集成波长锁定器制造技术

描述了包括不对称Mach‑Zehnder干涉仪(AMZI)和相关检测器的集成波长锁定器的各种配置。各种实施例通过使用AMZI中的主动调谐元件以实现具有高锁定灵敏度的操作位置、使用相干接收机来降低锁定灵敏度的频率依赖性和/或使用温度传感器和/或张力计来计算地校正温度或张力改变的影响来提供改进的波长锁定精度。

Integrated wavelength locker

Describes the Mach including asymmetric Zehnder interferometer (AMZI) detector and related integrated wavelength locking various configuration. Various embodiments by using active tuned components in AMZI to achieve a high sensitivity of the lock operating position and use coherent receiver to reduce the sensitivity of the lock frequency dependence and / or use the temperature sensor and / or tensiometer to calculate correction effect of temperature or tension change to provide improved accuracy of wavelength locking.

【技术实现步骤摘要】
集成波长锁定器优先权本申请要求于2016年10月10日提交的美国临时申请序列号62/406,351和2017年8月29日提交的美国申请序列号15/689,319、15/和15/的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本公开大体上涉及用于光子集成电路(PIC)的波长锁定器，更具体地涉及集成波长锁定器。
技术介绍
光通信链路通常需要指定网格内的光波长对准。为此目的，已经使用体光学或光纤耦合的单标准具外部波长锁定器来提供波长参考；然而，这些外部锁定器往往是昂贵的，具有大的体积(例如，大于100mm3)，并且限制了PIC的架构。在晶圆级芯片上制造的集成波长锁定器是非常期望的，因为它们需要更少的体积，可以以高容量低成本与其他集成的光子组件一起被制造，并且使能更多功率效率的PIC的功能架构。然而，传统的集成波长锁定器的性能对于许多产品来说是不够的。例如，制造改变可以降低锁定灵敏度和/或其可预测性，并且制造后施加的温度波动和张力可以降低锁定精度。附图说明图1是根据各种实施例的示例波长锁定系统的示意图。图2A是根据各种实施例的包括不对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)和单个检测器的示例波长锁定器的示意图。图2B是根据各种实施例的针对图2A所示的波长锁定器测量的作为频率的函数的光电流的曲线图。图2C是根据各种实施例的包括具有平衡接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。图2D是根据各种实施例的针对图2C的波长锁定器测量的作为频率的函数的单个和平衡光电流的曲线图。图2E是根据各种实施例的包括具有主动调谐元件和平衡接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。图3A是根据各种实施例的包括具有90度混合接收机的AMZI的示例波长锁定器的示意图。图3B是根据各种实施例的针对图3A的波长锁定器测量的作为频率的函数的单个同相和正交光电流曲线图。图3C是根据各种实施例的针对图3A的波长锁定器测量的作为频率的函数的平衡同相和正交光电流的曲线图。图3D是根据各种实施例的从图3C的测量的同相和正交光电流计算的作为频率的函数的AMZI滤波器相位的曲线图。图4A是根据各种实施例的包括粗略滤波器和精细滤波器的波长锁定器的示意图，粗略滤波器和精细滤波器各自包括具有90度混合接收机的AMZI。图4B是根据各种实施例的包括粗略滤波器和精细滤波器的波长锁定器的示意图，粗略滤波器和精细滤波器各自包括具有一个干涉仪臂中的主动调谐元件的AMZI。图5A是根据各种实施例的针对基于硅/氮化硅(Si/SiNx)的无热AMZI分别在30℃、53℃和85℃的温度下的作为相对波长的函数的滤波器传输的曲线图。图5B是根据各种实施例的基于Si/SiNx的无热AMZI的依赖于波长的残余无热性的曲线图。图6是根据各种实施例的针对一定范围的温度和波长的基于Si/SiNx的无热AMZI的残余无热性的无热性的曲线图。图7A是图示根据各种实施例的用于校准具有相干接收机的集成波长锁定器的示例方法的流程图。图7B是图示根据各种实施例的用于操作具有相干接收机的集成波长锁定器的示例方法的流程图。图8A是图示根据各种实施例的用于校准具有包括一个干涉仪臂中的加热器的AMZI的集成波长锁定器的示例方法的流程图。图8B是图示根据各种实施例的用于操作具有包括一个干涉仪臂中加热器的AMZI的集成波长锁定器的示例方法的流程图。图9是图示根据各种实施例的制造和组装多芯片集成波长锁定模块的示例方法的流程图。图10A是根据各种实施例的在绝缘体上硅(SOI)衬底上具有集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图。图10B是根据各种实施例的在化合物半导体衬底上具有集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图。图10C是根据各种实施例的具有图10A的集成波长锁定器的PIC的示例实现的示意性横截面图，其进一步示出了用于加热器和传感器的金属沉积物。图10D是根据各种实施例的包括PIC和电子控制芯片的多芯片模块的简化示意性横截面图。具体实施例在各种实施例中，本公开提供拥有改进的操作性能并且适用于在宽环境温度范围和标准封装环境中使用的集成波长锁定器的配置、制造方法、和操作方法。通常，根据本文，片上光源(例如，激光或可调谐发光二极管(LED))的频率(以及波长)被“锁定”，即被设置为基于例如用一个或多个光检测器测量的片上AMZI的周期性频率依赖的光响应的期望的“锁定位置”。在AMZI的输出处的响应的灵敏度(本文也称为“锁定灵敏度”)通常是频率依赖的，而AMZI可以被设计成在给定的锁定位置(或等同地，锁定频率)处的最大灵敏度，制造变化可能导致最大锁定灵敏度的频率偏移，从而降低在期望的锁定频率处的灵敏度。各种实施例对锁定灵敏度中的这种劣化进行了校正，在某些情况下实现了与小于50GHz的频率不确定度相对应的锁定频率的精度和稳定性。在一些实施例中，集成波长锁定器包括在AMZI的一个臂中的加热器或其它主动调谐元件(例如，由诸如掺杂硅、磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)的半导体制成)，其允许调整将期望的锁定频率置于高锁定灵敏度的范围内的两个干涉仪臂之间的光学路径长度差。在其他实施例中，AMZI的输出耦合器产生多个干涉信号，该多个干涉信号在干涉信号之间传递的相对相移不同，并且可以被组合以获得具有明显较低频率依赖(替代地，在一些实施例中，几乎与频率无关)的锁定灵敏度和精度的响应，并且因此受制造变化的影响较小。例如，在某些实施例中，输出耦合器提供四个输出端口，并且与输出端口处的四个相应的光检测器一起形成用于测量平衡同相和正交信号的90度光混合接收机。更通常地，AMZI的输出耦合器和两个或更多个光检测器可以被配置为共同提供“相干接收机”，即接收机产生和测量干涉信号，该干涉信号在相应的信号对之间被施加的相对相移中相差不是180度的倍数的已知值，该相应信号对被干涉以形成干涉信号。本文中，受干涉的两个信号之间施加的相对相移(在干涉之前)是在AMZI的干涉仪臂中产生的相位差和由输出耦合器施加的附加的相对相移之和。在两个干涉信号之间，这些附加的相对相移和因此被干涉的信号之间的(总)相对偏移在相干接收机中不同。除了渲染锁定更低的频率依赖性甚至几乎与频率无关的灵敏度之外，相干接收机能够实现确定在AMZI的全部周期(本文也是“滤波器周期”)内的两个干涉信号之间的AMZI的干涉仪臂中唯一地产生的相位差(以下也称为“滤波器相位”)。除了制造变化之外，AMZI的响应也可以由温度中的波动或机械张力影响。虽然可以通过选择使AMZI无热的材料和尺寸来显著地降低温度的影响，但残留的温度依赖性仍然存在。因此，在各种实施例中，基于利用在AMZI处或附近的波长锁定器中包括的一个或多个温度传感器的温度测量，至少部分地计算地实现对温度改变的补偿。类似地，根据一些实施例，测量由于例如PIC的处理、安置和安装以及老化而在后期制造中引起的机械张力，其中一个或多个张力计在AMZI处或附近，以能够实现张力诱发效应的计算校正。根据本文的温度和/或张力测量和补偿可以进一步提高波长锁定精度。由于AMZI的响应在频率上是周期性的，所以它允许仅在AMZI的给定滤波器周期或者换句话说达到滤波器周期的倍数内确定光源的频率位置(并且因此波长)。如果光源的频率可以改变多于一个滤波器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，包括：集成光子电路(PIC)，其包括可调谐光源，以及波长锁定器，包括具有输出耦合器的非对称Mach‑Zehnder干涉仪(AMZI)，所述输出耦合器具有多个输出端口、并且在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从所述光源被耦合到所述AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和多个所述光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成光学干涉信号的两个信号之间施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；存储器，存储与所述光源的指定的锁定频率相关联的一个或多个目标滤波器参数；以及电子处理电路装置，被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算一个或多个滤波器参数，并且调谐所述光源的频率，直到一个或多个计算的滤波器参数与所述一个或多个目标滤波器参数相匹配。

【技术特征摘要】
2016.10.10 US 62/406,351;2017.08.29 US 15/689,3191.一种系统，包括：集成光子电路(PIC)，其包括可调谐光源，以及波长锁定器，包括具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，所述输出耦合器具有多个输出端口、并且在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从所述光源被耦合到所述AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和多个所述光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成光学干涉信号的两个信号之间施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；存储器，存储与所述光源的指定的锁定频率相关联的一个或多个目标滤波器参数；以及电子处理电路装置，被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算一个或多个滤波器参数，并且调谐所述光源的频率，直到一个或多个计算的滤波器参数与所述一个或多个目标滤波器参数相匹配。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述AMZI和所述多个光检测器形成第一滤波器，所述波长锁定器还包括第二滤波器，所述第二滤波器包括具有输出耦合器的第二AMZI，所述输出耦合器具有多个输出端口和放置在所述输出端口处的第二多个相应光检测器，所述第二AMZI的所述输出耦合器和第二多个光检测器被配置为第二相干接收机，其中所述第一滤波器的滤波器周期大于所述第二滤波器的滤波器周期，并且所述第一滤波器的频率误差小于所述第二滤波器的所述滤波器周期。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一滤波器的所述滤波器周期是所述第二滤波器的所述滤波器周期的至少五倍。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述波长锁定器能够将所述光源的频率锁定在50GHz或更小的频率以内。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述波长锁定器能够将所述光源的所述频率锁定在至少200GHz的范围内。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述输出耦合器具有四个输出端口，并且所述波长锁定器包括四个相应的光检测器，并且其中所述输出耦合器和所述四个光检测器被配置为测量平衡同相和正交信号的90度混合光接收机。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述输出端口和所述相应光检测器形成多个平衡接收机对。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述PIC、和包括所述存储器和所述电子处理电路装置的电子控制芯片被结合到单个衬底，以形成多芯片模块。9.根据权利要求1所述的系统，其中所述AMZI是无热的。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述波长锁定器还包括用于测量所述AMZI的温度的温度传感器或用于测量所述AMZI中的张力的张力计中的至少一个，其中所述电子处理电路装置被配置为基于所测量的温度或张力来调整所述一个或多个目标滤波器参数，或者其中所述存储器存储多个温度依赖的或张力依赖的目标滤波器参数集合。11.一种使用包括AMZI的集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率的方法，所述方法包括：在所述AMZI的输入处，将光从所述光源耦合到所述AMZI中；在所述AMZI的输出处，测量各自从两个信号的干涉得到的多个光学干涉信号，其中在两个干涉信号之间施加的相对相移在所述光学干涉信号中的至少两个光学干涉信号之间相差不是180度的倍数的值；从所测量的所述光学干涉信号来确定一个或多个滤波器参数；以及调谐所述光源的频率，直到所确定的所述一个或多个滤波器参数匹配与指定的锁定频率相关联的一个或多个对应的存储的目标滤波器参数。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述AMZI形成第一滤波器的一部分，所述波长锁定器包括具有第二AMZI的第二滤波器，所述第二AMZI的滤波器周期小于所述第一AMZI的滤波器周期，所述光源的所述频率利用所述第一滤波器来调谐，以使一个或多个存储的目标滤波器参数在与不大于所述第二AMZI的所述滤波器周期的频率误差相对应的误差边际内匹配，所述方法还包括：在利用所述第一滤波器对所述光源的所述频率进行粗糙调谐之后，通过以下各项用所述第二滤波器对所述光源的所述频率进行精细调谐：在所述第二AMZI的输入处，将光从所述光源耦合到所述第二AMZI中；在所述第二AMZI的输出处，测量各自从两个信号的干涉得到的多个光学干涉信号，其中在所述两个干涉信号之间被施加的相对相移在所述光学干涉信号中的至少两个光学干涉信号之间相差不是180°的倍数的值；从所测量的所述光学干涉信号确定所述第二AMZI的一个或多个滤波器参数；以及调谐所述光源的所述频率，直到在与小于与所述第一滤波器相关联的所述频率误差的频率误差相对应的误差边际内，所确定的所述第二AMZI的一个或多个滤波器参数与所述第二AMZI的一个或多个对应的存储的目标滤波器参数匹配。13.根据权利要求11所述的方法，其中所测量的所述光学干涉信号包括同相和正交信号。14.根据权利要求11所述的方法，其中所测量的所述光学干涉信号包括成对的平衡信号。15.根据权利要求11所述的方法，还包括测量所述AMZI中的温度或所述AMZI中的张力中的至少一个，以及在与从所测量的所述光学干涉信号确定的所述一个或多个滤波器参数进行比较之前，基于所测量的所述温度或所述张力来调整所述一个或多个目标滤波器参数。16.根据权利要求11所述的方法，其中所述光源的频率被锁定在50GHz或更小的频率以内。17.一种制造多芯片集成波长锁定器模块的方法，所述方法包括：在半导体衬底上，创建包括可调谐光源和波长锁定器的光子集成电路(PIC)，所述波长锁定器包括具有输出耦合器的非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，所述输出耦合器具有多个输出端口、和在所述多个输出端口处放置的多个相应的光检测器，所述多个相应的光检测器用于当光从光源耦合到AMZI中时测量离开所述多个输出端口的相应光学干涉信号，其中所述输出耦合器和所述多个光检测器被配置为相干接收机，其中在被干涉以形成所述光学干涉信号的两个信号之间被施加的相对相移在所述输出端口中的至少两个输出端口之间相差不是180°的倍数的值；创建包括存储器和处理电路装置的电子控制芯片，所述电子控制芯片被配置为从所测量的所述光学干涉信号计算滤波器相位并调谐所述光源的频率，直到所计算的所述滤波器相位与对应于指定的锁定频率的目标滤波器相位匹配；以及将所述PIC和所述电子控制芯片结合到公共基板上，以形成所述多芯片集成波长锁定器模块。18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过以下各项来校准所述波长锁定器：向所述AMZI的输入提供具有所述指定的锁定频率的参考信号，测量在所述多个光检测器和所述AMZI的输出端口处的光学干涉信号，并将所测量的所述光学干涉信号计算地转换为滤波器相位，以及将所述滤波器相位作为所述目标滤波器相位存储在所述存储器中。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述参考信号由外部光源提供。20.根据权利要求18所述的方法，其中所述参考信号由所述PIC的所述光源在使用外部波长滤波器将所述光源调谐到所述指定的锁定频率之后提供。21.一种波长锁定器，包括：非热非对称Mach-Zehnder干涉仪(AMZI)，包括输入耦合器、两个波导臂、提供至少两个输出端口的输出耦合器、以及主动调谐元件，所述主动调谐元件布置在所述波导臂中的一个波导臂中、并且被配置为调整所述两个波导臂之间的光学路径长度差；以及被放置在所述至少两个输出端口处的至少两个相应的光检测器，所述至少两个相应的光检测器与所述输出耦合器一起形成平衡接收机。22.根据权利要求21所述的波长锁定器，其中所述AMZI和所述光检测器被集成在光子集成电路中。23.根据权利要求21所述的波长锁定器，其中所述主动调谐元件包括加热器。24.根据权利要求21所述的波长锁定器，还包括存储与指定的锁定频率相关联的所述主动调谐元件的目标设置的存储器。25.根据权利要求24所述的波长锁定器，还包括电路装置，所述电路被配置为将所述主动调谐元件设置为所述目标设置，以及基于用所述平衡接收机测量的平衡光电流来调谐光源的频率，以使所述平衡光电流基本为零，所述光源将光耦合到所述AMZI中。26.根据权利要求24所述的波长锁定器，还包括温度传感器或张力计中的至少一个，所述存储器存储针对所述AMZI的多个温度或所述AMZI中的多个水平的张力的、温度依赖的或张力依赖的目标设置，或者所述波长锁定器还包括基于所测量的温度或张力来调整所述目标设置的电路。27.根据权利要求21所述的波长锁定器，其中所述AMZI和所述平衡接收机形成第一滤波器，所述波长锁定器还包括第二滤波器，所述第二滤波器包括第二AMZI和第二平衡接收机，其中所述第一滤波器的滤波器周期大于所述第二滤波器的滤波器周期，并且所述第一滤波器的频率误差小于所述第二滤波器的所述滤波器周期。28.根据权利要求27所述的波长锁定器，其中所述第一滤波器的所述滤波器周期是所述第二滤波器的所述滤波器周期的至少五倍。29.一种用于使用集成波长锁定器来锁定光子集成电路的光源的频率方法，所述集成波长锁定器包括具有在一个干涉仪臂中的主动调谐元件的AMZI，所述方法包括：将由所述光源发射的光在所述AMZI的输入处耦合到所述AMZI；调整所述主动调谐元件的设置以匹配在存储器中存储的目标设置，所述目标设置与指定的锁定频率相关联；在所述AMZI的输出处测量平衡光电流；以及调谐所述光源的频率，直到所测量的所述平衡光电流基本为零。30.根据权利要求29所述的方法，其中所述主动调谐元件包括加热器，并且被调整的所述设置包括加热器功率。31.根据权利要求29所述的方法，还包括测量所述AMZI的温度或所述AMZI的张力中的至少一个，并且在调谐所述光源的所述频率之前，基于所测量的所述温度或所述张力来调整所述主动调谐元件的所述设置，以使所述平衡光电流基本上为零。32.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·帕克，J·鲍特斯，J·E·罗斯，E·诺伯格，G·A·菲什，
申请(专利权)人：瞻博网络公司，
类型：发明
国别省市：美国,US