CN101595410A - 多导向垂直堆栈中用于波长解复用的集成光学设备 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种集成光子设备，在由IH－V半导体构成的多导向垂直集成结构上实施，并以一个外延生长步骤生长，所述集成光子设备允许将在公共被动式波导内同向或双向传播的光学信号垂直和横向分裂成多个垂直集成的被动式或者主动式波长指定(wavelength designated)的波导，因此，使得在不同波长运行的波长指定波导被同一集成到相同的结构上，并连接到公用的被动式波导。在本发明的示范性实施例中，两个主动式波长指定波导中的每一个是激光器或者光电检测器，这两个主动式波长指定波导垂直集成在公共被动式波导上，其中该公共被动式波导连接到运行波长共用的输入/输出端口，从而形成单光纤、双波长接收器(两个波长指定的波导都是波导光电检测器)或者发射器(两个波长指定的波导都是边缘发射半导体注入式激光器)或者收发器(一个波长指定的波导是波导光电检测器，另一个是边缘发射半导体注入式激光器)。比现有技术有利的事，所提出的分裂和横向路由器允许减小迹线尺寸，同时大大改善设计柔性和/或器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及集成光子集成领域，更具体地说，涉及一种III-V复合半导体材料的光子集成电路(PIC)中的波分复用技术(WDM)。
背景技术
最近几年，我们已经看到，在带宽需求日益增长且竞争技术(例如，基于绞线铜缆、同轴电缆或者无线传输)基本不能进行传送的驱动下，光接入和局域网取得了快速的进步。通过光纤进行传输形成通信的通用方式，从长途到都会再到宽带接入网络，使得光学互联网大量出现、以及不同媒体流(例如，数据、声音和视频)汇集到在光域中传送给终端用户的互联网协议数据中。这在未来是对“最后一英里”瓶颈的耐久的解决方案，不仅可动态地增加网络容量，还能减少从光域到电域(反之亦然)的代价高昂的转换。
光纤深入渗透到接入网络要求非并行地大量配置光学传动设备(opticalgear)，这些光学传动设备驱动去向和来自互联网用户的流量。例如，必须在每个光学线路终端(OLT)/网络单元(ONU)处配置光学收发器，该光学收发器在一个波长接收下游信号，在另一个波长发送上游信号，两种波长共用相同的光纤。因此在制造这样的组件时的成本效益和数量的可扩展性正逐渐成为主要问题。业界普遍接受的是，直至光学收发器的大批量制造和其它大量采用的光学组件达到消费产品的成本效益和可扩展水平，光学互联网才会变成常用的服务。
在当前的光学组件制造范例的框架中，该问题的根本原因是劳动密集型光学校直和花费巨大的多重封装(multiple packaging)，其中该光学组件制造范例主要基于来自现货供应的独立式被动和主动光子器件的散装光学次模块(OSA)。这些不仅限制了成本效益，还严重限制了制造商提高产量、以及在制造时提供可扩展性的能力。解决方案是，减少OSA中的光学校直和封装内容，最终采用光子集成电路(PIC)技术代替光学模块，在光子集成电路中，光学电路的所有功能元件都单片集成到相同的基板上。接下来，采用平版印刷方式形成的自动被动式校直代替手动进行的主动光学校直，同时消除多重封装，使得能够基于现有的平面技术和晶圆制造技术，自动、大批量可扩展地量产复杂的光学组件。
在申请的上下文中，在光学传输系统中采用的单片PIC所选用的材料仍然是磷化铟(InP)和相关的III-V半导体，因为它们唯一允许在期望用于光学无线电通讯的频谱范围内运行的主动和被动器件被合并到相同的InP基板上。特别地，InP PIC可能是最大量采用的组件的成本效益和大批量可扩展性的解决方案的最好希望，该大量采用的组件是在1.3μm(上游)和1.5μm(下游)波长范围内运行的接入被动式光学网络的光学收发器，参见例如V.Tolstikhin(“Integrated Photonics：Enabling Optical Component Technologies for NextGeneration Access Networks”，Proc.Asia Optical Fiber Communication&Optoelectronic Exposition&Conference，October 2007).
在PIC中，每个半导体波导器件的功能都由其波段结构预先确定，特别是其导向层的带隙波长。因此，功能不同的器件必定由不同但兼容的半导体材料制成。这是基本的要求，对PIC的设计和制造有意义深远的影响。在PIC中集成多种功能可以用几种方式来实现，这些方式随着它们的设计柔性和/或制造复杂性而变化。多导向垂直集成(MGVI)技术就是这样的技术，其中，在外延生长的过程中，不同功能(因此由不同的材料构成)的光学波导中的一个单片集成在另一个上方。它具有柔性，因为不同的光学波导在垂直方向上是分开的，因此它们的导向层可以被单独设计。并且，它的制造相对简单，因为可以仅使用一个外延生长步骤和标准的半导体制造工艺来制造多功能PIC。成本效益的晶圆制造的设计柔性和适配性的组合使得MGVI成为用于大量生产高功能、便宜的光学组件的吸引人的通用集成技术。
另一方面，基于MGVI平台的PIC设计具有挑战性，因为必须通过光学信号在垂直堆栈的光学波导之间的可控转接，将MGVI结构上的不同垂直级别上的不同功能的波导元件组织到相同的光学电路上。接下来PIC在多个波长上运行使得问题进一步复杂化，每个波长在MGVI结构的某一垂直级别上的指定波导上被生成、处理或者检测，而所有的波长共用相同的输入/输出光学端口。特别地，需要一种光学设备，此处称为垂直波长(解)复用器(VWM)，它允许将不同波长范围的光学信号合并和分裂，这样，在使用时，每个特定波长范围的信号都从波长指定的(公共)输入波导转接到(该波长指定的)公共输出波导，而不会与其它波长指定的波导产生明显的干涉。另外，它应该紧凑、与PIC性能要求兼容，并且能够容忍制造工艺的变化。
早期的设计可以限定为VWM，它基于双导波结构，最初由Suematsu等人提出(″Integrated Twin-Guide AIGaAs Laser with Multiheterostructure”，IEEE J.Quantum Electron.，Vol.11，457-460页，1975)。这实际上是一个定向耦合设备，其中用透明薄层分开两个波导，这样，在使用时特定波长和极性的光学信号在两者之间转接，通过预定的传播距离，该传播距离对于光学信号的波长和极性来说是特定的。虽然非常简单，但是该设计只能在相对较窄的波长范围内运行，并具有很高的极性敏感度，这都与在垂直堆栈的波导之间传输的谐振耦合机制相关。
之后，采用波长选择的定向耦合器来进行垂直波长分离的想法已经受到更多的关注，并主要基于谐振耦合技术进行发展，例如谐振光栅辅助耦合(例如，R.C.Alferness等人，“Grating-assisted InGaAsP InP vertical co-direction coulperfilter”，Appl.Phys.Lett.，Vol.55，2011页，1989)或者谐振消逝场耦合。谐振消逝场耦合技术本身可以被划分为使用平面波导(例如，V.Magnin等人“Designand Optimization of a 1.3/1.55-μm Wavelength Selective p-i-n Photodiode Basedon Multimode Diluted Waveguide”，IEEE Photo.Technol.Lett.，Vol.17，No.，2，pp459-461，2005)、直脊形波导(例如，C.Wu，等人“A Vertically CoupledInGaAsP/InP Directional Coupler Filter of Ultra-narrow Bandwidth”，IEEE Photon.Technology Lett.，Vol.3，No.6，519-521页，1991)、以及锥形波导(例如，C.-W.Lee等人“Asymmetric Waveguides Vertical Couplers for Polarization-IndependentCoupling and Polarization-Mode Splitting”，J.Lightwave Technol.，Vol.23，No.4，1818-1826页，2005)的解决方案。
对谐振光栅辅助设计的分析表明，这些仅仅适用于窄波长传输频带的应用，并要求光栅设置在分离垂直集成的波导的层上。这排除使用一个步骤的外延生长，该一个步骤的外延生长是垂直集成平台的重要有益之处，允许采用该产量、低成本的方法在III-V半导体材料上制造组件。
在谐振消逝场耦合的设计中，垂直集成的波导之间的传输在沿传播轴在预定的距离发生，这个位置对于光学信号的波长和极性来说是特定的。这显著地限制了设计者设计全功能的光子电路，同时也将谐振消逝场耦合设计限制为仅为适用于窄带通应用。
此外，任何窄波长带通的设计都要求非常严厉的制造公差，即使是外延结构和/或器件的布局的微小变化，都可能导致中心波长移位到特定的带通之外，并致使组件对预定的应用来说不起作用。这会降低制造产量，因此增加性能兼容的PIC组件的制造成本。
最近，V.Tolstikhin等人已经提出了一种适用于MGVI平台内应用的VWM设计的普通方法(“Intergrated Vertical Wavelength(De)Multiplexer”美国专利申请11/882,126)，在该现有技术中，集成VWM根据公共波导和多个波长指定的波导之间的横向锥形辅助绝热转接的原理运行。所有的波导都是一个垂直集成在另一个的上方，并按照它们的导向层的带隙波长(下文称为“带隙波长”)上升的顺序一个接一个地定位，因此公共波导位于MGVI结构的底部，对应最长带隙波长的指定波导位于MGVI结构的顶部。对于共用公共波导的多个波长中的每一个波长来说，该公共和波长指定波导之间的波阻抗匹配在某一预定的距离发生，这样，在使用时，较长的波长在被绝热传输到它们的指定波导之前，在公共波导中传播。这通过操作多步横向锥度来实现，该横向锥度在每个波导级别上定义，并可从一个到另一个连贯调节，以按照某种预定的方法改变波导有效折射率，或者，换句话说，改变波导的波阻抗。
虽然可以通用、紧凑并且简单地制造VWM，其中VWM用于基于MGVI平台的PIC，但是上述集成波导设备具有实质上的局限性，也就是多步横向锥度，沿着传播方向可控波阻抗的改变所需的该设计的关键要素，可能并不一定与它们所设置的波长指定的波导的期望布局兼容。因此，有利的是，通过增加MGVI平台中的设计柔性，来提供消除了现有技术的约束的解决方案。这会进一步将它发展为基于一步外延生长和标准半导体制造工艺的通用PIC平台。
发明内容
发明目的
本发明的目的是MGVI平台中的VWM设计，该MGVI平台用于在多个波长范围(为了简洁起见，下文称为“波长”)内进行光学信号的可控、非谐振绝热转接，所述光学信号在公共波导中非定向或者双向传播到多个波长指定的波导，或者从多个波长指定的波导非定向或者双向传播到公共波导中，而不会与其它的波导产生显著的干涉，这样，在使用中，公共和所有波长指定的波导都形成于相同MGVI结构的不同导向层上，在一个外延生长步骤中单片集成到相同的半导体基板上，但是彼此独立最优化。
发明概要
根据本发明，所述VWM包括：半导体基板、以一个生长步骤生长于该基板上的外延半导体结构、带隙波长刚好位于任何运行波长以下的公共波导、以及具有不同带隙波长的多个波长指定的波导，在该外延结构中形成的所有波导都一个垂直集成在另一个的上方，并按照带隙波长上升的顺序一个接一个地定位，其中至少一个波长指定的波导设置有横向路由器，用于使其对应波长的光学信号改变方向，使该信号离开其它波长共用的光道，因此允许独立设计和优化这个(这些)指定波导的布局，这样，在使用中，多个波长范围内的光学信号可以在公共波导和多个指定波导中有效转接，而不会与其它的指定波导发生任何显著的干涉或者危及这个(这些)特殊的指定波导的性能。
在此公开的VWM中，导向光从公共波导到以横向重新定向为特征的波长指定的波导的转接在两个连续的步骤中发生。在第一步骤中，共用公共波导的多个波长中的其中一个波长的光学信号从这个波导垂直转接到其指定波导的导向层。
与现有技术的教导类似，参见V.Tolstikhin等人的(“Integrated VerticalWavelength(De)Multiplexer”，美国专利申请11882,126)这种转接的设计控制通过使用多步横向锥度来实现，在MGVI结构中的每一个导向级别定义，并设计用来确保公共波导和波长指定的波导在沿着传播方向的某一预定距离的波阻抗匹配，该预定距离对于多个运行波长中较短的波长会比较短，对于较长的波长会比较长。在第二步骤中，通过使用例如波导弯头、转向镜、角形反射器之类的元件或者任何其它可以被PIC设计者利用的合适波导设备，将已经垂直限制于其指定波导的导向层内的特定波长的光学信号横向转向以朝向该波导。
在类似的方式中，多个波长的光学信号从多个它们的指定波导到公共波导的转接也在两个连续的步骤中发生，第一，横向转向光学信号，同时继续将它们垂直限定在MGVI结构的对应导向层内；第二，通过垂直转接将光学信号从MGVI结构中它们的指定导向层转接到公共层。
VWM中的公共波导一直是被动波导，其带隙波长刚好小于在VWM中传播的光学信号的任何运行波长。由于它与指定的波导相关，这些波导可以是被动(波长指定显著小于带隙波长)或者主动(波长指定接近或者大于带隙波长)波导，或者是主动波导和被动波导的组合。通常，被动波导用于将PIC的输入/输出光学端口连接到PIC的其它部分，但是它也可以是另一个集成光子电路设备的一部分，例如，定向耦合器或者任何种类的平板解/复用器，这些设备在运行时不要求光电或者电光转换。通常，主动波导典型地包括带有较窄带隙本征区域的PIN异质结构，该本征区域同时用作光学波导的导向层；该主动波导用于提供光电或者电光转换，例如生成(激光)或者检测(光电探测器)光学信号。
当特征是横向转向的波长指定的波导是被动波导时，横向路由器可以设置在MGVI结构的与正在讨论的指定波导相同的导向层上。但是，当波长指定的波导是主动波导时，这可能会导致横向路由器中不可接受的高插入损耗。在这种情况下，比较有利的是，指定波导的导向层由两个垂直堆栈的导向层构成，其中下方的一层对于对应这个指定波导的波长(也就是，具有比这个指定波导的运行波长短的带隙波长)的光学信号来说是透明的。接下来，下部的导向层可以被用于形成波导路由器，用于将光学信号横向转向到它在上方导向层中形成的指定主动波导，而不会有或者仅有很少的损耗。
所述类别的最简单的集成光电设备是二波长VWM，其中在波长λ1和λ2(λ2＞λ1)(下文分别称为第一和第二波长)运行的两个指定波导垂直集成在相同的基板上，位于公共波导的上方，公共波导连接到公用的光学输入或输出端口，这样具有较长运行波长的公共波导(下文称为第二指定波导)与公共波导横向对齐但在垂直方向上分开，但是通过使用与VMGI结构设计兼容以及符合整体PIC性能要求的一个或者另一个的波导变更行程的技术方案，具有较短运行波长的指定波导(下文称为第一指定波导)与公共波导和第二波导在横向对齐但在垂直方向上分开。
在以下描述的二波长VWM的典型实施例中，两个指定波导都是主动波导，因此与公共和第二指定波导横向解耦(decouple)的第一指定波导具有双核导向层，这样下方的一个在该第一波长是透明的，可用来将这个波长的光学信号横向转向并使之离开公共和第二指定波导，几乎没有额外的损耗。本技术领域的人员将会很容易明白相同的设计和运行原理如何延伸到两个被动指定波导或者主动和被动指定波导任意组合的情况。
本发明中二波长VWM形式的第一实施例与MGVI结构相关，其中第一和第二指定波导都是光电检测器，因此能够实现在两个不同波长独立检测输入光学信号的单片集成的双色接收器。在这样的集成光子设备中，第一指定波导是与公共和第二指定波导横向分离的波导光电检测器，该第一指定波导的布局可以以任何可想到的方式进行优化，以得到例如，更高的设备响应度和/或速度，而不会影响第二指定波导的设计和性能。如果第一指定波导中的光电检测器不是横向分离的，不仅这样的优化是不可能的，并且通常设置在主动脊形波导上方的金属触片也会限制第二指定波导和作为整体的VWM的设计和优化。
在本发明的二波长VWM形式的第二实施例中，第一和第二指定波导都是边缘发射半导体注入式激光器，因此能够实现在两个不同波长独立生成输出光学信号的单片集成的双色接收器。在这样的集成光子设备中，第一指定波导是与公共和第二指定波导横向分离的边缘发射激光器，该第一指定波导的布局可以独立设计和优化，例如通过从激光脊上或者旁边的脊形表面蚀刻布拉格光栅，得到分布式的反馈/反射比，而不会影响第二指定波导的设计和性能。同样，如果第一指定波导中的光电检测器不是横向分离的，在激光脊上或者旁边蚀刻布拉格光栅的表面，以及脊上的金属触片，都将限制第二指定波导和作为整体的VWM的设计和优化。
在二波长VWM的第三实施例中，第一指定波导是光电检测器，第二指定波导是边缘发射半导体注入式激光器，因此能够实现单片集成的双向收发器，其中以较短的波长接收输入光学信号，以较长的波长发射输出光学信号。在λ1＝1310nm且λ2＝1490nm的特定情况下，这个实施例涉及时分复用(TDM)光纤到户(FTTH)被动式光学网络(PON)内的OLT设备的单光纤双向光学收发器。如以上所述的第一示范性实施例，第一指定波导，即与公共和第二指定波导横向分离的光电检测器，的布局可以独立设计和优化，而不会影响第二指定波导即激光器的设计和性能。
在二波长VWM的第四实施例中，第一指定波导是边缘发射半导体注入式激光器，第二指定波导是光电检测器，因此能够实现单片集成的双向收发器，其中以较短的波长发射输出光学信号，以较长的波长接收输入光学信号。在λ1＝1310nm且λ2＝1490nm的特定情况下，这个实施例涉及TDM FTTH PON内的ONU设备的单光纤双向光学收发器。如以上所述的第二示范性实施例，第一指定波导，即与公共和第二指定波导横向分离的激光器，其布局可以独立优化，而不会影响第二指定波导即光电检测器的设计和性能。
对本技术领域的人员来说显而易见的是，波导光电检测器和边缘发射半导体注入式激光器的其它组合也可能用来分别接收和发射光学信号，这些可能的组合在于运行波长、以及具有多波长的复杂性扩展等方面。对本技术领域的人员来说显而易见的是，除了接收和发射，与VWM集成的光学功能也可以扩展到包括，但不限于，放大、衰减、切换和路由。用这种方式，VWM可形成MGVI平台内PIC设计的通用构建模块。
附图说明
现在将结合以下的附图描述本发明的示范性实施例，其中：
图1示出了二波长VWM形式的现有技术，该VMW具有一个公共被动和两个波长指定的主动波导，Tolstikhin等人(“Integrated Vertical Wavelength(De)Multiplexer”，美国专利申请11/882,126)；
图2给出了本发明具有一个公共和两个波长指定波导的二波长VWM形式的实施例的三维示意图，其中第一指定波导在垂直和横向上与公共和第二指定波导分离，其中采用波导弯头来实现第一(较短的)波长的横向转向；
图3示出了本发明的第一实施例中与第一(较短的)波长在与二波长VWM中的公共波导垂直分离后的横向转向相关的方面，其中采用波导弯头来实现横向转向；
图4a示出了两种运行波长λ1和λ2(λ1＜λ2)的光学导向模型的模拟二维轮廓，位于图3所示的VWM的起始处的公共波导中，并具有表1详细描述的示范性层结构；
图4b示出了两种运行波长λ1和λ2(λ1＜λ2)的光学导向模型的模拟二维轮廓，位于图3所示的VWM中部，并具有表1详细描述的示范性层结构；
图4c示出了两种运行波长λ1和λ2(λ1＜λ2)的光学导向模型的模拟二维轮廓，位于图3所示的VWM尾端，并具有表1详细描述的示范性层结构；
图5示出了本发明的第二实施例中与第一(较短的)波长在与二波长VWM中的公共波导垂直分裂后的横向转向相关的方面，其中采用波导弯头来实现横向转向，在靠近波导弯头处附带有反射深蚀刻槽；
图6示出了本发明的第三实施例中与第一(较短的)波长在与二波长VWM中的公共波导垂直分裂后的横向转向相关的方面，其中采用波导弯头来实现横向转向，在靠近波导弯头处附带有浅蚀刻横向反谐振反射光学波导(ARROW)结构；
图7示出了本发明的第四实施例中与第一(较短的)波长在与二波长VWM中的公共波导垂直分裂后的横向转向相关的方面，其中采用浅蚀刻全内反射(TIR)镜来实现横向转向。
具体实施方式
现在教导性地开始详细描述本发明的实施例，并回顾根据Tolstikhin(美国专利申请...)的现有技术中二波长VWM的结构和运行原理。参照图1示出了这种集成光子设备的三维截面示意图，其特征是一个公共被动波导110和两个波长指定的主动波导111和112，所有的波导垂直集成在相同的半导体基板上(未图示)，并且由纵向(也就是，在传播方向上)的半导体处理步骤来区分。在这个MGVI设备中，每个波导都具有自己的导向层，该导向层由带隙波长λG定义，该带隙波长大于周围的覆层的波长。被动波导的导向层中的带隙波长λG0小于第一波长指定的导向层中的带隙波长λG1，该带隙波长λG1反过来小于第二波长指定的导向层中的带隙波长λG2，也就是λG0＜λG1＜λG2。设定以波长λ1和λ2(其中前者小于后者，也就是λ1＜λ2)为中心的两种运行波长范围均大于公共波导的导向层中的带隙波长，并接近或者小于它们对应的指定波导的导向层的带隙波长，也就是λG0＜λ1(2)≤λG1(2)。
在图1所示的MGVI结构中，在任何运行波长，这三个波导110-112中的导向层都有高于相邻覆层的折射率，这是这个层内部或周围的光场垂直限制的条件。虽然是必须的，但是这个条件并不足以使这样的限制发生。导向层支持受导向模型的能力也取决于波导的横向结构。特别地，由垂直蚀刻横向形成的脊形波导中的所述导向层支持至少一个受导向模型，如果蚀刻在这个层(位置(situation)，下文称为“浅蚀刻脊形波导”或者“浅蚀刻”)之上停止，但是不支持任何受导向模型，如果蚀刻通过这个层(位置，下文称为“深蚀刻脊形波导”或者“深蚀刻”)，并且脊形的宽度w窄于某一临界的截止宽度wCO。最后的参数取决于波长，因此在由与InP相关的III-V半导体材料构成的MGVI结构中，对于给定的层结构和波导布局来说，wCO(λ)对于较短的λ来说比比较窄，对于较长的λ来说比较宽。这允许波长敏感导向，对于给定的脊形宽度w，根据截止状况wCO(λC0)＝w确定的波长短于λC0的光场被导向，而波长长于λC0的光场不会被导向。
在图1所示的波导设备中，第一深蚀刻的横向指定脊形波导的基础模型的截止波长大于第一波长λ1但小于第二波长λ2，也就是λ1＜λCO1＜λ2，但是第二深蚀刻的指定脊形波导的基础模型的截止波长大于第二波长λ2，也就是λCO2＞λ2。第一和第二主动波导实际上可以在它们的导向层中，这些层作为深蚀刻脊形的一部分出现且脊形的宽度大于脊形的截止宽度处并可主动为光学域导向。因此，根据Tolstikhin(美国专利申请...)，通过使主动波导脊形出现横向锥度，可沿着传播方向的预定距离，产生使得第一和第二运行波长λ1和λ2的光学模型被分别耦合到第一和第二主动波导的必要和充分条件。
根据该教导设计的层结构和波导布局可得到单片集成的VWM，其中处于不同波长范围的两种光学信号在公共被动波导中同向或者双向传播，如输入信号110所示，这两种光学信号可以被垂直分裂为两个波长指定的波导，由信号111和信号112表示。虽然这是在MGVI环境中进行波长解复用的非常通用的方法，但是对本技术领域的人员来说显而易见的是，这将第一指定波导的布局设计限制为符合深蚀刻横向锥度所要求的性能，该深蚀刻横向锥度与第一主动波导形成于相同的级别上。具体地，在第一指定波导的整个长度上，在第一波长运行的第一深蚀刻指定波导的宽度应该保持位于第二波长的截止宽度値之下，也就是λ2＜λCO1(λ2)。这很难实施，如果第一指定波导必须具有低阻抗顶部触片和/或在脊形顶部或旁边表面蚀刻的光栅和/或该指定波导设计所要求的类似特性的任何其它特征。本技术领域的人员还会明白，第二波长112的传递将不会被绝热耦合，直至与第一指定波导111相关的所有功能元件，例如顶部触片或者顶部/一侧的光栅已经实现，这导致结构很长，从而限制了每个晶圆上的裸片数，增加了组件成本。
该问题的解决方案在图2中示出，图2给出了本发明第一实施例中具有一个公共和两个波长指定波导的二波长VWM 200形式的实施例的三维示意图。虽然这种波导设备的底部类似于图1所示的现有技术，但是这两者在设计和运行原理上有根本的不同。
设计方式，MGVI结构的不同之处在于第一指定波导的导向层包括两层，每层都能够支持第一运行波长的导向模型，其中下部核心层对于这个波长是透明的(也就是，由带隙波长刚好高于第一运行波长的半导体材料制成)。另一个设计区别是，波导路由器设置在第一指定波导的导向层的下部核心，并且是横向的，这样一旦第一(较短)运行波长中的光学信号与第二(较长)运行波长内的光学信号垂直分裂，并耦合到这个层内，它就可以横向转向离开公共和第一指定波导。虽然横向路由器的实际设计可以变化，但在任何实施例中，在此公开的VWM的角色都是相同的：在第一和第二运行波长中的光学信号已经被垂直分离后，将它们横向分离。这允许第一和第二主动波导的布局设计独立于彼此进行优化，从而改善了VWM和整个PIC的设计柔性，该PIC可能只是其中的一部分。对本技术领域的人员来说显而易见的是，第一运行波长最终的分离允许其指定波导的功能元件在用于实施第二绝热耦合器和第二指定波导的功能元件的相同纵向迹线内实现。这样二步VWM 200短于现有技术中功能类似的一步VWM，增加了每个晶圆的裸片数量，减少了组件成本，并增加了电学互联、组件布局等的柔性。
在运行原理方面，图1和图2所示的两种波导设备的区别在于，前者中，第一和第二运行波长中的光学信号之间的空间分离仅通过垂直分裂的方式来实现，但是在后者中，两种波长之间的空间分离结合了垂直分裂和横向路由：前者，通过现有技术中Tolstikhin(美国专利申请...)等人描述的类似处理，后者，通过使离开被动波导的第一(较短)波长横向转向且仍然限制第二(较长)波长来实现。这减少了第二波长与第一指定波导之间的干涉，改善了VWM和整个PIC的设计柔性，该PIC可能只是其中的一部分。
图2示出了通用的二步VWM设计的关键元件，其中图示的二波长器件200包括公共被动波导210、第一指定主动波导220、第二指定主动波导230、以及二步横向锥部240和250，用于将第二波长的光学信号从被动波导210可控绝热转接到第二指定波导230内。图2所示的特定实施例中，用于使离开被动波导的第一波长横向转向且仍然限制第二波长的横向路由器以波导弯头260的形式实施。
图3所示是二波长VWM 300形式的本发明的第一实施例，它采用波导弯头，用于使第一波长在与第二波长垂直分离后横向转向。弯头设计的主要要求是低损耗和紧凑，这两者并没有明显结合，因为弯头的曲率越高，传播通过弯曲的波导部分的光学信号所受到的辐射损耗越高。但是，满足这些要求并与VWM的脊形波导布局兼容的小型波导弯头设计的可行性已经被许多现有技术证实。例如，L.H.Spiekman等人“Ultra Small waveguide bens：the corner mirrorof the future？”IEE-Proc.-Optoelectronics，Vol.42，61-65页(1995)。
图3所示的波导设备的示范性MGVI层结构在表1中示出，它设计在波长λ1＝1310nm且λ2＝1490nm运行，并且在在InP基板上一步外延生长的基于InP材料的系统内实施。
表1：图3所示的二波长VWM 300的被动部分的示范性结构
如上所列，二波长VWM300的被动光道包括：
a.公共波导，包括层0至2，由带隙波长刚好低于运行波长λ1和λ2的材料制成，设计用于减小这些波长的传播损耗，同时提供至双核第一指定波导的下部导向层的完全渐逝场耦合(sufficient evanescent-field coupling)，该下部导向层在下文也被称作“转接波导”；以及
b.转接波导，层4-6，在两种运行波长均为透明，因此由带隙波长刚好低于运行波长λ1和λ2的材料制成，设计用于耦合这些波长的每一个中公共波导的渐逝场，这样，在使用中，转接波导层可被用于形成公共波导的浅蚀刻脊、以及转接波导的深蚀刻脊。
第一和第二主动波导220和230分别设计用于在第一和第二波长运行，它们生长在表1所列的VWM的被动部分的顶部。对于特征是两个主动波长指定的波导的上述二波长VWM的四个实施例中的每一个来说，假定λ1小于或者接近第一指定波导λG1的上部导向层220的带隙波长，λ2小于或者接近第二指定波导λG2的上部导向层230的带隙波长，但是大于λG1，也就是λ1≤λG1＜λ2≤λG2，λG1。
图3所示且基于表1所述的示范性MGVI结构的波长设备的横向特征，例如导向、锥度、和弯曲全部都由标准的半导体蚀刻工艺来形成，脊形结构从层6的顶部表面开始，通过整个转接波导堆栈，并在通过蚀刻停止层3之后结束。半导体波导设计领域的人员应该明白，基于实现所要求导向特性的不同材料系统(例如，AIGaInAs-InP或者AIGaAs-GaAs)和方法，可以有许多其它的解决方案。例如，可设计均匀透明光学层，其可由交替低、高反射率的材料以适当调节的厚度制成，以达到有效折射率的期望値，来代替很难以要求的材料成分和厚度生长的类似光学性能的均匀材料。
下面将参照图4a、4b和4c描述所有VWM的普遍运行原理，图4a、4b和4c分别示出了图2和3所示的二波长VWM实施例200和300的数学模拟结果。它们全都采用波导弯头作为VWM的横向路由元件。模拟中所采用的层结构如以上的表1所示。图4a-4c所示的是图3示出的波导设备的不同横截面的光场的二维轮廓。
在二波长VWM 300连接到两种运行波长公用的输入/输出端口的一端，在结构底部的公共波导中每种光学信号都被限制。这可从图4看出，图4示出了图3所示结构的底部左侧横截面X-X的光学模型的二维场轮廓。被动波导的垂直限定由导向和相邻层0-2的合适设计来保证，但是横向限定由如转接波导层4-6所形成的浅脊部来实现。在每种波长下，公共波导都是透明的，仅支持一种二维模型；该模型的场轮廓在两种波长下非常类似，因此它们在视觉上无法区分。
公共波导的垂直限定被选择为相对较弱，这样，在使用中，首先耦合到转接波导层4-6所形成的浅脊部的垂直模型的渐逝场能够横向导向，并且能够通过绝热调节脊部的宽度，有效控制横向导向。在被动式波导截面X-X，脊部设计得足够宽，以确保被垂直限定在导向层内部和周围的光学信号的横向导向，但是同时，脊部设计得足够窄，以防止每种运行波长的光学场垂直限定在转接波导中。通过使脊部向上逐渐变细，对于较短的波长λ1来说可以改变这些状况，但是对于较长的波长λ2仍然保持不变，因此在脊部的某一宽度，前者绝热传输到转接波导450b，而后者仍然被限定在公共波导440中。这种转接机制类似于现有技术中Tolstikhin(美国专利申请...)所描述的机制，并且基于以波长选择的方式来控制垂直堆栈的波导之间的垂直转接的能力，其中设定波导模型经历正常的波长弥散，并以带隙波长在它们的导向层内的上升顺序设置。
绝热转接的结果在图4b中示出，图4b给出了图3所示波导设备的准三维视图沿着Y-Y截面方向、光场在第一(较短)波长和第二(较长)波长时的二维模型轮廓，其中基于表1的层结构，通过数学模拟得到图3所示的波导设备。从这个截面中很清楚地看到，较长波长的光场(左)仍然保持主要定域在被动波导，但是较短波长的光场(右)已经耦接到转接波导。换句话说，截面Y-Y示出了两种运行波长之间的完全垂直的波长分裂，这通过脊部350的绝热锥度来实现。
一旦波长被垂直分裂，通过使用一个或者另一个机制使垂直或者横向限定在转接波导中的第一波长的光转向，而第二波长不受影响，它们也可以被横向分离。在图3所示的示范性实施例中，通过使用插入转接波导的两个笔直部分350b和350d之间的波导弯头350c来实现。
为了为第二波长提供横向导向但仍然垂直限定在公共波导的导向层中，形成与公共波导同向的转接波导的另一部分。它从朝向第二指定波导扩展的横向锥度360a开始，该第二波导被设计用于将第二波长绝热耦接到附加的转接波导360b，并确保朝向第二指定波导低损耗传播。一旦第二波导被耦接到附加转接波导360b的笔直部分，这两个波长就在横向上彼此完全分离。
上述处理的结果在图4c中示出，图4c给出了图3所示波导设备的准三维视图沿着Z-Z截面方向、光场在第一波长和第二波长时的二维模型轮廓，其中基于表1的层结构，通过数学模拟得到图3所示的波导设备。很明显，在这点上，较长波长(左)的光场刚好耦接到转接波导层形成的附加脊部，并且，同时，与几乎全部限定在这些层内的较短波长(右)的光场横向分离。因此，两种波长完全在空间上分离，但是它们中的每一个都垂直和横向限定在通过它们的指定波导/从指定波导来的转接波导中。
波束传播模拟基于多层异质结构的光学特性的精微计算，例如，如Tolstikhin在“Optical properties of semiconductor heterostructure for activephotonic device modeling，”J.Vac.Science&Technology A，Vol.A 18，605-609页，2000中所述，该波束传播模拟表明两种波长中每一种的插入损耗都可以被降低到刚好低于1dB。例如，对于基于表1的层结构建模的二波长VWM 300，从公共波导转接到其指定波导的较长波长所经历的端对端插入损耗可以被降低到大约0.5dB。因此，可以以相当低的插入损耗实现二波长VWM 300的空间波长分离，这确实是本发明的另一个优点。
对本技术领域的人员来说显而易见的是，除了转接波导弯头，也可能采用其它机制，在第一(较短)波长被从公共波导到转接波导的绝热转接从第二(较长)波长分裂后，使第一波长横向转向。本技术领域的人员也会明白，虽然在运行中二波长VWM 300作为二波长分裂器进行描述，但是，其它实施例也是可能的。例如，在每个部分360b和360d之后设置波导光电检测器，形成二波长VWM接收器，如在本发明的第一实施例中所述。反向运行该结构，则会形成二波长合并器，这样两个边缘发射半导体注入式激光器被组合到二波长VWM发射器，如本发明的第二实施例所述。此外，采用波导光电检测器的一种波长和采用边缘发射半导体注入式激光器的另一种波长则形成二波长VWM双向收发器，如本发明的第三和第四实施例所述。
图5示出了与本发明的横向路由器方面有关的第二实施例，其中二波长VWM 500的转接波导510c的波导弯头部分还带有弯曲的深槽510d，该深槽510d被蚀刻在波导弯头的附近，因此，在使用中，它为在其中传播的波导模型提供了附加的横向限定，因此减少了从转接波导的弯曲部分的泄露，从而改善了第一波长的插入损耗。急剧弯曲的波导弯头和弯曲的槽，与图5所示类似，在现有技术中已经被证明是波导弯头中发生的泄漏问题的有效解决方案，例如，参见Seo等人(“Low Transition Losses in Bent Rib Waveguides”，J.LightwaveTechnology，Vol.14，No.10，2255-2259，1996)。相同特性的更多改进可通过在波导弯头的内侧或/和外侧增添连续/分段的槽来实现。
现在参照图6，示出了本发明的横向路由器的第三实施例，其中第一波长的横向转向仍然通过弯曲转接波导610c来实现，但是横向箭头(ARROW)结构610e至610g被用作附加特征，用于减少光学模型在转接波导的弯头部分的泄漏，该横向箭头(ARROW)结构610e至610g由靠近波导弯头的半导体蚀刻处理形成。横向箭头(ARROW)结构610e至610g的设计和运行原理刚好在现有技术中描述，参见例如Galarza等人(“Simple low-loss waveguide bendsusing ARROW effect”，Appl.Physics B，Vol.80 745-748页，2005)。弯曲的横向箭头结构附加在波导弯头的外侧，允许更高的弯曲曲率，而不会有额外的损耗，因此，能够实现更小的迹线设计。
图7示出了本发明的横向路由器的第四实施例，其中二波长VWM的第一波长的横向转向与蚀刻在转接波导710b和710c之间的两个笔直部分的带角槽710e中的TIR相关。使公共和第一指定波导之间的被导向光学信号转向的横向波导路由器由TIR镜710e和图7所示的波导弯头710d组成，或者是TIR镜和波导弯头的另一个组合，其中这两个元件以相对于传播方向相反的顺序定位，或者是两个TIR镜的另一个组合，一个TIR镜710e如图7所示，另一个代替波导弯头710d。
对本技术领域的人员来说显而易见的是，两种波长可能在上述的每一个二波长VWM 300、500、600、700的被动式波导光道中同向和双向传播，这能够分别实现波长分裂和结合功能。用这种方式，本发明的横向路由器的每个实施例300、500、600、700可以被用于形成二波长接收器或发射器或收发器的VWM。
此外，对本技术领域的人员来说显而易见的是，二波长VWM形成多波长电路的构建模块，其中多VWM元件可以被用于从/向公共传输信道中提取和/或添加多波长或波长带。虽然实施例是参照二波长接收器、发射器和双向收发器进行了描述，但是本发明的VWM可以被用于要求这样性能的任何其它PIC，例如，波长选择开关或可重新配置的光学分插复用器。还可以构思，在某些光子电路中，可以继续设置多VWM元件，可选择地在两者之间插入半导体放大器，用于补偿插入损耗。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以构思许多其它实施例。
Claims (24)
1、一种可在III-V半导体材料系统中实施的集成光子设备，其特征在于，包括：
半导体基板，所述基板用于支持外延半导体生长；
生长于所述半导体基板上的外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个生长步骤生长且包括公共指定波导，所述公共指定波导位于所述外延半导体结构的底部并用于支持光学信号在预定的第一波长范围内传播；
多个波长指定的波导中的至少一个，所述多个波长指定的波导位于所述公共指定波导上方，所述多个波长指定的波导按照波长带隙增加的顺序垂直设置，且每一个都支持预定的第二波长范围，所述预定的第二波长范围中的每一个都位于预定的第一波长范围内；
所述多个波长指定的波导的其中一个的至少一部分包括垂直-横向分裂器，所述垂直-横向分裂器包括垂直元件，用于将所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围内的光学信号从公共指定波导耦接到所述多个波长指定的波导的其中一个，以及横向元件，用于横向路由所述垂直耦接的光学信号，其中所述公共指定波导与所述多个波长指定波导的其中一个的垂直元件光学对准并沿着公共的传播方向形成。
2、根据权利要求1所述的集成光子设备，其特征在于，所述垂直-横向分裂器形成所述预定第二波长范围内的光学信号的波长复用器、光学功率分裂器、以及波长解复用器中的至少一个。
3、根据权利要求1-2中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述公共指定波导的带隙波长低于所述多个波长指定波导的任何预定第二波长范围至少第一预定波长偏移量。
4、根据权利要求1-3中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导的其中一个的带隙波长高于所述多个波长指定波导之前的波长指定波导的预定第二波长范围，所述之前的波长指定的波导是所述多个波长指定波导的其中一个，其垂直设置在所述选择的波长指定波导的下方、靠近它并距离第二预定波长偏移量。
5、根据权利要求1-4中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导的其中一个的带隙波长低于所述多个波长指定波导之后的波长指定波导的预定第二波长范围，所述之后的波长指定的波导是所述多个波长指定波导的其中一个，其垂直设置在所述选择的波长指定波导的上方、靠近它并距离第三预定波长偏移量。
6、根据权利要求1-5中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，对于耦接到所述公共指定波导并在其中传播的光学信号，所述光学信号具有预定第一波长范围的运行波长，并被绝热传输到所述多个波长指定波导的其中一个的垂直-横向分裂器的垂直元件，而不会与所述多个波长指定波导的任何其它波长指定波导发生干涉，所述多个波长指定波导的其中一个被绝热传输到所述光学信号的运行波长选择的波长指定波导；其中所述光学信号的运行波长因此位于它被绝热传递到的所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围内。
7、根据权利要求1-6中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导的其中一个中生成的发射光学信号从垂直-横向分裂器的垂直元件被绝热传输到公共指定波导，而不会与所述多个波长指定波导的任何其它波长指定波导发生干涉，所述发射信号位于所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围以及所述预定第一波长范围内，并在所述第一垂直-横向分裂器的第二元件、所述第一垂直-横向分裂器的第三元件、以及光学耦接到所述第一垂直-横向分裂器的第三元件的光学电路中的至少一个中生成。
8、根据权利要求1-7中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导的每一个都可被配置为光学发射器、可变衰减器、可传输波导、可变光学放大器、以及光学检测器中的至少一个。
9、根据权利要求1-8中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导中的至少一个波长指定波导可根据应用于该波长指定波导的偏置电平，被配置为光学发射器和光学检测器。
10、根据权利要求1-9中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述多个波长指定波导中的每一个都被配置为光学发射器和光学检测器中的至少一个。
11、根据权利要求1-10中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述垂直-横向分裂器的垂直元件至少包括锥形部。
12、根据权利要求1-11中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述垂直-横向分裂器的横向元件包括以下中的至少一个：直波导、转向镜、反射镜、锥形部以及弯曲的波导。
13、根据权利要求1-12中任一项所述的集成光子设备，其特征在于，所述垂直-横向分裂器的横向元件包括以下中的至少一个：沿着所述横向元件的一条边的至少一部分以预定距离设置的槽、沿着所述横向元件的一条边的至少一部分以预定距离设置的至少一系列槽、蚀刻在所述横向元件的至少一部分上的垂直刻面、以及沿着所述横向元件的一条边的至少一部分设置的防谐振反射光学波导结构。
14、一种提供光学组件的方法，其特征在于，包括：
提供生长于半导体基板上的外延半导体结构，所述外延半导体结构以一个生长步骤生长；
提供公共指定波导，所述公共指定波导位于所述外延半导体结构的底部并用于支持光学信号在预定的第一波长范围内传播；
提供多个波长指定的波导中的至少一个，所述多个波长指定的波导的每一个都位于所述公共指定波导上方，所述多个波长指定的波导按照波长带隙增加的顺序垂直设置，且每一个都支持预定的第二波长范围，所述预定的第二波长范围中的每一个都位于预定的第一波长范围内；
在所述多个波长指定的其中一个的至少一部分内提供垂直-横向分裂器，所述垂直-横向分裂器包括垂直元件，用于将所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围内的光学信号从公共指定波导耦接到所述多个波长指定的波导的其中一个，以及横向元件，用于横向路由所述垂直耦接的光学信号，其中所述多个波长指定波导的其中一个的垂直元件与所述公共指定波导光学对准并沿着公共的传播方向形成。
15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供所述垂直-横向分裂器包括提供所述预定第二波长范围内的光学信号的波长复用器、光学功率分裂器、以及波长解复用器中的至少一个。
16、根据权利要求14-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述公共指定波导的带隙波长低于所述多个波长指定波导的任何预定第二波长范围至少第一预定波长偏移量。
17、根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个波长指定波导的其中一个的带隙波长高于所述多个波长指定波导之前的波长指定波导的预定第二波长范围，所述之前的波长指定的波导是所述多个波长指定波导的其中一个，其垂直设置在所述选择的波长指定波导的下方、靠近它并距离第二预定波长偏移量。
18、根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其特征在于，所述多个波长指定波导的其中一个的带隙波长低于所述多个波长指定波导之后的波长指定波导的预定第二波长范围，所述之后的波长指定的波导是所述多个波长指定波导的其中一个，垂直设置在所述选择的波长指定波导的上方、靠近它并距离第三预定波长偏移量。
19、根据权利要求14-18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将光学信号耦接到所述公共指定波导并在其中传播，所述光学信号具有预定第一波长范围的运行波长，并被绝热传输到所述多个波长指定波导的其中一个的垂直-横向分裂器的垂直元件，而不会与所述多个波长指定波导的任何其它波长指定波导发生干涉，所述多个波长指定波导的其中一个被绝热传输到所述光学信号的运行波长选择的波长指定波导；其中所述光学信号的运行波长因此位于它被绝热传递到的所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围内。
20、根据权利要求14-19中任一项所述的方法，其特征在于，在所述多个波长指定波导的其中一个中生成发射光学信号，所述发射光学信号从垂直-横向分裂器的垂直元件被绝热传输到公共指定波导，而不会与所述多个波长指定波导的任何其它波长指定波导发生干涉，所述发射信号位于所述多个波长指定波导的其中一个的预定第二波长范围以及所述预定第一波长范围内，并在所述第一垂直-横向分裂器的第二元件、所述第一垂直-横向分裂器的第三元件、以及光学耦接到所述第一垂直-横向分裂器的第三元件的光学电路中的至少一个中生成。
21、根据权利要求14-20中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述多个波长指定波导的每一个包括提供波长指定波导，包括光学发射器、可变衰减器、可传输波导、可变光学放大器、以及光学检测器的其中至少一个。
22、根据权利要求14-21中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述多个波长指定波导中的至少一个波长指定波导包括根据应用于该波长指定波导的偏置电平，提供被配置为光学发射器和光学检测器的波长指定波导。
23、根据权利要求14-22中任一项所述的方法，其特征在于，提供所述垂直-横向分裂器包括提供至少一个垂直单元和横向单元，所述垂直单元包括至少第一锥形部，所述横向单元包括：直波导、转向镜、反射镜、第二锥形部以及弯曲的波导中的至少一个。
24、根据权利要求14-23中任一项所述的方法，其特征在于，所述垂直-横向分裂器的横向元件包括以下中的至少一个：沿着所述横向元件的一条边的至少一部分以预定距离设置的槽、沿着所述横向元件的一条边的至少一部分以预定距离设置的至少一系列槽、蚀刻在所述横向元件的至少一部分上的垂直刻面、以及沿着所述横向元件的一条边的至少一部分设置的防谐振反射光学波导结构。
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