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TW202232068A - 光子電路中之光學溫度量測 - Google Patents

光子電路中之光學溫度量測 Download PDF

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TW202232068A
TW202232068A TW109144079A TW109144079A TW202232068A TW 202232068 A TW202232068 A TW 202232068A TW 109144079 A TW109144079 A TW 109144079A TW 109144079 A TW109144079 A TW 109144079A TW 202232068 A TW202232068 A TW 202232068A
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photonic
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克里斯 巴納德
瓊 派克
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美商奥里恩公司
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Abstract

可利用待監測自身之光子裝置或經放置於其附近之一單獨光學溫度感測器之一溫度相依光譜性質來光學地執行光子電路組件之溫度量測。藉由促進個別光子裝置而非僅整個光子電路之溫度的量測，此等光學溫度量測可提供更準確溫度資訊且幫助改良熱設計。

Description

光子電路中之光學溫度量測
本發明係關於用於光子積體電路(PIC)中之溫度量測之方法及感測器。
包含(例如)雷射及光學調變器之諸多光子電路組件在其效能上係高度溫度敏感的。光子電路設計之一重要態樣因此係規定熱源(包含熱產生光子裝置)及散熱器以及散熱片之佈局之PIC之熱設計，以達成最佳化PIC將可靠地操作之周圍溫度之範圍之目標。熱設計及驗證依賴於準確溫度量測。然而，由於溫度可跨越PIC寬廣地變化，因此PIC作為一整體之溫度量測通常係不充分的。另一方面，儘管可期望用於熱設計之目的，但個別PIC元件之溫度量測可係困難的，此乃因靠近相關光子組件之熱感測器放置通常受空間約束及/或具有光子組件之熱感測器(諸如，例如，一電阻溫度感測器(RTD))之電干擾之可能性防礙。
本文中所揭示係光學地而非使用RTD或其他習用電子溫度感測器來量測光子電路組件之溫度之各種方法。在某些實施例中，履行各種任務模式功能(諸如，例如，多工/解多工或調變光)之光子裝置在使用期間經校準且經選擇性地操作以兼作溫度感測器。舉例而言，可利用諸如馬赫岑得(Mach-Zehnder)干涉儀(MZI)或非對稱MZI(AMZI)、陣列波導光柵(AWG)之濾光器中或電致吸收調變器(EAM)中之溫度相依光譜移位來量測此等組件之溫度。在其他實施例中，用不具有任務模式功能，但僅用來基於其光學(例如，光譜)性質之一溫度相依改變判定溫度之光學組件來增強PIC。有益地，此等光學溫度感測器可放置成極緊密接近於雷射、調變器、光偵測器等中之二極體接面，而無電干擾。此外，在使用包含波導及其他光學被動組件之一矽裝置層上之化合物半導體(例如，III-V)主動裝置之混合平臺中，光學溫度感測器可實施於其溫度待量測之主動裝置下面之矽裝置層中，從而回避存在於化合物半導體層中之空間約束。
為瞭解藉由量測個別光子組件而非整個光子電路之溫度提供之益處，舉例而言，考量包含四個雷射之一光學收發器。假設，跨越雷射之溫度(例如)歸因於來自諸如PIC內之光學組件或一毗鄰電子積體電路(EIC)內之電子組件之其他附近熱源的熱串擾而在最大操作電流處變化二十度。雷射之最熱點可具有比雷射之最冷點顯著(例如，三倍)短的一操作壽命，且可進一步遭受不穩定性(例如，導致模式跳躍)且輸出較低光學功率。然而，雷射不穩定性及經減少輸出功率未必指示一熱點，但亦可歸因於PIC製作或組裝期間導致之雷射損害或歸因於光學設計中之缺陷。因此，將溫度效應與雷射損害及/或光學設計問題分離係重要的。使用如本文中所闡述之光學溫度量測，可個別地且較之使用電子溫度量測更準確地量測所有四個雷射之接面處之溫度，此促進識別熱點且然後修改熱設計(包含(例如)散熱器、PIC晶粒內及毗鄰PIC晶粒之組件之間距等)以減少熱點溫度。
將參考隨附圖式在下文中闡述用於PIC中之光學溫度量測之裝置、系統及方法之各種實例實施例。
圖1係根據各種實施例之經組態以用一積體濾光器102達成光學溫度量測之一實例光子收發器100之一示意性方塊圖。光子收發器100沿著一傳輸器路徑104包含：一雷射106，其產生一光學載波信號；一光學調變器108，其經由振幅調變將資料賦予光學載波信號上；及濾光器102，其用作雷射106之一波長參考。此外，光子收發器100包含一光偵測器110及充當一光學接收器之相關聯接收器路徑111。另外，為用濾光器102促進溫度量測，收發器100包含包圍濾光器102之光學分接器112、114，每一光學分接器分離光之一固定分率(例如，5%)且具有將分離光引導至兩個各別監測器光二極體116、117及118、119之兩個輸出，該等監測器光二極體允許量測在傳輸器路徑104中之光傳播之任一方向上進入及退出濾光器102之光學功率。光子收發器100可實施於(例如)包括雷射106、調變器108、接收器光偵測器110及耦合至波導(實施(例如)傳輸器路徑104及接收器路徑111)之監測器光二極體116、117、118、119之化合物半導體(例如，III-V)主動裝置組件以及形成於(例如，一絕緣體上矽(SOI)基板之)一矽裝置層中之其他被動裝置或裝置組件之一混合材料平臺中。
濾光器102可實施為(例如)一AMZI，該AMZI特徵在於：產生其強度隨著光之頻率週期性地變化之一干擾信號之兩個干涉儀臂之間的一光學路徑長度差。彼變化之週期係濾光器102之自由光譜範圍(FSR)。AMZI(或其他濾光器102)經校準以在一特定參考波長處達成量測為輸出光學功率與輸入光學功率之比率之一規定傳輸。當雷射106之波長偏離參考波長時，此偏離自身將表現為濾光器102之傳輸之一改變(如自分別由光二極體118、116量測之輸入及輸出光學功率所判定)，從而提供回饋以將雷射106調諧至參考波長。然而，濾光器102之傳輸光譜通常係溫度相依的，且濾光器102之溫度可(例如)歸因於自雷射106傳出之熱而在任務模式使用中變化。可期望設計光子電路以最小化任何此熱。儘管在使用期間監測濾光器102之溫度，且主動補償在將濾光器校準為一波長參考時來自溫度之差異(例如，使用一積體加熱器或熱電冷卻器)，但可期望最小化此等主動熱調整之功率需要。
根據各種實施例，濾光器102在收發器100之熱設計期間用作其本身溫度感測器。出於此目的，一外部雷射120(例如)經由一傳輸器輸出埠122(其在任務模式中用來傳輸經調變光學信號)將光耦合至濾光器102中，且量測濾光器102之傳輸及/或輸出光學功率(在來自外部雷射120之光之傳播之一方向上)。在某些實施例中，外部雷射120係一可調諧雷射源，該可調諧雷射源在(例如)包含濾光器102之一或多個FSR之一波長範圍內步進以經由在濾光器102之後的監測器光二極體119處之相對光學輸出功率之量測來識別在傳輸達到一峰值(最大值)或空值(最小值)之波長。基於如藉由校準判定之峰值或空值波長之已知溫度相依性，然後可將經量測峰值或空值波長轉換為濾光器102之經量測溫度。在替代實施例中，外部雷射120在一單個特定波長處操作，且使用在濾光器102之前或之後的監測器光二極體117、119來量測彼波長處之濾光器102之傳輸。基於在外部雷射120之經選擇波長處之濾光器傳輸之已知溫度相依性，然後可自經量測傳輸計算濾光器102之溫度。
為研究其他收發器組件對濾光器102之溫度之影響，熱設計涉及在收發器雷射106處於全任務模式功率處時以任務模式操作收發器100。因此，在藉由來自外部雷射120之一光學信號光學地詢問濾光器102時，其同時自收發器雷射106接收一光學信號。兩個光學信號在相反方向上傳播，使得外部雷射信號之經傳輸部分之量測不受來自收發器雷射106之信號影響。外部雷射120可包含防止由於自收發器雷射106接收之光之損害的一光學隔離器。相反地，來自外部雷射120之光到達收發器雷射106可在濾光器溫度之量測期間稍微降級收發器雷射之光學效能，但彼情形在設計階段期間不係一問題。注意，隨著對收發器100之適合增強(例如，保護調變器108及雷射106免受由外部雷射120注入至傳輸器路徑104中之光之一隔離器)，或藉由使用與收發器操作波長遠失諧之一外部雷射波長，在貫穿收發器之壽命之普通任務模式期間使用濾光器102來監測其本身溫度原則上亦係可能的。
雖然圖1僅展示光子收發器100之一單通道，但對於熟習此項技術者將容易顯而易見的係，可藉由複製傳輸器及接收器組件來實施一多通道收發器。然後可以與上文所闡述之相同方式量測每一通道中之濾光器102之溫度，將外部雷射120依序(或同時多個外部雷射)耦合至各種傳輸器路徑中。
為提供擁有一單獨任務模式功能之光子裝置之溫度量測之另一實例，圖2係根據各種實施例之經組態以用一積體多工器達成光學溫度量測之一實例光子收發器200之一示意性方塊圖。收發器200包含各自包含一雷射202及相關聯EAM 204之四個通道以將資料賦予光學載波信號上。雷射202以四個不同波長λ 0、λ 1、λ 2及λ 3發射光，且將四個波長處之經調變光學信號兩級地多工成一經組合光學收發器輸出信號。雷射波長可(例如)以λ 0≈1295 nm、λ 1≈1300 nm、λ 2≈1305 nm及λ 3≈ 1310 nm均勻間隔。在此實例中，其溫度待量測之組件係將λ 0、λ 1及λ 2、λ 3分別多工成提供為至第二級多工器208之輸入之兩個經部分多工信號的第一級處之多工器206。多工器206(以及208)可實施為(舉例而言)各自具有兩個輸入埠209及一個共同輸出埠(在來自收發器雷射202之光傳播之方向上)之AMZI。
為量測第一級多工器206之溫度，用一外部可調諧雷射(未展示)來詢問該等第一級多工器，該外部可調諧雷射係經由傳輸器輸出埠及第二級多工器208(其中多工器之輸出埠亦可構成傳輸器輸出埠)耦合至收發器中，且在與由收發器雷射202發射之光學信號之方向相反之一方向上傳播。外部雷射掃掠過一波長範圍以判定多工器206之一個或兩個輸入埠209(對應於外部雷射信號之傳播方向上之輸出埠)處之光輸出的光譜傳輸峰值。若多工器206在其目標操作溫度處，則此等傳輸峰值將發生於λ 0、λ 1、λ 2及λ 3處。與目標操作溫度之任何偏離通常將導致峰值至較短或較長波長之一移位(取決於溫度是在目標操作溫度之上還是之下)。注意，儘管收發器200在收發器雷射202、EAM 204與多工器206、208之間的各種輸入及輸出處包含分接器210及相關聯監測器光二極體212，但彼等分接器210經組態以僅量測在自收發器雷射202至傳輸器輸出埠之方向上行進的光，且可因此不用於量測外部雷射信號在多工器206處的經傳輸部分。替代組態分接器210及添加監測器光二極體212以量測來自電路中之外部雷射的光，如在圖1之收發器100中所做且原則上亦可實施於收發器200中，經繪示實施例使用EAM 204來量測由多工器206傳輸之外部雷射信號的光學功率。EAM 204係在一高電壓偏壓處操作，此導致高光吸收，且由EAM產生之光電流與經量測信號之光學功率成比例。
圖3A至圖3C展示根據各種實施例在低功率模式(「LPM」)中操作之圖2之收發器200之多工器的實例光譜回應的圖表，如分別在35℃、70℃及80℃之接收器殼體溫度之兩個光譜範圍內所量測。在低功率模式中，功率足以操作且讀取EAM 204，但收發器雷射202及其他組件係關閉的。假設低功率模式中之收發器200的自發熱係可忽略的，且收發器200有時間平衡，使得多工器溫度接近於接收器殼體溫度。每一圖中的四個圖表展示由多工器206之輸入埠209處之光學功率輸出的量測導致之EAM 204處的光電流(「IPh」)。如可看到，如光電流中所反映之四個光學信號的傳輸峰值及空值在一FSR內係大約均勻分佈的(如所預期，鏡像收發器雷射202之雷射波長的均勻間隔)。比較35℃(圖3A)、70℃(圖3B)及80℃(圖3C)處之圖表，可觀察朝向較長波長之光譜回應之一移位。舉例而言，與λ 2相關聯之多工器輸入埠209處量測之信號的傳輸最小值自35℃處的約1297.5 nm移位至70℃處的約1300 nm及80℃處的差不多1301 nm。
圖3D展示根據各種實施例在高功率模式(「HPM」)中操作之圖2之收發器200之多工器的實例光譜回應的圖表，如70℃之一接收器殼體溫度處所量測。在高功率模式中，收發器雷射202接通且往往會加熱包含多工器206之其他收發器組件。因此，預期多工器206之局部溫度高於周圍溫度。的確，將高功率模式中與λ 2相關聯之多工器輸入埠209處量測的信號與70℃之相同接收器殼體溫度處之低功率模式中量測的信號(圖3B)比較，可看到傳輸最小值已移位至差不多1301 nm，從而指示多工器206的溫度係約80℃。
上文藉助一波長參考及解多工器之實例圖解說明之光子裝置(使用彼等相同裝置作為感測器)之光學溫度量測之所闡述方法通常可適用於具備某一溫度相依光譜性質特徵且可適合於某一溫度相依光譜性質之量測之任何光子裝置。此等性質可包含(舉例而言)光譜特徵，如光學傳輸、反射或吸收光譜之峰值及空值之波長或振幅以及一給定波長處之傳輸、反射或吸收位準。適合於溫度量測之光學詢問之光子裝置包含基於(例如)對稱或非對稱MZI、AWG或EAM之裝置，如可履行(例如)濾光器、多工器/解多工器或調變器之任務模式功能。
可對上文方法做各種修改。舉例而言，雖然所關注光子裝置之詢問在實務中將通常利用PIC外部之一雷射，但原則上亦可能使用一內部雷射(例如，其中其輸出信號經路由以在與用於光子裝置之任務模式功能之光相反之一方向上傳播)。可適合用於溫度監測之內部雷射可係低功率的以防止自發熱，且可使用諸如一光學光譜分析器(OSA)之一外部波長監測器在兩個或多於兩個溫度處校準。另一選擇係，內部雷射可放置於PIC之一相對溫度穩定部分(例如，一低功率密度區)中，同時其監測PIC之另一側上(例如，在一高功率密度區中)之一熱點。此外，雖然上文所闡述之實例實施例使用整合至PIC中之光偵測器，但亦可能將出於溫度判定目的量測之光學信號路由至晶片外以由外部光偵測器偵測。可使用外部光偵測器，例如，當在反射而非傳輸模式中量測光子裝置之光譜性質時。
圖4係根據各種實施例校準及操作具有用於光學溫度量測之單獨任務模式功能之一光子裝置之一方法400的一流程圖。在一校準階段402期間，將包含光子裝置之PIC(例如，一光子收發器PIC)放置至設定至一初始溫度且允許熱平衡(例如)持續約一小時之一受控溫度環境(諸如，例如，一烘箱)中(動作404)。在足夠時間過去之後，可假設包含所關注光子裝置之整個PIC實質上在所設定溫度處(例如，在幾個克氏度內，或用於給定應用之偏離之大體某一可接受容限，此將影響平衡時間)。若將積體光偵測器用於校準，則將PIC接通且在足以使用積體光偵測器之一低功率模式中操作，但避免其他功率消耗以最小化發熱(動作406)。在此狀態中，光學地詢問光子裝置以判定光子裝置之一光譜性質(動作408)。通常(儘管未必)，用於此目的之光係自一外部雷射源耦合至光子裝置中。舉例而言，為在一光子收發器之傳輸器路徑中量測一光學調變器、多工器之傳輸光譜或波長參考，可經由傳輸器路徑，在與來自PIC雷射之任務模式光學信號之傳播之方向相反之傳播的一方向上將來自一外部雷射之一光學信號耦合至光子裝置中。外部雷射之波長可在通常包含光子裝置之一或多個FSR之一波長範圍內步進，且記錄因此經量測光譜回應之空值及/或峰值處之波長。
然後將受控溫度環境改變為一第二溫度(動作410)，允許PIC在第二溫度處熱平衡(動作404)，且在第二溫度處重複用以在低功率模式期間量測光譜性質之光子裝置之詢問(動作408)。視情況，取決於熱特性之所期望準確性以及成本及時間考量，在一或多個額外溫度處量測光譜性質。舉例而言，在某些實施例中，在一個部分上僅執行一次校準(階段402)且其後應用於諸多部分；在此情形中，在數個或數十個溫度處量測可係可行的。另一方面，若執行每一部分之校準，則其可僅依賴於(例如)在導致小於FSR之光譜性質中之一相對移位之兩個溫度處進行之兩個量測。
然後使用兩個或多於兩個溫度處之光譜性質之經判定值來判定一連續溫度範圍內之光譜性質之溫度相依性，此可涉及在執行量測之溫度之間進行內插及/或在該等溫度之外進行外插(動作412)。舉例而言，基於兩個各別溫度
Figure 02_image001
及
Figure 02_image003
處之傳輸峰值或空值波長
Figure 02_image005
及
Figure 02_image007
之量測，可將溫度相依波長移位計算為
Figure 02_image009
。將經判定溫度相依性儲存於記憶體中以供稍後使用。在某些實施例中，將溫度相依性儲存於與PIC相關聯之一EIC之記憶體中，例如EIC提供用於一收發器PIC之控制信號及資料讀出，其中可連同諸如目標偏差及調變設定等之其他校準資料儲存所關注收發器組件之溫度相依性。然而，光譜性質之經校準溫度相依性之儲存亦係可能的。
一旦已完成校準階段402，可使用校準資料來量測光子裝置之溫度，在階段414中作為表徵PIC之任務模式熱效能的部分。現在PIC在任務模式中操作，亦即當在任務模式(其通常係一高功率模式)中時通電，且其中(例如)來自一內部PIC雷射(諸如一收發器雷射)之一任務模式光學信號在一個方向上耦合至光子裝置中(動作416)。為量測光子裝置之光譜性質，用在另一個方向上傳播，例如藉由一外部雷射耦合至PIC中之一詢問信號詢問裝置(動作418)。使用光譜性質之所儲存之經校準溫度相依性，然後可將經量測光譜性質轉換為裝置之一溫度(動作420)。繼續傳輸波長量測之上文實例，可根據
Figure 02_image011
Figure 02_image013
將任務模式期間的l經量測之一傳輸峰值或空值波長轉換成光子裝置之溫度。
前述實例全部圖解說明其中其溫度待量測之光子裝置兼作其本身溫度感測器之實施例。在各種替代實施例中，PIC代替地包含一或多個專用光學溫度感測器，亦即不履行任何獨立任務模式功能之經添加組件。每一此專用溫度感測器放置於其溫度待監測之光子裝置之「感測接近度」中，此意味著溫度感測器在實體上足夠接近於其中溫度關注為實質上相同溫度(例如，在幾個K度內)處之光子裝置中的位置。在各種實施例中，待監測之光子裝置係包含一個二極體接面之一光學主動裝置，且量測彼接面處之溫度。在某些實施例中，溫度感測器係在距諸如主動光子裝置中之二極體接面之所關注位置感測接近度內，在其遠離彼位置小於10 μm，較佳地小於3 μm之情況下。
圖5係根據各種實施例裝備有靠近雷射506及調變器508之經添加光學溫度感測器502、504之一實例光子收發器500的一示意性方塊圖。此處，雷射506及調變器508耦合至實施傳輸路徑之一第一光學波導510，然而光學溫度感測器502、504放置於與第一波導510分離之各別第二及第三光學波導512、514內或耦合至該等各別第二及第三光學波導512、514。接收器之光偵測器516耦合至實施接收器路徑之一第四光學波導518(如平常)。所有四個波導510、512、514、518具有其本身之各別輸入/輸出埠。
如在圖1之收發器100中，傳輸器之雷射506及調變器508以及接收器之光偵測器516可實施於一矽上化合物半導體混合平臺中，其中矽裝置層中之波導耦合至形成於其上之一化合物半導體(例如，III-V)層中之光學主動區。主動光子裝置可(例如)係或包含具有至p型層及n型層之電連接之一III-V p-i-n二極體結構以跨越二極體結構施加一電壓，從而在本質主動層中形成一個二極體接面，如此項技術中已知。此二極體接面之溫度顯著地影響各別裝置之光學效能且因此對於監測係重要的。在電子溫度感測器實施方案之情形中，將感測器放置成極接近於二極體接面冒導致電干擾風險。另一方面，光學溫度感測器502、504不造成此問題且因此可更靠近地放置，從而促進更準確溫度量測。舉例而言，在某些實施例中，光學感測器502、504靠近二極體接面約1 μm。
類似於兼作溫度感測器之具有任務模式功能之光子裝置，光學溫度感測器502、504針對溫度量測通常利用一溫度相依光譜性質，諸如一傳輸或反射峰值或空值或一特定波長處之一傳輸或反射位準。用作溫度感測器502、504之光子裝置之實例包含布拉格光柵、環共振器及AMZI，所有該等光子裝置可在不具有電連接之任何需要之情況下實施為被動光學組件。可使用一外部雷射520及一外部光偵測器522或積體光偵測器來詢問光學溫度感測器502、504。舉例而言，如所展示，由外部雷射520產生之一詢問信號可在光學波導512之輸入/輸出埠521處耦合至光學波導512中以傳播至與收發器500之調變器508相關聯之光學溫度感測器504，且由溫度感測器504反射之光可返回至波導512之輸入/輸出埠521且耦合至一外部光偵測器522。一個三埠式光學循環器524可用來經由一第二循環器埠527將一第一循環器埠526處接收之光引導至波導512中，且經由一第三循環器埠528將第二循環器埠527處接收之經反射光引導至光偵測器522。如將容易地瞭解，由外部雷射520、循環器524及外部光偵測器522共同形成之詢問設備可移動至關聯於收發器雷射506處之光學溫度感測器502之光學波導514之輸入/輸出埠530，且然後可類似地詢問溫度感測器502。
替代量測詢問信號之經反射部分，量測經傳輸部分亦係可能的。在此情形中，收發器500將經修改以使波導512(或514)經過溫度感測器504(或502) 延伸至一積體光偵測器，或延伸至波導512(或514)之一第二輸入/輸出埠用於用一外部光偵測器來量測光。是使用外部光偵測器還是積體光偵測器將通常取決於特定應用中之實際考量。積體光偵測器之使用係有益的，此乃因其將詢問設備減少為僅外部雷射，且藉由整合與亦可包含儲存用於感測器之校準資料之記憶體之PIC相關聯之EIC中的溫度感測器之讀出來促進流線化溫度量測。然而，此等益處以經增加製造複雜性及與溫度感測器相關聯之晶片面積為代價發生。
圖6A及圖6B分別係根據各種實施例毗鄰一PIC之一主動化合物半導體光子裝置602放置之一基於布拉格光柵之光學溫度感測器600之剖面俯視圖及側視圖。主動裝置602可係(例如)一雷射、調變器或光偵測器(例如，在一收發器PIC上)。其包含形成於之上且光學地耦合至形成於一SOI基板608之矽裝置層606中之一矽波導604的III-V(或其他化合物半導體)材料之一個二極體結構。如圖6B中所展示，二極體結構可包含(例如)一n型底部層610及安置於n型底部層610之上的包含一本質或主動層612及一p型頂部層614之一個二極體檯面。在使用中，在矽波導604中導引之光垂直地耦合至主動層612中(如由光學模式616、617所指示)。為使得能夠將一電壓或電流施加至二極體結構，裝置602包含至n型底部層及p型頂部層610、614之電連接。電連接包含：一接觸金屬層618，其安置於n型底部層610(例如，至兩側或環繞二極體檯面)之頂部上；一p型接觸金屬層619，其安置於p型頂部層614之頂部上；及垂直導通體620、622，其使n型及p型接觸金屬層618、619電連接至驅動器電路之電端子。二極體結構封圍於一介電包覆層624中。
溫度感測器600係由一第二矽波導630中之週期性折射率變化形成之一布拉格光柵。在彼第二矽波導630中傳播之光經歷光柵週期乘以有效折射率兩倍的一波長處之一強反射。由於光柵週期歸因於熱膨脹或收縮而隨著溫度些微地變化，因此反射峰值處之波長係感測器溫度之一良好指示器。如圖6A中所展示，第二矽波導630可平行於第一矽波導(604，其耦合至主動光子裝置602)伸展，且位於主動裝置602之二極體結構之n型底部層610下面。因此，在第二矽波導630中導引且於布拉格光柵中反射，由光學模式632指示之光極接近於光子裝置之主動區612傳來。
圖7係根據各種實施例校準及使用不具有用於一光子裝置之溫度量測之任務模式功能之一專用光學溫度感測器之一方法700之一流程圖。溫度感測器及光子裝置可(例如)對應於毗鄰雷射506的感測器502，或毗鄰圖5之光子收發器500之光學調變器508的感測器504。在一校準階段702期間，將PIC(例如，實施光子收發器500)放置於經設定至一初始溫度且允許實質上熱平衡之一受控溫度環境(諸如，例如，一烘箱)中(動作704)，使得溫度感測器及光子裝置全部達到所設定溫度(在可接受容限內)。若一外部雷射(例如，510)及光偵測器(例如，528)用於校準，則至PIC之電力被設定至零(動作706)。(否則，若使用一積體光偵測器，則PIC在低功率模式中操作。)  例如，藉由將來自外部雷射之光耦合至與感測器相關聯之光學波導中，及用外部(或積體)光偵測器來量測光之經反射或經傳輸部分來詢問光學溫度感測器(動作708)。在某些實施例中，在(例如)包含光學溫度感測器之一或多個FSR之一波長範圍內步進外部雷射的波長，且記錄經量測光譜回應之空值(例如，用於實施溫度感測器之一AMZI或全通環)及/或峰值(例如，用於一布拉格反射器或增刪環)處的波長。
然後將受控溫度環境改變至一第二溫度(動作710)，允許PIC在第二溫度處熱平衡(動作704)，且在第二溫度處重複光學溫度感測器之詢問以量測光譜性質(動作708)。視情況，取決於熱特性之所期望準確性以及成本及時間考量，在一或多個額外溫度處量測光譜性質。然後使用兩個或多於兩個溫度處之光譜性質之經判定值來判定一連續溫度範圍內之光譜性質的溫度相依性，此可涉及在執行量測之溫度之間進行內插及/或在該等溫度之外進行外插(動作712)。舉例而言，基於兩個各別溫度
Figure 02_image015
及
Figure 02_image017
處之反射峰值波長
Figure 02_image019
及
Figure 02_image021
之量測，可將溫度相依波長移位計算為
Figure 02_image023
。將經判定溫度相依性儲存於記憶體(例如，與PIC相關聯之一EIC之一記憶體或一外部記憶體)中以供稍後使用。
在溫度感測器之校準後，旋即可結合校準資料使用感測器來量測毗鄰光子裝置之溫度，在階段714中作為表徵PIC之任務模式熱效能的部分。現在PIC在任務模式中操作，亦即，當在任務模式(其通常係一高功率模式)中時通電，且其中(例如)來自一內部PIC雷射(諸如一收發器雷射)之一任務模式光學信號係經由一相關聯第一波導耦合至光子裝置中(動作716)。同時，溫度感測器係由其相關聯波導(其與待監測之光子裝置之波導分離)詢問，其中一詢問信號係(例如)藉由一外部雷射耦合至PIC中(動作718)。使用光學溫度感測器之光譜性質之所儲存的經校準溫度相依性，接著可將經量測光譜性質轉換為溫度感測器及(引申開來由於其接近度)光子裝置之一溫度(動作720)。舉例而言，可根據：
Figure 02_image025
將一經量測反射峰值波長轉換成溫度感測器及光子裝置之溫度。
以下若干實例進一步界定各種說明性實施例。
1.一種光子積體電路(PIC)，其包括：一第一光學波導，其位於一基板之一裝置層中；一主動光子裝置，其耦合至該第一光學波導，該主動光子裝置包括：一個二極體接面；及一第二光學波導，其位於該基板之該裝置層中，該第二光學波導包括該二極體接面之感測接近度中之一光學溫度感測器。
2.如實例1之光子積體電路，其中該光學溫度感測器包括一布拉格光柵、一環共振器或一非對稱馬赫岑得干涉儀中之至少一者。
3.如實例1或實例2之光子積體電路，其中該主動光子裝置包括：一化合物半導體二極體結構，其安置於該第一光學波導之上且包括該二極體接面；及電連接，其用於跨越該二極體結構施加一電壓。
4.如實例1至3中任一項之光子積體電路，其中該主動光子裝置係一雷射、一光學調變器、一波長參考濾光器或一光學多工器/解多工器中之一者。
5.如實例1至4中任一項之光子積體電路，其中該主動光子裝置包括一對稱或非對稱馬赫岑得干涉儀、一陣列波導光柵或一電致吸收調變器中之至少一者。
6.一種用於量測一光子積體電路(PIC)中之一光子裝置之一溫度之方法，該方法包括：經由一第一光學波導將光耦合至該光子裝置中；經由一第二光學波導光學地詢問放置於該光子裝置之感測接近度中之一光學溫度感測器以判定該光學溫度感測器之一光譜性質；及基於該光譜性質之一經校準溫度相依性在計算上將該經判定光譜性質轉換為該經量測溫度。
7.如實例6之方法，其中光學地詢問該光學溫度感測器包括：使用該PIC外部之一雷射來將光耦合至該第二光學波導中；及使用一外部光偵測器來量測該光學溫度感測器中反射之光或由該光學溫度感測器傳輸之光中之至少一者。
8.如實例7之方法，其中光學地詢問該光學溫度感測器包括：調諧一波長範圍內之該外部雷射之一波長及量測該波長範圍內之該經反射或經傳輸光。
9.如實例6至8中任一項之方法，其進一步包括藉由以下各項操作來校準該光譜性質之該溫度相依性：將該PIC放置至一第一溫度處之一受控溫度環境中；在該第一溫度處之實質上熱平衡之後，經由該第二光學波導光學地詢問該光學溫度感測器以判定該光譜性質之一第一值；將該PIC放置至一第二溫度處之一受控溫度環境中；在該第二溫度處之實質上熱平衡之後，經由該第二光學波導光學地詢問該光學溫度感測器以判定該光譜性質之一第二值；及至少部分地基於該第一值及該第二值以及該第一溫度及該第二溫度判定該光譜性質之該溫度相依性。
10.如實例9之方法，其中判定該光譜性質之該溫度相依性包括：將該光譜性質在該第一溫度與該第二溫度之間進行內插或將該光譜性質在該第一溫度或該第二溫度之外進行外插中之至少一者。
11.如實例9或實例10之方法，其中校準該溫度相依性進一步包括：將該PIC放置至一第三溫度處之一受控溫度環境中；及在該第三溫度處之實質上熱平衡之後，經由該第二光學波導光學地詢問該光學溫度感測器以判定該光譜性質之一第三值，其中該溫度相依性係進一步基於該第三值及該第三溫度。
12.如實例9至11中任一項之方法，其中該光子裝置係包括一個二極體結構及用以跨越該二極體結構施加一電壓之電連接之一主動光子裝置，其中至該二極體結構之電力在該溫度相依性之校準期間係關閉的且接通以基於該經校準溫度相依性量測該光子裝置之該溫度。
13.一種用於量測一光子積體電路(PIC)中之一光子裝置之一溫度之方法，該方法包括：在一第一傳播方向上將一第一光學信號耦合至該光子裝置中；使用在與該第一傳播方向相反之一第二傳播方向上耦合至該光子裝置中之一第二光學信號，光學地詢問該光子裝置以判定該光子裝置之一光譜性質；及基於該光譜性質之一經校準溫度相依性在計算上將該經判定光譜性質轉換為該經量測溫度。
14.如實例13之方法，其中該第一光學信號由該PIC之一雷射產生且該第二光學信號由該PIC外部之一雷射產生。
15.如實例13或實例14之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括量測該第二光學信號之一經傳輸部分或該第二光學信號之一經反射部分之一光學功率。
16.如實例15之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括使用該光子裝置的在該第二傳播方向上之一輸出處之一光學分接器及監測器光二極體來量測該第二光學信號之該經傳輸部分之該光學功率。
17.如實例15之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括使用該光子裝置的在該第二傳播方向上之一輸出處之該PIC的一第二光子裝置來量測該第二光學信號之該經傳輸部分之該光學功率，該第二光子裝置可操作為一光偵測器以及具有一單獨任務模式功能。
18.如實例17之方法，其中該光子裝置係一多工器/解多工器且該第二光子裝置係一電致吸收調變器。
19.如實例15至18中任一項之方法，其中在一波長範圍內調諧該第二光學信號且在該波長範圍內量測該第二光學信號之該經反射或該經傳輸部分之該光學功率。
20.如實例19之方法，其中該光子裝置係一濾光器，且其中該波長範圍包括該濾光器之至少一自由光譜範圍。
21.如實例20之方法，其中該光譜性質包括該濾光器之一空值或峰值。
22.如實例13至21中任一項之方法，其進一步包括藉由以下各項操作來校準該光譜性質之該溫度相依性：將該PIC放置至一第一溫度處之一受控溫度環境中；在該第一溫度處之實質上熱平衡之後，使用在該第二傳播方向上耦合至該光子裝置中之一光學信號來光學地詢問該光子裝置以判定該光子裝置之該光譜性質之一第一值；將該PIC放置至一第二溫度處之一受控溫度環境中；在該第二溫度處之實質上熱平衡之後，使用在該第二傳播方向上耦合至該光子裝置中之一光學信號來光學地詢問該光子裝置以判定該光子裝置之該光譜性質之一第二值；及至少部分地基於該第一值及該第二值以及該第一溫度及該第二溫度判定該光譜性質之該溫度相依性。
23.如實例22之方法，其中該光子裝置係一濾光器，其中在包括該濾光器之至少一個自由光譜範圍之一波長範圍內詢問該光子裝置，且其中該第一溫度與該第二溫度之間與該光譜性質相關聯之一光譜移位小於該自由光譜範圍。
24.如實例22或實例23之方法，其中判定該光譜性質之該溫度相依性包括將該光譜性質在該第一溫度與該第二溫度之間進行內插或將該光譜性質在該第一或第二溫度之外進行外插。
25.如實例22至24中任一項之方法，其中校準該溫度相依性進一步包括：將該PIC放置至一第三溫度處之一受控溫度環境中；及在該第三溫度處之實質上熱平衡之後，使用在該第二傳播方向上耦合至該光子裝置中之一光學信號來光學地詢問該光子裝置以判定該光子裝置之該光譜性質之一第三值；且其中該溫度相依性係進一步基於該第三值及該第三溫度。
26.如實例22至25中任一項之方法，其進一步包括將該光譜性質之該溫度相依性儲存於與該PIC相關聯之記憶體中。
27.如實例22至26中任一項之方法，其中在校準期間在低功率模式中操作該PIC。
儘管已參考特定實例實施例闡述發明標的物，但將明瞭可在不背離發明標的物之較廣泛範疇之情況下對此等實施例做各種修改及改變。因此，應將說明書及圖式視為具有一說明性而非限制性意義。
100:實例光子收發器/光子收發器/收發器 102:積體濾光器/濾光器 104:傳輸器路徑 106:雷射/收發器雷射 108:光學調變器/調變器 110:光偵測器/接收器光偵測器 111:相關聯接收器路徑/接收器路徑 112:光學分接器 114:光學分接器 116:監測器光二極體/光二極體 117:監測器光二極體 118:監測器光二極體/光二極體 119:監測器光二極體 120:外部雷射 122:傳輸器輸出埠 200:實例光子收發器/收發器 202:雷射/收發器雷射 204:相關聯電致吸收調變器/電致吸收調變器 206:多工器/第一級多工器 208:第二級多工器/多工器 209:輸入埠/多工器輸入埠 210:分接器 212:相關聯監測器光二極體/監測器光二極體 400:方法 402:校準階段/階段 404:動作 406:動作 408:動作 410:動作 412:動作 414:階段 416:動作 418:動作 420:動作 500:實例光子收發器/收發器/光子收發器 502:經添加光學溫度感測器/光學溫度感測器/光學感測器/溫度感測器/感測器 504:經添加光學溫度感測器/光學溫度感測器/光學感測器/溫度感測器/感測器 506:雷射/收發器雷射 508:調變器/光學調變器 510:第一光學波導/第一波導/波導/外部雷射 512:第二 光學波導/波導/光學波導 514:第三光學波導/波導/光學波導 516:光偵測器 518:第四光學波導/波導 520:外部雷射 521:輸入/輸出埠 522:外部光偵測器/光偵測器 524:三埠式光學循環器/循環器 526:第一循環器埠 527:第二循環器埠 528:第三循環器埠/光偵測器 530:輸入/輸出埠 600:光學溫度感測器/溫度感測器 602:主動化合物半導體光子裝置/主動裝置/裝置/主動光子裝置 604:矽波導/第一矽波導 606:矽裝置層 608:絕緣體上矽基板 610:n型底部層 612:本質或主動層/主動層/主動區 614:p型頂部層 616:光學模式 617:光學模式 618:接觸金屬層/n型接觸金屬層 619:p型接觸金屬層 620:垂直導通體 622:垂直導通體 624:介電包覆層 630:第二矽波導 632:光學模式 700:方法 702:校準階段 704:動作 706:動作 708:動作 710:動作 712:動作 714:階段 716:動作 718:動作 720:動作
圖1係根據各種實施例之經組態以用一積體濾光器達成光學溫度量測之一實例光子收發器之一示意性方塊圖。
圖2係根據各種實施例之經組態以用一積體多工器達成光學溫度量測之一實例光子收發器之一示意性方塊圖。
圖3A至圖3C展示根據各種實施例圖2之收發器之多工器在低功率模式中操作之實例光譜回應的圖表，如分別在35℃、70℃及80℃之接收器殼體溫度處於兩個光譜範圍內所量測。
圖3D展示根據各種實施例圖2之收發器之多工器在高功率模式中操作之實例光譜回應的圖表，如在70℃之一接收器殼體溫度處所量測。
圖4係根據各種實施例校準及操作具有用於光學溫度量測之單獨任務模式功能之一光子裝置之一方法的一流程圖。
圖5係根據各種實施例之裝備有靠近雷射及調變器之經添加光學溫度感測器之一實例光子收發器的一示意性方塊圖。
圖6A及圖6B分別係根據各種實施例毗鄰一PIC之一化合物半導體雷射放置之一基於布拉格光柵之光學溫度感測器的俯視圖及剖面側視圖。
圖7係根據各種實施例校準及使用不具有用於一光子裝置之溫度量測之任務模式功能之一專用光學溫度感測器之一方法的一流程圖。
602:主動化合物半導體光子裝置/主動裝置/裝置/主動光子裝置
604:矽波導/第一矽波導
606:矽裝置層
608:絕緣體上矽基板
610:n型底部層
612:本質或主動層/主動層/主動區
614:p型頂部層
616:光學模式
617:光學模式
618:接觸金屬層/n型接觸金屬層
619:p型接觸金屬層
620:垂直導通體
622:垂直導通體
624:介電包覆層
630:第二矽波導
632:光學模式

Claims (20)

  1. 一種光子積體電路(PIC)，其包括： 一第一光學波導，其位於一基板之一裝置層中； 一主動光子裝置，其經耦合至該第一光學波導，該主動光子裝置包括一個二極體接面；及 一第二光學波導，其位於該基板之該裝置層中，該第二光學波導包括在該二極體接面之感測接近度中之一光學溫度感測器。
  2. 如請求項1之光子積體電路，其中該光學溫度感測器包括一布拉格光柵、一環共振器或一非對稱馬赫岑得干涉儀中之至少一者。
  3. 如請求項1之光子積體電路，其中該主動光子裝置係一雷射、一光學調變器、一波長參考濾光器或一光學多工器/解多工器中之一者。
  4. 如請求項1之光子積體電路，其中該主動光子裝置包括一對稱或非對稱馬赫岑得干涉儀、一陣列波導光柵或一電致吸收調變器中之至少一者。
  5. 一種用於量測一光子積體電路(PIC)中之一光子裝置之一溫度之方法，該方法包括： 經由一第一光學波導，將光耦合至該光子裝置中； 經由一第二光學波導，光學地詢問經放置於在該光子裝置之感測接近度中之一光學溫度感測器，以判定該光學溫度感測器之一光譜性質；及 基於該光譜性質之一經校準溫度相依性，在計算上將該經判定光譜性質轉換為該經量測溫度。
  6. 如請求項5之方法，其中光學地詢問該光學溫度感測器包括：使用該PIC外部之一雷射來將光耦合至該第二光學波導中；及使用一外部光偵測器來量測該光學溫度感測器中反射之光或由該光學溫度感測器傳輸之光中之至少一者。
  7. 如請求項6之方法，其中光學地詢問該光學溫度感測器包括在一波長範圍內調諧該外部雷射之一波長及量測該波長範圍內之該經反射或經傳輸光。
  8. 如請求項7之方法，進一步包括藉由以下各項操作來校準該光譜性質之該溫度相依性： 將該PIC放置至一第一溫度處之一受控溫度環境中； 在該第一溫度處之實質上熱平衡之後，經由該第二光學波導光學地詢問該光學溫度感測器以判定該光譜性質之一第一值； 將該PIC放置至一第二溫度處之一受控溫度環境中； 在該第二溫度處之實質上熱平衡之後，經由該第二光學波導光學地詢問該光學溫度感測器以判定該光譜性質之一第二值；及 至少部分地基於該第一值及該第二值以及該第一溫度及該第二溫度來判定該光譜性質之該溫度相依性。
  9. 如請求項6之方法，其中該光子裝置係包括一個二極體結構及用以跨越該二極體結構施加一電壓之電連接之一主動光子裝置，其中至該二極體結構之電力在該溫度相依性之校準期間係關閉的，且經接通以基於該經校準溫度相依性來量測該光子裝置之該溫度。
  10. 一種用於量測一光子積體電路(PIC)中之一光子裝置之一溫度之方法，該方法包括： 在一第一傳播方向上，將一第一光學信號耦合至該光子裝置中； 使用在與該第一傳播方向相反之一第二傳播方向上經耦合至該光子裝置中之一第二光學信號，光學地詢問該光子裝置以判定該光子裝置之一光譜性質；及 基於該光譜性質之一經校準溫度相依性，在計算上將該經判定光譜性質轉換為該經量測溫度。
  11. 如請求項10之方法，其中該第一光學信號係由該PIC之一雷射產生，且該第二光學信號係由該PIC外部之一雷射產生。
  12. 如請求項10之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括量測該第二光學信號之一經傳輸部分或該第二光學信號之一經反射部分之一光學功率。
  13. 如請求項12之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括使用該光子裝置之在該第二傳播方向上之一輸出處之一光學分接器及監測器光二極體來量測該第二光學信號之該經傳輸部分的該光學功率。
  14. 如請求項12之方法，其中光學地詢問該光子裝置包括使用該光子裝置之在該第二傳播方向上之一輸出處之該PIC之一第二光子裝置來量測該第二光學信號之該經傳輸部分的該光學功率，該第二光子裝置可操作為一光偵測器且具有一單獨任務模式功能。
  15. 如請求項12之方法，其中在一波長範圍內調諧該第二光學信號，且在該波長範圍內量測該第二光學信號之該經反射或經傳輸部分之該光學功率。
  16. 如請求項15之方法，其中該光子裝置係一濾光器，且其中該波長範圍包括該濾光器之至少一自由光譜範圍。
  17. 如請求項10之方法，進一步包括藉由以下各項操作來校準該光譜性質之該溫度相依性： 將該PIC放置至一第一溫度處之一受控溫度環境中； 在該第一溫度處之實質上熱平衡之後，使用在該第二傳播方向上經耦合至該光子裝置中之一光學信號來光學地詢問該光子裝置，以判定該光子裝置之該光譜性質之一第一值； 將該PIC放置至一第二溫度處之一受控溫度環境中； 在該第二溫度處之實質上熱平衡之後，使用在該第二傳播方向上經耦合至該光子裝置中之一光學信號來光學地詢問該光子裝置，以判定該光子裝置之該光譜性質之一第二值；及 至少部分地基於該第一值及該第二值以及該第一溫度及該第二溫度來判定該光譜性質之該溫度相依性。
  18. 如請求項17之方法，其中該光子裝置係一濾光器，其中在包括該濾光器之至少一個自由光譜範圍之一波長範圍內詢問該光子裝置，且其中在該第一溫度與該第二溫度之間之與該光譜性質相關聯的一光譜移位係小於該自由光譜範圍。
  19. 如請求項17之方法，進一步包括將該光譜性質之該溫度相依性儲存於與該PIC相關聯之記憶體中。
  20. 如請求項17之方法，其中在校準期間於低功率模式中操作該PIC。
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