用于可选择并行光纤和波分复用操作的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年7月7日递交的美国临时申请62/359,408的优先权，通过引用将其全部内容结合于本文中。

本公开的某些实施例涉及半导体光子学。更具体地，本公开的某些实施例涉及用于可选择并行光纤和波分复用(wdm)操作的方法和系统。

背景技术：

随着数据网络规模扩大以满足日益增长的带宽需求，铜数据信道的缺点日益明显。由辐射电磁能引起的信号衰减和串扰是这些系统的设计者遇到的主要障碍。它们可以通过均衡、编码和屏蔽而在一定程度上得到缓解，但是这些技术需要相当大的功率、复杂性和电缆体积劣化(cablebulkpenalties)，同时仅提供到达性的适度的改进和非常有限的可扩展性。没有这种信道限制的光通信则被认为是铜链路的继承者。

通过将这些系统与参考附图在本申请其余部分中所阐述的本公开内容进行比较，常规的和传统的方法的其他局限性和缺点对本领域技术人员而言将变得显而易见。

技术实现要素：

用于可选择并行光纤和wdm操作的系统和/或方法，基本如结合至少一个附图所示和/或所述，并在权利要求中更全面地予以阐述。

从以下描述和附图中将更充分地理解本公开的各种优点、方面和新颖特征以及其所示的实施例的细节。

附图说明

图1a是根据本公开示例实施例的具有可选择并行光纤和wdm操作的光子实现的集成电路(photonically-enabledintegratedcircuit)的框图。

图1b是示出根据本公开示例实施例的示例性光子实现的芯片(photonically-enableddie)的图示。

图1c是示出根据本公开示例实施例的具有光缆的光子实现的集成电路的图示。

图2示出了根据本公开示例实施例的具有并行光纤模式的光路的光收发器。

图3示出了根据本公开示例实施例的具有wdm模式的光路的光收发器。

图4示出了根据本公开示例实施例的动态可配置模式光收发器。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“电路(circuits)”和“线路(circuitry)”是指物理电子组件(即硬件)以及可以配置该硬件、由该硬件执行、和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定处理器和存储器当执行一行或多行第一代码时可以包括第一“电路”，当执行一行或多行第二代码时可以包括第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”是指列表中通过“和/或”联结的任何一个或多个项目。作为示例，“x和/或y”是指三元集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一示例，“x、y和/或z”是指七元集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”是指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所使用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“例如(e.g.)”和“例如(forexample)”阐述了一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所使用的，无论电路或设备何时包括执行功能期望的硬件和代码(如果需要的话)，电路或设备都“能操作以”执行功能，而不管该功能的性能是否被禁用或未被启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂调整等)。

图1a是根据本公开示例实施例的具有可选择并行光纤和wdm操作的光子实现的集成电路的框图。参考图1a，示出了光子(photonics，光电子)电路100上的光电子器件，包括光调制器105a-105d、光电二极管111a-111d、监测光电二极管113a-113h、以及包括输入耦合器103和输入/输出耦合器117的光学器件。还示出了电子器件和电路，包括放大器107a-107d、模拟和数字控制电路109以及控制部112a-112d。放大器107a-107d可以包括例如跨阻抗限幅放大器(tia/la)。

在示例场景中，光子电路100包括cmos光子芯片和耦合到所述光子芯片的一个或多个电子芯片，其中光源组件101耦合到光子ic100的顶表面或远离所述光子和电子芯片。光源组件101可以包括一个或多个半导体激光器，其具有隔离器、透镜和/或偏振旋转器以用于将一个或多个cw光信号引导到耦合器103。在示例场景中，光源组件可以远离光子和电子芯片，光纤可以将光信号传送到耦合器103。在该场景中，可以在光子芯片上执行光学和光电子功能，并且可以在电子芯片上执行电子功能。在另一示例场景中，光子实现集成电路100可以包括单个芯片。

光信号经由在光子电路100中制造的光波导110在光学和光电子器件之间传送。单模或多模波导可以用于光子集成电路中。单模操作使得能够直接连接到光信号处理和网络单元。术语“单模”可以用于支持两个偏振(横向电(te)偏振和横向磁(tm)偏振)中的每一个的单模的波导，或者用于是真正的单模并且仅支持其偏振为te的一个模式的波导，te包括并行于支撑波导的基板的电场。所使用的两个典型波导横截面包括带状波导和肋状波导。带状波导通常包括矩形横截面，而肋状波导包括在波导板的顶部上的肋状部分。当然，也可以考虑其他波导横截面类型并且其也在本公开范围内。

在示例场景中，耦合器103可以包括用于顶表面耦合的光栅耦合器或用于边缘耦合的端面，用于从激光器组件101接收输入光信号。从激光器组件101接收光源信号的耦合器103对中的每一对可被用于不同光通信标准，诸如并行光纤(例如，psm-4)和可以包括粗wdm和密集wdm的wdm，使得每个调制器输入源自不同标准或协议。因此，通过将激光器组件101对准到特定的耦合器103集，可以配置经由光子集成电路130的收发器传送的协议或标准，并且不同的协议不需要不同的芯片。

光调制器105a-105d例如包括马赫-曾德尔(mach-zehnder)或环形调制器，并且能够调制连续波(cw)激光输入信号。光调制器105a-105d可以包括高速和低速相位调制部分，并由控制部112a-112d控制。光调制器105a-105d的高速相位调制部分可以用数据信号调制cw光源信号。光调制器105a-105d的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因子，诸如由波导之间的失配、波导温度或波导应力引起的那些，并且被称为无源相位或mzi的无源偏置。

在示例场景中，高速光相位调制器可以基于自由载流子色散效应(freecarrierdispersioneffect，自由载波色散效应)来操作，并且可以在自由载流子调制区域和光学模式之间显示出高重叠。在波导中传播的光学模式的高速相位调制是高数据速率光通信所使用的几种类型的信号编码的构成块。可能需要数十gb/s的速度来维持现代光链路中使用的高数据速率，并且可以在集成si光子中通过调制pn结的耗尽区域来实现，pn结被放置为跨承载了光束的波导。为了提高调制效率并使损耗最小化，光学模式和pn结的耗尽区域之间的重叠被优化。

光调制器105a-105d的输出可以经由波导110光耦合到光耦合器117的子集。在调制器105a-105d的输出处的耦合器103可以包括例如四端口光耦合器，并且可以用于采样或分割由光调制器105a-105d生成的光信号，采样信号由监测光电二极管113a-113h测量。定向耦合器103d-103k的未使用的分支可以通过光学终止件终止，例如，以避免不需要的信号的背向反射。

光耦合器117可以包括能够将光耦合到光子电路100的顶表面中或顶表面外的光栅，或者可以包括用于边缘耦合的光信号的端面。光耦合器117可用于将从光纤149接收的光耦合到光子电路100中，并且光耦合器117可用于将来自光子电路100的光耦合到光纤中。光耦合器117可以包括单偏振光栅耦合器(spgc)和/或偏振分光光栅耦合器(psgc)。在使用psgc的实例中，可以使用两个输入或输出波导，诸如耦合到光电二极管111a-111d的那些。

光纤可以通过例如粘合剂贴合到包括光子集成电路130的光学和光电部分的芯片上，并且可以以与芯片的表面的法线成一角度对准，以优化耦合效率。在示例实施例中，光纤可以包括单模光纤(smf)和/或偏振保持光纤(pmf)。

在图1b所示的另一示例实施例中，通过将光源引导到芯片中的光耦合器件，诸如光源接口135和/或光纤接口139，可以将光信号直接传送到光子电路100中的光子芯片的表面。这可以通过贴合到芯片的另一芯片倒装芯片(chipflip-chip)上的激光源来实现。

光电二极管111a-111d可以将从光耦合器117接收的光信号转换为电信号以传送到放大器107a-107d进行处理。在示例场景中，光电二极管111a-111d包括能够如图所示从每对光耦合器117中的任一个接收信号的多端口光电检测器。通过这种方式，不同的标准或通信协议光信号可以经由光纤149传送到光耦合器117中，其中一对耦合器中的每个光栅耦合器可被配置用于特定通信协议或标准，诸如wdm和并行光纤。例如，每对光耦合器117中的一个可被配置为接收用于psm-4的1310nm光信号，而每对光耦合器117中的另一个可被配置用于不同的wdm波长，诸如用于供cwdm使用的1270、1290、1310和1330nm，或用于dwdm的更精细的波长间隔。例如取决于通信标准、光纤类型和光源，诸如在1550nm范围内的其他波长也是可行的。

根据本公开的示例实施例，在硅芯片中实现的接收器子系统中，光经由偏振分光光栅耦合器耦合到光电检测器中，偏振分光光栅耦合器有效支持耦合光纤模式的所有偏振状态。在偏振分集方案(polarization-diversity)中，输入信号被psgc分割到两个分离的波导中，因此使用输入到波导光电检测器的两个输入。如果使用两个不同的psgc以耦合到相同的光电检测器中，则pd具有四个分离的波导端口。

模拟和数字控制电路109可以控制放大器107a-107d的操作中的增益水平或其他参数，放大器107a-107d然后可将电信号从光子电路100传送出去。控制部112a-112d包括使得能够调制从分光器103a-103c接收的cw激光信号的电子电路。光调制器105a-105d可能需要高速电信号来调制例如马赫-曾德尔(mach-zehnder)干涉仪(mzi)的各个分支中的折射率。

在操作中，光子电路100可操作以发送和/或接收并处理光信号。光信号可以由光耦合器117a-117d从光纤接收，并由光电检测器111a-111d转换成电信号。所述电信号可以例如由放大器107a-107d中的跨阻放大器放大，并且随后被传送到光子电路100中未示出的其它电子电路。

集成的光子平台允许要集成在单个芯片上的光收发器的全部功能或光子芯片上的光学/光电子功能以及电子芯片上的电子功能，所述芯片直接贴合以用于高速操作。光收发器芯片包含光电子电路，其生成和处理发射器(tx)和接收器(rx)侧上的光/电信号；以及光接口，将光信号耦合到光纤和耦合来自光纤的光信号。信号处理功能可以包括调制光载波、检测光信号、分割或组合数据流、对具有不同波长的载波上的数据进行复用或解复用、以及均衡用于减少和/或消除符号间干扰(isi)的信号，这可能是光通信系统中的常见损害。

光子电路100可以包括单个电子/光子cmos芯片(die，裸片)/芯片，或者可以包括用于光子和电子功能的单独的cmos芯片。光子电路100可以支持并行光纤(诸如psm-4)和波分复用(诸如cwdm)操作。可以通过将用于外部光源，光源组件101，和外部mux/demux/光纤140两者的光纤接口与在固件级别例如在控制电路109中配置的mux/demux操作对准，来实现两种操作模式之间的选择。四端口高速光电检测器可以实现光子电路100的双重操作。

图1b是示出根据本公开示例实施例的示例性光子实现的芯片的图示。参考图1b，示出了包括电子芯片接口131、光学和光电子器件133、光源接口135a、芯片前表面137、光纤接口139和cmos保护环141的光子实现芯片120。

在一个实施例中，光源接口135a和光纤接口139包括例如光栅耦合器，其能够经由cmos芯片表面137耦合光信号，cmos芯片表面与芯片的边缘相对，这与常规边缘-发射/接收设备一样。然而，端面可被用于将光信号耦合到光子芯片120的边缘，如由包括光子芯片120侧的端面的光源接口135所指示的。经由芯片表面137耦合光信号使得能够使用cmos保护环141，cmos保护环141机械上保护芯片并且防止污染物经由芯片边缘进入。然而，本公开不限于表面耦合，因为边缘耦合器，例如包括端面的光源135可用于将信号传送入光子ic130以及将信号从光子ic130送出。

电子芯片接口131可以包括电接触，诸如用于耦合到一个或多个电子芯片的贴合盘和凸块或柱。光学和光电子器件133包括诸如耦合器103a-103k、光耦合器117a、光调制器105a-105d、高速异质结光电二极管111a-111d和监测光电二极管113a-113i的器件。

图1c是示出根据本公开示例实施例的耦接至光缆的光子实现集成电路的图示。参考图1c，示出了包括耦合到光子芯片120的电子芯片130的光子电路100。还示出了光纤到芯片耦合器145、光缆149和光源组件147。在示例场景中，光源组件147可以远离光子芯片120，光信号经由光纤耦合到光耦合器。然后，光源组件147可以经由光源接口135a将光信号耦合到顶表面137中，或者经由包括如虚线光纤151所示的端面的光源接口135耦合到光子芯片120的边缘中。此外，电子芯片130可以耦合到光子ic120以执行光子电路100中的一些或全部电子功能。

电子芯片120可以包括诸如放大器107a-107d和例如关于图1a描述的模拟和数字控制电路109的电路。

光子电路100包括光学和光电子器件133、光源接口135a和135、芯片表面137和cmos保护环141，可以如关于图1b所描述的那样。光源组件147可以包括多个激光器，例如具有1310nm波长和从1270nm到1330范围的波长，以支持psm-4和cwdm操作，但可以使用其他wdm和并行光纤通道波长。

在示例实施例中，光缆149可以经由例如环氧树脂被固定到cmos芯片表面137。光纤芯片耦合器145使得能够将光缆149物理耦合到光子芯片120。在另一示例场景中，光子电路100可以包括一个芯片上的光子器件，诸如光子插入器(photonicsinterposer)，以及一个或多个电子芯片上的电子器件，二者都可以包括cmos芯片。

图2示出了根据本公开示例实施例的具有psm-4模式的光路的光收发器。参考图2，示出了光收发器200，其包括四个mzi调制器205a-205d、光纤阵列光接口201、外部光源阵列203、光栅耦合器209a-209c、光波导211和4端口高速光电二极管207a-207d。多端口光电二极管在2017年5月11日提交的美国专利申请号15/592,774中有详细描述，其全部内容通过引用并入本文。图2所示的光学和光电子器件可以集成在诸如硅光子插入器的光子芯片上，其上例如可以贴合诸如电子芯片、光纤阵列和光源组件的其它结构。

光栅耦合器209a-209c可以包括单偏振光栅耦合器，例如光栅耦合器209a-209b或偏振分光光栅耦合器(psgc)209c，其中两个光信号可被传送到光电二极管207a-207d的不同输入端。

外部光源阵列203可以包括光源组件中的激光器阵列，具有多个输出端口，其可被对准到光子芯片上的期望光栅耦合器209b，这取决于操作模式，例如并行光纤(例如，psm-4)或wdm(例如，cwdm)。在示例场景中，外部光源阵列203可以包括光纤阵列，该光纤阵列将光信号从外部的源激光器阵列传送到光子芯片，光子芯片可以被对准到电子芯片上的期望光栅耦合器209b。例如，标记为λa的光栅耦合器209a-209c可以被用于psm-4波长，标记为λ1-λ4的光栅耦合器209a-209c可被用于不同的cwdm波长。

取决于期望的操作模式，光纤阵列光接口201可以将光纤耦合到光子芯片上的期望光栅耦合器209a和psgc209c。在示例场景中，光接口可以包括用于芯片上的每个耦合器/psgc的光纤，其中mux/demux如关于图4进一步所示。plc可被集成在平面光波电路(plc)上，例如在光纤阵列光接口201中，可被用于选择哪个光纤用于耦合光信号到芯片上以及耦合来自芯片的光信号。平面光波电路在美国专利7,366,380中有更详细的描述，其全部内容通过引用并入本文。通过这种方式，光接口201和光源阵列203可以相对于光栅耦合器209a-209c横向偏移以切换到cwdm模式。

图2示出了光收发器200的并行光纤模式，其中例如用于psm-4的1310nmcw光信号经由外部光源阵列203被传送到芯片。因此，耦合到λa(例如，1310nm)光栅耦合器的外部光源光纤阵列的输出端口可由mux或其他开关设备选择。然后，cw信号可以使用mzi调制器205a-205d来调制，并经由耦合到光纤阵列光接口201的相关联光栅耦合器209a传送出芯片。

类似地，调制的1310nm信号可以经由psgc209c从光纤阵列光接口201接收并被传送到4端口高速光电二极管207a-207d，其中可以生成表示在接收的光信号中调制的数据的电信号。在另一示例场景中，通过将光纤阵列光接口201和外部光源阵列203固定为耦合到适当的光栅耦合器209a和209b和psgc209c而不进一步切换模式，可以以psm-4模式配置收发器。然后，例如，在制造时，将为psm-4操作设置调制/解调方案。

图3示出了根据本公开示例实施例的具有wdm模式的光路的光收发器。参考图3，与图2的并行光纤模式相比，示出了处于wdm模式的光收发器300。如上所述，收发器300包括四个mzi调制器205a-205d、光纤阵列光接口201、外部光源阵列203、光栅耦合器209a-209c和4端口高速光电二极管207a-207d。尽管图3中示出了四个通道，本公开不限于此，而是可以使用任何数量的通道。

外部光源阵列203可以包括具有多个输出端口的光源组件中的激光器阵列，可以将所述输出端口对准到光子芯片上的期望光栅耦合器以用于wdm模式。因此，例如，可以将不同wdm波长(例如范围从1270nm到1330nm的cwdm波长)的激光源耦合到光子芯片上标记为λ1-λ4的适当光栅耦合器209b。

取决于期望的操作模式，光纤阵列光接口201可以将光纤耦合到光子芯片上的期望光栅耦合器209a和209b和psgc209c。在示例场景中，光接口201可以包括用于芯片上的每个耦合器/psgc的光纤，其中可以使用mux/demux来选择哪个光纤用于将光信号耦合到芯片以及耦合来自芯片的光信号，如关于图4进一步所示。替代地，标准/协议配置的更固定配置包括将光纤阵列光接口201和光源组件203的输出端口固定到期望的光栅耦合器209a-209c，其中光纤阵列光接口201和光源组件203具有芯片上的耦合器209a-209c的总数的一半。

图3示出了光收发器300的wdm模式，其中1270nm到1330nmcw光信号可以经由外部光源光纤阵列203传送到芯片。因此，耦合到期望波长光栅耦合器的外部光源光纤阵列203的输出端口可以由demux或其他开关设备来选择，demux或其他开关设备将光信号路由到期望光栅耦合器。替代地，外部光源光纤阵列203的输出端口可被固定到光栅耦合器209b以用于期望协议/标准。cw信号然后可以使用mzi调制器205a-205d来调制，并经由耦合到光纤阵列光接口201的相关联的光栅耦合器209a传送出芯片。

类似地，调制的λ1-λ4波长(例如1270nm到1330nm信号)可以经由对应波长的psgc209b从光纤阵列光接口201接收，并被传送到4端口高速光电二极管207a-207d，其中可以生成表示在所接收的光信号中调制的数据的电信号。在另一示例场景中，通过将光纤阵列光接口201和外部光源光纤阵列203固定到适当的光栅耦合器209a-209c而不进一步切换模式，可以将收发器配置在wdm模式。然后，例如，在制造时，将对cwdm操作设置调制/解调方案。

图4示出了根据本公开示例实施例的动态可配置模式光收发器。参考图4，示出了具有可配置模式的光收发器400，其中接口201、源203、mzi205a-205d、光电检测器207a-207d和光栅耦合器209a-209c基本上类似于图2和3的这些元件。

另外，图4分别示出了光纤阵列光接口201a和光源光纤阵列203中的mux/demux201a和203a。mux/demux201a和203a可以包括使用定向耦合器和光开关的光学切换能力，例如用于从输入端口接收光信号并将它们路由到期望输出端口。mux/demux201a和203a可以分别集成在plc中，例如光纤阵列光接口201a和光源光纤阵列203中。

在操作中，mux/demux201a和203a可被配置为将光纤阵列光接口201a和光源光纤阵列203中的光纤之间的光信号耦合到期望耦合器209a-209c，使得光收发器400例如可以在期望模式下操作，诸如wdm或并行光纤。例如，对于诸如cwdm的wdm模式，mux/demux203a可被配置为将来自在波长λ1-λ4发射的激光器的光源信号耦合到标记为λ1-λ4的光栅耦合器209b。类似地，mux/demux201a可被配置为从标记为λ1-λ4的光栅耦合器209a接收光源信号，并且还将波长λ1-λ4的调制光信号耦合到标记为λ1-λ4的光栅耦合器209c。

在示例实施例中，公开了用于可选择并行光纤和wdm操作的方法和系统。在这方面，本公开的方面可以包括集成在硅光子芯片中的光电收发器，其中所述光电收发器包括光调制器、光电检测器、光栅耦合器、耦合到光子芯片的光源模块、以及耦合到光子芯片的光纤接口。光电收发器可操作以在第一通信模式中将连续波(cw)光信号从光源模块传送到光栅耦合器的第一子集，用于根据第一通信协议在光调制器中处理信号，以及在第二通信模式中，将cw光信号从光源模块传送到光栅耦合器的第二子集，用于根据第二通信协议在光调制器中处理信号。

处理的信号可以使用光栅耦合器的第三子集发送出光子芯片。根据第一通信协议调制的光信号可以从耦合到光栅耦合器的第四子集的光纤接口接收，或者根据第二通信协议调制的光信号可以从耦合到光栅耦合器的第五子集的光纤接口接收。可以使用光电检测器从所接收的调制光信号中生成电信号。

第一通信协议可以是波分复用(wdm)，第二通信协议可以是并行光纤。光栅耦合器的第四子集和第五子集可以是偏振分光光栅耦合器，并且光电检测器可以是多端口光电二极管。光栅耦合器的第四子集中的一个光栅耦合器和光栅耦合器的第五子集中的一个光栅耦合器可被耦合到每个多端口光电二极管。cw光信号可以使用光源模块中的多路复用器/多路解复用器被动态耦合到光栅耦合器的第一子集或光栅耦合器的第二子集。光源模块可以包括多个半导体激光器，其第一子集以用于第一通信协议的特定波长发射，其第二子集以用于第二通信协议的特定波长发射。光调制器可以是马赫-曾德尔干涉仪。

虽然已经参考某些实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不背离本公开范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等同物。此外，在不背离本公开范围的情况下，可以进行多种修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开旨在不限于所公开的特定实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。