CN113810118B - 单体集成相干收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了单体收发器的各种实施例，其可以被制造在半导体衬底上。单体收发器包括相干接收器模块(CRM)，相干发射器模块(CTM)和本振光分离器，以可调功率比将本振光馈送到CRM和CTM。单体收发器通过采用雪崩光电二极管(APD)进行光电转换来提供可调的响应度。单体收发器还采用偏振光束旋转分离器(PBRS)和偏振光束旋转组合器(PBRC)来支持包括偏振复用正交幅度调制(PM‑QAM)和偏振复用正交相移键控(PM‑QPSK)的调制方案。

Description

单体集成相干收发器
本申请是名称为“单体集成相干收发器”的中国发明专利申请(申请号：202010268249.6，申请日：2020年4月8日)的分案申请。
技术领域
本申请涉及光学收发器的技术领域。更具体地，本申请涉及具有各种参数调谐功能的单体光学收发器。
背景技术
当代的电信系统涉及在相当长的距离上以高数据速率传输大量数据的应用，例如长途数据通信、城域数据通信以及数据中心之间的通信。例如，数据中心互连(DCI)应用通常涉及跨10-120公里(km)的数据传输，数据传输速率为每秒100吉比特(Gb/s)甚至更高。为此，通常采用基于光纤的相干光通信技术。为了实现高数据速率，需要用于相干光通信的收发器来调制光载波的幅度和相位两者以产生光信号，以及解调这种光信号。此外，光信号通常在传输介质允许的多个偏振方向上传输，例如，在单模光纤的横向电(TE)偏振和横向磁(TM)偏振方向之间传输。
除了要发送和接收大量的数据之外，当代的电信系统还需要收发器来提供各种经济和操作上的利益，例如低成本、低功率和小占用空间。例如，可能要求收发器符合用于长距离数据通信的集成相干发射机-接收机光学子组件(IC-TROSA)封装，或符合用于城域数据通信的C形状因子可插拔版本2(CFP2)封装。对于DCI应用，各种紧凑型外壳形状因子已成为标准，例如八通道小型可插拔(OSFP)、双密度四通道小型可插拔(QSFP-DD)和四通道小型可插拔28(QSFP28)。反过来，这要求收发器内部的光学组件(OSA)具有非常紧凑的尺寸。集成相干发射机和接收机(ICTR)是解决方案的不错选择。ICTR是使用类似于制造半导体集成电路(IC)的制造技术在半导体衬底(例如硅(Si)或绝缘体上硅(SOI)衬底)上制造的单体集成光电芯片。尽管ICTR可以满足低成本、低功耗和小占位的要求，但它在设计、制造和操作方面也提出了各种挑战，这些挑战是由分立组件制成的收发器所未面临的。
附图说明
附图提供对本申请的进一步理解，附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施例，并且与说明书一起用于解释本申请的原理。附图不一定按比例绘制，以便更好地呈现所示出的主题的某些特征。附图标记的最左边的数字标识该附图标记首次出现的图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。
图1示出了根据本申请实施例的集成相干发射机和接收机(ICTR)的示意图。
图2示出了根据本申请实施例的单体雪崩光电二极管(APD)的剖视图。
图3示出了根据本申请实施例的光分离器的示意图。
图4示出根据本申请的另一实施例的光分离器的示意图。
图5示出了根据本申请的实施例的IQ调制器的一部分的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例的方式阐述了许多具体细节，以提供对相关教导的透彻理解。基于本文描述的教导的任何变化、派生和/或扩展均在本申请的保护范围内。在一些情况下，可以在相对较高的水平上不详细描述与在此公开的一个或多个示例实现有关的众所周知的方法、过程、组件和/或电路，以避免不必要地使本申请的教导的各方面模糊不清。。
如上所述，集成相干发射机和接收机(ICTR)提出了针对单体制造的收发器的各种设计、制造和操作挑战。为了克服挑战，需要针对单个收发器甚至是收发器内部的单个组件调整各种参数。此外，需要从战略上选择用于制造ICTR的材料系统。常规地，使用诸如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)的III-V族复合材料系统来制造ICTR。尽管III-V族复合材料系统具有出色的电光和光电特性(例如，工作带宽和光电二极管的响应度，波导中的传播损耗)，III-V族复合材料系统的制造成本通常比已广泛用于制造电气集成电路(IC)的较成熟的硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)的制造工艺高得多。在本申请中，提出了使用CMOS技术制造硅基ICTR。在硅基ICTR的众多优势中，内置了各种参数调整功能以优化性能。例如，在硅基ICTR中使用雪崩光电二极管代替常规的p型本征n型(PIN)光电二极管，以增强检测灵敏度，扩展工作带宽以及调整单个光电二极管的内部增益。
图1示出了在单体半导体衬底109上制造的ICTR 100的示意图。单体衬底109可以是硅(Si)衬底或绝缘体上硅(SOI)衬底。ICTR 100包括相干接收机模块(CRM)104和相干发射机模块(CTM)105。CRM104用作ICTR 100的接收机，能够经由ICTR 100的输入端口102提取嵌入在ICTR 100接收的光输入中的信息。光输入是通过调制方案由信号(即低频模拟信号或低频数字序列)调制的载波(即高频正弦光波)。CRM 104提取的信息以电子形式呈现，例如在一组焊盘114上呈现的电压或电流。CTM105用作ICTR 100的发射器，能够将信息编码为光输出信号，其通过ICTR 100的输出端口103从ICTR 100发送。编码为光输出信号的信息可以通过ICTR 100经由另一个输入端口电接收，该输入端口可以包含一组焊盘115。
ICTR 100还包括本振光(LO)分离器130。LO分离器130具有一个输入和两个输出。LO分离器130的输入与光波导131耦合，而LO分离器130的两个输出分别与光波导132和133耦合。光波导131、132和133均具有两个相对端，并且被用于在两个相对端之间传输光信号，而光信号基本上被限制在相应的波导内。如图1所示，光波导131用于传输由ICTR 100经由ICTR 100的输入端口101接收的光学LO。类似地，光波导132用于将光信号从LO分离器130传输至CRM 104，而光波导133用于将光信号从LO分离器130传输到CTM 105。
在输入端口101处接收的光学LO可以是窄线宽连续波激光，其频率基本上等于光输入102端口的载波频率。LO分离器130将光学LO分成第一LO和第二LO，其中第一LO被馈送到波导132中并且被传输到CRM 104，第二LO被馈送入波导133中并且被传输到CTM 105。LO分离器130可以被编程为以第一LO和第二LO之间的一定的分离比将光学LO分离为第一LO和第二LO。例如，在旨在使分别去往CRM 104和CTM 105的光学LO具有相等功率的情况下，可以对LO分离器130进行编程以对光学LO进行分离，使得分离比为1：1。即，第一LO具有光学LO的总功率的一半，而第二LO具有光学LO的总功率的另一半。作为另一个示例，在旨在使去往CRM 104的光学LO功率大于去往CTM105的光学LO功率的情况下，可以对LO分离器130进行编程，以分离光学LO，从而使分离比为3：1。即，第一LO具有光学LO的总功率的75％，而第二LO具有光学LO的总功率的25％。下面进一步描述LO分离器130用于设置分离比的特定机制。
在一些实施例中，LO分离器130可以是可变比率的光分离器。即，行进到CRM 104的第一LO和行进到CTM 105的第二LO之间的分离比可以改变，并且在一些实施例中，甚至可以在ICTR 100操作为接收和/或传输光信号时，调节或以其他方式动态地实时调整分离比。作为可变比光分离器，LO分离器130提供参数调整功能以优化ICTR 100的性能。例如，LO分离器130能够调整其分离比以在第二个LO中分配更多的功率，从而使CTR 105能够在输出端口103上传递更多的输出功率。作为另一个示例，LO分离器130可以调整其分离比以在第一LO中分配更多的功率，使得进入CRM104DE光输入在CRM 104的本底噪声之上。
CRM 104被配置为检测嵌入在经由输入端口102接收的光输入的调制载波中的信号。在一些实施例中，载波由使用偏振复用正交幅度调制(PM-QAM)或偏振复用正交相移键控(PM-QPSK)的调制方案的信号调制。CRM 104通过将光输入和第一LO馈送入其混合器(Hybrid Mixer)(HM)141和142来检测信号。CRM104还包括偏振光束旋转器-分离器(PBRS)144，以在将光输入馈送到HM 141和142中之前，处理使用偏振多路复用调制方案的光输入。具体地，偏振多路复用光输入携带不止一个光偏振的信息。例如，在输入端口102处接收的光输入可以采用PM-QAM或PM-QPSK调制方案。也就是说，光输入包括至少两个分量，每个分量以相应的光偏振来偏振，例如横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量。TE分量是在TE偏振中偏振的QAM/QPSK调制载波，而TM分量是在TM偏振中偏振的QAM/QPSK调制载波。PBRS 144将TE分量与TM分量分离，使得它们可以由HM 141和HM 142分别处理，以检测在TE和TM分量中编码的各个信号。应当注意，尽管TE分量和TM分量在光输入中被不同地偏振，TE分量和TM分量两者在通过PBRS 144之后都呈现相同的光偏振，而在TE分量和TM分量中编码的信号由PBRS 144分离成两个光路，随后分别由HM 141和HM 142处理。例如，在通过PBRS 144之前，在波导145中传播的TE分量在物理上具有TE偏振，而在波导145中传播的TM分量在物理上具有TM偏振。然而，在通过PBRS 144之后，在波导147中传播的TM分量被旋转以物理上处于TE偏振态，而在波导146中传播的TE分量在物理上保持为TE偏振态。
除了LO分离器130之外，CRM 104还具有另一个光分离器136，该光分离器136用于将在波导132中传播的第一LO分成两个分支，并通过波导137和138将两个分支分别馈送到HM 141和142。在一些实施例中，光分离器136是3dB耦合器，其将第一LO分成具有相等功率的两个分支。即，经由波导137馈入HM 141的第一LO与经由波导138馈入HM 142的第一LO具有相同的光功率。在一些实施例中，光分离器136可以是可变比光分离器，其能够以类似于LO分离器130设置行进到CRM104的第一LO和行进到CTM105的第二LO之间的分离比的方式，编程或设置行进到HM 141的第一LO和行进到HM 142的第一LO之间的分离比。可变比率光分离器136提供参数调整功能以优化CRM104的性能。例如，作为可变比率光分离器，光分离器136能够调整其分离比，以补偿HM 141和HM 142之间的系统偏移(如果有)。
通过包括可变光衰减器(VOA)151、152和153，以及监测光电二极管(MPD)154、155和156，CRM 104内置了更多的参数调整功能。VOA是串联的衰减器，其能够为穿过VOA的光信号提供可编程的功率衰减。即，VOA 151、152和153分别向在波导146、147和132中传播的光波提供一定的功率衰减。MPD是与光耦合器连接的光电二极管。耦合器被用于为通过将预定少量的光信号耦合至光电二极管而进入载有光波的波导。因此，光电二极管的读取指示光波功率。如图1所示，MPD 154、155和156被用于为分别监测在波导146、147和132中传播的光波的功率。因此，对MPD 154的读取被配置为提供经由输入端口102接收的光输入的TE分量的光功率的指示。类似地，MPD 155的读取为提供光输入的TE分量的光功率的指示，而MPD156的读取在LO分离器130将第一LO与光学LO分离后，提供第一LO的光功率的指示。根据MPD154、155和156的读取，可以对VOA 151、152和153中的一个或多个进行调谐，以分别向TE分量、TM分量和第一LO提供一定的衰减，使得HM 141和142可以在它们的输入处具有基本相等的光功率。在一些实施例中，VOA 151、152和153提供的衰减可以被进一步调整以补偿HM141和HM 142之间的系统偏移(如果有)。
具有两个输入和四个输出的HM 141和HM 142是90度混合器。90度混合器能够基于两个输入以90度间隔产生四个分别不同的拍频相位偏移。令E1和E2分别表示在两个输入处的光信号，而使E3，E4，E5和E6分别表示在两个输入处的光信号。使用以下等式在功能上描述90度混合器：
E3＝E1–E2；
E4＝E1+E2；
E5＝E1–jE2；
E6＝E1+jE2。
即，E3，E4，E5和E6均是基于E1和E2的预定拍频相位偏移。具体地，E3是基于E1和E2的180度的预定拍频相位偏移；E4是基于E1和E2的0度预定拍频相位偏移；E5是基于E1和E2的-90度的预定拍频相位偏移；E6是基于E1和E2的90度预定拍频相位偏移。因此，HM 141基于经由波导137到达HM 141的第一LO和经由波导146到达HM 141的TE分量，在其输出处产生0度，180度，90度和-90度的预定拍频相位偏移。类似地，HM 142基于经由波导138到达HM142的第一LO和经由波导147到达HM142的TM分量，在其输出处产生0度，180度，90度和-90度的预定拍频相位偏移。HM141和142的输出耦合到具有八个雪崩光电二极管(APD)的光学检测阵列(ODA)143。即，HM 141的四个输出中的每一个输出和HM 142的四个输出中的每一个输出分别耦合到ODA 143的八个APD中的相应一个APD。ODA143的APD被用于为将HM 141和142的输出从光学形式转变为电气形式，其可以被体现为在该组焊盘114上呈现的电压或电流。
ICTR 100的ODA143使用APD代替常规使用的PIN光电二极管，以便利用APD的显著内部电流增益。PIN光电二极管无法提供内部电流增益。相反，由于APD的雪崩机制，与PIN光电二极管相比，APD的光电响应度(O-E)明显更高。这转换为ODA143的较高OE响应度，并因此转换为ICTR 100的较高灵敏度。这是有益的，在于它放宽了在输入端口101处接收的光学LO的最低功率要求。通常会通过耦合到输入端口101的另一个光学子组件(OSA)(即可集成可调激光器组件(ITLA))产生光学LO。ODA 143的高OE响应度意味着ICTR100可以与功能较弱的ITLA一起工作，这是一个巨大的成本优势，因为功能强大的ITLA通常很昂贵。
此外，PIN光电二极管的O-E响应度是固定的，O-E响应度在其制造后无法进行调整或修改。这对ITLA的某些波长构成了挑战。例如，尽管在C波段具有合理的O-E响应度(即，光学LO的波长在1530–1565nm的范围内)，但是当ITLA工作在更长的波长范围(例如L波段)(即光学LO的波长在1565–1625nm的范围内)，传统的PIN光电二极管的O-E响应度会下降。因此，采用PIN光电二极管的收发器的性能受到影响。相反，APD的内部电流增益可通过施加到APD的偏置电压来调节。可以调节偏置电压以增加APD的内部电流增益，以补偿由于APD在不同波长范围内工作而导致的O-E响应度下降。例如，通过调谐ODA 143中用于APD的偏置电压，可以恢复在L波段工作时ICTR 100的任何灵敏度降低，从而ICTR 100在C波段和L波段上具有可比的灵敏度。这是ICTR 100的另一个参数调整功能。
在一些实施例中，可以通过调节用于APD的相应的偏置电压来分别编程ODA 143的八个APD的每一个APD的内部电流增益。这种微调ODA 143的单个APD性能的能力提供了一种方法来补偿ODA 143的制造过程中可能出现的任何随机和/或系统偏移。结果，可以将ODA143的八个APD调整为具有更好的均匀性，从而可以在八个APD上提高电共模抑制比(CMRR)。
图2示出了可以用来实现ODA 143的APD的单体APD 200的剖视图。APD200使用CMOS兼容制造工艺来制造。具体地，APD 200的制造从硅衬底212开始。绝缘体层210(例如二氧化硅层)被布置在衬底212的顶部上。底部接触层211被布置在绝缘体层210的顶部上。底部接触层211由掺杂有n型掺杂剂(例如砷(As)或磷(P))的硅制成，掺杂浓度范围为每立方厘米(cm-3)5e18–5e19。APD200还包括由掺杂有n型掺杂剂的硅制成的n++硅区域221，其掺杂浓度高于底部接触层211的掺杂浓度，因此在电导体218和底部接触层211之间提供令人满意的欧姆接触。APD200还包括n电荷层213。n电荷层213由掺杂有n型掺杂剂的硅制成，掺杂浓度范围为2e17-5e18 cm-3。
此外，由本征硅制成的雪崩层215设置在底部接触层211的顶部上。p电荷层216设置在雪崩层215的顶部上。p电荷层216被制成中等掺杂的p型硅，即掺杂有p型掺杂剂(如硼(B))的硅。p电荷层216以8e16-2e18 cm-3范围内的掺杂浓度掺杂。在一些实施例中，APD 200可以包括围绕p电荷层216的保护环214。保护环214由掺杂有比p电荷层216的掺杂浓度高的p型掺杂剂的硅制成。
另外，由本征锗制成的吸收层219布置在p电荷层216的顶部上。顶部接触层220布置在吸收层219的顶部上。顶部接触层220由重掺杂的p型非晶硅制成。具体地，顶部接触层220包括掺杂有5e18-5e19 cm-3范围内的掺杂浓度的非晶硅(a-Si)。电导体228设置在顶部接触层220的顶部上。最后，沉积诸如二氧化硅的钝化材料以形成钝化层223。
通过电导体218和228，可以在顶部接触层220和底部接触层211上施加偏置电压，以调整APD 200的内部电流增益。具体地说，在波导217中传播的光信号222通过瞬逝场(evanescent field)耦合到吸收层219。因此，吸收层219中的瞬逝场通过光子吸附来诱导光载流子，其随后漂移到雪崩层215中。施加在顶部接触层220和底部接触层211上的偏置电压确定雪崩中的电场强度。电场使漂移到雪崩层215中的光载流子加速，从而导致雪崩过程，该雪崩过程产生光电流作为APD 200的输出。得到的光电流与诱导的光载流子的比率被定义为APD 200的内部电流增益。偏置电压越高，雪崩层215中的电场越强，并且内部电流增益越大。因此，通过调节施加在顶部接触层220和底部接触层211上的偏置电压，可以对内部电流增益进行编程。
在一些实施例中，可以在SOI衬底上制造APD 200。绝缘体层210由SOI衬底的埋氧(BOX)层实现，而波导217，底部接触层211和n++硅区域221形成在SOI衬底的顶部硅层中。
图3示出了可用于实现LO分离器130和光分离器136中的一个或两个的光分离器300的示意图。光分离器300包括1x2光耦合器310，其具有输入、第一输出和第二输出。光分离器300还包括具有输入和输出的移相器320。移相器320被用于向通过移相器320的光信号提供相移。在一些实施例中，移相器320包括加热器，例如电阻加热元件。在加热器上施加电压；电压感应的电流会加热加热器并引起相移。光分离器300进一步包括2x2光耦合器330，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出。
1x2光耦合器310，移相器320和2x2光耦合器330在马赫曾德尔干涉仪(MZI)配置中彼此耦合。具体地，1x2光耦合器310的第一输出耦合到移相器320的输入，而移相器320的输出耦合到2x2光耦合器330的第一输入。1x2光耦合器310的第二输出耦合到2x2光耦合器330的第二输入。由于MZI配置，随着光信号被分离并呈现在2x2光耦合器330的第一和第二输出处，移相器320提供的相移确定进入1x2光耦合器310输入的光信号的分离比。
在一些实施例中，移相器320是可调谐移相器。即，施加在移相器320的加热器上的电压是可调节的。通过调节电压，移相器320能够提供不同量的相移，从而改变光分离器300的分离比。
在通过光分离器300实现LO分离器130的情况下，将1x2光耦合器310用于在1x2光耦合器310的输入处接收图1的光学LO。2×2光耦合器330用于在2×2光耦合器330的第一输出处产生图1的第一LO，以及在2×2光耦合器330的第二输出处产生图1的第二LO。在移相器320是可调谐移相器的情况下，第一LO和第二LO之间的分离比由移相器320基于施加在移相器320的加热器上的可调电压提供的相移来确定。
图4示出了可以用于实现LO分离器130和光分离器136之一或两者的光分离器400的示意图。光分离器400与光分离器300相同，除了由PBRS 405和2×2光耦合器410的组合替换了1x2光耦合器310。具体地，光分离器400除了移相器320和2×2光耦合器330之外，还包括PBRS 405，其具有输入、第一输出和第二输出，以及2x2光耦合器410，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出的。如图4所示，2×2光耦合器410、移相器320和2×2光耦合器330以MZI配置彼此耦合。具体地，第一2x2光耦合器410的第一输出耦合至移相器320的输入。移相器320的输出耦合至2x2光耦合器330的第一输入。2x2光耦合器410的第二输出耦合到2x2光耦合器330的第二输入。此外，PBRS405的第一输出耦合到第一2x2光耦合器410的第一输入，而PBRS 405的第二输出耦合到第一2x2光耦合器410的第二输入。由于光分离器400的MZI配置，随着光信号被分离并呈现在2x2光耦合器330的第一和第二输出端，由移相器320提供的相移确定进入PBRS 405的输入的光信号的分离比。
在通过光分离器400实现LO分离器130的情况下，PBRS 405用于在PBRS405的输入处接收图1的光学LO。2×2光耦合器330用于在2×2光耦合器330的第一输出处产生图1的第一LO，以及在2×2光耦合器330的第二输出处产生图2的第二LO。在光分离器400的移相器320是可调谐移相器的情况下，基于施加在移相器320的加热器上的可调电压，由移相器320提供的相移来确定第一LO和第二LO之间的分离比。
与使用光分离器300相比，使用光分离器400实现LO分离器130的优点在于，由光分离器400实现的LO分离器130对光学LO的偏振不敏感。如果光学LO在ICTR 100的输入端口101接收时以TM偏振传播，则PBRS 405能够将光学LO旋转为TE偏振，并以TE偏振将光学LO馈送到2x2光耦合器410的两个输入，导致第一LO和第二LO都以TE偏振被正确地偏振。相反，在光学LO到达输入端口101时以TM偏振传播的情况下，光分离器300将导致第一LO和第二LO在TM偏振中被错误地偏振。
返回参考图1。如本申请的其他地方所述，ICTR 100的CTM 105被配置为基于由LO分离器130产生的第二LO以及经由该组焊盘115接收的电调制信号来产生光输出信号。电调制信号表示要在光输出信号中编码的信息。在一些实施例中，电调制信号包括一组PM-QAM或PM-QPSK信号。CTM 105包括两个IQ调制器160和161。在电调制信号包括一组PM-QAM或PM-QPSK信号的情况下，由电调制信号表示的信息的一半将由IQ调制器160编码，而信息的另一半将由IQ调制器161编码。具体地，IQ调制器160被配置为基于由电调制信号表示的信息的第一半来调制第二LO，而IQ调制器161被配置为基于由电调制信号表示的信息的第二半来调制第二LO。由IQ调制器160调制的第二LO构成在ICTR 100的输出端口103处呈现的光输出信号的第一部分。类似地，由IQ调制器161调制的第二LO构成光输出信号的第二部分。如图1所示，优选地，就单体衬底109上的物理布局而言，IQ调制器160和161是彼此的镜像。
CTM 105还包括偏振光束旋转器-合成器(PBRC)162。PBRC 162除了输入和输出被反转，可以与PBRS 130相同。PBRC 162被配置为将由IQ调制器160产生的光输出信号的第一部分和由IQ调制器161产生的光输出信号的第二部分组合成在IQ调制器160处呈现的光输出信号。具体地，光输出信号的第一部分由PBRC 162组合作为光输出信号的TE分量，而光输出信号的第二部分由PBRC 162组合作为光输出信号的TM分量。
IQ调制器160和161中的每一个包括两个马赫曾德尔调制器(MZM)，称为I臂111和Q臂112。优选地，如图1所示，就单体衬底109上的物理布局而言，I臂111和Q臂112是彼此的镜像。I臂111和Q臂112均具有双驱动推挽配置，其中，双驱动推挽配置具有两条蜿蜒光路，例如光路117和118。优选地，如图1所示，就单体衬底109上的物理布局而言，两个蜿蜒光路117和118是彼此的镜像。
因此，CTM 105具有两个IQ调制器160和161，IQ调制器160和161均具有两个MZM111和112，两个MZM111和112均具有呈蜿蜒波导的形式两个光路。如图1所示，这就是CTM 105中的一共八个蜿蜒光路。CTM 105中包含多个3dB耦合器，即3dB耦合器181、182、183、184、185、186和187。3dB耦合器181–187以1到2结构的三层形式被光学波导连接，从而它们在波导133中将第二LO以每个光路中基本相同的光功率共同分配到CTM 105的八个蜿蜒光路中的每一个蜿蜒光路。即，八个蜿蜒光路均具有在内部传播的第二LO的1/8。
两个MZM中的每一个，即I臂111和Q臂112，还包括3dB耦合器，其配置为组合两条蜿蜒光路。例如，IQ调制器160的I臂111具有3dB耦合器188以组合两个蜿蜒光路117和118。此外，蜿蜒光路117和118均都具有串联相位调谐器。如图1所示，蜿蜒光路117具有串联相位调谐器190，而蜿蜒光路118具有串联相位调谐器191。在一些实施例中，串联相位调谐器190和191可以是可调谐移相器，其可以与图3和图4中使用的可调谐移相器320相同或类似。对串联相位调谐器190和191被共同地调谐，以使得两个蜿蜒光路117和118之间的相位差被调谐到基本为零。
除了I臂111和Q臂112之外，IQ调制器160和161中的每个还包括3dB耦合器(例如3dB耦合器189)，MPD(例如MPD 164)以及IQ相位调谐器(例如，串联相位调谐器192和193的组合)。3dB耦合器被配置为将I臂111的输出和Q臂112的输出组合到IQ调制器的输出中，称为“IQ输出”。MPD配置为监测IQ输出的功率，而IQ相位调谐器配置为将I臂输出和Q臂输出之间的相位差调谐大致90度。IQ相位调谐器，例如串联式相位调谐器192和193的组合，可以包括一个或多个加热元件，该加热元件可以提供可调谐相移，如与可调谐相移器320的工作方式一样。IQ相位调谐器配置为根据指示IQ输出功率的MPD的读取将I臂输出和Q臂输出之间的相位差调谐到大约90度。例如，除了I臂111和Q臂112之外，IQ调制器160还包括3dB耦合器189，MPD164以及包括串联相位调谐器192和193的IQ相位调谐器。3dB耦合器189用于将I臂111的输出和Q臂112的输出组合到IQ调制器160的IQ输出中，并且MPD 164用于感测或监测IQ输出。基于MPD 164感测到的IQ输出的读数，对串联相位调谐器192和193进行共同调谐，以在I臂111的输出和Q臂112的输出之间实现90度的相位差。
图5示出了IQ调制器160的一部分的示意图。具体地，图5更详细地示出了I臂111的示意图。CTM 105的所有MZM共享与图5所示相同的示意性细节。
如图5所示，蜿蜒光路117包括多个p-n结二极管517。P-n结二极管517经由电连接器533、534和535彼此并联电连接，电连接器533和535彼此电耦合。此外，I臂111包括焊盘576，焊盘576被用于为接收直流(DC)偏置电压VBIAS。因此，p-n结二极管517被DC偏置电压VBIAS反向偏置。类似地，蜿蜒光路118包括多个p-n结二极管518。P-n结二极管518经由电连接器531、532和533彼此并联电连接，电连接器531和533彼此电耦合。p-n结二极管518也被DC偏置电压VBIAS反向偏置。I臂111包括焊盘572和574。由该组焊盘115接收的电调制信号的至少一部分经由焊盘572和574被DC耦合到电导体532和534。而电导体532的一端耦合到焊盘572，电导体532的另一端耦合到负载电阻578。类似地，电导体534的一端耦合到焊盘574，而电导体534的另一端耦合到负载电阻器579。另外，I臂111包括六个解除耦合电容器580、581、582、583、584和585，用于为DC偏置电压VBIAS解除耦合。取决于焊盘572和574上的DC电压水平，DC偏置电压VBIAS的值可以相应地改变，使得p-n结二极管517和518保持在期望的反向偏置区域中，以实现MZM111的最佳性能。
再次参考图1。在通信系统中使用ICTR 100时，ICTR 100的各个光端口必须与通信系统的其他OSA接口。例如，输入端口101与来自ITLA的光缆对齐。输入端口102与承载可能从另一收发器到CRM 104的光输入的光纤电缆对齐。输出端口103与传输可能从CTM 105到另一个收发器的光输出的光纤电缆对齐。因此，ICTR 100必须具有能够确保令人满意的以光纤到芯片(fiber-to-chip)的方式对齐的机制。如图1所示，ICTR 100包括两个U形边缘耦合器结构134和135，其策略性地放置在衬底109的边缘处靠近光端口101、102和103的位置。U形边缘耦合器结构134和135配置为帮助ICTR 100和7芯光纤阵列之间以光纤到芯片的方式对齐，该7芯光纤阵列包括与输入端口101对齐以在光学LO中发送的光纤，与输入端口102对齐的以在光输入中发送的光纤，与输出端口103对齐以实现光输出的光纤，以及四根对齐光纤，其与U形边缘耦合器结构134和135对齐以发送和输出两个光学对齐的信标。另外，ICTR 100使用一个或多个MPD来辅助光纤到芯片的对齐。例如，在耦合时可以将光从光纤通过输出端口103输入，MPD163可用于检测耦合的光。当MPD163相应最高时，意味着此状态从光纤输入的光可以最大限度的耦合进入103端口。由于光的传播可逆，也意味着该状态从输出端口103输出的光可以最大限度的耦合进入输出光纤。
在一些实施例中，ICTR 100的任何一个MPD(诸如MPD 154，MPD 155，MPD 156，MPD163或MPD 164)可以包括一个附加的光电二极管。也就是说，任何一个MPD都可以具有两个光电二极管：一个与MPD的光耦合器连接的主光电二极管，一个不与光耦合器连接的“暗”光电二极管。主光电二极管通过光耦合器接收MPD的光输入，从而产生光电流，而“暗”光电二极管不接收光输入，因此仅产生暗电流，而不产生光电流。优选地，主光电二极管和“暗”光电二极管被制造为在物理上相同并且在衬底109上非常接近，从而由“暗”光电二极管产生的暗电流是主光电二极管的暗电流的近似复制品。将两个光电二极管配置为所谓的“平衡模式”配置，以便使用来自“暗”光电二极管的暗电流来校准主光电二极管的暗电流，从而实现旨在由MPD监测的光功率的更高测量精度。
本文所述的实施例提供了使ICTR具有各种参数调谐功能的技术优势，例如，ODA143的各个APD的可调增益，光输入的可调功率以及进入HM 141和142的本振光，CRM 104和CTM 105之间的本振光的可调分离比，以及CTM 105中各个光路之间的可调相位差。如本文所述，ICTR的参数调节功能提供了实现ICTR优化和更强性能的有用机制，例如在波长和功率方面更宽的工作范围，更均匀的响应度，更高的共模抑制以及对ICTR内部随机噪声源的更高耐受度。如本申请中所描述的，具有参数调谐能力的ICTR使光通信变得更加有效和更具有成本效益。
补充说明
本文描述的主题有时示出了包含在不同的其他组件中或与不同的其他组件连接的不同组件。应当理解，这样描绘的架构仅仅是示例，并且实际上可以实施实现相同功能的许多其他架构。从概念上讲，有效实现“关联”组件以实现相同功能的任何方式，从而实现所需功能。因此，本文中组合以实现特定功能的任何两个组件可以被视为彼此“关联”，从而实现期望的功能，而与架构或中间组件无关。同样地，如此关联的任何两个组件也可以被视为彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现期望的功能，并且能够如此关联的任何两个组件也可以被视为彼此“可操作地可耦合”以实现所需的功能。可操作地可耦合的具体示例包括但不限于物理上可配合和/或物理上相互作用的组件和/或无线上可相互作用和/或无线相互作用的组件和/或逻辑上可相互作用的和/或逻辑上可相互作用的组件。
此外，关于本文中基本上使用任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以根据情况和或/应用适当地将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清楚起见，本文可以明确地阐述各种单数/复数置换。
此外，本领域技术人员将理解，通常，本文中，尤其是在所附权利要求中使用的术语，例如，所附权利要求的主体部分，通常旨在作为“开放”术语，例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包含”应解释为“包含但不限于”，本领域技术人员将进一步理解，如果旨在引入特定数量的权利要求引述，则将在权利要求中明确地陈述这种意图，并且在没有这种陈述的情况下，不存在这种意图。例如，为了帮助理解，下面的所附权利要求可以包含介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求的引述。但是，此类短语的使用不应解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求引述将任何包含此类引入的权利要求引述的特定权利要求限制为仅包含一个此类引述，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词，例如“一”或“一个”，例如，“一”和/或“一个”应解释为“至少一个”或“一个或多个”；对于用于引入权利要求引述的定冠词的使用也是如此。另外，即使明确叙述了具体数量的引入的权利要求引述，本领域技术人员将认识到，这样的引述应被解释为至少意味着所引述的数目，例如，“两个引述”的直接引述，而没有其他修饰语，是指至少两次引述，或两次或更多次引述。此外，在那些使用类似于“A，B和C等中的至少一个”的约定的情况下，通常这样的构造旨在以本领域技术人员会理解该约定的意义，例如，“具有A，B和C中至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A，单独具有B，仅具有C，具有A和B，具有A和C以及具有B和C，和/或具有A,B和C的系统。在使用类似于“A，B或C等中的至少一个”的约定的那些情况下，通常，这种构造在某种意义上是指本领域技术人员将理解该约定，例如，“具有A，B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于单独具有A，单独具有B，仅具有C，具有A和B，具有A和C，具有B和C和/或具有A，B和C，等等。本领域技术人员将进一步理解，实际上任何析构词和/或短语不论是在说明书，权利要求书还是附图中，呈现两个或多个替代术语都应理解为考虑了包括术语之一，术语中任何一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法论条款的语言描述了主题，但是应该理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特定特征或条款。相反，上述特定特征和条款被公开为实施权利要求的示例形式。

Claims (14)

1.单体相干收发器，包括：
第一输入端口，其用于接收光输入，所述光输入包括通过调制方案由信号调制的载波；
第二输入端口，其用于接收本振光(LO)，所述本振光的频率基本等于所述载波的频率；
LO分离器，其用于以第一LO和第二LO之间的分离比将所述本振光(LO)分为第一LO和第二LO；
相干接收器模块(CRM)，其用于基于所述光输入和所述第一LO来检测所述信号；
第三输入端口，其用于接收电调制信号；
相干发射机模块(CTM)，其用于基于所述第二LO和所述电调制信号产生光输出信号；和
输出端口，其用于传输所述光输出信号，
其中，所述调制方案包括偏振复用正交幅度调制(PM-QAM)或偏振复用正交相移键控(PM-QPSK)；
所述LO分离器包括：
1x2光耦合器，其具有输入、第一输出和第二输出；
可调谐移相器，其具有输入和输出，所述可调谐移相器被配置为基于电压提供相移；和
2x2光耦合器，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出，以及
其中：所述1x2光耦合器配置为在所述1x2光耦合器的输入处接收所述本振光(LO)，
所述1x2光耦合器的所述第一输出耦合到所述可调谐移相器的输入，
所述可调谐移相器的输出耦合到所述2x2光耦合器的所述第一输入，
所述1x2光耦合器的所述第二输出耦合到所述2x2光耦合器的所述第二输入，
所述2x2光耦合器被配置为在所述2x2光耦合器的所述第一输出处产生所述第一LO，
所述2x2光耦合器还被配置为在所述2x2光耦合器的所述第二输出处产生所述第二LO，以及
所述第一LO和所述第二LO之间的所述分离比由基于所述电压的所述相移确定；
其中，所述光输入包括横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量，并且其中，所述CRM包括偏振束旋转分束器(PBRS)，用于将所述TE分量从所述TM分量分离；
其中，所述CRM还包括：
光学检测阵列(ODA)，其包括多个光电二极管；
第一混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第一混合器的两个输入分别耦合到所述TE分量和所述第一LO，所述第一混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的对应的光电二极管；和
第二混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第二混合器的两个输入分别耦合到所述TM分量和所述第一LO，所述第二混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的相应光电二极管；
其中，所述多个光电二极管中的每个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加到所述光电二极管的相应偏置电压来编程。
2.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管包括：
包含硅的衬底；
绝缘体层，其设置在所述衬底的顶部上，所述绝缘体层包括二氧化硅；
底部接触层，其设置在所述绝缘体层的顶部上，所述底部接触层包括重掺杂的n型硅；
雪崩层，其设置在所述底部接触层的顶部上，所述雪崩层包括本征硅；
p电荷层，其设置在所述雪崩层的顶部上，所述p电荷层包括中等掺杂的p型硅；
吸收层，其设置在所述p电荷层的顶部上，所述吸收层包含本征锗；和
顶部接触层，其设置在所述吸收层的顶部上，所述顶部接触层包括重掺杂的p型非晶硅。
3.根据权利要求2所述的单体相干收发器，其中：
所述底部接触层包括由n型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为5e18–5e19-3
cm，
所述p电荷层包含由p型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为8e16–2e18-3
cm，
所述顶部接触层包括由所述p型掺杂剂掺杂的非晶硅，其掺杂浓度范围为5e18–5e19cm-3，
所述n型掺杂剂包括砷或磷，以及
所述p型掺杂剂包括硼。
4.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加在所述光电二极管上的相应的偏置电压来编程。
5.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：
第一可变光衰减器(VOA)，其能够在所述第一LO耦合到所述第一混合器和所述第二混合器中的每一个之前，调节所述第一LO的功率；
第二VOA，其能够在所述TE分量耦合到所述第一混合器之前调节所述TE分量的功率；和
第三VOA，其能够在所述TM分量耦合到所述第二混合器之前，调节所述TM分量的功率。
6.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：
第一监测光电二极管(MPD)，其用于监测所述第一LO的功率；
第二MPD，其用于监测所述TE分量的功率；和
第三MPD，用于监测所述TM分量的功率。
7.根据权利要求1所述的单体相干收发器，其中，所述电调制信号包括一组PM-QAM或PM-QPSK信号，并且其中，所述电调制信号的至少一部分被直流耦合到所述相干发射机模块的第一MZM和第二MZM。
8.单体相干收发器，包括：
第一输入端口，其用于接收光输入，所述光输入包括通过调制方案由信号调制的载波；
第二输入端口，其用于接收本振光(LO)，所述本振光的频率基本等于所述载波的频率；
LO分离器，其用于以第一LO和第二LO之间的分离比将所述本振光(LO)分为第一LO和第二LO；
相干接收器模块(CRM)，其用于基于所述光输入和所述第一LO来检测所述信号；
第三输入端口，其用于接收电调制信号；
相干发射机模块(CTM)，其用于基于所述第二LO和所述电调制信号产生光输出信号；和
输出端口，其用于传输所述光输出信号，
其中，所述调制方案包括偏振复用正交幅度调制(PM-QAM)或偏振复用正交相移键控(PM-QPSK)；
所述LO分离器包括：
偏振光束旋转分束器(PBRS)，其具有输入、第一输出和第二输出；
第一2x2光耦合器，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出；
可调谐移相器，其具有输入和输出，所述可调谐移相器被配置为基于电压提供相移；和
第二2x2光耦合器，其具有第一输入、第二输入、第一输出和第二输出，以及
其中：
所述PBRS配置为在所述PBRS的输入处接收所述本振光(LO)，所述PBRS的所述第一输出耦合到所述第一2x2光耦合器的所述第一输入，所述PBRS的所述第二输出耦合到所述第一2x2光耦合器的所述第二输入，
所述第一2x2光耦合器的所述第一输出耦合到所述可调谐移相器的所述输入，
所述可调谐移相器的所述输出耦合到所述第二2x2光耦合器的所述第一输入，
所述第一2x2光耦合器的所述第二输出耦合到所述第二2x2光耦合器的所述第二输入，
所述第二2x2光耦合器被配置为在所述第二2x2光耦合器的所述第一输出处产生所述第一LO，
所述第二2x2光耦合器还被配置为在所述第二2x2光耦合器的所述第二输出处产生所述第二LO，以及
所述第一LO和所述第二LO之间的所述分离比由基于所述电压的所述相移确定；
其中，所述光输入包括横向电(TE)分量和横向磁(TM)分量，并且其中，所述CRM包括偏振束旋转分束器(PBRS)，用于将所述TE分量从所述TM分量分离；
所述CRM还包括：
光学检测阵列(ODA)，其包括多个光电二极管；
第一混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第一混合器的两个输入分别耦合到所述TE分量和所述第一LO，所述第一混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的对应的光电二极管；和
第二混合器，其具有两个输入和四个输出，所述第二混合器的两个输入分别耦合到所述TM分量和所述第一LO，所述第二混合器的四个输出中的每个输出分别耦合到所述ODA的相应光电二极管；
其中，所述多个光电二极管中的每个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加到所述光电二极管的相应偏置电压来编程。
9.根据权利要求8所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管包括：
包含硅的衬底；
绝缘体层，其设置在所述衬底的顶部上，所述绝缘体层包括二氧化硅；
底部接触层，其设置在所述绝缘体层的顶部上，所述底部接触层包括重掺杂的n型硅；
雪崩层，其设置在所述底部接触层的顶部上，所述雪崩层包括本征硅；
p电荷层，其设置在所述雪崩层的顶部上，所述p电荷层包括中等掺杂的p型硅；
吸收层，其设置在所述p电荷层的顶部上，所述吸收层包含本征锗；和
顶部接触层，其设置在所述吸收层的顶部上，所述顶部接触层包括重掺杂的p型非晶硅。
10.根据权利要求9所述的单体相干收发器，其中：
所述底部接触层包括由n型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为5e18–5e19-3
cm，
所述p电荷层包含由p型掺杂剂掺杂的硅，其掺杂浓度范围为8e16–2e18-3
cm，
所述顶部接触层包括由所述p型掺杂剂掺杂的非晶硅，其掺杂浓度范围为5e18–5e19cm-3，
所述n型掺杂剂包括砷或磷，以及
所述p型掺杂剂包括硼。
11.根据权利要求8所述的单体相干收发器，其中，所述多个光电二极管中的每一个光电二极管的内部电流增益能够通过调节施加在所述光电二极管上的相应的偏置电压来编程。
12.根据权利要求8所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：
第一可变光衰减器(VOA)，其能够在所述第一LO耦合到所述第一混合器和所述第二混合器中的每一个之前，调节所述第一LO的功率；
第二VOA，其能够在所述TE分量耦合到所述第一混合器之前调节所述TE分量的功率；和
第三VOA，其能够在所述TM分量耦合到所述第二混合器之前，调节所述TM分量的功率。
13.根据权利要求8所述的单体相干收发器，其中，所述CRM还包括：
第一监测光电二极管(MPD)，其用于监测所述第一LO的功率；
第二MPD，其用于监测所述TE分量的功率；和
第三MPD，用于监测所述TM分量的功率。
14.根据权利要求8所述的单体相干收发器，其中，所述电调制信号包括一组PM-QAM或PM-QPSK信号，并且其中，所述电调制信号的至少一部分被直流耦合到所述相干发射机模块的第一MZM和第二MZM。
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