具有用于线性化和温度补偿的集成控制回路的电吸收调制器

摘要

本发明公开了一种电吸收调制器(EAM)，其包括用于模拟光学数据中心互连应用的用于非常高速线性化和温度补偿的集成高速电光控制回路。控制回路可以以稳定的方式工作，因为电子器件和光学部件以小尺寸形式单片集成在单个衬底上。由于通过单片集成实现了小尺寸，因此光学模块和电子器件模块的温度紧密耦合，并且即使对于非常高的频率操作，控制回路时间延迟和相位延迟也足够小以稳定。这种布置可以使用先进的调制方案，诸如PAM‑4和DP‑QPSK，使得为数据中心光学互连提供应用低成本、低功率的模拟发送器实施方式。

说明书

技术领域

本发明涉及电吸收调制器，特别涉及用于高速光学数据中心应用的电吸收调制器的线性化和温度补偿。

背景技术

电吸收调制器(EAM)通常用于光纤领域。EAM用作连续波激光器输出的光的外部调制器。例如，EAM可以与廉价的慢速激光器一起用于高性能应用，即以不受该激光器的特性而是受该EAM的特性所限制的数据速率进行传输。

在迄今为止的EAM的大多数应用中，调制器和驱动调制器的电子器件是安装在基板上并通过匹配阻抗带状线电路互连的独立芯片。在通常使用EAM的速度下，需要匹配阻抗驱动电路，除非互连长度远小于波长。常用的封装方法不能满足该要求，因此需要匹配阻抗互连。然而，使用匹配阻抗带状线会导致明显的功率损耗，即由于匹配的阻抗而导致驱动电压损失一半。对于典型的EAM，驱动电压为2伏的量级，而阻抗为50欧姆，并且由于低阻抗，驱动功率非常高。为了减少功率损耗并提高性能，需要替代解决方案，以消除对匹配阻抗带状线的需求。

另一个问题是EAM是非线性的、与温度有关且与波长有关。这样，它们通常用于光的调制是简单的开-关调制的应用中。用于高性能应用(诸如光学数据中心互连)的模拟调制方案使用其他类型的调制器，诸如Mach-Zehnder(MZ)调制器。MZ调制器通常更大、成本更高，并且需要数字信号处理器(DSP)或其他方法来补偿其正弦调制功能。

需要具有改善的线性化和温度补偿、特别是用于诸如高速光学数据中心互连的应用的电吸收调制器。

发明内容

本发明寻求消除或减轻包括电吸收调制器的已知器件和系统的上述缺点中的一个或多个，或者至少提供替代方案。

本发明的各方面提供了包括具有单片集成驱动器的电吸收调制器和包括用于线性化和温度补偿的快速反馈控制回路电路的控制电子器件的电光子集成电路。用于线性化和温度补偿的快速反馈控制回路电路包括：第一传感器，用于检测电吸收调制器的温度并产生用于电吸收调制器的温度补偿的第一反馈信号；第二传感器，用于检测指示电吸收调制器的光输出的信号电平，并产生用于电吸收调制器的光输出的线性化的第二反馈信号。

一方面，电光子集成电路包括：

衬底；

电吸收调制器(EAM)以及驱动器和控制电路，单片集成在衬底上；EAM具有用于接收连续波光输入的光输入、用于输出调制光输出的光输出以及用于施加偏置电压以使EAM工作的第一电端子和第二电端子；

电控制端子，用于接收输入模拟调制信号，所述模拟调制信号通过所述控制电路馈送到EAM的驱动器电路的驱动晶体管；所述控制电路包括：

用于检测EAM的温度并产生取决于EAM的温度的第一反馈信号的温度传感器以及用于将第一反馈信号和输入模拟调制信号进行组合以提供温度补偿调制信号的第一控制回路元件；和

用于检测EAM的输出电平并产生取决于EAM的输出电平的第二反馈信号的输出监测器以及用于将第二反馈信号和温度补偿调制信号进行组合以提供线性调制信号的第二控制回路元件。

在示例性实施例中，用于检测EAM的温度的温度传感器包括紧邻电吸收调制器放置的电温度传感器，并且用于组合的第一控制回路元件包括用于将第一反馈信号(例如与温度有关的的偏移偏置)添加到输入模拟调制信号以提供温度补偿调制信号的耦合器。

在一个实施例中，输出监测器包括用于检测电吸收调制器的光电流并产生第二反馈信号的电部件。在另一个实施例中，输出监测器包括电光部件，所述电光部件包括用于对电吸收调制器的光输出进行采样的光抽头、光电检测器和用于产生第二反馈信号的跨阻抗放大器。例如，用于将第二反馈信号和温度补偿调制信号进行组合的第二控制回路元件包括差分放大器。温度补偿调制信号输入至差分放大器的非反相输入，第二反馈信号输入到差分放大器的反相输入，以从两个信号之间的差产生误差电压。

对于诸如高速光学数据中心互连的应用，例如25G或56G及更高，至关重要的是用于线性化和温度补偿的控制回路电路提供足够快的反馈和稳定的操作。使用分立部件的控制回路的操作对于高速操作而言并不实用。较小的裸片尺寸(其中光学部件和电部件被单片集成以及优化芯片布局以将光学部件和电部件紧邻放置)将部件之间的导电互连迹线的长度减小到微米或数十微米，从而减少时序延迟和相位延迟。

对于小尺寸、低成本和相对短距离的应用(诸如400G数据中心互连)，当将控制和驱动电子器件以及电吸收调制器集成到足够小的区域中时，可以消除匹配阻抗带状线驱动电路和相关的功率损耗。根据本文公开的实施例的光调制器与相关的驱动器和控制电子器件的单片集成将部件紧邻放置，并减少了导电互连迹线的长度，例如从毫米到微米。大约减少了1000：1的迹线长度缩短了电信号必须传播的距离，极大减少了部件块之间的相位和时间延迟，因此即使在非常高的速度下，也可以使用所有电部件或电光部件实现快速反馈控制电路。反馈方法可以使得调制器的整体传递函数线性化，并密切监测调制器的温度，并施加适当的与温度有关的偏置电压，以保持调制器的工作范围正确居中。

在示例实施例中，电吸收调制器以及单片集成驱动器和控制电路是使用III-V半导体材料(例如，使用基于InP的材料系统，该系统包括In、P、Ga、As和Al的选定的二元，三元和四元化合物)实现的。

在示例实施例中，为了与包括在1577nm范围内工作的cw半导体激光器的光源一起操作，EAM包括基于InP的光学部件和用于驱动器和控制电子器件的快速电子电路的InPHBT晶体管。例如，对于EAM与驱动器和控制电子器件的单片集成，电光子集成电路包括：外延层结构，在衬底上生长；外延层结构包括形成在衬底的第一和第二区域上的第一多个半导体层和形成在衬底的第二区域上的第二多个半导体层；在第一区域中，第一多个半导体层(HBT外延层)被构造为限定包括驱动器和控制电路的异质结双极晶体管(HBT)的电子电路；在第二区域中，第二多个半导体层(EAM波导外延层)被构造为限定包括EAM的EAM波导(EAM波导外延层)的至少一个光波导；和互连金属化物，在EAM与驱动器和控制电路之间提供电互连，以操作EAM。

为了减少寄生，并减少时序延迟和相位延迟，驱动器和控制电路形成在衬底的第一区域上、与衬底的包括EAM的第二区域相邻，芯片布局被布置为使得互连优化并以例如将EAM以及驱动器和控制电路的部件紧邻放置，其中，在所述部件之间的导电互连迹线的长度在微米到数十微米的范围内。

可以选择外延层结构以与单外延生长工艺兼容，或者可以使用多外延生长工艺。

例如，第一多个半导体层(HBT层)通过间隔件与第二多个半导体层(EAM波导层)分离。间隔件层可以包括多层，该多层包括至少一个蚀刻停止部，用于从衬底的第一区域选择性地去除第二多个半导体层(即，包括EAM波导外延层)，以用于处理第一多个半导体层(即HBT外延层)来限定包括驱动器和控制电路的HBT的电子电路。

EAM以及驱动器和控制电路可以与半导体激光器单片集成以形成电吸收调制激光器(EML)；或者EAM以及驱动器和控制电路可以与混合半导体激光器集成在一起以形成EML组件。驱动器和控制电路可以包括用于互连至激光器控制电路的输入/输出，以形成闭合的反馈控制回路。

在另一方面，一种电光子集成电路包括：

电吸收调制器(EAM)以及驱动器和控制电路，单片集成在衬底上，其中：

在衬底上设置外延层结构；

外延层结构包括形成在衬底的第一和第二区域上的第一多个半导体层和形成在衬底的第二区域上的第二多个半导体层；

在第一区域中，第一多个半导体层被构造为限定包括驱动器和控制电路的异质结双极晶体管(HBT)的电子电路；

在第二区域中，第二多个半导体层被构造为限定包括EAM的EAM波导的至少一个光波导；和互连金属化物，在EAM与驱动器和控制电路之间提供电互连，以操作EAM；

其中：

EAM具有用于施加偏置电压以操作EAM的第一电端子和第二电端子以及用于接收输入模拟调制信号的电控制端子，该输入模拟调制信号通过控制电路馈送到EAM的驱动器电路的驱动晶体管；

和所述控制电路包括：

用于检测EAM的温度并产生取决于EAM的温度的第一反馈信号的温度传感器以及被配置为将第一反馈信号和输入模拟调制信号进行组合以提供温度补偿调制信号的第一控制回路元件；和

用于检测EAM的输出电平并产生取决于EAM的输出电平的第二反馈信号的输出监测器以及被配置为将第二反馈信号和温度补偿调制信号进行组合以提供线性调制信号的第二控制回路元件。

输出监测器包括以下之一：用于检测电吸收调制器的光电流并产生第二反馈信号的电部件；电光部件，包括用于对电吸收调制器的光输出进行采样的光抽头、光电检测器和用于产生第二反馈信号的跨阻抗放大器。互连金属化物包括直接将EAM与驱动器和控制电路互连的导电迹线以及EAM，所述迹线的长度在微米至数十微米的范围内，以减少时序延迟和相位延迟。

本发明的另一方面提供了一种制造包括EAM和单片集成驱动器和控制电路的电光子集成电路的方法，该方法包括：提供衬底；以及在衬底的第一和第二区域上生长覆盖外延层结构，第一区域被指定用于包括驱动器和控制电路的电子电路，第二区域被指定用于包括EAM的光学部件，并且覆盖外延层结构包括：第一多个半导体层，用于制造电子电路；以及至少一个间隔件层，包括选择性蚀刻停止部；第二多个半导体层，用于制造包括EAM波导的至少一个光波导；保护第二区域并选择性地从第一区域去除第二多个半导体层；处理第一多个半导体层，以在第一区域中限定包括驱动器和控制电路的电子电路；保护包括电子电路的第一区域；处理第二多个半导体层包括：使得EAM波导的层图案化，以提供具有光输入和光输出的EAM；提供电互连，包括在EAM与驱动器和控制电路之间的互连迹线，以操作EAM。

示例实施例、其他实施例及其变型的器件结构和方法可以包括在具体实施方式和附图中公开的特征的任何可行组合。

通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的前述和其他目的、特征、方面和优点将变得更加显而易见，所述详细描述仅是示例。

附图说明

图1示出了第一实施例的电光子电路的示意图，其包括具有用于线性化和温度补偿的单片集成驱动器和控制电路的电吸收调制器(EAM)；

图2示出了第二实施例的电光子电路的示意图，其包括具有用于线性化和温度补偿的单片集成驱动器和控制电路的EAM；

图3A示出了第三实施例的电光子电路的示意性平面图，其包括具有单片集成EAM驱动器和控制电路的EAM；

图3B示出了包括用于制造第三实施例的EAM以及单片集成EAM驱动器和控制电路的多个半导体层的外延层结构的示意性截面图；

图3C示出了通过图3A的平面C-C的示意性截面图；

图4示出了电吸收调制激光器(EML)的示意性平面图，其中EAM包括第四实施例的集成EAM驱动器和控制电路；和

图5示出了电吸收调制激光器(EML)的示意性平面图，其中EAM包括第五实施例的集成EAM驱动器和控制电路。

具体实施方式

在图1中示出了电光子集成电路100，其包括根据第一实施例的电吸收调制器120和单片集成的快速反馈控制回路电路。电光子集成电路100的元件被单片地制造在衬底的器件区域102上，并且包括电吸收调制器120以及集成驱动器和控制电路元件。电吸收调制器120具有用于接收连续波(CW)光输入的光输入122和用于输出调制光输出的光输出124。例如，CW光输入可以由分立的或集成的激光二极管(未示出)提供，该分立的或集成的激光二极管经由光波导和/或光斑尺寸转换器(SSC)联接至电吸收调制器。光输出124还可包括用于联接到其他光学部件的SSC。提供电光调制器的电端子126和128，以施加反向DC偏置以使电吸收调制器120工作。输入调制信号(即模拟电信号)被提供在控制输入132处，并被馈送通过控制电路的元件到达电吸收调制器120的驱动器电路的驱动晶体管138的控制端子，以调制光输出信号。集成驱动器和控制电路形成快速反馈控制回路，其包括：第一感测装置，具有用于温度补偿的第一控制回路元件；第二感测装置，具有用于电吸收调制器的线性化的第二控制回路元件。

第一感测装置操作以检测电吸收调制器的温度并产生取决于电吸收调制器的温度的第一反馈信号，并且第一控制回路元件操作以将第一反馈信号和输入模拟调制信号进行组合以提供温度补偿调制信号。第一感测装置包括：电传感器140，用于检测电吸收调制器的温度并产生与温度有关的偏置电压。与温度有关的偏置电压被馈送到控制电路元件136，在那里，它与输入调制信号相组合以产生温度补偿调制信号。温度传感器产生DC偏置电压，该偏置电压取决于调制器的温度并用于调节模拟输入信号以补偿温度变化。

优选地，电温度传感器被放置成紧邻电吸收调制器，并且用于组合的第一控制回路元件包括：耦合器136，用于将第一反馈信号(例如与温度有关的偏置电压)添加到输入模拟调制信号以提供温度补偿调制信号。

第二感测装置包括：电路150(用于检测电吸收调制器的输出电平)，例如电光电流感测元件，用于检测电吸收调制器的吸收光电流并根据电吸收调制器的输出电平产生第二反馈信号。第二控制回路元件包括：差分放大器134，用于将第二反馈信号和温度补偿调制信号进行组合以提供线性调制信号。即，将温度补偿调制信号输入到差分放大器的非反相输入，并且将第二反馈信号输入到差分放大器的反相输入，以从两个信号之间的差产生误差电压。因此，快速反馈控制电路测量输出光信号并将其与驱动该模块的电输入信号进行比较。误差电压由两个信号之间的差产生，并被馈送到驱动器。

图2示出了电光集成电路200，其包括根据第二实施例的电光调制器220，该电光调制器具有包括用于线性化和温度补偿的快速反馈电路的单片集成驱动器和控制电子器件。电路200的许多元件与第一实施例的电路100的元件相似，并且用相同附图标记增加100来标记。温度传感器240提供温度补偿，如图1所示的电路100所述。图2所示的快速反馈电路与图1的区别在于，它包括用于测量输出光信号电平的电光电路。即，快速反馈电路包括光抽头252、输出感测光电二极管254和输出感测跨阻抗放大器(TIA)256，以测量输出光信号并将第二反馈信号提供给差分放大器234。如在第一实施例的电吸收调制器中，将温度补偿调制信号输入至差动放大器的非反相输入，将第二反馈信号输入至差动放大器的反相输入，以从两个信号之间的差产生误差电压，该误差电压被馈送到驱动器。

上述两个实施例在完成输出光的反馈测量的方式上不同。图1所示的第一实施例使用吸收的光电流来测量电吸收调制器的输出电平。图2所示的第二实施例抽取少量的输出光信号，并使用高速光电检测器和TIA对其进行检测。在每种情况下，反馈电路都会测量输出光信号，并将其与驱动该模块的电输入信号进行比较。误差电压由两个信号之间的差产生，并被馈送到驱动器。在两种实施方式中，温度传感器都放置为紧邻调制器。以这种方式，产生DC偏置电压，其根据调制器的温度来设置偏置电压。

对于小尺寸、低成本和相对短距离的应用(诸如400G数据中心互连)，当将驱动电子器件和EAM集成到足够小的器件区域中时，可以消除匹配阻抗带状线驱动电路和相关的功率损耗。光调制器与相关的驱动器和控制电子器件的单片集成将部件紧邻放置，并显著减少了导电互连迹线的长度，例如从毫米到微米。电信号必须传播的距离大约减少了1000：1，极大减少了模块之间的相位和时间延迟，因此即使在非常高的速度下，也可以实现电子或电光形式的快速反馈电路。反馈方法可以使得调制器的整体传递函数线性化，并密切监测调制器的温度，并施加适当的与温度有关的偏置电压，以保持调制器的工作范围正确居中。

例如，为了说明在实践中如何可以将EAM及其驱动器和控制电路单片集成在一起，即，将光学和电子部件紧邻放置以减小互连长度，图3A示出了具有包括第三实施例的控制电路的单片集成EAM驱动器的EAM的示意性平面图。包括EAM驱动器和控制电路的电子电路被制造在衬底的第一区域(区域1)上。EAM被制造在衬底的第二区域(区域2)上。如示意性说明的，为了监测EAM的光输出，EAM驱动器和控制电路包括以下至少之一：a)用于间接监测EAM的光输出的光电流感测；以及b)用于直接监测EAM的光输出的光抽头和光电二极管，或c)用于直接和间接监测EAM输出的光学和电子部件的组合。

在图3A、图3B和图3C所示的实施例中，使用基于InP的材料系统和在半绝缘(SI)InP衬底上的单外延生长来制造EAM驱动器和控制电路，以形成如图3B中示意性示出的外延层堆叠体。提供外延层堆叠体的第一多个半导体层以用于制造包括InP异质结双极晶体管(InP HBT)(被标记为“InP HBT外延层”)的电子电路。外延层堆叠体的第二多个半导体层包括被构造为提供用于EAM的波导的层，其被标记为“EAM波导层”。第一多个和第二多个半导体层由包括一个或多个层的隔离件隔开，该隔离件包括蚀刻停止部。处理衬底的第一区域以去除EAM波导外延层以暴露InP HBT外延层，从而制造用于包括高速InP HBT的EAM驱动器和控制电路的电子电路。处理包括EAM波导外延层的第二区域以形成EAM和任何相关的光学部件，例如如果需要，形成任何光学监测部件(诸如光抽头和光电二极管检测器)，并且如果需要，形成例如无源输出波导和光斑尺寸转换器。在上面引用的相关美国专利申请62/936,629中更详细地描述了示例制造过程。用于高速电子器件的HBT外延层堆叠在SI衬底上生长。如果高速电子器件生长在光学部件的顶部，则形成光波导(例如EAM波导)的层的导电率会降低HBT晶体管的运行速度。因此，在用于电子器件的HBT外延层上方生长用于光波导的第二外延层堆叠体，并且包括蚀刻停止部的隔离件或缝合层将用于光波导的HBT外延层堆叠体和上覆的外延层堆叠体分开。

图3C示出了通过图3A的平面C-C的示意性截面图。图3C示意性地示出了如何构造多个半导体层以用于制造该实施例的EAM和单片集成EAM驱动器，其中，EAM驱动器和控制电路横向于EAM波导的侧面并且紧邻EAM波导放置，以减少EAM及其驱动器和控制电路之间的电互连长度。区域1和2的光学和电部件及其电互连的器件布局(即，器件和互连拓扑)被布置为使用短长度的互连(例如，在微米到几十微米的范围内)来优化用于高速切换的电互连，以减少时序延迟和相位延迟。EAM及其驱动器和控制电子器件的单片集成消除了混合部件的集成带来的混合集成寄生，并且无需进行引线接合的阻抗匹配。

图4示出了电吸收调制激光器(EML)的示意性平面图，该电吸收调制激光器包括第四实施例的EAM以及单片集成EAM驱动器和控制电路。在该实施例中，包括集成EAM及其驱动器和控制电路的EAM芯片包括：光电流感测，用于例如使用如图1中示意性示出的驱动器和控制电路监测EAM输出。激光器(例如具有表面蚀刻光栅的DFB半导体激光器)以CW模式运行，并且可以包括分立或集成的激光器控制电路。激光器可以包括用于功率监测的光电检测器，例如用于背面功率监测的光电二极管(如示意图所示)。替代地，它可以包括某种正面光抽头和用于正面功率监测的光电检测器。在该示例实施例中，EAM驱动器和控制电路还提供了EAM驱动器和控制电路与激光器控制电路之间的连接(标记为激光器-EAM控制回路)。此连接可实现激光器和EAM之间的闭环反馈，以提高性能，例如调整由于老化或温度波动引起的激光输出变化等。CW激光源和EAM及其快速驱动器和控制电路之间的这种类型的闭环反馈提供线性化和温度控制，有助于改善先进调制技术的性能，并且可能特别有利于单片集成电吸收调制激光器(EML)，如上面引用的US 62/936,629中更详细所述的。

图5示出了第五实施例的包括EAM以及单片集成EAM驱动器和控制电路的集成电吸收调制激光器(EML)的示意性平面图，其中，EAM及其驱动器和控制电路包括光抽头和用于EAM的正面光输出功率监测器(例如使用如图2中示意性示出的驱动器和控制电路)。激光器可以包括背面或正面输出功率监测器。但是，这些可以省略，或通过EAM调制器的光输出的正面功率监测来补充。例如，如图5中示意性所示，EAM驱动器和控制电路与激光器控制电路的直接互连提供了闭合的反馈控制回路，即标记为激光器-EAM控制回路的链路。

如在图3A中示意性示出的示例实施例中所示，EAM及其驱动器和控制电路可以包括EAM输出监测器，该EAM输出监测器包括光电流传感器和某种形式的光输出监测器，诸如正面光抽头和光电二极管检测器，如示意性所示。任何合适形式的光抽头和光电二极管检测器可以用于监测EAM光输出，并且用于监测激光器的光输出。

本文描述的一些示例实施例的器件结构和制造方法涉及EAM及其驱动器和控制电路的单片集成，以实现高性能调制。在上述这些实施例的变体中，一个实施例的特征可以在可行时与一个或多个其他实施例的特征相组合。

尽管图4和图5示出了具有混合DFB激光器芯片和EAM芯片的示例性器件结构(其可以通过任何适当的已知技术对接)，设想在替代实施例中，激光器和EAM以及至少包括EAM驱动器和控制电路以及可选的激光器控制电路的电子器件可以使用垂直集成技术(例如US62/936,629所述)单片集成在一起。US 62/936,629提供了用于激光器和EAM的单片集成、特别是DFB激光器和EAM以及驱动器和控制电路以及可选地与其他有源和无源电子光子部件(例如输出波导和光斑尺寸转换器)的垂直集成的器件结构和制造工艺的更多细节。例如，DFB激光器、EAM以及EAM驱动器和控制电路可以单片集成，以形成电吸收调制激光器(EML)。

EAM、EAM驱动器和控制电路的单片集成将互连的大小减小到微米，并且这一事实与超高速InP晶体管相组合意味着可以实现使用反馈在有限的输入电信号和输入光信号范围内使得调制器的电光传递函数线性化的驱动电路。在此范围内工作时，可以对输入连续波(CW)光信号进行线性调制，从而允许使用高级调制方案，诸如QPSK(正交相移键控)、PAM-4(4级脉冲幅度调制)或甚至QAM(正交幅度调制)应用于光信号。对于有限范围的应用，诸如数据中心互连(其中由于分散引起的路径损耗和减损受到限制)，可以在有限的动态范围内有效地实现光信号的复杂模拟调制，同时在整个链路上提供良好的误码率性能。通过使用更简单的构建模块(诸如EAM及其相关的集成模拟电子器件，即包括驱动器和控制电路)来替换Mach-Zehnder调制器、带状线封装和DSP的更复杂组件实现发送器，从而可以显著降低链路的复杂性、成本和功耗。

如US 62/936,629中所讨论的，当部件被垂直集成时(例如使用外延层堆叠体，其包括通过单外延生长或多外延生长制造的用于HBT外延层的第一多个半导体层和用于EAM光波导的第二多个半导体层)，HBT外延层和光波导外延层可以被独立优化。通过提供适当的隔离件或分隔层(例如包含蚀刻停止部)，可以分别处理包括用于电子电路的HBT层的器件区域和包括用于光学部件的光波导层的器件区域。

尽管已经详细地描述和说明了本发明的实施例，但是应清楚地理解，本发明的实施例仅是说明和示例，而不是限制，本发明的范围仅由所附权利要求限定。