CN112771793B - 用于硅光子插入器的cwdm复用器/解复用器设计的方法和系统 - Google Patents

用于硅光子插入器的cwdm复用器/解复用器设计的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了用于硅光子插入器的CWDM复用器/解复用器设计的方法和系统，并且该方法和系统可以包括光学收发器，该光学收发器包括硅光子插入器、偏振分路器、透镜阵列、以及具有粗波分复用(CWDM)涂层和高反射率(HR)涂层的棱镜。偏振分路器、透镜阵列和棱镜耦合到硅光子插入器。可以接收具有多个不同波长和偏振的输入光学信号。可以使用偏振分路器将不同偏振的信号在空间上分开，并且可以使用CWDM涂层将第一波长范围的信号反射到透镜阵列中，同时可以使第二波长范围内的信号穿过。可以使用HR涂层将第二波长范围的信号反射到透镜阵列，并且可以使用透镜阵列将光学信号耦合到硅光子插入器中。

Description

用于硅光子插入器的CWDM复用器/解复用器设计的方法和 系统
相关申请的交叉引用/通过引用并入
本申请要求于2018年10月11日提交的美国临时申请No.62/744,591的优先权和权益，该申请据此在本文通过引用被整体并入。
技术领域
本公开的各方面涉及电子组件。更具体地，本公开的某些实现方式涉及用于硅光子插入器的CWDM复用器/解复用器设计的方法和系统。
背景技术
用于复用和解复用的常规方法可能是昂贵的、麻烦的和/或低效的，例如，它们可能是复杂的和/或耗时的，并且/或者可能由于损失而具有有限的响应性。
通过将这种系统与在本申请的剩余部分中参考附图阐述的本公开的一些方面进行比较，常规和传统方法的进一步限制和缺点对于本领域技术人员而言将是明显的。
发明内容
提供了用于硅光子插入器的CWDM设计的系统和方法，基本上如在至少一个附图中所示出的和/或结合至少一个附图所描述的那样，并且如在权利要求中更完整地阐述的那样。
根据下面的描述和附图将更全面地理解本公开的这些和其他优点、方面及新颖特征，以及所示出的其实施例的细节。
附图说明
图1是根据本公开的示例实施例的具有与偏振无关的复用器/解复用器的光子启用集成电路(photonically-enabled integrated circuit)的框图。
图2是示出了根据本公开的示例实施例的具有薄膜滤光器的复用器/解复用器的示意图。
图3示出了根据本公开的示例实施例的具有空间分离分束器的光学收发器。
图4示出了根据本公开的示例实施例的具有分布式复用器/解复用器功能的架构。
图5示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的细节。
图6示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的侧视图。
图7示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的俯视图和波束路径。
图8示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的等距视图。
图9示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的扩缩能力。
图10示出了根据本公开的示例实施例的宽带成角度光纤光栅耦合器。
图11示出了根据本公开的示例实施例的片上双通道复用器/解复用器。
具体实施方式
图1是根据本公开的示例实施例的具有用于硅光子插入器(silicon photonicsinterposer)的粗波分复用(coarse wavelength division multiplexing，“CWDM”)复用器/解复用器(“MUX/DEMUX”)设计的光子启用集成电路的框图。参考图1，示出了光子启用集成电路130的光电设备以及光学设备，其中光电设备包括光学调制器105A-105D、光电二极管111A-111D、监视光电二极管113A-113D，并且光学设备包括耦合器103A-103C和光栅耦合器117A-117H。还示出了电气设备和电路，包括放大器107A-107D、模拟及数字控制电路109、和控制部分112A-112D。例如，放大器107A-107D可以包括跨阻抗和限幅放大器(TIA/LAS)。耦合光学器件150可以包括分束器、薄膜滤光器、反射镜、棱镜等，并且可以被集成在插入器上以及被集成在插入器的外部。
在示例场景中，光子启用集成电路130包括耦合到互补金属氧化物半导体(CMOS)光子插入器管芯的一个或多个CMOS电子管芯，其中激光器组装101也耦合到插入器的顶表面。激光器组装101可以包括一个或多个半导体激光器，该一个或多个半导体激光器具有隔离器、透镜和/或旋转器，用于将一个或多个连续波(continuous-wave，CW)光学信号引导到耦合器104A-104D。CW光学信号可以处于用于CWDM操作的不同波长，例如CWDM4。光子启用集成电路130可以被集成在多个管芯上，例如与一个或多个电子管芯和一个或多个光子管芯集成。
光栅耦合器104A-104D包括光栅结构，其光栅间距和宽度被配置成将具有特定波长和偏振的光学信号耦合到IC 130中。透镜阵列可以被结合在光栅耦合器104A-104D与激光器组装101之间，用于将光学信号聚焦到光栅耦合器以提高耦合效率。
光学信号经由被制造在光子启用集成电路130中的光学波导110，在光学设备和光电设备之间被传送。单模式或多模式波导可被用在光子集成电路中。单模式操作使得能够直接连接到光学信号处理和联网元件。术语“单模式”可以被用于针对两种偏振(即，横电(TE)和横磁(TM))中的每一种而支持单个模式的波导，或者可被用于真实的单个模式并且仅支持一个模式的波导。这样的一个模式可以具有例如是TE的偏振，其包括平行于支撑波导的衬底的电场。所利用的两个典型的波导横截面包括条形波导和脊形波导。条形波导通常包括矩形横截面，而脊形波导包括在波导板的顶部上的脊形部分。当然，也可以考虑其他波导横截面类型，并且这些类型也在本公开的范围内。
光学调制器105A-105D包括例如马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)或环形调制器，并且使得能够调制连续波(CW)激光输入信号。光学调制器105A-105D可以包括高速和低速相位调制部分，并且由控制部分112A-112D控制。光学调制器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。光学调制器105A-105D的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因素(例如，由波导之间的失配、波导温度、或波导应力引起的那些相位因素)，并被称为MZI的无源偏置或无源相位。
在示例场景中，高速光学相位调制器可以基于自由载流子色散效应来进行操作，并且可以展示自由载流子调制区域与光学模式之间的高度重叠。对在波导中传播的光学模式进行的高速相位调制是被用于高数据速率光通信的几种类型的信号编码的构建块。几十Gb/s的速度可用于维持被用在现代光学链路中的高数据速率，并且可以通过如下操作来在集成Si光子中被实现：对跨(承载光束的)波导放置的PN结的耗尽区进行调制。为了提高调制效率并使损失最小化，对光学模式与PN结的耗尽区之间的重叠进行了仔细的优化。
每个光学调制器105A-105D的一个输出可以经由波导110被光学耦合到光栅耦合器117E-117H。光学调制器105A-105D的其他输出可以光学耦合到监视光电二极管113A-113D以提供反馈路径。IC 130可以利用基于波导的光学调制和接收功能。因此，接收器可以采用集成波导光电检测器(photo-detector，PD)，该集成波导光电检测器例如可以用直接沉积在硅上的外延锗/SiGe膜来实现。
光栅耦合器104A-104D和117A-117H可以包括光学光栅，该光学光栅使能光进和出光子启用集成电路130的耦合。光栅耦合器117A-117D可用于将从光学光纤(opticalfiber)接收的光耦合到光子启用集成电路130中，并且光栅耦合器117E-117H可用于将来自光光子启用集成电路130的光耦合到光学光纤中。光栅耦合器104A-104D和117A-117H可以包括单偏振光栅耦合器(single polarization grating coupler，SPGC)和/或偏振分割光栅耦合器(polarization splitting grating coupler，PSGC)。在使用PSGC的情况下，可以使用两个输入或输出波导，如针对光栅耦合器117A-117D所示的那样，不过这些可以替代地是SPGC。
例如，可以使用光纤耦合器来用环氧树脂将光学光纤粘合到CMOS插入器，该光纤耦合器选择性地将不同波长的光学信号偏转到光子启用集成电路130上的不同光栅耦合器以及从光子启用集成电路130上的不同光栅耦合器偏转，其中每个耦合器(例如，光栅耦合器117A-117H中的每一个)被配置成耦合不同波长的光学信号。
光电二极管111A-111D可以将从光栅耦合器117A-117D接收的光学信号转换成电信号，该电信号被传送到放大器107A-107D以进行处理。在本公开的另一实施例中，光电二极管111A-111D可以包括例如高速异质结光电晶体管，并且可以在集电极区和基极区中包括锗(Ge)以用于在1.3-1.6μm的光学波长范围内进行吸收，并且可以被集成在CMOS绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶片上。
模拟及数字控制电路109可以控制在放大器107A-107D的操作方面的增益水平或其他参数，然后放大器107A-107D可以将电信号传送出光子启用集成电路130。控制部分112A-112D包括使得能够对从光栅耦合器104A-104D接收的CW激光信号进行调制的电子电路系统。例如，光学调制器105A-105D可能需要高速电信号来对马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的相应分支中的折射率进行调制。
在操作中，光子启用集成电路130可以操作来发送和/或接收以及处理光学信号。光学信号可以由光栅耦合器117A-117D从光学光纤接收，并由光电检测器111A-111D转换成电信号。例如，电信号可以由放大器107A-107D中的跨阻抗放大器放大，并且随后被传送到光子启用集成电路130中的其他电子电路系统(未示出)。
集成光子平台允许光学收发器的全部功能被集成在倒装芯片接合结构中的单个芯片或多个芯片上。光学收发器包含光电电路以及光学接口，其中光电电路在发送器(Tx)和接收器(Rx)侧创建和处理光学信号/电信号，并且光学接口将光学信号耦合到光纤并从光纤耦合光学信号。信号处理功能可以包括：调制光学载波，检测光学信号，分割或组合数据流，以及对在具有不同波长的载波上的数据进行复用或解复用。
硅光子的重要商业应用是高速光学收发器，即，光电发送(Tx)和接收(Rx)功能被集成在同一芯片中或被集成在小封装中的多个接合芯片中的IC。这样的一个或多个IC的输入或者是通过对来自激光器的光进行调制来被编码到芯片的Tx输出上的高速电数据流，或者是由集成光电检测器接收并通过经过跨阻抗放大器(TIA)/限幅放大器(LA)链来被转换成合适电信号的光学数据流。这种硅光子收发器链路已经成功地以几十GHz的波特率实现。
用于提高光学收发器中的数据速率的一种方法是对处于不同波长的多个光学信号进行复用以通过光学光纤进行同时传输，这些光学信号然后可以在接收端被解复用。为此，可以利用复用器和解复用器来分别将不同的光波长组合和分开。这可以利用被调谐到不同波长的薄膜滤光器(thin film filter，TFF)来实现，其将光学信号向下偏转以在芯片上近法向入射到对应的光栅耦合器，同时允许其他波长信号穿过。这些结构在图1中被示出为耦合光学器件150，并且关于图2-11更详细地被示出。
图2是示出了根据本公开的实施例的具有发射滤光器(launching filter)的薄膜滤光器的示意图。参考图2，示出了收发器200，其中光学信号经由光纤201和耦合器210被耦合。耦合器210包括反射镜203、玻璃207、薄膜滤光器(TFF)209、和透镜阵列211。耦合器210可以被配置成以近法向的入射将光学信号引导到光子插入器管芯205中。
光纤201可以包括一根或多根光学光纤，该光学光纤用于将光学信号耦合到耦合器210和光子管芯205以及从耦合器210和光子管芯205耦合光学信号。光纤可以包括单模式或多模式光纤。在示例场景中，一根光纤用于将信号耦合到耦合器210中并随后耦合到光子管芯205，而第二根光纤经由耦合器210接收来自光子管芯205的光学信号。
玻璃207可以包括经加工和/或抛光的高度透明的结构，在该结构上，诸如反射镜和滤光器之类的光学组件可以被形成。例如，一层或多层诸如金之类的高反射金属可以被沉积在玻璃207的高度抛光的表面上，从而形成反射镜203。类似地，滤光器结构可以通过在玻璃207上沉积介电质层的堆叠来被形成，从而形成例如TFF 209。因此，玻璃207可以将光学信号从光纤201端引导到TFF 209端，反之亦然。
透镜阵列211可以包括经微加工的硅结构，例如，其中形成有透镜结构，该透镜结构可操作以将从TFF 209接收的光学信号聚焦到光子管芯205上的特定点(例如，光栅耦合器)。虽然示出了凸透镜结构，但是可以根据例如所需的焦距、所用透镜材料的介电常数、以及空间要求，使用其他形状。
TFF 209可以包括交替的介电常数材料的堆叠，从而产生如下结构：该结构对于大多数波长是反射的，但允许特定波长的光穿过。每个TFF209可以被调谐到不同的波长，这对于CWDM应用可以是有用的。虽然图2中示出了四个TFF 209，但根据所需不同波长的数目，可以使用任何数目的TFF。
反射镜203可以包括被形成在玻璃207上的高反射材料(例如，金属)，用于将光学信号从光纤201引导到TFF 209。光纤201可以在其输出处包括准直器，用于向耦合器210提供准直波束。
在操作中，光学信号可以经由光纤201被耦合到耦合器210中，并由反射镜203和TFF 209反射，从而产生多反射配置。每个TFF 209被配置成反射除特定波长范围内的信号之外的所有信号。以这种方式，特定波长的光学信号可以耦合到光子管芯205上的特定位置，优选地耦合到被调谐到该特定波长的光栅耦合器。反射镜203使能TFF 209上的基本上垂直的撞击(impingement)，使得在TFF 209之后不需要另外的反射结构来用于光子管芯205上的期望的近法向入射，从而使光学信号到光子管芯205中的耦合效率最大化。
图3示出了根据本公开的示例实施例的具有空间分离分束器的光学收发器。参考图3，示出了收发器300，其包括Tx光纤301A、Rx光纤301B、光纤耦合器303、光子管芯321、和分束器320。光子管芯350可以类似于前面关于图1和图2描述的光子管芯，并且可以包括Tx光栅耦合器305A以及Rx光栅耦合器305B和305C。在示例场景中，Tx耦合器305A和Rx光栅耦合器305B可以包括单偏振光栅耦合器，并且Rx光栅耦合器305C可以包括偏振分割光栅耦合器。
棱镜307C可以包括透明结构，该透明结构具有形成在倾斜表面上的薄膜滤光器，用于将期望的信号向下反射到Rx光栅耦合器305B和305C并且经由分路器(splitter)棱镜307A从Tx光栅耦合器305A反射到Tx光纤301A。棱镜307A还可以具有形成在成角度表面上的薄膜，从而形成TFF 309A，用于在不同偏振的信号到达倾斜表面时分离它们，而反射镜棱镜307B包括形成在成角度表面上的层，以提供用于将来自TFF 309A的信号反射到Rx光栅耦合器305C的反射镜311。
收发器300包含分束器320，分束器320包括分路器棱镜307A中的TFF 309A和反射镜棱镜307B中的反射镜311，以使不同偏振的信号在空间上分开，使得不同的Rx光栅耦合器305B和305C可以用于来自单个接收到的CWDM信号的不同偏振和波长。此外，收发器包括用于第四p偏振的第五TFF。
每个TFF 309B-309F可以被设计成反射一个CWDM光带(CWDM band)的s偏振和前一CWDM光带的p偏振，同时允许其他CWDM光带穿过。该方法使得p偏振和s偏振传输的光带边沿被故意分开。在该示例中，它们之间的差量被设置为20nm(CWDM通道间距)。两个偏振之间的延迟可以容易地在硅上被补偿，这例如通过一侧上几百微米的额外的波导长度来实现。
在操作中，收发器300可操作以通过使用在空间上分开的偏振分路器和波长敏感的薄膜滤光器，来接收和发送CWDM4信号。处于不同CWDM波长的四个光学信号可以在光子管芯321中被生成(例如如前所述的那样)，并经由Tx光栅耦合器305A从管芯耦合。TFF 309B-309F将每个信号从TFF棱镜307C反射到分路器棱镜307A中并到Tx光纤301A中，从而生成被发送到光纤301A中的CWDM4信号。
类似地，CWDM信号可以经由Rx光纤301B被接收并被耦合到分束器320，其中在分束器320处，一种偏振穿过TFF 309A到TFF棱镜307C，其中在TFF棱镜307C处，TFF 309B-309F中的每一个将特定波长和偏振的信号向下反射到Rx光栅耦合器305B，其中该Rx光栅耦合器305B将对应的波长信号耦合到光子管芯321中以用于处理。其他偏振信号在TFF 309A处被横向反射到反射镜311，该反射镜311将信号反射到TFF棱镜307C中，其中在TFF棱镜307C处，TFF 309B-309F中的每一个将特定波长和偏振的信号向下反射到Rx光栅耦合器305C，其中该Rx光栅耦合器305C将信号耦合到光子管芯321中以用于处理。
图4示出了根据本公开的示例实施例的具有分布式复用器/解复用器功能的架构。参考图4，示出了具有光学光纤401A和401B、外部复用器/解复用器403和光子管芯410的收发器400。光子管芯410可以包括具有光学设备和光电设备的插入器，例如光栅耦合器405A-405D和复用器/解复用器407A-407D，其中每个耦合器和复用器/解复用器可操作以传送信号，将输入信号分离成两个不同的波长和/或将两个信号组合成一个信号，不过本公开不限于此示例。
通过将复用器/解复用器功能一部分集成在管芯410中，一部分集成在插入器管芯410外部，这可以利用每个使能可制造高密度解决方案的平台的优势。外部复用器/解复用器403可以包括薄膜滤光器的阵列或双折射材料(例如，用于将输入光学信号分离成两个分开的、各自具有两个波长的信号)。片上复用器/解复用器407A-407D可以包括具有相位调制部分的光学波导、光学耦合器、和光电检测器，如在美国专利申请序列号15/805,803中所描述的，该申请据此通过引用整体并入本文。
在图4所示的示例中，可以发送和接收四个CWDM波长。例如，在该示例中，Rx光学光纤401B可以接收输入光学信号，该输入光学信号包括四个具有不同波长(即，1270nm、1290nm、1310nm和1330nm)的光学信号。外部复用器/解复用器403可以分离接收到的输入信号，并输出两个包括两个波长(例如，1270/1290nm和1310/1330nm)的信号。然后，这些光学信号可以经由光栅耦合器405C和405CD耦合到光子管芯410中。这些信号中的每一个然后可以由片上解复用器407C和407D进一步解复用，从而得到四个分开的、不同波长的独立信号。
此外，收发器400可以将波分复用信号耦合到Tx光学光纤401A中。诸如1270、1290、1310和1330nm之类的四个波长的四个信号可以耦合到复用器/解复用器407A和407D中，其中MUX 407A将1270nm的信号和1290nm的信号复用成单个光学信号，并且MUX 407B将1310nm的信号和1330nm的信号复用成单个信号。然后，这两个复用后的信号可以经由光栅耦合器405A和405B被从光子管芯410传送到外部复用器/解复用器403。然后，外部复用器/解复用器403可以进一步将两个接收到的信号复用成Tx光学光纤401A上的单个输出信号。
图5示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的细节。参考图5，示出了耦合到光子管芯513的外部复用器/解复用器500，该外部复用器/解复用器500具有输入/输出光纤501、偏振分路器503、棱镜505、透镜阵列511、和偏振旋转器515。偏振分路器503可以包括例如双折射材料或在空间上分开且偏振相关的薄膜滤光器，该薄膜滤光器可以将不同偏振的光学信号在空间上分开，使得每个信号可以经由CWDM涂层507或HR涂层509被向下反射到光子管芯513中对应的光栅耦合器。在示例场景中，偏振分路器503包括在空间上同质的结构，例如当其包括双折射材料时。当不同偏振的信号撞击在输出侧上时，偏振分路器充当组合器，将组合的信号传送出图6所示的输入侧。例如，偏振旋转器515可以包括用于45度偏振旋转的半波片旋转器。在另一示例实施例中，偏振分路器的输出可以被旋转不同的量，以使这些输出的偏振在旋转器之后是均衡的。
CWDM涂层可以包括在棱镜505中或棱镜505上的成角度平面上的薄膜的堆叠，这些薄膜被配置成反射期望波长的信号并允许其他信号通过。在图5中，在左下图表中示出了示例高通光谱，在该高通光谱中，CWDM光带3和4通过CWDM涂层507被透射，而CWDM光带1和2经由透镜阵列511被向下反射到光子管芯513，其中，该透镜阵列511可以将信号聚焦到对应的光栅耦合器上。
然后，穿过CWDM涂层507的信号可以由HR涂层509反射，该HR涂层509包括被形成在棱镜505的成角度平面上的高反射率涂层(例如，金属)。被反射的信号可以由透镜阵列511聚焦到光子管芯513中对应的光栅耦合器上。
图6示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的侧视图。参考图6，示出了复用器/解复用器500的侧视图，该复用器/解复用器500具有光学光纤501、偏振分路器503、透镜阵列511、光子管芯513、偏振旋转器515、以及包括CWDM涂层507和HR涂层509的棱镜505，如上关于图5所描述的。此外，偏振分路器503的光轴由虚线表示。
在该示例中，接收偏振分集是利用(消除CWDM滤光器的偏振相关损失的)外部复用器/解复用器500来处理的，并且允许光子管芯513中的单偏振光栅耦合器(与偏振分割光栅耦合器相反)。光束路径可以被配置成维持最高密度，并且该结构的短投射距离(throwdistance)允许将双折射旋转器用于偏振分路器503。此外，偏振旋转器515可以包括半波片45度偏振旋转器。在另一示例实施例中，偏振旋转器515可以将偏振分路器的输出旋转不同的量，以使这些输出的偏振在偏振旋转器515之后是均衡的。
通过虚线示出了不同波长和偏振的波束路径，其中较长波长的信号穿过CWDM涂层507并由HR涂层509向下反射到透镜阵列511。此外，在该示例中，偏振分路器503中的双折射材料将p偏振信号向上偏转，从而与直接穿过的s偏振信号相比，其在更高的位置处撞击在CWDM涂层507上。对于来自光子管芯513的信号，该相同的过程相反地工作。以这种方式，在具有偏振控制和空间分离的情况下，单偏振光栅耦合器可以以与偏振无关的方式被用在光子管芯513中。
在一种示例场景中，～45度入射角(AOI)设计显著降低了投射距离，这可用于增加区域通道密度。例如，可以容易地实现Tx和Rx之间127μm的光纤间距。简单的高通光谱响应使45度AOI滤光器的角度灵敏度问题最小化。与在常规的Z块设计中在多次反弹后看到累积的角度误差相比，从滤光器进行单次反射也大大降低了滤光器翘曲的影响。这允许更容易地进行扩缩，以在同一滤片(filter piece)中容纳更大的光纤计数。此外，光束还经过滤光器一次，这使插入损失积累最小化，该插入损失积累在4通道CWDM4解复用器中将针对最后一个分出的通道被看到。最后，可以在WDM滤光器的背面上实现HR涂层509，以获得对两组反射波束的间距的良好控制。
图7示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的俯视图和波束路径。参考图7，示出了复用器/解复用器700的俯视图，该复用器/解复用器700具有光学光纤701A和701B、偏振分路器703、光子管芯713、和偏振旋转器715、光栅耦合器717A-717F、以及包括CWDM涂层507和HR涂层509的棱镜705，如以上关于图5所描述的。
复用器/解复用器700展现了“在空间上同质的”偏振分割，因为在分离器/旋转器703/715中不存在精细的对准特征，所以沿光纤计数轴进行的扩缩被简化，其中材料沿该轴进行简单的挤压(extrusion)。此外，偏振分离不会在光纤阵列中产生空位置。
如在图7中看到的，不同波长和不同偏振的信号经由不同的光栅耦合器717A-717F被传送。在所示示例中，耦合器717A经由棱镜705、旋转器715和偏振分路器703将1310和1330nm的Tx光学信号传送到光纤701A中，而耦合器717B经由棱镜705、旋转器715和偏振分路器703将1270和1290nm的Tx光学信号耦合到光纤701A中。1310/1330nm和1270/1290nm的光学信号可以由硅插入器713中的片上复用器(例如，图11中描述的复用器/解复用器1100)进行复用。以这种方式，可以在收发器中使用单偏振光栅耦合器，这会产生较低的损失。然而，也可以使用偏振组合光栅耦合器来代替所示的单偏振光栅耦合器。
此外，光栅耦合器717B、717E和717F可以从棱镜705接收光学信号，并将它们耦合到片上解复用器，例如在图11中描述的复用器/解复用器1100。
图8示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的等距视图。参考图8，示出了复用器/解复用器800的斜角视图，该复用器/解复用器800具有偏振分路器803、透镜阵列811、光子管芯813、偏振旋转器815、以及包括CWDM涂层807和HR涂层809的棱镜805，类似于上面关于图5描述的那些。图8还在复用器/解复用器800中的各个点处示出了光学信号的偏振，如短箭头所表示的。
偏振分路器803中的双折射晶体在Rx(来自光纤的)s偏振和p偏振之间产生垂直分离，如Rx路径在偏振分路器803的后表面处和在偏振旋转器815的半波片的前表面处所示的那样。图8还示出了在横向上分开的Tx和Rx路径。这说明了该结构的可扩展性，因为更多的光纤可以在横向上被并入，从而添加更多的通道，如图9所示。
图9示出了根据本公开的示例实施例的外部复用器/解复用器的扩缩能力。参考图9，示出了复用器/解复用器900的斜角视图，该复用器/解复用器900具有光学光纤901、偏振分路器903、透镜阵列911、偏振旋转器915、和包括CWDM涂层907和HR涂层909的棱镜905，每个类似于上面关于图5所描述的类似命名的元件。还示出了用于针对光学光纤901的阵列提供物理/机械支撑的耦合器921。
这里描述的分布式复用器/解复用器设计使得能够扩缩到高的通道计数，因为外部复用器/解复用器功能可以容易地沿着如图所示的光纤计数轴被挤压。在示例实施例中，图9中示出了支持32个4x100G收发器的64光纤解决方案。
图10示出了根据本公开的示例实施例的宽带成角度光纤光栅耦合器。参考图10，示出了具有40nm 1dB带宽的宽带光栅耦合器1000，该宽带光栅耦合器1000是单偏振光栅耦合器，其可以在图1-9所示的收发器的Tx侧和Rx侧两者上使用。光栅耦合器1000包括光子管芯中的曲面光栅阵列，在该曲面光栅阵列中，例如从硅到二氧化硅、氮化物或空气的折射率改变提供光学信号的散射，使得从垂直方向撞击的光被散射到光子芯片的平面中。上面描述的外部偏振分割允许在Rx侧消除更复杂的偏振分割光栅耦合器，这使得宽带光栅耦合器的设计更合理。单偏振为+/-45度，这使能了高密度外部复用器/解复用器设计的可扩缩性。
图11示出了根据本公开的示例实施例的片上双通道复用器/解复用器。参考图11，示出了具有一对波导1101A和1101B的复用器/解复用器1100，其中这对波导具有间歇耦合区域1105，在该间歇耦合区域1105中，这对波导变得足够接近以进行光学耦合。此外，这些波导中的一个波导具有“弯道(chicane)”1103或延伸长度以针对该路径中的光学信号提供相移。进一步的相位调制可以通过沿波导放置的PN结来使能，其中PN结上的偏置引起折射率改变，从而引起穿过的光学信号的相位改变。
在图11所示的示例中，MZI格型滤光器被用于复用器/解复用器功能，其中示出了4级滤光器。这些结构还可以用作具有正确的自由光谱范围(free spectral range，FSR)选择的清理(clean-up)滤光器。在所展现的以硅制造的复用器/解复用器结构中，正确的相位在校准步骤中使用低速相位调制器(LSPM)被设置，并且用于LSPM设置的查找表也可被实现。
在该实施例中，不同波长(在本示例中为1310和1330nm)的复用光学信号被耦合到复用器/解复用器1100的一个输入端中，并且1310nm的信号被从输出波导1101A输出，而1330nm的信号被从另一输出波导1101B输出。复用器/解复用器1100作为复用器或解复用器进行操作，其中图11示出了它作为解复用器进行操作，但是它通过如下操作来作为复用器进行操作：对波导1101A和1101B两者在一端处的1310和1330nm的输入信号进行耦合，并将经复用的1310/1330光学信号从一个波导1101A或1101B在相对端处输出。
在本公开的示例实施例中，描述了用于硅光子插入器的CWDM复用器/解复用器设计的方法和系统。该方法和系统可以包括光学收发器，该光学收发器包括硅光子插入器、偏振分路器、透镜阵列和具有粗波分复用(CWDM)涂层和高反射率(HR)涂层的棱镜，其中偏振分路器、透镜阵列和棱镜耦合到硅光子插入器。可以接收输入光学信号，该输入光学信号包括多个不同波长和多个不同偏振的光学信号。不同偏振的信号可以使用偏振分路器来在空间上分开，并且第一波长范围的信号可以使用CWDM涂层被反射到透镜阵列中，而第二波长范围内的信号可以穿过CWDM涂层。
第二波长范围的信号可以使用HR涂层被反射到透镜阵列，并且光学信号可以使用透镜阵列被耦合到硅光子插入器中。具有第一波长范围内两个不同波长的信号和具有第二波长范围内两个不同波长的信号可以使用硅光插入器中的解复用器被解复用。
可以在偏振分路器和棱镜之间使用偏振旋转器来旋转信号的偏振。可以使用偏振旋转器将信号的偏振旋转45度。可以将偏振分路器的输出旋转不同的量，以使它们的偏振在偏振旋转器之后是均衡的。可以使用硅光子插入器中的两个复用器将四个不同波长的信号复用成两个输出信号。这两个输出光学信号可以经由透镜阵列被从硅光子插入器传送到棱镜中。可以使用HR涂层、CWDM涂层、和偏振分路器将这两个输出光学信号复用成单个输出信号。输入光学信号可以是从一根或多根光学光纤接收的。偏振分路器可以包括双折射材料，或者在空间上分开且偏振相关的薄膜滤光器。硅光子插入器可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯。
如本文所使用的，术语“电路”和“电路系统”指的是物理电子组件(即，硬件)和可以配置硬件、可由硬件执行和/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，当执行第一一行或多行代码时，特定的处理器和存储器可以包括第一“电路”，并且当执行第二一行或多行代码时，特定的处理器和存储器可以包括第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”指的是列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项目。例如，“x和/或y”表示三元组{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y中的一者或两者”。作为另一示例，“x，y和/或z”表示七元组{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x，y和/或z”表示“x，y和z中的一个或多个”。如在本文所使用的，术语“示例性”意指用作非限制性的示例、实例或说明。如在本文所使用的，术语“比如”和“例如”引出一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如在本文所使用的，无论功能的执行是被禁用还是被未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整等)，每当电路系统或设备包括执行该功能所需的硬件和代码(如果需要的话)时，该电路系统或设备就是可操作以执行该功能的。
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，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，可以进行许多修改以使特定的情形或材料适应于本发明的教导而不脱离其范围。因此，意在本发明不限于所公开的特定实施例，并且本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种用于通信的方法，包括：
经由偏振分路器将光学信号在空间上分离成至少第一偏振信号和具有与所述第一偏振信号不同的偏振的第二偏振信号；
经由第一涂层将具有第一波长范围中的波长的所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的第一范围信号反射到透镜阵列中，同时使具有第二波长范围的波长的所述光学信号的所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的第二范围信号穿过所述第一涂层；
经由第二涂层将所述第二范围信号反射到所述透镜阵列中；
经由所述透镜阵列将所述第一范围信号和所述第二范围信号耦合到光子插入器中；
从所述第一范围信号中解复用具有两个不同波长的第一子信号和第二子信号；和
从所述第二范围信号中解复用具有两个不同波长的第三子信号和第四子信号。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：旋转所述第一偏振信号和所述第二偏振信号中的至少一者的偏振。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：经由偏振旋转器将所述第一偏振信号和所述第二偏振信号中的所述至少一者的偏振旋转45度，所述偏振旋转器位于所述光学信号在空间上分离的位置与所述第一范围信号被反射的位置之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，旋转所述第一偏振信号和第二偏振信号中的所述至少一者的偏振使所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的偏振在所述光学信号在空间上分离之后是均衡的。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用所述光子插入器中的两个复用器将四个不同波长的四个子信号复用成两个输出信号。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：经由所述透镜阵列将所述两个输出信号从所述光子插入器传送出去。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括：使用所述第二涂层、所述第一涂层、和所述偏振分路器将所述两个输出信号复用成单个输出信号。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：从一个或多个光学光纤接收所述光学信号。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述偏振分路器包括双折射材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述偏振分路器包括在空间上分开且偏振相关的薄膜滤光器。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光子插入器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯。
12.一种用于通信的系统，包括：
光子插入器；
偏振分路器；
透镜阵列；以及
棱镜，其包括第一涂层和第二涂层；
其中所述系统可操作用于进行以下操作：
经由偏振分路器将光学信号在空间上分离成至少第一偏振信号和具有与所述第一偏振信号不同的偏振的第二偏振信号；
经由第一涂层将具有第一波长范围中的波长的所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的第一范围信号反射到透镜阵列中，同时使具有第二波长范围的波长的所述光学信号的所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的第二范围信号穿过所述第一涂层；
经由第二涂层将所述第二范围信号反射到所述透镜阵列中；
经由所述透镜阵列将所述第一范围信号和所述第二范围信号耦合到光子插入器中；
从所述第一范围信号中解复用具有两个不同波长的第一子信号和第二子信号；和
从所述第二范围信号中解复用具有两个不同波长的第三子信号和第四子信号。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：偏振旋转器，用于旋转所述第一偏振信号和所述第二偏振信号中的至少一者的偏振。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述偏振旋转器被配置为将所述第一偏振信号和所述第二偏振信号中的所述至少一者的偏振旋转45度。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述偏振分路器被配置为使所述第一偏振信号和所述第二偏振信号的偏振在所述光学信号在空间上分离之后是均衡的。
16.根据权利要求12所述的系统，还包括：第一复用器和第二复用器，被配置为将四个不同波长的至少四个子信号复用信号复用成两个输出信号。
17.根据权利要求16所述的系统，还被配置为：经由所述透镜阵列将所述两个输出信号从所述光子插入器传送到所述棱镜中。
18.根据权利要求16所述的系统，还被配置为：经由所述第二涂层、所述第一涂层、和所述偏振分路器将所述两个输出信号复用成单个输出信号。
19.根据权利要求12所述的系统，还可操作用于从一个或多个光学光纤接收所述光学信号。
20.根据权利要求12所述的系统，其中，所述偏振分路器包括双折射材料，或者在空间上分开且偏振相关的薄膜滤光器。
21.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光子插入器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)管芯。
22.一种用于通信的系统，包括：
光子插入器，其包括第一复用器和第二复用器；
偏振分路器；
透镜阵列；以及
棱镜，其包括第一涂层和第二涂层；
其中所述系统可操作用于进行以下操作：
经由所述第一复用器将具有第一波长的第一信号和具有第二波长的第二信号复用成第一复用信号；
经由所述第二复用器将具有第三波长的第三信号和具有第四波长的第四信号复用成第二复用信号；
经由所述透镜阵列将第一复用信号和第二复用信号耦合到所述棱镜中；
将所述第一复用信号和第二复用信号反射到所述偏振分路器中；
将所述第一复用信号和第二复用信号复用成第三复用信号，该第三复用信号包括四个不同波长的光学信号，所述四个波长包括所述第一波长、所述第二波长、所述第三波长和所述第四波长；以及
将所述第三复用信号传送到光学光纤中。
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