[发明专利]具有介质结构的光子集成器件

说明书

提供一种用于生成单波长和多波长光学信号的光子集成器件（PID）。该PID包括分别具有第一和第二预定反射率的第一和第二反射结构。共用波导光学耦合至第一反射结构，并且至少一个半导体波导光学耦合至第二反射结构。该PID进一步包括设置在第一和第二反射结构之间的至少一个有源增益区。在各种实施例中，该PID包括基于介质波导的波长相关元件和介质布拉格堆叠中的至少一个。

技术领域

本发明涉及光子集成器件，并且更特别地涉及包括作为单波长和多波长光源的部分的在半导体衬底上的介质波导和介质结构的光子集成器件。

背景技术

单片集成包括光子集成电路（PIC）的光子集成器件（PID）以实现不同的光学功能。这些PIC使得能够使用高容量半导体晶圆制造技术来生产复杂的光学电路。进一步地，PIC提供减小部件占用空间并消除多个封装问题和多个光学对准。这些PIC在光学通信网络和消费类光子产品的大规模生产中找到应用。

在应用的上下文中，当有源波导器件（诸如激光器或光电探测器）与一个或多个无源波导器件和波导电路的元件组合以用最小的端口在芯片上形成高功能PIC时，PIC的优点变得尤其引人注目。通过电气装置来调制光学信号的有源波导器件通常由具有调整至它们的特定应用的功能和波长范围的带隙结构的人工生长的半导体制成。这样的半导体是对PIC的基础材料的自然选择。因此，基于半导体的PIC，其中在单个单片半导体芯片中实施诸如光学信号检测、光学调制、和光学信号发射之类的若干功能，是一种有前途的解决方案。进一步地，磷化铟（InP）以及其相关III-V半导体材料系统提供的附加的益处，因为它们允许制造在大约1300nm和1550nm的重要波长范围中（即在玻璃纤维的两个优势低损耗传输窗中）操作的有源器件。然而，即使这样的单片集成也可能提供具有差的设计方法、低的制造产量、复杂的制造工艺和重复的昂贵外延生长工艺的成本壁垒。因此，结合已建立的晶圆制造技术的单步外延晶圆生长方法已经作为一种用以进一步实现减小的光学部件成本的手段而受到关注。

备选地，可以采用砷化镓（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）来用于850nm和1300nm PIC。进一步地，可以通过利用采用铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）和磷（P）的其他三重和三元半导体材料来跨可见和近紫外范围采用PIC。由外延生长的半导体异质结构组成的PIC内的任何波导器件的功能是由其带结构、并且更特别地由波导芯层、包覆层和衬底的带隙波长预先确定的。因此，功能上不同的器件通常由不同但兼容的半导体材料制成，尽管通过目标设计，一些结构可以提供例如具有反向偏置极性的光学放大和光电探测。然而，衬底和波导设计的选择对PIC的设计和制造二者具有深远的影响。

在范围从波分复用器（WDM）、波分解复用器（也被称为WDM）、光学功率（信道）监测器、可配置光学分插复用器（ROADM）和动态增益（信道）均衡器（DGE/DCE）的若干PIC中，基于每个波长来对至少一个多波长信号进行光谱分散、检测、监测和处理。对于多波长信号的阵列，基于每个波长监测和处理多波长信号的阵列，然后使多波长信号的阵列复用以形成多波长输出信号。这样的PIC必须在预定信道波长计划上操作（即O波段（原始的；）；E波段（扩展的；）；S波段（短的；）；C波段（常规的；）；以及L波段（长的；），因为通常从多个远程且分立的发射器来提供具有具体波长的光学信号。由国际电信联盟在ITU-T G.694.1“Spectral Grids for WDM applications: DWDMFrequency Grid.”中定义信道波长计划。相应地，这根据如下面示出的等式（1）来限定利用12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz的信道间隔的固定网格：

193.1THz + n*Spacing/1000 （1）

在这里Spacing（间隔）=12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz，并且在光谱的C和L波段内；