MEMS/NEMS集成式间断跑道型可调谐激光二极管

技术领域

本发明涉及硅光子学，并且特别地涉及使用微机电系统(MEMS)或纳米机电系统(NEMS)来调谐激光二极管波长范围。

背景技术

具有可调谐波长范围的激光二极管可以促进各种通信应用，包括无线通信系统中的波分复用(WDM)和毫米波信号生成。可调谐激光二极管还可以被用于感测应用，包括自动驾驶汽车中的光检测和距离检测。

在硅光子平台上，存在两种用于调谐激光二极管谐振器的波长的常见机制。一种机制是基于热的，而另一种机制是基于载流子的(载流子注入或消耗)。这两种机制修改了谐振器波导有效折射率。热调谐由于其低速调谐(数十kHz)和窄可调谐性而受到限制。在硅波导上，波长调谐速率在1550nm时约为0.08nm/℃，这需要将温度升高至700/℃以获得60nm的调谐范围。如此高的温度将对激光二极管性能具有负面影响。另一方面，在载流子注入调谐期间，激光二极管吸收损耗增加。可以借助载流子消耗调谐来减轻高速调制的吸收损耗。

谐振腔是激光二极管中的重要元件，并且已开发各种内部和外部谐振腔，从简单的法布里-珀罗镜到光栅谐振器、环形谐振器以及光子晶体结构。其中，两种常见的谐振腔是布拉格光栅谐振器和环形谐振器。环形谐振器相对于光栅谐振器具有数个优势，包括大边模抑制比、窄线宽、减少的频率啁啾以及宽连续可调谐性。与光栅谐振器结构相比，环形谐振器可以被单步制造。此外，因为环形谐振器的有效光路被显著增强，所以减少了传播损耗并具有更小的线宽。窄线宽是环形谐振器激光二极管的重要性能特征，因为它对于相干通信很重要。已建议了多环谐振器(MRR)或耦接环形谐振器(CRR)以具有优异的线宽，但是它们的开发受到涉及独立地热调谐个体环的复杂工艺的限制。

硅是一种间接带隙材料并且不能发光。因此，在激光二极管电路中需要外部增益(照明)材料。增益材料的最新集成包括硅上应变锗、直接混合或异构集成和生长增益材料(例如III-V半导体)以及硅平台上的其他激光微结构。除了这些激光材料之外，其他非硅材料(例如碳基材料，如碳纳米管和石墨烯)和其他有机材料已被成功地集成到硅基板上。不同的激光材料有助于减少光耦接损耗和封装成本，但是还需要进一步改进。

微机电系统(MEMS)或纳米机电系统(NEMS)光子学跨越了独立的研究和工程领域，如力学、光子学、电子学和物理学/化学。已开发了用于光通信的各种新的MEMS和NEMS器件，包括微机械光开关、光滤波器以及光传感器。

发明内容

激光二极管可通过热调谐或载流子调谐来调谐，因此这些激光二极管的可调谐范围、速度和稳定性受到热问题和材料电气特性的限制。与常规的热调谐或载流子调谐相比，机械调谐可以更有效并且消耗更少的功率。但是，机械可调谐激光二极管会在芯片规模集成和光耦接方面具有问题。例如，MEMS可调谐激光二极管可以使用机械可调谐外部光栅/镜像滤波器或调谐范围为7.92THz的可移动垂直多介电层腔。虽然激光二极管可以具有微机械可移动反射器(包括镜、法布里-珀罗腔以及光栅)，但是这些器件可能在跳模、封装以及耦接到其他硅光子器件方面具有问题。

本发明的实施例提供了一种激光二极管，其能够使用由MEMS或NEMS致动器移动的一个或多个大小可切换的间断跑道型环形谐振器进行调谐。跑道型环形谐振器具有比圆环形谐振器更高的耦接效率，并且可以用作反射器和/或滤波器。此外，不同的材料可以被集成在硅平台的选择性区域上以优化激光二极管的性能。除了机械调谐之外，热调谐或电载流子调谐仍然可以被应用于这些激光二极管以进一步改进激光二极管功能。

将MEMS/NEMS致动器与间断跑道型环形谐振器一起使用的优势包括加快的波长切换速度，其中高级MEMS/NEMS致动器的集成非常适合未来的高容量光学和无线电信。用MEMS/NEMS致动器替换热调谐和载流子调谐部件还缓解了当前激光二极管中存在的热问题和不稳定性问题。一些光学系统可以通过集成稍微不同的周长的MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器以利用游标效应来扩大激光二极管的波长可调谐范围。

其他优势包括降低了微制造成本和电信系统的任何更新成本，因为跑道型环的大小能够在激光二极管的微/纳米制造和封装之后切换。优势还包括更紧凑的激光二极管微结构，其中在硅平台上具有2D/3D混合或异构集成增益材料和激光结构。通过在硅平台上进行微制造并且在激光二极管的微结构中使用硅波导，外部激光二极管产生的耦接损耗能够被最小化。

根据一些实施例，一种光学系统包括：激光二极管，其被配置为发射光信号；以及至少两个大小可切换的间断跑道型环形谐振器，其被光耦接到光波导，其中，每个间断跑道型环形谐振器被配置为展现谐振波长。所述光学系统还包括：调谐装置，其与所述间断跑道型环形谐振器相关联，其中，所述调谐装置包括MEMS或NEMS致动器，其被机械地耦接到所述间断跑道型环形谐振器中的第一间断跑道型环形谐振器的第一部分，并且被配置为机械地移动所述第一部分以便改变所述间断跑道型环形谐振器中的所述第一间断跑道型环形谐振器的谐振波长。

当然，本发明并不限于上述特性和优势。实际上，本领域技术人员在阅读以下详细描述时以及在查看附图时将认识到其他特性和优势。

附图说明

图1示出了根据一些实施例的在单侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的激光二极管；

图2示出了根据一些实施例的在单侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的另一个激光二极管；

图3示出了根据一些实施例的在单侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的另一个激光二极管；

图4示出了根据一些实施例的在两侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的激光二极管；

图5示出了根据一些实施例的在两侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的另一个激光二极管；

图6示出了根据一些实施例的在两侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的另一个激光二极管；

图7示出了根据一些实施例的在两侧具有MEMS/NEMS间断跑道型环形谐振器的另一个激光二极管；

图8示出了根据一些实施例的具有外部间断跑道型环形反射器的激光二极管；

图9示出了根据一些实施例的具有可通过梳状致动器移动的部分的间断跑道型环形谐振器；

图10示出了根据一些实施例的具有可通过尺蠖致动器移动的部分的间断跑道型环形谐振器；

图11示出了根据一些实施例的具有可通过梳状致动器和尺蠖致动器的组合移动的部分的间断跑道型环形谐振器。

具体实施方式

用MEMS/NEMS致动器替换热调谐和载流子调谐部件缓解了当前激光二极管中存在的热问题和不稳定性问题。在一个示例中，图1示出了在单侧具有可通过调谐装置的致动器160、170调谐的间断跑道型环120、130的激光二极管100。将MEMS/NEMS致动器与间断跑道型环形谐振器一起使用加快了波长切换速度，从而有益于高容量光学和无线电信。

根据一些实施例，图1至3示出了在增益104和相位106部分的单侧具有MEMS/NEMS集成式间断跑道型环形谐振器120、130的激光二极管100、200、300的示意图。增益和相位部分104、106被放置于在反射器和/或镜之间的光波导102处。取决于设计，光可以在光波导102、112和114上以适当方向透射和反射。在示例中，增益区域104由通过标准方法(如晶圆键合或再生)异构或混合集成到硅基板上的活性材料(例如III-V族材料，锗)制成。对接耦接(butt coupling)和直接垂直耦接技术两者(例如绝热耦接、光子晶体耦接或通孔)可以被用于将光从键合增益区域104传输到硅光子平台。空腔中的相位部分106可以根据最小空腔损耗条件(谐振器谐振)被用于激光振荡的轻微失谐以获得最佳线宽性能。可变反射元件(VRE)108、110能够在一个方向上透射光，以及以受控比例(0-100％)在相反方向上反射光。VRE包括萨格纳克环、耦接环形谐振反射器以及反射涂层波导/透镜/镜。在图1至3的三种设计中，间断跑道型环形谐振器120、130是机械可调谐的。

图1所示的光学系统包括：激光二极管100，其被配置为发射光信号；以及至少两个大小可切换的间断跑道型环形谐振器120、130，其被光耦接到光波导102。每个间断跑道型环形谐振器120、130被配置为展现谐振波长。该光学系统还包括调谐装置，其与间断跑道型环形谐振器120、130相关联，其中，该调谐装置包括MEMS或NEMS致动器160，其被机械地耦接到间断跑道型环形谐振器120、130中的第一间断跑道型环形谐振器120的第一部分122，并且被配置为机械地移动第一部分122以便改变间断跑道型环形谐振器120、130中的第一间断跑道型环形谐振器120的谐振波长。为了方便起见，在本说明书的其余部分中，为了简洁起见可以将间断跑道型环形谐振器简称为跑道型环。

图1中的跑道型环120和130可以具有不同的周长(例如，其中环130稍大)并且用作波长滤波器。基于游标效应，来自这些跑道型环120、130的滤波后的谐振光在总线波导112中彼此相互作用，以产生具有显著放大的FSR的激光二极管。这些跑道型环120、130的周长可通过使用机械致动器移动跑道型环波导的半臂来切换。例如，跑道型环120的可移动部分122和跑道型环130的可移动部分132可以分别由致动器160和170来移动。调谐装置可以直接移动跑道型环120的部分122，或者通过微悬臂或纳米悬臂来移动跑道型环120的部分122。移动跑道型环120的部分122在跑道型环120、130之间引入谐振波长差。

跑道型环中的一个重要参数是自由光谱谐振(FSR)，即，来自激光光谱梳的不同谐振波长之间的距离。用于增大激光二极管的可调谐范围的一种有效方法是使用周长稍有不同的两个或更多个耦接跑道型环，它们用作激光二极管中的滤波器和反射器。例如，由于游标效应，组合后的两个跑道型环形谐振器的FSR被放大(L1/(L1-L2))倍，其中，L1和L2是这两个不同跑道型环的长度。因为周长差很小，所以FSR提高会很大。根据一些实施例，该调谐装置被配置为使用致动器160来调整跑道型环120的周长。因此，每个间断跑道型环形谐振器120、130可以具有周长不同的圆周，并且间断跑道型环形谐振器120、130和调谐装置因此被配置为机械地调谐光学系统，以便基于游标效应来扩大波长可调谐范围。

在微制造期间，这些跑道型环120、130可以在横向方向和垂直方向两者上彼此光耦接或耦接到激光二极管结构中的其他环结构、直波导以及其他光学元件。在图中示出了不同的光学系统布置。

跑道型环120、130可以使用串联分插器(series add-drop)彼此光耦接，其中总线波导112作为单个波长滤波器。此外，如图2所示，激光二极管200的两个跑道型环(120、130)可以直接彼此耦接，其用作波长滤波器和镜两者。在一些实施例中，除了面元(facet)反射镜涂层之外，可以使用圆环或跑道型环将各种镜结构(例如萨格纳克镜302)集成到激光二极管中，如图3的激光二极管300所示。可选的光电二极管(PD)也可以被单片地集成在同一芯片上，该光电二极管将被用于监视发射光，然后在反馈回路中调谐光学电路。

图4至7示出了根据一些实施例的激光二极管400-700，其中，单个跑道型环或耦接跑道型环结构可以被插入在增益和相位部分104、106的两侧。这些类似的环结构可以具有不同的周长，它们用作波长滤波器和/或激光反射器。图4示出了双侧游标间断跑道型环形激光二极管400，其在每一侧具有周长不同的两个跑道型环120、130，跑道型环120、130被耦接到总线光波导102、112。在一个实施例中，第一和第二间断跑道型环形谐振器120、130在增益和相位部分104、106的相对侧被耦接到光波导102。第一和第二跑道型环可以在相同方向上被朝向彼此地定向，或者沿着光波导102被远离彼此地定向。在一些实施例中，该调谐装置被配置为在相同方向或相反方向上朝向彼此地移动第一和第二跑道型环120、130的相应部分122、132。

在图5中，两个光耦接的间断跑道型环形谐振器阵列(120/130和140/150)被放置在激光二极管500的两侧。来自谐振器阵列的谐振波长稍有不同。此外，两个总线波导102、112可以被减少为单个光波导102以简化结构。在一个实施例中，第一间断跑道型环形谐振器和第二间断跑道型环形谐振器120、130被光耦接在一起，并且在增益和相位部分104、106的第一侧被耦接到光波导102，其中，间断跑道型环形谐振器中的第三间断跑道型环形谐振器140和第四间断跑道型环形谐振器150被光耦接在一起，并且在增益和相位部分104、106的相对侧被耦接到光波导102。在另一个实施例中，第一、第二、第三和第四间断跑道型环形谐振器120-150可以在相同方向上朝向光波导102被定向，并且该调谐装置可以被配置为在相同方向或相反方向上移动第一、第二、第三和第四间断跑道型环形谐振器120-150的相应部分。

图6示出了一种光学系统，其中，激光二极管600的间断跑道型环形谐振器中的第一和第二间断跑道型环形谐振器120、130在增益和相位部分104、106的相对侧被耦接到光波导102。跑道型环120、130可以沿着光波导102被朝向彼此地或远离彼此地定向。调谐装置被配置为在相同方向上朝向彼此地移动第一和第二间断跑道型环形谐振器120、130的相应部分，或者在相反方向上彼此远离地移动第一和第二间断跑道型环形谐振器120、130的相应部分。如图6所示，该光学系统还可以包括一个或多个环形谐振器602、604、606和608，它们以反射器和滤波器配置被耦接到第一和第二间断跑道型环形谐振器120、130中的每一个。奇数(2N+1，N>1)个耦接环的圆形阵列可以形成无损反射器。例如，间断跑道型环形谐振器120以及环形谐振器602和604可以以圆形阵列被耦接在一起以形成反射器。这一侧的环形谐振器的总数为奇数3。每一侧的环形谐振器的总数可以是另一个奇数或2N+1，其中N大于1。

在另一个示例中，圆形阵列可以由偶数(2N，N>0)个间断跑道型环形谐振器和其他环形谐振器形成。圆周中的环形谐振器的偶数数量可以被描述为2N，其中N大于0。图7示出了激光二极管700的相位和增益部分104、106的每一侧的偶数个环形谐振器120、130(或140、150)的示例。在该实施例中，第一和第四环形谐振器120、150可以在相同方向上被朝向光波导102定向。第二和第三环形谐振器130、140可以沿着光波导102被朝向彼此地或远离彼此地定向，并且调谐装置可以被配置为在相同方向或相反方向上移动第一和第四环形谐振器120、150的相应部分，以及在相同方向或相反方向上移动第二和第三环形谐振器130、140的相应部分。

为了使这些可调谐激光二极管的线宽变窄，另一个外部间断跑道型环形谐振器反射器可以被与激光二极管结构集成，如针对图8的激光二极管800所示。根据一些实施例，图8示出了所计算的来自外部跑道型环810的光谱和反射激光被由跑道型环120和130基于游标效应进行滤波。在游标调谐过程中，该外部间断跑道型环形谐振器810的长度可以远大于跑道型环120和130。外部间断跑道型环形谐振器810可以容易地与其他波导结构被集成在同一芯片上。跑道型环120、130、810可以与或可以不与总线波导112和114被光耦接在一起。

间断跑道型环形谐振器和相位区域可以在硅基板上被微制造，并使用标准异构活性材料/硅工艺被与增益材料集成在一起。这些间断跑道型环形谐振器结构和相位区域还可以使用与增益相同的材料来制造。在某些情况下，激光二极管可以在硅基板上与其他激光二极管直接和/或混合集成(这意味着易于处理的III-V激光二极管或被光连接到硅光子电路的增益材料)。其他激光二极管可以由诸如欧洲光电产业协会(EPIC)之类的组织根据标准而设计。

根据一些实施例，不同的MEMS/NEMS组件可以被用于移动间断跑道型环形谐振器的一部分(例如间断跑道的半臂)。这样的组件可以包括梳状致动器。图9示出了具有梳状致动器916的间断跑道型环形谐振器902，梳状致动器916相对于致动器部分914可移动，致动器部分914被附接到跑道型环部分922。梳状致动器916与致动器部分914之间的移动可调整间断跑道型环形谐振器902的周长。图10示出了在致动器部分1004上使用尺蠖致动器1002的示例。图11示出了尺蠖致动器1002和梳状致动器1102的示例集成。其他实施例可以包括相同类型的致动器或不同类型的致动器的各种组合。借助致动器的特定组合，跑道型环的一部分的移动可以相当小并且致动力减小。

该致动可以基于静电力、热力、磁力或光学力(optical force)。可以应用各种材料(例如金属、III-V族材料、硅以及有机膜)来使用各种致动原理。致动器电路可以使用单片集成、3D层叠集成或混合集成在同一基板上与间断跑道型环形谐振器激光二极管相集成。致动器可以直接移动间断跑道型环的部分，或者使用微悬臂或纳米悬臂来移动间断跑道型环部分。该光学系统可以在单个芯片上以及可以是硅基的。该光学系统还可以在单个芯片上与光电二极管相集成，该光电二极管被配置为监视发射光以及使用反馈回路来调谐该光学系统。

除了这些MEMS/NEMS致动的柔性间断跑道型环形谐振器之外，仍然可以应用改变谐振器波导折射率的其他调谐方法(例如热或载流子注入和消耗)，以便以更低的成本进一步优化激光二极管可调谐性。

值得注意的是，受益于在前面的说明书和关联附图中提供的教导，本领域技术人员将想到所公开的发明的修改和其他实施例。因此，要理解，本发明并不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在本公开的范围内。尽管在本文中可以采用特定术语，但是它们仅用于一般和描述性的意义，而不是为了限制的目的。