光子电路中的光学温度测量的制作方法

1.本公开涉及用于光子集成电路(pic)中的温度测量的方法和传感器。


背景技术：

2.许多光子电路组件(例如，包括激光器和光学调制器)在它们的性能方面是高度对温度敏感的。因此，光子电路的设计的一个重要方面是pic的热设计，其指定热源(包括热生成光子器件)的布局以及散热器和热沉(sink)，目标是优化pic将可靠地操作所在的外界温度的范围。热设计和验证依赖于精确的温度测量。然而，因为温度可以跨pic变化很大，所以将pic作为整体的温度测量经常是不适当的。另一方面，虽然个体pic元件的温度测量出于热设计的目的是期望的，但是个体pic元件的温度测量是困难的，因为热传感器在相关光子组件附近的放置通常受到空间限制的阻碍和/或热传感器(例如，电阻温度传感器(rtd))对光子组件的电干涉的可能性的阻碍。


技术实现要素：

3.一种光子集成电路(pic)，包括：基底的器件层中的第一光学波导；被耦合到第一光学波导的有源光子器件，有源光子器件包括二极管结；以及基底的器件层中的第二光学波导，第二光学波导包括光学温度传感器，光学温度传感器在二极管结的感测邻近度内。
4.一种用于测量光子集成电路(pic)中的光子器件的温度的方法，方法包括：经由第一光学波导将光耦合到光子器件中；经由第二光学波导来光学询问光学温度传感器，以确定光学温度传感器的频谱特性，光学温度传感器被放置在光子器件的感测邻近度内；以及基于频谱特性的经校准温度相关性，将所确定的频谱特性计算性地转换为所测量的温度。
5.一种用于测量光子集成电路(pic)中的光子器件的温度的方法，方法包括：以第一传播方向将第一光学信号耦合到光子器件中；使用第二光学信号光学询问光子器件，以确定光子器件的频谱特性，第二光学信号以第二传播方向被耦合到光子器件中，第二传播方向与第一传播方向相反；以及基于频谱特性的经校准的温度相关性，将所确定的频谱特性计算性地转换为所测量的温度。
附图说明
6.图1是根据各种实施例的被配置为使用集成光学滤波器启用光学温度测量的示例光子收发器的示意性框图。
7.图2是根据各种实施例的被配置为使用集成复用器启用光学温度测量的示例光子收发器的示意性框图。
8.图3a-图3c示出了根据各种实施例的图2的收发器的复用器在低功率模式下被操作的示例频谱响应的曲线图，频谱响应分别在35摄氏度、70摄氏度以及80摄氏度的接收器外壳温度处在两个频谱范围之上被测量。
9.图3d示出了根据各种实施例的图2的收发器的复用器在高功率模式下被操作的示
例频谱响应的曲线图，频谱响应在70摄氏度的接收器外壳温度处被测量。
10.图4是根据各种实施例的对具有用于光学温度测量的单独的任务模式功能的光子器件进行校准和操作的方法的流程图。
11.图5是根据各种实施例的在激光器和调制器附近被装备有附加光学温度传感器的示例光子收发器的示意性框图。
12.图6a和图6b分别是根据各种实施例的与pic的复合半导体激光器相邻放置的基于布拉格光栅的光学温度传感器的俯视图和截面侧视图。
13.图7是根据各种实施例的用于校准和使用不具有任务模式功能的专用光学温度测量传感器以用于光子器件的温度测量的方法的流程图。
具体实施方式
14.本文中所公开的各种方法用于光学地测量光子电路组件的温度，而不是使用rtd或者其他传统的电子温度传感器。在一些实施例中，实现各种任务模式(例如复用/解复用或者调制光)功能的光子器件在使用期间被校准并且选择性地被操作以兼作温度传感器。例如，光学滤波器(诸如马赫曾德尔干涉仪(mzi)或非对称mzi(amzi)，阵列波导光栅(awg)、或者电吸收调制器(eam))中温度相关的频谱偏移可以被利用来测量这些组件的温度。在其他一些实施例中，pic用不具有任务模式功能的光学组件而被增强，但是仅用以基于它们的光学(例如，频谱)特性中的温度相关变化来确定温度。有利地，这样的光学温度传感器可以以与激光器、调制器、光电检测器等中的二极管结非常紧邻的邻近度(proximity)而被放置，而没有电干涉。此外，在使用包含波导和其他光无源组件的硅器件层上使用复合半导体(例如iii-v族)有源器件的混合平台中，光学温度传感器可以被实现要被测量温度的有源器件下方的硅器件层中，这规避了复合半导体层中存在的空间限制。
15.为了理解通过测量个体光子组件的温度而不是整体光子电路的温度而提供的益处，考虑例如包括四个激光器的光学收发器。假设在最大工作电流处温度跨激光器变化二十度，例如，由于来自附近的其他热量源(诸如pic内的光学组件或者相邻的电子集成电路(eic)内的电子组件)的热串扰。相比激光器中的最冷的激光器，激光器中最热的激光器可能具有显著地(例如，三倍)更短的工作寿命，以及还可能遭受不稳定性(例如，导致模式跳变)并且输出更低的光学功率。然而，激光器不稳定性以及降低的输出功率不一定指示热点，也可能是由于在pic制造或组装期间引起的激光器损坏，或者由于光学设计的缺陷。因此，重要的是将温度影响与激光器损坏和/或光学设计问题区分开。使用如本文所描述的光学温度测量，在所有四个激光器的结点处的温度可以分别地被测量，并且比使用电子温度测量更精确地被测量，其支持标识热点以及然后修改热设计(包括，例如，散热器、pic晶粒(die)内以及与pic晶粒相邻的组件的间距等)以降低热点温度。
16.下面将参考附图描述用于pic中的光学温度测量的器件、系统和方法的各种示例实施例。
17.图1是根据各种实施例的示例光子收发器100的示意性框图，光子收发器100被配置为使用集成光学滤波器102启用光学温度测量。沿着发射器路径104，光子收发器100包括生成光学载波信号的激光器、经由振幅调制将数据赋予光学载波信号的光学调制器108、以及充当针对激光器106的波长参考的光学滤波器102。此外，光子收发器100包括用作光学接
收器的光电检测器110以及相关联的接收器路径111。另外，为了支持使用光学滤波器102的温度测量，收发器100包括包围(bracket)光学滤波器102的光学抽头112、114，每个光学抽头分离出固定分量的光(例如5％)，并且具有两个输出，两个输出将分离出的光导向两个相应的监测光电二极管116、117以及监测光电二极管118、119，监测光电二极管116、117以及监测光电二极管118、119允许测量以发射器路径104中的光传播的任一方向进入和离开光学滤波器102的光学功率。例如，光子收发器100可以被实现在混合材料平台中，混合材料平台包括激光器106的复合半导体(例如，iii-v族)有源器件组件、调制器108、接收器光电检测器110、以及监测光电二极管116、117、118、119，监测光电二极管116、117、118、119被耦合到波导(例如，实现发射器路径104和接收器路径111)以及形成于(例如，绝缘体上硅(soi)基底的)硅器件层中的其他无源器件或器件组件。
18.例如，光学滤波器102可以被实现为amzi，amzi由两个干涉仪臂之间的光程长度差表征，光程长度差产生干涉信号，干涉信号的强度随光的频率而周期性变化。该变化的周期是滤波器102的自由频谱范围(fsr)。amzi(或其他光学滤波器102)被校准以达到在指定的参考波长处的指定的透射率，透射率作为输出光学功率与输入光学功率的比而被测量。当激光器106的波长偏离参考波长时，该偏离将在光学滤波器102的透射率变化中体现(如分别从由光电二极管118、116所测量的输入光学功率和输出光学功率所确定的)，提供反馈以将激光器106调谐到参考波长。然而，光学滤波器102的透射率谱通常是温度相关的，并且光学滤波器102的温度可以在任务模式使用中变化(例如，由于激光器106散发的热量)。期望设计光子电路以最小化这样的加热。尽管滤波器102的温度在使用期间被监测，并且与在将滤波器校准为波长参考的时间处的温度的差异被主动地补偿(例如，使用集成加热器或热电冷却器)，但是期望使这样的主动热调整的功率需求最小化。
19.根据各种实施例，在收发器100的热设计期间，光学滤波器102被用作其自己的温度传感器。为了这个目的，外部激光器120例如，经由发射器输出端口122将光耦合到光学滤波器102中(其在任务模式下用以传输经调制的光学信号)，并且滤波器102的透射率和/或输出光学功率(在来自外部激光器120的光的传播方向上)被测量。在一些实施例中，外部激光器120是在波长范围之上被步进的可调谐的激光源，以经由在滤波器102之后的监测光电二极管119处的相对的光输出功率的测量，来标识透射率达到峰值(最大)或者零点(null)(最小)所在的波长，波长范围例如包括滤波器102的一个或多个fsr。基于如通过校准而确定的峰值或者零点波长的已知温度相关性，所测量的峰值波长或者零点波长然后可以被转换为光学滤波器102的所测量的温度。在备选的实施例中，外部激光器120以单个指定的波长被操作，并且在该波长处的光学滤波器102的透射率使用在滤波器102之前和之后的监测光电二极管117、119而被测量。基于在外部激光器120的所选择的波长处的滤波器透射率的已知温度相关性，滤波器102的温度然后可以从所测量的透射率被计算。
20.为了研究其他收发器组件对光学滤波器102的温度的影响，热设计涉及在收发器激光器106处于全任务模式功率的情况下，以任务模式操作收发器100。因此，当光学滤波器102由来自外部激光器120的光学信号光学询问时，它同时接收来自收发器激光器106的光学信号。这两个光学信号在相反的方向上传播，使得对外部激光器信号的经透射部分的测量不受来自收发器激光器106的信号影响。外部激光器120可以包括光学隔离器，其防止由从收发器激光器106接收的光引起的损坏。相反地，到达收发器激光器106的来自外部激光
器120的光，在滤波器温度的测量期间，可以多少降低收发器激光器106的光学性能，但那通常在设计阶段不是问题。注意，通过对收发器100的适当增强(例如，保护调制器108和激光器106免受由外部激光器120注入到发射器路径104中的光的影响的隔离器)，或者通过使用从收发器工作波长远远失谐的外部激光器波长，原则上也可以在普通任务模式贯穿收发器的整个寿命期间使用光学滤波器102监测其自身的温度。
21.尽管图1仅示出了光子收发器100的单个通道，但是对本领域普通技术人员显而易见的是，多通道收发器可以通过复制发射器和接收器组件而被实现。然后可以以与上述相同的方式测量每个通道中的滤光器102的温度，将外部激光器120顺序地(或者将多个外部激光器同时地)耦合到各种发射器路径中。
22.为了提供具有单独的任务模式功能的光子器件的温度测量的另一个示例，图2是根据各种实施例的、被配置为使用集成复用器启用光学温度测量的示例光子收发器200的示意性框图。收发器200包括四个通道，每个通道包括激光器200和相关联的eam 204，以将数据赋予到光学载波信号上。激光器202以四个不同的波长λ0、λ1、λ2以及λ3发射光，并且四个波长的经调制光学信号在两个阶段中被复用到经组合的光学收发器输出信号中。激光器波长是均匀隔开的，例如，λ0≈1295nm、λ1≈1300nm、λ2≈1305nm、以及λ3≈1310nm。在这个示例中，其温度将被测量的组件在第一阶段是复用器206，复用器206将λ0、λ1和λ2、λ3分别复用到作为输入被提供给第二阶段复用器208的两个部分复用的信号中。例如，复用器206(以及208)可以被实现为amzi，每个amzi具有两个输入端口209以及一个共同的输出端口(在来自收发器激光器202的光的传播方向上)。
23.为了测量第一阶段复用器206的温度，它们利用外部可调谐激光器(未示出)而被询问，该外部可调谐激光器经由发射器输出端口以及第二阶段复用器208(其中复用器的输出端口也可以构成发射器输出端口)被耦合到收发器中，并且在与由收发器激光器202所发射的光学信号的方向相反的方向上传播。外部激光器在波长范围之上被扫过，以确定在复用器206的一个或两个输入端口209(对应于在外部激光信号的传播方向上的输出端口)处输出的光的频谱透射率峰值。如果复用器26处于它们的目标工作温度，这些透射率峰值将出现在λ0、λ1、λ2和λ3处。任何从目标工作温度的偏离通常将引起峰值向更短波长或更长波长的偏移(取决于温度是否高于或低于目标工作温度)。注意，尽管收发器200包括在收发器激光器202、eam 204、以及复用器206、208之间的各个输入和输出处的抽头210以及相关联的监测光电二极管212，那些抽头210被配置为仅测量从收发器激光器202去往发射器输出端口的方向的光，并且因此不被用以在复用器206处测量外部激光器信号的经透射部分。代替配置抽头210以及添加监视光电二极管212以测量电路中来自外部激光器的光，如图1的收发器100所做的并且原则上同样可以在收发器200中被实现的，所描绘的实施例使用eam 204测量由复用器206透射的外部激光器信号的光学功率。eam 204以高电压偏置被操作，这引起高的光子吸收，并且由eam生成的光子电流与被测量的信号的光学功率成比例。
24.图3a-图3c示出了根据各种实施例的图2的收发器200的复用器在低功率模式(“lpm”)下被操作的示例频谱响应的曲线图，频谱响应分别在35摄氏度、70摄氏度以及80摄氏度的接收器外壳温度处在两个频谱范围之上被测量。在低功率模式下，功率足以操作和读取eam 204，但是收发器激光器202以及其他组件被关闭。假设在低功率模式下收发器200的自加热可以忽略不计，并且收发器200有时间达到平衡，使得复用器温度接近接收器外壳
温度。每个图中的四个曲线图示出eam 204处的光子电流(“iph”)，光子电流由对复用器206的输入端口209处的光学功率输出的测量所引起的。可以见到，如光子电流中反映的，四个光信号的透射率峰值和零点大致均匀分布在fsr之上(如预期的，镜像了收发器激光器202的激光器波长的均匀间隔)。比较在35摄氏度(图3a)、70摄氏度(图3b)以及80摄氏度(图3c)的曲线图，频谱响应朝着更长波长的偏移可以被观察到。例如，在复用器输入端口209处被测量的与λ2相关联的透射率最小值从35摄氏度处的约1297.5nm偏移到70摄氏度处的约1300nm、以及80摄氏度处的几乎1301纳米。
25.图3d示出了根据各种实施例的图2的收发器200的复用器在高功率模式(“hpm”)下被操作的示例频谱响应的曲线图，频谱响应在70摄氏度的接收器外壳温度处被测量。在高功率模式下，收发器激光器被打开，并且倾向于加热包括复用器206的其他收发器组件。因此，可以预期，复用器206的局部温度高于外界温度。确实，将在高功率模式下在复用器输入端口209处被测量的与λ2相关联的信号，与在相同的70摄氏度的接收器外壳温度处在低功率模式下在复用器输入端口209处被测量的与λ2相关联的信号进行比较(图3b)，可以见到透射率最小值已经偏移至几乎1301纳米，指示复用器206的温度约为80摄氏度。
26.上面以波长参考和分路器为例说明的、使用那些相同的光子器件作为传感器对光子器件的光学温度测量的所描述的方法，通常适用于具有并且适合于测量某个温度相关光谱特性的任何光子设备。例如，这样的特性可以包括频谱特征，如光学透射、反射或者吸收谱的峰值或零点的波长或振幅，以及给定波长处的透射、反射或者吸收水平。适于用于温度测量的光学询问的光子器件包括，例如，基于对称或非对称mzi、awg或eam的器件，因为其可以实现例如光学滤波器、复用器/解复用器、或调制器的任务模式功能。
27.可以对上面的方法进行各种修改。例如，尽管对感兴趣的光子器件的询问在实践中通常会利用pic外部的激光器，但是原则上也可以使用内部激光器(例如，在它的输出信号被路径(route)以在与被用于光子器件的任务模式功能的光的方向相反的方向上传播)。适用于温度监测的内部激光器可以是低功率的以防止自加热，并且可以使用外部波长监测器(诸如光谱分析仪(osa))在两个或多个温度处被校准。备选地，在其监测pic的另一侧(例如，在高功率密度区域中)上的热点时，内部激光器可以被放置在pic的相对地温度稳定的部分(例如，低功率密度区域)中。此外，虽然上面所描述的示例实施例使用被集成到pic中的光电检测器，但是也可以将出于温度确定目的而被测量的光学信号路径到片外，以供由外部光电检测器检测。例如，当光子器件的频谱特性在反射模式而不是透射模式下被测量时，外部光电检测器可以被使用。
28.图4是根据各种实施例的对具有用于光学温度测量的单独的任务模式功能的光子器件进行校准以及操作的方法400的流程图。在校准阶段402期间，包括光子器件的pic(例如，光子收发器pic)被放置在被设置到初始温度的受控温度环境(例如，烤箱)中，并且被允许热平衡例如约一个小时(动作404)。在经过足够的时间后，可以假设整个pic(包括感兴趣的光子器件)基本上处于设置温度(例如，在少量开尔文度数内，或者通常会在给定应用中出现一些可接受的偏差幅度内，这会影响平衡时间)。如果集成光电检测器将被用于校准，则pic被开启并且在低功率模式下被操作，足以使用集成光电检测器，但避免其他功率消耗以最小化加热(动作406)。在这种状态中，光子器件被光学询问以确定光子器件的频谱特性(动作408)。通常(尽管不是必须的)，用于此目的的光从外部激光源被耦合到光子器件中。
例如，为了测量光子收发器的发射器路径中的光调制器、复用器或波长参考的透射谱，来自外部激光器的光学信号可以经由发射器路径，以与来自pic激光器的任务模式光学信号的传播方向相反的方向或传播，被耦合到光子器件中。外部激光器的波长可以在波长范围(通常包括光子器件的一个或多个fsr)之上被步进，并且因此测量的频谱响应的零点和/或峰值处的波长被记录。
29.受控温度环境然后被改变到第二温度(动作410)，pic被允许在第二温度处热平衡(动作404)，并且对以供在低功率模式期间测量频谱特性的光子器件的询问在第二温度处被重复(动作408)。可选地，取决于热表征的所期望的精度、以及成本考虑和时间考虑，频谱特性在一个或多个附加温度处被测量。例如，在一些实施例中，校准(阶段402)在一个部分上仅被执行一次，并且之后被应用到许多部分；在这种情况下，在若干或者几十个温度处测量可能是可行的。另一方面，如果校准被按部分执行，则它可能依赖于仅两次测量，例如，在引起频谱特性中的相对位移小于fsr的两个温度处被采取。
30.然后，在两个或更多个温度处的所确定的频谱特性的值可以被用于确定频谱特性在连续的温度范围之上温度相关性，这可能涉及在测量被执行所在的温度之间内插和/或超过测量被执行所在的温度(动作412)。例如，基于在两个相应温度t1和t2处的透射率峰值波长或零点波长λ1和λ2的测量，温度相关的波长偏移可以被计算为dλ/dt＝(λ
2-λ1)/(t
2-t1)。所确定的温度相关性被存储在存储器中以供稍后使用。在一些实施例中，温度相关性被存储在与pic相关联的eic的存储器中，例如，提供针对收发器pic的控制信号和数据读出的eic，其中感兴趣的收发器组件的温度相关性可以与其他校准数据(诸如目标偏差和调制设置等)一起被存储。然而，频谱特性的经校准的温度相关性的存储也是可能的。
31.一旦校准阶段402被完成，校准数据就可以被用以测量光子器件的温度，作为阶段414中表征pic的任务模式热性能的部分。现在pic在任务模式下被操作，即是说，如在任务模式下被接通功率(其通常是高功率模式)并且具有以一个方向被耦合到光学器件中的例如来自内部pic激光器(诸如收发器激光器)的任务模式光学信号(动作416)。为了测量光子器件的频谱特性，该器件利用在另一方向上传播的询问信号(例如，由外部激光器耦合到pic中的)而被询问(动作418)。使用所存储的频谱特性的经校准的温度相关性，所测量的频谱特性然后可以被转换为器件的温度(动作420)。继续上面的透射波长测量的示例，在任务模式期间所测量的透射率峰值波长或透射零值波长可以被转换为光子器件的温度，根据：t＝t1 (λ-λ1)/(dλ/dt)。
32.前述示例全都图示了其温度要被测量的光子器件兼作其自身的温度传感器的实施例。在各种备选的实施例中，pic代替地包括一个或多个专用光学温度传感器，即不实现任何独立任务模式功能的附加的组件。每个这样的专用温度传感器都被放置在与其温度要被监测的光子器件“感测邻近度”中，这意味着温度传感器与光子器件中的位置在物理上足够接近，其中温度是与感兴趣的温度基本相同的温度(例如，在少量开尔文度数内)。在各种实施例中，要被监视的光子器件是包括二极管结的光学有源器件，并且该结处的温度要被测量。在一些实施例中，该温度传感器在距感兴趣位置(诸如有源光子器件中的二极管结)的感测邻近度内，如果它小于10m，优选地距该位置小于3m。
33.图5是根据各种实施例的示例光子收发器500的示意框图，示例光子收发器500在激光器506和调制器508附近被装备有附加的光学温度传感器502、光学温度传感器504。在
此，激光器506和调制器508被耦合到实现透射路径的第一光学波导510，而光学温度传感器502、光学温度传感器504被放置在、或被耦合到与第一波导510分开的相应的第二光学波导512和第三光学波导514内。接收器的光电检测器516被耦合到第四光波导518，其(照常)实现接收器路径。所有四个波导510、512、514、518具有它们自己的相应的输入/输出端口。
34.如在图1的收发器100中一样，发射器的激光器506和调制器508、以及接收器的光电检测器516可以被实现在硅上复合半导体混合平台中，其中硅器件层中的波导被耦合到在其上的复合半导体(例如，iii-v族)层中被形成的光学有源区域。例如，有源光子器件可以是或者包括具有到p型层和n型层的电连接的iii-v族p-i-n二极管结构，以跨二极管结构施加电压，在本征、有源层中形成二极管结，如本领域中已知的那样。该二极管结的温度显著影响相应器件的光学性能，并且因此对于监测很重要。利用电子温度传感器实现，将传感器放置得过于接近二极管结引起电干涉风险。在另一方面，光学温度传感器502、504没有这个问题，并且因此可以被放置得更接近得多，这支持更精确的温度测量。例如，在一些实施例中，光学传感器502、504与二极管结接近至约1m。
35.与具有任务模式功能兼作温度传感器的光子器件类似，光学温度传感器502、504通常利用温度相关频谱特性(诸如透射率或反射率峰值或零值、或者在指定的波长处透射或反射水平)以供温度测量。用作温度传感器502、504的光子器件的示例包括布拉格光栅、环形谐振器以及amzi，它们都可以被实现为无源光学组件而无需任何电连接。光学温度传感器502、504可以使用外部激光器520以及外部光电检测器522或集成光电检测器而被询问。例如，如所示的，由外部激光器520生成的询问信号可以在光学波导512的输入/输出端口521处被耦合到光学波导512中，以传播到与收发器500的调制器508相关联的光温度传感器504，并且由温度传感器504反射的光可以返回到波导512的输入/输出端口521并且被耦合到外部光电检测器522。三端口光学循环器524可以用于将在第一循环器端口526处被接收的光经由第二循环器端口527导入到波导512中，并且将在第二循环器端口527处接收到的经反射的光经由第三循环器端口528导向光电检测器522。如将很容易理解的，由外部激光器520、循环器524以及外部光电检测器522共同形成的询问装置可以被移动到与在收发器激光器506处的光学温度传感器502相关联的光学波导514的输入/输出端口530，并且然后该温度传感器502可以被类似地询问。
36.不测量询问信号的经反射部分，而是测量经透射部分也是可能的。在这种情况下，收发器500会被修改，以将经过温度传感器504(或502)的波导512(或514)延伸到集成光电检测器或者波导512(或514)的第二输入/输出端口，用于利用外部光电检测器测量光。使用外部光电检测器还是使用集成光电检测器通常将取决于具体应用中的实际考虑。使用集成光电检测器的好处在于，它可以将询问装置简单地缩减成外部激光器，并且通过集成与pic相关联的eic中的温度传感器的读出而支持简化温度测量，其也可以包括存储用于传感器的校准数据的存储器。然而，这些益处是以增加制造复杂性和与温度传感器相关联的芯片面积为代价的。
37.图6a和图6b分别是根据各种实施例的与pic的有源复合半导体光子器件602相邻放置的基于布拉格光栅的光学温度传感器600的截面俯视图和截面侧视图。例如，有源设备602可以是激光器、调制器或者光电检测器(例如，在收发器pic上)。它包括形成在上方的iii-v族(或其他复合半导体)材料的二极管结构，并且该iii-v族材料的二极管结构被光学
耦合到形成在soi基底608的硅器件层606中的硅波导604。如图6b所示，二极管结构可以包括例如n型底层610、以及被部署在n型底层610上方的二极管台面，二极管台面包括本征或有源层612以及p型顶层614。在使用中，在硅波导604中被引导的光被垂直地耦合到有源层612中(如光学模式616、617所示)。为了能够将电压或电流施加到二极管结构，器件602包括到n型底层610和p型顶层614的电连接。电连接包括被部署在n型底层610顶上的接触金属层618(例如，在二极管台面的两侧或周围)、被部署在p型顶层614顶上的p型接触金属层619、以及将n型接触金属层618和p型接触金属层619电连接到电终端和驱动电路装置的垂直通孔620、622。二极管结构被封装在电解质包覆624中。
38.温度传感器600是由第二硅波导630中的周期性的折射指数变化形成的布拉格光栅。在第二硅波导630中传播的光在光栅周期乘以有效折射指数的两倍的波长处经历强反射。因为光栅周期由于热膨胀或热收缩而随温度略有变化，所以反射达到峰值的波长是传感器温度的良好指标。如图6a所示，第二硅波导630可以平行于第一硅波导(604，其被耦合到有源光子器件602)、并且在有源器件602的二极管结构的n型底层610下方。因此，由光学模式632所指示的，在第二硅波导630中被引导并且在布拉格光栅中被反射的光非常接近光子器件的有源区域612。
39.图7是根据各种实施例的用于校准和使用不具有任务模式功能的专用光学温度传感器以用于光子器件的温度测量的方法700的流程图。例如，温度传感器和光子器件可以对应于图5的光子收发器500的、与激光器506相邻的传感器502、或者与光学调制器508相邻的传感器504。在校准阶段702期间，pic(例如，实现光子收发器500)被放置在被设置到初始温度的受控温度环境(诸如，例如，烤箱)中，并且被允许基本热平衡(动作704)，使得(多个)温度传感器和(多个)光子设备都达到设置温度(在可接受的范围内)。如果外部激光器(例如，510)和光电检测器(例如，528)被用于校准，则pic的功率被设置为零(动作706)。(否则，如果集成光电检测器被使用，则pic在低功率模式下被操作。)例如，通过将来自外部激光器的光耦合到与传感器相关联的光波导中、并且利用外部(或集成)光电探测器测量光的经反射部分或经透射部分，光学温度传感器被询问(动作708)。在一些实施例中，外部激光器的波长在波长范围(例如，包括一个或多个光学温度传感器的fsr)之上被步进，并且所测量的频谱响应的零值处(例如，针对实现温度传感器的amzi或全通环)和/或峰值处(例如，针对布拉格反射器或分插环(add-drop ring))的波长被记录。
40.受控温度环境然后被改变到第二温度(动作710)，pic被允许在第二温度处热平衡(动作704)，并且对以供测量频谱特性的光学温度传感器的询问在第二温度处被重复(动作708)。可选地，取决于热表征的所期望的精度、以及成本和时间考虑，频谱特性在一个或多个附加温度处被测量。在两个或多个温度处所确定的频谱特性的值然后被用于确定频谱特性在连续的温度范围之上的温度相关性，这可能涉及在测量被执行所在的温度之间内插和/或超过测量被执行所在的温度(动作712)。例如，基于在两个相应温度t1和t2下的反射率峰值波长λ1和λ2的测量，温度相关的波长偏移可以被计算为dλ/dt＝(λ
2-λ1)/(t
2-t1)。所确定的温度相关性被存储在存储器(例如，与pic相关联的eic的存储器或外部存储器)中以供稍后的使用。
41.在校准温度传感器时，该传感器可以与校准数据一起被用于测量相邻的光子器件的温度，作为阶段714中表征pic的任务模式热性能的部分。现在pic在任务模式下被操作，
即是说，在任务模式下被接通功率(其通常是高功率模式)并且例如来自内部pic激光器(诸如收发器激光器)的任务模式光学信号经由相关联的第一波导而被耦合到光学器件中(动作716)。同时，温度传感器经由其相关联的波导(其与要被监测的光子器件的波导分离)利用被耦合(例如由外部激光器)到pic中的询问信号而被询问，询问信号例如，由外部激光器耦合到pic中的(动作718)。使用所存储的频谱特性的经校准的温度相关性，所测量的频谱特性然后可以被转换为温度传感器的温度，并且由于其邻近度而扩展为光子器件的温度(动作720)。例如，所测量的反射率峰值波长可以被转换为温度传感器的温度以及光子器件的温度，根据：t＝t1 (λ-λ1)/(dλ/dt)。
42.以下编号示例进一步定义了各种说明性实施例。
43.1.一种光子集成电路(pic)，包括：基底的器件层中的第一光学波导；被耦合到第一光学波导的有源光子器件，有源光子器件包括二极管结；以及基底的器件层中的第二光学波导，第二光学波导包括光学温度传感器，光学温度传感器在二极管结的感测邻近度内。
44.2.示例1的光子集成电路，其中光学温度传感器包括布拉格光栅、环形谐振器或者非对称马赫曾德尔干涉仪中的至少一项。
45.3.示例1或示例2的光子集成电路，其中有源光子器件包括复合半导体二极管结构，其被部署在第一光学波导上方并且包括二极管结；以及用于跨二极管结构施加电压的电连接。
46.4.示例1-3中的任何示例的光子集成电路，其中有源光子器件是激光器、光学调制器、波长参考光学滤波器、或者光学复用器/解复用器中的一项。
47.5.示例1-4中的任何示例的光子集成电路，其中有源光子器件包括对称或不对称的马赫曾德尔干涉仪、阵列波导光栅、或者电吸收调制器中的至少一项。
48.6.一种用于测量光子集成电路(pic)中的光子器件的温度的方法，方法包括：经由第一光学波导将光耦合到光子器件中；经由第二光学波导来光学询问光学温度传感器，以确定光学温度传感器的频谱特性，光学温度传感器被放置在光子器件的感测邻近度内；以及基于频谱特性的经校准温度相关性，将所确定的频谱特性计算性地转换为所测量的温度。
49.7.示例6的方法，其中光学询问光学温度传感器包括：使用pic外部的激光器将光耦合到第二光学波导中，以及使用外部光电检测器测量以下的至少一项：光学温度传感器中反射的光或者由光学温度传感器透射的光。
50.8.示例7的方法，其中光学询问光学温度传感器包括：在波长范围之上调谐外部激光器的波长，以及在波长范围之上测量经反射的光或经透射的光。
51.9.示例6-示例8中的任何示例的方法，还包括通过以下来校准频谱特性的温度相关性：将pic放置于在第一温度的受控温度环境中；在第一温度的基本热平衡之后，经由第二光学波导来光学询问光学温度传感器，以确定频谱特性的第一值；将pic放置于在第二温度的受控温度环境中；在第二温度的基本热平衡之后，经由第二光学波导来光学询问光学温度传感器，以确定频谱特性的第二值；以及至少部分地基于第一值和第二值以及第一温度和第二温度来确定频谱特性的温度相关性。
52.10.示例9的方法，其中确定频谱特性的温度相关性包括以下至少一项：内插第一温度和第二温度之间的频谱特性、或者外推超出第一温度或第二温度的频谱特性。
53.11.示例9或示例10的方法，其中校准温度相关性还包括：将pic放置于在第三温度处的受控温度环境中；以及在第三温度的基本热平衡之后，经由第二光学波导来光学询问光学温度传感器，以确定频谱特性的第三值，其中温度相关性还基于第三值以及第三温度。
54.12.示例9-示例11中的任何示例的方法，其中光子器件是有源光子器件，包括二极管结构和用以跨二极管结构施加电压的电连接，其中到二极管结构的功率在温度相关性的校准期间是关闭的，并且到二极管结构的功率在基于经校准的温度相关性来测量光子器件的温度时是开启的。
55.13.一种用于测量光子集成电路(pic)中的光子器件的温度的方法，方法包括：以第一传播方向将第一光学信号耦合到光子器件中；使用第二光学信号光学询问光子器件，以确定光子器件的频谱特性，第二光学信号以第二传播方向被耦合到光子器件中，第二传播方向与第一传播方向相反；以及基于频谱特性的经校准的温度相关性，将所确定的频谱特性计算性地转换为所测量的温度。
56.14.示例13的方法，其中第一光学信号由pic的激光器生成，并且第二光信号由pic外部的激光器生成。
57.15.示例13或示例14的方法，其中光学询问光子器件包括：测量第二光学信号的经透射部分的光学功率或者第二光学信号的经反射部分的光学功率。
58.16.示例15的方法，其中光学询问光子器件包括：使用在光子器件的在第二传播方向上的出口处的光学抽头和监测光电二极管，来测量第二光学信号的经透射部分的光学功率。
59.17.示例15的方法，其中光学询问光子器件包括：使用光子器件的在第二传播方向上的出口处的pic的第二光子器件，来测量第二光学信号的经透射部分的光学功率，第二光子器件可操作作为光电检测器并且具有单独的任务模式功能。
60.18.示例17的方法，其中光子器件是复用器/解复用器，以及第二光子器件是电吸收调制器。
61.19.示例15-18中的任何示例的方法，其中第二光学信号在波长范围之上被调谐，并且第二光学信号的经反射部分的光学功率或者第二光学信号的经透射部分的光学功率在波长范围之上被测量。
62.20.示例19的方法，其中光子器件是光学滤波器，并且其中波长范围包括光学滤波器的至少一个自由频谱范围。
63.21.示例20的方法，其中频谱特性包括光学滤波器的零位或峰值。
64.22.示例13-示例21中的任何示例的方法，还包括通过以下来校准频谱特性的温度相关性：将pic放置于在第一温度的受控温度环境中；在第一温度的基本热平衡之后，使用以第二传播方向被耦合到光子器件中的光学信号来光学询问光子器件，以确定光子器件的频谱特性的第一值；将pic放置于第二温度的受控温度环境中；在第二温度的基本热平衡之后，使用以第二传播方向被耦合到光子器件中的光学信号来光学询问光子器件，以确定光子器件的频谱特性的第二值；以及至少部分地基于第一值和第二值以及第一温度和第二温度来确定频谱特性的温度相关性。
65.23.示例22的方法，其中光子器件是光学滤波器，其中光子器件在包括光学滤波器的至少一个自由光谱范围的波长范围之上被询问，并且其中与第一温度和第二温度之间的
频谱特性相关联的频谱偏移小于自由频谱范围。
66.24.示例22或示例23的方法，其中确定频谱特性的温度相关性包括以下至少一项：内插第一温度和第二温度之间的频谱特性、或者外推超出第一温度或第二温度的频谱特性。
67.25.示例22-示例24中的任一示例的方法，其中校准温度相关性还包括：将pic放置于在第三温度处的受控温度环境中；在第三温度的基本热平衡之后，使用以第二传播方向被耦合到光子器件中的光学信号来光学询问光子器件，以确定光子器件的频谱特性的第三值；并且其中温度相关性还基于第三值和第三温度。
68.26.示例22-示例25中的任一示例的方法，还包括将频谱特性的温度相关性存储在与pic相关联的存储器中。
69.27.示例22-示例26中的任一示例的方法，其中pic在校准期间在低功率模式下被操作。
70.尽管已经参考特定示例实施例描述了本发明主题方案，但是显而易见的是，可以对这些实施例做出各种修改和改变，而不背离本发明主题方案的更广的范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。