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申请/专利权人：慧与发展有限责任合伙企业

摘要：本发明涉及用于波长调谐及追踪的CWDM发送模块。一种光子集成电路PIC包括半导体衬底，主总线波导置于所述衬底内。两个或更多环形激光器置于所述衬底内，且光耦接到主总线波导。环形激光器具有允许激光器发射的波长改变的波长控制机制。波长选择滤波器光耦接到总线波导。控制电路电子地耦接到每个波长控制机制和波长选择滤波器。控制电路连同选择滤波器允许监控主总线波导上的环形激光器的波长。基于所确定的波长，控制电路可以将环形激光器波长改变为期望的波长，以实现用于每个环形激光器的期望波长间隔。PIC可以集成为粗波分复用CWDM发送模块。

主权项：1.一种光子集成电路，包括：衬底；穿过所述衬底设置的光总线波导；置于所述衬底内的两个或更多环形激光器，所述环形激光器光耦接到所述总线波导，每个激光器具有局部波长控制机制；光耦接到所述总线波导的波长选择滤波器，所述滤波器具有第一光检测器；以及电子地耦接到每个波长控制机制和所述第一光检测器的控制电路，其中所述控制电路在操作中被配置为：确定每个激光器的波长是否与信道间隔网格对齐；以及控制所述波长控制机制以调整第一环形激光器和第二环形激光器的波长，以使所述波长对齐到所述信道间隔网格，并且将所述两个或更多环形激光器中的除所述第一环形激光器和所述第二环形激光器以外的每个环形激光器的所述波长调整为期望波长间隔。

全文数据：用于波长调谐及追踪的CWDM发送模块本发明是根据DOE授予的主合同号DE-AC52-07NA27344、在政府支持下做出的。政府具有此发明中的某些权利。背景技术粗波分复用CWDM发送模块通常具有4、8或16条信道channel。CWDM激光器波长例如可以覆盖1310纳米至1610纳米、间隔为1-25纳米的范围。对于基于20纳米分割separation的16波分，常见间隔可以是1310纳米、1330纳米、1350纳米…等。CWDM发送模块合并用于沿光纤电缆发送的各种激光波长。CWDM发送模块可以利用置于半导体衬底内的环形激光器。每个环形激光器信道的发射的主波长范围是由腔设计环半径和三五族半导体材料例如，Al，GA，In和N，P，As，Sb及它相关联的增益频谱确定的。因底层硅的可能的制造差异，可能发生热波动和其它工艺制造波动。绝对且确切地预测单个激光腔的发射波长可能是不可能的。而且，可能难以准确且确切地预测多波长系统的相对信道间隔。可能需要对环形激光器波长进行调谐，以通过使发射的环形激光器波长位移来实现特定的间隔，以维持或实现期望的波长间隔。而且，一旦调谐，期望允许发射的波长保持静态，即使环境温度会改变、从而导致发射的信道波长位移。附图说明根据下面伴随附图阅读时的详细描述，最好地理解本公开。要强调的是，根据工业中的标准做法，未按比例绘画各种特征。实际上，为讨论清楚起见，各种特征的尺寸可以任意扩大或缩小。图1为根据本文描述的原理的一个示例的用于环形激光器波长调谐的示例性光子集成电路的图。图2为根据本文描述的原理的一个示例的用于环形激光器波长调谐的示例性光子集成电路的图。图3为根据本文描述的原理的一个示例的用于环形激光器波长调谐的示例性光子集成电路的图。图4为图示初始评估环形激光器的方法流程图的图。图5为图示作为波长监控器上的偏置的函数的光电流的曲线图。图6为图示光子集成电路的调谐的方法流程图的图。图7为图示作为波长监控器上的偏置的函数的光电流的曲线图。具体实施方式现在将公开下面请求保护的主题的说明性实施方式。为清楚起见，此说明书中未描述实际实施例的全部特征。要理解的是，在开发任意此类实际实施方式时，必须进行若干实施例特有的决策，以实现开发者的特定目的，诸如遵循系统相关及业务相关的约束之类，这将因实施例而异。而且，要理解的是，此类开发工作即使复杂且耗时，对受益于此公开的本领域普通技术人员来说也是常规任务。本公开的实施方式涉及一种具有置于半导体衬底内的光总线波导opticalbuswaveguide的光子集成电路PIC。两个或更多环形激光器光耦接到总线波导，每个环形激光器具有控制该环形激光器的输出的局部波长控制机制。波长选择滤波器光耦接到总线波导，并且波长选择滤波器具有连接到该波长选择滤波器的第一光检测器photodetector。控制电路电子地耦接到每个波长控制机制和第一光检测器。控制电路连同选择滤波器允许监控在主总线波导上的环形滤波器的波长。基于所确定的波长间隔，控制电路可以将环形滤波器波长改变为期望的波长，以实现用于每个环形激光器的期望相对波长间隔。PIC可以集成为粗波分复用CWDM发送模块。在本公开的另一实施方式中，光子集成电路PIC具有有第一表面及第二表面的半导体衬底。透过半导体衬底设置光总线波导。至少四个环形激光腔置于半导体衬底内。环形腔光耦接到光总线波导。每个激光腔具有控制激光腔的发射波长的局部波长控制机制。波长选择滤波器光耦接到总线波导和光检测器。控制电路电子地耦接到每个波长控制机制和第一光检测器。在本公开的另一实施例中，本文描述的光子集成电路可以执行调谐过程，以为了期望的波长输出而对每个环形激光器进行校准和调谐。PIC使用第一环形激光器通过总线波导发送第一波长。经波长选择滤波器接收该发射。确定用于该波长的第一光电流值。接下来，PIC使用第二环形激光器通过总线波导发送第二波长。经波长选择滤波器接收该波长发射。确定用于该波长的第二光电流值。PIC控制电路或独立的处理器，生成作为波长选择滤波器上的偏置和所确定的光电流值的函数的、每个激光器的谐振波长的映射。激光器的波长被确定它们是否与信道间隔网格channelspacinggrid对齐。调整第一环形激光器和第二环形激光器的波长，以使波长对齐到信道间隔网格。例如，PIC可以使第一环形激光器的波长蓝移或将第一环形激光器的波长在0.05纳米至5纳米之间红移。如本文所描述的，光子集成电路及调谐过程提供了一种用于动态波长调谐的片上波长追踪机制及调整过程。参考图1，示出了一种提供环形激光器波长调谐的光子集成电路。图1描述了光子集成电路100的示意视图，光子集成电路100具有直接被调制的环形激光器102、104、106、108、用于每个激光器的波长控制器112、114、116、118、监控环形滤波器120及相关联的光检测器130和总功率监控光检测器140。主总线波导150置于硅衬底160内。该衬底具有相对的表面。环形激光器102、104、106、108的组置于硅衬底160内，且光耦接到主总线波导150。光子集成电路100可以用作多信道CWDM发送模块。硅衬底可以是层状衬底，诸如硅氧化物硅衬底。在所示的示例中，四个环形激光器102、104、106、108的组光耦接到主总线波导150。如图1所示，激光器102、104、106、108的输出从左至右方向。可以使用其它激光器组配置，例如8、16等。在给定电路的特定应用和通过主总线波导150生成的期望的波长的情况下，可以配置偶数或奇数的激光器。环形激光器102、104、106、108具有在衬底160内形成的腔。由环形腔的半径、可以用在衬底顶部的集成的三五族激光器材料III-Vlasermaterial的增益频谱、和操作条件来确定环形激光器的发射波长。每个激光器具有专有或局部的波长控制机制112、114、116、118。波长控制机制112、114、116、118调整相应的激光器的相对功率，以实现期望的波长发射。可以将环形激光器校准到已知的偏置。例如，施加于波长控制机制112、114、116、118中之一的1伏特电偏置可导致1纳米的位移。可以将环形激光器调谐到范围从0.5纳米至5纳米的各种信道间隔，以实现期望的带宽和与光收发器的互操作性。无源环形谐振腔120置于衬底160内，且光耦接到主总线波导150。无源环形谐振腔120具有专有或局部的波长控制机制122。此局部波长控制机制122充当局部波长选择滤波器，以针对期望的波长从主总线波导150提取出光。局部波长控制机制122可以是局部加热器、注入二极管、或金属氧化物半导体MOS电容器，全都通过让电压施加于它们来控制环形激光器的发射波长。波长控制机制122可以接收导致用于环形谐振腔120的谐振波长的位移的电输入。局部跌落口波导总线localdropportwaveguidebus132，置于衬底160内，将从主总线波导150提取的波长路由到光检测器130，在此情况下所接收的光信号被转换为电信号。光检测器130生成的电信号可能之前对于特定波长是相关的，从而标识来自主总线波导的评估的波长。另一局部跌落口波导总线142，或光分接头opticaltap，置于衬底160内，且耦接到光检测器140。光分接头可以接收所有环形激光器的集成功率。此光分接头142耦接到主总线波导150，并从主总线波导150提取跨所有波长的总功率的小百分比例如，1-5％。将局部波导总线142和光检测器一起配置为用于主总线波导150的全局波长监控器。可以用所描述的配置来使用一个或更多特定用途集成电路ASIC，以调谐和或追踪从相应的环形激光器发射的特定波长。此控制电路160电子地耦接到每个局部波长控制机制112、114、116、118。该ASIC可以粘结到衬底。该ASIC被配置为提供电信号给电子地耦接的组件。控制电路160可以是有线粘结的、倒装芯片的、或以其它方式与光子集成电路组合打包成CWDMTx模块的一组或多组CMOS芯片。此打包的系统然后将允许有效且最佳的上电、波长校准、锁定调谐及追踪。参考图2，示出了用于波长调谐的光子集成电路的另一配置。图2描述了电路200的的示意视图，该示意视图示出了直接被调制的环形激光器202、204、206、208、用于每个激光器的波长控制器212、214、216、218、监控环形滤波器220及相关联的光检测器230和总功率监控光检测器240。此配置类似于图1的所描述的配置而操作，然而在图2的示例性配置中，无源环形谐振腔可以将诸如锗之类的光检测器材料230集成到环形腔220本身。矩形描绘了会吸收光的集成的光检测器材料230。光检测器材料230电耦接到控制电路260。局部波长控制机制222控制用于腔220的波长调谐。相较于图1在描述的配置，具有集成的光检测器材料230的该配置可以让模块200的制造更简单。另一局部波导242，或光分接口，置于衬底内。此光分接口242耦接到主总线波导250，并从主总线波导250提取跨所有波长的总功率的小百分比例如，1-5％。可以用描述的配置来使用一个或更多特定用途集成电路ASIC，以调谐和或追踪从相应的激光器发射的特定波长。此控制电路260电子地耦接到每个局部波长控制机制212、214、216、218。参考图3，示出了用于波长调谐的光子集成电路的另一配置。图3描述了光子集成电路300的示意视图，该示意视图示出了直接被调制的环形激光器302、304、306、308、用于每个激光器的波长控制器312、314、316、318、双环滤波器320、324及相关联的光检测器330和总功率监控光检测器340。波长滤波器的另一替代配置是多环耦合腔。在该示例中，双环耦合腔由环320、324示出。双环耦合腔320、324允许用于从主总线波导350获取的光信号的较宽的通带，尤其对被调制的信号有用。相关联的波长调谐组件控制相应的耦接及谐振波长所需的调谐算法可能是需要的。另一局部波导342，或光分接头，置于衬底内。此光分接头342耦接到主总线波导350，并从主总线波导350提取跨所有波长的总功率的小百分比例如，1％至5％。图1至图3中参考的光子集成电路可以集成为粗波分复用CWDM发送模块。例如，可以为了特定的信道间隔对相同的光子集成电路进行调谐，以适用于需要诸如100G赫兹或200G赫兹信道间隔之类特定间隔的不同装备。现在参考图4，高级流程图描述了用于图1至图3中参考的环形激光器的初始上电阶段中的基础步骤。每个激光器一个接一个地上电，谐振腔波长监控器用于追踪相对施加到波长监控器410上的偏置的谐振波长。随着每个激光器分别被打开，波长监控器上的偏置通过基于它的波长的已知的范围被扫描sweep到偏置响应420。执行扫描后，关闭激光器430。针对光子集成电路的每个激光器重复此评估。用于相应的激光器波长的值和激光器电压可以存储在存储器、或用于随后访问及使用的其它非暂时性存储介质内。可以为初始上电时的每个激光器和为峰值输出生成所有偏置点的表。可以评估偏置点，以确定偏置点是否以期望的间隔适当地隔开。编程或自定义的CMOSASIC芯片，或其它集成控制电路，可以用来执行该过程。图5图示了描述作为波长监控器上偏置的函数的光电流各种曲线图。关于图510，控制电路或其它处理器可以构建作为波长监控器上的偏置和检测到的光电流的函数的每个激光器的谐振波长的映射。如图510所描绘的，处于特定偏置的电流响应指示相对全局波长监控模块上施加的偏置此示例中用于激光信道1的V1的、初始的信道谐振波长。针对所有激光信道重复此过程后，该系统可以构建相对监控器的激光器的所有谐振波长的映射。参考曲线图520、530和540，曲线图描绘了针对具有如它的自由光谱范围FSR及增益频谱520所确定的多个发射波长的激光器和用于具有较长530及较短540的发射波长的其它激光器的、波长监控器上偏置的函数。如果监控器的自由光谱范围FSR大于激光腔的FSR，对于波长监控器来说可能从单个腔选出多个谐振波长。这在曲线图520中由两个峰值描绘。应该注意到，右边的第二峰值具有稍低的峰值电流值。这是由激光腔的增益频谱确定的，并且该过程因此能够确定V1所指示的第一峰值为要使用的最佳谐振波长。一旦所有信道被映射，就能够同时打开激光器，且如果波长监控器被扫描到，它会给出曲线图550所示的示例性光电流响应。在此示例中，应该注意到电流信道间隔在所有相邻的信道间是不规则的，并且如图550右侧的三个谐振波长所示，信道可能相对于信道的物理布局而无序地具有它们各自的谐振波长。一旦所有的激光器上电、且以之前提及的“DC”方法校准，那么将可能用已知的编码策略、以低数据速率1k赫兹1M赫兹对激光器进行调制，以对信道号和全链路同步所需的其它相关信息进行广播。通过使激光器偏置为低于和高于阈值来打开或关闭激光器本身，能够进行激光器的直接调制。激光器根本上是二极管，因而通过低于高于阈值的调制，能够实现直接的振幅调制。现在转向图6，方法流程图的图图示了用于如本文所描述的光子集成电路的示例性调谐过程600。该流程图描述了用于多信道CWDM环形激光发送器的、使环形激光器对齐到期望波长间隔的进一步详细的过程。每个激光器一个接一个上电，如上所述的谐振腔波长监控器用来追踪相对施加到波长监控器上的偏置的谐振波长。在步骤610，单个激光器上电。在步骤615，波长监控器上的偏置通过基于它的波长的已知的范围被扫描到偏置响应，且将激光器的发射波长与它的相邻信道进行比较。在步骤620及625，为与要评估的发送模块一样多的激光信道重复这些步骤。集成的控制电子设备诸如CMOSASIC芯片之类可以用于实现此过程。用于每个激光器的谐振波长的、作为波长监控器上的偏置和用来自全局波长监控器的校准的响应检测到的光电流的函数的映射可以被构建并存储在系统存储器内。在步骤635，该系统评估N-N-1的值是否正确。如果该值不正确，那么该系统评估该值是否太大660。如果该值太大，那么在红移中执行第N-1个激光器645，接着该系统继续扫描波长监控器625。如果确定该值太小675，那么执行第N个激光器的红移670，然后该系统继续扫描波长监控器625。在步骤640，该系统评估N-N+1的值是否正确。如果确定该值正确，那么该系统评估是否已使所有激光器上电到它们的操作状态645。若否，那么打开下个激光器610，针对那个激光器继续该过程。如果确定来自步骤640的值不正确，那么该系统确定此值是否太大665，或太小680。如果该值太大，那么执行第N个激光器的红移670，并且该系统继续扫描波长监控器625。如果该值太小，那么该系统执行第N+1个激光器的红移685，并且该系统继续扫描波长监控器625。已评估了所有激光器后，调谐过程结束640。现在参考图7，三个曲线图的图图示了使用本文描述的光子集成电路的激光器发送模块的调谐。曲线图710图示了当激光器初始上电到操作状态时、每个激光器的作为波长监控器上的偏置的函数的光电流。在一系列偏置下的电流响应指示每个激光信道相对被施加的偏置的初始谐振波长，并且如使用全局波长监控模块被标识。曲线图720图示了如何将激光器波长映射到虚线所指示的期望的信道间隔网格。波长间隔是相对光谱的激光器的初始间隔示出的。例如，该网格可以是10纳米的间隔。曲线图730图示了在执行了如本文描述的调谐过程后、如何使激光波长对齐。此曲线图730图示了调谐处理的最终结果的示例。网格的间隔值可以是诸如每10纳米之类的常数距离。该间隔还可以是具有自定义间隔值的自定义网格。另外，曲线图730还展示了调谐处理的一些独特用例，以最小化该系统的功耗。例如，能够注意到在从初始间隔到最终对齐的情况下，用于信道1-3的波长次序已改变。在此示例中，这是因为用于信道2及3的谐振波长是起初“在网格上”的，且无需调谐，从而最小化功耗。因此，接着信道1被调谐为在光谱上处于这些信道“之间”。一旦信道在网格上，就能通过将唯一的信道标识符信号以低数据速率编码到每个激光器上来确定环形激光器信道的最终光谱次序。接着在链路发送数据时继续运行该过程，以保持光谱对齐。前面的描述出于解释目的使用了特定的术语，以提供本公开的彻底理解。然而，对于本领域技术人员来说是显而易见的是实现本文描述的系统及方法不需要具体的细节。出于图示及描述的目的给出特定示例的前面描述。它们不旨在穷举本公开，或将本公开限于所描述的精确形式。显然，由于上面的教导，可能有许多更改及变化。示出并描述示例是为了最好地解释本公开的原理和实际应用，因而使本领域其他技术人员能够最佳使用本公开和具有适于预期的特定用途的各种更改的各种示例。本公开的范畴旨在由下面的权利要求及其等同体限定。

权利要求：1.一种光子集成电路，包括：衬底；穿过所述衬底设置的光总线波导；置于所述衬底内的两个或更多环形激光器，所述环形激光器光耦接到所述总线波导，每个激光器具有局部波长控制机制；光耦接到所述总线波导的波长选择滤波器，所述滤波器具有第一光检测器；以及电子地耦接到每个波长控制机制和所述第一光检测器的控制电路。2.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述波长选择滤波器为置于所述衬底内的无源环形谐振腔。3.根据权利要求2所述的光子集成电路，其中所述第一光检测器是与所述无源环形谐振腔为一体的光检测器材料。4.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述波长选择滤波器为穿过所述衬底设置的多环耦合腔。5.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括：光耦接到所述总线波导的第二光检测器，其中所述第二光检测器电子地耦接到所述控制电路。6.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述波长控制机制为局部加热器、注入二极管、或金属氧化物半导体MOS电容器中之一。7.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述控制电路被配置为控制所述局部波长控制机制中的每个局部波长控制机制的操作。8.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述控制电路被配置为控制所述波长选择滤波器的操作。9.一种光子集成电路，包括：半导体衬底，包括第一表面和第二表面；穿过所述半导体衬底设置的光总线波导；置于所述半导体衬底内的至少四个环形激光腔，所述环形腔光耦接到所述光总线波导，每个环形激光腔具有局部波长控制机制；光耦接到所述总线波导的波长选择滤波器，所述滤波器具有第一光检测器；以及电子地耦接到每个波长控制机制和所述第一光检测器的控制电路。10.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述波长选择滤波器为置于所述衬底内的无源环形谐振腔。11.根据权利要求10所述的光子集成电路，其中所述第一光检测器是与所述无源环形谐振腔为一体的光检测器材料。12.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述波长选择滤波器为置于所述衬底内的多环耦合腔。13.根据权利要求9所述的光子集成电路，进一步包括：光耦接到所述总线波导的第二光检测器，其中所述第二光检测器电子地耦接到所述控制电路。14.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述波长控制机制为局部加热器、注入二极管或金属氧化物半导体MOS电容器中之一。15.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述控制电路被配置为控制所述局部波长控制机制中的每个局部波长控制机制的操作。16.根据权利要求9所述的光子集成电路，其中所述控制电路被配置为控制所述波长选择滤波器的操作。17.一种用于对光子集成电路进行调谐的方法，所述方法包括：使用第一环形激光器通过总线波导来发送第一波长发射；使用波长选择滤波器来接收所述波长发射的一部分；确定用于所述第一波长发射的第一光电流值；使用第二环形激光器通过所述总线波导来发送第二波长发射；使用波长选择滤波器接收所述第二波长发射的一部分；确定用于所述第二波长发射的第二光电流值；并且生成作为所述波长选择滤波器上的偏置与所确定的光电流值的函数的、每个激光器的谐振波长的映射。18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：确定每个激光器的波长是否与信道间隔网格对齐；并且调整所述第一环形激光器和所述第二激光器的波长，以使所述波长对齐到所述信道间隔网格。19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：调整所述第一环形激光器的波长，以使所述波长在0.05纳米至5纳米之间蓝移。20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：调整所述第一环形激光器的波长，以使所述波长在0.05纳米至5纳米之间红移。

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