CN107611774B - 一种硅基集成可调谐激光器结构及其控制方法 - Google Patents
一种硅基集成可调谐激光器结构及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，提供了一种硅基集成可调谐激光器结构及其控制方法。其中结构包括在硅衬底上制作有硅基微环谐振器、背光探测器和硅基耦合输出波导，谐振器通过高分子聚合物键合到硅基微环谐振器的波导正上方；半导体制冷器设置在硅衬底底部对应与硅基微环谐振器所在区域；硅基微环谐振器的波导下方与硅基耦合输出波导的中间区域建立光信号耦合结构；所述硅基耦合输出波导的一端为出光面，所述硅基耦合输出波导的另一端与所述背光探测器耦合。本发明对有源区在硅光芯片上方，合理利用了空间的深度，空间利用效率更高，做出来的光器件体积更小；集成度高，硅光芯片工艺和CMOS工艺兼容；具有可加工性和可量产性。
Description
【技术领域】
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种硅基集成可调谐激光器结构及其控制方法。
【背景技术】
可调节激光器近年来一直是光通信领域的研究热点。
光通信领域传统的光源均是基于固定波长的激光器模块，随着光通信***的不断发展及应用推广，固定波长激光器的缺点逐渐显露出来：一方面随着DWDM技术的发展，***中的波长数达到了上百个，在需要提供保护的场合，每个激光器的备份必须由相同波长的激光器提供，这样导致备份激光器数量增加，成本上升；另一个方面由于固定激光器需要区分波长，因此激光器的类型随着波长数的增加而不断增加，使得管理复杂程度和存货水平；再有如果要支持光网络中的动态波长分配，提高网络灵活性，需要配备大量不同波长的固定激光器，但每只激光器的使用率却很低，造成资源浪费。针对这些不足，随着半导体及其相关技术的发展，人们成功地研制出可调谐激光器，即在同一个激光器模块上控制输出一定带宽内的不同波长，且这些波长值和间隔均满足ITU-T的要求。
对于下一代光网络而言，可调谐激光器是实现智能光网络的关键因子，可以为运营商提供更大弹性、更快波长供应速度，并最终实现更低的成本。未来长途光网络将是波长动态***的天下，这些网络可以在很短的时间内实现新的波长分配，由于采用超长距离传输技术而无须使用再生器，从而节省大笔开支。可调激光器有希望为未来的通讯网络提供新工具，用以进行波长管理、提高网络效率和开发下一代光网络。最吸引的一个应用是可重配置光分插复用器(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，简写为：ROADM)。动态可重配置的网络***将出现在网络市场中，大调节范围的可调谐激光器也将因此而获得更大的需求。
光通信领域研究的另一热点是硅光技术。
硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，用激光束代替电子信号传输数据，它是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。硅光子技术的应用范围有望从目前的主要用途--电路板间的数据传输扩大到芯片间和芯片内的传输。硅光子技术是基于硅材料，利用现有互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简写为：CMOS)工艺进行光器件的开发和集成的新一代技术，在光通信，数据中心，超级计算以及生物，国防，AR/VR技术，智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。硅光子市场和产品用途非常广阔，应用跨度也很大，从超过1000公里的长途通信到城域网、从光接入网到局域网/存储网络、从设备级的背板互连到板卡级的芯片间互连，甚至芯片内部互连，都有着广阔的应用前景。
硅基光电子包括硅基光子材料、硅基光子器件、硅基光子集成三个主要方面。其中硅基光子器件，是指以硅半导体材料技术制作的各种光器件，包括硅基光探测器、硅基光调制器、平面波导、光栅耦合器等。如图1所示，为专利申请号为“201520933526.5”(简称：专利文献1)，名称为《一种基于耦合器的硅基异质集成可调谐激光器》的激光器结构，包括内部带有增益区的有源谐振腔1，无源选模腔2；无源选模腔2内的模斑转换器23的一端与内部带有增益区的有源谐振腔1连接；无源选模腔2，包括传输波导24，π相位耦合器3和无源环形谐振腔4；π相耦合器3有四个端口，第一端口经第二调谐区21与第一反射镜22连接，第二端口经传输波导24与模斑转换器23的另一端连接；第三端口第四端口分别与无源环形谐振腔4连接，无源环形谐振腔4内有第一调谐区41；第一调谐区41的光程占无源环形谐振腔4的总光程的比例和第二调谐区21的光程占内部带有增益区的有源谐振腔1和无源选模腔2内的传输波导24的总光程的比例相等。然而，专利文献1中有源谐振腔1和无源选模腔2的耦合方式，增加了整个可调谐激光器的大小，不适合高集成度应用环境。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是现有技术中的硅基可调谐激光器，其体积大，集成度低；并且，如图1所示，因为涉及有源谐振腔1与无源选模腔2的光路耦合，增加了硅基可调谐激光器的加工复杂度，不利于工业加工和生产。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种硅基集成可调谐激光器结构，包括：在硅衬底106上制作有硅基微环谐振器101、背光探测器102和硅基耦合输出波导103，具体的：
谐振器108通过高分子聚合物107键合到硅基微环谐振器101的波导正上方；
半导体制冷器105设置在硅衬底106底部对应与硅基微环谐振器101所在区域；
硅基微环谐振器101的波导下方与硅基耦合输出波导103的中间区域建立光信号耦合结构；
所述硅基耦合输出波导103的一端为出光面，所述硅基耦合输出波导103的另一端与所述背光探测器102耦合。
优选的，所述微环谐振器101波导的宽度为300-600nm，波导的深度为100-300nm，SOI芯片的顶硅厚度200-450nm。
优选的，所述微环谐振器101波导的宽度为500nm，波导的深度为200nm，SOI芯片的顶硅厚度340nm。
优选的，谐振器108具体为：
III-V族FP谐振器108，并以CMOS工艺制作在高分子聚合物层107上；
所述高分子聚合物层107的厚度50-100nm，高分子聚合选用环氧树脂型粘合剂。
优选的，III-V族FP谐振器108中的有源区采用InGaAs量子阱结构，增益3dB带宽30-50nm，频带覆盖整个C波段和/或F波段。
优选的，背光探测器102采用锗硅工艺制作，与谐振器108的CMOS工艺兼容，带宽5MHz。
优选的，所述谐振器108还包括：
DFB谐振器或者DBR谐振器；或者，
集成有调制器和/或放大器的FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器。
优选的，所述FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器的有源区两侧均涂覆有高反射率的反射膜。
优选的，硅基微环谐振器101为圆形或者椭圆形。
第二方面，本发明还提供了一种硅基集成可调谐激光器结构的控制方法，根据第一方面所述的硅基集成可调谐激光器结构，完成封装并引出管脚TEC+、管脚TEC-、管脚LD+、管脚LD-、管脚MPD+和管脚MPD-，以及引出输出保偏光纤，其中，控制芯片402连接并控制一个或者多个硅基集成可调谐激光器封装，控制方法包括：
控制电路402收到第i通道出光，且光中心频率为λset光功率为Pset的命令；
控制电路402根据所述λset设置第N通道TEC的电压为Vtec-N，其中，对应于可调谐激光器的各中心频率，在控制电路402的rom中存储有一组或者多组TEC电压；
控制电路402根据相应N通道的MPD反馈信号，监控当前出光功率Pnow；
控制电路402计算Pnow-Pset的绝对值abs(Pnow-Pset)，判断其是否满足小于或等于控制精度a；满足，则继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断；
若不满足，则控制电路402按照预设的步进长度Vstep，递增第N通道TEC的电压Vtec增加；并根据当前监控的出光功率Pnow重新判断abs(Pnow-Pset)的值是否变小；若abs(Pnow-Pset)减小，则继续增加Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a；若abs(Pnow-Pset)变大，则步进减小Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a，并继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明对有源区在硅光芯片上方，合理利用了空间的深度，空间利用效率更高，做出来的光器件体积更小；集成度高，硅光芯片工艺和CMOS工艺兼容；具有可加工性和可量产性。
本发明借鉴有源激光器结构制作谐振器，通过高分子聚合物键合在硅波导上，III-V族有源波导发光通过倏逝波耦合进入硅波导，实现硅基发光；通过硅基微环谐振器谐振谱和谐振器的谐振谱的游标效应选模，并通过半导体制冷器对谐振器进行温度控制来实现波长调节。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有技术中的硅基可调谐激光器示意图；
图2是本发明实施例提供的一种硅基集成可调谐激光器结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种有源区波导产生的激光耦合到硅波导示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种硅基集成可调谐激光器结构示意图；
图5是本发明实施例提供的还一种硅基集成可调谐激光器结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种游标效应选模的工作原理；
图7是本发明实施例提供的一种封装好的硅基集成可调谐激光器引脚即控制框图；
图8是本发明实施例提供的一种可调谐激光器控制方法流程；
其中：
101：硅基微环谐振器、102：背光探测器(MPD)、103：硅基耦合输出波导、104：激光输出端口、105：半导体制冷器(TEC)、106：硅衬底、107：高分子聚合物、108：III-V族FP谐振器、109：光信号耦合结构、301：硅基微环谐振器谐振谱、302：III-V族FP谐振器谐振谱、401：封装好的器件、402：控制电路、403：引脚TEC+、404：引脚TEC-、405：引脚LD+、406：引脚LD-、407：引脚MPD+、408：引脚MPD-、409：输出保偏光纤。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种硅基集成可调谐激光器结构，如图2所示，包括：在硅衬底106上制作有硅基微环谐振器101、背光探测器102和硅基耦合输出波导103，例如：可以通过CMOS工艺实现上述在硅衬底106上制作硅基微环谐振器101、背光探测器102和硅基耦合输出波导103。在本发明实施例中，所述可调谐激光器结构具体还包括：
谐振器108通过高分子聚合物107键合到硅基微环谐振器101的波导正上方；如图3所示，其中，谐振器108中有源区产生的光信号基于倏逝波耦合进入硅基微环谐振器101，即图中有源区产生的光信号A基于倏逝波分解成了光信号B和光信号C，其中，光信号C进入了硅基微环谐振器101。
半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，简写为：TEC)105设置在硅衬底106底部对应与硅基微环谐振器101所在区域。其中，硅基微环谐振器101为圆形或者椭圆形。
其中，半导体制冷器105可以制成与衬底106形状一一对应的图形结构，从而能够为整片衬底106提供制冷or制热；除此意外，所述半导体制冷器105还可以制作在仅设置有硅基微环谐振器101的衬底106区域，从而减少半导体制冷器105工作时对谐振器108的工作温度的影响(如图4所示)；结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，即对于有硅基微环谐振器101的衬底区域做减薄处理，从而保证半导体制冷器105对于有硅基微环谐振器101的控制效率，如图5所示为相应的结构示意图。
硅基微环谐振器101的波导下方与硅基耦合输出波导103的中间区域建立光信号耦合结构；如图2中标识为109的区域所示。
所述硅基耦合输出波导103的一端为出光面，所述硅基耦合输出波导103的另一端与所述背光探测器102耦合。
本发明实施例将有源区设置在硅基微环谐振器上方，合理利用了空间的深度，空间利用效率更高，做出来的光器件体积更小；集成度高，硅基微环谐振器工艺和CMOS工艺兼容；由于无需额外进行谐振器和硅基微环谐振器之间的光路耦合，提高了工业生产效率。
如图3所示，谐振器108的有源区中谐振产生的激光，通过倏逝波耦合进入下方的硅基微环谐振器101，进而在硅基微环谐振器101中谐振；由耦合结构的互易性，硅基微环谐振器101中的激光也可以通过倏逝波耦合，进入谐振器108；图6是游标效应选模的工作原理；激光器包括两个谐振腔，硅基微环谐振器101和谐振器硅108，基微环谐振器101的谐振谱301和谐振器108的谐振谱302的公共峰值波长，将会得到最大的增益，在模式竞争中胜出，形成单纵模激射；硅基微环谐振器101的谐振谱会随着半导体制冷器105的温度而漂移，这样硅基微环谐振器101的谐振谱301和谐振器108的谐振谱302的公共峰值波长会改变，输出的激光波长也会跟着改变；两个光谱就像游标卡尺的两个标尺，游标对准的地方，就是激光器输出的光波长。
在本发明实施例中，对于各组件的厚度和宽度提供了一组可行的参数，具体的，所述微环谐振器101波导的宽度为300-600nm，波导的深度为100-300nm，绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，简写为：SOI)芯片的顶硅厚度(SOI顶硅厚度是业内惯用的标定称呼)200-450nm。
结合本发明实施例，对于上述参数值区间的诸多实现方式中，挑选了一组目前实验效果最有的参数值，具体的：
所述微环谐振器101波导的宽度为500nm，波导的深度为200nm，SOI芯片的顶硅厚度340nm。
本发明实施例中涉及的谐振器108具体可以是FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器；其中，所述FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器的有源区两侧均涂覆有高反射率的反射膜。
所述谐振器108具体还可以是集成有调制器和/或放大器的FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器。接下来，以所述谐振器108具体为FP谐振器，阐述一可行的实现方案。
其中，谐振器108具体为III-V族FP谐振器，并以CMOS工艺制作在高分子聚合物层107上；
所述高分子聚合物层107的厚度50-100nm，高分子聚合选用环氧树脂型粘合剂。高分子聚合物层107需要在C波段透明，则厚度要控制在300nm以下，才能达到倏逝波耦合的条件。
本发明实施例借鉴有源激光器结构制作谐振器，通过高分子聚合物键合在硅波导上，III-V族有源波导发光通过倏逝波耦合进入硅波导，实现硅基发光；通过硅基微环谐振器谐振谱和谐振器的谐振谱的游标效应选模，并通过半导体制冷器对谐振器进行温度控制来实现波长调节。
在本发明实施例中，存在一种优选的实现方案，其中，III-V族FP谐振器108中的有源区采用InGaAs量子阱结构，增益3dB带宽30-50nm，频带覆盖整个C波段和/或F波段。
对于本发明实施例硅基集成可调谐激光器结构所涉及的背光探测器102也提供了一种优选的实现方案，其中，背光探测器102采用锗硅工艺制作，与谐振器108的CMOS工艺兼容，带宽5MHz。
III-V族FP谐振器108加电进行载流子注入，在FP腔中谐振产生多纵模激光，通过倏逝波耦合，多纵模激光进入硅基微环谐振器101里面，满足硅基微环谐振器101谐振波长的纵模强度得到振荡加强，其它波长的纵模被抑制；最终通过模式竞争，得到的单纵模激光，从硅基微环谐振器101耦合到硅基耦合输出波导103，前向激光通过激光输出端口104输出，后向激光进入背光探测器102，实现对光功率的监控。半导体制冷器105主要负责对硅基微环谐振器101进行温度调节，通过调节谐振硅基微环谐振器101的温度来使其谐振谱漂移，该谐振谱与III-V族FP谐振器108的谐振谱进行游标对准，实现选模。
实施例2:
在提供如实施例1所述的一种硅基集成可调谐激光器结构后，本发明实施例还提供了一种硅基集成可调谐激光器结构的控制方法，具体的，根据实施例1所述的硅基集成可调谐激光器结构，如图7所示，完成封装并引出管脚403(TEC+)、管脚404(TEC-)、管脚405(LD+)、管脚406(LD-)、管脚407(MPD+)和管脚408(MPD-)，以及引出输出保偏光纤409，其中，控制芯片402连接并控制一个或者多个硅基集成可调谐激光器封装，如图8所示，控制方法包括：
在步骤201中，控制电路402收到第i通道出光，且光中心频率为λset光功率为Pset的命令。
在步骤202中，控制电路402根据所述λset设置第N通道TEC的电压为Vtec-N，其中，对应于可调谐激光器的各中心频率，在控制电路402的rom中存储有一组或者多组TEC电压。
在步骤203中，控制电路402根据相应N通道的MPD反馈信号，监控当前出光功率Pnow。
在步骤204中，控制电路402计算Pnow-Pset的绝对值abs(Pnow-Pset)，判断其是否满足小于或等于控制精度a；若满足，则回到步骤203执行下一循环；若不满足，则执行步骤205。
在步骤205中，控制电路402按照预设的步进长度Vstep，递增第N通道TEC的电压Vtec增加；并执行步骤206。
在步骤206中，根据当前监控的出光功率Pnow重新判断abs(Pnow-Pset)的值是否变小；若abs(Pnow-Pset)减小，则执行步骤207；若abs(Pnow-Pset)变大，则执行步骤208。
在步骤207中，继续增加Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a，并继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断。
在步骤208中，步进减小Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a，并继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断。
值得说明的是，上述装置和***内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，包括：在硅衬底(106)上制作有硅基微环谐振器(101)、背光探测器(102)和硅基耦合输出波导(103)，具体的：
谐振器(108)通过高分子聚合物(107)键合到硅基微环谐振器(101)的波导正上方；
半导体制冷器(105)设置在硅衬底(106)底部对应与硅基微环谐振器(101)所在区域；
硅基微环谐振器(101)的波导下方与硅基耦合输出波导(103)的中间区域建立光信号耦合结构；
所述硅基耦合输出波导(103)的一端为出光面，所述硅基耦合输出波导(103)的另一端与所述背光探测器(102)耦合。
2.根据权利要求1所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，所述微环谐振器(101)波导的宽度为300-600nm，波导的深度为100-300nm，顶硅厚度200-450nm。
3.根据权利要求2所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，具体的：
所述微环谐振器(101)波导的宽度为500nm，波导的深度为200nm，顶硅厚度340nm。
4.根据权利要求1所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，谐振器108具体为：
III-V族FP谐振器(108)，并以CMOS工艺制作在高分子聚合物层(107)上；
所述高分子聚合物层(107)的厚度50-100nm，高分子聚合选用环氧树脂型粘合剂。
5.根据权利要求4所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，III-V族FP谐振器(108)中的有源区采用InGaAs量子阱结构，增益3dB带宽30-50nm，频带覆盖整个C波段和/或F波段。
6.根据权利要求4所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，背光探测器(102)采用锗硅工艺制作，与谐振器(108)的CMOS工艺兼容，带宽5MHz。
7.根据权利要求1所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，所述谐振器(108)还包括：
DFB谐振器或者DBR谐振器；或者，
集成有调制器和/或放大器的FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器。
8.根据权利要求7所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，所述FP谐振器、DFB谐振器或者DBR谐振器的有源区两侧均涂覆有高反射率的反射膜。
9.根据权利要求1所述的硅基集成可调谐激光器结构，其特征在于，硅基微环谐振器(101)为圆形或者椭圆形。
10.一种硅基集成可调谐激光器结构的控制方法，其特征在于，根据权利要求1-9任一所述的硅基集成可调谐激光器结构，完成封装并引出管脚TEC+(403)、管脚TEC-(404)、管脚LD+(405)、管脚LD-(406)、管脚MPD+(407)和管脚MPD-(408)，以及引出输出保偏光纤(409)，其中，控制芯片(402)连接并控制一个或者多个硅基集成可调谐激光器封装，控制方法包括：
控制电路(402)收到第i通道出光，且光中心频率为λset光功率为Pset的命令；
控制电路(402)根据所述λset设置第N通道TEC的电压为Vtec-N，其中，对应于可调谐激光器的各中心频率，在控制电路(402)的rom中存储有一组或者多组TEC电压；
控制电路(402)根据相应N通道的MPD反馈信号，监控当前出光功率Pnow；
控制电路(402)计算Pnow-Pset的绝对值abs(Pnow-Pset)，判断其是否满足小于或等于控制精度a；满足，则继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断；
若不满足，则控制电路(402)按照预设的步进长度Vstep，递增第N通道TEC的电压Vtec增加；并根据当前监控的出光功率Pnow重新判断abs(Pnow-Pset)的值是否变小；若abs(Pnow-Pset)减小，则继续增加Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a；若abs(Pnow-Pset)变大，则步进减小Vtec直至abs(Pnow-Pset)小于等于控制精度a，并继续监控当前出光功率Pnow和所述控制精度的判断。
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