CN102349013B - 用于点对点通信的光学引擎 - Google Patents

Abstract

一种光学引擎（11），用于提供设备之间的点对点光通信链路。该光学引擎（11）包括光学耦合到调制芯片（6）且被配置成产生光束的光源（24）。该光学引擎进一步包括被承载在调制芯片上且被配置成调制光束的调制器（21）。该光学引擎进一步包括波导（30），该波导在与衬底平面平行的平面内形成且被配置成将经调制的光束从调制器引导到分组在调制芯片的限定区域（48）中的多个平面外耦合器（40）中的至少一个。平面外耦合器可以将经调制的光束耦合到光学设备。

Description

用于点对点通信的光学引擎

背景技术

计算机性能日益受到计算机处理器快速且高效地访问片外存储器或者与其他外围设备通信的能力的限制。该限制部分地归因于可以适合限定的尺寸和表面面积的连接器的电气引脚的数量的固有物理限制，其反过来确定了最大电气带宽。电气引脚密度的饱和导致处理器或芯片的“引出线瓶颈”，其描述了当芯片封装的电气带宽变成性能限制因素时的情形。

附图说明

图1为依照本发明示例性实施例的具有光学调制器的发送基座单元的图示；

图2为依照本发明示例性实施例的具有多个环形调制器的发送基座单元的图示；

图3为依照本发明示例性实施例的具有环形调制器的发送基座单元的图示；

图4为依照本发明示例性实施例的接收基座单元的图示；

图5为依照本发明示例性实施例的光学引擎的图示；

图6为依照本发明另一个示例性实施例的光学引擎的图示；

图7为依照本发明示例性实施例的光学引擎和多芯光纤的图示；

图8a为依照本发明示例性实施例的形成于第一芯片和第二芯片上的光学引擎之间的点对点光通信链路的图示；

图8b为依照本发明示例性实施例的接合到第一和第二计算设备的光学引擎芯片之间的点对点光通信链路的图示；

图9为依照本发明另一个示例性实施例的光学引擎的图示；

图10为依照本发明另一个示例性实施例的接合到第一和第二计算设备的光学引擎芯片之间的点对点光通信链路的图示；

图11为描述依照本发明示例性实施例的用于在第一计算设备与第二计算设备之间传输点对点通信的方法的流程图；

图12为用于依照本发明示例性实施例的提供点对点光通信的光学引擎中的法布里-珀罗调制器的图示；以及

图13为依照本发明示例性实施例的用于调制多频光束的多个图12中的法布里-珀罗调制器的图示。

具体实施方式

本发明示例性实施例的以下详细描述参照了附图，这些附图形成其一部分并且在这些附图中示出了可以实施本发明的示例性实施例。尽管通过图示足够详细地描述了这些示例性实施例以便使得本领域技术人员能够实施本发明，但是应当理解的是，可以实现其他的实施例并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变。因此，本发明实施例的以下更详细的描述并不预期限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅出于说明的目的而给出；以便描述本发明的特征和特性，并且足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

本发明的以下详细描述和示例性实施例将通过参照附图而最佳地理解，在附图中，本发明的元件和特征始终通过附图标记标明。

图1-12中所示的是用于两个计算设备（例如两个计算机芯片）之间的点对点通信链路的光学引擎的本发明不同示例性实施例。该光学引擎可以用来克服由不能快速地访问片外存储器或者与其他外围设备通信而引起的计算机性能的越来越多的瓶颈。该限制部分地归因于可以适合限定的尺寸和表面面积的连接器的电气引脚的数量的固有物理限制，其反过来为确定用于通信的最大带宽的因素。因此，本发明的一个示例性应用可以是建立微处理器与单独的存储器芯片或设备之间的片内或者点对点光通信。

光学引擎是以降低的制造成本提供大大改善的性能的部件的组合。如以后将更详细地描述的，光学引擎可以包括光学耦合到调制芯片的光源。该光源可以处于与调制芯片分开的位置，并且可以通过本领域中已知的各种手段光学耦合到调制芯片。该光源可以产生光束。至少一个调制器可以被承载在调制或光学引擎芯片上并且可以调制由光源产生的光束。调制器可以是任何适当的类型，包括但不限于环形调制器和马赫-曾德尔调制器。例如，调制器的类型可以包括在与光学引擎芯片或衬底的平面平行的平面内形成的一个或多个消逝（evanescent）微环调制器。调制器可以调制光束以形成光学信号。

此外，波导可以被承载在调制芯片上，可以用于将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的限定位置或区域（例如在芯片中心或者芯片边缘）。该限定区域可以具有一个或多个诸如光栅耦合器等等之类的平面外耦合器，用于将经调制的光束光学耦合到光学设备或电气设备。经调制的光束可以通过多芯光纤从平面外耦合器光学耦合到光学或电气设备以用于传送到光学设备。多个平面外耦合器可以分组到相对较小的限定区域中。平面外耦合器具有比诸如LED或激光器之类的光学信号发生器更小的尺寸。这允许它们分组到小区域中。多个经调制的光学信号可以使用所述多个平面外耦合器耦合到单个光学波导，例如多芯光纤、光纤带或者空心金属波导。

光子检测器也可以包含在限定区域中以便接收从光学或计算设备广播的光学信号。由于光子光学信号检测器或者光检测器通常不比光学信号发生器（即激光器、LED等等）复杂，因而光检测器可以位于限定区域内以便直接接收通过多芯光纤行进的输入信号，或者它们可以分布在芯片表面上并且利用光栅耦合垫或者锥形波导类似地耦合到多芯光纤。

本发明的光学引擎可以帮助解决当今计算机设计者面临的、由每芯片数千电气引脚的近似上限引起的“引出线瓶颈”。这些电气引脚中的一些用于CPU到存储器业务或者可能适合于点对点链路的其他辅助通信。通过在两个计算设备之间提供直接的光学连接并且将CPU到存储器或辅助通信卸载为单独的多信道、点对点光学链路，可以将大量的输入/输出引脚重新分配给其他用途，导致可用于其他内部计算机操作的带宽的显著增加。

本发明相对于现有技术提供了进一步的优点，其可以包括传统的有线连接器以及光纤通信技术的最近发展。一个益处是较低的制造成本，因为光学引擎的每个部件，包括光检测器、波导和光学耦合器，可以使用诸如VLSI（超大规模集成）制造技术之类的成本有效的大批量制造工艺来制造。

本发明相对于现有技术的一个明显的优点是在与调制芯片分开的位置处产生光束的能力。这允许使用各种各样类型的激光器的效用。激光器和其他光源经常具有相当有限的工作温度范围。在一些环境中，有必要将调制芯片定位在诸如处理器之类的产生热量的计算部件附近。这在激光器中产生不是最佳的性能。调制器经常可在比激光器更宽的温度范围内操作。因此，尽管处理器温度可能处于对于调制器操作可接受的范围内，可能有利的是将激光器移到具有更合适的温度的位置。激光器或者其他光源可以产生通过光纤缆线、大芯空心金属波导、自由空间或者其他光传送设备载送到调制芯片的光束。可以使用本领域中已知的任何各种不同的部件将光束耦合到调制芯片。一些这样的部件可以包括光栅耦合器、锥形耦合器或边缘耦合器。

本发明的优点在于，诸如激光器之类的光源可以位于与调制芯片分开的位置并且调制器和/或光检测器可以与用于向限定区域和从限定区域引导光学信号的波导一起分布在光学引擎芯片的表面上，从而可以将大量的光学信号集中和组织成可配置用于耦合到诸如光子晶体纤维或光纤带之类的单个多芯光纤中的小印迹(footprint)。因此，对于现有的光学系统，可能需要具有检测器的单独的芯片以便接收到来的信号并且完成双工通信链路。形成对照的是，本发明的每个部件可以使用硅基或者III-V族半导体材料制造，从而允许微环调制器、接收光检测器及其关联的部件集成到相同的芯片中。在可替换的实施例中，调制器和光检测器可以由硅、锗、硅锗或者这些材料的组合制造。

本发明提供了可能吸引计算机设计者和工程师的附加益处。例如，所述两个计算设备之间的所有点对点业务可以由诸如光子晶体纤维或光纤带之类的单个多芯光纤处理，该光纤可以主动地或者被动地与光学耦合器对准，并且该光纤可以使用经过验证的粘合剂材料和方法附接到光学引擎上的限定区域。而且，本发明提供了直接地将光学引擎集成到计算设备中或者在单独的芯片上制造该引擎以便随后晶片安装到计算设备的便利和灵活性。

根据以下参照附图阐述的详细描述，上面记载的每个优点和改进将是清楚明白的。这些优点并不意在以任何方式进行限制。事实上，本领域技术人员应当理解，当实施本发明时，除了本文特别地记载的那些益处和优点之外，还可以实现其他的益处和优点。

图1中所示的是依照本发明示例性实施例的发送基座单元11，其可以用来产生由第一计算设备（未示出）调制的光学信号并且将该光学信号耦合到多芯光纤中以便传送到第二计算设备。发送基座单元可以包括用于产生光束的光源24，例如激光器或发光二极管。该光源可以位于与调制芯片6分开的位置并且可以光学耦合到调制芯片。在一个示例性实施例中，光源通过光纤26光学耦合到调制芯片。光束可以由光源产生，通过光纤行进并且可以通过各种各样类型的光学耦合器28耦合到调制芯片，所述光学耦合器例如但不限于光栅耦合器、锥形耦合器或边缘耦合器。光学耦合器28可以是各种任意的标准、消逝或尾纤耦合。

在耦合到调制芯片6之后，光束可以由调制器21进行调制。该调制器可以被承载在调制芯片上并且配置成调制由光源24产生的光束。该调制器可以是本领域中已知的任意各种类型的调制器。调制器的一些设想的示例包括微环调制器、马赫-曾德尔调制器、亚历山大调制器或者吸收调制器。尽管附图和本文的大多数讨论针对微环调制器的使用，但是应当理解的是，用于调制光束的任何适当类型的调制器都可以用来调制本发明的光束。

调制芯片6上承载的还有波导30，其被配置成将经调制的光束从调制器21引导到分组到调制芯片的限定区域内的多个平面外耦合器40中的至少一个。该波导结构可以以本领域技术人员已知的许多配置形成。在一个实施例中，波导可以是绝缘硅（Silicon-on-Insulator）波导。可替换地，可以使用聚合物波导。

在一个方面中，光束可以在到达调制器之前沿着波导行进并且然后作为经调制的光束或光学信号沿着波导继续行进。在另一个方面中，光束可以沿着第一波导行进到调制器，并且然后沿着第二波导从调制器行进到限定区域。在另一个方面中，光束可以在耦合到调制芯片时被调制器调制，从而光束不必经过波导，直到调制之后。

在波导30的末端是限定区域48，其中多个平面外耦合器40被分组。在一个方面中，这些平面外耦合器可以是光栅耦合器。经调制的光束或光学信号可以在波导30内与调制芯片6的平面平行地行进到平面外耦合器。平面外耦合器然后重定向光束以便向平面外行进到调制芯片。可以设想，多个光束可以由多个调制器调制并且行进到各平面外耦合器的限定区域，这些平面外耦合器全部被分组和配置成位于该区域内。在一个实施例中，当耦合到调制芯片时，多芯光纤的末端可以覆盖该区域。

在其中调制芯片6包括多个波导30的实施例中，单个光源24可以产生光束，该光束然后分离并且被载送到每个波导。光束可以在调制芯片上的分离器处分离，或者可以在之前分离（如图1中所示）。可替换地，可以使用多个光源，每个光源产生要载送到一个或多个波导的光束。也可以设想，单个光源可以产生要在多个调制芯片上使用的光束。可替换地，多个光源中的每一个可以产生用于至少一个调制芯片的光束。

图2示出了在许多方面与图1的设备类似的设备11。尽管图1绘出了与每个波导30关联的单个调制器21，但是图2的设备示出了其中多个调制器（在这种情况下为环形调制器20）与每个波导30关联的实施例。环形调制器可以定位成充分靠近波导以实现光学信号消逝耦合到环形调制器中。应当注意到，所示的环形调制器每个是不同的尺寸。环形调制器可操作来调制光束的特定波长。由环形调制器调制的波长与环形调制器的尺寸相关。环形调制器被设计成在特定波长处谐振。光源24产生的光束可以包含与可以由环形调制器调制的多个频率相关的多个波长。每个环形调制器可以有效地耦合其来自波导的谐振频率。可以用电子学方法控制环形调制器的谐振，从而使得光的耦合能够以希望的速率打开和关闭。环形调制器可以用来以大于1GHz的速率以及在一些情况下以大于10GHz的速率调制所选择的波长，从而使得数据能够以吉比特速率传输。

可以串联地使用任意数量的调制器，并且以特定次序调制所述频率是不必要的。如图2中所示，调制芯片可以具有任意各种调制器。例如，在A处是一系列用于以随机次序调制频率的环形调制器。在B处是以从左至右从最大到最小的次序放置的一系列环形调制器。在C处是处于与B处所示类似的次序的一系列环形调制器，但是C处的系列具有更少的串联的调制器。可以理解的是，可以改变和选择性地确定调制器的次序、数量和类型以便适合特定应用的需要。

图3中所示的是依照本发明示例性实施例的发送基座单元10，其可以用来产生光学信号并且将该光学信号耦合到多芯光纤以便传送到第二计算设备。光源24可以用来产生光学信号，该光学信号通过例如光纤26耦合到发送基座单元。锥形耦合器28可以用来将光学信号耦合到波导30。环形调制器可以用来调制光学信号的选定波长以便形成经调制的光学信号12。可以在硅基芯片衬底2之上形成的一个或多个底层基座层4上使用已知的大批量（例如VLSI）制造技术制造发送基座单元中的每个部件。尽管发送基座单元部件在图3中表示为在覆盖（多个）基座层4和衬底2的调制芯片6的单个光学引擎层中形成，本领域技术人员可以理解的是，各种基座单元部件，尤其是微环调制器20可以由不同材料形成的各种子层构成。例如，微环调制器可以由用来形成下包层（under-cladding）、微环谐振器和波导等的七个或更多不同层制造。

可以进一步理解的是，除了光源之外，发送基座单元的部件可以如图所示嵌入到光学引擎层6内，或者可以形成为在该层上方延伸并且被空的空间或透明保护涂层包围。在（多个）底层基座层4中可以提供光学引擎与驱动计算设备之间的电气连接。

本发明的灵活性的另一个方面是微环激光器的用于单模和多模操作二者的可配置性。在一个示例性实施例中，例如，本发明的光学引擎可以被配置用于以1310nm或1550nm波长为中心的单模操作。

微环激光器20的操作和功能，包括其用于单模和多模操作二者的可配置性，在2008年5月6日提交且题为“System and Method For Micro-ring Laser”的共同拥有的和共同待决的PCT专利申请号PCT/US081/62791中进行了更具体的阐述，该文献通过引用全部合并于此。

在图3所示的实施例中，微环调制器20可以用来调制由光学波导30载送的光束12的波长。波导30将经调制的光学信号12载送到平面外或发送光学波导耦合器40。当可以在单个芯片上形成多个发送基座单元10时，微环激光器和波导耦合器之间的距离相对较短，大约为100μm或更小，其用来最小化当光学信号通过固体硅波导行进时该光学信号的损耗或衰减。在一个示例性实施例中，波导30可以具有尺寸为大约0.5μm x 0.5μm的正方形或矩形截面。

平面外发送光学耦合器40用来相对于底层衬底2的平面将输出光学信号重定向到平面外。诸如镀银镜、分束器、光栅垫等等之类的不同类型的光学耦合设备可以用来将光束重定向到平面外。在一个示例性实施例中，可以将光学信号重定向为基本上与衬底平面垂直或成90度，但是应当理解的是，以大约30度或更大的角度重定向光束以便耦合到多芯光纤中也可以被认为落入本发明的范围内。

用于将输出光学信号12耦合到衬底平面的平面外的一种低成本但是非常有效的设备可以是光栅垫耦合器42。光栅垫耦合器通常可以包括光学波导30的扩展部分或垫44，该扩展部分或垫可以由相同的或不同的材料制成并且其可以与波导成整体地形成或者与波导分开地形成。垫44可以具有比其厚度大得多的宽度。可以在光栅垫耦合器的顶面中蚀刻或者以其他方式形成光栅模式的槽46，并且其向下延伸到光栅垫耦合器的主体内。光栅耦合器可以工作于光的衍射原理，其中通过垫材料行进时接触单个槽的光学信号将分离成若干分量，包括透射的分量、反射的分量和平面外分量。通过使用被精确地确定尺寸且沿着光栅垫的顶面隔开的多个槽，可以将光束的相当大的部分重定向为发送的光学信号14，其向平面外行进到波导平面。

光栅耦合器相对于衬底2平面将光学信号12重定向到平面外的效率可以通过控制光栅槽相对于光束波长的尺寸和间隔而优化。因此，可以针对微环激光器发射的激光的中心波长而调谐或优化光栅耦合器，正如可以调谐或优化将这两个设备连接在一起的波导一样。将整个发送基座单元调谐到由微环激光器产生的光的波长，例如调谐到上面描述的1310nm或1550nm波长，可以在最小化移动通过每个部件的光学信号的损耗时同时最大化基座单元的输出，导致具有降低的功率要求的光学引擎。

图4中所示的是依照本发明示例性实施例的接收基座单元60。该接收基座单元类似于发送基座单元地组织，具有通向光学设备的接收平面外光学耦合器70和波导80。在接收单元的情况下，接收的光学信号18在相反的方向上（即从平面外光学耦合器到光学设备）行进。光学设备可以是光子光学信号检测器，例如光检测器90。

所述接收光学耦合器70可以用来将相对于衬底2平面向平面外行进的到来的光束或输入光学信号16重定向成通过波导80且平行于衬底2平面移动的接收的光学信号18。接收光学耦合器70可以与发送光学耦合器基本上相同，并且可以进一步包括各种类型的光学耦合设备，包括镀银镜、分束器、光栅垫等等。

在图4所示的示例性实施例中，接收光学耦合器70可以是与发送基座单元中使用的光栅垫耦合器基本上相同的光栅垫耦合器72。其原因可能是两方面的。一个原因在于，光栅耦合器可以在重定向两个方向上行进的光方面是同等高效的。另一原因在于，如之后将更详细地描述的，可以经常成对地使用针对特定光波长优化的相同光学引擎，其中一个引擎的接收部分被调谐以接收和传送由另一个引擎的发送部分产生的光束。因此，位于接收基座单元60上的光栅垫耦合器72可以被配置成接收最初从针对相同光波长优化的发送基座单元产生和发送的输入光学信号16，在这种情况下，两个光栅耦合器可以基本上相同。

一旦输入光学信号16已经被捕获且由光栅耦合器72耦合到接收基座单元中，所接收的光学信号18就可以沿着波导80传送到光检测器90。该光检测器可以包括不同类型的光学检测设备，例如锗、硅锗或III-V材料层、p-i-n或肖特基二极管、光敏晶体管等等。然而，在一个示例性实施例中，光检测器可以由与微环调制器或微环激光器相同的III-V族半导体材料制成，以便有利于光学引擎的制造。

现在将参照图5和图6。示出的是光学引擎的示例性实施例100，其将多个发送基座单元110和接收基座单元160组合到单个芯片106上以便允许光学设备之间的全双工操作。可以在芯片上组织多个五个发送基座单元110（每个发送基座单元进一步包括单独的调制器120、波导130和发送光栅耦合器140），使得调制器朝外围分布并且光栅耦合器集中在中心位置或限定区域108内。每个发送基座单元可以进一步包括单独的光源或公共光源124以及通过耦合器128耦合到光学引擎的单独的光纤126，如上面已经描述的。多个五个接收基座单元160中的每一个可以进一步包括接收光栅耦合器170、波导180和光检测器190，并且可以类似地组织到芯片上，使得光检测器朝外围分布并且接收光栅耦合器170邻近发送光栅耦合器140地聚集在相同的居中限定区域108内。

图5示出了工作于与芯片或衬底106的平面平行的平面内的发送基座单元110和接收基座单元160提供的优点。该“水平”取向移除了将激光器本身置于限定区域108处的现有技术限制，并且允许大量的调制器120和光检测器190分布在光学引擎衬底106的表面上，同时使用相对较窄的波导130、180以便高效地将光学信号路由或定向到集中在限定区域处的光栅耦合器140、170。图5示出了具有十个在限定位置处形成的光栅耦合器的示例性实施例，但是应当理解的是，光栅耦合器140、170的小印迹以及硅波导130、180的窄宽度可以允许将限定区域配置用于至少三十个或更多光学通道。此外，片外光源的使用使得多个不同类型的光学信号能够被创建且耦合到光学引擎的所述多个光学通道。例如，可以使用一个或多个光源，包括发光二极管、单模激光器、多模激光器、可操作来产生多波长频率梳输出以用于密集波分复用的锁模激光器等等。载送单模光学信号的通道可以具有单个调制器，而载送频率梳信号的通道可以包括多个调制器，甚至包括数十个调制器，所述调制器例如示出的环形调制器120。如先前所讨论的，片外光源的使用也使得光学引擎能够用在相对较高热量的位置中，例如安装在芯片上。诸如激光器之类的光源典型地不在高热量位置中良好地起作用。

图6中示出的是光学引擎的可替换实施例102，其中光检测器本身可以位于限定区域处以便直接接收从第二片外源发送的一个或多个光学信号。第二片外源可以是存储器芯片、处理芯片、调制芯片、第二信号源等等。发送的信号可以通过诸如多芯光纤之类的光学波导耦合到光学引擎以便使得发送的（多个）信号能够传送到限定区域108。然后，可以在光检测器190处直接接收发送的信号。光检测器通常不比光学信号发生器（即激光器、LED等等）复杂，并且可以被配置成接收与衬底106平面平行或指向其平面外的光学信号。先前的实施例中的接收基座单元可以利用仅仅光检测器190本身来代替，这些光检测器可以位于通常与接收光栅耦合器处于相同位置的限定区域108内。该实施例可以简化光学引擎芯片的制造且降低成本，并且可以允许芯片的更多表面区域专用于放置发送基座单元。

如图6中所示发送光栅耦合器140和光检测器190在中心位置或限定区域108内的定位仅仅是代表性的，并且不限于所示的并排配置。本领域技术人员应当理解，在各种配置中，发送基座单元110和光检测器190可以重新定位和混合在限定区域108内以及光学引擎芯片106的表面上以便优化部件分布、多芯光纤的视线以及（多个）底层基座层中形成的电气通路。

图7为耦合到诸如单模或多模多芯光纤150之类的片外波导的光学引擎100的图示。片外波导是被配置成传送去往和来自限定区域108的光学信号的光学波导。例如，依照本发明的一个示例性实施例，片外波导可以是光子晶体纤维。多芯光纤可以包括包围通过该多芯光纤的长度延伸的多个光学芯的外层或鞘152。芯可以包含由固体、气体、液体或真空形成的基本上透明的材料，其允许光学信号通过芯传播。而且，芯154可以具有均匀的截面并且沿着光纤150的长度彼此隔开。应当进一步理解的是，多芯光纤的光学芯的配置可以与片外激光器产生的光学信号的类型兼容，并且因而可以配置用于单模或多模操作。

多芯光纤150可以具有用于耦合到光学引擎芯片106的中心位置或限定区域108的近端156以及用于耦合到一个或多个无源光学设备、有源光学设备、附加的光学引擎等等的远端158。近端156可以耦合到光学引擎芯片106的限定区域108，使得光学芯154与位于限定区域内的平面外光学耦合器140、170对准。光纤150的近端156也可以利用适当的粘合剂、附接方法或附接结构附接到光学引擎芯片106的顶面。

光学芯154与平面外光学耦合器140、170的对准可以通过被动或自对准方法以及主动方法来实现，所述主动方法监控在诸如光子晶体纤维之类的多芯光纤150耦合到芯片时经过该光纤的一个或多个光学信号的强度。2008年10月20日提交且题为“Method for Connecting Multicore Fibers to Optical Devices”的共同拥有的和共同待决的美国专利申请号12/254490中特别地阐述了关于所述不同方面的更多细节以及用于将多芯光纤与光学引擎对准且将其耦合到光学引擎的方法，该文献通过引用全部合并于此。

图8a中所示的是直接集成到第一和第二计算设备中的光学引擎之间的点对点光通信链路200，所述第一和第二计算设备例如中央处理单元210和单独的存储器芯片220。在该示例性实施例中，光学引擎240可以在制造期间直接集成到计算设备210、220的电路系统中，并且然后与多芯光纤250连接，该多芯光纤耦合到两个光学引擎的限定区域且与这些限定区域对准。应当指出的是，光源可以向多个光纤提供光束，每个光纤用于将光束传送到单独的波导，或者可替换地，单个光纤可以载送光束到光学引擎，其中分离器230将光束分离到光学引擎上的每个单独的传输波导。

图8b进一步示出了本发明的另一方面，其中单独的光学引擎芯片260已经晶片安装到两个邻近的计算设备210、220，并且然后与多芯光纤250链接以创建点对点光通信链路202。在以后附接到计算设备的单独的芯片260上形成光学引擎可以对于制造芯片中使用的制造工艺提供更大的控制并且在降低制造成本方面提供规模经济性。单独的光学引擎芯片260也可以允许创建基本上与光学引擎安装于其上的计算设备无关的通信协议。在这里也应当注意的是，在一些实施例中，单个光源或激光器可以光学耦合到多个光学引擎芯片。光源束可以如图所示在光学引擎芯片上的分离器230处分离。可替换地，如先前已经讨论的，单独的光纤可以将光束传送到每个光学引擎芯片上的每个传输波导。

图9和图10一起示出了在可以晶片安装到第一计算设备306和第二计算设备308的光学引擎芯片300之间创建的点对点光学链路302的另一个示例性实施例。在该实施例中，可以使光学引擎芯片300中形成的发送基座单元310和接收基座单元360朝芯片的边缘314取向而不是如先前的实施例中所描述的朝芯片的中心取向。在发送基座单元310中，输出光束可以在片外激光器中产生，传送到微环调制器320中以便进行调制并且在输出波导330中朝围绕芯片或衬底的边缘314组织的限定区域318传送以便耦合到可以与波导330对准且平行于衬底平面取向的光纤带350中。然而，在到达边缘之前，可以将光学信号传递到波导锥340中，所述波导锥将光学信号的模式变换成形成光纤带的单独光纤354的基本模式。

光纤带350可以载送输出信号到安装在另一个计算设备308上的类似光学引擎芯片300的接收部分（参见图10）。并且在倒双工（reciprocal duplex）方式下，耦合到第二光学引擎芯片的片外激光器可以用来将光学信号发送给第二光学引擎，其中可能发生希望的调制形式并且可以通过光纤带350将经调制的信号发送回安装在第一计算设备306上的光学引擎芯片以便通过波导锥370（参见图7）接收到输入波导380中，所述输入波导可以载送输入光学信号到接收光检测器390。

图11为描述依照示例性实施例的用于在第一计算设备与第二计算设备之间传输点对点通信的方法400的流程图。该方法包括操作：提供410被配置成产生光束的光源，其中该光源与调制芯片分开地定位，以及将光源光学耦合420到调制芯片。该方法进一步包括操作：使用承载在调制芯片上的调制器来调制430光束，接着在被承载在调制芯片上的光学波导中与调制芯片平面平行地将经调制的光束从调制器引导440到调制芯片的具有多个平面外耦合器的限定区域。然后，可以在至少一个所述平面外耦合器中将经调制的光束从与调制芯片平面平行地行进重定向450为向调制芯片平面的平面外行进。

该方法可以进一步包括一个或多个附加的步骤，例如：在位于限定区域中的检测器处检测光学信号；在调制之前分离光束并且在调制之后重新组合光束；使用多个微环激光调制器调制光束的多个频率；或者将经调制的光束耦合到多芯光纤中，其中该多芯光纤被配置成将经调制的光束传输到光学或电子设备。

在一些实施例中，光子晶体谐振器可以用来调制光束。图12中所示的是纳米腔法布里-珀罗调制器500。该调制器利用有源介质（有源区域）540之外的至少一个分布式布拉格反射器（DBR）530制成。DBR是周期结构的基于布拉格反射的布拉格镜，即反光设备（镜）。该调制器包括提供波长相关反馈以限定发射波长的波导结构520、560。波导520可以是无源的并且被配置成接收输入光束510。另一个波导560可以处于有源区域540的相对侧并且用来载送输出光学信号570。光学波导的一部分充当调制介质（有源区域）540，并且谐振器的另一端可以具有另一个DBR 550。在一些实施例中，该DBR可以是波长可调谐的。调制器的自由谱范围内的调谐可以利用单独的相位部分实现，该相位部分可以通过电加热调谐或者简单地通过经由驱动电流改变有源区域的温度来调整。如果整个设备的温度改变，那么波长响应远远小于普通的单模激光二极管，因为光栅的反射带移动，小于增益最大值。也可以实现电光调谐或者通过等离子体色散效应的调谐。较大的波长区域上的模跳自由调谐通过布拉格光栅和增益结构的协调调整而成为可能。

图13示出了并联使用610的多个法布里-珀罗调制器600，例如上面描述的那些调制器。光束输入620包含多个波长。该多波长输入可以是频率梳信号、密集波分复用（DWDM）信号或者诸如LED之类的宽带光源。取决于光源，调制器的自由谱范围可以被设计成满足频率梳、DWDM信号之间的间隔或者解复用（DEMUX 630）和复用（MUX 640）的信道间隔。这允许在调制器阵列中使用相同的调制器。MUX是可选的并且取决于芯片的架构。在DEMUX 630处，多波长输入620可以被解复用或分离成两个或更多波长650、660和670。然后，可以以与上面针对图12所述类似的方式调制这些不同波长的光束650、660、670。然后，在MUX 640处，可以复用或组合这些不同波长的光束或信号以便形成单个多波长输出光学信号680。

前面的详细描述参照特定示例性实施例描述了本发明。然而，应当理解的是，可以在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下做出各种不同的修改和变化。这些详细描述和附图应当被认为仅仅是说明性的，而不是限制性的，并且所有这样的修改或变化（如果有的话）预期落入如本文所描述和阐述的本发明的范围内。

更特别地，尽管本文描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不限于这些实施例，而是包括如下的任何和所有实施例，即该实施例具有本领域技术人员应当理解的基于前面的详细描述的修改、省略、组合（例如跨越不同实施例的方面的组合）、适配和/或更改。权利要求中的限制应当基于权利要求中采用的语言广义地解释，并且不限于前面的详细描述中或者本申请进行期间描述的实例，所述实例应当被解释为非排他性的。例如，在本公开内容中，措词“优选地”是非排他性地，其中它意在表示“优选地，但不限于”。任何方法或过程权利要求中记载的任何步骤可以以任何次序执行并且不限于权利要求书中给出的次序。

Claims (13)

1.一种用于调制光通信的光学引擎（11），包括：

光源（24），其与调制芯片（6）分开地定位且光学耦合到调制芯片，并且被配置成产生光束；

调制器（21），其被承载在调制芯片上并且被配置成调制由光源产生的光束；

波导（30），其被承载在调制芯片上并且被配置成将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的具有多个平面外耦合器（40）的限定区域（48）；并且

其中至少一个所述平面外耦合器被配置成将经调制的光束光学耦合到光学设备，其中多芯光纤（150）用来将经调制的光束耦合到光学设备，并且其中该多芯光纤的直径至少与限定区域一样宽。

2.一种用于调制光通信的光学引擎（11），包括：

光源（24），其与调制芯片（6）分开地定位且光学耦合到调制芯片，并且被配置成产生光束；

调制器（21），其被承载在调制芯片上并且被配置成调制由光源产生的光束；

波导（30），其被承载在调制芯片上并且被配置成将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的具有多个平面外耦合器（40）的限定区域（48）；并且

其中至少一个所述平面外耦合器被配置成将经调制的光束光学耦合到光学设备，

进一步包括沿着波导串联地定位的多个调制器，其中每个调制器被配置成在单独波长处调制光束。

3.一种用于调制光通信的光学引擎（11），包括：

光源（24），其与调制芯片（6）分开地定位且光学耦合到调制芯片，并且被配置成产生光束；

调制器（21），其被承载在调制芯片上并且被配置成调制由光源产生的光束；

波导（30），其被承载在调制芯片上并且被配置成将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的具有多个平面外耦合器（40）的限定区域（48）；并且

其中至少一个所述平面外耦合器被配置成将经调制的光束光学耦合到光学设备，

进一步包括并联地定位的多个法布里-珀罗调制器，并且其中在利用所述多个法布里-珀罗调制器进行调制之前将光束分离成单独的波长。

4.依照权利要求3的光学引擎，其中在调制之后将光束重新组合成单个经调制的光束。

5.一种用于调制光通信的光学引擎（11），包括：

光源（24），其与调制芯片（6）分开地定位且光学耦合到调制芯片，并且被配置成产生光束；

调制器（21），其被承载在调制芯片上并且被配置成调制由光源产生的光束；

波导（30），其被承载在调制芯片上并且被配置成将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的具有多个平面外耦合器（40）的限定区域（48）；并且

其中至少一个所述平面外耦合器被配置成将经调制的光束光学耦合到光学设备，

其中调制器为法布里-珀罗阵列。

6.依照权利要求1-5任一项的光学引擎，其中多个光束分别由多个光学波导引导到所述多个平面外耦合器。

7.依照权利要求1-5任一项的光学引擎，其中调制器为微环调制器（20）。

8.依照权利要求1-5任一项的光学引擎，进一步包括光子检测器（70），该检测器位于限定区域处并且被配置成接收来自光学设备的光学信号。

9.依照权利要求1-5任一项的光学引擎，其中平面外耦合器为光栅耦合器。

10.一种用于在权利要求1的光学引擎中调制光通信的方法，包括：

将光源光学耦合到调制芯片；

使用被承载在调制芯片上的调制器（21）来调制光束；

在被承载在调制芯片上的光学波导（30）中与调制芯片平面平行地将经调制的光束从调制器引导到调制芯片的具有所述多个平面外耦合器（40）的限定区域（48）；以及

在至少一个所述平面外耦合器中将经调制的光束从与调制芯片平面平行地行进重定向为向调制芯片平面的平面外行进，

进一步包括在调制之前分离光束并且在调制之后重新组合该光束。

11.依照权利要求10的方法，进一步包括使用多个微环激光调制器来调制光束的多个频率。

12.依照权利要求10-11任一项的方法，进一步包括在位于限定区域中的检测器（70）处检测光学信号。

13.一种用于调制光通信的光学引擎（11），包括：

光源（24），其被配置成产生具有多个频率的光束，并且其中该光源与调制芯片（6）分开地定位且光学耦合到调制芯片（6）；

多个调制器（20），其被承载在调制芯片上并且分别被配置成每个调制器调制由光源产生的光束的所述多个频率之一；

波导（30），其被承载在调制芯片上并且被配置成将经调制的光束从所述多个调制器引导到调制芯片的具有多个平面外光栅耦合器（40）的限定区域（48），其中至少一个所述平面外光栅耦合器被配置成通过片外光学波导将经调制的光束光学耦合到光学设备；以及

多个检测器，其处于所述限定区域内，被配置成接收通过片外光学波导传输到光学引擎（11）上的限定区域的第二经调制的光束；

其中多芯光纤（150）用来将经调制的光束耦合到光学设备，并且其中该多芯光纤的直径至少与限定区域一样宽。

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