不同波長運行的波長指定波導(dǎo)被同一集成到相同的結(jié)構(gòu)上，并連接到公用的被動式波導(dǎo)。在本發(fā)明的示范性實施例中，兩個主動式波長指定波導(dǎo)中的每一個是激光器或者光電檢測器，這兩個主動式波長指定波導(dǎo)垂直集成在公共被動式波導(dǎo)上，其中該公共被動式波導(dǎo)連接到運行波長共用的輸入/輸出端口，從而形成單光纖、雙波長接收器(兩個波長指定的波導(dǎo)都是波導(dǎo)光電檢測器)或者發(fā)射器(兩個波長指定的波導(dǎo)都是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器)或者收發(fā)器(一個波長指定的波導(dǎo)是波導(dǎo)光電檢測器，另一個是邊緣發(fā)射半導(dǎo)體注入式激光器)。比現(xiàn)有技術(shù)有利的事，所提出的分裂和橫向路由器允許減小跡線尺寸，同時大大改善設(shè)計柔性和/或器件性能。
文檔編號H04J14/02GK101595410SQ200780043128
公開日2009年12月2日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者基里爾·皮梅諾韋, 尤里·洛格文, 瓦萊里·托斯蒂凱恩 申請人:奧尼奇普菲托尼克斯有限公司