光学半导体器件.pdf

一种光学半导体器件，包括：第一波导，输入光被输入到第一波导中；环形调制器，被设置为与第一波导光耦合；第一环形谐振器，被设置为与第一波导光耦合，并具有比环形调制器的光程长度小的光程长度；第二环形谐振器，被设置为与第一波导光耦合，并具有比环形调制器的光程长度大的光程长度；加热器，被设置为与环形调制器、第一环形谐振器以及第二环形谐振器相邻；第一光检测器，被配置为监测第一环形谐振器中的光功率；第二光检测器，被配置为监测第二环形谐振器中的光功率；以及控制器，基于第一光检测器和第二光检测器所检测的信号控制加热器，以使环形调制器的谐振波长与输入光的波长一致，还包括：第三、第四环形谐振器和第三、第四光检测器。

1.  一种光学半导体器件，包括：
第一波导，输入光被输入到所述第一波导中；
环形调制器，被设置为与所述第一波导光耦合；
第一环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度小的光程长度；
第二环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度大的光程长度；
加热器，被设置为与所述环形调制器、所述第一环形谐振器以及所述第二环形谐振器相邻；
第一光检测器，被配置为监测所述第一环形谐振器中的光功率；
第二光检测器，被配置为监测所述第二环形谐振器中的光功率；以及
控制器，用于基于所述第一光检测器和所述第二光检测器所检测的信号控制所述加热器，以使所述环形调制器的谐振波长与所述输入光的波长一致，
所述光学半导体器件还包括：
第三环形谐振器，被设置为邻近于所述加热器以与所述第一波导光耦合，并具有比所述第一环形谐振器的光程长度大且比所述环形调制器的光程长度小的光程长度；
第四环形谐振器，被设置为邻近于所述加热器以与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度大且比所述第二环形谐振器的光程长度小的光程长度；
第三光检测器，被配置为监测所述第三环形谐振器中的光功率；以及
第四光检测器，被配置为监测所述第四环形谐振器中的光功率。

2.  根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中，
所述环形调制器的光程长度与所述第三环形谐振器的光程长度之间的差值等于所述环形调制器的光程长度与所述第四环形谐振器的光程长度之间的差值。

3.  根据权利要求1所述的光学半导体器件，其中，
所述第一波导与所述第三环形谐振器之间的间隔以及所述第一波导与所述第四环形谐振器之间的间隔小于所述第一波导与所述环形调制器之间的间隔，并大于所述第一波导与所述第一环形谐振器之间的间隔以及所述第一波导与所述第二环形谐振器之间的间隔。

4.  根据权利要求3所述的光学半导体器件，其中，
所述第三环形谐振器和所述第四环形谐振器被设置为比所述环形调制器更邻近所述第一波导的输入端侧。

光学半导体器件
本申请是申请号为201210272727.6、发明名称为“光学半导体器件”、申请日为2012年08月02日的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本文所讨论的实施例涉及光学半导体器件。
背景技术
对于小型化、大容量和低功耗的光发射器和光接收器而言，在硅上实现光学器件至关重要。硅上光学器件可使用大的折射率差值的光波导，与其它材料上的光学器件相比，更有利于小型化，这便于与其它电子电路进行集成，从而许多个光发射器和光接收器可集成在一个芯片上。在光学器件中，尤其是调制器的特性会对光发射器和光接收器的功耗和尺寸产生影响。尤其是，自身为小尺寸并具有小的调制器电压和小的光插入损耗的环形调制器有利于小型化和低功耗。
相关的实例如下：美国专利公开No.2009/0169149A1，以及日本特许专利公开No.2008-268276。
然而，环形调制器具有使调制效率变高的同时缩窄波长带宽的问题。
发明内容
因此，实施例的一个方案的目的是提供一种可通过使用环形谐振器来高效率调制输入光的光学半导体器件。
根据实施例的一个方案，提供一种光学半导体器件，包括：第一波导，输入光被输入到所述第一波导中；环形调制器，被设置为与所述第一波导光耦合；第一环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度小的光程长度；第二环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度大的光程长度；加热器， 被设置为与所述环形调制器、所述第一环形谐振器以及所述第二环形谐振器相邻；第一光检测器，被配置为监测所述第一环形谐振器中的光功率；第二光检测器，被配置为监测所述第二环形谐振器中的光功率；以及控制器，用于基于所述第一光检测器和所述第二光检测器所检测的信号控制所述加热器，以使所述环形调制器的谐振波长与所述输入光的波长一致。
根据实施例的另一个方案，提供一种光学半导体器件，包括：第一波导，输入光被输入到第一波导中；环形调制器，被设置为与所述第一波导光耦合；第一环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度小的光程长度；第二环形谐振器，被设置为与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度大的光程长度；加热器，被设置为与所述环形调制器、所述第一环形谐振器以及所述第二环形谐振器相邻；第一光检测器，被配置为监测所述第一环形谐振器中的光功率；第二光检测器，被配置为监测所述第二环形谐振器中的光功率；以及控制器，用于基于所述第一光检测器和所述第二光检测器所检测的信号控制所述加热器，以使所述环形调制器的谐振波长与所述输入光的波长一致，所述光学半导体器件还包括：第三环形谐振器，被设置为邻近于所述加热器以与所述第一波导光耦合，并具有比所述第一环形谐振器的光程长度大且比所述环形调制器的光程长度小的光程长度；第四环形谐振器，被设置为邻近于所述加热器以与所述第一波导光耦合，并具有比所述环形调制器的光程长度大且比所述第二环形谐振器的光程长度小的光程长度；第三光检测器，被配置为监测所述第三环形谐振器中的光功率；以及第四光检测器，被配置为监测所述第四环形谐振器中的光功率。
附图说明
图1为示出了根据第一实施例的光学半导体器件的示意图；
图2、图3以及图4为示出了根据第一实施例的光学半导体的剖视图；
图5、图6、图10以及图11为示出了光学谐振器的调制光输出功率与输入光的波长之间的关系的图表；
图7、图8以及图20为示出了监测电流与输入光的波长之间的关系的图表；
图9和图13为示出了根据参考实施例的光学半导体器件的示意图；
图12为示出了监测光功率与输入光的波长之间的关系的图表；
图14为示出了可监测的波长宽度与输入光的波长之间的关系的图表；
图15为示出了根据第二实施例的光学半导体器件的示意图；
图16为示出了根据第三实施例的光学半导体器件的示意图；
图17为示出了根据第四实施例的光学半导体器件的示意图；
图18为示出了根据第五实施例的光学半导体器件的示意图；
图19为示出了根据第六实施例的光学半导体器件的示意图；
图21为示出了根据第七实施例的光学半导体器件的示意图；
图22和图23为示出了根据第七实施例的光学半导体的剖视图；
图24为示出了根据第八实施例的光学半导体器件的示意图；
图25为示出了根据第八实施例的光学半导体的剖视图；
图26为示出了根据第九实施例的光学半导体器件的示意图；以及
图27为示出了根据第十实施例的光学半导体器件的示意图。
具体实施方式
[第一实施例]
将参考图1至图14描述根据第一实施例的光学半导体器件。
图1为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。图2至图4为示出了根据本实施例的光学半导体的剖视图。图5、图6、图10以及图11为示出了光学谐振器的调制光输出功率与输入光的波长之间的关系的图表。图7和图8为示出了监测电流与输入光的波长之间的关系的图表。图9和图13为示出了根据参考实施例的光学半导体器件的示意图。图12为示出了监测光功率与输入光的波长之间的关系的图表。图14为示出了可监测的波长宽度与输入光的波长之间的关系的图表。
首先，将参考图1至图4描述根据本实施例的光学半导体器件的结构。图2为沿图1中A-A’线的剖视图。图3为沿图1中B-B’线的剖视图。图4为沿图1中C-C’线的剖视图。
如图1所示，根据本实施例的光学半导体器件包括线性波导(linear waveguide)10和设置在线性波导10附近以便光耦合至线性波导10的第一 光学谐振器12、第二光学谐振器14以及第三光学谐振器16。根据本实施例的光学半导体器件还包括：光检测器36a、36b，分别包括波导26、30；控制器38，基于光检测器36a、36b所检测的信号(监测电流)控制加热器22；以及驱动器电路40，输出调制信号。
在线性波导10的输入端32侧(作为输入光的CW(连续波)光将被输入到该侧)，第二光学谐振器14和第三光学谐振器16相互邻近设置。在线性波导10的输出端34侧，提供第一光学谐振器12。
第一光学谐振器12包括环形波导18和设置在环形波导18附近的加热器22。施加用于改变环形波导18的折射率的信号(调制信号)的电极20a、20b连接至环形波导18。即，第一光学谐振器12用作环形调制器。
第二光学谐振器14包括环形波导24和设置在环形波导24附近的加热器22。由环形波导形成的光学谐振器通常被称作环形谐振器。
第三光学谐振器16包括环形波导28和设置在环形波导28附近的加热器22。
设置在环形波导18、24、28附近的加热器22为单加热器(single heater)，可同时加热环形波导18、24、28。可分别在环形波导18、24、28附近分散地(discretely)提供加热器22。
环形波导18、24、28的直径被分别设定为d、d-Δd以及d+Δd。例如，当d＝10μm，Δd＝0.015μm时，环形波导18的直径为10μm，环形波导24的直径为9.985μm，环形波导28的直径为10.015μm。
将线性波导10与环形波导18之间的间隔设定为大于线性波导10与环形波导24、28之间的间隔。例如，线性波导10与环形波导18之间的间隔被设定为250nm。线性波导10与环形波导24之间的间隔以及线性波导10与环形波导28之间的间隔被设定为100nm。
光检测器36a经由光耦合至环形波导24的波导26连接至第二光学谐振器14。
如图1所示的光波导结构可由例如SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上的硅)衬底50的SOI层52形成。
如图2至图4所示例出的，线性波导10、环形波导18、24、28以及波导26、30可通过图案化SOI层52形成。二氧化硅(silicon oxide)层54形 成在SOI层52周围，并用作包围线性波导10、环形波导18、24、28以及波导26、30的包覆层(clad)。
在环形波导18的部分区域中，分别在外周侧和内周侧上沿着光的传输方向形成n型区56a和p型区56b。可相对设置n型区56a和p型区56b。
在二氧化硅层54上方，形成经由互连通路(via-interconnection)58a连接至环形波导18的n型区56a的电极20a以及经由互连通路58b连接至环形波导18的p型区56b的电极20b。电极20a连接至驱动器电路40。电极20b连接至接地线。电极20a、20b例如由铝形成。互连通路58a、58b例如由钨形成。
在二氧化硅层54上方，形成加热器22。例如，铂薄膜加热器可用作加热器22。
控制器38包括连接至光检测器36a、36b的电流相减电路60以及连接至电流相减电路60的PID(Proportional Integral Differential，比例积分微分)控制电路62。PID控制电路为一种反馈控制电路，基于三元素即输出值与目标值之间的偏差、积分以及微分来控制输入值。因而，基于光检测器36a和光检测器36b的输出信号，可通过PID控制电路62来控制加热器22。
驱动器电路40连接至电极20a，并可经由电极20a将调制信号输入到环形波导18中。
接下来，将描述根据本实施例的光学半导体器件的操作。
首先，在输入端32，将输入光(即波长为λ₁的CW光)输入到线性波导10中。在输出端34，从线性波导10输出的输出光的强度随着CW光的波长与环形波导18的谐振波长之间的关系而变。
当CW光的波长与环形波导18的谐振波长相互一致时，从线性波导10至环形波导18的传输率(transmittance)变得最大，并且从输出端34输出的CW光的强度(调制光输出功率)变得最小。从线性波导10至环形波导18的传输率随着CW光的波长偏离环形波导18的谐振波长而变小。结果，输入光波长与输出光强度之间的关系表示为如图5中实线所示的调制光输出功率曲线。
可通过在电极20a、20b之间施加电压来改变环形波导18中的折射率，进而改变环形波导18的谐振波长。例如，当电压V_on施加在电极20a、20b 之间时，环形波导18的谐振波长朝着较长波长侧偏移成为λ’,并且如图5中的虚线所示，调制光输出功率曲线则由于谐振波长的增加而偏移至较长波长侧。
这里，当作为输入光的CW光的波长λ₁为λ时，改变施加在电极20a、20b之间的电压，由此可改变输出光的强度。例如，没有电压施加在电极20a、20b之间(电压V_O)的情况下,可获得对应于图5中实线上·标记的输出功率。在电极20a、20b之间施加电压(电压V_on)的情况下,输出功率对应于图5中虚线上的·标记。
如上所述，根据本实施例的光学半导体器件输出经调制的输入光强度。为了使光学半导体器件的调制效率高，优选的是，在不施加电压的情况下，输出光的强度为最小，即，环形波导18的谐振波长与输入光的波长一致。
然而，CW光的波长与环形波导18的谐振波长由于制造波动、环境温度等原因而并不总是相互一致。当CW光的波长与环形波导18的谐振波长相互不一致时，如图6所示例出的，通常调制光输出功率不会具有足够的变化，即使施加电压给环形波导18也如此。
对于这样的情况，在根据本实施例的光学半导体器件中，通过使用第二光学谐振器14、第三光学谐振器16以及加热器22，该器件可被调节为使得CW光的波长与环形波导18的谐振波长相互一致。
输入到线性波导10中的CW光不仅被导引到环形波导18中，而且还被导引到环形波导24、28中。导引到环形波导24、28中的CW光被导引到波导26、30，以被光检测器36a、36b所检测。
由光检测器36a、36b检测的监测电流I1、I2具有如图7所示的波长特性。即，表示监测电流I1的波长特性的监测电流曲线S1在波长λ-Δλ处标示为最大值，而表示监测电流I2的波长特性的监测电流曲线S2在波长λ+Δλ处标示为最大值。因为环形波导18、24、28的直径被设定为d、d-Δd、d+Δd，所以监测电流曲线S1、S2分别在波长λ-Δλ、λ+Δλ处标示为最大值。
当环形波导18、24、28的有效折射率为n时，环形波导18、24、28的光程(光程长度)分别被表示为2πnd、2πn(d-Δd)以及2πn(d+Δd)。因为谐振波长对应于光程的整数分之一，所以当环形波导18的其中一个谐振 波长为λ时，环形波导24、28的谐振波长被分别表示为λ-Δλ和λ+Δλ，这是因为谐振波长对应于光程的整数分之一。例如，当环形波导18的直径为10μm，且环形波导18的谐振波长为1310nm时，环形波导24的谐振波长为1308nm，环形波导28的谐振波长为1312nm。
监测电流曲线S1和监测电流曲线S2在波长λ(其为环形波导18的谐振波长)处相交。这点可通过将第二光学谐振器14的直径设定为比第一光学谐振器12的直径小Δd、以及将第三光学谐振器16的直径设定为比第一光学谐振器12的直径大Δd来实现。用于实现这点的关联特性为：线性波导10与环形波导24之间的间隔等于线性波导10与环形波导28之间的间隔，以及环形波导24与波导26之间的间隔等于环形波导28与波导30之间的间隔。环形波导24与波导26之间的间隔以及环形波导28与波导30之间的间隔被设定为例如100nm。
由光检测器36a、36b所检测的监测电流I1、I2通过电流相减电路60被转换为电流I3，其中电流I3为从监测电流I1中减去监测电流I2所获得的电流。
PID控制电路62基于电流相减电路60所产生的电流I3来控制加热器22，使得电流I3变为零。即，PID控制电路62对加热器22进行反馈控制，使得监测电流I1和监测电流I2变为彼此相等。
当电流I3不为零时，即，当监测电流I1和监测电流I2不相等时，PID控制电路62判断输入光的波长λ₁和第一光学谐振器12的谐振波长λ相互不一致，并输出一驱动信号给加热器22。
例如，如图7所示，当输入光的波长λ₁的值临近谐振波长λ+Δλ时，监测电流I2变为大于监测电流I1，并且电流I3不会变为零。此时，PID控制电路62将与电流I3的电流相应的驱动信号(即波长λ₁和波长λ之间的分离宽度(dissociation width))输出给加热器22。
由于硅(其作为形成环形波导24、28的材料)的折射率具有正温度系数的原因，随着环形波导24、28的温度增加，第二光学谐振器14和第三光学谐振器16的谐振波长偏移至长波长侧。即，监测电流曲线S1、S2偏移至长波长侧。
PID控制电路62再次测量在加热器22的加热状态下的电流I3，以检查 电流I3是否变为零。当电流I3为零时，PID控制电路62保持输出给加热器22的驱动信号不变。当电流I3不为零时，PID控制电路62相应于电流I3的值适当地增大或减小用于加热器22的驱动信号。PID控制电路62连续进行反馈控制，以控制加热器22使得电流I3稳定在零附近。
当电流I3为零时，信号光的波长λ位于监测电流曲线S1与监测电流曲线S2之间的交点处。由于环形波导18与环形波导24和环形波导28一起被加热，所以谐振波长λ也以与第二光学谐振器14的谐振波长和第三光学谐振器16的谐振波长相同的方向和相同的比率进行偏移。因而，输入光的波长λ₁与第一光学谐振器12的谐振波长λ可达到相互一致。
由硅形成的光波导具有这样的特性，即，当温度更高时谐振波长偏移至长波长侧，并且可被加热器22所控制的仅是使光学谐振器的谐振波长偏移至长波长侧。为了使光学谐振器的谐振波长与信号光的波长一致，优选的是，环形波导18的谐振波长预先设置为位于比输入光的波长短的波长侧。
在通过使用监测电流I1、I2来控制加热器22的过程中，优选的是，可检测监测电流I1、I2的波长段(可被监测的波长宽度)尽可能宽。鉴于此，在本实施例中，线性波导10和环形波导24、28之间的间隔被设定为比线性波导10和环形波导18之间的间隔窄。
通过与图9和图13所示的参考实施例的光学半导体器件68、80进行比较，来描述将线性波导10和环形波导24、28之间的间隔设定为小于线性波导10和环形波导18之间的间隔的原因。
图9所示的光学半导体器件68包括线性波导70、72，以及设置在线性波导70、72之间的环形波导74。在一端被输入到线性波导70中的CW光被引至环形波导74，并被施加在电极76a、76b与电极76c之间的调制信号所调制。经调制的CW光被引至线性波导72，并从线性波导72的一端输出。
图13所示的光学半导体器件80包括线性波导90、92以及设置在线性波导90、92之间的环形波导82。在一端被输入到线性波导90中的CW光在另一端从线性波导90输出。通过施加在电极84a、84b与电极84c之间的调制信号改变环形波导82的谐振波长，从而调制将从线性波导90的另一端输出的输出光。在这个光学半导体器件80中，控制器96基于由连接至线性波导92的光检测器94所检测的监测电流来控制加热器86，从而使环形波导 82的谐振波长达到CW光的波长。
在图9所示的光学半导体器件中，通过间隔在线性波导70和环形波导74之间所设定的功率透过率(permeability)为T1，在线性波导72和环形波导74之间所设定的功率透过率为T2。功率透过率为光从一波导到另一波导传播的比率。波导之间的间隔越小，功率透过率越高。功率透过率越高，即，波导之间的间隔越小，则调制光输出功率的峰值的波长段越宽。
当功率透过率低时，例如T1＝T2＝1％，可获得如图10所示的调制光输出功率曲线。在没有调制信号施加到环形波导74的状态(电压V₀)下，可获得实线所表示的调制光输出功率曲线。在调制信号施加到环形波导74的状态(电压V_on)下，可获得虚线所表示的调制光输出功率曲线。
如所示出的，当功率透过率低时，调制光输出功率曲线的峰值是陡峭的，调制光输出功率曲线的峰值的波长段是窄的。这意味着对于调制信号的改变，调制光输出功率的变化很大，并且陡峭的调制光输出功率曲线对于提高光学半导体器件的调制效率是有效的。即，调制信号的存在与否如同在例如图10中箭头所示的范围内那样极大地改变了调制光输出功率。
这样的特性与根据本实施例的光学半导体器件相同。即，在根据本实施例的光学半导体器件中，同样地，为了使调制光输出功率曲线的峰值如图10所示的那样陡峭，优选将线性波导10和环形波导18之间的功率透过率设定为低值。
另一方面，当功率透过率高时，例如，T1＝T2＝40％，可获得如图11所示的调制光输出功率曲线。在没有调制信号施加到环形波导74的状态(电压V₀)下，可获得以实线表示的调制光输出功率曲线。在调制信号施加到环形波导74的状态(电压V_on)下，可获得以虚线表示的调制光输出功率曲线。
如上所述，当功率透过率高时，对于波长的改变，调制光输出功率的变化很小，并且如由图11中箭头示出的范围所示，不能说调制效率是高的。另一方面，调制光输出功率的峰值的波长段是宽的，这在于宽波长范围内监测调制光输出功率方面是优选的。可被监测的波长宽度越宽，可以使输入光的波长和光学谐振器18的谐振波长之间的偏差容许值越大。
即，在根据本实施例的光学半导体器件中，为了使调制光输出功率曲线的峰值如图11所示的那样平滑从而使可监测波长宽度变宽，优选将线性波 导10和环形波导24之间以及线性波导10和环形波导28之间的功率透过率设定为高值。
在如图13所示的光学半导体器件80中，当环形波导82和线性波导90、92之间的功率透过率为1％时，由光检测器94所检测的监测光功率如图12所示。当监测阈值功率约为10^-2时，可监测的波长宽度约为0.5nm。
然而，在根据本实施例的光学半导体器件中，在线性波导10和环形波导24、28之间的功率透过率被设定为80％的情况下，由光检测器36a、36b所检测的监测光功率如图12所示。当监测阈值功率约为10^-2时，可监测的波长宽度约为7.5nm。
如图14所示，在监测阈值功率越小时，光学半导体器件的可监测的波长宽度越大。根据本实施例的光学半导体器件，可监测波长宽度比光学半导体器件80的可监测波长宽度可提高约13-20倍。
在根据本实施例的光学半导体器件中，独立地提供用于光调制的光学谐振器12，并且线性波导10和环形波导18之间的功率透过率可独立于线性波导10和环形波导24、28之间的功率透过率而进行设定。因而，可使可监测的波长宽度变宽，并且可提高调制效率。
如上所述，在本实施例中，除用于调制输入光的光学谐振器12之外，还提供谐振波长比光学谐振器12的谐振波长更短和更长的光学谐振器14、16。通过使用光学谐振器14、16的输出信号进行温度控制，从而使得光学谐振器12的谐振波长与输入光的波长相一致。因而，根据本实施例的光学半导体器件，在输入光与光学谐振器12之间的波长偏差被容许处于宽范围内的同时，光学谐振器12的谐振波长也可易于与输入光的波长一致。可改善光学谐振器12的谐振，这可提高调制效率。
[第二实施例]
将参考图15描述根据第二实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图14所示的第一实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图15为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。
除环形波导的平面配置之外，根据本实施例的光学半导体器件与根据第一实施例的光学半导体器件相同。
即，根据本实施例的光学半导体器件包括替代环形波导18、24、28的环形波导18a、24a、28a，每个环形波导18a、24a、28a都具有4个线性部和4个弧形部的组合结构。
环形波导18a、24a、28a的弧形部为半径为r的圆的四分之一。线性部布置在弧形部之间，并且每个环形波导18a、24a、28a的相对的线性部的长度都被设定为彼此相等。环形波导18a、24a、28a中被设置为与线性波导10光学耦合的线性部的长度被设定为例如l₁。设定环形波导18a、24a、28a中其它的相对线性部的长度，当该线性部的长度在环形波导18a中被设定为l₂时，在环形波导24a中被设定为l₂-Δl₂以及在环形波导28a中被设定为l₂+Δl₂。
这种环形波导18a、24a、28a的谐振波长表示如下。
当环形波导18a、24a、28a的有效折射率为n时，环形波导18a、24a、28a的光程分别被表示为2n(πr+l₁+l₂)、2n(πr+l₁+l₂–Δl₂)以及2n(πr+l₁+l₂+Δl₂)。谐振波长为光程的整数分之一，并且当整数为m时，环形波导18a、24a、28a的谐振波长分别被表示为2n(πr+l₁+l₂)/m、2n(πr+l₁+l₂–Δl₂)/m以及2n(πr+l₁+l₂+Δl₂)/m。即，环形波导24a、28a的谐振波长为相对于环形波导18a的谐振波长偏离了Δλ＝2nΔl₂/m的谐振波长。
如上所述，同样在本实施例中，可提供环形波导18a、波长比环形波导18a的谐振波长短Δλ的环形波导24a以及波长比环形波导18a的谐振波长长Δλ的环形波导28a。
因而，根据本实施例，在输入光和光学谐振器12a之间的波长偏差被容许处于宽波长范围内的同时，光学谐振器12a的谐振波长也可易于与输入光的波长一致。可增强光学谐振器12a的谐振，并可提高调制效率。
[第三实施例]
将参考图16描述根据第三实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图15所示的第一实施例和第二实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图16为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意剖视图。
除第二光学谐振器14和第三光学谐振器16为相对设置之外，根据本实施例的光学半导体器件与根据第一实施例的光学半导体器件相同。
利用相对设置的第二光学谐振器14和第三光学谐振器16，该光学半导体器件可以以与根据第一实施例的光学半导体器件相同的方式工作。
如上所述，在根据本实施例的光学半导体器件中，输入光和光学谐振器12之间的波长偏差被容许处于宽波长范围内，同时光学谐振器12的谐振波长可易于与输入光的波长一致。可增强光学谐振器12的谐振，并可提高调制效率。
[第四实施例]
将参考图17描述根据第四实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图16所示的第一至第三实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图17为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。
在本实施例中，第二光学谐振器14和第三光学谐振器16被设置为与从线性波导10分支出的波导(分支波导)99a、99b光耦合。
即，如图17所示，从线性波导10分支出波导99a、99b。第二光学谐振器14被设置为与波导99a光耦合。第三光学谐振器16被设置为与波导99b光耦合。
第二光学谐振器14和第三光学谐振器16设置在从线性波导10分支出的波导99a、99b处，从而可改善用于使光学谐振器12的谐振波长与输入光的波长相一致的温度控制。
例如，在第一实施例中，第三光学谐振器16位于第二光学谐振器14的下游，从而待被引入到第三光学谐振器16的CW光的光量减少了被引入至第二光学谐振器14的CW光的光量。在这种情况下，监测电流曲线S1的峰值和监测电流曲线S2的峰值彼此不同，并且监测电流曲线S1和监测电流曲线S2之间的交点不能确保位于峰值波长之间的中点处。在监测电流曲线S1和监测电流曲线S2之间的交点偏离中点的情况下，即使通过控制加热器22使监测电流I1和监测电流I2相互一致，CW光的波长和环形波导18的谐振波长也不能相互一致。
从线性波导10分支出波导99a、99b，从而可以使引入至第二光学谐振器14的CW光的光量与引入至第三光学谐振器16的CW光的光量彼此相等。因而，监测电流曲线S1的峰值和监测电流曲线S2的峰值相互一致，使得监 测电流曲线S1和监测电流曲线S2之间的交点位于峰值波长之间的中点处。
如上所述，根据本实施例，第二光学谐振器14和第三光学谐振器16设置在从线性波导10分支出的波导99a、99b处，从而可改善用于使光学谐振器12的谐振波长与输入光的波长相一致的温度控制。
[第五实施例]
将参考图18描述根据第五实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图17所示的第一至第四实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图18为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。
除如图18所示将第二光学谐振器14和第三光学谐振器16设置为在线性波导10的同一位置处相互光耦合之外，根据本实施例的光学半导体器件与根据第一实施例的光学半导体器件相同。
第二光学谐振器14和第三光学谐振器16在线性波导10的同一位置处相互光耦合，从而可以使得引入至第二光学谐振器14的CW光的光量与引入至第三光学谐振器16的CW光的光量彼此相等。因而，监测电流曲线S1的峰值和监测电流曲线S2的峰值相互一致，并且监测电流曲线S1和监测电流曲线S2之间的交点可位于峰值波长之间的中点处。
如上所述，根据本实施例，第二光学谐振器14和第三光学谐振器16设置在线性波导10的同一位置处，从而可改善用于使光学谐振器12的谐振波长与输入光的波长相一致的温度控制。
[第六实施例]
将参考图19和图20描述根据第六实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图18所示的第一至第五实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图19为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。图20为示出了监测电流和输入光的波长之间的关系的图表。
首先，将参考图19描述根据本实施例的光学半导体器件的结构。
根据本实施例的光学半导体器件为根据图1所示的第一实施例的光学半导体器件进一步包括两个用于监测的光学谐振器。即，如图19所示，进一步提供与线性波导10光耦合的第四光学谐振器100和第五光学谐振器102。 还进一步提供具有波导104、106的光检测器36c、36d。
第四光学谐振器100包括环形波导110和设置在环形波导110附近的加热器22。
第五光学谐振器102包括环形波导112和设置在环形波导112附近的加热器22。
环形波导18、24、28、110、112的直径分别被设定为d、d-Δd_A、d+Δd_A、d-Δd_B以及d+Δd_B。在本实施例中，例如，Δd_A被设定为大于Δd_B。
线性波导10和环形波导24、28之间的间隔被设定为小于线性波导10和环形波导110、112之间的间隔。线性波导10和环形波导110、112之间的间隔被设定为小于线性波导10和环形波导18之间的间隔。例如，线性波导10和环形波导24、28之间的间隔被设定为100nm，线性波导10和环形波导110、112之间的间隔被设定为200nm，线性波导10和环形波导18之间的间隔被设定为250nm。
光检测器36c经由波导104与环形波导110光耦合。光检测器36d经由波导106与环形波导112光耦合。
控制器38a包括连接至光检测器36a、36b的电流相减电路60a和连接至电流相减电路60a的PID控制电路62a。控制器38b包括连接至光检测器36c、36d的电流相减电路60b和连接至电流相减电路60b的PID控制电路62b。
电压相加电路108连接至PID控制电路62a、62b。电压相加电路108将从PID控制电路62a输出的驱动信号以及从PID控制电路62b输出的驱动信号相加在一起。
接下来，将参考图20描述根据本实施例的光学半导体器件的操作。
当CW光的波长与环形波导18的谐振波长一致时，根据本实施例的光学半导体器件以与根据第一实施例的光学半导体器件相同的方式进行操作。
当CW光的波长与环形波导18的谐振波长不一致时，第二光学谐振器14、第三光学谐振器16、第四光学谐振器100、第五光学谐振器102以及加热器22被用于使CW光的波长和环形波导18的谐振波长相互一致。
输入到线性波导10的CW光不仅被引入至环形波导18，而且还被引入至环形波导24、28、110、112。被引入至环形波导24、28、110、112的CW光被光检测器36a、36b、36c、36d所检测。
被光检测器36a、36b、36c、36d所检测的监测电流I1、I2、I5、I6具有如图20所示的波长特性。在图20中，监测电流曲线S1指示监测电流I1的波长特性。监测电流曲线S2指示监测电流I2的波长特性。监测电流曲线S3指示监测电流I5的波长特性。监测电流曲线S4指示监测电流I6的波长特性。
如图20所示，监测电流曲线S3、S4的峰值波长位于监测电流曲线S1的峰值波长和监测电流曲线S2的峰值波长之间。这是因为环形波导24、28、110、112被设计为使得Δλ_B小于Δλ_A，即Δd_B小于Δd_A。
监测电流曲线S3、S4的峰值波长范围窄于监测电流曲线S1、S2的峰值波长范围。这是因为线性波导10和环形波导110、112之间的间隔被设定为大于线性波导10和环形波导24、28之间的间隔。
由光检测器36a、36b检测的监测电流I1、I2被转换为电流I3，电流I3为从监测电流I1中减去监测电流I2所获得的电流。由光检测器36c、36d检测的监测电流I5、I6被转换为电流I7，电流I7为从监测电流I5中减去监测电流I6所获得的电流。
PID控制电路62a、62b基于电流相减电路60a、60b所产生的电流I3、I7对加热器22进行反馈控制，使得电流I3、I7变为零。
当电流I3、I7不为零时，PID控制电路62a、62b判断输入光的波长λ1和第一光学谐振器12的谐振波长λ相互不一致，并输出驱动信号给加热器22。
从PID控制电路62a输出的驱动信号和从PID控制电路62b输出的驱动信号通过电压相加电路108相加在一起，以传输给加热器22。
在通过加热器22进行加热之后，PID控制电路62a、62b再次测量电流I3、I7以核查电流I3、I7是否为零。当电流I3、I7为零时，PID控制电路62a、62b保持输出至加热器22的驱动信号不变。当电流I3、I7不为零时，PID控制电路62a、62b相应于电流I3、I7的值适当地增大或减小驱动加热器22的驱动信号。
PID控制电路62a、62b连续进行这样的反馈控制以控制加热器22使电流I3、I7稳定在零附近。因而，可使输入光的波长λ₁和第一光学谐振器12的谐振波长λ相互一致。
不仅电流I3而且电流I7都用于控制加热器22，这是因为，如上所述， 监测电流曲线S1和监测电流曲线S2通常相互交叉，且偏离波长λ，在这种情况下，CW光的波长和环形波导18的谐振波长彼此偏离。
在这种情况下，第四光学谐振器100和第五光学谐振器102被进一步用于修正CW光的波长和环形波导18的谐振波长之间的偏离。
因为线性波导10和环形波导110、112之间的间隔大于线性波导10和环形波导24、28之间的间隔，所以监测电流曲线S3、S4的峰值波长范围变为小于监测电流曲线S1、S2的峰值波长范围。因而，可进行比单独使用电流I3作出的波长控制具有更高精度的波长控制。
如上所述，在本实施例中，除用于调制输入光的光学谐振器12之外，还提供谐振波长更短和更长了Δλ_A和Δλ_B的光学谐振器14、16、100、102。通过使用这些光学谐振器14、16、100、102的输出信号，进行温度控制使光学谐振器12的谐振波长与输入光的波长相一致。
因而，根据本实施例，可将宽波长范围内的波长控制与窄波长范围内却具有高精度的波长控制结合在一起，这使得能够在宽波长范围内进行高精度的波长控制。
[第七实施例]
将参考图21至图23描述根据第七实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图20所示的第一至第六实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图21为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。图22和图23为示出了根据本实施例的光学半导体器件的剖视图。
除如图21所示提供光检测器36e和光检测器36f来替代光检测器36a、36b之外，根据本实施例的光学半导体器件与根据第一实施例的光学半导体器件相同。
如图22和图23所示例出的，光检测器36e、36f由部分的环形波导24、28形成。在环形波导24、28的所述部分的区域中，掺杂第一导电类型(如，n型)的杂质，并且在其上形成第二导电类型(如，p型)的由例如锗或其它材料构成的光吸收部114、118。
在二氧化硅膜54上方，形成经由互连通路122a连接至环形波导24的电极116a和经由互连通路122b连接至光吸收部114的电极116b。并且，形 成经由互连通路123a连接至环形波导28的电极120a和经由互连通路123b连接至光吸收部118的电极120b。电极116a、120a连接至功率源113。电极116b、120b连接至电流相减电路60。电极116a、116b、120a、120b由例如铝形成。互连通路122a、122b、123a、123b由例如钨形成。
如上所述，在光检测器36e、36f中，第一导电类型的环形波导24、28的部分和第二导电类型的光吸收部114、118形成pn结。因而，对该pn结施加反向偏压，从而由光吸收部114、118吸收的光可被检测为监测电流I1、I2。
如上所述，根据本实施例，光检测器36e、36f可被形成在环形波导24、28的部分区域中。
[第八实施例]
将参考图24和图25描述根据第八实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图23所示的第一至第七实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图24为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。图25为图24的A-A'线剖视图。
除在环形波导18、24、28周围形成隔热槽124a-124j之外，根据本实施例的光学半导体器件与根据第一实施例的光学半导体器件相同。
隔热槽124a-124j形成在环形波导18、24、28周围，由此可抑制由加热器22产生的热的扩散，并可提高温度控制效率。
如图25所示例出的，隔热槽124a-124j可通过蚀刻SOI衬底50和环形波导18、24、28周围的二氧化硅层54而形成。
如上所述，根据本实施例，隔热槽124a-124j形成在环形波导18、24、28周围，由此可抑制由加热器22产生的热的扩散，并可提高温度控制效率。
[第九实施例]
将参考图26描述根据第九实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图25所示的第一至第八实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图26为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。
除输出光从设置为与环形波导18光耦合的波导126输出之外，根据本 实施例的光学半导体器件与根据图1所示的第一实施例的光学半导体器件相同。
在本实施例中，被引入至环形波导18的光从输出端128输出。因此，在从线性波导10至环形波导18的传输率变为最大时，调制光输出功率变得最大，如同图10所示例出的光学谐振器12的调制光输出功率。即，在根据本实施例的光学半导体器件中，可获得与根据第一实施例的光学半导体器件的调制信号相反的调制信号。
如上所述，根据本实施例的光学半导体器件，输入光和光学谐振器12之间的波长偏移被容许处于宽波长范围内，同时光学谐振器12的谐振波长可易于与输入光的波长一致。可增强光学谐振器12的谐振，并可提高调制效率。
[第十实施例]
将参考图27描述根据第十实施例的光学半导体器件。以同样的参考标记表示本实施例与根据图1至图26所示的第一至第九实施例的光学半导体器件相同的部件，以便不重复或简化描述。
图27为示出了根据本实施例的光学半导体器件的示意图。
在本实施例中，将描述电流相减电路60和PID控制电路62的特定实例。
如图27所示例出的，电流相减电路60包括电阻值为R₁的电阻器130a、130b、电阻值为R₂的电阻器132a、132b以及运算放大器134。电阻器130a的一端连接至光检测器36a，以及电阻器130a的另一端连接至运算放大器134的反相输入端。电阻器130b的一端连接至光检测器36b，以及电阻器130b的另一端连接至运算放大器134的同相输入端。电阻器132a的一端连接至位于电阻器130a和运算放大器134之间的节点T1，以及电阻器132a的另一端连接至位于运算放大器134的输出端和PID控制电路62的输入端之间的节点T2。电阻器132b的一端连接至位于电阻器130b和运算放大器134的同相输入端之间的节点T3，以及电阻器132b的另一端连接至地线。
PID控制电路62包括比例控制电路(负反馈放大器电路)136、积分控制电路138以及微分控制电路140。比例控制电路为用于将输入值控制为输出值和目标值之间偏差的线性函数的电路。积分控制电路为用于与输出值和目标值之间的偏差的时间积分成比例地改变输入值的电路。微分控制电路为 用于与输出值和目标值之间的偏差的时间微分成比例地改变输入值的电路。
如图27所示例出的，比例控制电路136包括电阻值为R_P1的电阻器142、电阻值为R_P2的电阻器144以及运算放大器146。电阻器142和电阻器144彼此串联连接。电阻器142的一端连接至运算放大器134的输出端。电阻器142的一端连接至运算放大器134的输出端，以及电阻器144的一端连接至微分控制电路140的电阻器154a。运算放大器146的同相输入端连接至接地线。运算放大器146的反相输入端连接至位于电阻器142和电阻器144之间的节点T4。运算放大器146的输出端连接至位于电阻器144和微分控制电路140的电阻器154a之间的节点T5。
如图27所示例出的，积分控制电路138包括电阻值为R_I的电阻器148、电容值为C_I的电容器150以及运算放大器152。电阻器148和电容器150彼此串联连接。电阻器148的一端连接至运算放大器134的输出端，以及电容器150的一端连接至微分控制电路140的电阻器154b。运算放大器152的同相输入端连接至接地线。运算放大器152的反相输入端连接至位于电阻器148和电容器150之间的节点T6。运算放大器152的输出端连接至位于电容器150和微分控制电路140的电阻器154b之间的节点T7。
如图27所示例出的，微分控制电路140包括电阻值为R_D的电阻器154a、154b、154c、电阻值为R_D’的电阻器156、电容值为C_D的电容器158以及运算放大器160。电阻器156和电容器158彼此串联连接。电阻器156的一端连接至运算放大器160的反相输入端，电容器158的一端连接至运算放大器134的输出端。运算放大器160的同相输入端连接至接地线。运算放大器160的输出端连接至加热器22。电阻器154a的一端连接至位于电阻器156和运算放大器160的反相输入端之间的节点T8。电阻器154b的一端连接至位于电阻器156和运算放大器160的反相输入端之间的节点T9。电阻器154c的一端连接至位于电阻器156和运算放大器160的反相输入端之间的节点T8，并且电阻器154c的另一端连接至位于运算放大器160的输出端和加热器22之间的节点T10。
这样的电流相减电路60和PID控制电路62在根据第一至第九实施例的光学半导体器件中可用作电流相减电路60、60a、60b和PID控制电路62、62a、62b。
[改型实施例]
上文描述的实施例可覆盖其它各种改型。
例如，在上文描述的实施例中，光学谐振器12、14、16、100、102由硅形成。形成光学谐振器12、14、16、100、102的材料不受特别限制。例如，可使用SiGe以及其它化合物半导体材料。
在上文描述的实施例中，在没有电压施加在电极20a、20b之间的情况下，使得CW光的波长和第一光学谐振器12的谐振波长相互一致，但这不是必须的。例如，在电压V_on施加在电极20a、20b之间的情况下，CW光的波长和第一光学谐振器12的谐振波长也可一致。此时，优选地，环形波导18的直径被适当设定为使得在电压V_on施加在电极20a、20b之间的情况下，第一光学谐振器12的谐振波长变得比CW光的波长短。
在第六实施例中，Δλ_A大于Δλ_B，然而Δλ_A可小于Δλ_B。
除根据第四实施例的光学半导体器件和根据第五实施例的光学半导体器件的组合之外，也可适当地组合根据第二实施例至第九实施例的光学半导体器件。例如，可组合根据第六实施例的光学半导体器件和根据第八实施例的光学半导体器件，由此该光学半导体器件可具有高温度控制，并可在宽波长范围内进行高精度的温度控制。