可調(diào)諧光濾波器及包含該濾波器的芯片集成器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種可調(diào)諧光濾波器，包括2×2四端口光波導(dǎo)耦合器，光波導(dǎo)耦合器右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)臂上各設(shè)有相同的波導(dǎo)反射光柵；當(dāng)光從左側(cè)的入射波導(dǎo)端口輸入，將被平均分光到右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)上進(jìn)行傳輸；傳輸中的波長(zhǎng)和波導(dǎo)反射光柵波長(zhǎng)相同的光會(huì)被光柵反射回來(lái)，反向經(jīng)過(guò)2×2光波導(dǎo)耦合器，從耦合器左側(cè)的出射波導(dǎo)端口輸出；通過(guò)同步改變波導(dǎo)反射光柵處波導(dǎo)的光折射率，使波導(dǎo)光柵反射峰波長(zhǎng)同步隨之改變，從而在耦合器左側(cè)的波導(dǎo)出射端口的輸出波長(zhǎng)被調(diào)諧；另外，還公開了包含該可調(diào)諧光濾波器的單芯片集成器件。由于器件的實(shí)現(xiàn)和集成都是在芯片上進(jìn)行，可采用成熟的半導(dǎo)體微電子工藝，保證了器件的低成本、小尺寸、高重復(fù)性和大規(guī)模量產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】可調(diào)諧光濾波器及包含該濾波器的芯片集成器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)濾波器，尤其是涉及一種可調(diào)諧光濾波器；另外，本發(fā)明還涉及包含該可調(diào)諧光濾波器的單芯片集成器件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和Internet的普及，以IP為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長(zhǎng)，用戶對(duì)帶寬的需求越來(lái)越高，電信業(yè)務(wù)正逐漸從以傳統(tǒng)的電話為主的窄帶業(yè)務(wù)向集語(yǔ)音、高速數(shù)據(jù)和可變視頻為一體的多媒體寬帶業(yè)務(wù)方向發(fā)展。波分復(fù)用(WDM)、密集波分復(fù)用(DffDM)等技術(shù)的應(yīng)用，將核心網(wǎng)的帶寬提高到Tbps的數(shù)量級(jí)，全球主干網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)光纖化、數(shù)字化、寬帶化。與之相反，與用戶聯(lián)系最密切的接入網(wǎng)卻由于技術(shù)、設(shè)備、成本等因素，發(fā)展緩慢，接入速率依舊停留在Mbps。目前的趨勢(shì)表明，個(gè)人用戶期望在2015年達(dá)到IGb/s的接入速度，到2020年則要達(dá)到lOGb/s。最近歐洲已經(jīng)計(jì)劃將住宅用戶的接入速度提到lGb/s，企業(yè)用戶達(dá)到10Gb/s;每根支線光纖擁有128-500Gbit/s的總?cè)萘颗c256-1024個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元(0NU);接入距離達(dá)到20-40公里。因此，傳統(tǒng)的銅線接入已經(jīng)不能滿足人們對(duì)信息的多樣化需求，“最后一公里”的接入部分已成為制約電信發(fā)展的瓶頸問題。
[0003]從鋪設(shè)成本、新業(yè)務(wù)提供、系統(tǒng)未來(lái)擴(kuò)容和維護(hù)等綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，目前看來(lái)，最合適的商用化解決方案只能是無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)光纖接入技術(shù)。而其中基于波分復(fù)用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)則是最具吸引力與發(fā)展?jié)摿ο乱淮鶳ON技術(shù)方案。WDM-PON給用戶和數(shù)據(jù)中心之間提供了一個(gè)虛擬的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，一方面保持了傳統(tǒng)以太網(wǎng)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)闹T多優(yōu)勢(shì)，另一方面又避免了以太網(wǎng)解決方案所需的基礎(chǔ)設(shè)施成本高的問題。同時(shí)，因?yàn)閃DM-PON可以用波分復(fù)用(WDM)單元代替無(wú)源分束器，可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的接入距離和更大的分束比，因此WDM-PON的解決方案能夠提供比時(shí)分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(TDM-PON)更高的鏈路預(yù)算。WDM-PON與TDM-PON的結(jié)合TWDM_P0N(時(shí)分復(fù)用波分復(fù)用的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò))將會(huì)是下一代光接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，這將極大地提高接入網(wǎng)的帶寬、速率、穩(wěn)定性以及靈活性并且降低系統(tǒng)的成本。
[0004]TWDM-PON解決方案目前面臨的最大問題是光源問題，對(duì)于多波長(zhǎng)的需求使得現(xiàn)有PON中的固定波長(zhǎng)激光器已經(jīng)不能滿足其要求。如果每個(gè)波長(zhǎng)信道配置一個(gè)固定波長(zhǎng)激光器，這將大大提高光通信網(wǎng)絡(luò)的成本，并限制光網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)的靈活性。相比于寬帶光源(BLS)，反射型半導(dǎo)體光學(xué)放大器(RSOA)，注入瑣模的FP激光器等方案相比，可調(diào)諧激光器因?yàn)槟軌驖M足多個(gè)波長(zhǎng)信道的要求，擁有非常好的信號(hào)質(zhì)量和傳輸距離等，成為TWDM-PON光源最有前途的選擇。用戶端(ONU)除了可調(diào)發(fā)射機(jī)外，接收器也要求是波長(zhǎng)可調(diào)的以及它應(yīng)調(diào)諧到任何下游。
[0005]低成本的可調(diào)發(fā)射和接收機(jī)器件是TWDM-PON推廣的關(guān)鍵?？烧{(diào)諧激光器有DFB和DBR等方案。有幾種可選擇的可調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)，如硅環(huán)諧振器，基于自由空間光學(xué)的FP濾波器等。前者由于光學(xué)耦合控制的要求面臨制造工藝難和成本的挑戰(zhàn)，而后兩者基于自由空間光學(xué)設(shè)計(jì)，使得它們和芯片形式的可調(diào)諧激光發(fā)射器的集成非常困難，只能以自由空間光學(xué)的混合集成實(shí)現(xiàn)，面臨光學(xué)校準(zhǔn)、組裝工藝復(fù)雜、需要機(jī)械移動(dòng)，產(chǎn)品體積龐大及可調(diào)諧困難等問題；并且，由于工藝復(fù)雜，存在產(chǎn)能和制造成本高等限制。
[0006]由于小尺寸封裝和量產(chǎn)的要求，芯片級(jí)集成的可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧光濾波器的小尺寸封裝是市場(chǎng)的迫切需求。
[0007]還有，現(xiàn)有光通道功率監(jiān)測(cè)器件通常采用自由空間光學(xué)方案，或者使用體光柵將多波長(zhǎng)信號(hào)光進(jìn)行色散分光，并采用光探測(cè)器陣列對(duì)色散分開的光進(jìn)行探測(cè)，或者利用機(jī)械移動(dòng)的光學(xué)薄膜濾波器和光探測(cè)器。這樣的光通道功率監(jiān)測(cè)器的體積很大，另外，由于是采用分立自由空間光學(xué)元件的組成和集成，同樣面臨組裝工藝復(fù)雜和尺寸大的挑戰(zhàn)。并且，由于工藝復(fù)雜，同樣會(huì)有產(chǎn)能和制造成本高等限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)諧容易，且體積小成本低的可調(diào)諧光濾波器。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種體積小，可滿足小尺寸封裝的可調(diào)諧激光發(fā)生器和可調(diào)諧光接收器芯片級(jí)的混合或單片集成器件。
[0010]本發(fā)明的又一目的在于提供一種積小成本低的可調(diào)諧光通道功率監(jiān)測(cè)單芯片集成器件。
[0011]本發(fā)明的第一目的可通過(guò)以下的技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn):一種可調(diào)諧光濾波器，包括一個(gè)2x2 (四端口)光波導(dǎo)耦合器(即耦合器左右兩側(cè)各有2個(gè)對(duì)稱相同端口)，光波導(dǎo)耦合器的每個(gè)端口各接有波導(dǎo)臂；右邊的兩個(gè)相同波導(dǎo)臂上各設(shè)有一個(gè)完全相同的波導(dǎo)反射光柵；當(dāng)光(如波長(zhǎng)不同的Al, A 2,, Xn)從左邊的一個(gè)入射波導(dǎo)端口輸入,經(jīng)過(guò)光波導(dǎo)率禹合器后，將被平均分光到右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)上進(jìn)行傳輸；傳輸中波長(zhǎng)和波導(dǎo)反射光柵波長(zhǎng)相同的光子會(huì)被光柵反射回來(lái)，反向經(jīng)過(guò)2x2光波導(dǎo)耦合器，從耦合器左側(cè)的出射波導(dǎo)端口輸出；通過(guò)同步改變波導(dǎo)反射光柵處波導(dǎo)的光學(xué)折射率，使波導(dǎo)光柵反射峰波長(zhǎng)隨之同步改變，從而在耦合器左側(cè)的波導(dǎo)出射端口的輸出波長(zhǎng)被調(diào)諧。
[0012]在其中一個(gè)波導(dǎo)反射光柵與光波導(dǎo)耦合器之間存在一個(gè)光學(xué)位相調(diào)節(jié)器，光學(xué)位相調(diào)節(jié)器用來(lái)調(diào)節(jié)控制從右側(cè)兩個(gè)波導(dǎo)反射光柵反射回的兩路光的相對(duì)位相，使得這兩路光在返回左側(cè)入射端口時(shí)具有反相位，而在左側(cè)出射端口具有同相位；確保右邊兩個(gè)波導(dǎo)反射光柵對(duì)光子的反射發(fā)生在相同的位相位置；光學(xué)位相調(diào)節(jié)器也可以作為一個(gè)可變光衰減器來(lái)控制波導(dǎo)輸出端口的光功率的大小。
[0013]本發(fā)明所述波導(dǎo)反射光柵為布拉格(Bragg)反射光柵。反射光柵的反射率為98%-100%o
[0014]上述波導(dǎo)材料選用光折射率具有較大的熱-光或電-光系數(shù)的材料，波導(dǎo)的折射率可以通過(guò)局部電極有效地改變。
[0015]一種包含所述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧光接收器，在可調(diào)諧濾波器的出射波導(dǎo)端口連接光探測(cè)器，構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧光接收器。
[0016]所述光探測(cè)器表面貼片焊接安裝到可調(diào)諧濾光器出射光波導(dǎo)端口 ；通過(guò)在該光波導(dǎo)端口制造半硅V型槽的反射鏡，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)和光探測(cè)器之間的光耦合。
[0017]一種包含有上述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧激光發(fā)射器和可調(diào)諧光接收器的芯片層次集成器件，包括可調(diào)諧光濾波器、1x2 (—分二)波長(zhǎng)選擇耦合器、可調(diào)諧激光發(fā)射器、光探測(cè)器和傳輸波導(dǎo)；波長(zhǎng)選擇稱合器的左側(cè)為單一的波導(dǎo)輸入和輸出端口，波長(zhǎng)選擇I禹合器的右側(cè)含一輸入和一輸出端口，輸入端口連接的波導(dǎo)臂上設(shè)置所述可調(diào)諧激光發(fā)射器，波長(zhǎng)選擇耦合器的右側(cè)輸出端口連接可調(diào)諧光濾波器的入射波導(dǎo)臂；可調(diào)諧光濾波器的出射波導(dǎo)臂端口連接光探測(cè)器，光探測(cè)器和可調(diào)諧光濾波器將構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧光接收器；激光發(fā)射器的輸出波長(zhǎng)和接收器的輸入波長(zhǎng)通常在不同的范圍內(nèi)，它們共享選擇耦合器左側(cè)的一個(gè)光學(xué)輸入和輸出端口 ；所述可調(diào)諧光濾波器、光探測(cè)器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器可在同一 PIC (Photonic Integrated Circuits,光子集成廻路)芯片上進(jìn)行混合或單片集成。
[0018]所述可調(diào)諧光濾波器、光探測(cè)器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器在硅片上混合集成形成芯片器件。或者在磷化銦制成的芯片上單片集成形成芯片器件。
[0019]一種包含有上述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)芯片集成器件，包括可調(diào)光諧濾波器、2x1 (二合一)波導(dǎo)耦合器，和光學(xué)探測(cè)器?？烧{(diào)諧光濾波器中2x2四端口光波導(dǎo)耦合器右邊的兩個(gè)波導(dǎo)臂上延伸連接到2x1波導(dǎo)耦合器中左側(cè)的兩個(gè)輸入端口，2x1波導(dǎo)耦合器中右側(cè)的一個(gè)輸出端口連接波導(dǎo)后輸出；通過(guò)對(duì)可調(diào)諧光濾波器中波導(dǎo)反射光柵的反射率進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量取樣端口的光功率輸出，波長(zhǎng)在X I的光通道的光功率將被監(jiān)測(cè)；基于以上相同過(guò)程，波導(dǎo)反射光柵調(diào)諧掃描所有波長(zhǎng)入1，入2，....，An，這樣，所有的光通道均被采樣并且功率大小被檢測(cè)。
[0020]本發(fā)明在芯片層次集成的可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧光濾波器、可調(diào)諧光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)器，使得器件的尺寸大幅減小。另外由于器件的實(shí)現(xiàn)和集成都是在芯片上進(jìn)行，它們的制造可采用成熟的半導(dǎo)體微電子工藝，保證了器件的低成本、高重復(fù)性和大規(guī)模量產(chǎn)。并且，由于不存在移動(dòng)部件，器件也具有高可靠性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明可調(diào)諧光濾波器的原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2A為本發(fā)明中所用硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)心兩側(cè)放置電極的橫截示意圖；
[0023]圖2B為本發(fā)明中所用硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)心上面放置電極的橫截示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明中所用硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)心刻蝕光柵的側(cè)面示意圖；
[0025]圖4A為本發(fā)明的混合集成的可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧光接收器原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖4B為圖4A中所示實(shí)施方式的改進(jìn)方式原理示意圖；
[0027]圖5A為圖4中外腔激光器的增益芯片在絕緣體上硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)上的貼片原理示意圖；
[0028]圖5B為圖4中可調(diào)諧光接收器的光探測(cè)器芯片在絕緣體上硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)上的貼片原理示意圖；
[0029]圖6A為本發(fā)明的單片集成的可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧光接收器原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖6B為圖6A中所示實(shí)施方式的改進(jìn)方式原理示意圖；
[0031]圖7為本發(fā)明的波長(zhǎng)可調(diào)光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)器原理結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，該可調(diào)諧光濾波器由一個(gè)左右兩側(cè)各有兩個(gè)對(duì)稱光波導(dǎo)端口(簡(jiǎn)稱為2x2)的3dB波導(dǎo)f禹合器14和一對(duì)完全相同的Bragg (布拉格)反射光柵12,13組成,每個(gè)端口各接有一定長(zhǎng)度的傳輸波導(dǎo)臂，其中左側(cè)波導(dǎo)臂16為輸入波導(dǎo)，左側(cè)波導(dǎo)臂17為輸出波導(dǎo)；波導(dǎo)臂18，19為右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)。這些波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能都一樣，并且通常是單模波導(dǎo)。在右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)中，距2x23dB光波導(dǎo)耦合器相同距離的位置上，制有兩個(gè)完全相同的Bragg反射光柵12、13。每個(gè)Bragg反射光柵的波導(dǎo)上都有一對(duì)局部金屬電極7、8或者9、10，這些電極被用來(lái)通過(guò)熱-光或電-光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)的光學(xué)折射率進(jìn)而調(diào)諧Bragg光柵的反射波長(zhǎng)。
[0033]在3dB光波導(dǎo)稱合器和右側(cè)其中一個(gè)Bragg反射光柵之間存在一個(gè)光學(xué)位相調(diào)節(jié)器，光學(xué)位相調(diào)節(jié)器由一個(gè)波導(dǎo)相位控制區(qū)和對(duì)應(yīng)該相位控制區(qū)上的局部金屬電極20，21構(gòu)成，相位區(qū)的局部電極通過(guò)熱-光或電-光效應(yīng)來(lái)改變波導(dǎo)折射率，進(jìn)而改變光相位學(xué)路徑(它被定義為波導(dǎo)折射率和實(shí)際長(zhǎng)度的乘積)，即光學(xué)相位條件。
[0034]這里2x23dB波導(dǎo)耦合器具有這樣的特性，即，在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，當(dāng)光入射到任何一側(cè)上的波導(dǎo)端口上，經(jīng)過(guò)該耦合器，它的強(qiáng)度可以平分到另一側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)上。如圖1所示，當(dāng)波長(zhǎng)為入1，A 2, , An的光沿著左側(cè)波導(dǎo)16向右邊傳輸時(shí)，穿過(guò)2x2的3dB稱合器14后,它的能量會(huì)被平均分配(50% /50% )到所不波導(dǎo)18和波導(dǎo)19上。輸入光波長(zhǎng)中和Bragg反射光柵波長(zhǎng)相同的光子會(huì)被反射回到2x23dB耦合器。每個(gè)被反射回的光穿過(guò)2x23dB耦合器后再被平均分光到左側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)16，17上。光學(xué)位相調(diào)節(jié)器34是用來(lái)控制從右側(cè)反射鏡12，13反射回的兩路光的相對(duì)位相，使得他們?cè)诙丝?16具有反相位，而在17端口有同相位。
[0035]在實(shí)際操作中，可調(diào)諧光濾波器的兩個(gè)Bragg反射光柵可以具有很高的反射率(可以接近100%)。這樣，在輸入波導(dǎo)16輸入端口入射的光，傳輸?shù)接覀?cè)的兩個(gè)波導(dǎo)18和19上時(shí)，只有波長(zhǎng)和Bragg光柵反射波長(zhǎng)相同\ I的光才會(huì)被反射并從輸出波導(dǎo)17端口出射，所有其他波長(zhǎng)的光在 輸出波導(dǎo)17端口不呈現(xiàn)或被過(guò)濾掉。此外，由于光學(xué)位相調(diào)節(jié)器能夠改變?cè)谳敵霾▽?dǎo)17出射的波長(zhǎng)\ I的光的輸出強(qiáng)度，它可以作為一個(gè)可變光衰減器來(lái)控制輸出波導(dǎo)17出射的光功率的大小。事實(shí)上，當(dāng)光學(xué)位相調(diào)節(jié)器提供所需相位條件時(shí)，從波導(dǎo)16入射的光，當(dāng)它的波長(zhǎng)與Bragg光柵的反射波長(zhǎng)相同時(shí)，Bragg光柵對(duì)將會(huì)將它鏡像對(duì)成像到波導(dǎo)17上。
[0036]一般來(lái)說(shuō)，Bragg反射光柵的反射波長(zhǎng)是由下面一個(gè)通用的關(guān)系來(lái)確定的
[0037]入=2? neff ? A(I)
[0038]A是Bragg反射光柵的峰值反射波長(zhǎng)，neff是單模波導(dǎo)在該波長(zhǎng)的有效模折射率，A是Bragg反射光柵的周期。因此，根據(jù)公式(I)，如果波導(dǎo)的折射率通過(guò)熱光或電光效應(yīng)被改變，則Bragg反射光柵的波長(zhǎng)可以發(fā)生變化。通過(guò)熱-光或電-光效應(yīng)，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)，Bragg反射光柵的波長(zhǎng)可以調(diào)諧覆蓋所有的波長(zhǎng)Al, A 2, , An。
[0039]本實(shí)施例中的波導(dǎo)材料選用光折射率具有較大的熱-光或電-光系數(shù)的材料，比如硅，II1-V化合物半導(dǎo)體材料InP (磷化銦)，或聚合物材料等等。這樣，波導(dǎo)的折射率可以通過(guò)局部電極有效地改變?；贐ragg光柵反射峰波長(zhǎng)對(duì)波導(dǎo)折射率的依賴，光濾波器波導(dǎo)輸出端口的出射光波長(zhǎng)就可以被調(diào)諧。很明顯，當(dāng)Bragg反射光柵12，13的反射波長(zhǎng)可調(diào)，并且兩個(gè)Bragg反射光柵被同步調(diào)諧時(shí)，從波導(dǎo)17出射的光的波長(zhǎng)也將會(huì)被改變，這時(shí)光學(xué)濾波器則可作為可調(diào)諧光濾波器工作。[0040]本實(shí)施例中硅基SOI芯片(SOI絕緣體上硅結(jié)構(gòu))是一個(gè)很好的選擇材料，因?yàn)?，硅光子技術(shù)取得了很大進(jìn)展，它可以利用成熟先進(jìn)的微電子和半導(dǎo)體硅CMOS工藝來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的光電集成。通過(guò)局部電極實(shí)現(xiàn)快的調(diào)諧速度和較低的調(diào)諧成本。采用常用制作工藝，如圖2A和圖2B所示，在一個(gè)絕緣體29上硅結(jié)構(gòu)26的波導(dǎo)心的橫截面，金屬電極放置在波導(dǎo)包層25的上表面，金屬電極27，28可以位于波導(dǎo)心的兩側(cè)；或金屬電極30可以位于波導(dǎo)心上。如圖3所示，絕緣體29上硅結(jié)構(gòu)37的波導(dǎo)核心側(cè)面圖，Bragg反射光柵31可以刻蝕在絕緣體29上硅結(jié)構(gòu)37的SOI波導(dǎo)心26上，然后在上覆蓋包層25。另外由于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的折射率對(duì)比很高，與半導(dǎo)體激光器中的波導(dǎo)接近，因此，在兩個(gè)波導(dǎo)芯片的對(duì)接處，可以通過(guò)使它的波導(dǎo)光學(xué)模與半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)光學(xué)模盡量匹配來(lái)獲得最優(yōu)的光學(xué)耦合。
[0041]如圖4A所示，在一個(gè)基于硅片(SOI絕緣體上硅結(jié)構(gòu))混合集成的實(shí)際案例中，圖1所示的可調(diào)諧光濾波器可以與一個(gè)光探測(cè)器(PD) 15以及一個(gè)可調(diào)諧外腔激光器(ECL)集成在同一芯片上?？烧{(diào)諧外腔激光器包括作為光源的增益芯片6和光子芯片上的一個(gè)提供波長(zhǎng)可調(diào)反饋的Bragg波導(dǎo)反射光柵11 ;反射光柵11的波導(dǎo)上設(shè)有加熱電極4、5 ;增益芯片6和波導(dǎo)反射光柵11之間設(shè)有相位控制電極22、23。對(duì)增益芯片和PIC芯片的波導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使得它們獲得最佳光學(xué)偶合。通過(guò)精確光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，兩個(gè)光波導(dǎo)心對(duì)接在一起。當(dāng)增益芯片的左右端面鍍有AR(抗反射)和AR(高反射)膜時(shí)，激光諧振腔將在增益芯片24右端面和波導(dǎo)Bragg反射光柵11的中間位置之間形成。激光將從外腔的光柵一側(cè)出射并在PIC芯片的波導(dǎo)3中傳輸。增益芯片6倒裝貼片焊接到可調(diào)諧濾波器芯片上，如圖5A所示，增益芯片6倒裝貼片經(jīng)焊盤33焊接到可調(diào)諧光波導(dǎo)濾波器光子集成迴路(PIC)芯片上，增益芯片6中的有源波導(dǎo)24和光子集成迴路(PIC)芯片的波導(dǎo)心對(duì)接。
[0042]增益芯片是由II1-V半導(dǎo)體化合物材料制作，在增益部分的波導(dǎo)周圍有金屬電極
6。電極在有源區(qū)注入電子通過(guò)電-光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生一個(gè)圍繞某一中心波長(zhǎng)的寬帶光子自發(fā)輻射。在Bragg波導(dǎo)反射光柵11和增益芯片之間也有一個(gè)同上設(shè)計(jì)的波導(dǎo)光學(xué)位相調(diào)節(jié)器，它為外腔激光器提供一個(gè)相干相長(zhǎng)的激光相位條件。當(dāng)這里的Bragg波導(dǎo)反射光柵附近也有一對(duì)局部電極4、5對(duì)其波長(zhǎng)進(jìn)行可調(diào)諧，可調(diào)諧外腔激光器ECL的特點(diǎn)是具有非常窄的激光線寬。
[0043]光探測(cè)器(PD)芯片15也通過(guò)常規(guī)工藝焊盤表面貼片焊接安裝到SOI絕緣體上硅結(jié)構(gòu)PIC芯片上。如圖5B所示，光探測(cè)器(PD)芯片15通過(guò)焊盤34、35表面貼片焊接安裝到絕緣體上硅結(jié)構(gòu)PIC芯片上。光探測(cè)器芯片的安裝方式可使光探測(cè)器感光部分36對(duì)準(zhǔn)光學(xué)可調(diào)諧濾波器中輸出波導(dǎo)17—端的一個(gè)半V型槽，輸出波導(dǎo)17出射的光通過(guò)半V型槽的反射鏡，被反射到光探測(cè)器感光區(qū)域36，將被檢測(cè)到的光子轉(zhuǎn)換成電子。通過(guò)半V槽的反射鏡，光電探測(cè)器和可調(diào)諧光濾波器構(gòu)建一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧光接收器。
[0044]如圖4A所示，波長(zhǎng)選擇耦合器2的左側(cè)為單一波導(dǎo)的輸入和輸出共用端口 1，波長(zhǎng)選擇耦合器2的右側(cè)含兩個(gè)端口，其中一端口經(jīng)波導(dǎo)臂3連接到上述可調(diào)諧激光發(fā)射器，波長(zhǎng)選擇耦合器2的右側(cè)另一端口連接到可調(diào)諧濾波器的入射波導(dǎo)臂16 ;可調(diào)諧光濾波器的出射波導(dǎo)臂17端口連接光探測(cè)器15 ;激光發(fā)射器的輸出和接收器的輸入通常工作在不同的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，共享選擇I禹合器左側(cè)的一個(gè)光學(xué)輸入和輸出端口 I ;上述可調(diào)諧光濾波器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器的外腔反饋光柵可集成制作在同一 PIC芯片上；增益芯片和光探測(cè)器(PD)芯片都可以按上述的貼片焊接方式在上述同一 PIC芯片上混合集成。在應(yīng)用中，可調(diào)諧激光器和可調(diào)諧光接收器會(huì)封裝在一起在一個(gè)管殼中。
[0045]波長(zhǎng)選擇性耦合器2將以很小的光學(xué)損失分離出波長(zhǎng)在\ L的出射光和波長(zhǎng)在入I, X 2,....,Xn的入射光,使它們共用相同的輸入和輸出波導(dǎo)。波長(zhǎng)選擇I禹合器2的工作原理是當(dāng)波長(zhǎng)不同的光子XL, (Al, A 2, A3,....A n),由共用的輸入和輸出端口 I入射時(shí)，經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇耦合器2，它們會(huì)分束到右側(cè)上UL)下U 1，X 2，X 3，....Xn)兩個(gè)波導(dǎo)中。由于光傳輸?shù)墓饴房赡嫘裕?dāng)波長(zhǎng)XL的光由波長(zhǎng)選擇耦合器的2右上波導(dǎo)3自右向左傳播時(shí)和波長(zhǎng)(入1，X 2, A3,....A n)的光由端口 I入射自左向右傳輸時(shí)，它們會(huì)分別傳輸?shù)蕉丝?I和波長(zhǎng)選擇耦合器的2右下波導(dǎo)16。
[0046]如圖4B所示，兩個(gè)波導(dǎo)臂18、19延伸連接到2x1波導(dǎo)耦合器41中左側(cè)的兩個(gè)輸入端口，2x1波導(dǎo)耦合器41中右側(cè)的一個(gè)輸出端口連接波導(dǎo)42輸出。這樣，在除被反射的波長(zhǎng)為、I的光外，其他所有波長(zhǎng)X 2，....，入n的光不受影響，將穿過(guò)Bragg反射光柵，在2xl3dB波導(dǎo)耦合器41處結(jié)合，繼續(xù)穿過(guò)波導(dǎo)耦合器41輸出并經(jīng)傳輸波導(dǎo)42繼續(xù)傳輸。
[0047]如圖6A所示，在單片集成的實(shí)施案例中，可調(diào)諧光濾波器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器都可以單片集成在同一由II1-V族化合物半導(dǎo)體，如InP (磷化銦)制成的芯片上。不同于圖4所示的實(shí)施例，本實(shí)施例中不用增益芯片來(lái)組成可調(diào)諧激光器。可調(diào)諧激光器可以是一個(gè)有加熱電極38、39來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的熱調(diào)諧Bragg反射光柵的DFB (分布式反饋)激光器40 ;可調(diào)諧光濾波器可以是與上述相同的設(shè)計(jì)和工作原理，出射波導(dǎo)17端可以表面貼片一個(gè)波導(dǎo)光電探測(cè)器35以形成一個(gè)可調(diào)諧光接收器，不用光電探測(cè)器芯片。
[0048]如圖6B所示，兩個(gè)波導(dǎo)臂18、19延伸連接到2x1波導(dǎo)耦合器41中左側(cè)的兩個(gè)輸入端口，2x1波導(dǎo)耦合器41中右側(cè)的一個(gè)輸出端口連接波導(dǎo)42輸出。這樣，在除被反射的波長(zhǎng)為X I的光外，其他所有`波長(zhǎng)X 2，....，Xn的光不受影響，將穿過(guò)Bragg反射光柵，在2xl3dB波導(dǎo)耦合器41處結(jié)合，繼續(xù)穿過(guò)波導(dǎo)耦合器41輸出并經(jīng)傳輸波導(dǎo)42繼續(xù)傳輸。
[0049]如圖7所示，上述可調(diào)諧光濾波器也可以被用來(lái)構(gòu)造一個(gè)基于PIC芯片的可調(diào)諧光通道功率監(jiān)測(cè)器，包括可調(diào)諧光濾波器和2x1 (二合一)波導(dǎo)耦合器41，可調(diào)諧光濾波器中2x2四端口光波導(dǎo)耦合器14右邊的兩個(gè)波導(dǎo)臂18、19延伸連接到2x1波導(dǎo)耦合器41中左側(cè)的兩個(gè)輸入端口，2x1波導(dǎo)耦合器41中右側(cè)的一個(gè)輸出端口連接波導(dǎo)42輸出。可調(diào)諧光濾波器為圖1所示的結(jié)構(gòu)組成，入射到諧光濾波器輸入端口波導(dǎo)16的ITU網(wǎng)格波長(zhǎng)入1，
入2,----, Xn的光信號(hào)沿著波導(dǎo)16向右行進(jìn)；在這種情況下，如果兩個(gè)相同的Bragg反射
光柵具有很低的反射率，通常小于10%。這樣，基于上述可調(diào)諧光濾波器的工作原理，只有少部分波長(zhǎng)在Bragg光柵反射波長(zhǎng)的光被反射，從輸出波導(dǎo)17或稱作取樣端口出射。剩余的波長(zhǎng)為Al的光及其他所有波長(zhǎng)的光不受影響，將穿過(guò)Bragg反射光柵，在2xl3dB波導(dǎo)耦合器41處結(jié)合,繼續(xù)穿過(guò)波導(dǎo)稱合器41輸出并經(jīng)傳輸波導(dǎo)42繼續(xù)傳輸。通過(guò)對(duì)Bragg反射光柵的反射率進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量取樣端口的光功率輸出，波長(zhǎng)在X I的光通道的光功率將被監(jiān)測(cè)。基于以上相同過(guò)程，Bragg反射光柵可以調(diào)諧掃描所有波長(zhǎng)入1，入2，....，入n，因此，所有的光通道均可被采樣并且它的功率大小被檢測(cè)。
[0050]另外，可調(diào)諧光濾波器中光學(xué)位相調(diào)節(jié)電極20、21也可以作為一個(gè)可變光衰減器來(lái)控制波導(dǎo)17采樣端口的光功率的大小，這樣的光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)因?yàn)樾酒珊椭恍枰獑我坏墓怆娞綔y(cè)器，具有低成本和小體積的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)器件可以單片集成在磷化銦制成的芯片上或混合集成在硅片上形成芯片器件。
[0051]上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本
【發(fā)明內(nèi)容】
所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種可調(diào)諧光濾波器，其特征在于:包括一個(gè)2x2四端口光波導(dǎo)耦合器，光波導(dǎo)耦合器的每個(gè)端口各接有波導(dǎo)臂；右側(cè)的兩個(gè)相同波導(dǎo)臂上各設(shè)有一個(gè)完全相同的波導(dǎo)反射光柵；當(dāng)光從左側(cè)的入射波導(dǎo)端口輸入，經(jīng)過(guò)光波導(dǎo)耦合器后，將被平均分光到右側(cè)的兩個(gè)波導(dǎo)上進(jìn)行傳輸；傳輸中的波長(zhǎng)和波導(dǎo)反射光柵波長(zhǎng)相同的光會(huì)被光柵反射回來(lái)，反向經(jīng)過(guò)2x2光波導(dǎo)耦合器，從耦合器左側(cè)的出射波導(dǎo)端口輸出；通過(guò)同步改變波導(dǎo)反射光柵處波導(dǎo)的光折射率，使波導(dǎo)光柵反射峰波長(zhǎng)同步隨之改變，從而在耦合器左側(cè)的波導(dǎo)出射端口的輸出波長(zhǎng)被調(diào)諧。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧光濾波器，其特征在于:在其中一個(gè)波導(dǎo)反射光柵與光波導(dǎo)耦合器之間存在一個(gè)光學(xué)位相調(diào)節(jié)器；光學(xué)位相調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制從右側(cè)兩個(gè)波導(dǎo)反射光柵反射回的兩路光的相對(duì)位相，使得這兩路光在返回左側(cè)入射端口時(shí)具有反相位，而在左側(cè)出射端口具有同相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可調(diào)諧光濾波器，其特征在于:所述波導(dǎo)反射光柵為Bragg反射光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可調(diào)諧光濾波器，其特征在于:所述反射光柵的反射率為 98%-100%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可調(diào)諧光濾波器，其特征在于:所述波導(dǎo)選用光折射率具有較大的熱-光或電-光系數(shù)的材料，波導(dǎo)的折射率通過(guò)局部電極改變。
6.一種包含權(quán)利要求1所述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧光接收器，其特征在于:在可調(diào)諧濾波器的出射波導(dǎo)端口連接光探測(cè)器，構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧光接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可調(diào)諧光接收器，其特征在于:所述光探測(cè)器表面貼片焊接安裝到可調(diào)諧濾光器出射 光波導(dǎo)端口 ；通過(guò)在該光波導(dǎo)端口制造半V型反射鏡，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)和光探測(cè)器之間的光耦合。
8.一種包含權(quán)利要求1所述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧激光發(fā)生器和可調(diào)諧光接收器的芯片集成器件，其特征在于:包括可調(diào)諧光濾波器、1x2波長(zhǎng)選擇耦合器、可調(diào)諧激光發(fā)射器、光探測(cè)器和傳輸波導(dǎo)，波長(zhǎng)選擇稱合器的左側(cè)為單一波導(dǎo)的輸入和輸出共用端口 ；波長(zhǎng)選擇稱合器的右側(cè)含一輸入端口和一輸出端口，右側(cè)輸入端口連接的波導(dǎo)臂上設(shè)置所述可調(diào)諧激光發(fā)射器，波長(zhǎng)選擇耦合器的右側(cè)輸出端口連接可調(diào)諧濾波器的入射波導(dǎo)臂；可調(diào)諧光濾波器的出射波導(dǎo)臂端口連接光探測(cè)器，光探測(cè)器和可調(diào)諧光濾波器將構(gòu)成一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧光接收器；激光發(fā)射器的輸出波長(zhǎng)和接收器的輸入波長(zhǎng)通常在不同的范圍內(nèi)，它們共享選擇稱合器左側(cè)的一個(gè)光學(xué)輸入和輸出端口 ；所述可調(diào)諧光濾波器、光探測(cè)器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器在同一 PIC芯片上進(jìn)行混合或單片集成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的芯片集成器件，其特征在于:所述可調(diào)諧光濾波器、光探測(cè)器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器在硅片上混和集成形成芯片器件。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的芯片集成器件，其特征在于:所述可調(diào)諧光濾波器、光探測(cè)器、傳輸波導(dǎo)迴路、可調(diào)諧激光器在磷化銦制成的芯片上單片集成形成芯片器件。
11.一種包含權(quán)利要求1所述可調(diào)諧光濾波器的可調(diào)諧光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)芯片集成器件，其特征在于:包括可調(diào)諧光濾波器、2x1波導(dǎo)耦合器，可調(diào)諧濾波器中2x2四端口光波導(dǎo)耦合器右邊的兩個(gè)波導(dǎo)臂上延伸連接到2x1波導(dǎo)耦合器中左側(cè)的兩個(gè)輸入端口，2x1波導(dǎo)耦合器中右側(cè)的一個(gè)輸出端口連接波導(dǎo)輸出；通過(guò)對(duì)可調(diào)諧濾波器中波導(dǎo)反射光柵的反射率進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量取樣端口的光功率輸出，波長(zhǎng)在\ I的光通道的光功率將被監(jiān)測(cè)；基于以上相同過(guò)程，波導(dǎo)反射光柵調(diào)諧掃描所有波長(zhǎng)X 1，X 2，....，入n，這樣，所有的光通道均被采樣并且功率大小被檢測(cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可調(diào)諧光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)芯片集成器件，其特征在于:所述波導(dǎo)反射光柵的反射率低于10%。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可調(diào)諧光學(xué)通道功率監(jiān)測(cè)芯片集成器件，其特征在于:單片集成在憐化鋼制成的芯片 上或混合集成在娃片上形成芯片器件。
【文檔編號(hào)】G02B6/124GK103487881SQ201310290141
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月10日
【發(fā)明者】李若林 申請(qǐng)人:李若林