光学检测器结构以及在单片集成光电装置中作为反馈控制的应用转让专利
申请号 : CN200580035638.8
文献号 : CN101283300B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : 大卫·佩德 , 卡尔潘都·夏斯特里 , 罗伯特·蒙哥马利 , 普拉卡什·约托斯卡 , 威普库马·帕特尔 , 玛丽·纳多
申请人 : 斯欧普迪克尔股份有限公司
摘要 :
通过使用单片光电反馈装置，提供了对于基于SOI的光电系统的可靠性和使用寿命的改进，该单片光电反馈装置监控光电系统内的一个或更多个光信号，并提供电反馈信号以调整选择的光学设备的运行参数。例如，可以控制输入信号耦合方向。可选地，光学调制器、开关、滤波器或衰减器可以通过创造性单片反馈装置的功效受到闭环反馈控制。反馈装置还可以包括连接到控制电子器件的校准/查找表，以提供用于分析此系统性能的基准信号。
权利要求 :
1.一种单片光电反馈装置，其用于控制绝缘体上硅SOI结构的硅表面层中形成的至少一个光学元件中的光，所述单片光电反馈装置形成在与所述至少一个光学元件相同的所述绝缘体上硅SOI结构中，并且包括：至少一个光学检测设备，其设置在所述硅表面层中，以接收传播通过所述至少一个光学元件的光信号的一部分，以测量来自所述至少一个光学元件的输出光信号功率；以及控制电子器件模块，其响应于来自所述至少一个光学检测设备的输出信号，将所测量的输出信号功率与预定的值进行比较，以及基于所述比较将反馈控制信号施加到所述至少一个光学元件，以控制所述至少一个光学元件的运行。
2.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述单片光电反馈装置还包括光学耦合波导，所述光学耦合波导设置在所述至少一个光学检测设备和所述至少一个光学元件之间，以使所传播的光信号的一部分引出来，并将所引出来的部分耦合进所述至少一个光学检测设备的输入中。
3.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学检测设备包括沿所述至少一个光学元件的输出波导、设置在所述硅表面层的内嵌光学检测设备。
4.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述单片光电反馈装置还包括模拟/数字转换器，所述模拟/数字转换器设置在所述至少一个光学检测设备的输出和所述控制电子器件模块的输入之间，用于将测量的模拟信号值转换为由所述控制电子器件模块使用的数字表示。
5.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述单片光电反馈装置还包括存储模块，所述存储模块包括设置于所述绝缘体上硅SOI结构中并连接至所述控制电子器件模块的查找表，所述查找表存储由所述控制电子器件模块使用的期望的光功率值。
6.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述单片光电反馈装置还包括外部控制电路以及用于在所述控制电子器件模块和所述外部控制电路之间传输/接收信号的通信接口。
7.根据权利要求6所述的单片光电反馈装置，其中，所述通信接口提供用于将初始值存储于所述控制电子器件模块中的输入通信路径。
8.根据权利要求6所述的单片光电反馈装置，其中，所述通信接口提供用于询问所述控制电子器件模块以确定其性能的输出通信路径。
9.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学元件包括多个光学元件。
10.根据权利要求9所述的单片光电反馈装置，其中，所述单片光电反馈装置还包括用于控制所述多个光学元件和所述控制电子器件模块之间的接口的电子选择器。
11.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学检测设备包括一对光学检测设备。
12.根据权利要求11所述的单片光电反馈装置，其中，所述一对光学检测设备中的第一光学检测设备沿所述绝缘体上硅SOI结构的硅表面层中的输入光波导部分设置，以及余下的第二光学检测设备沿所述绝缘体上硅SOI结构的硅表面层中的输出光波导部分设置。
13.根据权利要求12所述的单片光电反馈装置，其中，所述光学元件包括至少一个可变光学衰减器，所述至少一个可变光学衰减器设置于所述第一光学检测设备和所述第二光学检测设备之间，所述单片光电反馈装置用于执行衰减调节反馈控制。
14.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述光学元件包括光学调制器，其中所述控制电子器件模块的输出连接到在所述绝缘体上硅SOI结构的硅表面层中的所述光学调制器的移相部分。
15.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述光学元件包括至少一个光学耦合器，其中所述单片光电反馈装置用于调节所述光学耦合器和所述至少一个光学检测设备之间的耦合效率。
16.根据权利要求15所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学耦合器包括反锥形波导耦合器。
17.根据权利要求15所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学耦合器包括光栅结构，其中所述单片光电反馈装置用于改变所述光栅结构的周期，以及调整相关的光学耦合效率。
18.根据权利要求1所述的单片光电反馈装置，其中，所述至少一个光学元件是光学开关。
说明书 :
技术领域
本发明涉及集成光电子器件的单片装置的制造，更具体地，涉及应用光学检测器反馈结构以提供这样的单片装置的闭环控制。
背景技术
在基于绝缘体上硅(SOI)的光电子平台中，相当薄的(例如，小于1微米)硅波导用于将光分布在整个芯片中以及提供多种光学功能(例如，分束/合束、调制、转换、波长复用/波长解复用(wavelengthmultiplexing/demultiplexing)、加/降、均衡和色散补偿)。可以在SOI平台上的薄波导中耦合和操控光的能力使光学器件和微电子器件能够真正地集成在单个硅芯片上。光学通信工业中光学器件/子系统的高成本、高能耗以及大结构因素的原因在于缺少可行的器件集成。当今的光电子工业依赖于离散的结构单元和各种材料系统制成的各种元件的混合集成。与20世纪60年代的IC工业类似，这些离散的器件是开环式的，其中这些环被外部地闭合(利用诸如外部光学器件和电子器件)，导致低产出和高成本。
为了实现光学器件和电子器件在硅上的单片集成的整个潜力，必须要提高光和光电功能的性能和产量以匹配电子器件的性能和产量。因此，该领域中需要应付光学性能的变化以及提高这样的设备的整个操作性能的单片的解决方案。
为了实现光学器件和电子器件在硅上的单片集成的整个潜力，必须要提高光和光电功能的性能和产量以匹配电子器件的性能和产量。因此，该领域中需要应付光学性能的变化以及提高这样的设备的整个操作性能的单片的解决方案。
发明内容
现有技术领域中的该需要被本发明所解决，本发明涉及集成光电子器件的单片装置的构造，更具体地，涉及应用光学检测器反馈结构以提供该单片装置的闭环控制。
根据本发明，将电子反馈控制电路与期望的光电子器件一起构成为SOI结构的表面硅层中的单片装置，使得存在于制造变化、温度涨落、电源变化、寿命等的情况中的光学性能得到优化。反馈环通过与反馈电子器件关联的光学检测器的使用而闭合。
单片反馈电子器件至少包括用于将来自相关的光学检测器的模拟输出转换至数字表示的模拟/数字(A/D)转换器。响应于A/D转换器输出，控制电子器件用于将反馈信号提供至光电系统中的一个或更多个器件，以控制系统的响应。在本发明的一些实施例中，在该单片反馈电子器件中可以包括其他的校准和/或查找表，其可由控制电子器件查询以确定合适的反馈信号。在本发明的又一实施例中，在控制电子器件和“片外”(off-chip)系统之间存在通信接口，其用于初始化控制电子器件，从控制电子器件中检索性能数据，或既初始化控制电子器件又从控制电子器件中检索性能数据。
本发明的各个实施例利用单片反馈环路和光学检测器的创造性组合来优化诸如一个或更多个下列因素：(1)光电调制器的输出功率；(2)光学输入耦合能量；(3)可变光学衰减器中的衰减；(4)滤波；(5)光学器件的配置以及更多。
本发明的其他的和进一步实施例将在下列讨论的过程中以及通过参考附图变得显而易见。
根据本发明，将电子反馈控制电路与期望的光电子器件一起构成为SOI结构的表面硅层中的单片装置，使得存在于制造变化、温度涨落、电源变化、寿命等的情况中的光学性能得到优化。反馈环通过与反馈电子器件关联的光学检测器的使用而闭合。
单片反馈电子器件至少包括用于将来自相关的光学检测器的模拟输出转换至数字表示的模拟/数字(A/D)转换器。响应于A/D转换器输出，控制电子器件用于将反馈信号提供至光电系统中的一个或更多个器件，以控制系统的响应。在本发明的一些实施例中，在该单片反馈电子器件中可以包括其他的校准和/或查找表，其可由控制电子器件查询以确定合适的反馈信号。在本发明的又一实施例中，在控制电子器件和“片外”(off-chip)系统之间存在通信接口，其用于初始化控制电子器件，从控制电子器件中检索性能数据，或既初始化控制电子器件又从控制电子器件中检索性能数据。
本发明的各个实施例利用单片反馈环路和光学检测器的创造性组合来优化诸如一个或更多个下列因素：(1)光电调制器的输出功率；(2)光学输入耦合能量；(3)可变光学衰减器中的衰减；(4)滤波；(5)光学器件的配置以及更多。
本发明的其他的和进一步实施例将在下列讨论的过程中以及通过参考附图变得显而易见。
附图说明
现在参考附图，
图1以简要形式示出了示意性闭环反馈控制的基于SOI的输入耦合装置；
图2包括本发明的可选实施例的图，该可选实施例利用与调制器(在该情况下为马赫-陈尔德(Mach-Zehnder)调制器)关联的单片反馈装置；
图3示出了与可变光学衰减器(VOA)结合的闭环发明的反馈装置的应用；
图4包括使用本发明的单片反馈电子器件的光学滤波装置的示意性实施例；
图5是具体地设置成与多个单独的光学设备一起使用的本发明的实施例；
图6包括使用本发明的单片反馈装置的示意性光学开关的图；
图7示出使用本发明的反馈装置来控制/修改环所支持的波长的示意性的环形滤波装置；
图8示出了图7的实施例的变化，其中内嵌(in-line)光学检测器用于与反馈装置关联；
图9示出了图7的实施例的另一变化，其中在该情况下，环形波导用于阻止信号进一步传播；以及
图10包括如由本发明的创造性反馈装置控制的示意性光学输出耦合结构的图。
图1以简要形式示出了示意性闭环反馈控制的基于SOI的输入耦合装置；
图2包括本发明的可选实施例的图，该可选实施例利用与调制器(在该情况下为马赫-陈尔德(Mach-Zehnder)调制器)关联的单片反馈装置；
图3示出了与可变光学衰减器(VOA)结合的闭环发明的反馈装置的应用；
图4包括使用本发明的单片反馈电子器件的光学滤波装置的示意性实施例；
图5是具体地设置成与多个单独的光学设备一起使用的本发明的实施例；
图6包括使用本发明的单片反馈装置的示意性光学开关的图；
图7示出使用本发明的反馈装置来控制/修改环所支持的波长的示意性的环形滤波装置；
图8示出了图7的实施例的变化，其中内嵌(in-line)光学检测器用于与反馈装置关联；
图9示出了图7的实施例的另一变化，其中在该情况下，环形波导用于阻止信号进一步传播；以及
图10包括如由本发明的创造性反馈装置控制的示意性光学输出耦合结构的图。
具体实施方式
图1结合简要的俯视图及侧面图示出了根据本发明构成的示意性闭环反馈控制光学输入耦合装置10。如在关于SOI光学系统的各种其他的现有参考中所述，诸如棱镜12的硅棱镜用于将光信号耦合进SOI结构的亚微米厚度的硅表面层14，该SOI结构还包括硅基片16和埋氧层18。
如图1中的俯视图具体地所示，耦合的光学信号通过聚焦元件20，并随后进入相对薄的光学波导22。聚焦元件20(基于硅的光学元件)用于将二维传播的光信号转变为受波导22的宽度和高度限制的一维光信号。众所周知，这种类型的耦合装置的效率基于(至少部分地基于)入射光束进入棱镜耦合器12的输入耦合面24的角度。在如图1所示的具体的装置中，可移动的反射元件26(例如，微机电系统(MEMS)设备)用于截取入射光束，以及控制光束入射进输入耦合面24的方向和/或位置。
根据本发明的实施例，闭环单片反馈电子器件装置30用于测量沿波导22传播的光学信号的功率，耦合的光功率部分地取决于通过棱镜12耦合的光量。有利地，反馈电子器件30可以包括用于执行公知功能的传统电子器件的单片结构，如下所述。如图1所示，闭环反馈电子器件30连接至光学检测器32的输出(例如，多晶锗、SiGe、基于硅化物的肖特基二极管等)以捕获部分的传播输出信号，利用光学耦合器34来使沿波导22传播的信号出来很少的部分(例如，大约1％)。在这幅及其他的图中，较粗较黑的引线用于表示“光”波导，较细较淡的引线用于表示“电”信号路径。应该理解，虽然反馈电子器件30被示为与光电结构中余下部分集成在相同的硅基片中，反馈电子器件30还可以形成在随后与基于SOI的光电器件结构匹配的单独的基片中。换句话说，倒装片或叠层集成电路装置可以用于提供本发明的期望的反馈装置。
返回来参考图1，从光学检测器32输出的模拟电信号随后作为输入施加至单片反馈电子器件30中的A/D转换器36，其用于产生测量的光学信号的数字表示。该数字表示作为输入施加给可调控制电子器件38，该电子器件被编程以分析信号，并决定输入耦合方向是否需要调整以提高输入光学耦合效率。
可调控制电子器件38的输出接着用于作为单片反馈电子器件30的控制信号电子输出以改变输入耦合装置，在这种情况下，作为位置调节装置40的输入以改变光学元件26的位置，并因此在棱镜面24上提供了输入耦合角和/或光学信号位置的调节。光学元件26可以包括例如反射元件、透射元件或一串的该元件。根据本发明，光学检测器32和闭环单片反馈电子器件30中的各种电子器件与该光电装置中剩下的元件集成在相同的SOI结构中。因此，本发明的该单片闭环装置可以持续地监控示意性的输入耦合器的性能，以及如需要，当运行条件改变(例如，环境温度，元件的寿命等)时改变反射耦合元件26的方向。尽管图1中示出的具体实施例利用棱镜设备作为输入耦合器，但是反馈电子器件30可以与多种其他的耦合装置一起使用(必要时形成为有源设备)，包括(但不限于)反锥形波导(inverse tapered waveguides)、光栅、角状波导，其中反馈电子器件30用于对这样的设备进行“调谐”以获得最大的耦合效率。
有利地，根据本发明的单片结构的应用使得其他元件易于结合在发明的闭环反馈电子器件30中。参照图1，查找/校准表42可以添加到反馈电子器件30，其中，在这样的具体应用中，表42存储各种光学功率值以及与功率值相关的输入信号波长和反射元件方向的列表。另外，位于“片外”的外部系统接口50可以用于将初始值载入到控制器38(例如在工厂安装期间)，或系统接口50可以用于询问控制器38以及将其存储值下载到外部监控系统(如用于质量控制/保证目的)。
图2示出了用于利用与诸如马赫-陈尔德调制器的调制器60相关联的本发明的闭环反馈装置30的装置。如图2所示，调制器60包括输入波导部分62、Y分离器64以及一对平行的波导66-1和66-2，其中平行波导随后在Y合并器67中再次耦合成输出波导部分68。光学输入信号耦合进输入部分62，通过平行波导66-1和66-2，并通过输出波导部分68引出。一对移相电极(phase shifting electrode)70-1和70-2分别用于控制由沿着波导66-1和66-2传播的信号“看到”的光路径长度，以调整沿着波导部分68传播的输出信号的特性。
根据本发明，沿波导部分68传播的一部分的光输出信号通过第一波导耦合器34-1引出，并作为输入施加给第一光学检测器32-1。类似地，一部分沿输入波导部分62传播的施加的输入信号通过第二波导耦合器34-2引出，并作为输入施加给第二光学检测器32-2。应该理解，作为利用光学检测器和相关联的抽头波导(tap waveguide)的可选方案，可以使用“内嵌”检测器，避免需要其他的波导结构。如上述装置，引出的光学信号转变为模拟等效表示。接着将该对表示光输入信号和光输出信号的模拟信号作为单独的输入施加给单片反馈电子器件30，更具体地，作为单独的输入施加给A/D转换器36(或可选地，每个信号可以用作单个A/D转换器的模拟输入)。
A/D转换器36的数字输出随后作为输入施加给控制电子器件38，其中，在这种应用中，控制电子器件38基于诸如测量的信号的比率执行分析。该分析结果接着用于决定用于控制调制器60的信号(即，施加给移相电极70-1和70-2的信号)是否需要进行任何修改以提高调制器60的性能。诸如消光比率、光输出能量、光“眼”质量以及比特差错率(BER)的性质可以由本发明的控制电子器件38分析。更具体地，可以将每个这些参数可以接收的值存储在控制器38中，或可选地存储在查找表42中(如果这样的表出现在反馈电子装置30中)。通过检测两个检测器之间的功率的比率，以及了解施加给每个移相器的DC和AC电压，本发明的反馈电子器件30可以调整移相电输入信号中的一个或两个以优化调制器60的性能。
更一般地，本发明的闭环反馈系统30可以用于与调制器60结合，以通过多种不同的方法执行移相，包括将热变化引入移相元件和/或通过改变波导中自由载流子电荷。如本领域中公知的，还可以将颤音(dithertones)施加给传播的信号以及用于优化调制器60的消光比率。在具有调制器60的反馈系统30的具体应用中，查找表42可以用来提供温度补偿值。
在整个光学通信网络中广泛地利用可变光学衰减器(VOA)，主要地用于控制沿波导传播的光能量。图3示出了与示意性VOA 80结合以精确地设置和控制提供的衰减度的闭环单片反馈装置30的应用。参照图3，VOA 80示为沿光波导82布置，具有沿输入波导部分82-I施加的输入光信号，其随后耦合至VOA 80的输入。VOA 80的输出接着耦合进输出波导部分82-O。在闭环单片反馈电子器件30与VOA 80的应用中，第一光学检测器32-1用于测量光输入信号的能级，第二光学检测器32-2用于测量光输出信号的能级，因此提供VOA80的功能的直接测量。
如所示，测量的输入和输出信号的模拟电子表示作为单独输入施加至反馈电子器件30的A/D信号处理器36，其中处理器36的数字输出随后作为输入施加至控制电子器件30。作为数字表示值的功用，控制电子器件38将决定否需要对由VOA 80提供的衰减度进行调整。电子器件38的控制信号输出因此用作VOA 80的调节输入信号。如同以上讨论的装置，校准/查找表42可以被包括在单片反馈电子器件30中，其中表42可以为不同的可能的衰减输出存储各种调整值。控制电子器件38还可以包括外部系统接口50的通信路径，其中该接口可以用于初始化控制电子器件38的运行，将值载入到表42中，与新的衰减设置通信以优化整个系统性能，或作为通道下载存储在控制电子器件38中的值以用于由片外系统进行分析。
因此，当VOA 80的运行变化时(作为诸如环境温度或设备寿命的函数)，将在闭环反馈系统30中测量该变化，产生用作VOA 80的控制输入的电反馈信号，并且如需要改变施加的衰减。
存在很多利用滤波以提供系统的波长灵敏度的光学通信系统。这样的滤波可以用来去除沿波长传播的单个波长信号的噪声信号。可选地，光学滤波器可以用来从作为输入呈现的多个不同的波长中选择一个特定的波长(或一组波长)。如同上述讨论的VOA装置，本发明的闭环单片反馈电子器件30可以与相关联的基于SOI的光学滤波器结合使用，以优化随时间变化(即，寿命、温度漂移等)或因为制造/生产处理中的变化的结果而发生的变化的光中的性能，更具体地，与基于SOI的结构中的集成光学元件相关。
图4示出了沿光波导92(具有输入波导部分92-1和输出波导部分92-2)设置的光学滤波器90和反馈电子器件30的示意性基于SOI的装置，全部形成为同一基于SOI的基片中的单片结构。具体地，对于利用密集型波分复用(DADM)，其中各种输入波长信号是密集的，根据本发明的单片(on-chip)反馈的使用为精确地控制出自光学滤波器90的光学信号的波长提供了高度可靠的装置。例如，如图4所示，将工作在不同波长λ1，λ2，...，λN的多个光信号作为输入施加至光学滤波器90，其中仅仅期望工作在λ1波长的信号进一步传播。通过用反馈装置30的检测器32-2测量该输出信号值，如需要可以调整光学滤波器90的参数以防止波长值的漂移。
作为本发明的单片装置的又一优势，闭环反馈可以与形成在单个SOI基片上的光学/光电器件阵列一起使用。图5示出了本发明的示意性实施例，其中闭环反馈电子器件30设置成与N个光学设备1001-100N的阵列一起使用，其中N个设备可以包括多个不同的设备或相同设备的阵列。在本发明的具体实施例中，闭环反馈装置30还包括一对1/N电子选择器44-1和44-2，其中选择器44-1连接以接收来自位于相关联的N个光学设备1001-100N的输入上的多个光学检测器32-11到32-1N的测量的光学输入信号。相似地，选择器44-2用于决定在特定时间应该分析来自设备1001-100N的相关联的光学输出信号中的哪一个。如所示，选择器44-2连接在多个光学输出检测器32-21到32-2N的输出和A/D转换器36的输入之间，使得仅来自选择的检测器32-2的模拟输出信号将作为输入施加到A/D转换器36。
图6中示出包括本发明的反馈电子器件30的单片的基于SOI的光学开关装置120。如所示，开关120包括诸如一对渐逝耦合(evanescentlycoupled)波导的输入耦合元件122，其用于将输入光学信号引入系统。接着，信号沿着波导124-1和124-2分离，其中沿着波导124-1和124-2分别布置一对移相器126-1和126-2。通过控制施加到移相器126-1和126-2的电信号，可以将输出光信号设置成在第一输出波导128-1和第二输出波导128-2之间的开关。根据本发明通过监控输入光信号中的功率和沿每个输出信号路径的光学信号功率，可以控制与光学开关功能相关的各种参数(例如，其比特差错率(BER))。
根据本发明，因此，设置一对用32-out1和32-out2表示的输出光学检测器以使分别沿波导128-1和128-2传播的信号的一部分引出来。输入监控器包括光学检测器32-in和相关联的波导34-in。如同上述装置，光学检测器32-out1和32-out2产生模拟输出信号，其之后作为输入施加至单片电子器件30的A/D处理器36。处理器36的数字输出之后作为输入施加至控制电子器件38，其产生两个用C-1和C-2表示的输出控制信号。
图7示出了示意性基于SOI的波长选择装置(在这种情况下为环式共振器结构)，其可以使用本发明的反馈电子器件30来提供波长调谐和控制的期望的度。图7示出了示意性波导140，其中环形波导142也像波导140一样集成在基于SOI的结构的同样的SOI层中，并且环形波导142与波导140相关地设置以外耦合在特定选择的波长传播的光。如本领域公知，环形波导的尺寸和形状可以设置以使得光的特定波长在波导外耦合以及耦合进环(可选地，注入进环形波导142的信号的特定波长可以随后耦合进波导140)。在图7的实施例中，环形波导142设置成外耦合以从沿波导140传播的各组波长中选择的波长λ1传播的光。环142可以通过如所示的环42一部分之上的移相元件144的功效而被“调谐”。移相元件144可以包括诸如基于热或自由载流子类型的设备。电信号施加至移相元件144的功用为改变由传播信号所“看到”的环142的光学路径长度，因而改变耦合进环142的波长。尽管仅仅在图7中仅示出了单一个信号环142，应该理解可以沿波导140设置多个环，其中“调谐”每个环以外耦合不同波长，使得执行复用/解复用操作。
如图7所示，单独的光波导146邻近环142设置以捕获以波长λ1传播的信号，并使得信号继续传播通过装置的SOI层。根据本发明，第一光学检测器32-1和相关的抽头波导34-1邻近波导146设置，以移动部分选择的信号用于分析。单独的光学检测器32-2和抽头波导34-2用于测量沿波导40的输出残留的信号。如所示，这些测量的信号随后都被作为输入施加到反馈电子器件30。更具体地，该对测量的信号在A/D信号处理器中首先被数字化，接着作为数字输入施加到控制电子器件38。控制电子器件38执行对于选择的波长的特性与剩下的未选择的波长(信号功率、波长的“漂移”等)的特性进行比较的分析，以及基于该信息，产生作为反馈施加到移相元件144的电子控制信号。施加的控制信号因此用于如需要时调整环142的特性，以确保合适的波长从波导140被外耦合。如上述的各种实施例，单独的查找表42和/或外部系统接口50可以用于作为反馈电子器件30的部分。
图8示出了图7的实施例的轻微变化，其中在这种情况下，内嵌光学检测设备32-I如所示的那样沿着波导146设置。更具体地，内嵌光学检测设备32-I可以包括集成在波导146内的移动式波导检测结构。如同所有的其他实施例，光学检测设备32-I的模拟电输出信号作为输入施加到反馈电子器件30的A/D信号处理器36。图9中示出了图7的另一可选的装置，其中在这种具体情况下，简单地“阻挡”外耦合波长进一步传播。因此，对于该实施例，与光学检测设备32相关联的抽头波导34位于邻近环形波导142处，以至少外耦合由环142的作用而从波导140中移去的特定的波长的一部分。在如图7和8所示的实施例的相同的方法中，接着作为输入施加给控制电子设器件38的测量信号可以用于通过将电子控制信号施加到移相元件144而调整环142的性能。
如以上所提及，对于获得期望的程度的光效率，基于SOI的结构的输入上的合适的耦合方向是关键的。同样重要的是与基于SOI的结构一起使用的输出耦合装置。图10示出了本发明的示意性实施例，其中单片反馈电子设备30与片外元件相关联使用，以在基于SOI的结构外耦合时，控制光学信号的调谐、校准以及聚焦。在这种情况下，输出耦合光器件包括一对准直元件(例如，两维棱镜)150，用在SOI基片的表面内，以使沿波导152传播的一维光信号转变为二维准直的形式。随后将诸如光学棱镜的外耦合设备154用于将二维信号再引导到SOI基片的平面之外，并进入自由空间(其中应该理解，可以使用诸如渐变器和/光栅的各种其他类型的耦合装置来耦合)。接着使用所示的可调耦合元件156来适当地将自由空间信号引导进相关联的导向装置(例如，随后结构中的光纤、或波导)。
参照图10，光学检测器32用于测量输出耦合装置中的反射信号的量(当然其中在理想的装置中的反射信号应具有零能量值)。通过测量由A/D处理器36编译成数字信号的反射功率的值，控制电子器件38可以用于调整片外可调耦合元件156的方向，以将自由空间传播光束聚焦进相关联的光纤或其他的导向元件。
出于示意和描述的目的提出了本发明的具体实施例的前述说明。其并不不是排他的或将本发明限制在公开的明确形式，明显地，根据上述说明可以有很多修改和变化。例如，尽管提及了棱镜耦合作为用于各个实施例的耦合技术，但是可以利用与基于SOI的结构一起使用的光学耦合的任何合适形式，并通过结合本发明的反馈装置的优点而受益。此外，反馈电子器件可以包括设置在单独的基片上的一个或更多个元件，该基片随后与支持光电元件(例如，基片的倒装片结合、叠层装置)的SOI基片连接。进一步地，各种类型的光学检测器(分立器件或集成器件、波导耦合的或内嵌的)可以用于将输入信号提供至本发明的反馈电子器件。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明和各种实施例，选择和描述选择示出的实施例，其中各种修改适于预期的具体应用。应该理解，本发明的主旨仅由所附的权利要求及其等同所限定。
相关申请的交叉参考
本申请要求于2004年10月19日提交的美国临时申请No.60/620156的权益。
如图1中的俯视图具体地所示，耦合的光学信号通过聚焦元件20，并随后进入相对薄的光学波导22。聚焦元件20(基于硅的光学元件)用于将二维传播的光信号转变为受波导22的宽度和高度限制的一维光信号。众所周知，这种类型的耦合装置的效率基于(至少部分地基于)入射光束进入棱镜耦合器12的输入耦合面24的角度。在如图1所示的具体的装置中，可移动的反射元件26(例如，微机电系统(MEMS)设备)用于截取入射光束，以及控制光束入射进输入耦合面24的方向和/或位置。
根据本发明的实施例，闭环单片反馈电子器件装置30用于测量沿波导22传播的光学信号的功率，耦合的光功率部分地取决于通过棱镜12耦合的光量。有利地，反馈电子器件30可以包括用于执行公知功能的传统电子器件的单片结构，如下所述。如图1所示，闭环反馈电子器件30连接至光学检测器32的输出(例如，多晶锗、SiGe、基于硅化物的肖特基二极管等)以捕获部分的传播输出信号，利用光学耦合器34来使沿波导22传播的信号出来很少的部分(例如，大约1％)。在这幅及其他的图中，较粗较黑的引线用于表示“光”波导，较细较淡的引线用于表示“电”信号路径。应该理解，虽然反馈电子器件30被示为与光电结构中余下部分集成在相同的硅基片中，反馈电子器件30还可以形成在随后与基于SOI的光电器件结构匹配的单独的基片中。换句话说，倒装片或叠层集成电路装置可以用于提供本发明的期望的反馈装置。
返回来参考图1，从光学检测器32输出的模拟电信号随后作为输入施加至单片反馈电子器件30中的A/D转换器36，其用于产生测量的光学信号的数字表示。该数字表示作为输入施加给可调控制电子器件38，该电子器件被编程以分析信号，并决定输入耦合方向是否需要调整以提高输入光学耦合效率。
可调控制电子器件38的输出接着用于作为单片反馈电子器件30的控制信号电子输出以改变输入耦合装置，在这种情况下，作为位置调节装置40的输入以改变光学元件26的位置，并因此在棱镜面24上提供了输入耦合角和/或光学信号位置的调节。光学元件26可以包括例如反射元件、透射元件或一串的该元件。根据本发明，光学检测器32和闭环单片反馈电子器件30中的各种电子器件与该光电装置中剩下的元件集成在相同的SOI结构中。因此，本发明的该单片闭环装置可以持续地监控示意性的输入耦合器的性能，以及如需要，当运行条件改变(例如，环境温度，元件的寿命等)时改变反射耦合元件26的方向。尽管图1中示出的具体实施例利用棱镜设备作为输入耦合器，但是反馈电子器件30可以与多种其他的耦合装置一起使用(必要时形成为有源设备)，包括(但不限于)反锥形波导(inverse tapered waveguides)、光栅、角状波导，其中反馈电子器件30用于对这样的设备进行“调谐”以获得最大的耦合效率。
有利地，根据本发明的单片结构的应用使得其他元件易于结合在发明的闭环反馈电子器件30中。参照图1，查找/校准表42可以添加到反馈电子器件30，其中，在这样的具体应用中，表42存储各种光学功率值以及与功率值相关的输入信号波长和反射元件方向的列表。另外，位于“片外”的外部系统接口50可以用于将初始值载入到控制器38(例如在工厂安装期间)，或系统接口50可以用于询问控制器38以及将其存储值下载到外部监控系统(如用于质量控制/保证目的)。
图2示出了用于利用与诸如马赫-陈尔德调制器的调制器60相关联的本发明的闭环反馈装置30的装置。如图2所示，调制器60包括输入波导部分62、Y分离器64以及一对平行的波导66-1和66-2，其中平行波导随后在Y合并器67中再次耦合成输出波导部分68。光学输入信号耦合进输入部分62，通过平行波导66-1和66-2，并通过输出波导部分68引出。一对移相电极(phase shifting electrode)70-1和70-2分别用于控制由沿着波导66-1和66-2传播的信号“看到”的光路径长度，以调整沿着波导部分68传播的输出信号的特性。
根据本发明，沿波导部分68传播的一部分的光输出信号通过第一波导耦合器34-1引出，并作为输入施加给第一光学检测器32-1。类似地，一部分沿输入波导部分62传播的施加的输入信号通过第二波导耦合器34-2引出，并作为输入施加给第二光学检测器32-2。应该理解，作为利用光学检测器和相关联的抽头波导(tap waveguide)的可选方案，可以使用“内嵌”检测器，避免需要其他的波导结构。如上述装置，引出的光学信号转变为模拟等效表示。接着将该对表示光输入信号和光输出信号的模拟信号作为单独的输入施加给单片反馈电子器件30，更具体地，作为单独的输入施加给A/D转换器36(或可选地，每个信号可以用作单个A/D转换器的模拟输入)。
A/D转换器36的数字输出随后作为输入施加给控制电子器件38，其中，在这种应用中，控制电子器件38基于诸如测量的信号的比率执行分析。该分析结果接着用于决定用于控制调制器60的信号(即，施加给移相电极70-1和70-2的信号)是否需要进行任何修改以提高调制器60的性能。诸如消光比率、光输出能量、光“眼”质量以及比特差错率(BER)的性质可以由本发明的控制电子器件38分析。更具体地，可以将每个这些参数可以接收的值存储在控制器38中，或可选地存储在查找表42中(如果这样的表出现在反馈电子装置30中)。通过检测两个检测器之间的功率的比率，以及了解施加给每个移相器的DC和AC电压，本发明的反馈电子器件30可以调整移相电输入信号中的一个或两个以优化调制器60的性能。
更一般地，本发明的闭环反馈系统30可以用于与调制器60结合，以通过多种不同的方法执行移相，包括将热变化引入移相元件和/或通过改变波导中自由载流子电荷。如本领域中公知的，还可以将颤音(dithertones)施加给传播的信号以及用于优化调制器60的消光比率。在具有调制器60的反馈系统30的具体应用中，查找表42可以用来提供温度补偿值。
在整个光学通信网络中广泛地利用可变光学衰减器(VOA)，主要地用于控制沿波导传播的光能量。图3示出了与示意性VOA 80结合以精确地设置和控制提供的衰减度的闭环单片反馈装置30的应用。参照图3，VOA 80示为沿光波导82布置，具有沿输入波导部分82-I施加的输入光信号，其随后耦合至VOA 80的输入。VOA 80的输出接着耦合进输出波导部分82-O。在闭环单片反馈电子器件30与VOA 80的应用中，第一光学检测器32-1用于测量光输入信号的能级，第二光学检测器32-2用于测量光输出信号的能级，因此提供VOA80的功能的直接测量。
如所示，测量的输入和输出信号的模拟电子表示作为单独输入施加至反馈电子器件30的A/D信号处理器36，其中处理器36的数字输出随后作为输入施加至控制电子器件30。作为数字表示值的功用，控制电子器件38将决定否需要对由VOA 80提供的衰减度进行调整。电子器件38的控制信号输出因此用作VOA 80的调节输入信号。如同以上讨论的装置，校准/查找表42可以被包括在单片反馈电子器件30中，其中表42可以为不同的可能的衰减输出存储各种调整值。控制电子器件38还可以包括外部系统接口50的通信路径，其中该接口可以用于初始化控制电子器件38的运行，将值载入到表42中，与新的衰减设置通信以优化整个系统性能，或作为通道下载存储在控制电子器件38中的值以用于由片外系统进行分析。
因此，当VOA 80的运行变化时(作为诸如环境温度或设备寿命的函数)，将在闭环反馈系统30中测量该变化，产生用作VOA 80的控制输入的电反馈信号，并且如需要改变施加的衰减。
存在很多利用滤波以提供系统的波长灵敏度的光学通信系统。这样的滤波可以用来去除沿波长传播的单个波长信号的噪声信号。可选地，光学滤波器可以用来从作为输入呈现的多个不同的波长中选择一个特定的波长(或一组波长)。如同上述讨论的VOA装置，本发明的闭环单片反馈电子器件30可以与相关联的基于SOI的光学滤波器结合使用，以优化随时间变化(即，寿命、温度漂移等)或因为制造/生产处理中的变化的结果而发生的变化的光中的性能，更具体地，与基于SOI的结构中的集成光学元件相关。
图4示出了沿光波导92(具有输入波导部分92-1和输出波导部分92-2)设置的光学滤波器90和反馈电子器件30的示意性基于SOI的装置，全部形成为同一基于SOI的基片中的单片结构。具体地，对于利用密集型波分复用(DADM)，其中各种输入波长信号是密集的，根据本发明的单片(on-chip)反馈的使用为精确地控制出自光学滤波器90的光学信号的波长提供了高度可靠的装置。例如，如图4所示，将工作在不同波长λ1，λ2，...，λN的多个光信号作为输入施加至光学滤波器90，其中仅仅期望工作在λ1波长的信号进一步传播。通过用反馈装置30的检测器32-2测量该输出信号值，如需要可以调整光学滤波器90的参数以防止波长值的漂移。
作为本发明的单片装置的又一优势，闭环反馈可以与形成在单个SOI基片上的光学/光电器件阵列一起使用。图5示出了本发明的示意性实施例，其中闭环反馈电子器件30设置成与N个光学设备1001-100N的阵列一起使用，其中N个设备可以包括多个不同的设备或相同设备的阵列。在本发明的具体实施例中，闭环反馈装置30还包括一对1/N电子选择器44-1和44-2，其中选择器44-1连接以接收来自位于相关联的N个光学设备1001-100N的输入上的多个光学检测器32-11到32-1N的测量的光学输入信号。相似地，选择器44-2用于决定在特定时间应该分析来自设备1001-100N的相关联的光学输出信号中的哪一个。如所示，选择器44-2连接在多个光学输出检测器32-21到32-2N的输出和A/D转换器36的输入之间，使得仅来自选择的检测器32-2的模拟输出信号将作为输入施加到A/D转换器36。
图6中示出包括本发明的反馈电子器件30的单片的基于SOI的光学开关装置120。如所示，开关120包括诸如一对渐逝耦合(evanescentlycoupled)波导的输入耦合元件122，其用于将输入光学信号引入系统。接着，信号沿着波导124-1和124-2分离，其中沿着波导124-1和124-2分别布置一对移相器126-1和126-2。通过控制施加到移相器126-1和126-2的电信号，可以将输出光信号设置成在第一输出波导128-1和第二输出波导128-2之间的开关。根据本发明通过监控输入光信号中的功率和沿每个输出信号路径的光学信号功率，可以控制与光学开关功能相关的各种参数(例如，其比特差错率(BER))。
根据本发明，因此，设置一对用32-out1和32-out2表示的输出光学检测器以使分别沿波导128-1和128-2传播的信号的一部分引出来。输入监控器包括光学检测器32-in和相关联的波导34-in。如同上述装置，光学检测器32-out1和32-out2产生模拟输出信号，其之后作为输入施加至单片电子器件30的A/D处理器36。处理器36的数字输出之后作为输入施加至控制电子器件38，其产生两个用C-1和C-2表示的输出控制信号。
图7示出了示意性基于SOI的波长选择装置(在这种情况下为环式共振器结构)，其可以使用本发明的反馈电子器件30来提供波长调谐和控制的期望的度。图7示出了示意性波导140，其中环形波导142也像波导140一样集成在基于SOI的结构的同样的SOI层中，并且环形波导142与波导140相关地设置以外耦合在特定选择的波长传播的光。如本领域公知，环形波导的尺寸和形状可以设置以使得光的特定波长在波导外耦合以及耦合进环(可选地，注入进环形波导142的信号的特定波长可以随后耦合进波导140)。在图7的实施例中，环形波导142设置成外耦合以从沿波导140传播的各组波长中选择的波长λ1传播的光。环142可以通过如所示的环42一部分之上的移相元件144的功效而被“调谐”。移相元件144可以包括诸如基于热或自由载流子类型的设备。电信号施加至移相元件144的功用为改变由传播信号所“看到”的环142的光学路径长度，因而改变耦合进环142的波长。尽管仅仅在图7中仅示出了单一个信号环142，应该理解可以沿波导140设置多个环，其中“调谐”每个环以外耦合不同波长，使得执行复用/解复用操作。
如图7所示，单独的光波导146邻近环142设置以捕获以波长λ1传播的信号，并使得信号继续传播通过装置的SOI层。根据本发明，第一光学检测器32-1和相关的抽头波导34-1邻近波导146设置，以移动部分选择的信号用于分析。单独的光学检测器32-2和抽头波导34-2用于测量沿波导40的输出残留的信号。如所示，这些测量的信号随后都被作为输入施加到反馈电子器件30。更具体地，该对测量的信号在A/D信号处理器中首先被数字化，接着作为数字输入施加到控制电子器件38。控制电子器件38执行对于选择的波长的特性与剩下的未选择的波长(信号功率、波长的“漂移”等)的特性进行比较的分析，以及基于该信息，产生作为反馈施加到移相元件144的电子控制信号。施加的控制信号因此用于如需要时调整环142的特性，以确保合适的波长从波导140被外耦合。如上述的各种实施例，单独的查找表42和/或外部系统接口50可以用于作为反馈电子器件30的部分。
图8示出了图7的实施例的轻微变化，其中在这种情况下，内嵌光学检测设备32-I如所示的那样沿着波导146设置。更具体地，内嵌光学检测设备32-I可以包括集成在波导146内的移动式波导检测结构。如同所有的其他实施例，光学检测设备32-I的模拟电输出信号作为输入施加到反馈电子器件30的A/D信号处理器36。图9中示出了图7的另一可选的装置，其中在这种具体情况下，简单地“阻挡”外耦合波长进一步传播。因此，对于该实施例，与光学检测设备32相关联的抽头波导34位于邻近环形波导142处，以至少外耦合由环142的作用而从波导140中移去的特定的波长的一部分。在如图7和8所示的实施例的相同的方法中，接着作为输入施加给控制电子设器件38的测量信号可以用于通过将电子控制信号施加到移相元件144而调整环142的性能。
如以上所提及，对于获得期望的程度的光效率，基于SOI的结构的输入上的合适的耦合方向是关键的。同样重要的是与基于SOI的结构一起使用的输出耦合装置。图10示出了本发明的示意性实施例，其中单片反馈电子设备30与片外元件相关联使用，以在基于SOI的结构外耦合时，控制光学信号的调谐、校准以及聚焦。在这种情况下，输出耦合光器件包括一对准直元件(例如，两维棱镜)150，用在SOI基片的表面内，以使沿波导152传播的一维光信号转变为二维准直的形式。随后将诸如光学棱镜的外耦合设备154用于将二维信号再引导到SOI基片的平面之外，并进入自由空间(其中应该理解，可以使用诸如渐变器和/光栅的各种其他类型的耦合装置来耦合)。接着使用所示的可调耦合元件156来适当地将自由空间信号引导进相关联的导向装置(例如，随后结构中的光纤、或波导)。
参照图10，光学检测器32用于测量输出耦合装置中的反射信号的量(当然其中在理想的装置中的反射信号应具有零能量值)。通过测量由A/D处理器36编译成数字信号的反射功率的值，控制电子器件38可以用于调整片外可调耦合元件156的方向，以将自由空间传播光束聚焦进相关联的光纤或其他的导向元件。
出于示意和描述的目的提出了本发明的具体实施例的前述说明。其并不不是排他的或将本发明限制在公开的明确形式，明显地，根据上述说明可以有很多修改和变化。例如，尽管提及了棱镜耦合作为用于各个实施例的耦合技术，但是可以利用与基于SOI的结构一起使用的光学耦合的任何合适形式，并通过结合本发明的反馈装置的优点而受益。此外，反馈电子器件可以包括设置在单独的基片上的一个或更多个元件，该基片随后与支持光电元件(例如，基片的倒装片结合、叠层装置)的SOI基片连接。进一步地，各种类型的光学检测器(分立器件或集成器件、波导耦合的或内嵌的)可以用于将输入信号提供至本发明的反馈电子器件。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明和各种实施例，选择和描述选择示出的实施例，其中各种修改适于预期的具体应用。应该理解，本发明的主旨仅由所附的权利要求及其等同所限定。
相关申请的交叉参考
本申请要求于2004年10月19日提交的美国临时申请No.60/620156的权益。