專利名稱：集成光收發(fā)機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光收發(fā)機，尤其涉及采用用在光通信系統(tǒng)的內(nèi)腔多路分用諧振器的收發(fā)機。
多波長光通信網(wǎng)絡(luò)能夠顯著地增加傳輸容量，增強系統(tǒng)靈活性和便于更靈活和新的系統(tǒng)管理方案。實現(xiàn)這種成本經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的主要問題是穩(wěn)定的多波長收發(fā)機和具有精確信道波長分辨力和低溫靈敏度的檢測器裝置的實現(xiàn)。后者保存波長注冊并且使得允許在不同溫度的系統(tǒng)各部分的不同器件的通信。用在現(xiàn)有技術(shù)中的波長選擇分布式反饋(DFB)器件具有要求精確的溫度控制、加工時缺乏波長精確性和在將信道耦合到單一輸出時的高耦合損耗的缺點。
已經(jīng)提出在激光器或檢測器內(nèi)集成有源或無源波長選擇器件以形成能夠同時傳輸或檢測若干波長的集成多波長發(fā)送機或接收機裝置。還已知道，這種波長選擇器件能被形成在激光腔內(nèi)使得在若干波長信道上進(jìn)行激光振蕩。用在這種方案中的波長選擇器件通常是光柵基結(jié)構(gòu)，其一般與透鏡或反射鏡集成以形成要求的光束控制。
本發(fā)明目的是通過提供集成多波長收發(fā)器來改進(jìn)這種裝置。
根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供了一種集成光收發(fā)機，其包括形成在第一和第二反饋單元之間的激光器腔，在激光器腔內(nèi)用于確定激光器腔激射波長的波長選擇裝置和光接收裝置，至少一個反饋單元在激射波長上是部分地透射的以使得允許收發(fā)機發(fā)射該激射波長的光輻射，以及該波長選擇裝置被設(shè)置得用于接收通過一個反饋單元的光和傳送不同于激射波長的所選擇波長的光到所述光接收裝置。
這種收發(fā)機能夠檢測在一個或一組波長上的輸入數(shù)據(jù)并且同時發(fā)送在不同的一個或一組波長上的數(shù)據(jù)。
波長選擇裝置通過成為激光器腔的一部分而確定所產(chǎn)生的激射波長和傳輸?shù)焦饨邮昭b置的所選擇波長，并且因此確定由收發(fā)機傳輸?shù)牟ㄩL和由收發(fā)機接收的波長。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供有一對匹配的這種收發(fā)機。
通過下面的說明和說明書的附屬權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征將更清楚。
下面通過例子參考附圖來說明本發(fā)明，其中

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明集成光收發(fā)機第一實施例的示意圖；和圖2是表示根據(jù)本發(fā)明集成光收發(fā)機第二實施例的示意圖。
下面說明單個波長傳輸和檢測收發(fā)機，但是所說明的方案能夠擴展到任何數(shù)目的波長信道。
圖1示出諸如絕緣體基外延硅芯片的光學(xué)芯片1，其上形成了收發(fā)機。諸如為硅的脊形波導(dǎo)的集成波導(dǎo)2從諸如為在波導(dǎo)2一端的小平面上形成的拋光且部分抗反射(AR)的涂層的第一反饋單元3延伸到諸如為通過一系列在硅芯片表面刻蝕的窄淺凹槽4A形成的傳輸光柵的波長選擇裝置4。另一波導(dǎo)5形成在芯片1的一個位置，用以以選擇的角度從傳輸光柵4接收光并且經(jīng)過諸如為半導(dǎo)體激光放大器芯片的光放大器6引導(dǎo)到諸如為激光放大器6的高反射(HR)涂層小平面的第二反饋單元7。在所示的例子中，傳輸光柵包括啁啾(chirped)的周期孔徑的線性陣列，因此它還能聚焦穿過它的光。
沿著波導(dǎo)2向傳輸光柵4傳輸?shù)墓怆S著其離開波導(dǎo)2發(fā)散到硅層，如虛線8所示。光以干涉圖形的形式離開傳輸光柵4并且相對于柵軸(即垂直于柵且與波導(dǎo)2共線的軸)在不同的角位置包括有一系列的峰，每個峰都包含特定波長或波帶的光，該干涉圖形是由以公知方式形成光柵的啁啾周期孔徑的線性陣列產(chǎn)生的。
定位波導(dǎo)5以便接收所選波長λ1的光，該波長λ1是收發(fā)機傳輸?shù)牟ㄩL。該波長的光是在AR涂層3和HR涂層7之間形成的激光腔中以公知方式放大的，并且由于AR涂層僅僅是部分反射的，一部分這種光穿過AR涂層3從收發(fā)機中透過作為在波長λ1的收發(fā)機的輸出。
另一波導(dǎo)9以選擇的角度也提供在芯片上，以便接收來自傳輸光柵4的第二波長λ2的光和將該光傳輸?shù)街T如光電二極管的檢測器10上。
為了接收各自的波長λ1和λ2在波導(dǎo)5和9之間要求的間隔一般在10-20微米量級，其依賴于結(jié)構(gòu)的尺寸和幾何形狀。
因此，傳輸光柵用作將穿過部分抗反射涂層3的由收發(fā)機接收的第二波長λ2的光引至光電二極管。
因此波長選擇結(jié)構(gòu)4被集成為在半導(dǎo)體激光放大器芯片6的部分抗反射(AR)涂層小平面3和高反射(HR)涂層小平面7之間形成的激光器腔的一部分。傳輸光柵4用于設(shè)置在相同芯片內(nèi)部的接收的和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的相對波長。傳輸光柵4通過作為激光器腔的一部分而設(shè)置激光器的傳輸波長并作為波長選擇濾光片。此時，傳輸光柵4還作為確保檢測器10由正確范圍的波長照射的帶通濾光片。
因此，傳輸光柵4的波長選擇性使得能夠形成封閉的腔以在一個波長λ1形成激光振蕩和在檢測器對另一波長λ2的自由檢測。檢測器10物理上是激光諧振器的一部分但它在波長域內(nèi)和其分開。端接波導(dǎo)9的光電二極管10作為高效率的吸收器并且防止在那個波長上形成振蕩。
圖1示意地表示這種收發(fā)機的一個實施例。在波長λ2上的數(shù)據(jù)被耦合到該器件并由柵結(jié)構(gòu)4多路分用以照射到檢測器10。正如上述，圖1所示的例子結(jié)合啁啾聚焦光柵4來完成多路分用和聚焦。
圖2表示另一實施例，其使用在硅芯片中刻蝕的準(zhǔn)直和聚焦鏡11與反射光柵12的組合。鏡11和反射光柵12能夠通過在硅芯片表面中的深刻蝕形成。
通過提供在光放大器6中在λ1的波長選擇反饋，激光的激射波長是由光柵多路分用器12確定的。
通過該裝置接收的所檢測波長λ2由鏡面11和光柵4導(dǎo)引到檢測器10。因此在激光腔中包括有光柵4，其在每個往返循環(huán)期間多路復(fù)用和多路分用來自輸入數(shù)據(jù)的輻射激光波長。這隔離了檢測器9并且在激光高反射涂層小平面7通過光柵多路分用器12到芯片的部分抗反射涂層小平面3之間形成激光腔。
如果波長λ1和λ2顯著地不同，抗反射涂層3能夠設(shè)計成對所檢測波長λ2有較低值(即小于反射)以改善耦合效果和對傳輸波長λ1具有較高值(即高于反射)以降低激光閾值。
上述收發(fā)機具有若干顯著優(yōu)點無源光柵多路分用器的采用去掉了位于系統(tǒng)不同部分的收發(fā)機的傳輸和檢測波長之間的任何波長注冊問題。這是由于下述事實所檢測和傳輸?shù)牟ㄩL是通過相同的無源多路分用器裝置設(shè)置的。例如，在上述例子中，λ1的發(fā)射激光是通過多路分用器幾何結(jié)構(gòu)確定的，例如通過能使光柵形成為亞微米精度的光刻蝕工藝，該幾何結(jié)構(gòu)能夠被非常精確地限定和加工到很高的公差。因此該波長自動地與另一收發(fā)機所檢測波長匹配，如果它也將使用相同的多路分用器但具有交換的激光器和檢測器波長。由于在兩種情況下無源多路分用器是效果上相同的，因此波長將是等同的并且因此能自動地自對準(zhǔn)。
光柵單元的采用增強了在由光柵定義的特定波長上的激光振蕩。這個波長能被非常精確地設(shè)定(優(yōu)于0.05nm)，并且在一個方面，其可以被設(shè)計成足夠地窄以允許啁啾和色散補償?shù)慕档停窃诹硪环矫?，其可以被設(shè)計成足夠地寬以使得能夠有穩(wěn)定的和線性的光電流響應(yīng)(通過平均化輸出模跳躍效果)。
另外，通過逐漸變粗將激光耦合到光柵的波導(dǎo)5，即通過隨著其接近光柵4或12而逐漸變粗波導(dǎo)5的高度和/或?qū)挾?，耦合到激光器的光的譜線寬度能夠被減小。
收發(fā)機還降低了溫度的靈敏度。溫度的依賴性產(chǎn)生于二個因素1)熱膨脹改變了光柵節(jié)距。硅的熱膨脹系數(shù)是4.6×10-6K-1，對于典型器件設(shè)計，這在-40到85℃的溫度范圍上導(dǎo)致0.7nm的發(fā)射激光波長的變化。
2)折射率隨溫度的變化這改變光柵的工作波長。Si折射率隨溫度的變化是1.86×10-4k-1。對于典型器件設(shè)計，在-40到85℃的溫度范圍上，這將導(dǎo)致近似為9nm的波長變化。
因此所得波長隨折射率變化比因熱膨脹引起的對應(yīng)變化大一個數(shù)量級。但是，即使在因折射率變化導(dǎo)致的所述125℃溫度范圍之上的9nm偏移，也是顯著地小于使用諸如Fabry-Perot激光之現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)獲得的偏移。
還應(yīng)當(dāng)注意，避免了由于在器件性能上有源(激光器)單元導(dǎo)致的隨溫度的波長變化，這是因為該波長是被無源光柵器件設(shè)置的。
結(jié)果，與發(fā)射激光線寬的減小結(jié)合的波長隨溫度偏移的減小，顯著地減小了信道波長的要求容許偏差。例如，對于以1310nm和1550nm二波長工作的收發(fā)器裝置，如果在沒有任何溫度穩(wěn)定的情況下采用現(xiàn)有技術(shù)Fabry-Perot激光器，則要求有近似100nm的信道寬度。如果采用具有這里說明的這種激光器的收發(fā)機，則這能夠減小到10nm。
使檢測器波導(dǎo)9逐漸變粗，即通過逐漸變粗高度和/或增加寬度以便隨其接近光柵4，12而增加波導(dǎo)模的寬度，也能用來在信道損耗小于1dB補償?shù)那闆r下，容許在9nm范圍內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)的波長變化。例如，波導(dǎo)9能從其標(biāo)準(zhǔn)4微米寬度變粗到20微米，其導(dǎo)致展寬檢測器響應(yīng)，結(jié)果能夠適應(yīng)因溫度導(dǎo)致的發(fā)射激光波長的任何變化。
對于大的信道分離，例如上述1310nm到1550nm，在光柵的自由光譜范圍(FSR)內(nèi)取得要求的信道分離是困難的。為克服這一點，光柵被設(shè)計成在FSR之外工作，但是在這種方式下，避免或最小化了帶有出現(xiàn)任何其它模式的串?dāng)_。為確保這一點，設(shè)計器件使得對應(yīng)潛在干擾模式的波長不出現(xiàn)在波導(dǎo)9的輸入端上。
通過在芯片上提供另外的波導(dǎo)以將其它波長接收到類似于上述的激光腔和將其它波長接收到類似于上述的另外檢測器，還能夠?qū)⑸鲜龅氖瞻l(fā)機設(shè)計成在多于一個波段上進(jìn)行發(fā)射和/或接收。借助近似4微米寬的波導(dǎo)，大約10微米的間隔，例如有可能在光柵的焦平面上形成最多達(dá)32個波導(dǎo)，結(jié)果使得收發(fā)機能夠在16個波長進(jìn)行發(fā)射和在16個波長進(jìn)行接收。
上述結(jié)構(gòu)的收發(fā)機還方便了用于監(jiān)視從激光器發(fā)射的光的二種可能的方法。第一個是取樣使用光柵的激光器腔內(nèi)部的光。該光柵可被設(shè)計成帶有較低或較高階衍射模的小的但確定比例的激光功率。這能被耦合到其它分接波導(dǎo)13和耦合到其它光電二極管14(見圖2)。通過正確設(shè)計，這個較高階模的空間分離應(yīng)當(dāng)與發(fā)射和檢測波長λ1和λ2的空間分離充分地不同以允許在焦平面上較好地配置波導(dǎo)。
第二種方法是以監(jiān)視從激光器放大器6的后小平面7發(fā)射的功率為基礎(chǔ)。這能夠從有角度的鏡面反射并耦合到合適的檢測器。在這種情況下，激光器放大器6將遠(yuǎn)離芯片邊緣安裝以便在芯片上留有形成鏡面和檢測器的空間。
可以理解，為了使收發(fā)機的接收機靈敏度最大，檢測波長λ2最好應(yīng)當(dāng)與光柵4，12產(chǎn)生的衍射剖面峰值一致。
還可以理解，在AR涂層3的設(shè)計中，在通過增加對波長λ1的反射率而減小激光器腔損耗(減小激光器閾值電流)的期望和通過減小對波長λ2的反射率(減小用于輸入數(shù)據(jù)的耦合損耗)而增加接收機靈敏度的期望之間要有一個折衷。
與0％反射率的涂層相比，大約20％(對兩種波長)反射率的AR涂層例如將導(dǎo)致對接收功率將增加約1dB的耦合損耗(即降低1dB靈敏度)。與使用80％反射率的HR涂層相比，激光器閾值電流的對應(yīng)增加將在30％左右。
正如上述，這里所述的收發(fā)機最好形成在絕緣體基外延硅(SOI)芯片上。SOI芯片使收發(fā)機各種元件的集成很容易并且具有相對低的加工成本。WO95/08787給出了SOI芯片的其它細(xì)節(jié)和其上形成的脊形波導(dǎo)。
GB2307786A和待審申請GB97025597(公開號GB2315595A)說明了在SOI芯片上安裝諸如光電二極管檢測器等元件的方法。待審申請97025795(公開號GB2317023A)中說明了錐形脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
用電子束或光刻技術(shù)在光學(xué)芯片表面上加工傳輸和反射光柵是公知的，因此不詳細(xì)說明。一般傳輸光柵4形成為淺凹槽，深度(例如0.2微米)和寬度為零點幾個微米，長度為幾個微米。周期是啁啾的并且一般為零點幾微米到幾個微米。
反射光柵12一般由深刻蝕部件形成，具有5-20微米寬的反射表面，空間隔開大約5-20微米，光柵一般具有大約500微米的長度。
鏡面11也是由深刻蝕形成的，一直伸過光引導(dǎo)層，并且為從幾百微米到幾個毫米寬。鏡面最好是圖3所示的凹面，以便準(zhǔn)直和聚焦光，并且其上還可以具有反射涂層，例如其上涂有鋁涂層。正如上述，使用公知光刻蝕工藝，光柵和鏡面可加工成很高的精度，例如在大約0.2微米精度內(nèi)。這種精度是可以重復(fù)的，因此使收發(fā)機能被制造成具有精確匹配的傳輸和接收波長。
權(quán)利要求
1一種集成光收發(fā)機，其包括形成在第一和第二反饋單元之間的激光器腔，在激光器腔內(nèi)用于確定激光器腔激射波長的波長選擇裝置和光接收裝置，至少一個反饋單元在激射波長上是部分透射的以使得允許收發(fā)機發(fā)射該激射波長的光輻射，以及該波長選擇裝置被設(shè)置得用于接收通過一個反饋單元的光和傳送不同于激射波長的所選擇波長的光到該光接收裝置。
2權(quán)利要求1的收發(fā)機，其中所述波長選擇裝置包括衍射光柵。
3權(quán)利要求2的收發(fā)機，包括第一光波導(dǎo)，配置成以對應(yīng)于所述激射波長從光柵接收之角度的第一角度將光發(fā)送到光柵上和從光柵上接收光，和第二光波導(dǎo)，配置成從光柵上以對應(yīng)于所述選擇波長從光柵接收之角度的第二角度接收光。
4權(quán)利要求3的收發(fā)機，其中第二光波導(dǎo)具有用于從衍射光柵以一個角度范圍接收光的相對寬的接收端，和用于將該光傳輸?shù)焦饨邮昭b置的較窄傳輸部分。
5權(quán)利要求2，3或4的收發(fā)機，形成在光學(xué)芯片上，其中衍射光柵包括通過一系列在芯片表面中的凹槽形成的傳輸光柵或反射光柵。
6前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中所述波長選擇裝置被設(shè)置得以10nm或更小的精度確定激射波長和選擇波長，與溫度變化無關(guān)。
7前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中所述反饋單元之一個包括抗反射涂層。
8權(quán)利要求7的收發(fā)機，其中抗反射涂層對所述選擇波長比對激射波長有更大的透過性。
9前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中所述反饋單元的另一個包括高反射的涂層，優(yōu)選配置成反射至少80％的激射波長的光。
10前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中所述波長選擇裝置和激光器腔配置成使得收發(fā)機能夠發(fā)送多個激射波長的光。
11前述權(quán)利要求任何一個的收發(fā)機，其中所述波長選擇裝置和光接收裝置配置成使得收發(fā)機能夠檢測多個選擇波長的光。
12權(quán)利要求3和10或11的收發(fā)機，其中提供多個光波導(dǎo)，每個都配置成從波長選擇裝置中接收對應(yīng)的激射波長或選擇的波長。
13權(quán)利要求12的收發(fā)機，其中所述多個光波導(dǎo)的接收端相互隔開20微米或更小，優(yōu)選10微米或更小。
14前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，配置成使得每個激射波長和每個選擇波長不相互干擾。
15前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，包括輸出監(jiān)視裝置，配置成監(jiān)視透過另一個反饋單元的光以監(jiān)視所發(fā)射輻射的功率。
16權(quán)利要求3的收發(fā)機，其中衍射光柵配置成以比通過所述第一光波導(dǎo)接收的光的衍射模式較高或較低階衍射模式衍射在所述激射波長上的光，并且包括輸出監(jiān)視裝置，用于接收所述較高或較低階衍射模式的所述激射波長以監(jiān)視發(fā)射輻射的功率輸出。
17前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中，光接收裝置包括光檢測二極管。
18前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其集成在絕緣體基外延硅芯片上。
19前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其具有10nm或更小的信道寬度。
20一種基本上同前述的涉及所附附圖的集成光收發(fā)機。
21一對前述任何一個權(quán)利要求的收發(fā)機，其中一個收發(fā)機的激射波長對應(yīng)于另一個收發(fā)機的選擇波長。
22一對權(quán)利要求22的收發(fā)機，其中各個收發(fā)機的波長選擇裝置每個都包括具有類似精確度的衍射光柵，由此每個收發(fā)機的各個激射波長和選擇波長是通過本質(zhì)上等同的裝置確定的，因此自動地相互匹配。
全文摘要
一種集成光收發(fā)機包括:形成在第一和第二反饋單元(3,7)之間的激光器腔,例如為衍射光柵(4)的在激光器腔內(nèi)用于確定其激射波長的波長選擇裝置和光接收器(10)。反饋單元(3)之一在激射波長上是部分透明的,使得收發(fā)機能夠在激射波長上發(fā)射光輻射,所述波長選擇裝置(4)被設(shè)置得用于接收通過反饋單元(3)的光和將與激射波長不同的選擇波長的光傳輸?shù)焦饨邮昭b置(10)。
文檔編號H04B10/40GK1286819SQ98813770
公開日2001年3月7日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者M·阿斯格哈里 申請人:布克哈姆技術(shù)公共有限公司