特表 2022-522796 シリコンフォトニクス外部共振器型同調可能レーザの波長制御のための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-20

(54)【発明の名称】シリコンフォトニクス外部共振器型同調可能レーザの波長制御のための方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20220413BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20220413BHJP

【ＦＩ】

H01S5/14

G02B6/12 341

G02B6/12 301

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021551846

(86)(22)【出願日】2020-02-28

(85)【翻訳文提出日】2021-10-26

(86)【国際出願番号】 US2020020495

(87)【国際公開番号】W WO2020180728

(87)【国際公開日】2020-09-10

(31)【優先権主張番号】62/812,455

(32)【優先日】2019-03-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】500030666

【氏名又は名称】ネオフォトニクス・コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＮｅｏＰｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100189555

【弁理士】

【氏名又は名称】徳山 英浩

(74)【代理人】

【識別番号】100100479

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 三喜夫

(72)【発明者】

【氏名】ガオ，ヨンカン

(72)【発明者】

【氏名】ロ，ジアン－チャン

【テーマコード（参考）】

2H147

5F173

【Ｆターム（参考）】

2H147AB16

2H147BA17

2H147BD03

2H147DA07

2H147DA15

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14B

2H147FC02

5F173AA02

5F173AB44

5F173AB47

5F173AB49

5F173AF03

5F173AH12

5F173AL03

5F173AR04

5F173AR06

(57)【要約】

半導体ベースのゲインチップと、同調機能を備えるシリコンフォトニクスフィルタチップとを備える同調可能な固体レーザデバイスが述べられている。シリコンフォトニクスフィルタチップは、入出力シリコン導波路と、シリコン導波路と共に形成された少なくとも２つのリング共振器と、リング共振器とインターフェースする１つ又は複数の接続シリコン導波路と、各リング共振器に関連付けられた個別の加熱器と、チップの温度を測定するように構成された温度センサと、温度センサ及び個別の加熱器に接続され、同調された周波数を提供するためにフィルタ温度を維持するようにフィードバックループでプログラムされた制御装置とを備えることができる。１つ又は複数の接続シリコン導波路は、少なくとも２つのリング共振器それぞれと共振する光を入出力シリコン導波路を通って戻るように再指向するように構成される。レーザ周波数の制御のための対応する方法が述べられている。ＳｉＰｈｏマルチフィルタチップの改良された構造は、サニャック干渉計を含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体ベースのゲインチップと、
同調機能を備えたシリコンフォトニクスフィルタチップとを備える同調可能な固体レーザデバイスであって、前記シリコンフォトニクスフィルタチップが、入出力シリコン導波路と、前記シリコン導波路と共に形成された少なくとも２つのリング共振器と、前記リング共振器とインターフェースする１つ又は複数の接続シリコン導波路と、各リング共振器に関連付けられた個別の加熱器と、前記チップの温度を測定するように構成された温度センサと、前記温度センサ及び前記個別の加熱器に接続され、同調された周波数を提供するためにフィルタ温度を維持するようにフィードバックループでプログラムされた制御装置とを備え、前記１つ又は複数の接続シリコン導波路が、前記少なくとも２つのリング共振器のそれぞれと共振する光を、前記入出力シリコン導波路を通って戻るように再指向するように構成され、
前記シリコンフォトニクスフィルタチップの前記入出力シリコン導波路が、スポットサイズ変換器を備えた前記半導体ベースのゲインチップに結合されて、前記インターフェースによる損失を低減するためにモードサイズ整合を提供する、
同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項2】

前記シリコンフォトニクスフィルタチップが、各リング共振器に関連付けられた個別の抵抗温度センサをさらに備え、前記制御装置が、前記フィードバックループでの前記測定を考慮に入れるために、前記個別のリング温度センサから信号を受信するように接続される、請求項１に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項3】

前記シリコンフォトニクスフィルタチップが、前記入出力シリコン導波路に光学的に接続された光学スプリッタ－コンバイナを備え、前記１つ又は複数の接続シリコン導波路が、それぞれ光学スプリッタ－コンバイナの分割側に接続された、サニャック干渉計のループと共に配設された２つの分岐導波路を備え、前記リング共振器が、前記干渉計の前記ループを閉じてマルチフィルタ型サニャック干渉計を形成する、請求項１又は２に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項4】

前記少なくとも２つのリング共振器が２つのリング共振器であり、前記１つ又は複数の接続シリコン導波路が、前記２つのリング共振器を互いに光学的に接続するように構成された概してＵ字形のシリコン導波路をさらに備え、各リング共振器がそれぞれ前記スプリッタ－コンバイナの分岐部に結合され、前記スプリッタ－カプラから進む光が、両方の共振リングと適切に共振する場合に、前記スプリッタ－コンバイナから前記スプリッタ－カプラに向かって、第１のリング共振器に結合し、概してＵ字形のシリコン導波路に沿って、次いで他方のリング共振器に沿って、他方の分岐部に結合される構成を形成する、請求項３に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項5】

前記少なくとも２つのリング共振器が３つのリング共振器であり、各２つのリング共振器がそれぞれ前記スプリッタ－コンバイナの分岐部に結合され、第３のリング共振器が、他の２つのリング共振器の間に位置決めされて光学的に接続され、前記スプリッタ－カプラから進む光が、３つのリング共振器すべてと適切に共振する場合に、一方の分岐部から第１のリング共振器に結合し、第３のリング共振器に沿って、次いで他方の共振リングに沿って、他方の分岐部に結合されて、前記スプリッタ－カプラに向けられた光とのサニャック干渉計のループを完成させる構成を形成する、請求項３に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項6】

前記クラッドのトレンチが、前記加熱器の少なくとも一部を少なくとも２つのリング共振器から断熱する、請求項１～５のいずれか一項に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項7】

前記ゲインチップが、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層を備えるｐ－ｎダイオードを備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項8】

前記制御装置が、前記リング共振器温度の比例－積分－微分閉ループ制御を行うようにプログラムされている、請求項１～７のいずれか一項に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項9】

前記ゲインチップの出力を受信し、増幅された光信号をさらに出力するように構成された半導体光増幅器をさらに備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項10】

前記ゲインチップの前記出力を受信し、増幅された光信号をさらに出力するように構成された半導体光増幅器と、構成要素を冷却するように構成された熱電冷却器とをさらに備え、シリコンフォトニクスフィルタチップが、前記入出力シリコン導波路に光学的に接続された光学スプリッタ－コンバイナを備え、前記１つ又は複数の接続シリコン導波路が、それぞれ前記光学スプリッタ－コンバイナの分割側に接続されたサニャック干渉計の２つの分岐部を備え、前記リング共振器が、前記干渉計の前記ループを閉じて、マルチフィルタ型サニャック干渉計を形成する、請求項１～８のいずれか一項に記載の同調可能な固体レーザデバイス。

【請求項11】

同調可能な外部共振器型レーザの出力を安定化する方法であって、前記同調可能な外部共振器型レーザが、スポットサイズ変換器によって互いに結合されて前記レーザキャビティを形成する半導体ベースのゲインチップとシリコンフォトニクスフィルタチップとを備え、前記シリコンフォトニクスフィルタチップが、任意の加熱要素から離してチップ温度を測定するように構成された抵抗温度センサと、個別の一体型抵抗加熱器を備えた複数のリング共振器とを備え、方法が、
前記抵抗温度センサから読取値を取得し、抵抗加熱器への電力を調整してレーザ周波数を公差内に維持するように構成された制御装置によって駆動される制御ループを使用するステップを含む、方法。

【請求項12】

前記制御ループが、前記抵抗加熱器の比例－積分－微分調整を行う、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記同調可能な外部共振器型レーザが、デジタルプロセッサを備える制御装置をさらに備える、請求項１１又は１２に記載の方法。

【請求項14】

前記レーザ周波数の前記公差が±０．５Ｇｈｚである、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

シリコンフォトニクスフィルタチップが、入力導波路と、２つの分岐導波路と、前記入力導波路及び前記２つの分岐導波路に接続されたスプリッタ－カプラと、前記２つの分岐導波路を橋渡しする少なくとも２つのリング共振器とを備え、前記リング共振器が干渉計のループを閉じて、マルチフィルタ型サニャック干渉計を形成する、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項16】

前記同調可能な外部共振器型レーザが、前記ゲインチップからの出力を受信し、増幅された光を出力するように構成された半導体光増幅器をさらに備える、請求項１１～１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

前記同調可能な外部共振器型レーザは、少なくとも約１２０ｍＷの電力出力及び約６０ｋＨｚ以下の固有線幅を有する、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

入力導波路と、
前記入力導波路に光学的に接続されたサニャック干渉計であって、
前記入力導波路に接続されたスプリッタ／カプラ、
前記スプリッタ－カプラに接続され、それぞれが端部で終端する２つの導波路分岐部、及び
それぞれが個別の導波路分岐部に結合され、介在する湾曲導波路によって互いに結合されて、それぞれのリング共振器の旋光の方向を反転させる２つのリング共振器であって、前記介在する湾曲導波路が、さらなるリング共振器を備えることも備えないこともある、２つのリング共振器、を備えるサニャック干渉計と、
各リング共振器に関連付けられた抵抗加熱器と、を備える光チップであって、
前記入力導波路への光が特定の導波路分岐部に分割され、前記光が２つのリング共振器及び任意の介在するリング共振器と共振する場合、次いで一方のリング共振器を介して、前記介在する湾曲導波路に沿って、さらに他方のリング共振器を介して、反対側の導波路分岐部に結合され、スプリッタ－カプラに戻る、
光チップ。

【請求項19】

前記導波路が、元素シリコン及びシリカクラッドを備える、請求項１８に記載の光チップ。

【請求項20】

前記介在する湾曲導波路がＵ字形状であり、前記形状の両側の直線縁部がそれぞれのリング共振器とインターフェースされる、請求項１９に記載の光チップ。

【請求項21】

前記抵抗加熱器からの温度勾配の有意な測定を伴わずにチップ温度を測定するように位置決めされた温度センサをさらに備える、請求項２０に記載の光チップ。

【請求項22】

各リング共振器に関連付けられた温度センサをさらに備える、請求項２１に記載の光チップ。

【請求項23】

前記リング共振器導波路及びクラッドの加熱される部分の少なくとも部分的な断熱を提供するトレンチをさらに備える、請求項２２に記載の光チップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
本出願は、参照により本明細書に援用する２０１９年３月１日にＧａｏ他に付与された「Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｆ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ」という名称の同時係属中の米国仮特許出願第６２／８１２，４５５号の優先権を主張する。

【0002】

本発明は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体ダイオード構造などの半導体ゲインチップと、ゲインチップとインターフェースされて同調可能レーザキャビティを形成するシリコンフォトニクスベースの同調可能なフィルタチップとを備えたハイブリッド外部共振器型レーザに関する。本発明はさらに、所望の熱制御を備えた外部共振器型レーザ用のシリコンフォトニクスチップに関する。

【背景技術】

【0003】

コヒーレント光通信システムは、数百メートルから全世界までの距離でのインターネットワーキングの主要な方法として広く認識されている。需要の増加により光ファイバ容量が１００Ｇｂｓ／波長以上になるので、コヒーレント光システムがますます多く採用されている。コヒーレント同調可能レーザは、そのようなネットワークを実現可能にする重要な要素である。これらは単に「同調可能レーザ」と呼ばれることが多いが、これらのレーザに関する動作要件は、その単純な用語が示唆するよりもはるかに特定的である。これらのレーザの同調性は通常、波長の観点から述べられるが、光周波数の観点から挙動を表現するほうが明快であることがよくある。相関は、常に、周波数＝光速／波長という単純な方程式によって定められる。したがって、１５２０ｎｍ～１５７０ｎｍ（典型的な範囲）の間でほぼ同調可能なレーザは、それに応じて、約１９７Ｔｈｚ～１９１ＴＨｚ（Ｔｈｚ＝１０^１２Ｈｚ）の間で同調可能である。そのような同調可能レーザが新興及び今後のコヒーレントシステムの要件を満たすためには、様々な要件のなかでもとりわけ、（Ａ）ターゲットの１ＧＨｚ以内の周波数設定（したがって波長）に応答する（すなわち、２００，０００分の１）、及び（Ｂ）５００ＫＨｚ未満、好ましくは１００ＫＨｚ未満の線幅（約１億分の１の比帯域）を示すべきである。

【0004】

これらの挙動を実現するために、同調可能レーザは、常に外部共振器型レーザ（ＥＣＬ）として設計される。これは、ＥＣＬ構造が、光増幅素子と、複合光共振器を形成する他の光学素子とを含むことを意味する。これは、増幅素子と光共振器とが本質的に同じ単一のダイ上にある標準的な半導体レーザダイオードとは対照的である。複合光キャビティ内の光フィルタは、所期の光周波数を選択し、所要の光線幅を保持するように調整される。単一の通過帯域を（約）６ＴＨｚの同調範囲全体にわたって同調し、（約）２００ＫＨｚの線幅を提供することもできる単一の光学フィルタは、現在実用的ではない（又はほぼ実用的でない）。したがって、この種の実用的なＥＣＬ同調可能レーザは、複合共振器で２つの同調可能フィルタを利用する。各同調可能フィルタは、同調範囲全体にわたって櫛状の狭い通過帯域を提供し、各フィルタは、各フィルタの１つのライン間のみに重畳があるように個別に調整され、同調可能レーザはその重畳周波数で狭帯域の光を放出する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

第１の態様では、本発明は、半導体ベースのゲインチップと、同調機能を備えたシリコンフォトニクスフィルタチップとを備える同調可能な固体レーザデバイスに関する。一般に、シリコンフォトニクスフィルタチップが、入出力シリコン導波路と、シリコン導波路と共に形成された少なくとも２つのリング共振器と、リング共振器とインターフェースする１つ又は複数の接続シリコン導波路と、各リング共振器に関連付けられた個別の加熱器と、チップの温度を測定するように構成された温度センサと、温度センサ及び個別の加熱器に接続され、同調された周波数を提供するためにフィルタ温度を維持するようにフィードバックループでプログラムされた制御装置とを備える。シリコンフォトニクスチップ内で、１つ又は複数の接続シリコン導波路は、一般に、少なくとも２つのリング共振器それぞれと共振する光を入出力シリコン導波路を通って戻るように再指向するように構成される。いくつかの実施形態では、シリコンフォトニクスフィルタチップの入出力シリコン導波路が、スポットサイズ変換器を備えた半導体ベースのゲインチップに結合されて、インターフェースによる損失を低減するためにモードサイズ整合を提供する。

【0006】

さらなる態様では、本発明は、同調可能な外部共振器型レーザの出力を安定化する方法であって、同調可能な外部共振器型レーザが、スポットサイズ変換器によって互いに結合されてレーザキャビティを形成する半導体ベースのゲインチップとシリコンフォトニクスフィルタチップとを備える、方法に関する。いくつかの実施形態では、シリコンフォトニクスフィルタチップは、任意の加熱要素から離してチップ温度を測定するように構成された抵抗温度センサと、個別の一体型抵抗加熱器を備えた複数のリング共振器とを備える。この方法は、抵抗温度センサから読取値を取得し、抵抗加熱器への電力を調整してレーザ周波数を公差内に維持するように構成された制御装置によって駆動される制御ループを使用するステップを含むことができる。

【0007】

別の態様では、本発明は、
入力導波路と、
入力導波路に光学的に接続されたサニャック干渉計であって、
入力導波路に接続されたスプリッタ／カプラ、
スプリッタ－カプラに接続され、それぞれが端部で終端する２つの導波路分岐部、及び
それぞれが個別の導波路分岐部に結合され、介在する湾曲導波路によって互いに結合されて、それぞれのリング共振器の旋光の方向を反転させる２つのリング共振器であって、介在する湾曲導波路が、さらなるリング共振器を備えることも備えないこともある、２つのリング共振器、を備えるサニャック干渉計と、
各リング共振器に関連付けられた抵抗加熱器と、を備える光チップであって、
入力導波路への光が特定の導波路分岐部に分割され、光が２つのリング共振器及び任意の介在するリング共振器と共振する場合、次いで一方のリング共振器を介して、介在する湾曲導波路に沿って、さらに他方のリング共振器を介して、反対側の導波路分岐部に結合され、スプリッタ－カプラに戻る、光チップに関する。いくつかの実施形態では、光チップは、光チップをシリコンフォトニクスチップとみなすことができるように、シリコン導波路及びシリカクラッドと共に実装される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】様々な熱的クロストークレベルの関数として、現在市販のＥＣＬと比較した、シリコンフォトニクスベースの外部共振器型レーザ（ＥＣＬ）の計算された余剰周波数誤差のプロットを示す図である。

【図2】シリコンフォトニクスフィルタチップと半導体ベースのゲインチップとを含み、半導体光増幅器（ＳＯＡ）に結合することができる、同調可能な固体レーザの実施形態の概略斜視図である。

【図3】シリコンフォトニクスフィルタチップの一実施形態の一部の側断面図である。

【図4】シリコンフォトニクスフィルタチップに結合することができる半導体ベースのゲインチップの実施形態の斜視図である。

【図5】同調可能レーザシステムの一実施形態のブロック図である。

【図6】リング共振器に対するリング温度センサ（ＲＴＤ）対レーザ周波数誤差のプロットを示す図である。

【図7】チップ加熱器電力対リング温度センサ（ＲＴＤ）読取り変化率のプロットを示す図である。

【図8】シリコンフォトニクスフィルタチップの別の実施形態の上面図であって、チップが、一対のリング共振器と、反射器で終端する導波路とを有する図である。

【図9】シリコンフォトニクスフィルタチップのさらに別の実施形態の上面図であって、チップが、並べて配置された複数のリング共振器を有する、図である。

【図10】チップが分岐導波路と複数の結合リング共振器とを有する、シリコンフォトニクスフィルタチップの別の実施形態の一実施形態を示す図である。

【図11】リング共振器の周りに断熱トレンチを含むシリコンフォトニクスフィルタチップの実施形態の上面斜視図である。

【図12】図１１のシリコンフォトニクスフィルタチップの実施形態の上面図である。

【図13】リング共振器を部分的に取り囲むＬ字形の断熱トレンチを含むシリコンフォトニクスフィルタチップの別の実施形態の上面斜視図である。

【図14】一対の断熱トレンチを含むシリコンフィルタチップのさらに別の実施形態の上面斜視図である。

【図15】一対の断熱トレンチを有する図１４のシリコンフィルタチップの実施形態の上面図である。

【図16】１つのリング共振器に関連付けられた単一の加熱器を変化させて、プロトタイプＥＣＬを使用して、６５ｎｍの波長範囲にわたって同調された重ね合わされたレーザ発振スペクトルのプロットを示す図である。

【図17】同調範囲全体にわたる、測定されたＳＭＳＲ（ドットの上側プロット）及びファイバ結合出力電力（ドットの下側プロット）のプロットを示す図である。

【図18】ゲインチップ電流を２００ｍＡに固定した、ＳＯＡ電流の関数としてのファイバ結合出力電力を示す左側のプロット（図１８Ａ）と、ＳＯＡ電流の関数として、測定されたレーザ固有線幅（上側のドット）及び相対強度雑音（ＲＩＮ、下側のドット）を示す右側のプロット（図１８Ｂ）とを示す図である。

【図19】図１９Ａは、プロトタイプデバイスを使用して、波長計（線）によって測定され、異なるＳＯＡ電流に関するＲＴＤ読取値（ドット）によって計算された周波数のプロットを示す図である。図１９Ｂは、±０．２ＧＨｚ内にある図１９Ａの結果からの測定誤差のプロットを示す図である。図１９Ｃは、異なるリング加熱器温度設定に関して、波長計（線）によって測定され、ＲＴＤ読取値（点）によって計算された周波数のプロットを示す図である。図１９Ｄは、±０．２ＧＨｚ内にある図１９Ｃからの測定誤差のプロットを示す図である。

【図20】抵抗加熱器を１１４℃の温度に設定した状態でのシリコン導波路の周りの温度勾配を示すモデルからの温度のプロットを示す図である。

【図21】チップ温度センサが動作している場合及び動作していない場合にプロットされた異なる線を有する、デバイス温度ドリフトの関数としてのレーザ周波数ドリフトのプロットであって、チップ温度センサの使用により生じ得る温度ドリフトの低減を示すプロットを示す図である。

【図22】時間の関数としての周波数ドリフトの下側フレームでのプロットであって、半導体光増幅器への電流が、上側フレームに示されるように５００ｍＡから７００ｍＡに２段階で増加され、周波数ドリフトが、チップ温度センサが動作している場合及び動作していない場合で示される、プロットを示す図である。

【図23】左側フレームにおける、加熱器温度を調整することによって得られた周波数同調の精度のプロットであって、線がターゲット周波数のプロットであり、ドットが、プロトタイプデバイスに関する波長計からの測定された周波数のプロットであり、右側フレームが、左側プロットからの周波数誤差のプロットであり、加熱器電力のみを使用することによって誤差が±０．５ＧＨｚ以内であることを示す、プロットを示す図である。

【図24】左上のプロットにおける時間の関数としてのＳＯＡ電圧のプロット、及び左下フレームにおける、ＳＯＡ電流変化による時間の関数としての周波数ドリフトのプロット（第１の線）を有し、これは、単一の参照ＲＴＤ（第１の線に重なる第２の線）を使用することによって正確に追跡され、右側フレームには、時間の関数としての差がプロットされ、４０分の時点で、制御コードが有効化され、わずか０．２ＧＨｚの誤差で周波数を元のスペクトル位置にシフトする、図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

外部共振器型同調可能レーザは、レーザ周波数のドリフトを小さくためにシリコンフォトニクスフィルタチップの温度の厳密な制御を使用する、レーザキャビティの一体型シリコンフォトニクス同調セクションを設けられる。外部共振器型レーザの周波数同調は、抵抗加熱器を使用して調整可能な光学フィルタを形成するシリコン導波路を備えたフォトニクスチップを使用して行われる。所望の範囲にわたる所望の周波数制御及び同調性を実現するために、フィルタは、個別に調整可能な少なくとも２つのリング共振器を備えることができる。レーザキャビティの利得部分は、一般に、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料などの半導体導波路を使用して形成することができる。いくつかの実施形態では、レーザは、半導体光増幅器と直接インターフェースされてレーザ出力を増幅し、それにより、レーザキャビティ内の光出力をより低く維持して、より良いレーザ制御を提供することができる。シリコンフォトニクスチップは、サニャック干渉計構造を組み込むことができる（信号は、干渉計ループを閉じるために２つの導波路分岐部を接続する少なくとも２つの共振リング導波路を通過する）。リングを同調して、選択された波長を提供することができ、マルチフィルタ型サニャック干渉計は、周波数フィルタリングと共に安定性を改良する。本明細書で述べる構造は、現実的な設計を使用して効率的に商用化できるように、及び場合によっては既存の市販の構成要素を活用できるように設計されている。

【0010】

ビデオオンデマンドサービス、モバイルサービス、及びクラウドベースのサービスによって引き起こされるネットワークトラフィックの爆発的な増加により、長距離ネットワークからメトロ及びデータセンタ間ネットワークへと、大容量コヒーレント伝送システムの普及が加速している。これらの短距離ネットワークセグメントは、参照により本明細書に援用するＮ． Ｋａｎｅｄａ ｅｔ ａｌ．， “４００Ｇｂ／ｓ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃｓ，” ＯＦＣ， Ｔｈ３Ｆ．４ （２０１６）に記載されているように、モジュールのコスト、サイズ、及び消費電力の影響を特に受けやすい。したがって、ＯＳＦＰ及びＤＤ－ＱＳＦＰ標準フォームファクタなどのスモールフォームファクタコヒーレントモジュールでの低コストでコンパクトな同調可能レーザに高い需要がある。一方、光源と局所発振器との共有のためには、１６ｄＢｍ以上の高いレーザ出力電力が望ましい。また、高次変調フォーマットにおける厳しい位相雑音許容範囲を満たすには、１００ｋＨｚ未満の狭い線幅が好ましい。これらの商業的な要求は、参照により本明細書に援用するＭ．Ｓｅｉｍｅｔｚ ｅｔ ａｌ．，“Ｌａｓｅｒ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ－Ｏｒｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｂｅｙｏｎｄ １６－ＱＡＭ，”ＯＦＣ，ＴＨ１Ｂ．１（２００８）にさらに記載されている。

【0011】

本明細書では、電気通信及び他の用途のための高性能コヒーレントモジュールにおいてフォトニクス集積回路を使用する同調可能レーザの正確な周波数制御及びいくつかの実施形態では位相制御のための技法、構造、及び方法が開示される。同調可能レーザは、一般に、利得媒体としての化合物半導体材料と、同調可能な周波数フィルタとしてのシリコンフォトニクス集積回路とを備える。シリコンフォトニクス回路は、一般に、周波数選択要素としてシリコン導波路リング共振器を備える。シリコンフォトニクス回路は、シリコン導波路リング共振器のフィルタ周波数を正確に同調及び監視するために、複数の一体型加熱器、温度センサ、基準温度センサ、断熱トレンチ、及びそれらの様々な組合せをさらに含むことができる。周波数選択要素の特性、例えば共振周波数の正確な監視及び制御により、高精度及び長期安定性を有する同調可能レーザの周波数制御を保証することができる。いくつかの実施形態では、シリコンフォトニクスフィルタは、マルチフィルタ型サニャック干渉計を備え、２つ以上のリング共振器が、２つの導波路分岐部を接続して干渉計のループを形成し、共振周波数の反射を提供する。

【0012】

スモールフォームファクタでの外部共振器型同調可能レーザは、ますます高まる帯域幅の需要に対応するための大容量コヒーレント光通信システムを実現可能にする重要な構成要素の１つである。外部共振器型同調可能レーザは、２つの基本的な要素を含む。第１の要素は利得媒体であり、一般に、直接のエネルギーバンドギャップ及び光生成時の高い効率により、リン化インジウム（ＩｎＰ）やガリウムヒ素などのＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を使用する。第２の要素は、周波数選択性の外部共振キャビティである。外部レーザキャビティは、レーザ位相雑音を抑制するためのかなり長い共振キャビティを保証し、これは高速コヒーレント通信システムにおいて非常に重要である。そのようなシステムは、振幅変調だけでなく光位相変調にも依拠するからである。

【0013】

シリコンフォトニクス技術を使用する外部共振器型レーザは、同調可能レーザのサイズ及びコストを低減するための有望な解決策である。シリコン集積回路は、過去数十年にわたってエレクトロニクス産業の焦点であり、シリコン集積回路の技術進歩により、相補型金属酸化物半導体ＣＭＯＳ回路のフィーチャサイズ、コスト、及び消費電力が大幅に低減されている。フォトニクス集積回路は、エレクトロニクス産業で発展してきた成熟したＣＭＯＳ製造工場を使うことで、同様の低コストの大量生産を行える見込みがある。周波数選択要素、パワーモニタリングフォトダイオード、及び光学スプリッタなどの同調可能レーザのディスクリート光学構成要素のシングルチップ集積は、ディスクリート構成要素の数の低減及び組立ての複雑さの軽減により、同調可能レーザのコストを低減することができる。

【0014】

コヒーレント通信システムにおける同調可能レーザに関する基本的な特徴の１つは、高精度の周波数制御及び長期的な周波数安定性である。周波数選択要素のフィルタリング周波数は、それらに隣り合うマイクロメートルサイズの一体型加熱器によって熱光学効果を使用して同調することができる。しかし、シリコン材料の高い熱伝導率により、シリコン集積回路上の周波数選択要素の周波数は、例えば周囲温度変化、利得媒体の電流変動、及び他のオンチップ加熱器からの熱的クロストークによるチップ熱擾乱によって容易に干渉され得る。したがって、シリコンフォトニクス集積回路を使用して外部共振器型同調可能レーザのレーザ発振周波数を正確に制御するための改良された方法及び構造を実現することが望ましい。

【0015】

ダイオードレーザは、一般に、電子と正孔が結合して、エネルギー解放に対応する光子の解放をもたらすときに、ｐ－ｎ接合を使用して光を生成し、電流が、励起された電子状態を電子－正孔対によって送る。レーザキャビティは、後部反射器と、ダイオードから光が生成される前面にある部分反射器とによって形成される。レーザキャビティ内での光の反射により誘導放出が発生し、コヒーレントレーザ光を生成する。内部キャビティダイオードレーザの場合、レーザキャビティのサイズはダイオードサイズによって設定される。外部共振器型ダイオードレーザ（ＥＣＬ）の場合には、後部ミラーはフォトニクス要素によって置き換えられ、利得領域を半導体ダイオード内に残したまま、レーザキャビティの調整による周波数同調を可能にすることができる。本明細書での改良された設計は、レーザキャビティ及びそれに対応してレーザ周波数の調整のためにシリコンベースのフォトニクスチップを使用する。

【0016】

構成要素の小型化を追求する絶え間ない努力において、そのような小型化を実現するために新たなＥＣＬアーキテクチャが評価されている。小型化に向けた重要な方針は、ＥＣＬの自由空間セクションを導波路集積で置き換えることである。特に、熱的に同調可能なシリコンフォトニクスリング共振器要素は、自由空間ＥＣＬでの熱的に同調可能なエタロンに対する妥当な直接の相当物である。したがって、適切に構成されたリング共振器を有するシリコンフォトニクス導波路チップは、例えばＭｅｌｉｋｙａｎ（参照により本明細書に援用するＭｅｌｉｋｙａｎ ｅｔ．ａｌ．，“Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ／ＩＩＩ－Ｖ Ｈｙｂｒｉｄ Ｌａｓｅｒ，”Ｐｒｏｃ．４２ｎｄ ＥＣＯＣ ２０１６，ｐｇ ５９８）に記載されているように、従来のＥＣＬの自由空間セクションを適切に統合するものである。しかし、集積フォトニクスは、利点だけではなく課題も生じる。特に、シリコン導波路の熱感度は、自由空間エタロンでの光路よりも実質的に高い。それと同時に、共通の基板の熱伝導率がより高く、集積光学素子の離間距離がより近いことにより、光学素子全体にわたる熱勾配がはるかに大きくなる。熱勾配及び熱感度は、自由空間ＥＣＬの熱制御技術を使用してシリコンフォトニクスＥＣＬが一般に全ての性能要件を確実に満たすことができなくなる程度まで、自由空間ＥＣＬからの熱効果に関する弱い結合の仮定を損なう傾向がある。

【0017】

シリコンフォトニクスチップのＥＣＬキャビティの外側部分は、一般にシリコン導波路に２つ以上のリング共振器を備える。リング共振器は、適切な周波数を選択する光学フィルタとして機能する。フィルタは一般に温度感受性があり、典型的には、各フィルタ構成要素の温度を意図的に調整及び制御することによって同調される。これらの用途でフィルタの周波数透過を直接測定することは実質的に不可能であるが、フィルタ温度を監視し、数学的較正を適用することによって、透過率を十分に推測することができることが実証されている。フィルタを通る光路での温度を正確に知ることが望ましいだろう。しかし、加熱器と温度センサとの両方が光を吸収し、光路に近すぎないように位置決めされるべきであるので、熱の印加と温度の感知とは、光路から物理的にずらされ、光路の実際の温度は推測される。周囲温度の変化やフィルタ間の温度クロストークなど、温度の推測を乱すことがある他の熱変動がある。既存の市販のＥＣＬに関する主要なアーキテクチャである自由空間ベースのＥＣＬの場合、これらの結合は弱く、結果として生じる摂動は、熱的設計と較正の強化によって抑制することができる。エタロンベースのＥＣＬに関するより多くの情報は、例えば、参照により本明細書に援用する「ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒ Ｗｉｔｈ Ｌｏｃａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｒａｍｅ」という名称のＦｉｎｏｔ他への米国特許第７，９６１，３７４号明細書で見ることができる。

【0018】

シリコンフォトニクス技術を使用する外部共振器型同調可能レーザは、これらの要件を満たす魅力的な解決策である。そのようなレーザ設計の一般的な概念は、Ｇ． Ｖａｌｉｃｏｕｒｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｂｒｉｄ ＩＩＩ－Ｖ／Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．３６，２６５－２７３（２０１８）及びＡ． Ｖｅｒｄｉｅｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｕｌｔｒａｗｉｄｅｂａｎｄ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－Ｔｕｎａｂｌｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｘｔｅｒｎａｌ－Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒｓ，”Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．３６，３７－４３（２０１８）に記載されており、どちらも参照により本明細書に援用する。それらのＣＭＯＳ適合性の製造プロセス、及び様々な光学構成要素のオンチップ集積は、Ａ．Ｎｏｖａｃｋ ｅｔ ａｌ．，“Ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ Ｈｙｂｒｉｄ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ６４ Ｇｂａｕｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”ＯＦＣ，Ｔｈ４Ｄ．４（２０１８）及びＣ．Ｄｏｅｒｒ ｅｔ ａｌ．，“Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ｉｎ ａ Ｂａｌｌ－Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ Ｐａｃｋａｇｅ，”ＯＦＣ，ｐａｐｅｒ Ｔｈ５Ｄ．５ （２０１７）（どちらも参照により本明細書に援用する）に全般的に記載されているように、同調可能レーザデバイスのコスト及びサイズを低減するためにかなり有望である。さらに、ブースタ半導体光増幅器（ＳＯＡ）の集積は、シリコン導波路の比較的高い結合損失及び伝搬損失を補償するための明確な方針を提供する。外部共振器型レーザを用いたＳＯＡの使用については、参照により本明細書に援用するＫ．Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．，“Ｈｉｇｈ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｎａｒｒｏｗ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｈｙｂｒｉｄ Ｒｉｎｇ－Ｆｉｌｔｅｒ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒｓ，”ＥＣＯＣ，ＰＤ２．３（２０１４）に記載されている。この組合せは、長い外部シリコンキャビティ設計を可能にして、高出力電力を依然として実現しながら、レーザスペクトル線幅を減少することができる。

【0019】

本研究において、本発明者らは、コヒーレント用途のためのハイブリッド集積シリコンフォトニクス同調可能レーザを実証した。ファイバ結合出力電力は、Ｃバンド全体にわたって１４０ｍＷ（２１．５ｄＢｍ）に達する。これは、本発明者らが知る限り、シリコンフォトニクス同調可能レーザについて報告されている最高の出力電力である。そのような高出力電力は、複雑な変調フォーマットを使用した大きなコヒーレント送受信機損失を補償するために望ましい。また、長い外部共振器の設計は、レーザ線幅を数十ｋＨｚレベルにまで減少し、これは、１６又は６４ＱＡＭ変調に適している。さらに、シリコンフォトニクスチップ及び関連の制御ループのために開発された本発明者らの集積センサ技術は、波長ロッカを使用せずにグリッドレスで正確な周波数同調を可能にする。

【0020】

本明細書における外部共振器型レーザ（ＥＣＬ）の設計は、よく開発された測温抵抗体（ＲＴＤ）センサ技術及び関連の制御ループにより、正確な周波数同調及び制御が可能である。共通の集積光学基板上の複数のフィルタに関する熱的用途及び制御に関する特定の問題及び解決策は、参照により本明細書に援用する「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」という名称のＹａｎ他への米国特許第７，４４７，３９３号明細書に記載されている本出願人の以前の研究に記載されている。そこで取り扱っている状況は、シリコンフォトニクス構成要素の場合とは実質的に異なるが、本明細書で述べる本発明者らの技術的知見は、類似の熱制御手法を革新的なシリコンフォトニクス構成と組み合わせて、コンパクトなＥＣＬ同調可能レーザの光周波数制御を実質的に改良することができることを確証する。

【0021】

ＲＴＤを使用する理由は、パッケージ温度変化や利得電流変化などの外部熱擾乱に対してフィルタ温度を正確にロックするためである。しかし、１つの課題は、シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈｏ）チップ上のＲＴＤセンサは、結果として生じる大きな光学損失により、シリコン導波路フィルタと直接接触して作製することができないことである。その結果、ＲＴＤは一般に導波路フィルタから一定の距離（一般に約１～２ミクロン）で作製され、これは温度勾配を生じ、ＲＴＤはフィルタの温度変化を正確に測定することができない。この構成は、自由空間エタロン同調構造を備えた本出願人の現在市販のＥＣＬとは対照的であり、現在市販のＥＣＬでは、ＲＴＤは、エタロンに基づくフィルタと直接接触し、フィルタ温度変化をはるかに正確に測定することができる。図１は、現在市販の自由空間エタロンＥＣＬと比較した、２つのリングフィルタのそれぞれに関連付けられたＲＴＤを使用するＳｉＰｈｏベースのＥＣＬの計算されたさらなる周波数誤差である。オンチップで１：１００の低い熱的クロストークがある場合でも、依然として、温度勾配によりＳｉＰｈｏ ＥＣＬのさらなる０．５ＧＨｚの周波数誤差がある。

【0022】

間接的な温度測定の問題を軽減するために、シリコンフォトニクスチップは、ＳｉＰｈｏチップ上の追加の一体化された基準ＲＴＤと共に表され、それに従って加熱器電力及び／又は熱電冷却器（ＴＥＣ）を調整して熱擾乱を打ち消す。チップ及び一般にレーザは、一般に熱電冷却器に配置することができ、これは、当技術分野でよく知られており、デバイス全体の温度の制御を助ける。ＳｉＰｈｏ ＥＣＬの３ＲＴＤ制御手法は、現在市販のＥＣＬと同様の高い周波数精度を提供する。さらに、以下に示すように、テストデータは、ただ１つの基準ＲＴＤを用いて２つのフィルタ加熱器電力を較正及び同調することで、他の２つのＲＴＤをフィルタに必要とせずに正確な波長同調を提供することができることを示す。しかし、いずれの場合にも、各リング共振器に関連付けられたＲＴＤは、周波数の同調を提供することができる。いくつかの実施形態では、デバイスの完成後、周波数が選択され、ＴＥＣと共に加熱器が較正されて、同調可能な範囲内で所望の周波数を設定及び維持することを可能にする。ここで、初期較正は、選択された周波数を使用中に維持するためのベースラインを提供することができる。さらに、トレンチを使用して熱的クロストークを低減することができ、それに対応して周波数誤差を減少させることができ、各リング共振器に関連する２つのＲＴＤが熱変動をより正確に調整できるようにする、ＳｉＰｈｏチップの実施形態を述べる。

【0023】

以下、実証されたシリコンフォトニクスレーザの周波数安定性及び正確な周波数同調を示す。グリッドレス周波数同調は、２つのリング加熱器を制御することによって容易に行うことができるが、デバイス寿命全体にわたるドリフト及びモードホップに対する１ＧＨｚ未満のレベルの正確な周波数制御は、シリコンフォトニクスレーザでは非常に困難である。これは主に、例えば、パッケージ温度変化又はゲインチップ／ＳＯＡ電流変化からの熱擾乱に対するシリコン材料の感度が高いためである。この問題に対処するために、本発明者らは、作製されたシリコンフォトニクスチップ用によく開発された独自のセンサ技術を活用した。

【0024】

高性能ハイブリッド集積シリコンフォトニクス同調可能レーザ
本明細書で述べるように、図２を参照すると、シリコンフォトニクス同調可能レーザ１００は、ゲインチップ１０４と、リング共振器ベースのシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２とからなる。ブースタ半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０６を、出力ファイバの前での光増幅のためにレンズ結合によって一体化することができる。図２は、ＳＯＡ１０６に関連するレーザデバイス１００の概略レイアウトを示す。

【0025】

一実施形態では、光学デバイス１００は、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２及びゲインチップ１０４を含む。レンズなどのスポットサイズ変換器１１６が、フィルタチップ１０２とゲインチップ１０４との光路を接続する。

【0026】

いくつかの実施形態では、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２及びゲインチップ１０４は、デバイス全体の温度の制御を助けるための熱電冷却器（ＴＥＣ）１１３に載置され、ＴＥＣはまた、以下に述べる制御装置によって制御されることがある。ＴＥＣ構成要素は、当技術分野で知られている。便宜上、フィルタチップ１０２、ゲインチップ１０４、及びＴＥＣ（もしあれば）を備えるレーザデバイス１００全体を、同調可能な外部共振器型レーザデバイスと呼ぶことができ、一般に、一体としてパッケージに組み立てられるだろう。

【0027】

一実施形態では、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２は、上側クラッド層１０８、シリコンデバイス層１１０、下側クラッド層１１２、及びシリコン基板１１４を備える多層デバイスである。上側クラッド層１０８は、フィルタチップ１０２の最上層を形成する。シリコンデバイス層１１０は、上側クラッド層１０８と下側クラッド層１１２との間に位置される。下側クラッド層１１２は、フィルタチップ１０２の底部を形成するシリコン基板１１４上に位置される。一実施形態では、上側クラッド層１０８及び下側クラッド層１１２は二酸化ケイ素を含むが、他の低屈折率光学材料を使用することもできる。さらに、「デバイス層」は、上側クラッド層１０８と下側クラッド層１１２との間に位置されることがあり、クラッド層１０８の一方又は両方によって取り囲まれることがある導波路及び共振器などの「デバイス」を含む層を指すことを理解されたい。

【0028】

シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）チップは、一般に、上側クラッド層１０８（例えば二酸化ケイ素）と下側クラッド層１１２（例えば二酸化ケイ素）及び底部シリコン基板１１４との間に挟まれたシリコンデバイス層１１０を備える。リング共振器フィルタは、シリコンデバイス層１１０で作製される。一体型加熱器は、上側二酸化ケイ素クラッド層１０８によって分離されて、シリコンリング共振器の上に形成することができる。この配置の理由は、生じる大きな光伝搬損失により、加熱器をシリコンリング共振器に直接形成することができないからである。この構成は図３に示されている。

【0029】

シリコンフォトニクスチップは、場合によってはドーパントを含む元素シリコンのシリコン導波路を備え、このシリコン導波路は、一般に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２、酸化ケイ素と呼ばれることもあるが、酸化ケイ素は、異なる酸化状態を有する亜酸化ケイ素でもあり得る）又は他の適切なクラッドに埋め込まれる。クラッドは、屈折率の違いにより、シリコン導波路に光を閉じ込める。シリコンフォトニクスチップのための導波路及び他の構造は、フォトリソグラフィ又は他の適切なパターニング技法を使用して形成することができる。酸化ケイ素クラッドを用いるとき、この処理は、マイクロエレクトロニクスからのシリコンオンインシュレータ処理によるプロセスを適応させることができる。シリコンの高い屈折率により、シリコン導波路は、約０．２ミクロン～約０．５ミクロンの厚さを有することができる。シリコン導波路の上下のクラッドの厚さは、一般に、約０．３ミクロン～約３ミクロンの範囲内でよい。湾曲したシリコン導波路である様々なリング共振器構造をフィルタとして使用して、レーザに関する周波数の選択を行うことができる。各リング共振器は、様々な高調波を安定して反射し、熱制御を使用して、リング共振器周波数の熱変動を制御することができる。わずかに異なるスペクトル領域を有する複数のリング共振器を使用することにより、複数のリングに共通の周波数を提供する高調波を選択することが可能になる。このとき、レーザは、共通の周波数でレーザ発振する。この選択プロセスは、Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．にさらに述べられている。共振器リングは、リングによって導波路間で共振周波数が結合されるように、導波路に隣接して配置される。導波路は、望ましくない程の損失を生じることなく良好な光結合を得ることができるように、導波路の十分近くに配置される。各リングは加熱器に関連付けられており、周波数同調と、一定のリング共振器温度の維持との両方を行う。以下で説明するように、各リング共振器を、ＲＴＤでよい温度センサに関連付けることもでき、そのリングに関連付けられる温度を特定の温度感度内で測定する。いくつかの実施形態では、シリコン光チップは、ＲＴＤがチップ温度の変化を測定することができるように、リング共振器に関連付けられた加熱器から離間配置されたＲＴＤを備えるように設計されている。チップレベルＲＴＤセンサからの温度測定結果は、フィードバックループで使用される。

【0030】

シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２は、一実施形態では、スポットサイズ変換器１１６、スプリッタ－コンバイナ１１８、第１の導波路部分１２０、第１のリング共振器１２２、結合導波路部分１２４、第２のリング共振器１２６、第２の導波路部分１２８、第１の加熱器１３０、第２の加熱器１３２、第１のリング温度センサ１３４、第２のリング温度センサ１３６、及びフィルタチップ温度センサ１３８を備える。

【0031】

スポットサイズ変換器１１６は、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２を半導体ベースのゲインチップ１１４に結合し、フィルタチップ１０２とゲインチップ１０４との間のインターフェースによる損失へのモードサイズ整合を提供する。追加又は代替の実施形態では、ゲインチップ１０４とシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２との間に別個のスポットサイズ変換器を配置することができる。一般に、ゲインチップは、自由空間フィルタを有するＥＣＬで使用されるゲインチップでよい。適切なゲインチップは、「Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ Ｗｉｔｈ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ Ｇｒｉｄ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」という名称のＤａｉｂｅｒへの米国特許第６，８８２，９７９Ｂ２号明細書及び「Ｓｍａｌｌ Ｐａｃｋａｇｅ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｗｉｔｈ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ」という名称のＤａｉｂｅｒへの同第８，４６２，８２３Ｂ２号明細書に記載されており、どちらの特許も参照により本明細書に援用する。

【0032】

スプリッタ－コンバイナ１１８は、スポットサイズ変換器１１６と、第１の導波路アーム１２０及び第２の導波路アーム１２８とに結合される。スプリッタ／コンバイナ１１８、第１の導波路アーム１２０、及び第２の導波路アーム１２８が合わさって、マルチフィルタ型サニャック干渉計の一部を形成する。スプリッタ－コンバイナ１１８は、入射光信号を分割し、第１の部分を第１の導波路１２０に向け、第２の部分を導波路１２８に向けるように構成される。また、スプリッタ－コンバイナ１２８は、第１の導波路１２０及び第２の導波路１２８から受け取られた光を結合し、その光をスポットサイズ変換器１１６に向けて戻すように構成される。

【0033】

第１のリング共振器１２２、第２のリング共振器１２６、第１の導波路アーム１２０、結合導波路部分１２４、及び第２の導波路アーム１２８は、シリコンデバイス層１１０に作製される。上側クラッド層１０８は、リング共振器及び導波路の上及び周囲に形成され、下側クラッド層１１２は、リング共振器及び導波路の下及び場合によっては周囲に形成される。

【0034】

第１のリング共振器１２２及び第２のリング共振器１２６はそれぞれ、結合された光をリングに結合させ、次いでリングに沿って伝送させるように構成されたリング形状又は円形状の導波路を備える。寸法及び屈折率が、リング共振器に関連付けられる共振周波数及び高調波を決定する。リング共振器の加熱により、屈折率が変わり、それに対応して共振周波数が変わる。

【0035】

第１の導波路アーム１２０及び第２の導波路アーム１２８はそれぞれ、図示されるように、湾曲セクションによって接合された直線セクションを有する形状であり得る。他の実施形態では、第１の導波路部分１２０及び第２の導波路部分１２８は、直線部分及び湾曲部分を含む他の形状を画定することができる。一実施形態では、第１の導波路部分１２０は、ゲインチップ１０４に隣接するフォトニクスチップ１０２の第１の端部（前端部）１４０から、ゲインチップ１０４とは反対側のフォトニクスチップ１０２の第２の端部（後端部）１４２に向かって延びるフォトニクスチップ１０２の長手方向軸に関して第２の導波路部分１２８と対称である。サニャック干渉計のループ性により、第１の導波路部分１２０と第２の導波路部分１２８が対称であるか否かは、一般に重要でない。一実施形態では、図示されるように、第１の導波路部分１２０及び第２の導波路部分１２６はそれぞれ、第２の端部１４２に隣接して終端し、したがって、共振していない光は一般に放散する。

【0036】

結合導波路部分１２４は、一実施形態では、湾曲した中央セクションが一対の直線部分に隣接している「Ｕ」字形状を実質的に形成し、第１のリング共振器１２２と第２のリング共振器１２６との間に位置される。結合導波路部分１２４は、第１のリング共振器及び第２のリング共振器に十分に近接して位置決めされ、これらの要素が光学的に結合される。湾曲した中央セクションを有する「Ｕ」字形状として示されているが、結合導波路部分１２４は他の形状を画定することもあることを理解されたい。一実施形態では、結合導波路部分１２４の各端部は、第１のリング共振器１２２及び第２のリング共振器１２６を越えて軸方向に延在し、第２の端部１４２に隣接して終端する。

【0037】

一実施形態では、第１のリング共振器１２２は、第１の導波路部分１２０の直線部分と、結合導波路１２４の直線部分との間に形成され、光が第１のリング共振器１２２、導波路１２０、及び結合導波路１２４の間を進むことができるようにする。一実施形態では、第１のリング共振器１２２は、第１のリング共振器１２２と隣接する第１の導波路１２０との間の最短経路が、第１の導波路部分１２０の最後方の直線部分を二分する点に生じるように形成される。同様に、第２のリング共振器１２６は、結合導波路１２４と第２の導波路１２８との間に位置され、光が導波路１２４、第２のリング共振器１２６、及び第２の導波路部分１２８の間を進むことができるようにする。その結果、第１の導波路部分１２０と１２８との間の光経路又はチャネルは、光が第１のリング共振器１２２、結合導波路１２４、及び第２のリング共振器１２８を通って概して横方向又は径方向に進むように形成され、光を効果的に反射し、反対側のアームに沿った部分を除いて、光は両方のリング共振器と共振して、ゲインチップ１０４に向けて戻る。

【0038】

第１の加熱器１３０は、一実施形態では、フォトニクスチップ１０２の一体型加熱器である。第１の加熱器１３０は、第１のリング共振器１２２に近接して位置され、第１のリング共振器１２４に熱を伝送することができ、以下でさらに述べるように共振器１２２の共振周波数を「同調」することができる。一実施形態では、第１の加熱器１３０は、概して第１のリング共振器の上方に、いくつかの場合には真上に位置され、上側クラッド層１０８によって第１のリング共振器１２２から分離されることがある。他の実施形態では、第１の加熱器１３０は、第１のリング共振器１２２の上方で、第１のリング共振器１２２に対して平面内でわずかにシフトされて、完全に真上ではなく、上側クラッド層１０８の一部分が第１の加熱器１３０を第１のリング共振器１２２から分離する。同様に、一実施形態では、第２の加熱器１３２は、フォトニクスチップ１０２の一体型加熱器である。第２の加熱器１３２は、第２のリング共振器１２６に近接して位置され、第２のリング共振器１２６に熱を伝送することができる。一実施形態では、第２の加熱器１３２は、概して第２のリング共振器１２６の上方に、いくつかの場合には真上に位置され、上側クラッド層１０８によって第２のリング共振器１２６から分離されることがある。他の実施形態では、第２の加熱器１３２は、デバイス層１１０内の第２のリング共振器１２６の真上になく、上方でわずかにシフトされることがあり、上側クラッド層１０８の一部分が第２の加熱器１３２を第２のリング共振器１２６から分離する。

【0039】

ゲインチップとＳＯＡとは、概して同様の半導体技術に基づく。ゲインチップとＳＯＡとは特定の機能が異なり、したがって様々な最適化を念頭に置きながら設計することができる。具体的には、ゲインチップは、レーザキャビティの一部分を提供し、その前面は部分反射性があり、定在波を設定して、レーザ発振のためのコヒーレント誘導放出を誘起する。ＳＯＡは、レーザキャビティの一部ではなく、したがってＳＯＡを通る光伝送に電力利得を単に提供するように設計することができる。ゲインチップとＳＯＡとの構成は概して異なり、導波路の結合は、スポットサイズ変換器などを用いて、異なる導波路の寸法を考慮に入れることができる。

【0040】

図３を参照すると、第１のリング共振器１２２の真上に位置決めされた第１の加熱器１３０を有するフォトニクスチップ１０２の一部分が断面図で示されている。クラッド層１０８は、加熱器１３０をリング共振器１２２から分離する。代替として、加熱器１３４は、リング共振器１２２に近接してデバイス層１１０に位置されることがある。そのような一実施形態では、リング共振器１２２と加熱器１３０とは、クラッド層１０８及び／又は１１２によって分離されることがある。

【0041】

一実施形態では、加熱器１３０及び１３２は湾曲していてもよく、そのような一実施形態では、各加熱器は、一般に、それぞれリング共振器１２２及び１２６の曲率と実質的に同じ曲率を画定することがある。同一又は同様の曲率を有することで、加熱器の部分からリング共振器の隣接する部分までの距離が均一になる。さらに、一実施形態では、第１の加熱器１３０及び第２の加熱器１３２は、金属又はシリコン材料などの材料、例えば白金、窒化チタン、又はポリシリコンを含むことがある。

【0042】

一体型加熱器に電流が流れると、加熱器とその周囲の材料の温度が上昇し、熱光学効果によりリング共振器フィルタの屈折率が変化する。この屈折率変化は、シリコンリング共振器の共振周波数をシフトさせ、それによりレーザ周波数の制御を可能にする。この加熱器電流制御によってレーザ周波数を効果的に同調することができるが、加熱器での高い電流及び高い温度により、加熱器の材料が劣化することがある。これにより、デバイスの寿命中に加熱器の抵抗が変化し、レーザ周波数に誤差が生じることがある。したがって、シリコンリング共振器の共温度、したがって振周波数を正確に固定するために、加熱器電流の閉ループ制御が望ましい。加熱器からの加熱によるリング共振器の温度を変えることがある周囲温度変化を調整するためにも、閉ループ制御が望ましい。

【0043】

再び図３を参照すると、一実施形態では、第１のリング温度センサ１３４及び第２のリング温度センサ１３６はそれぞれ、測温抵抗体（ＲＴＤ）などの抵抗温度センサを備えることができる。第１のリング温度センサ１３４及び第２のリング温度センサ１３６は、白金、ニッケル、銅、ドープシリコン、又は他のそのような材料などの材料を含むことがある。

【0044】

リング温度センサ１３４及び１３６は、一般に、それらそれぞれのリング共振器１２２及び１２６に近接して位置されて、それらそれぞれの共振器の温度を検出する。いくつかの実施形態では、第１のリング温度センサ１３４及び第２のリング温度センサ１３６は、リング共振器及びその導波路の温度をより正確に測定するために、それらそれぞれのリング共振器１２２及び１２６に直接作製される。しかし、温度センサ１３４及び１３６がそれぞれリング共振器１２２及び１２６に直接作製されるそのような実施形態では、温度センサ材料とリング共振器での光学モードとの重なりにより光伝搬損失が増加されることがある。

【0045】

したがって、いくつかの実施形態では、図２に示されるように、リング温度センサ１３４及び１３６は、それらそれぞれのリング共振器１２２及び１２６の近位に堆積されることがあるが、上側クラッド層１０８などの二酸化ケイ素材料によって分離されることがある。一実施形態では、第１のリング温度センサ１３４及び第２のリング温度センサ１３６は、上側クラッド層１０８において、それらそれぞれの第１のリング共振器１２２及び第２のリング共振器１２６の上方に（真上に、又は横方向に変位されて、又は上方及び横方向に変位されて）ある。図３は、一実施形態において、上側クラッド層１０８の上に形成され、横方向及び上方に変位され、クラッド層１０８の一部分によって第１のリング共振器１２２から分離された第１のリング温度センサ１３４を示す。そのような一実施形態では、リング共振器１２２又は１２６とそのそれぞれのリング温度センサ１２８又は１３０との間の上側クラッド層１０８は、厚さが約２μｍである。図３に示される代替実施形態では、リング温度センサ１３４は、シリコンデバイス層内で横方向に変位され、これは、ＲＴＳ１３４がドープシリコンから形成されている場合に特に適切であり得る。

【0046】

図２に示されるように、白金、ニッケル、銅、ドープシリコンなどの材料を使用したオンチップ集積測温抵抗体（ＲＴＤ）又は温度センサをシリコンリング共振器のすぐ近位に作製することができる。それらの抵抗読取値は温度と共に変化し、閉ループ制御での信号フィードバックとして使用して、デバイスの寿命全体にわたってリング共振器を一定の温度に保つことができる。理想的には、ＲＴＤは、シリコン導波路の温度を正確に測定するために、シリコンリング共振器に直接作製すべきである。しかし、直接接触するそのような構成では、ＲＴＤ材料とシリコンリング導波路での光学モードとの重なりにより、光伝搬損失が大幅に増加するだろう。その結果、ＲＴＤは、上側二酸化ケイ素クラッド層によって分離されてシリコンリング共振器の上に堆積された薄い金属膜を採用する、又はシリコンリング共振器の隣で同じシリコンデバイス層にドープシリコンを使用することができる。

【0047】

ＲＴＤを備えることもあるフィルタチップ温度センサ１３８は、リング加熱器１２８及び１３０から十分に遠いシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の部分に形成され、それにより、全体の又は全域的なチップ１１２の温度を感知して、チップ基準温度を提供するように構成される。一実施形態では、フィルタチップ温度センサ１３６は、ＳＳＣ１３８を含むチップ１１２の端部にあるシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の角部に隣接して形成される。

【0048】

それ自体で又はＥＣＬのゲインチップ内で使用される半導体光増幅器は、一般に、適切な半導体材料を用いたｐ－ｎ（又はｐ－ｉ－ｎ）接合を備える。一般には追加の層が存在し、追加の層は真性層（低ドーパント層）でよく、光導波路のためのクラッドを提供することができる。一般に様々な半導体材料を使用することができるが、光学用途の場合、ＩＩＩ－Ｖ族半導体が望ましい性能を提供することができる。したがって、適切な半導体には、例えば、リン化インジウム、ガリウムヒ素、及びそれらの変形体が含まれる。以下に述べる具体的な実施形態で使用されるゲインチップは、ＩｎＧａＡｓＰをベースとする。リン化インジウムベースの光増幅器は、参照により本明細書に援用する「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ」という名称のＮａｋａｇａｗａ他の米国特許出願公開第２００５／００５２７２６号明細書にさらに記載されている。様々なＩＩＩ－Ｖ族半導体をベースとする半導体レーザは、参照により本明細書に援用する「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ」という名称のＢｌａｕｖｅｌｔの米国特許出願公開第２０１９／００９７３８５号明細書に記載されている。ＩｎＰ基板上にエピタキシャル堆積されたＩｎＧａＡｓＰ層を用いた５つの量子井戸レーザを有するリッジレーザが、参照により本明細書に援用する「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ （ＤＢ） Ｌａｓｅｒ Ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ」という名称のＰｅｚｅｓｈｋｉ他の米国特許出願公開第２０１４／０１４０３６３号明細書に記載されている。

【0049】

ゲインチップ又はＳＯＡ（半導体光増幅器チップ）として使用するための半導体ベースの増幅器の基本設計が図４に示されている。図４を参照すると、半導体ベースの増幅器チップ１０４の実施形態が示されている。図示されるように、半導体ベースの増幅器チップ１０４は、基板１６０、底部電極１６２、レーザ素子１６４を備える。レーザ素子１６４は、ｎドープ層１６６、活性領域１６８、ｐドープ層１７０、及び駆動電極１７２を備える。任意選択の誘電体層１７４は、基板１６０の表面の上に、レーザ素子１６４によって覆われていない位置で配置することができる。誘電体層１７４は、図３に想像線で示されており、誘電体層１７４の高さは、所望の程度の表面隔離を提供するために、レーザ要素１６４の上部に揃えることができる。基板１６０は、所望の程度及び極性の電気伝導を提供するのに十分なドーピングを伴うドープ半導体を備えることができる。ゲインチップ１０４の端部は、反射コーティング１７６を備えることができ、反射コーティング１７６は、図４に示されているようにゲインチップ１０４であるデバイスの全面を覆うが、少なくとも発光層を覆う。図４での半導体ベース増幅器チップの反対側の端部は、レーザ素子１６４の発光端部である。

【0050】

ゲインチップの一方の端面をレーザ出力ポートとして劈開することができる。他方の端面は、反射防止コーティングを施すことができ、シリコンフォトニクスチップに突合せ結合される。ここでは、モードサイズ整合のためにゲインチップとシリコンフォトニクスチップとの両方にスポットサイズ変換器を設計することに留意することができる。２つのチップ間での測定された突合せ結合損失は、１ｄＢのオーダーでよい。そのような低い結合損失は、シリコンフォトニクスデバイスにとって望ましい。ゲインチップからのレーザ出力は、増幅のためにブースタＳＯＡを通過し、一般には次いで２つの結合レンズをそれぞれ通ってシングルモードファイバに結合される。レンズなどのスポットサイズ変換器は、光ファイバであり得る導波路ごとにビーム寸法を調整するように設計することができる。適切なレンズ位置合わせは、当技術分野で知られている。例えば、参照により本明細書に援用する「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓａｍｅ」という名称のＡｒａｙａｍａの米国特許出願公開第２００５／００６９２６１号明細書を参照されたい。マルチステージスポットサイズ変換器は、参照により本明細書に援用する「Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｓｐｏｔ Ｓｉｚｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」という名称のＳｏｄａｇａｒ他の米国特許出願公開第２０１９／０１７０９４４号明細書に記載されている。

【0051】

本明細書で述べるように、ブースタＳＯＡの使用にはいくつかの利点がある。第１に、ＳＯＡ増幅は、シリコンフォトニクス導波路でのより低い光出力密度を可能にしながら、高い出力電力を与える。これは、Ｔ．Ｋｉｔａ ｅｔ ａｌ．，“Ｎａｒｒｏｗ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ ｆｏｒ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，”ＩＥＥＥ ＪＳＴＱＥ ２２，１５００６１２（２０１６）に記載されているように、シリコン非線形効果によるレーザ発振の不安定性を防止する。第２に、シリコンチップでの光出力の低減は、導波路結合及び伝播による絶対損失をより低くし、したがってデバイスの電力効率を向上させる。第３に、ＳＯＡはレーザキャビティの外部にあるので、レーザ出力制御を波長同調から分離し、したがってレーザ制御ループを単純化する。

【0052】

各リング共振器フィルタの透過スペクトルは、一体型の導波路加熱器によって同調させることができる。両方のリング共振器フィルタにある一体型加熱器電力を制御することによって、２つのリング共振器の２つの伝送ピークの重畳周波数で広いスペクトル領域にわたってレーザ発振モードを選択することができる。２つのカスケード接続されたリングフィルタを通過した光は、次いで、レーザ光フィードバックを提供するために利得媒体チップにループして戻される。

【0053】

図５を参照すると、デバイスの全体的な動作に関するさらなる洞察を行うために、同調可能レーザシステム１９０全体の概略図が示されている。図示されるように、同調可能レーザシステム１９０は、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２、ゲインチップ１０４、ＳＯＡ１０６、及び制御装置１９２を備える。

【0054】

上述したように、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２は、コンバイナ－スプリッタ１１８に結合されたＳＳＣ（スポットサイズ変換器）１１８を備え、コンバイナ－スプリッタ１１８は、それぞれ第１の導波路部分１２０及び第２の導波路部分１２８を介して第１のリング共振器１２２及び第２のリング共振器１２６に結合される。ＳＳＣ１１８は、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の構成要素として述べるが、この説明は、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２とゲインチップ１０４との間に取り付けられた構成要素も含むことを理解されたい。第１のリング共振器１２２と第２のリング共振器１２６とは、結合導波路１２４によって結合される。その結果、ＳＳＣ１１８、コンバイナ－スプリッタ１１８、第１のリング共振器１２２、及び第２のリング共振器１２６は、互いに光通信する。

【0055】

制御装置１９２は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、デジタルプロセッサなど、又はそれらの組合せと、当技術分野で知られている適切な種類のメモリと、他の制御電子回路とを備えることがある。また、図２に関して上述したように、フィルタチップ１０２は、第１の加熱器１３０及び第２の加熱器１３２と、関連する第１の抵抗温度センサ１３４及び第２の抵抗温度センサ１３６とを備える。制御装置１９２は、一般に、加熱器１３０及び１３２と適切に電気通信する。したがって、制御装置１９２は、加熱器によって生成される熱の量、したがって第１のリング共振器１２２及び第２のリング共振器１２６に伝送される熱の量を制御するように構成することができる。

【0056】

制御装置１９２は、一般に、第１のリング温度センサ１３４、第２のリング温度センサ１３６、及びフィルタチップ温度センサ１３８とも電気通信する。制御装置１９２は、第１のリング温度センサ１３４、第２のリング温度センサ１３６、及びフィルタチップ温度センサ１３８からの入力を受信し、受信された入力に基づいて加熱器１３０及び１３２を制御するように構成される。一実施形態では、制御装置１９２はまた、ゲインチップ１０４と電気通信し、ゲインチップ１０４の１つ又は複数の動作を制御するように構成される。いくつかの実施形態では、制御装置１９２は、適切な方向に温度を調整するために、加熱器に、小さな増分での単純な反復温度調整を行うことができる。しかし、以下でさらに論じる比例－積分－微分手法など、より複雑なフィードバックループを使用することもできる。

【0057】

図６のシミュレーション結果によって示されるように、ＲＴＤが２ミクロンの厚さの上側二酸化ケイ素クラッドによってシリコンリング共振器から分離されているとき、一体型加熱器が加熱されると、ＲＴＤの温度は１７℃上昇し、リング共振器導波路は３１℃上昇する。これは５５％の温度感度に相当する。言い換えると、ＲＴＤ温度は、シリコンリング共振器の温度の５５％変化する。シリコンデバイス層内のドープシリコンベースのＲＴＤも、温度勾配により、１００５未満の相関を有する温度感度を有するだろう。１００％未満の温度感度は、リング共振器導波路の温度の測定を不正確にする。これは、ＲＴＤがリング共振器からの局所的な温度変化とＳｉＰｈｏチップからの全域的な温度変化とを区別することができないからである。局所的な温度変化は、ＲＴＤとリング共振器との間の距離に応じて、ＲＴＤ－シリコン温度勾配と、１００％未満の温度感度とを特徴とする。全域的な温度変化は、ＲＴＤがＳｉＰｈｏチップに埋め込まれており、熱平衡状態でＳｉＰｈｏチップと全く同じ温度変化を有するので、１００％の温度感度を特徴とする。

【0058】

全域的なチップ温度の変化は、周囲温度の変化、利得媒体の温度変化、又は他のオンチップ集積加熱器からの熱的クロストークによって引き起こされることがある。したがって、ＲＴＤ抵抗信号は、異なる温度感度を特徴とする局所的な熱源と全域的な熱源との両方からの全体的な影響である。これは、２つの熱源のそれぞれの寄与比率を知らなくても、シリコンリング共振器の温度読取り誤差を与えることができる。この温度読取り誤差は、以下のように計算することができる。

【数1】

ここで、Ｔ_{ＲＴＤ＿ｔｏｔａｌ}＝Ｔ_{ＲＴＤ＿ｌｏｃａｌ}＋Ｔ_{ＲＴＤ＿ｇｌｏｂａｌ}は、２つの熱源による合計のＲＴＤ温度変化であり、Ｓ_{ＲＴＤ＿ｌｏｃａｌ}及びＳ_{ＲＴＤ＿ｇｌｏｂａｌ}はそれぞれ、２つの熱源に関するＲＴＤ温度感度である。図３は、±４０℃の周囲温度変化からの±０．４℃の全域的なＳｉＰｈｏチップ温度変化、及びリング共振器周波数の温度に対する周波数感度１０ＧＨｚ／℃を仮定して、計算されたリング共振周波数誤差を示す。Ｓ_{ＲＴＤ＿ｌｏｃａｌ}が５０％の場合、４ＧＨｚのレーザ発振周波数誤差があり得、これは、１ＧＨｚの周波数誤差仕様よりも高い。Ｓ_{ＲＴＤ＿ｌｏｃａｌ}が８０％の場合でも、すでに１ＧＨｚの周波数誤差があり、周波数許容誤差に達している。

【0059】

制限されたＲＴＤ温度感度によって引き起こされる周波数誤差に加えて、フォトニクス集積回路を使用する外部共振器型レーザに関する別の重要な課題は、同じシリコン基板上に作製されるときのリング共振器フィルタ間の大きな熱的クロストークである。一体型加熱器の１つが、１つの周波数選択要素の特性を制御するように同調されるとき、一体型加熱器からの熱的クロストークは、第２の周波数選択要素に影響を及ぼす。第２の周波数要素を一定の温度に保つために、第２の一体型加熱器をＰＩＤ（比例－積分－微分）閉ループ制御で同調することができるが、これも逆に、第２の一体型加熱器からの熱的クロストークにより第１の周波数選択要素に影響を及ぼす。したがって、熱的クロストークに起因して複数の一体型加熱器をそのように反復的に同調することは、周波数選択要素の同調安定性、同調精度、及び同調時間に影響を及ぼすことがある。図７に示されるように、一体型加熱器２が６０ｍＷの加熱器電力で加熱されるとき、ＲＴＤ２抵抗読取値は１．８％増加し、一方でＲＴＤ１読取値も約０．２％変化し、一体型加熱器２からの熱的クロストークを示す。

【0060】

周波数誤差及び熱的クロストークを修正する１つの手法は、図２のチップＲＴＤによって示されるように、基準ＲＴＤを追加して全域的なチップ温度変化を測定することによるものである。その結果、２つの周波数選択要素の位置にあるＲＴＤ１及びＲＴＤ２は、局所リング共振器の寄与と全域的なチップ温度変化の寄与とを区別することができる。以下の具体的なプロトタイプの実施形態に関して述べるように、この基準チップＲＴＤがない場合、レーザ発振周波数は、１０℃～８０℃の間の周囲温度変動と共に４ＧＨｚドリフトする。対照的に、基準チップＲＴＤ機能が有効化された状態では、周波数ドリフトを約１桁低減することができる。測定される周波数誤差は±０．５ＧＨｚ以内になることがあり、これは、いくつかの実施形態では±１ＧＨｚの周波数誤差仕様よりも小さい。ＳＯＡからの電力が増加されるとき、これにより、ＳｉＰｈｏチップの温度が大幅に上昇する。この温度上昇は、５００ｍＡから６００ｍＡ、次いで７００ｍＡのＳＯＡ電流を用いたプロトタイプの実施形態に関して以下に考察する。チップレベルＲＴＤセンサが有効化された状態で、制御ループはレーザ周波数を仕様内に維持することができる。

【0061】

上述したように、各リング共振器は、個別のＲＴＤセンサと共に適応させることもできる。さらに、本明細書で述べるように、チップレベルＲＴＤセンサは、リング共振器温度のフィードバック制御を改良することができる。Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．での構造と同様に構成されたリング共振器を備えるＳｉＰｈｏチップの実施形態が、本明細書で述べる改良を実装するための変形を伴って、図８に示されている。図８を参照すると、フィルタチップ２００は、フィルタチップ１０２に関して上述したのと同様に、ゲインチップ１０４に結合するように構成される。また、フィルタチップ１０２と同様に、フィルタチップ２００は、上側クラッド層１０８、デバイス層１１０、下側クラッド層１１２、及び基板１１４を含む複数の層（図２を参照）を含む。しかし、ループ状の導波路光路を形成するのではなく、導波路及び共振器は、反射器と共に非ループの経路又は終端された経路を形成し、ここで、以下にさらに説明するように、入射光は、出射光と概して同じ経路をたどる。フィルタチップ２００は、図２の構造に比べて、安定性を改善するため及びレーザキャビティでの光雑音に対する感度を低下させるために干渉計を提供しないという欠点を有する。

【0062】

図８に示される実施形態では、フィルタチップ２００は、複数の層によって提供される構造内で、第１の導波路部分２２０、第１のリング共振器２２２、第２の導波路部分２２８、第２のリング共振器２２６、反射器部分２５０、第１の加熱器２３０、第２の加熱器２３２、第１のリング温度センサ２３４、第２のリング温度２３６、及びチップ温度センサ２３８を備える。フィルタチップ２００は、第１の端部（前端部）２４０と、第２の端部（後端部）２４２とを画定する。第１の導波路部分２２０、第１のリング共振器２２２、第２の導波路部分２２８、第２のリング共振器２２６、及び反射器部分２５０は、光を透過するための光路を形成し、光路は反射器部分２５０で終端する。リング共振器と共振する光は、反射されて光路を通って戻るが、他の光は概して放散する。

【0063】

一実施形態では、第１の導波路部分２２０は、フィルタチップ２００の前端部２４０に隣接し、ゲインチップ１０４との光通信のために構成された第１の概して直線の部分と、第１のリング共振器２２２に隣接する第２の概して直線の部分と、第１及び第２の直線部分を接合する湾曲部分とを有する弧形状を形成する。第２の導波路部分２２８は、一実施形態では、第１のリング共振器２２２と第２のリング共振器２２６との間で横方向に延びる概して真直な直線導波路でよい。反射器部分２５０は、第２のリング共振器２２６と連絡する反射器を含む。一実施形態では、反射器部分２５０は、導波路部分２５２及び反射器構造２５４を含むことがある。他の実施形態では、反射器部分２５０は、反射器として作用する導波路２５２のみ、又は反射器構造２５４のみを含むことがある。一実施形態では、反射器２５４は、金属化ミラー、ループ反射器、又は別の既知のタイプの光学反射器を備えることがある。

【0064】

第１の加熱器２３０及び第２の加熱器２３２は、フィルタチップ１０２の第１の実施形態で述べた加熱器１３０及び１３２と同様であり、制御装置１９２などの制御装置によって選択的に制御することができ、それらそれぞれのリング共振器２２２及び２２６を加熱し、それにより光周波数を変化させる、すなわちレーザ１００を「同調」する。第１のリング温度センサ２３４及び第２のリング温度センサ２３６は、フィルタチップ１０２の第１の実施形態で述べたセンサ１３４及び１３６と同様であり、それらそれぞれの第１のリング共振器２２２及び第２のリング共振器２２６の温度を感知する。チップ温度センサ２３８は、フィルタチップ１０２のチップセンサ１３８と同様であり、加熱器１３０及び１３２の遠位にあるチップ１０２の部分でフィルタチップ２００の全体的な又は全域的な温度を感知するように構成される。

【0065】

動作中、一般的には、両方の共振器リングと共振するゲインチップ１０４からの光は、フィルタチップ２００内へ、第１の導波路部分２２０に沿って、第１のリング共振器２２２を介して、第２の導波路２２８を介して、第２のリング共振器２２６を介して、反射器２５０へと伝送される。反射器２５０は、光を反射して、ゲインチップ１０４（図２も参照）への出力のために、第２のリング共振器２２６、第２の導波路部分２２８、第１のリング共振器２２２、及び第１の導波路部分２２０の経路に沿って戻す。

【0066】

図９を参照すると、反射器で終端する非干渉計ベースの光路を有するフィルタチップ２７０の別の実施形態が示されている。フィルタチップ２７０は、チップ２００と同様であるが、以下でさらに詳細に述べるように、導波路を介在させずに互いに結合された一連のリング共振器を含む。このフィルタ設計は、参照により本明細書に援用する「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｈｉｔｌｅｓｓ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ」という名称のＢｏｌｌａ他の米国特許出願公開第２０１０／０１８３３１２号明細書での透過光学フィルタ構造から適応される。

【0067】

一実施形態では、図９に示されるように、フィルタチップ２７０は、フィルタチップ１０２に関して上述した複数のチップ層、すなわち層１０８～１１４（図２を参照）、並びに第１の導波路２２０、最初又は第１のリング共振器２２２、最後のリング共振器２２６、反射器２５２、最初又は第１のリング加熱器２３０、最後のリング加熱器２３２、最初又は第１のリング温度センサ２３４、最後のリング温度センサ２３６、及びチップセンサ２３８を含む。第１の端部２４０と２４２との間に延びる軸が、長手方向軸を定義する。

【0068】

第１の導波路部分２２０は、図９に示されるように、チップ２７０に沿って軸方向に延びる真直な直線導波路を備え、フィルタチップ２７０の第１の端部２４０でゲインチップ１０４（図２を参照）と連絡するように構成される。第１の導波路部分２２０は直線として示されているが、第１の導波路２２０は、他の形状、限定はしないが例えば、フィルタチップ２００の導波路２２０の湾曲形状、又はフィルタチップ１０２の導波路１２０の湾曲形状を画定することができることを理解されたい。

【0069】

フィルタチップ２７０は、第１のリング共振器２２２及び最後のリング共振器２２６を含む複数の２つ以上のリング共振器を含み、一連のリング共振器を形成することができる。点２２１は、追加のリング共振器（図示せず）が、任意選択で第１のリング共振器２２２と最終のリング共振器２２６との間に位置されることがあることを示す。追加のリング共振器がない場合、第１のリング共振器２２２と最後のリング共振器２２６とは、適切な光結合を提供するように互いに隣接して位置決めされるだろう。一実施形態では、リング共振器は、横方向又は径方向に分布され、リング共振器は、互いに隣接し、互いに光通信する。一実施形態では、リング共振器は、図８に示されるように、横方向で直線上に、すなわち一直線のラインとして位置合わせされる。他の実施形態では、いくつかのリング共振器は、軸方向で互いにオフセットされることがある。

【0070】

最後の導波路２５２は、軸方向に延在し、最後のリング共振器２２６に隣接して形成される。最後の導波路２５２は２つの端部を画定し、一方の端部はチップ端部２４０の近くにあり、他方の端部はチップ端部２４２の近くにある。一実施形態では、図示されるように、最後のリング共振器２３２が形成され、チップ端部２４２よりもチップ端部２４０の近くに位置決めされる。最後の導波路２５２は反射器として作用し、最後のリング共振器２２６から受け取った光を反射してリング共振器２２６に戻す。最後の導波路２５２は、部分ループ又は湾曲セクションなどの他の形状を備えることがあり、追加の反射要素を含むことがある。

【0071】

加熱器２３０及び２４０は、リング温度センサ２３４及び２３６と共に、フィルタチップ１０２の実施形態に関して上述したように固体レーザ１００を制御及び同調するために利用することができる。

【0072】

図１０を参照すると、シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の別の実施形態は、図２の実施形態のマルチフィルタ型サニャック干渉計機能を含む。図示される実施形態では、フィルタチップ１０２のこの実施形態は、スポットサイズ変換器１１６、スプリッタ－コンバイナ１１８、第１の導波路部分１２０、第１のリング共振器１２２、第２のリング共振器１２６、第３のリング共振器１５４、第２の導波路部分１２８、第１の加熱器１３０、第２の加熱器１３２、第３の加熱器１５０、第１のリング温度センサ１３４、第２のリング温度センサ１３６、第３のリング温度センサ１５２、及びフィルタチップ温度センサ１３８を備える。図２の実施形態と同様に、図１０のフィルタチップ１０２は、第１の光部分が第１の導波路１２０に沿って第１のリング共振器１２２に向かって進み、第２の光部分が第２の導波路１２８に沿って第２のリング共振器１２６に向けて進むように、入射光信号を分割するスプリッタ－コンバイナ１１８を含む。しかし、この実施形態では、第１のリング共振器１２２と第２のリング共振器１２６とは、１つ又は複数のリング共振器によって、例えば第３のリング共振器１５４によって結合されている。基本的には、第３のリング共振器は反射光に制約を課すことができ、光は３つのリング共振器全てと適切に共振し、それによりサイドバンド抑圧が大きくなり得る。この設計に基づいて、スプリッタ－コンバイナから１つのアームに沿って進む光は、光が３つのリング共振器全てと共振する場合、１つのリング共振器に結合し、第３のリング共振器１５４に遷移し、次いで第３のリング共振器１５４に関して反対側のリング共振器に結合し、反対側のアームを下ってスプリッタ－コンバイナに向かうことができる。

【0073】

第２の提案される方法は、シリコンリング共振器、一体型加熱器、及び温度検知ＲＴＤが全てＳｉＰｈｏ集積回路上の他の構成要素から実質的に断熱されるように、シリコン基板に断熱トレンチを作製することによるものである。これは、ＲＴＤの温度感度を実質的に高め、したがって周波数誤差を低減することができる。図１０は、そのようなトレンチ構造の１つの概略図を示す。加熱器、ＲＴＤ、及びシリコンリングを含む全ての構成要素は、断熱領域内にあるため、熱平衡状態でほぼ同じ温度を有し得る。言い換えると、局所リング共振器に対するＲＴＤ温度感度は１００％に近くなる。

【0074】

図６に示されるように、局所リング共振器に対するＲＴＤ温度感度が９５％まで上昇するとき、周波数誤差は約０．２ＧＨｚに降下し、１ＧＨｚ周波数許容誤差の仕様を十分に下回る。この断熱トレンチを使用することによる第２の利益は、周波数選択要素間の熱的クロストークが大幅に低減されることである。これは、一体型加熱器が断熱領域内に閉じ込められ、領域からの発生した熱の漏れが非常に限られるからである。断熱トレンチは、図１１～１５について述べるようないくつかの異なる構造設計を有することができる。

【0075】

図１１～１５を参照すると、チップ内の断熱トレンチを画定するシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２のいくつかの実施形態が示されている。図１１～１５で述べる特徴は、フィルタチップ１０２だけでなく、限定はしないがフィルタチップ２００及び２７０を含めた本明細書で述べるフィルタチップの他の様々な実施形態によっても採用することができる。リング共振器、一体型加熱器、及び温度センサの周りでの断熱トレンチの使用は、これらの構成要素の断熱に寄与し、それにより温度センサの熱感度を大幅に高め、温度センサによって感知される温度は、より密接にリング共振器での温度に対応し、それにより周波数同調誤差を低減する。図１１は、底面及び２つの側面で断熱領域３００を取り囲む断熱トレンチ３００を示しているが、図１３及び１４で示されるものなど、断面図で見た他の設計又は形状を使用することもできる。図１１、１３、及び１４はそれぞれ、斜視図及び断面図で見たシリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の一部を示す。例示目的で、各リング共振器１２２の一部のみが示されている。

【0076】

トレンチ設計は、例えば、図１１に示されるように、加熱領域でのリング導波路の下のシリコンの完全なアンダーカットを含む。特に図１１（図１２の断面図）及び図１２（シリコンフォトニクスフィルタチップ１０２の一部分の上面図）を参照すると、断熱トレンチ３００が示されている。上面図では、リング共振器１２２は構造表面にないので、それが隠れた構造であることを示すために破線で示されている。この実施形態では、加熱器１３０は、図示されるようにリング共振器１２２の真上に位置され、クラッド又は他の層に形成することができる。リング温度センサ１３４は、加熱器１３０と同じ層内で、加熱器１３０から横方向にオフセットされて位置決めされる。図示される実施形態では、加熱器１３０は、リング共振器１２２の十分且つ均一な加熱を保証するために、リング共振器１２２の横方向幅よりも大きい横方向幅を画定する。

【0077】

断熱トレンチ３００は、第１の部分又は底部３０２、第２の部分又は内側部分３０４、及び第３の部分又は外側部分３０６を含む。断熱トレンチ３００は、一般に、図示されるように断面で「Ｕ」字形状を形成することができ、弧形状を形成する。一実施形態では、トレンチ３００は、リング共振器１２２の周りの基板１１４、下側クラッド層１１２、及び上側クラッド層１０８の部分を除去し、デバイス支持部分３１０を残すことによって形成される。

【0078】

断熱トレンチ３００は、第１の側又は下側と、第２の側又は内側と、右側又は外側とで断熱領域３１０を取り囲む。一実施形態では、断熱領域３１０は、層１１４、１１２、及び１０８の一部分を備え、リング共振器１２２、加熱器１３０、及びリング温度センサ１３４の一部分がそこに埋め込まれている。断熱領域３１０は、チップ底部３１２から延び、弧形状を画定する。一実施形態では、断熱領域３１０の曲率は、リング共振器１２２の曲率と実質的に同じであり、底部３１２と底部３１２の反対側の別の底部との間にブリッジのような構造を形成する。

【0079】

一実施形態では、図１１及び図１２に示されているように、断熱トレンチ３００は、共振器１２２、加熱器１３０、リング温度センサ１３４、及び断熱領域のための何らかの接続及び支持構造を提供するために、リング共振器１２２を円周方向で完全には取り囲まない。図１１及び１２の実施形態では、断熱トレンチ３００は、円周方向に約６０°延びる。他の実施形態では、断熱トレンチ３００は、６０°よりも大きく延びてさらなる断熱を提供し、これは、より大きな加熱器に有益であり得る。一実施形態では、断熱トレンチ３００は、円周方向に３０°～９０°延びる。

【0080】

第２の断熱トレンチ設計は、図１３に示されるように、リング導波路の片側にのみトレンチが作製される。リング導波路の反対側に他の構成要素があり、したがって図１１に示されるようなトレンチエッチングが実用的でない場合、これは適切な設計となり得る。図１３を参照すると、底部及び側部のみを含む代替の断熱トレンチ３００が示されている。断熱トレンチ３００は、この実施形態では、断熱領域３１０の下に延びる底部３０２と、断熱領域３１０に隣接して並んで延びる側部３０６とを含む。

【0081】

図１４を参照すると、別の代替の断熱トレンチ３００が示されている。この実施形態では、断熱領域３１０のシリコンの部分は何も施されず、リング共振器１２２を支持する。この実施形態では、断熱トレンチ３００は、底部トレンチ部分３０２ａ及び３０２ｂと、内側トレンチ部分３０４と、外側トレンチ部分３０６とを含む。これは、図１３の設計のように、下にあるシリコンを完全に除去するための長いシリコンエッチングプロセスが実用的でないとき、又は下にあるシリコン支持体がないと機械的安定性が懸念されるときに望ましいトレンチ設計となる。

【0082】

図１５に示される実施形態などの他の実施形態では、断熱トレンチ３００及び断熱領域３１０は、リング共振器１２２の周りに３６０°、又は他の実施形態では円周のほぼ全体にわたって、例えば図示されるように約３４０°にわたって延びることがあり、ほぼ完全なリングを形成するが、一実施形態では３６０°未満の弧長を有する。そのような実施形態は、断熱を最大化するのに有用であり得て、追加の加熱器１３０が使用される場合にも有用であり得る。さらに、図１５に示されているように、それぞれが３６０°未満の弧長を画定し、３６０°未満の合計弧長を有する複数の断熱トレンチ３００を使用することができる。

【0083】

シリコンフォトニクスチップに使用されるこのシリコンオンインシュレータタイプの導波路構造では、シリカクラッドを通してシリコン基板までエッチングすることによってアンダーエッチングを行うことができる。次いで、蒸気ベースのエッチングであるウェットエッチングをシリコンに向けることができ、エッチングが継続されるときにアンダーエッチングが行われる。この処理は、参照により本明細書に援用するＤｏｎｇ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒａｃｅｔｒａｃｋ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｌｏｗ ｔｕｎｉｎｇ ｐｏｗｅｒ，”Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１０，Ｖｏｌ．１８（１９），２０２９８－２０３０４にさらに述べられている。

【0084】

本発明の適用に適した文脈でのＳｉＰｈｏ ＥＳＬは、具体的なプロトタイプの実施形態を対象とする以下のセクションでより詳細に論じる。

【0085】

温度センサは、周波数同調及び熱安定性を提供することができる。ＳｉＰｈｏチップ熱センサが周波数の熱安定性を提供するのに十分であるか否かにかかわらず、周波数同調は、リング共振器での温度の調整を含む。最初は周波数がリング加熱器の特定の熱出力と相関されていることがあるが、時間的な変化により、レーザ出力周波数をさらに調整するために局所的な測定を行うことが有益となり得る。

【0086】

熱安定性を維持するために、閉ループフィードバック制御を使用することができる。チップレベル温度センサで測定された温度は、ＲＴＤで電圧を測定することによって評価することができ、これは次いで、アナログ分析又はデジタルプロセスで処理することができ、デジタルプロセスではアナログ電圧をアナログ－デジタル変換器で処理することができる。マイクロプロセッサを使用して、システムを制御することができる。ＰＩＤ（比例－積分－微分）閉ループ制御に基づく閉ループの実装は、一般的に知られている。制御関数は、１つの比例項、１つの積分項、及び導関数を含む１つの項を有する。全ての項を使用する必要はない。ＰＩＤ制御装置を使用して、加熱器に送達される電圧を調整し、チップ温度を所望の値に維持して、温度変動を調整することができる。閉フィードバックループ内の光学構成要素を調整するためのＰＩＤ制御装置の使用は、参照により本明細書に援用する「Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎ ａ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ」という名称のＣｏｌｌｉｎｇｓ他の米国特許出願公開第２００８／０２６７６３１号明細書にも記載されている。市販の温度制御装置チップを使用することができ、ＰＩＤ実装制御装置はＯｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．（米国コネチカット州スタンフォード）から入手することができる。

【0087】

具体的な実施形態の設計
図２は、シリコンフォトニクス集積回路を使用する外部共振器型同調可能レーザの概略図を有する。このレーザは、利得媒体チップと、シリコンフォトニクス（ＳｉＰｈ）光学フィルタチップとを含む。ゲインチップの利得部は、ＩｎＧａＡｓＰベースの複数の量子井戸からなる。ゲインチップの前端面は劈開され、レーザ出力ポートとして機能する。この空気及びＩＩＩ－Ｖ界面は、光の３２％を反射して、光フィードバックとしてゲインチップに戻す。次いで、ゲインチップのこの端面は、能動アライメント又は受動フリップチップボンディングプロセスでＳｉＰｈｏフィルタチップに突合せ結合することができる。ＳｉＰｈｏ外部共振器は、透過スペクトルがわずかに異なる２つのカスケード接続されたリング共振器フィルタを含む。各リング共振器フィルタの透過スペクトルは、一体型の導波路加熱器によって同調させることができる。両方のリング共振器フィルタにある一体型加熱器電力を制御することによって、２つのリング共振器の２つの伝送ピークの重畳周波数で広いスペクトル領域にわたってレーザ発振モードを選択することができる。２つのカスケード接続されたリングフィルタを通過した光は、次いで、レーザ光フィードバックを提供するために利得媒体チップにループして戻される。例えば窒化ケイ素をベースとするスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）は、利得媒体チップ導波路とＳｉＰｈｏチップ導波路との間のモードサイズ整合に使用することができる。

【0088】

本発明者らが設計したシリコンフォトニクスチップは、図２に示されるように、ループバック構成で、２つのカスケード接続されたリング共振器と位相制御セクションとから構成される。２つのリングは、それぞれ３００ＧＨｚ及び３１０ＧＨｚの公称自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有することができる。熱的同調は、数十分の１パーセントの範囲にわたって各リングを個別に意図的に調整する。ＦＳＲ及び動作波長は、リングの物理的なサイズを決定し、プロトタイプＳｉＰｈｏチップに関して、リングは約１２０～１３０ミクロンの直径を有する。

【0089】

共通の共振周波数が１９５，３００ＧＨｚ（約１５３５ナノメートルの波長）に設定される場合、３００ＧＨｚのリングは約６５１回共振し、ＧＨｚの３１０リングは約６３０回共振する。すなわち、３００×６５１＝３１０×６３０＝１９５３００である。ここで、リングはそれぞれ、上記のオーダーから±ｎのオーダーでも共振するが、上記のオーダーは、共通の周波数で強く重畳する唯一のオーダーである。共振ピークの典型的なＦＷＨＭは、約１０ＧＨｚである。したがって、各リングのフィネスは、（３１０，３００）／１０≒３０となる。概して、このフィネスの値は、典型的な共鳴光子が各リング内を平均３０回循環してから先に進むことを意味する。これはまた、各リングの「Ｑ」値（共振器の質）が約１９５３００／１０≒２０，０００であることも意味する。

【0090】

これら２つのリング共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）はわずかに異なり、バーニア効果によって６５ｎｍの大きい同調範囲を提供する。リング共振器とバス導波路との結合比は、低い挿入損失及び狭いフィルタ通過帯域を有するように注意深く最適化した。これは、安定したシングルモードレーザ発振のために十分に大きいサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）を実現可能にする。薄膜加熱器を各リング導波路及び位相制御セクションの上に作製し、両方のリング共振器に関する約５０ｍＷの２πパワーが測定された。本質的に既存のＥＣＬ製品で使用されているような、高効率の高飽和パワーゲインチップ及びＳＯＡを使用した。

【0091】

プロトタイプデバイスの性能をテストした。デバイスを一定の温度に保つために、組み立てられたシリコンフォトニクス同調可能レーザを熱電冷却器（ＴＥＣ）に取り付けた。ゲインチップに注入される電流は、以下の全ての実験について２００ｍＡで一定に保った。ＳＯＡに関する注入電流は、レーザ出力電力を制御するために変えることができる。図１６は、リング共振器の１つのみを加熱することによって６５ｎｍにわたって同調された２７の波長チャネルの重ね合わされたスペクトルを示す。両方のリング共振器加熱器が制御される場合、同調範囲全体にわたってレーザ発振波長を連続的に同調することができる。この測定では、ＳＯＡ電流を９００ｍＡに設定した。測定されたファイバ結合出力電力は、図１７の下側の曲線のドットによって示されているように、Ｃバンド全体にわたって２１．５～２１．８ｄＢｍの範囲である。そのような高出力電力は、複雑な変調フォーマットを使用して送信機損失を補償するために有望である。図１７の上側の曲線のドットによって示されているように、各波長チャネルで、５０ｄＢを超える大きなＳＭＳＲ（サイドモード抑圧比）も得られた。

【0092】

プロトタイプを使用して、出力電力、スペクトル線幅、及び相対強度雑音（ＲＩＮ）のＳＯＡ電流依存性を調べた。図１８（ａ）は、ＳＯＡ電流の関数としての、１５４７．０ｎｍでのファイバ結合出力電力を示す。プロットは、出力電力が５００ｍＡのＳＯＡ電流で１００ｍＷに達することを示す。ＳＯＡ電流がさらに７００ｍＡまで増加すると、ブースタＳＯＡは徐々に飽和し始める。最大出力電力は、９５０ｍＡのＳＯＡ電流で１５０ｍＷという従来は得られなかった高レベルと考えられるものに達する。レーザスペクトル線幅及びＲＩＮも測定した。参照により本明細書に援用するＶ．Ｍｉｃｈａｕｄ－Ｂｅｌｌｅａｕ ｅｔ ａｌ．，“Ｐａｓｓｉｖｅ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏｒ Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ ｏｆ Ａ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ Ｌａｓｅｒ，”Ｍｅｔｒｏｌｏｇｉａ ５３，１１５４（２０１６）で教示されているように、周波数弁別器手法を使用して、固有レーザ線幅を測定した。この手法は、コヒーレント遅延線干渉計を採用して、レーザ周波数雑音を強度変動に変換し、次いでこれを光検出器によって測定することができる。１００～４００ＭＨｚの周波数雑音ベースラインを使用して、固有ローレンツ線幅を推定し、低周波数での１／ｆ熱的及び電子雑音からの影響を回避した。図１８（ｂ）の上側のドットは、１５４７．０ｎｍでの測定された線幅を示す。ＳＯＡ電流が９００ｍＡまで増加しても、明らかな線幅の劣化はないことに留意されたい。実際、２００～９００ｍＡのＳＯＡ動作電流で、線幅は６０ｋＨｚを十分に下回る。Ｃバンドの最初と最後での他の２つの波長の線幅もテストし、どちらも８０ｋＨｚよりも狭い線幅が得られた（データはここには示さず）。そのような狭い線幅は１６又は６４ＱＡＭ変調フォーマットに適しているが、必要に応じて、シリコンフォトニクスチップのレイアウトを最適化することで、さらなる改良を期待することができる。図１８（ｂ）の下側のドットのプロットは、レーザＲＩＮとＳＯＡ電流との関係を示す。測定された低いＲＩＮは、２００～９００ｍＡの間のＳＯＡ電流に関して、－１５０ｄＢ／Ｈｚ（０．１～１０ＧＨｚの平均）未満である。

【0093】

図１９Ａ及び１９Ｃでの線は、ＳＯＡ電流の変化又はＴＥＣ温度設定の変化による周波数ドリフトを示す。各ドットは、基準ＲＴＤによって推定された周波数を示し、これは、±０．２ＧＨｚ以内の低い測定誤差を与える。対応する周波数誤差が、図１９Ｂ及び１９Ｄにプロットされている。これは、ＲＴＤが、ＳＯＡ電流変化やパッケージ温度変化などの外部熱擾乱によるレーザ発振波長ドリフトを正確に追跡することができることを示す。

【0094】

プロトタイプデバイスに関して、導波路及び加熱器の周りでの温度勾配に関するシミュレーション結果が図２０に示されている。図２０のシミュレーション結果によって示されるように、ＲＴＤが２ミクロンの厚さの上側二酸化ケイ素クラッドによってシリコンリング共振器から分離されているとき、一体型加熱器が加熱されると、ＲＴＤの温度は１７℃上昇し、リング共振器導波路は３１℃上昇する。１００％未満の温度感度の影響については、概して上で論じた。

【0095】

図２１で丸いドットによって示されているように、この基準チップＲＴＤがない場合、レーザ発振周波数は４ＧＨｚもドリフトし、周囲温度の変動は１０℃～８０℃の間である。対照的に、基準チップＲＴＤ機能が有効化された状態では、周波数ドリフトを約１桁低減することができる。測定された周波数誤差は±０．５ＧＨｚ以内であり得て、図１６に四角いドットでプロットされている±１ＧＨｚの周波数誤差仕様よりも小さい。図２２に示されるように、ＳＯＡ電流を５００ｍＡから６００ｍＡに、次いで７００ｍＡに増加すること（図の上側フレームに２つの矢印で示されている）によって、共通のシリコン基板に熱擾乱がもたらされることがある。そのようなＳＯＡ電流の変化は、レーザ出力電力同調に必要であるが、フォトニクス集積チップでの温度変化を引き起こす。図２１の下側フレームに実線によって示されているように、集積チップＲＴＤ機能が無効化されている場合、レーザ発振周波数は７．３ＧＨｚドリフトし、次いでさらに７．０ＧＨｚドリフトし、いずれも、ＴＥＣがオンにされてチップ温度を安定させる。図２２の下側フレームに破線によって示されているように、制御ループでチップＲＴＤ機能が有効化されるとき、レーザ発振周波数を安定させて元のスペクトル位置に戻すことができる。集積チップＲＴＤをオンにした状態での周波数誤差は、±１ＧＨｚの周波数誤差仕様を十分に下回る。観察された２つの周波数低下は、ＰＩＤ制御装置のオーバーシュートによるものであった。これは、制御装置パラメータをさらに最適化することによって修正することができる。温度変化に対するそのようなレーザ周波数安定性は、光スペクトル分析器（ＯＳＡ）（Ｈ． Ｇｕａｎ ｅｔ ａｌ．，“Ｗｉｄｅｌｙ－ｔｕｎａｂｌｅ，ｎａｒｒｏｗ－ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ＩＩＩ－Ｖ／ｓｉｌｉｃｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ－ｃａｖｉｔｙ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２６，７９２０－７９３３（２０１８））又は外部の波長ロッカなどの外部機器を使用せずに、本発明者らの集積センサ技術によって得られたことに留意されたい。

【0096】

熱擾乱による周波数ドリフトを正確に追跡することができるので、それに応じてフィルタ加熱器電力を調整して、任意のターゲット周波数を正確に補償及び同調することができる。図２３は、加熱器電力の同調後のターゲット周波数シフトと実際の周波数シフトとの関係を示す。－３０～３０ＧＨｚのターゲット周波数シフトの場合、周波数同調は、±０．５ＧＨｚ未満の誤差を示す。これは、ＳｉＰｈｏ ＥＣＬに関する±１ＧＨｚ周波数同調精度の仕様の範囲内である。

【0097】

図２４は、単一の基準ＲＴＤ及び２つのフィルタ加熱器を使用することによってこの制御手法の実現可能性を実証するための周波数安定化実験を示す。約９分と２４分の時点で、ＳＯＡ電流を６００ｍＡ及び次いで７５０ｍＡに変更した。これは、シリコンフォトニクスチップにいくらかの熱擾乱をもたらす。時間の関数としてのＳＯＡ電圧は、図２４の右上のフレームにプロットされている。図２４の右下のフレームを参照すると、ＳＯＡ電圧の変化は、最大２０ＧＨｚのレーザ発振周波数ドリフトをもたらす（第１の線）。そのような周波数ドリフトを、基準ＲＴＤ（プロットの解像度では第１の線と区別できない第２の線）によって正確に追跡した。４０分の時点で、制御コードが有効化され、わずか０．２ＧＨｚの誤差で周波数を元のスペクトル位置に同調して戻した。周波数誤差は、時間の関数として右側のフレームにプロットされている。これらの結果は、フィルタの局所的な温度の知識がなくても、加熱器電力のみを較正及び同調することによって、レーザ発振周波数を熱擾乱に対して安定させ、任意のターゲット周波数に正確に同調させることができることを示す。

【0098】

優れた性能に加えて、このシリコンフォトニクスレーザのほとんどのパッケージング及びテストプロセス、並びに制御電子機器及びゲインチップは、本発明者らの成熟した市販の製品から活用される。したがって、本発明者らは、任意選択でさらに適応させることで、このプロトタイプデバイスが大量生産に向けて大きな可能性を秘めていると考える。

【0099】

本研究において、本発明者らは、一体型の高飽和パワーブースタＳＯＡを使用することによって、１４０ｍＷを超える従来は得られなかった高いファイバ出力電力を有する高性能ハイブリッド集積シリコンフォトニクス同調可能レーザを実証した。高次変調に適した、８０ｋＨｚよりも狭いスペクトル線幅と、－１５０ｄＢ／Ｈｚ未満のＲＩＮとが得られた。ブースタＳＯＡの集積は、レーザスペクトル線幅及びＲＩＮの劣化を示さない。本発明者らが開発したシリコンフォトニクスチップ用の集積センサ技術は、１ＧＨｚ未満の正確な周波数制御も可能にする。本発明者らは、コヒーレント用途のためのこのシリコンフォトニクス同調可能レーザの実現可能性をさらに実証した。

【0100】

上記の実施形態は、例示として意図されており、限定ではない。さらなる実施形態も、特許請求の範囲及び本発明の概念の範囲内にある。さらに、特定の実施形態を参照して本発明を述べてきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の変更を行うことができることを当業者は理解されよう。上記の文献の参照による援用は、本明細書での明示的な開示に反する主題は援用されないように制限される。特定の構造、組成、及び／又はプロセスが、構成要素、要素、成分、又は他の区分と共に本明細書で述べられている限り、本明細書での開示は、特に明記しない限り、論述で示唆されるように、特定の実施形態、特定の構成要素、要素、成分、他の区分、又はそれらの組合せを含む実施形態、並びに、主題の基本的な性質を変えない追加の特徴を含むことができるそのような特定の構成要素、成分、又は他の区分、又はそれらの組合せから本質的になる実施形態を網羅する。本明細書における「約」という用語の使用は、特に明記しない限り、特定のパラメータに関する測定誤差を表す。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

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【国際調査報告】