CN107367790B - 检测器重调器和光电子交换机 - Google Patents

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Abstract

一种光电子分组交换机，包括：一个或多个交换机输入，用于接收光学分组信号；无源光学路由器，具有输入端口和输出端口，它们之间的光路是波长相关的；以及多个DRM，各DRM包括：一个或多个检测器；一个或多个调制器，各调制器配置成：从激光器接收具有波长的未调制光学信号；接收来自检测器之一的电分组信号；并且生成在波长的调制光学信号，调制光学信号包含电分组信号的信息，并且波长选定成，为调制光学信号选择无源光学路由器的期望输出端口；以及电子电路，将一个或多个检测器的每个连接到对应调制器；其中一个或多个调制器的每个是与配置成向其提供未调制光学信号的激光器相分离的组件。

Description

检测器重调器和光电子交换机
本申请是申请日为2015年2月24日、申请号为201580002793.3、发明名称为“检测器重调器和光电子交换机”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及检测器重调器，更具体来说涉及与光电子交换机配合使用的检测器重调器。
背景技术
在光学通信和光学交换中，众所周知的是，信号能够从第一通道或波长的第一光学信号转置成第二通道或波长的第二光学信号。
检测器重调器可用来将第一光学信号转换成第二光学信号，并且涉及在其中将第一(调制)信号转换为电信号的第一信号的检测，之后接着由(调制)电信号进行的第二(未调制)波长/通道的光的调制。在电域中的同时，信号可有利地例如通过放大、整形、重新定时和滤波中的一个或多个来处理，以便提供清洁信号以施加到第二波长/通道。但是，当前在本领域中，为了在高数据速率下以低噪声对电信号进行放大和滤波，电路必须包含在独立电子芯片中，独立电子芯片要求封装和安装，由此增加尺寸和成本，并且降低电能效率。
在US 6680791中，提供一种集成芯片，其中光检测器和调制器紧密定位在一起，使得检测器部分和调制器部分之间的电连接较短并且具有低电阻率。但是，由于二极管电容和薄膜电阻限制，对这个结构预测仅10Gb/s数据速度的最大值[O.Fidaner等人，OpticsExpress，vol.14，第361-368页，(2006)]。
US 6349106描述一种由电路采用从第一光学波长所导出的信号来驱动的可调谐激光器。但是，因为它包括III-V材料光子集成电路并且涉及外延异质结构和垂直p-i-n二极管结构的使用，所以在其设计方面是不灵活的，并且因此对于涉及增加交换速度、降低的延迟、降低的电能消耗和对较低成本和高产率可制造性的需求的新应用来说是不充分的。具体来说，因为包括建立于半导体芯片上的调制器的半导体装置由在顶面上的接触与覆盖芯片的基底或底面的全部或大比例的接触之间完成的电路来驱动，所以装置的电容无法轻易通过内置于这种结构的设计特征，诸如掺杂区和金属接触，来控制。
不顾AWG可提供的优点，阵列波导光栅(AWG)在光学交换(包括光学电路交换和光学分组交换)中的应用一直缓慢。这部分地归因于AWG的不利特征，诸如跨波长范围的不均匀响应、多次传递之后有限带宽的级联效应以及不同端口之间的串扰。
AWG在光学交换中的使用是已知的；Ye等人(IEEE/ACM Transactions onNetworking，VOL PP，Issue 99，第1页，2014年2月)和Bregni等人(IEEE Journal onSelected Areas in Communications，VOL 21，No 7，2003年9月)。Ye等人描述AWG在Clos类型光学交换机和其他架构中的使用，以及Ngo等人(Proceedings 23rd Conference ofIEEE Communications Soc，2004)说明了为可重新排列非阻断和严格非阻断的AWG交换机架构。
实现光学交换机中的困难之一是速度，另一个是延迟。不良延迟在诸如高性能计算和数据中心交换之类的使用(在其中尽可能接近实时地对系统进行访问或在系统上进行快速数据交换是合意的)中是特别不合需要的。
发明内容
本发明旨在通过，按照第一方面，提供一种检测器重调器来解决这些问题，检测器重调器包括绝缘体上硅(SOI)波导平台，其包括：检测器，耦合到第一输入波导；调制器，耦合到第二输入波导和输出波导；以及将检测器连接到调制器的电路；其中检测器、调制器、第二输入波导和输出波导布置在彼此相同的水平平面中；并且其中调制器包括调制波导区，在其中跨波导水平地设置半导体结。
调制区可以是相位调制区或幅度调制区。
水平平面应当被理解为与衬底表面的平面平行的任何平面。半导体结应当被理解为对应于具有不同半导体费米能量的不同区域之间的任何一个结或者任何数量的结，由此形成光电子区。半导体结可以或者可以不包括本征区。
半导体结是水平的，因为该结由在(和/或延伸到)波导一侧的第一掺杂区和在(和/或延伸到其中)波导相对侧的第二掺杂区来形成。因此，半导体结的所有掺杂区沿检测器、调制器、第二输入和输出波导所限定的水平平面摆放。
检测器重调器以及特别是水平结的平面布置实现设计和制作方面的增加的灵活性，因为在波导的任一侧而不是波导上方或下方的掺杂段的位置在其尺寸和形状方面产生更大自由度。
水平结配置还实现对结区的每个的简易访问。在结包括两个掺杂区之间的本征区(或第三掺杂区)的情况下，这是特别有用的，因为它使与三个区域的每个对应的电极能够定位在相应区域上面。
由于本发明的检测器重调器具有水平结配置，所以诸如掺杂区的尺寸之类的属性在设计和制造期间能够易于适配和控制，决定性地影响操作速度的、诸如电容之类的参数能够因此被控制。
在它们的平面配置中，检测器、调制器、电路、输入波导和输出波导形成SOI平面光波电路(SOI-PLC)。绝缘体上硅是用于光学装置的构造和集成的实用平台。与III-V异质结构半导体光子集成电路技术相反，体半导体SOI和SOI-兼容材料在这种PLC技术中的使用允许检测器和调制器的集成，而没有与多个异质结构的外延再生长关联的低制造产率。现在将陈述本发明的可选特征。这些单独地或者按照与本发明的任何方面的任何组合是可适用的。
第一输入波导(其耦合到检测器的输入)优选地还布置成位于与检测器、调制器、第二输入波导和输出波导相同的水平平面中。
调制区的半导体结可以是p-n结，并且，对于所述的各调制器实施例，可包括2个掺杂区(p-n)、4个掺杂区(p+、p、n、n+)；或者甚至6个区域(p++、p+、p、n、n+、n++)。
这个p-n结还可包括第一和第二电极，第一电极直接位于p-n结的p掺杂区上方，而第二电极直接位于p-n结的n掺杂区上方。
调制区的半导体结可以是p-i-n结。
p掺杂和n掺杂区位于波导的任一侧，其中本征区位于其间。掺杂区可延伸到波导中，使得本征区的宽度小于波导的宽度。
p-i-n结还可包括第一、第二和第三电极，第一电极直接位于p-i-n结的p掺杂区上方，第二电极直接位于n掺杂区上方，而第三电极直接位于p-i-n结的本征区上方。
电极优选地是金属带，其沿其长度位于有关掺杂区上方。这样，电偏置能够经由位于其上方的电极施加到有关掺杂区。
一般来说，电极应当较小，以及半导体结(p-n、p-i-n或其他)中的掺杂区应当较小。
沿水平平面获得并且沿与掺杂波导的纵(或者圆周)轴垂直的方向的、掺杂区的宽度是特别重要的。
例如，在诸如p-n结的单个半导体结中，p掺杂或n掺杂区的总宽度可以不大于20μm。在p掺杂区分级成不同子区域(例如，因为它包含p、p+和p++区域)的情况下，每个子区域可具有不多于15μm的的宽度，但是不同子区域的宽度可能彼此充分不同，例如，p掺杂区可能大于p+和p++区域的每个。为了对调制和检测器速度进一步改进，这种子区域可具有不多于10μm、5μm、2μm、1μm、0.5μm或者甚至0.3μm的宽度。
尽管上述尺寸是关于p掺杂区来描述，但是它们同样适用于n掺杂区。
此外，在调制器或检测器波导包括半导体-本征-半导体结(例如，p-i-n结)的情况下，各掺杂区可具有沿水平平面获得并且沿与纵(或者圆周)轴垂直的方向的、不多于15μm的宽度，或者为了进一步降低操作的速度，具有不多于10μm、5μm、2μm、1μm、0.5μm或者甚至0.3μm的宽度。
对掺杂区施加偏置的电极将优选地具有小于那个掺杂区的宽度的宽度。取决于有关掺杂区的尺寸，电极因此可具有不多于10μm的宽度，或者为了进一步降低操作的速度，具有不多于5μm、2μm、1μm、0.5μm或者甚至0.3μm的宽度。
检测器或调制器区域的波导的脊宽可以为0.3-1μm或者优选地为0.45-0.9μm，以及检测器或调制器区域的层高(slabheight)可以为0-0.4μm、优选地为0.05-0.035μm。硅覆层厚度可以为0.2-3.5μm、优选地为0.2-3.2μm。
调制器的幅度或调制区优选地从体半导体材料来形成。
优选地，检测器还包括波导部分，其中半导体结跨波导水平地设置。
检测器的掺杂段因此也位于波导的任一侧而不是波导上方和下方。
检测器的半导体结可以是p-i-n结。如同p-i-n调制器一样，p掺杂和n掺杂区位于波导的任一侧，其中本征区位于其间。
备选地，检测器的半导体结可以是n-i-n、n-p-n或p-i-p结，使得检测器作为光电晶体管来起作用。这样，检测器本身在避免对独立组件(其提供增益但是不合需要地增加电阻)的需要的同时提供增益。避免对放大光学输入信号的光学放大器的需要也是有利的，因为光学放大器(诸如半导体光学放大器，SOA)对光学信号增加噪声，并且还吸取显著附加电能以及向SOI平台增加成本和复杂度。对光学放大器的备选方案是所接收输入信号的电放大。但是，除非使用跨阻抗放大器(TIA)，否则需要高跨阻抗电阻电路，其不利地阻止高速操作。
n-i-n、n-p-n或p-i-p掺杂结构的每个可提供不同量的电增益和/或电带宽；通常，设计的增益越高，则电带宽越低。
光电检测器优选地从体半导体材料来形成。
电路可以是单个金属带或者相互串联和/或并联放置以形成简单RF电路的几个金属带。这样，电路的复杂度降低。具有这种电路的检测器重调器是优选的，其中所接收光学输入信号传播通过短距离，并且因此没有引起严重的光学减损。在这类情况下，可以仅期望信号的放大，因为信号的强度可能已经降级。但是，所增加的抖动或幅度量不应当是显著的，因此应当不需要对信号进行整形或重新定时。
电路从其在检测器处的电连接到其在调制器处的电检测器的长度可取从1.0至2×104μm的任何值。在电路有利地保持为较小以增加速度的情况下，它可以是不多于10μm、在1.5μm至10μm的范围之内或者甚至不多于1.5μm。电路将与实践中可能的一样宽和厚(例如5.0-50μm)。
电路可包含一个或多个电阻器，并且该一个或多个电阻器可包括可变电阻器。
电路可包括非线性电路元件(例如晶体管)，其配置成放大电信号(其形成对具有高速电路的调制器的输入)，和/或按照这样一种方式来限制电信号：即，信号不会下降到低于最小量值和/或高于最大量值。
电路可以是单片式的。这样，DRM的制造的全部在半导体制作过程中执行。仅要求额外的制作过程步骤。
电路可以是带状线电路。这样，电路的制作得到简化，并且因此比备选电路更加有成本效益的，从而仅要求应用掩模和金属化过程。这种类型的电路是最适合的，其中电路本身具有简单结构，诸如单个金属带或者少量金属带。在这里，再次仅要求额外的制作过程步骤。
电路可以是表面安装的。当电路包括诸如晶体管、滤波器和/或附加非线性组件之类的组件时，这种类型的电路是特别有用的。这类组件不能作为带状线电路的部分来添加。
调制器可以是电吸收调制器(EAM)。这种类型的调制器有利地是简单的，并且提供较高调制速度。
EAM调制器优选地由SiGe来形成。
备选地，调制器是马赫-曾德尔调制器(MZM)。这种类型的调制器优于EAM，因为它能够对更大波长带宽起作用。另外，可以不需要设计调制器的材料，使得它具有精确带隙波长。在其他调制器、例如EAM调制器中，要求对SiGe组成的控制，这可包括Ge或SiGe的结合和外延生长。具体来说，同质硅实施例更易于制作。
另一方面，装置的总长度更长，并且更高的插入损耗意味着MZM与EAM相比能够是不太能量高效的。另外，这个调制器要求具有更多掺杂区的更复杂p-n掺杂结构；以及采取相位匹配和阻抗匹配RF驱动电路的形式的更复杂电路。能够达到25GHz和更大的操作速度的RF驱动电路不是简单的。
此外，MZM与其他调制器相比具有更大的装置尺寸，并且MZM要求附加微调区以将激光波长与‘通’态的通带波长进行匹配。
优选地，MZM的各臂包括调制区(例如幅度或相位调制区)。各调制区具有高操作速度(即，25Gb/s的操作速度，其中具有15或更多GHz的3-dB带宽)。
优选地，MZM的各桥臂除了调制区之外还包括相移区，并且相移区优选地具有比调制区更低的速度。
相移区可包括p-i-n结，使得它通过载流子注入方式进行操作。另一方面，相移区可包括p-n结，使得它通过载流子耗尽方式进行操作。
相移区可以是低速的，因为其功能是腔FSR微调。这样，它们提供操作波长微调以及热漂移补偿的工具。
调制区可以是同质硅或者可以是硅锗。
马赫-曾德尔调制器可以是单驱动的，或者可以是双驱动的，并且可以是推/拉式马赫-曾德尔调制器。在使用推/拉配置的情况下，在各臂中要求较低驱动电压。
按照备选实施例，调制器可以是法布里-珀罗谐振调制器。
法布里-珀罗(F-P)谐振调制器可在单个波导段中由两个反射器与该两个反射器之间的一个或多个调制区(例如相位调制区或幅度调制区)串联而形成。
这样，IIR滤波器的使用意味着由调制区所引起的折射率变化的效果通过谐振腔中增加数量的往返来增强。在调制通过载流子注入来执行的情况下，要求较小注入电流密度来以给定消光比执行调制。在调制通过载流子耗尽来执行的情况下，要求较小偏置电压来以给定消光比执行调制。因此，在DRM中，需要较小光学或电放大来执行调制(与EAM或MZM实施例相比)。F-P还能够通过使用微调在更大带宽上工作。
另一方面，法布里-珀罗实施例的制作和设计复杂度因结合DBR光栅或反射器而更大。随着调制器的渐增的高速度(25或40Gb/s)，制造复杂度和容差增加。另外，腔的光子使用寿命必须最佳地保持为较低，这意味着腔长度必须较短并且精细度(Finesse)充分低。
此外，F-P调制器和IIR谐振器一般对温度更为敏感，因此要求波长的主动微调。
如同先前实施例一样，调制区可以是同质Si或SiGe。
法布里-珀罗谐振调制器的反射器可以是DBR光栅，以及具有短长度和深蚀刻深度的宽带DBR光栅是优选的。每个DBR反射器可采取只是单线宽带局部反射器的形式(即，各自可只包含每个反射器一个光栅线，也就是说，单波导缺陷)。
DBR优选地对调制器的操作带宽具有相等反射率。光栅的反射率值选定成，给予一个精细度值，其足够大以创建足够腔往返，以便增强Δn的效果来充分减少以期望消光比执行调制所需的驱动电流或驱动电压的量，但是足够小以给予小于1/(位周期)的腔使用寿命。
法布里-珀罗谐振腔除了调制区之外还可包括相移区，其中相移区具有比调制区更低的速度。
如同本文所述的其他调制器实施例一样，相移区提供用于腔FSR调谐的工具，并且可包括p-i-n结或者可包括p-n结。
按照另一个备选实施例，调制器是环形谐振器。
与法布里-珀罗调制器相比，环形谐振调制器有利地是制作更简单的，但是具有更严格的制作容差。
另外，优选地要求热调谐(加热器垫)用于微调，环形谐振器本身是本领域众所周知的。环形谐振调制器优选地包括具有形成光电子区的半导体结的环形谐振器，以及，如同以上所述的先前调制器一样，半导体结可以是p-n相位调谐区。这样，环形谐振器能够通过跨p-n结的偏置的施加而作为调制器起作用。
p-n结的p和n掺杂区汇合所在的实际边界优选地为圆形，并且沿着或靠近与内和外波导脊等距的波导轨道的中心来摆放。n掺杂区可位于环形波导内部，包括环形波导本身的内半部，但是还朝内延伸到内波导脊之外。p掺杂区可位于环形波导外部，包括环形波导的外半部，但是还朝外延伸到外波导脊之外。
在备选实施例中，p掺杂区可位于环形波导内部(包括环形波导本身的内半部，但是还朝内延伸到内波导脊之外)，以及n掺杂区可位于环形波导外部(包括环形波导的外半部，但是还朝外延伸到外波导脊之外)。
可选地，环形谐振器包括环状波导；第一直波导，将光耦合到环状波导中；以及第二直波导，将光耦合离开环状波导。在这种情况下，透射谱将形成峰值的周期性集合，各峰值经由与环形谐振器的自由谱范围(FSR)成比例的波长差与相邻两个峰值分离。
可选地，环形谐振器包括环状波导和单个直波导，以将光耦合到环状波导中以及耦合离开环状波导的光。在这种情况下，透射谱将形成陡峭谷的周期性集合，各谷经由与环形谐振器的自由谱范围(FSR)成比例的波长差与两个直接相邻的谷分离。由于这个透射谱是“双直波导”实施例的那个的倒转，所以这种布置与单耦合波导版本相比将要求相反驱动信号(将会跨p-n结施加的偏置)，以便产生相同调制效果。
在环形谐振器包括第一和第二耦合波导的情况下，第一直波导位于环状波导的一侧，而第二直波导位于环状波导的相对侧。
不管用于将光耦合到和耦合离开环形波导的机构，环形谐振调制器除了半导体结之外还优选地包括微调区。这个微调区可以是用于执热调谐的加热器。应用于环形谐振器的这类加热器是本领域已知的(参见Dong等人，Optics Express，vol.18，No.11，10941，2010年5月24日)。
备选地，微调区可包括结合到谐振器中的附加半导体结(即，除了控制高速调制的p-n结之外)。
耦合到两个直波导的环形谐振器优于具有一个单直波导的实施例，因为它没有反转驱动信号(高电压为‘导通’)。另外，因为导通-谐振给予高传输，所以环形谐振器要求较小电压摆动以获得良好消光比。然而，第二直波导的添加增加制作复杂度以及增加跨越波导的金属量，因此不仅增加工作装置的光学损耗，而且还增加制作期间的复杂情况的可能性。
在所有实施例中，半导体光学放大器(SOA)可位于波导平台中输入波导(其将光耦合到检测器中)之前。
按照本发明的第二方面，提供一种供绝缘体上硅波导平台中使用的检测器重调器，该检测器重调器包括：检测器；调制器以及将检测器连接到调制器的电路；其中调制器是环形谐振调制器。
按照本发明的第三方面，提供一种在绝缘体上硅平台上制造检测器重调器的方法，该方法包括下列步骤：提供检测器和耦合到检测器的第一输入波导；提供调制器，其包括具有光电区的波导、耦合到调制器的第二输入波导、和也耦合到调制器的输出波导；以及提供电路，其将检测器电连接到调制器；其中检测器、调制器、输入波导和输出波导全部位于彼此相同的水平平面中；该方法还包括步骤：生成在波导的一侧的第一掺杂区和在波导的相对侧的第二掺杂区，第一和第二掺杂区形成跨调制器波导水平地设置的半导体结。
掺杂区的尺寸可选定成优化装置的速度。
该方法还可包括步骤：提供本文中关于第一方面的一个或多个实施例所述的特征。
下面陈述本发明的其他可选特征。
按照本发明的第四方面，提供一种光电子分组交换机，包括：一个或多个交换机输入，用于接收光学分组信号；无源光学路由器，具有输入端口和输出端口，它们之间的光路是波长相关的；交换机控制单元；以及多个检测器重调器(DRM)，配置成接收来自一个或多个交换机输入的光学信号，并且生成调制光学信号供传送到无源光学路由器的输入端口，各检测器重调器(DRM)包括：一个或多个检测器，用于将在一个或多个交换机输入所接收的光学分组信号转换为电分组信号；一个或多个调制器，用于生成调制光学信号，各调制器配置成：接收来自可调谐激光器的波长调谐激光输入；接收来自检测器之一的电分组信号；以及生成在调谐波长的调制光学信号，调制光学信号包含电分组信号的信息，并且调谐波长选定成，为调制光学信号选择无源光学路由器的期望输出端口；以及电子电路，将检测器连接到调制器；其中一个或多个调制器的每个是与可调谐激光器(其提供它的波长调谐激光输入)分离的组件；并且其中交换机控制单元包括调度器，其在通信上连接到每个DRM的电子电路；电子电路配置成基于从交换机控制单元所接收的调度信息来控制由调制器进行的、调制光学信号的生成。调制光学信号的生成的这个控制可包括调制器的控制和所产生调制光学信号的载波波长的控制。
这样，电子电路可包括用于驱动调制器的调制器驱动器和用于驱动独立可调谐激光器的激光波长调谐器。除了调度器之外，交换机控制单元还可包括中央处理单元(CPU)，其可执行附加的交换机控制功能。
电子电路可配置成执行下列功能的任一个或多个：判定调谐激光器的波长；判定相对于其他分组的、经过无源光学路由器发送特定分组的定时；判定调制光学信号的调制速率；以及判定应当使用哪一种调制协议。
判定波长的过程可涉及用于确定特定分组信号的路由的调度器，并且这个调度器可位于电子电路外部的交换机控制单元中。因此，电子电路可配置成接收来自调度器的信息，并且基于这个信息来控制可调谐激光器的波长。
按照本发明的第五方面，提供一种检测器重调器(DRM)，包括：一个或多个检测器，用于将光学分组信号转换为电分组信号；一个或多个调制器，各调制器配置成：接收来自可调谐激光器的波长调谐激光输入；接收来自检测器之一的电分组信号；以及生成在调谐波长的调制光学信号，调制光学信号包含电信号的信息；以及电子电路，连接检测器和调制器，电子电路包含用于基于来自外部控制单元的调度信息来控制调制光学信号的生成的部件；其中调制器是与可调谐激光器分离的组件。此外，调制光学信号的生成的控制可包括调制器的控制和所产生调制光学波长的波长的控制。
因此，第四实施例的光电子分组交换机的DRM的一个或多个可对应于第五实施例的(一个或多个)DRM。
通过“独立组件”，设想调制器可采取可调谐激光器组件外部的任何形式。这可采取邻接可调谐激光器芯片的调制器芯片的形式，或者可采取在物理上与可调谐激光器芯片分离的调制器的形式。调制器和可调谐激光器可单片地集成但是在平面图上仍然物理地分离。与在可调谐激光器本身的腔中，即，在激光器的反射镜所创建的腔中执行调制的备选方案相比，本发明的光电子分组交换机使更快的交换速度能够被达到。
光电子分组交换机的DRM的每个的调制器可采取本申请所述的调制器的任一个或任何组合的形式。例如，调制器可以是电吸收调制器、马赫-曾德尔调制器、法布里-珀罗谐振调制器或者环形谐振调制器，并且可包括跨波导水平地设置半导体结所在的调制区，并且调制器区域可采取下列形式：电吸收材料；或者马赫-曾德尔调制器内部的(一个或多个)相移区；法布里-珀罗谐振腔；或者环形谐振器。
DRM的一个或多个的电子电路可包括分组处理器。这样，由检测器所生成的电分组信号的报头处理在DRM中执行。
备选地或附加地，交换机控制单元可包括分组处理器，这样，由检测器所生成的电分组的报头处理可在交换机控制单元中的DRM外部来执行。在交换机控制单元中执行分组处理的情况下，只有分组的一部分可从光电子交换机的DRM的每个发送给交换机控制单元，并且处理只使用这些部分来执行。这使要求由DRM发送和接收的数据量能够减少。
DRM的电子电路可配置成向调度器传送与每个电分组信号有关的信息。它还可配置成接收来自调度器的控制信息。
DRM的电子电路可包括波长调谐器，其基于从交换机控制单元所接收的信息来控制波长调谐激光输入的波长。这样，在DRM外部不要求可调谐激光器的控制。
每个DRM的电子电路还可另外配置成包括用于电分组信号的缓冲器。这个缓冲可在DRM内的SRAM模块中执行，这种SRAM模块位于检测器和调制器之间并且与从交换机控制单元发送给DRM的任何信号进行通信，使得与调度信号对应的电分组按照调度信息来缓冲。
DRM的电路可以是电子电路，例如专用集成电路(ASIC)。这个专用集成电路可以是任何多功能CMOS芯片。
DRM的各电子电路可采取CMOS芯片的形式，其可包括下列一个或多个：接收器电路、跨阻抗电路、增益电路、信号再生电路和调制器驱动器。信号再生电路可包括信号重新定时和信号整形。
每个DRM的电子电路的至少一部分可以是与光子芯片(其包含检测器和调制器)直接接触的电子芯片。
电子芯片优选地紧靠检测器和/或调制器，以便使操作速度最大化。为了使速度最大化，电子芯片(例如CMOS芯片)例如可专门安装，采用低电容和低电阻金属连接按倒装芯片(flip-chip)方式接合。备选地，电子芯片可经由插入器附连在硅光子芯片之上，或者可单片集成。
DRM电子电路的处理器和/或其他组件可集成到与调制器驱动器相同的CMOS芯片中。这帮助优化装置的速度以及保存光子芯片上的不动产(real estate)。
检测器和调制器可以相互紧靠。优选地，检测器与调制器之间的电路径不多于1cm，甚至更优选地，电路径不多于1mm，甚至更优选地，电路径不多于100μm。
有利地，从用户的角度来看，光电子交换机看起来是“全光”的，不管处理和调度是在电域中执行的事实。
检测器优选地是光电检测器(例如光电二极管)，尽管它可采取适合于检测输入信号的任何接收器的形式。它例如可包括突发模式接收器。
无源光学路由器可以是AWG、例如循环AWG。
交换机架构可采取Clos网络的形式。
每个DRM可配置成将输入光学分组信号划分为多个独立流，其由DRM的电子电路并行地处理。
每个DRM可支持一个或多个标准协议，例如：1G、2.5G、10G、25G、40G、100G以太网，以及用于InfiniBand、PCI Express、SATA和USB的相似速率。
每个DRM可配置成具有到交换机控制单元的分组调度器的特定接口。例如，调度器和多个DRM全部可位于同一电路芯片上。备选地，调度器和/或DRM电路可能是芯片上网络(network-on-chip)标准，诸如ARM AMBA。或者DRM的一个或多个的调度器和电路可在物理上分离并且例如通过PCI Express相互连接。
每个DRM可包括多个端口(例如4个输入端口和4个输出端口)，并且将包括检测器-调制器对，使得存在与调制器相同数量的检测器。
进入端口的数据的各分组可划分为可并行处理的多个通路(lane)。多个通路可以为4个或更多通道，但是可以是任何数量N的多个通路。在存在四个通路的情况下，各通路可形成25G数据流。
DRM的电子电路还可包括一个或多个缓冲器，其可由SRAM来组成。
各检测器重调器的检测器和调制器可在单个光学芯片上彼此相邻定位。
按照本发明的第六方面，提供一种使用具有多个输入端口和多个输出端口的无源光学路由器的光学分组交换的方法，该方法包括下列步骤：
提供光电子分组交换机，其包括：一个或多个交换机输入，用于接收光学分组信号；无源光学路由器，具有输入端口和输出端口，它们之间的光路是波长相关的；交换机控制单元；以及多个检测器重调器，配置成接收光学输入信号，并且生成调制光学信号，供传送到无源光学路由器的输入端口；
在检测器重调器的一个或多个从一个或多个交换机输入接收光学分组信号；
使用一个或多个检测器重调器的一个或多个检测器将所接收的各光学分组信号转换为电分组信号；
在一个或多个检测器重调器从独立波长可调谐激光器接收波长调谐激光输入；以及
在一个或多个检测器重调器的调制器生成在调谐波长的调制光学信号，调制光学信号包含电分组信号的信息，并且具有选定成引起无源光学路由器的期望输出端口的波长；
其中调制器经由电子电路来控制，电子电路将它连接到一个或多个检测器其中之一，并且基于从交换机控制单元所接收的调度信息来控制调制过程。
在电子电路控制调制过程的步骤还可包括控制独立波长可调谐激光器的调谐波长的步骤。这个步骤可包括在交换机控制单元中的调度器为分组信号确定路由。与所选路由有关的信息可从交换机控制单元来发送并且由检测器重调器(其然后基于这个信息来控制可调谐激光器的波长)的电子电路来接收。
以上关于第四方面的光电子分组交换机和第五方面的DRM所述的可选特征全部可作为第六方面的方法的步骤来提供。
按照本发明的第七方面，提供一种光电子电路交换机，包括：一个或多个交换机输入，用于接收光学输入信号；无源光学路由器，具有输入端口和输出端口；交换机控制单元；以及多个检测器重调器(DRM)，配置成接收来自(一个或多个)交换机输入的光学信号，并且生成调制光学信号，供传送到无源光学路由器的输入端口，各检测器重调器(DRM)包括：一个或多个检测器，用于将在(一个或多个)交换机输入所接收的各光学信号转换为电信号；一个或多个调制器，用于生成调制光学信号，各调制器配置成：接收来自可调谐激光器的波长调谐激光输入；接收来自检测器之一的电信号；以及生成在调谐波长的调制光学信号，调制光学信号包含电信号的信息，并且调谐波长选定成为调制光学信号选择无源光学路由器的期望输出端口；以及电子电路，将一个或多个检测器的每个连接到对应调制器；其中一个或多个调制器的每个是与可调谐激光器(其提供它的波长调谐激光输入)分离的组件；并且其中交换机控制单元在通信上连接到每个DRM的电子电路；电子电路配置成基于从交换机控制单元所接收的控制信息来控制由调制器进行的调制光学信号的生成。
这样，提供一种光电子交换机，其表现为光电子电路交换机，以及与在可调谐激光器本身的腔中执行调制的备选方案相比，并且与基于其他交换技术(诸如MEMS或液晶)的其他常规电路交换机相比，使更快的交换速度能够达到。
以上关于第四方面的光电子分组交换机和第五方面的检测器重调器所述的可选特征可适用于光电子电路交换机，因为光学信号可按照与光学分组交换机相同的方式来转换和交换，除了不存在对任何特征(其对分组信息，诸如分组调度、分组处理或分组缓冲，是特定的)的需求之外。在信息没有作为分组来发送的情况下，缓冲器的存在不太重要，尽管缓冲器仍然可存在于光电子电路交换机的电路中，以便使某些光学信号相对于其他光学信号延迟以解决争用(阻断)。
按照本发明的第八方面，提供一种绝缘体上硅芯片，其包括第四或第七方面的任一个的光电子交换机或者第五方面的检测器重调器。
交换机的无源光学路由器可以是位于与DRM相同的光学平面中的阵列波导光栅(AWG)。
“相同光学平面中”应当被理解为各装置(DRM和AWG)位于平面布置，即半导体芯片的相同层，中，使得所述DRM的调制器或者调制器及检测器位于与AWG的波导相同的平面中；每个DRM位于AWG的输入或输出。
DRM可位于AWG的一个或多个输入和AWG的一个或多个输出。DRM可位于AWG的各输入和AWG的各输出。
可选地，用于DRM的一个或多个的信号输入波导位于AWG的平面中。
可选地，用于DRM的一个或多个的信号输入波导从与AWG的波导的平面的某个角度紧密接触(impinge)DRM的调制器。
在DRM的电路是电子电路、诸如ASIC的情况下，它可按倒装芯片方式安装到绝缘体上硅芯片上。
绝缘体上硅芯片还可包括一个或多个可调谐激光器，每个可调谐激光器用于向DRM的相应一个或多个的调制器提供波长调谐激光输入，该一个或多个可调谐激光器位于与DRM相同的芯片上，无源光学路由器和DRM的电路的至少一部分。
在一个布置中，该一个或多个可调谐激光器和该一个或多个DRM可集成到单个光学芯片上，但是无源光学路由器可形成独立组件，其与一个或多个DRM的输入或输出进行光学连接。
该一个或多个可调谐激光器可位于与DRM和AWG相同的平面中，以及可调谐激光器可与AWG和DRM热隔离，以防止可调谐激光器对AWG和DRM的不合需要的加热。
具有可调谐激光器(为它的调制器提供波长调谐输入光)的DRM可位于AWG的各输入和/或AWG的各输出。
在绝缘体上硅芯片的一个实施例中，芯片在平面布置中包括：第一AWG，具有多个输入和多个输出；DRM的第一阵列，位于第一AWG的输入，第一阵列中的每个DRM具有波长可调谐激光输入；DRM的第一阵列，布置成使得第一阵列中的每个DRM的输出形成第一AWG的每个输入端口的输入信号；第二AWG，具有多个输入和多个输出；DRM的第二阵列，位于第二AWG的输入；第二阵列中的每个DRM具有波长可调谐激光输入；DRM的第二阵列布置成使得第二阵列中的每个DRM的输出形成第二AWG的每个输入端口的输入信号；其中第一AWG的每个输出形成DRM的第二阵列的相应DRM的输入信号。
第一和第二AWG可采取延长弧形的形状，并且可按照端对端布置位于平面芯片上。这样，两个AWG形成连续弧形，其沿延长方向相继地摆放，由此使芯片本身能够采取延长形状。
备选地，第一和第二AWG可按照嵌套布置定位在波导的平面中。这样，第一拱形与第二拱形镶嵌。
第一AWG可具有比第二AWG更小的弧形；使得第一AWG可嵌套在第二AWG的弧形下面(但是仍然在波导的平面中)。
在另一个实施例中，单个可调谐激光器可配置成将用于波长调谐输入的未调制光馈送到多个DRM中。
在一个实施例中，绝缘体上硅芯片在平面布置中包括：DRM的第一阵列；每个DRM位于AWG的输入波导，并且每个DRM耦合到可调谐激光器，其为它的调制器提供波长调谐输入；DRM的第二阵列；每个DRM位于AWG的输出波导，并且每个DRM耦合到可调谐激光器，其为它的调制器提供波长调谐光输入；光学解复用器，其输出形成DRM的第一阵列的输入信号；以及光学复用器，其输入是DRM的第二阵列的输出。
绝缘体上硅芯片可包括在具有可调谐激光器阵列的平面布置中的检测器重调器(DRM)阵列，每个可调谐激光器形成相应DRM的波长调谐输入。
提供一种数据中心网络，其包括先前权利要求的任一项的绝缘体上硅芯片或交换机。
设想一种备选交换机，其中交换机的接口输入和/或输出是电的。在这种情况下，不需要检测器。例如，作为一备选方案，可能提供：交换机，包括：一个或多个交换机输入，用于接收输入信号；无源光学路由器，具有输入端口和输出端口，它们之间的光路是波长相关的；
交换机控制单元；以及
多个接收器/调制单元，配置成接收来自一个或多个交换机输入的电信号，并且生成调制光学信号，供传送到无源光学路由器的输入端口，各接收器/调制单元包括：
一个或多个接收器，用于接收(一个或多个)电交换机输入；
一个或多个调制器，用于生成调制光学信号，各调制器配置成：接收来自可调谐激光器的波长调谐激光输入；接收来自接收器之一的电信号；以及生成在调谐波长的调制光学信号，调谐波长选定成在无源光学路由器的期望输出端口中选择，并且调制光学信号包含电分组信号的信息；以及电子电路，将接收器连接到调制器；其中一个或多个调制器的每个是与可调谐激光器(其提供它的波长调谐激光输入)分离的组件；并且其中交换机控制单元包括调度器，其在通信上连接到各接收器/调制单元的电子电路；电子电路配置成基于从交换机控制单元所接收的调度信息来控制由调制器进行的调制光学信号的生成。
本文所述的全部光电子交换机的一个优点是如下事实：不要求如同常规架构(诸如图14所示的那个)中一样的电交换机(并且因此不要求收发器)。
附图说明
现在通过实例、参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出按照本发明、包括检测器重调器的波长转换芯片的示意电路图；
图2示出包括EAM调制器的绝缘体上硅检测器重调器的示意顶视图；
图3示出沿图2的线条A-B所截取的检测器重调器的截面图，其中：(a)电路包括金属带；(b)和(c)电路包括单片掺杂导体；以及(d)电路包括表面安装芯片；
图4示出采取马赫-曾德尔调制器的形式的备选调制器的示意顶视图；
图5示出沿图4的线条X-Y所截取的图4的调制器的侧视图；
图6示出采取法布里-珀罗谐振调制器的形式的备选调制器的示意顶视图；
图7示出法布里-珀罗谐振调制器的透射谱的示例图；
图8a示出调谐到激光发射波长(“通态”)的法布里-珀罗谐振器的透射谱中的峰值，以及图8b示出从激光发射波长解调谐(“断态”)的法布里-珀罗谐振器的透射谱中的峰值；
图9示出采取环形谐振调制器的形式的备选调制器的示意顶视图；
图10示出沿图9的线条M-N所截取的图9的环形谐振调制器的侧视图；
图11示出环形谐振调制器的透射谱的示例；
图12示出采取备选环形谐振调制器的形式的另一备选调制器的示意顶视图；
图13示出(a)调谐到激光发射波长(“通态”)和(b)从激光发射波长解调谐(“断态”)的图12的环形谐振调制器的透射谱的示例；
图14示出使用电交换机的传统数据网络的示例；
图15示出按照本发明、包括光电子交换机的数据网络的示例；
图16是示意图，示出：本发明的DRM的第一布置16a，其中DRM与可调谐激光器集成在绝缘体上硅芯片上，并且其中光学输入信号以与AWG的平面的某个角度紧密接触调制器；以及第二布置16b，其中每个DRM的信号输入波导位于AWG的平面中；
图17是示出包括DRM阵列和AWG的光电子交换机的示意图；
图18a至图18c示出包括配置成并行交换信号的多个线路的多个无源光学路由器的、光电子交换机的示意图；
图19是示出包括DRM阵列和AWG的另一个光电子交换机的示意图；
图20是示出按照本发明、包括DRM阵列和AWG的绝缘体上硅芯片的另一个示意图；
图21是示出按照本发明、包括DRM阵列和AWG以及作为解复用器和复用器起作用的其他AWG的、绝缘体上硅芯片的示意图；
图22是包括按照端对端配置的第一AWG和第二AWG的、绝缘体上硅芯片的示意图；
图23是包括按照嵌套配置的第一AWG和第二AWG的、绝缘体上硅芯片的示意图；
图24是包括第一AWG和第二AWG的绝缘体上硅芯片的示意图；
图25是用于光电子分组交换机的检测器重调器(DRM)的示例的示意图；
图26是用于光电子分组交换机的检测器重调器(DRM)的备选示例的示意图；
图27是用于光电子电路交换机的检测器重调器(DRM)的示例的示意图；
图28是按照本发明的光电子交换机的示意图；以及
图29是按照本发明的备选光电子交换机的示意图。
具体实施方式
图1示出按照本发明、包括检测器重调器(DRM)1的转换芯片10。检测器重调器1包括绝缘体上硅(SOI)波导平台，其包括：检测器2、调制器3以及将检测器电连接到调制器的电路4。检测器2耦合到输入波导5，以及调制器3耦合到输出波导6。
检测器2、调制器3、输入波导5和输出波导6在SOI波导平台中布置在彼此相同的水平平面中。在所示实施例中，电路的一部分直接位于检测器与调制器之间。
转换芯片包括用于第一波长λ1的(调制)第一光学信号7的波导。在图1所示的实施例中，波导经由第一和第二光学放大器71、72耦合到检测器2的输入波导5，尽管在备选实施例(未示出)中，第一光学信号可直接耦合到检测器的输入波导5。检测器将调制输入信号转换为电信号，其然后经由电路4施加到调制器。
转换芯片还包括用于与第二波长λ2对应的未调制光学输入8的波导。这个波导经由光学放大器81耦合到调制器3的输入波导9(尽管备选地可直接耦合到输入波导9)。调制器的输入波导9还形成DRM的一部分，并且沿水平平面(其包括检测器和调制器以及检测器输入波导和调制器输出波导)来定向。
来自电路4的电信号将调制(未调制的)光学输入8，由此生成第二波长λ2的调制光学信号，其由调制器经由调制器输出波导6来输出。第二波长的这个调制输出则可经由耦合到调制器输出波导6的光学放大器61来放大。
功率监测器可存在(未示出)。
下面关于图2至图12来描述能够形成图1所示DRM 1的实施例的部分的检测器、电路组件和调制器的示例，其中相似参考标号用来表示以上关于图1所述的特征。
图2示出DRM 21的第一实施例的顶视图，在第一实施例中调制器23是电吸收调制器(EAM)。图2的DRM 21包括检测器22、调制器23和电路，其一部分24位于检测器与调制器之间。
检测器22由体半导体材料(在本例中为锗)来组成，并且包括波导部分25，检测器的半导体结跨其水平地设置。检测器22的水平半导体结由三个区域组成：第一掺杂区26a、第二掺杂区26b以及第一与第二掺杂区之间的第三区域26c。这个第三区域可以是本征区或者也可经过掺杂。
在图2所示的这个实施例的变形(并且标记为选项a))中，第一区域是n型区域；第二区域是p型区域；以及第三区域是本征区，使得检测器22的半导体结是p-i-n结。
在其他变形中，第一、第二和第三区域可替代地形成p-i-p、n-i-n或n-p-n结(如图2中示为选项b)-d))。在这三个变形的每个中，检测器作为光电晶体管起作用。
在图2所示的实施例中，第一掺杂区(在本例中为p型区域)26a位于检测器的波导25的一侧，并且越过波导壁延伸到波导中。第二掺杂区(在本例中为n型区域)26b位于波导的相对侧(与第一区域相对)，并且也延伸到检测器的波导25中。因此，与p-i-n结的本征部分对应的第三区域26c沿水平平面具有比检测器的波导的宽度w更小的宽度。
用于对第一掺杂区施加偏置的第一电极位于第一掺杂区上方，用于对第二掺杂区施加偏置的第二电极位于第二掺杂区上方，以及用于对第三区域施加偏置的第三电极位于第三区域上方。在全部三种情况中，电极直接位于有关掺杂区之上。
DRM的电吸收调制器23还具有采取幅度调制区的形式的调制波导区，在该处跨波导水平地设置半导体结。调制器23由体半导体材料(在本例中为掺杂硅锗(SiGe))组成，并且包括波导部分28，检测器的半导体结跨其水平地设置。调制器23的水平半导体结由三个区域组成：第一掺杂区27a、第二掺杂区27b以及第一与第二掺杂区之间的第三区域27c。
在所示实施例中，第一掺杂区(在本例中为p型区域)27a位于调制器的波导28的一侧，并且越过波导壁延伸到波导中。第二掺杂区(在本例中为n型区域)27b位于波导的相对侧(与第一区域相对)，并且也延伸到检测器的波导28中。因此，与p-i-n结的本征部分对应的第三区域27c沿水平平面具有比调制器的波导的宽度更小的宽度。
在备选实施例(未示出)中，掺杂区可包括多个掺杂区(例如，总共5个区域，包括p+、p、本征、n和n+，或者甚至总共7个区域，包括p++、p+、p、本征、n、n+和n++)。
半导体光学放大器(SOA)在波导平台中位于输入波导(其将光耦合到检测器中)之前。
调制器23包括调制器输入波导9与调制波导区(在该处跨波导水平地设置半导体结)之间的第一波导过渡区244。调制器还包括调制波导区与调制器输出波导6之间的第二过渡区245。
在第一过渡区244，波导高度和/或宽度从较大尺寸减少到较小尺寸，以及在第二过渡区245，波导高度和/或宽度从较小尺寸增加到较大尺寸。这样，调制器中的波导尺寸比输入和输出波导的那些更小。这帮助改进调制器的操作速度(尽管它以较高损耗为代价这样做)。
检测器22包括检测器的输入波导5与检测器的实际波导之间的过渡区243，在该处波导的高度和/或宽度从较大尺寸减少到较小尺寸。这样，检测器中的波导尺寸比输入波导更小，这帮助改进检测器的操作速度。
电路24的一部分位于检测器的第二掺杂区与调制器的第一掺杂区之间，从而形成检测器与调制器之间的电连接。图3中示出经过图2的线条A-B所截取的这个连接部分的不同配置的截面图。在图3a所示的配置中，电路的连接部分是采取金属带形式的带状线电路221，金属带从检测器的第二掺杂区之上的电极延伸到调制器的第一掺杂区之上的电极。检测器的第二掺杂区和调制器的第一掺杂区由给定距离d分割开，以及检测器和调制器掺杂区之间的平面内空间能够保持为硅或Ge或SiGe，或者能够填充以绝缘介电材料225、例如SiO2。金属带形成这个绝缘填充剂上方的连接。
在图3b和图3c所示的变形中，电路是单片掺杂导体222、223。这个导电层可如图3b所示向下延伸平台厚度的整个深度直至盒水平(boxlevel)(即，t-h)，或者可如图3c所示仅延伸平台厚度的部分，在这种情况下，绝缘层226位于单片层下面。在图3d所示的另一个变形中，电路224的连接部分是表面安装芯片、诸如专用集成电路(ASIC)，在这种情况下，导电垫位于平台上，使得它们与芯片的引脚匹配。
从图3的截面能够看到，掺杂区延伸到检测器波导和调制器波导中，并且贯穿波导的整个脊高度h这样做。
下面关于图4和图5来描述备选调制器。这个调制器能够代替图2所示实施例中的EAM，来形成按照本发明的备选DRM，其中关于图2所述的DRM(不同于EAM)的其余特征和选项仍然适用。在这个备选DRM实施例中，调制器是马赫-曾德尔调制器33。
马赫-曾德尔调制器由形成第一干涉测量臂31和第二干涉测量臂32的两个波导分支组成；各臂包括一个或多个相移调制区。实际上，在所示实施例中，各臂包含多个相移调制区311、312、321、322(在各臂中示出其中两个)以及附加相移区313、323。
各调制区是由体半导体材料(其已经被掺杂以形成采取p-n结形式的水平半导体结(尽管采取水平p-i-n结形式的备选半导体结是可行的))组成的相位调制区。p-n结由p型区域331、341和n型区域332、342组成。p型区域各自逐渐过渡成变化的不同掺杂强度的三层：p、p+和p++，以及n掺杂区也逐渐过渡成变化的掺杂强度n、n+和n++的三层，其设置成使得p和n层重叠臂波导，并且使得p++和n++层最远离波导。电极直接位于最外掺杂区上方。具体来说，电极直接位于掺杂区的p++和n++层上方。用于调制区的合适体半导体材料包括SiGe或同质硅。
逐渐变化的p-n结结构延伸水平结的尺寸，并且使对掺杂区施加偏置的电极能够有利地远离脊放置。每额外对的层产生更远间隔的电极，因为电极优选地直接位于最重掺杂区之上。电极的分隔的这种增加引起装置设计的增加的灵活性，而没有损害速度。
在调制器以及检测器的情况下，形成光电区的体半导体材料的掺杂是本领域已知的。在本文所述的所有装置中，所使用的掺杂浓度对应于现有技术中存在的典型值。例如，检测器的掺杂区可包括浓度高达10×1019cm-3的区域。调制器的掺杂区可对p掺杂区取10×1015cm-3至10×1017cm-3的的典型值以及对n掺杂区取10×1015cm-3至10×1018cm-3的典型值。然而，掺杂区(p和/或n)可具有多达10×1020cm-3或10×1021cm-3的更高值。
附加相移区具有比调制区更低的速度，因此可由备选材料、诸如同质硅来制成。在所示实施例中，附加相移区包括采取p-i-n结形式的水平半导体结，其p和n掺杂区没有延伸到第一或第二波导臂的波导中。实际上，本征区335、345延伸到边界之外。对p掺杂区施加偏置的电极339a、349a直接位于相应p掺杂区333、343上方，以及对n掺杂区提供偏置的电极339b、349b直接位于n掺杂区334、344上方。
调制区和相移区上方的电极是沿掺杂区的长度(沿平行于波导的纵轴的方向)摆放的带。使电极与相应掺杂区具有尽可能多的接触，同时还保留对调制速度有利的小尺寸是合意的。
输入1×2耦合器将来自输入波导9的未调制光耦合到调制器的两个臂中，以及输出2×1耦合器将来自两个臂的光耦合到输出波导6中，以形成具有与未调制输入信号相同波长的经调制输出信号。高速马赫-曾德尔调制器是本领域的技术人员已知的，并且可采取Dong等人(Optics Express p.6163-6169(2012)或者D.J.Thompson等人(Optics Expresspp.11507-11516(2011))所述的马赫-曾德尔调制器的形式。离开第一臂的经调制光与离开第二臂的经调制光之间的相位差将影响在来自两个臂的光进行组合时所生成(在时间上)的干涉图案，因此改变输出中的光的幅度。
各臂包括输入1×2耦合器与相移区之间的波导过渡区314、324以及调制区与输出2×1耦合器之间的另一个波导过渡区315、325。这样，谐振调制器中的波导尺寸能够比输入和输出波导的那些更小。这帮助改进调制器的操作速度(尽管它以较高损耗为代价这样做)。
中心电路35(其是DRM电路的扩展)位于一个臂的调制区与第二臂的调制区之间。在MZM的两个臂的相应调制区在单驱动情形中或者在双驱动情形中串联驱动的场合下需要这个电路。这个中心电路35的性质将控制MZM是单驱动还是双驱动，但是还控制这两个臂是串联还是并联驱动。
M-Z调制器与检测器(检测器未示出)之间的电路连接34以及两个臂中的调制区之间的中心电路连接35能够各自采取以上关于图3a至图3d所述的电路连接的任一个的形式，但是在图5中示为采取单金属带(其中绝缘填充材料位于带的下面)的形式的带状线电路。除了这个电连接之外，马赫-曾德尔调制器还包括位于第一臂310的相位调制区与第二臂320中的对应相位调制区之间的另一电连接35，以将第一臂310的相位调制区312的n++掺杂区之上的电极319e与第二臂的对应相位调制区322的p++掺杂区之上的电极329d连接。下面参照图6、图7和图8来描述另一备选调制器。这个调制器能够代替图2所示实施例中的EAM来形成按照本发明的另一备选DRM，其中关于图2所述的DRM(不同于EAM)的其余特征和选项仍然适用。在这个备选DRM实施例中，调制器是法布里-珀罗(F-P)谐振调制器43。
F-P谐振调制器43在单个波导段中由两个反射器与位于两个反射器之间的一个或多个调制区411、412、413串联来形成。在图6所示的实施例中，反射器采取分布式布拉格反射器(DBR)DBR1、DBR2的形式。
图6所示的法布里-珀罗谐振腔实际上包括多个调制区411、412、413(示出其中3个)。这些在体半导体介质中形成，并且包括p-n结，与以上关于图4所述的调制区的那些相同。
各调制区411、412、413由体半导体材料，其已经被掺杂以形成采取p-n结形式的水平半导体结(尽管采取水平p-i-n结形式的备选半导体结也是可行的)，来组成。每个p-n结由p型区域431和n型区域432组成。p掺杂区各自逐渐过渡成变化的不同掺杂强度的三层：p、p+和p++；以及n掺杂区也逐渐过渡成不同掺杂强度的三层n、n+和n++。这些层布置成使得p和n层重叠波导，之后接着p+和n+层以及p++和n++层，使得p++和n++层最远离波导。电极直接位于最外掺杂区上方。具体来说，电极直接位于掺杂区的p++和n++层上方。用于调制区的合适材料包括SiGe或同质硅。
法布里-珀罗谐振腔还包括具有比调制区更低的操作速度的附加相移区414。如同以上关于马赫-曾德尔调制器所述的相移区一样，这个相移区414的功能是提供低速腔FSR微调以及因此提供操作波长微调和热漂移补偿。相移区在图6中示为工作在载流子注入模式的p-i-n半导体结(但是备选地可能包括工作在载流子耗尽模式的p-n相移区)。如同以上所述的p-i-n相移区一样，p和n掺杂区没有延伸到第一或第二波导臂的波导中。实际上，本征区延伸到边界之外。对p掺杂区施加偏置的电极439a直接位于相应p掺杂区433上方，以及对n掺杂区提供偏置的电极439b直接位于n掺杂区434上方。
调制区和相移区上方的电极是位于掺杂区之上并且沿掺杂区的长度(沿平行于波导的纵轴的方向)摆放的带。电极沿掺杂区的整个长度(与波导的纵轴平行的长度)摆放，因为使电极与相应掺杂区具有尽可能多的接触，同时还保留对调制速度有利的小尺寸(小厚度)是合意的。
F-P调制器与检测器(检测器未示出)之间的电路连接44能够采取以上关于图3a至图3d所述的电路连接的任一个的形式。
F-P谐振器是谐振F-P滤波器(也是无限脉冲响应或IIR滤波器)，其以调谐速度、增加的温度敏感性为代价来增加调制调谐效率，并且因对DBR光栅的包含的需要而增加制造复杂度。在IIR滤波器中，由移相器所引起的指数变化的效果通过谐振腔中的往返次数来增强，因而需要更小的注入电流密度(在载流子注入情况下)或者偏置电压(在载流子耗尽情况下)来以相同消光比执行调制。因此，与先前所述的EAM和M-Z实施例相比，需要较少光学或电放大来执行调制。然而，制造复杂度和容差增加，因为要达到25或40Gb/s的高调制速度，腔的光子使用寿命必须保持为较小(除了制作高速相位调制器的要求之外)，意味着腔长度必须较短并且精细度充分低。因此，制作和设计复杂度因结合具有潜在短长度和深蚀刻深度的DBR光栅的需要而较高。
F-P调制器包括输入波导9与第一DBR之间的波导过渡区444以及第二DBR与输出波导之间的另一个波导过渡区445。在第一过渡区444，波导高度和宽度减小，而在第二过渡区，波导高度和宽度增加。这样，腔中的波导尺寸比输入和输出波导的那些更小。这能够用来帮助改进调制器的操作速度(但是它以较高损耗为代价这样做)。
下面关于图7和图8来描述谐振器的调制。参照图7的反射谱，显然，DBR光栅DBR1和DBR2是宽带反射器，其对可调谐激光器的操作带宽具有相等反射率。反射率值R1和R2选定成，给予一个精细度值，其足够大以创建足以增强Δn的效果(谐振器的充分X因子)的腔往返，以充分减少以期望消光比执行调制所需的驱动电流或电压的量，但是足够小以给予仍然<1/(位周期)的腔使用寿命。谐振器的透射率优选地具有0.8与1之间的最大值，并且可以是0.8，如图7所示。
参照图8所示的透射谱92、93，F-P腔的谐振峰值必须调谐到在通态(图8a)的(非调制)激光器的波长(Plaser(λ))。但是，在断态(图8b)，腔的相位改变成将谐振峰值解调谐离开激光器的波长，由此产生充分调制消光比。在对调制区的p-n结的电极施加偏置并且偏置在通态与断态之间调制时，透射谱因此在接通与断开位置之间切换，从而使输出从接通被调制到关断或者反之。通过主动调整对相移区的偏置，F-P腔的谐振峰值与激光器的波长的对齐能够在热漂移存在的情况下保持。
下面参照图9至图13来描述其他备选调制器。
这些调制器的每个能够代替图2所示实施例中的EAM来形成按照本发明的另一备选DRM，其中关于图2所述的DRM(不同于EAM)的其余特征和选项仍然适用。在这些备选实施例的每个中，调制器是环形谐振调制器53、153。
以两个环形谐振器DRM实施例的第一个为例并且具体参照图9至图11，环形谐振调制器53由环形波导段、耦合在环形波导的一侧的第一直波导59和耦合到环形波导的另一侧的第二直波导60形成。环形波导限定在内波导脊缘56与外波导脊缘57之间。跨图9的虚线M-N的截面在图10中示出。环形谐振调制器还包括在体半导体介质中形成的调制区512，其中体半导体介质掺杂成给予跨波导水平地设置的圆形p-n结(采取水平p-i-n结的形式的备选半导体结也可起作用)。
贯穿本文档中，环形波导可采取任何环形形状的形式，包括：圆(如图9和图12所示)、跑道或者椭圆形状。此外，圆形掺杂区可采取具有恒定半径的圆、跑道形状或椭圆形状的形式。
在图9所示的实施例中，圆形p-n结沿其圆周的一部分变成不连续，其中连续圆形掺杂区原本会与输入和输出直波导重叠。用于调制区的合适体半导体材料包括SiGe和同质硅。
p-n结由p型区域551和n型区域552组成。p掺杂区各自逐渐过渡成变化的不同掺杂强度的三个同心层：p、p+和p++，以及n掺杂区也逐渐过渡成变化的掺杂强度n、n+和n++的三个同心层，其设置成使得p和n层重叠环形波导，并且在结的水平平面中分别朝外和朝内径向延伸到外和内波导脊缘之外。p++和n++掺杂层位于最远离环形波导。由于外掺杂部分的不连续性质，p+、p++、n+和n++层各自由两个相对月牙形区域而不是全圆形组成，因为它们没有围绕环形波导延伸全程(fullway)。这给予直波导59、60空隙，直波导59、60将光耦合到环形波导中以及耦合离开环形波导，由此确保p-n结没有修改光耦合区中的折射率，并且因此没有修改环形与直波导之间的耦合比。
环形间隙分隔55在环形波导的任一侧存在于环形波导与直波导59、60的每个之间。这个间隙的幅值确定谐振器的耦合系数k的值。
电极直接位于最外和最内的相应掺杂区上方。具体来说，电极直接位于掺杂区的p++和n++层上方。中心圆形电极439b位于n++掺杂区上方，以对n掺杂区施加偏置。偏置经由环状(looped)电极439a施加到p掺杂区，环状电极439a在月牙形p++区域上方并且沿其延伸，从而形成两个月牙形电极部分，它们然后通过跨越直波导之一的其他电极部分接合在一起，以形成封闭单电极。
环形谐振调制器与检测器(检测器未示出)之间的电路连接54能够采取以上关于图3a至图3d所述的电路连接的任一个的形式。
环形谐振调制器53包括调制器输入波导9与第一直波导59(其将光耦合到环形谐振器中)之间的第一波导过渡区544以及第二直波导(其将光耦合离开波导)与调制器输出波导6之间的第二过渡区545。
在第一过渡区544，波导高度和/或宽度减小，而在第二过渡区，波导高度和/或宽度增加。这样，环形谐振调制器中的波导尺寸比输入和输出波导的那些更小。这帮助改进调制器的操作速度(尽管它以较高损耗为代价这样做)。
环形谐振器的透射谱在图11中示为峰值的周期性集合，各峰值经由与环形谐振器的自由谱范围(FSR)相等的波长差与相邻两个峰值分离。透射信号的自由谱范围由环形波导的尺寸设置。谐振器的透射率优选地具有0.8与1之间的最大值，并且可以是0.8。
光的调制经由与F-P调制器相同的过程进行，环形谐振必须调谐到在通态(图8a)的(非调制)激光器(Plaser(λ))的波长。然而，在断态(图8b)，腔的相位改变成将谐振峰值解调谐离开激光器的波长，由此产生充分调制消光比。在对环形的p-n结的电极施加偏置并且偏置在通态与断态之间调制时，透射谱因此在接通与断开位置之间切换，从而使输出从接通被调制到关断或者反之。
环形谐振调制器53还包括采取用于热调谐的加热器(未示出)的形式的微调区。
通过主动调整跨相位调谐加热垫58a和58b的电压，F-P腔的谐振峰值与激光器的波长的对齐能够在周围热漂移存在的情况下保持。
参照图10、图12和图13，描述按照两个环形谐振器DRM实施例的第二个的环形谐振调制器153。图12的环形谐振调制器与图9的那个之间的差别在于如下事实：图12的谐振调制器的环形波导耦合到不多于一个直波导。仅单直波导159在一侧耦合到环形波导。在这个实施例中，单直波导因此配置成将光耦合到环形波导中以及将光耦合离开环形波导。
如同先前的环形谐振器实施例一样，环形波导限定在内波导脊56与外波导脊57之间。跨这个实施例的虚线M-N的截面也通过图10示出，并且与图10相关的以上描述的部分因此在这里适用。具体来说，图12的环形谐振器实施例还包括在体半导体介质中形成的调制区512，其中体半导体介质掺杂成给予跨波导水平地设置的圆形p-n结。
p-n结由p型区域551和n型区域552组成。p掺杂区各自逐渐过渡成变化的不同掺杂强度的三个同心层：p、p+和p++，以及n掺杂区也逐渐过渡成变化的掺杂强度n、n+和n++的三个同心层，其设置成使得p和n层重叠环形波导，并且在半导体结的水平平面中分别朝外和朝内径向延伸到波导脊缘56、57之外。
p、n、n+和n++区域是环形的。但是，p型区域外部的p+和p++区域为C形；定义不连续点，在该处环形波导与直波导紧密接触(即，在这里最外掺杂区原本会重叠直波导)。掺杂区与直波导之间的空隙确保p-n结没有修改光耦合区中的折射率，并且因此没有修改环形波导与直波导之间的耦合比。
环形间隙分隔155存在于环形波导与单直波导159之间，其幅值确定谐振器的耦合系数k的值。
电极直接位于相应最外和最内的掺杂区(它们对其施加偏置)上方。具体来说，电极直接位于掺杂区的p++和n++层上方。中心圆形电极439b位于n++掺杂区上方，以对n掺杂区施加偏置。偏置经由沿C形(即，p++区域的不连续圆周的全长度)延伸的环状电极439a施加到p掺杂区。
环形谐振调制器与检测器(检测器未示出)之间的电路连接54能够采取以上关于图3a至图3d所述的电路连接的任一个的形式。
环形谐振调制器153包括调制器输入波导9与单直波导59(其将光耦合到环形谐振器中)之间的第一波导过渡区544以及单直波导59与调制器输出波导6之间的第二过渡区546。
在第一过渡区544，波导高度和宽度减小，而在第二过渡区546，波导高度和宽度增加。这样，环形谐振调制器中的波导尺寸比输入和输出波导的那些更小。
环形谐振器的透射谱在图13中示出并且采取陡峭谷的周期性集合的形式，各谷经由与环形谐振器的自由谱范围(FSR)相等的波长差与两个直接相邻谷分离。由于这个透射谱是“双直波导”实施例的那个的倒转，所以图12和图13的环形谐振调制器与单耦合波导版本相比，将要求相反驱动信号(跨p-n结施加的偏置)，以便产生相同调制效果。
谷中的谐振器的透射率优选地具有0.8与1之间的最大值，并且可以是0.8。如同先前环形谐振器实施例一样，调制在经由电极从电路连接器跨p-n结施加偏置时实现。这采用(未调制)激光器的波长来调谐透射谱通和断谐振，激光器反过来导致所传送输出信号被开启94和关断95。但是，因为透射率是谐振上的谷，所以偏置变化的幅值更高，以使得相同消光比适用于“双直波导”实施例。
这个实施例的优点在于，仅存在一个直波导和围绕圆周的p-n结中的一个不连续部分，意味着p掺杂区的电极无需跨越直波导。当金属电极越过波导时，引入附加光学损耗。
环形谐振调制器153还包括采取用于热调谐的加热器(未示出)的形式的微调区。通过主动调整跨相位调谐加热垫58a和58b的电压，F-P腔的谐振峰值与激光器的波长的对齐能够在周围热漂移存在的情况下保持。
传统数据中心互连网络的示例在图14中示出。架顶式(ToR)交换机单元的交换使用下列装置来实现：接入交换机、聚合路由器和核心路由器。在图14所示的(简化)示例中，需要许多电缆以在4个ToR交换机单元之间进行交换。架顶式(ToR)交换机是网络中通常在服务器中或者连接到服务器的装置的示例，其可向/从本发明的光电子交换机提供/接收电信号(使得ToR形成来自服务器的电信号的端点处的元件)。然而，实际上，例如通过在数据中心的服务器(或者任何其他基于电子的装置)之间直接交换，本文所述的光电子交换机的任一个可适用于没有ToR交换机的系统。
包括光电子交换机的网络的示例在图15中示出。传统架构的接入和聚合分组交换机由单个光电子交换机来取代。在图15所示的(简化)示例中，需要许多更少电缆以在4个ToR交换机单元之间进行交换。所需的收发器的数量因此也充分减少。对技术人员清楚的是，虽然本文所述的光电子交换机能够用作如图15所示的网络的组成部分，但是它们也可用来在其他网络配置和其他用途中(特别是其中交换机与光学互连相连接，或者高速低功率消耗和高基数交换对其是重要的、网络中的用途)交换光学信号。
下面参照图16至图29来描述按照本发明的光电子交换机和DRM的示例。
形成光电子交换机的一部分的光学芯片160a在图16a中示出。芯片包括多个DRM(DRM1、DRM2、DRM3、DRM4)，各自配置成从一个或多个交换机输入接收光学输入信号161a、162a、163a、164a。在光电子交换机是光电子分组交换机的情况下，这些输入将是光学分组信号。在光电子交换机是光电子电路交换机的情况下，光学输入信号将不需要包括分组报头信息。
每个DRM包括成检测器/调制器对的一个或多个检测器(未示出)和一个或多个调制器(未示出)(即，调制器的数量等于检测器的数量)。检测器和/或调制器的任一个可采取以上关于图1至图14所述的检测器和/或调制器的任一个的形式。各检测器接收光学输入信号，并且生成包含那个光学输入信号的信息的电信号。在光学输入信号是分组信号的情况下，所生成的电信号将是电分组信号。
DRM的一个或多个调制器的每个配置成从相应可调谐激光器(TL1、TL2、TL3、TL4)接收波长调谐激光输入165、166、167、168，并且从一个或多个相应检测器接收相应电信号。来自可调谐激光器的波长调谐光由调制器按照电信号中包含的信息来调制，以生成包含那个信息但是在用于交换的期望波长的调制输出信号1601、1602、1603、1604。
图16a中，DRM和可调谐激光器布置成使得光学输入信号161a、162a、163a、164a以与芯片的平面的某个角度(并且因此以与无源光学路由器，诸如AWG(这个图中未示出)，的平面的某个角度)紧密接触调制器。
芯片160a可以是绝缘体上硅芯片，并且可以是单个集成芯片或者由相互邻接的两个或更多组件组成。例如，独立芯片可在邻接表面169接合，可调谐激光器(TL1-TL4)阵列位于与DRM(DRM1-DRM4)分离的芯片上，以防止可调谐激光器对DRM的不合需要的加热。
图16b的光学芯片与图16a的光学芯片的不同之处在于，光学信号输入通过信号输入波导，经由其位于DRM和无源光学路由器(诸如AWG，未示出)的平面中，来提供。
在图16a和图16b所示的布置中，多个可调谐激光器(TL1-TL4)布置在第一线性阵列中，以及多个DRM布置在与第一阵列平行的第二线性阵列中，虽然设想其他几何布置。另外，虽然示出4个DRM，但是更多或更少DRM可能存在。
图17中，诸如图16a所示那个的两个光电子芯片160b-1、160b-2示为与第三芯片(其包括采取AWG的形式的无源光学路由器)对齐。AWG沿与可调谐激光器、DRM和互连各种组件的波导相同的平面来布置。AWG本身包括输入耦合器172和输出耦合器173，其经由通过多个波导所限定的多个路径连接。第一批多个DRM(DRM1-DRM4)位于无源光学路由器的输入，以及第二批多个DRM(DRM5-DRM8)位于无源光学路由器的出口。
本申请通篇描述的AWG可以由硅制成，以及如果是这样的话，则可在与DRM和可调谐激光器相同的芯片上制作。如果AWG由另一种合适材料(如硅或聚合物上的硅石)制成，则可对接耦合到绝缘体上硅芯片，使得它位于与DRM和可调谐激光器相同的平面中。
离开第一批多个DRM的调制光学信号耦合到AWG的输入耦合器172。由调制光学信号所采取的经过AWG到输出耦合器173(以及因此调制光学信号从其离开AWG的端口)的路径将取决于其波长。
第二批多个DRM(DRM5-DRM8)形成位于AWG的输出耦合器之后的阵列，每个DRM定位成接收来自AWG的特定输出端口的调制光学信号。第二DRM阵列中DRM的每个经由关于第一DRM阵列所述的机制进行操作，每个的调制器配置成接收来自相应可调谐激光器(TL5-TL8)的波长调谐光和来自各相应AWG输出端口的光学信号，以产生期望调谐波长的调制光学信号。
本文所述实施例的任一个的无源光学路由器可采取如图18a、图18b和图18c所示的并联布置中所连接的多个无源光学路由器的形式。
图18a中示出一种布置，其中四个AWG(AWG 1-4)按照具有十六个输入DRM(DRM 1-16)和16个输出DRM(DRM 17-32)的平面布置来连接。在这里，输入和输出DRM布置在4个DRM的编组中，各编组采用与波导中的一系列1×2耦合器耦合的单个激光器来照亮。耦合器可以是星形耦合器。因此，四个DRM的各编组工作在相同可调谐波长。4个DRM的系列中的每个的、输出的每个耦合到4个AWG的不同一个。这个布置在，例如，交换信道化分组信号中是有用的。例如，四个25G通路的数据从PSM4 MSA标准中的100G数据的源来处理。在这个示例中，四个通路的数据沿着经过交换机的平行路线前进。AWG和DRM和激光器可在同一芯片、例如SOI芯片上制作，或者共面布置可通过独立芯片或装置的对接耦合来实现，以实现所示共面布置。图18a所示的线条AB示出用于两个芯片的对接耦合的可能位置。图18a中，为了呈现的清楚起见，省略了DRM 5-8、9-12、21-24和25-29。DRM到AWG输入输出波导的连通性表示为D1-D32，其中一个AWG的连通性仅在图18a上指示。将会注意，图18a是示意的，以及为了清楚起见，示出不切实际形状和相对尺寸的波导弯曲和交叉。本领域的技术人员能够从图18a和这里提供的描述来设计工作装置。
具有相同总体拓扑的备选实施例在图18b和图18c中示出。图18b中，AWG相互堆叠在适当的光学封装中。DRM在独立芯片上制作，并且可调谐激光器在独立芯片上按照阵列来制作。在这个示例中，单个芯片1801上存在4个可调谐激光器(TL1-4)，每个可调谐激光器布置成产生4个输出光。这通过波导中的一系列1×2耦合器来实现。四个输入光纤(I)示为连接到DRM(DRM 1-IN)的输入波导。存在从可调谐激光器芯片到DRM芯片的光纤连接(例如光纤带)，使得具有四个DRM的芯片接收相同波长的4个激光输入，并且4个DRM的输出的每个通过光纤连接到不同的AWG(AWG 1-4)。AWG的输出设置成使得给定波长的4个输出通过光纤对准4个DRM的集合，并且按4个光纤(O)的编组从该装置输出。图18b所示的是DRM 17-20OUT。用于DRM 17-32的激光源(TL源)未示出。激光源可按照与可调谐激光器1-4相似的方式在芯片上成阵列布置。图18c中，可调谐激光器和DRM布置在同一芯片上。为了清楚起见，DRM 5-16和21-32以及可调谐激光器2-4和6-8未示出。为了避免波导交叉，这个实施例的DRM芯片布局成使得输入在与输出波导相同的芯片一侧上进入。芯片上的4个DRM的每个再次采用来自单个激光器(其经由波导和一系列1×2耦合器耦合到DRM)的相同波长的激光来照亮。
图18a、图18b和图18c的实施例是示范的，并且包括其他芯片布局的其他布置将是显而易见的。
为了简洁起见，以下所示无源光学路由器的每个是单个无源光学路由器或与第二无源光学路由器串联布置的第一无源光学路由器。设想以下无源光学路由器的任一个可采取如上所述多个并联无源光学路由器的形式。
如已关于图18a描述，DRM和无源光学路由器可集成在单个芯片上。这种布置在图19中示出，其中单个集成芯片190(例如绝缘体上硅)在平面布置中包括：采取AWG形式的无源光学路由器191、多个DRM(DRM1、DRM2、DRM3、DRM4)和多个可调谐激光器(TL1、TL2、TL3、TL4)。如同以上所述的先前实施例一样，DRM的每个配置成使得调制器(未示出)接收来自相应可调谐激光器的波长调谐光，并且使得检测器(未示出)接收来自多个输入(IN1、IN2、IN3、IN4)的相应一个的光学输入信号，其中的每个经由波导在光学上连接到相应输入。在图19所示的实施例中，每个DRM输出连接到AWG的输入耦合器193的输入端口，以及AWG的输出耦合器194的各输出端口连接到芯片的相应输出(OUT1、OUT2、OUT3、OUT4)。
在所示实施例中，输入和输出位于芯片的相对侧。
图20示出另一个光电子交换机。这个交换机包含以上关于图17所述的光学组件，但是与图17的实施例的不同之处在于，光电子交换机是单个集成芯片200(例如绝缘体上硅芯片)。
在所示实施例中，输入和输出位于芯片上彼此相同的一侧。
具有单个输入2103和单个输出2104的光电子交换机2120在图21中示出。光电子交换机由与图17所示的光电子交换机170对应的交换机组成，其中具有附加解复用器芯片2101和复用器芯片2102。复用器和解复用器的每个可采取附加AWG(或者诸如中阶梯光栅的备选无源光学路由器)的形式，并且每个与AWG定位在平面布置中。
复用器和解复用器其中之一或两者同样可相等地适用于本文所述的其他光电子交换机(其具有多个输入和/或多个输出)的任一个。复用器和解复用器可能是中阶梯光栅。
图21中，光电子交换机采取相互邻接的多个芯片的形式。在备选实施例中，设想所示组件可集成到单个光学芯片上。不管怎样，一个或多个芯片可以是(一个或多个)绝缘体上硅芯片。AWG(或者诸如中阶梯光栅的其他无源光学路由器)可由不同于硅的合适材料制成。
交换机功能性和/或容量可通过添加与第一光学路由器串联的一个或多个额外无源光学路由器来增加。
图22至图24示出包含两个无源光学路由器的光电子交换机的实施例。DRM位于第一AWG的输入，以生成具有期望波长(与所需输出端口对应)的调制光学信号。在离开第一AWG时，可再次有必要改变输出信号的波长，以便经过第二AWG将信号进一步传播到期望离开端口。
在图22的光电子交换机2200的实施例中，第一AWG(AWG1)和第二AWG(AWG2)是按照端对端配置沿着延长光学芯片2201定位在集成芯片上的连续延长弧形。
在图23所示的光电子交换机2300的实施例中，第一AWG(AWG 1)和第二AWG(AWG 2)按照嵌套配置定位成使得第一AWG的拱形波导按照与第二AWG(AWG2)的那些相同的方向来弯曲。在图22所示的实施例中，第一AWG和第二AWG相互是相同尺寸。然而，设想在不同实施例中，第一AWG可小于第二AWG或者反之。
在图24所示的光电子交换机2400的实施例中，第一AWG(AWG 1)和第二AWG(AWG 2)按照S形配置定位成使得第一AWG的拱形波导按照与第二AWG(AWG2)的那些相反的方向来弯曲。
在图22至图24所示的所有实施例中，光电子交换机在单个集成芯片(例如绝缘体上硅芯片)上形成。然而，设想独立芯片可用于特定组件(诸如可调谐激光器阵列)。
用于光电子分组交换机的DRM的示意图在图25中示出。
DRM 2500包括：检测器2501；调制器2502；以及电子电路2503，其经由许多附加组件来形成检测器与调制器之间的电连接。可调谐激光器2504作为与调制器2502分离的组件位于电路外部，并且为调制器提供波长调谐但是未调制的激光信号。
电子电路包括激光波长调谐器模块2511，其配置成向可调谐激光器发送调谐信号。可调谐激光器配置成生成波长调谐(但是未调制)的激光信号，其充当调制器2502的光学输入，其波长由电子电路的激光波长调谐器模块2511来选择。包括波长调谐器的模块2511可包括如图25所示的激光驱动器，尽管还设想激光驱动器可能位于电子电路(未示出)外部。
电子电路2503接收来自检测器2501的电输入，其首先由放大单元2505(其可采取跨阻抗放大器(TIA)的形式)放大，并且起作用以向检测器所生成的电分组信号提供增益，以及从电流到电压的转换。
一旦提供了增益，电信号由物理编码子层(PCS)和物理介质附连(PMA)2506(其负责输入数据的串行化)来解码。PMA有效地再生该信号。
PCS/PMA 2506的输出连接到成帧器2507的输入，成帧器2507识别信号中的帧。将帧的第一副本发送给分组处理器2508，其为分组确定期望输出端口，并且将这个信息发送给外部交换机控制单元2510。
交换机控制单元包括调度器(未示出)，其构成分组将如何越过无源光学路由器的计划表。调度器将这个计划表发送给有限状态机(FSM)2509。基于该计划表，FSM生成控制信号，其指示激光波长调谐器2511设置可调谐激光器2504的适当波长。该适当波长是调制光学信号经过无源光学路由器在期望输出端口离开无源光学路由器的路径所需的波长。从调度器发送给FSM的计划表将同时考虑其他分组经过无源光学路由器的路径。
由成帧器2506已经生成的帧的第二副本发送给SRAM分组队列2512，在这里帧被缓冲，直到来自FSM 2509的控制信号指示帧将被传送。通过解决允许送往相同输出端口的分组被延迟直到输出端口不再被使用的问题，缓冲器的添加允许经过交换机的更高吞吐量(每秒位数或字节数)。
一旦从SRAM分组队列2512传送，帧被发送至第二成帧器2513，重新编码为期望格式，并且在第二PCS/PMA 2514串行化，然后经由调制器驱动器2516发送至调制器2502。
备选DRM 2600在图26中示出，其中相似参考标号对应于以上关于图25所述的那些特征。图26的实施例与图25的那个不同之处在于，分组处理器位于交换机控制单元中，并且因此位于电子电路2603外部。在这个实施例中，帧的副本从第一成帧器2607直接发送给交换机控制单元2610，使得分组的报头处理和调度均在交换机控制单元内，即在DRM外部，进行。
在这种情况下适合用于光电子电路交换机中的、DRM的另一示例在图27中示出。相似参考标号对应于以上关于图25和图26所述的那些特征。
DRM 2700包括：检测器2701，调制器2702，以及电子电路2703，其主要仅经由模拟/混合信号电路而没有进入数字域来形成检测器与调制器之间的电连接。可调谐激光器2704作为与调制器2702分离的组件位于电子电路外部，并且为调制器提供波长调谐但是未调制的激光信号。
电子电路包括激光波长调谐器模块2711，其配置成向可调谐激光器发送调谐信号。可调谐激光器配置成生成波长调谐(但是未调制)的激光信号，其充当调制器2702的光学输入，其波长由电子电路的激光波长调谐器模块2711来选择。包括波长调谐器的模块2711可包括如图25所示的激光驱动器，尽管还设想激光驱动器可能位于电路(未示出)外部。
电子电路2703接收来自检测器2701的电输入，以及该电输入首先由放大单元2705(其可采取跨阻抗放大器(TIA)的形式)放大，并且起作用以向检测器所生成的电分组信号提供增益，以及从电流到电压的转换。
一旦提供了增益和电压转换，电信号则可选地发送给再生器2706，其向信号提供附加整形和重新定时，并且准备信号以具有充分幅值和质量，以输入到调制器驱动器并且生成期望质量的光学信号。
交换机控制单元2710使用外部输入直接控制调制器驱动器和波长调谐器模块。
信号然后经由调制器驱动器2716发送给调制器2702。
以上关于图25至图27所述的电子电路可形成关于图1至图13所述的实施例的任一个的电路。
因此，图25至图27的调制器和/或检测器可采取本申请的图1至图13中更详细描述的检测器和/或调制器的任一个的形式。此外，尽管图25至图27中的电子电路将单个检测器连接到单个调制器，设想电路可按比例增加到将一个或多个检测器与一个或多个调制器连接。
光电子交换机2800的一实施例在图28中示出。光电子交换机可能是光电子分组交换机或光电子电路交换机。
光电子交换机2800的接口包括用于接收将要使用无源光学路由器2801来交换的光学信号的、多个交换机输入端口以及用于传送从无源光学路由器所接收的光学信号的、多个交换机输出端口。
在所示实施例中，无源光学路由器采取AWG的形式，尽管设想可使用其他无源光学路由器。
各交换机输入端口2804经由光纤2803连接到特定DRM 2802。
实际上，多个输入端口通过多个相应光纤连接到每个DRM。各光纤将特定交换机输入连接到DRM中的多个检测器的特定一个。光电子交换机配置成将所输入分组划分为多个路径/线路，并且并行处理多个线路的数据，各通道具有其自己的检测器、其自己的调制器和其自己的输出光纤。
对于各输入端口2804，检测器将从其相应输入接收光学信号，并且将其转换为电信号(如果光电子交换机是光电子分组交换机，则检测器所生成的电信号将是电分组信号)。
电信号将如关于图25、图26或图27所述那样由DRM基于调度信息(在光电子分组交换机的情况下)或其他控制信息(在光电子电路交换机的情况下)来处理。基于这个信息，电信号将发送给一个或多个调制器。
各调制器配置成从电路中的一个或多个通道接收调制电信号，并且还接收波长调谐激光输入。在图28所示的实施例中，可调谐激光器位于交换机控制单元2806上。
DRM总线2807形成交换机控制单元与DRM的每个之间的双向连接，供向以及来自交换机控制单元的信息的传递。
采取4线带光纤形式的另一光纤2808将每个DRM的输出端口连接到无源光学路由器的输入端口。
为了进一步减少单个分组被交换所花费的时间，进入光电子交换机的各输入端口2804的数据分组(并且因此经过DRM的各分组)分离成被并行处理的多个通路。
在所示实施例中，存在按照线性阵列布置的总共6个DRM，其中的每个配置成接收来自4个输入端口的输入。输入端口与DRM之间的各通道本身则划分为被并行处理的4个通路。
光电子交换机2900的备选布置在图29中示为连接到两个架顶式交换机2904a、2904b，数据在它们之间进行交换。
多个DRM 2902作为阵列来定位，每个DRM处于无源光学路由器(采取AWG 2901的形式)的输入，以向AWG的输入端口提供光学调制信号。如同先前实施例一样，DRM位于与AWG相同的芯片上或者位于在光学上连接到AWG的芯片的相邻邻接芯片上。
可调谐激光器2903的阵列与AWG和DRM分离定位，并且每个可调谐激光器经由波长不可知(agnostic)光纤在光学上连接到DRM之一的输入。
数据将要从其中进行交换的第一ToR连接到多个DRM 2902其中之一的调制器。DRM接收未定义波长的光学输入信号，并且通过调制来自可调谐激光器之一的调谐激光信号，将它们路由通过无源光学路由器(在本例中为AWG)，可调谐激光器的波长选定成，选择经过无源光学路由器到无源光学路由器的特定输出端口的特定路径。
这个布置具有以下优点，更昂贵光学设备保持为与从以及向ToR传送信号所需的交换机的部分相分离。可调谐激光器的一个或多个可采取垂直腔表面-发射激光器(VCSEL)或通过直接调制来驱动的另一个合适激光器的形式。
虽然结合上述示范实施例描述了本发明，但是许多等效修改和变形将对本领域的技术人员在阅读本公开时是显而易见的。相应地，以上提出的本发明的示范实施例被理解为说明性而不是限制性的。可进行对所述实施例的各种改变，而没有背离本发明的精神和范围。
例如，检测器，诸如上述实施例的任一个的光电检测器，可采用适用于接收光学或电信号的其他类型的接收器来替代。
通过引用将以上所参阅的所有参考文献结合于此。

Claims (17)

1.一种光电子分组交换机，包括：
一个或多个交换机输入，用于接收光学分组信号；
无源光学路由器，具有输入端口和输出端口，它们之间的光路是波长相关的；以及
多个检测器重调器(DRM)，配置成接收来自所述一个或多个交换机输入的光学信号，并且生成调制光学信号，供传送到所述无源光学路由器的所述输入端口，各检测器重调器(DRM)包括：
一个或多个检测器，用于将在所述一个或多个交换机输入所接收的光学分组信号转换为电分组信号；
一个或多个调制器，用于生成所述调制光学信号，各调制器配置成：从激光器接收具有波长的未调制光学信号；接收来自所述检测器之一的所述电分组信号；并且生成在所述波长的调制光学信号，所述调制光学信号包含所述电分组信号的信息，并且所述波长选定成，为所述调制光学信号选择所述无源光学路由器的期望输出端口；以及
电子电路，将所述一个或多个检测器的每个连接到对应调制器；
其中所述一个或多个调制器的每个是与配置成向其提供所述未调制光学信号的所述激光器相分离的组件。
2.如权利要求1 所述的光电子分组交换机，其中，所述DRM 的所述电子电路包括专用集成电路(ASIC)。
3.如权利要求1 或2 所述的光电子分组交换机，其中，所述DRM 的一个或多个的所述电子电路包括分组处理器。
4.如权利要求1或2所述的光电子分组交换机，其中，所述调制器包括调制区，在其中跨波导水平地设置半导体结，所述调制器区域包括：
电吸收材料；
马赫-曾德尔调制器；
法布里-珀罗谐振腔；或者
环形谐振器。
5.如权利要求1或2所述的光电子分组交换机，其中，所述DRM 的所述电子电路的至少一部分是与光子芯片直接接触的电芯片，其中所述光子芯片包括所述检测器和所述调制器。
6.如权利要求1或2所述的光电子分组交换机，其中，各检测器重调器配置成将输入光学分组信号划分为多个独立通路，其由所述DRM 的所述电子电路并行处理。
7.一种包括权利要求1 所述的交换机的绝缘体上硅芯片。
8.如权利要求7 所述的绝缘体上硅芯片，其中所述交换机的所述无源光学路由器是阵列波导光栅(AWG)并且其中所述AWG 及所述DRM 位于一个光学平面。
9.如权利要求7 所述的绝缘体上硅芯片，其中所述无源光学路由器和所述DRM 位于单个集成光子芯片上。
10.如权利要求7 所述的绝缘体上硅芯片，其中所述多个DRM 中的一个DRM 的所述电子电路是安装在所述绝缘体上硅芯片上的倒装芯片。
11.如权利要求7 所述的绝缘体上硅芯片，在一平面布置中，包括：
第一AWG，具有多个输入和多个输出；
DRM 的第一阵列，所述第一阵列中的每个DRM 为所述多个DRM 中的一个DRM，位于所述第一AWG 的输入，所述第一阵列中的每个DRM 具有激光输入和输出；DRM 的所述第一阵列布置成使得所述第一阵列中的每个DRM 的输出连接到所述第一AWG 的相应输入；
第二AWG，具有多个输入和多个输出；以及
DRM 的第二阵列，所述第二阵列中的每个DRM 为所述多个DRM 中的一个DRM，位于所述第二AWG 的输入，所述第二阵列中的每个DRM 具有激光输入和输出；DRM 的所述第二阵列布置成使得所述第二阵列中的每个DRM 的输出连接到所述第二AWG 的相应输入；
其中所述第一AWG 的每个输出连接到DRM 的所述第二阵列中的相应DRM 的相应激光输入。
12.如权利要求11 所述的绝缘体上硅芯片，其中所述第一和第二AWG 按照端对端布置位于所述芯片上。
13.如权利要求11 所述的绝缘体上硅芯片，其中所述第一和第二AWG 按照平面嵌套布置。
14.如权利要求13 所述的绝缘体上硅芯片，其中每个AWG 具有弧形形状，所述第一AWG具有比所述第二AWG 更小的弧形；其中所述第一AWG 嵌套在所述第二AWG 的弧形下面。
15.如权利要求7 所述的绝缘体上硅芯片，在一平面布置中，包括：
DRM 的第一阵列，所述第一阵列中的每个DRM 为所述多个DRM 中的一个DRM，所述第一阵列中的每个DRM 位于所述无源光学路由器的输入波导，并且所述第一阵列中的每个DRM耦合到一激光器，所述激光器配置成向其调制器提供所述未调制光学信号；
DRM 的第二阵列，所述第二阵列中的每个DRM 为所述多个DRM 中的一个DRM，所述第二阵列中的每个DRM 位于所述无源光学路由器的输出波导，并且所述第二阵列中的每个DRM耦合到一激光器，所述激光器配置成向其调制器提供所述未调制光学信号；
光学解复用器，配置成在所述光学解复用器的输出形成DRM 的所述第一阵列的输入信号；以及
光学复用器，其输入连接到DRM 的所述第二阵列的输出。
16.一种检测器重调器(DRM)，包括：
一个或多个检测器，用于将光学分组信号转换为电分组信号；
一个或多个调制器，各调制器配置成：从激光器接收未调制光学信号；接收来自所述检测器之一的电分组信号；并且生成调制光学信号，所述调制光学信号包含所述电分组信号的信息；以及
电子电路，连接所述检测器和调制器，所述电子电路包含用于控制所述调制光学信号的生成的部件；
其中所述调制器是与所述激光器分离的组件。
17.一种光电子电路交换机，包括：
一个或多个交换机输入，用于接收光学输入信号；
无源光学路由器，具有输入端口和输出端口；以及
多个检测器重调器(DRM)，配置成接收来自所述交换机输入的光学信号，并且生成调制光学信号，供传送到所述无源光学路由器的所述输入端口，各检测器重调器(DRM)包括：
一个或多个检测器，用于将在所述交换机输入所接收的每个光学信号转换为电信
号；
一个或多个调制器，用于生成所述调制光学信号，各调制器配置成：从激光器接收具有波长的未调制光学信号；接收来自所述检测器之一的所述电信号；并且生成在所述波长的调制光学信号，所述波长选定成，选择所述无源光学路由器的期望输出端口并且所述调制光学信号包含所述电信号的信息；以及
电子电路，连接所述检测器与所述调制器；
其中所述一个或多个调制器的每个是与配置成向其提供所述未调制光学信号的所述激光器相分离的组件。
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