CN114200576A - 光子集成电路芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光子集成电路芯片。光子集成电路芯片包括多个连接埠、多个偏振光束分光结构、光学探测结构、交错器以及调制器。连接埠用以接收多个第一光学信号至光子集成电路芯片。偏振光束分光结构用以将通过偏振光束分光结构的第一光学信号分离为第一、第二模式光学信号。光学探测结构包括第一、第二分束器。交错器用以传送第一模式光学信号或第二模式光学信号至第二分束器。调制器用以传送具有不同波长的多个第二光学信号至交错器。其中，交错器进一步依据第二光学信号的不同波长，传送第二光学信号至不同的连接埠。

Description

光子集成电路芯片
技术领域
本发明实施例是有关于一种光子集成电路芯片，特别是关于一种将双工(Duplex)架构以及单纤双向(BiDi)架构整合为单一泛用型(universal)芯片的光子集成电路芯片。
背景技术
在现代高速通讯网络中，例如在云端中心与使用者端等节点上，一般设置有光收发器(transceiver)在电子通讯设备中。通过使用光纤和光收发器的应用，兼具有高频宽、长距离、低损耗、无串讯干扰等特色的信息传输方式得以被实现。
在一般光收发器的结构中，其可具有电/光信号转换的光发射模组，将电信号型态的资料转换为相对应的光信号，通过光纤为传输媒界而传递资料；另一模组则是光/电信号转换的光接收模组，将接收自光纤的光信号转换为电信号型态。进一步而言，在部分应用模式中，可基于单一光纤进行双向(Bidirectional)资料传输，而部分应用模式则是使用两个光纤分别进行资料的上传与下载的双工(Duplex)的功能。然而，这两种应用模式分别使用不同的光收发器，也就是各自为独立的应用，因此当面临通讯传输设备朝向微型化、泛用化的演进过程中，如果想使用不同的光收发器来使通讯传输设备兼具两种应用模式，则无论是在体积缩减、制造成本等方面，都具有困难而不符合市场要求，从而阻碍了相关技术领域的进一步普及与拓展。
上文的“现有技术”说明仅是提供背景技术，并未承认上文的“现有技术”说明公开本发明的目标，不构成本发明的现有技术，且上文的“现有技术”的任何说明均不应作为本发明的任一部分。
发明内容
本发明的实施例提供一种光子集成电路芯片。该光子集成电路芯片包括多个连接埠、多个偏振光束分光结构、一光学探测结构、一交错器以及一调制器。所述连接埠用以接收多个第一光学信号至该光子集成电路芯片。所述偏振光束分光结构光学耦接于所述连接埠，用以将通过该偏振光束分光结构的所述第一光学信号分离为一第一模式光学信号以及一第二模式光学信号。该光学探测结构包括一第一分束器以及一第二分束器分别光学耦接于所述偏振光束分光结构。该交错器光学耦接于该第二分束器，用以传送该第一模式光学信号或该第二模式光学信号至该光学探测结构的该第二分束器。该调制器光学耦接于该交错器，用以传送具有不同波长的多个第二光学信号至该交错器。其中，该交错器进一步依据所述第二光学信号的不同波长，传送所述第二光学信号至不同的所述连接埠。
在一些实施例中，进一步包括一光源连接埠，其光学耦接于该调制器，并用以耦接一光源。
在一些实施例中，该光源用以提供该调制器多个具有不同波长的光，以形成所述第二光学信号。
在一些实施例中，所述连接埠包括：一第一连接埠，其耦接于一第一光纤；一第二连接埠，其耦接于一第二光纤；一第三连接埠，其耦接于一第三光纤；以及一第四连接埠，其耦接于一第四光纤。
在一些实施例中，该第一分束器以及该第二分束器分别位于该光学探测结构相对应的两端，且该第一分束器光学耦接于该第一连接埠，该第二分束器进一步光学耦接于该第三连接埠以及该第四连接埠。
在一些实施例中，该第一分束器具有一分二多模干涉光耦合结构。
在一些实施例中，该第二分束器具有一分三多模干涉光耦合结构。
在一些实施例中，所述偏振光束分光结构、该光学探测结构、该交错器以及该调制器是由CMOS制程所制作。
在一些实施例中，该交错器具有波分复用结构。
在一些实施例中，该交错器具有厚度约为200-300nm的硅基滤光结构。
在一些实施例中，进一步包括多个偏振旋转结构，其光学耦接于所述偏振光束分光结构，用以将该第一模式光学信号旋转为与该第二模式光学信号具有相同的模式。
本发明的另一实施例提供一种光子集成电路芯片。该光子集成电路芯片包括五个连接埠、多个偏振光束分光结构、至少一光学探测结构、一交错器以及一调制器。五个连接埠用以耦接于四个光纤，以接收或传送光学信号至该光子集成电路芯片，以及用以耦接于一光源，以传送该光源的光至该光子集成电路芯片。所述偏振光束分光结构经由所述连接埠而光学耦接于所述光纤。该光学探测结构光学耦接于所述偏振光束分光结构。该交错器光学耦接于该光学探测结构。该调制器光学耦接于该交错器，以及经由该连接埠光学耦接于该光源。
在一些实施例中，进一步包括多个偏振旋转结构，分别光学耦接于所述偏振光束分光结构。
在一些实施例中，在包括单一光学探测结构时，该光学探测结构包括至少二分束器，所述分束器光学耦接于所述偏振光束分光结构。
在一些实施例中，在包括多个光学探测结构时，所述光学探测结构分别包括一分束器，所述分束器光学耦接于所述偏振光束分光结构。
在一些实施例中，所述分束器分别具有一分多多模干涉光耦合结构。
在一些实施例中，所述连接埠包括两个用以耦接于光纤进行双向传输。
在一些实施例中，该交错器包括至少三个埠，分别用以接收来自所述偏振光束分光结构其中之一的光学信号，传送光学信号至该光学探测结构，以及接收来自该调制器的光学信号。
本发明的再一实施例提供一种光子集成电路芯片。该光子集成电路芯片包括一连接埠、一偏振光束分光结构、一交错器以及一调制器。该连接埠耦接于一光纤进行双向传输。该偏振光束分光结构光学耦接于该连接埠，其经由该连接埠接收该光纤的一光学接收信号，用以分离该光学接收信号为一第一模式光学接收信号以及一第二模式光学接收信号。该交错器具有波分复用结构，其光学耦接于该偏振光束分光结构，其接收该第一模式光学接收信号或该第二模式光学接收信号。该调制器光学耦接于该交错器，其传送一光学传送信号至该交错器，该光学接收信号与该交错器所接收的该第一模式光学传送信号或该第二模式光学接收信号具有不同的波长及相同的模式。
在一些实施例中，进一步包括一偏振旋转结构，其光学耦接于该偏振光束分光结构，用以将该第二模式光学接收信号旋转为与该第一模式光学接收信号具有相同的模式。
在一些实施例中，进一步包括一光源，其光学耦接于该调制器，并用以提供该调制器多个具有不同波长的光，以形成具有不同波长的该光学传送信号。
上文已相当广泛地概述本发明的技术特征及优点，使得下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明的权利要求主题的其它技术特征及优点将在下文描述。本发明所属技术领域的技术人员应了解，可相当容易地利用下文公开的概念与特定实施例修改或设计其它结构或制程而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域的技术人员还应了解，这类等效建构无法脱离所附的权利要求所界定的本发明的精神和范围。
附图说明
参阅详细说明与权利要求结合考虑附图时，可以更全面了解本申请的公开内容，附图中相同的附图标记是指相同的元件。
图1是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构示意图。
图2A是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示部分单纤双向(BiDi)架构。
图2B是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示包括偏振旋转结构的部分单纤双向(BiDi)架构。
图2C是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示部分单纤双向(BiDi)架构，并以横向磁场模式为主要的偏振模式。
图2D是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示包括偏振旋转结构的部分单纤双向(BiDi)架构，并以横向磁场模式为主要的偏振模式。
图3是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示单纤双向(BiDi)架构中，光源可以提供不同波长的激光。
图4A是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示单纤双向(BiDi)架构中的上行资料传输模式。
图4B是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示单纤双向(BiDi)架构中的下行资料传输模式。
图5是根据本发明实施例的光子集成电路芯片的架构部分示意图，用以展示双工(Duplex)架构运作。
附图标记说明
1：光子集成电路芯片
11：第一连接埠
12：第二连接埠
13：第三连接埠
14：第四连接埠
15：光源连接埠
21：偏振光束分光结构
22：偏振光束分光结构
23：偏振光束分光结构
31：偏振旋转结构
32：偏振旋转结构
33：偏振旋转结构
40：光学探测结构
41：第一分束器
42：第二分束器
50：交错器
60：调制器
91：第一光纤
92：第二光纤
93：第三光纤
94：第四光纤
95：光源
1310：具有波长为1310nm的激光
1310Rx：具有波长为1310nm的光学接收信号
1310Rx'：具有波长为1310nm的横向磁场模式光学接收信号
1310Rx”：具有波长为1310nm的横向电场模式光学接收信号
1310Tx：具有波长为1310nm的光学传送信号
1270：具有波长为1270nm的激光
1270”：具有波长为1270nm的横向电场模式激光
1270Rx：具有波长为1270nm的光学接收信号
1270Rx'：具有波长为1270nm的横向磁场模式光学接收信号
1270Rx”：具有波长为1270nm的横向电场模式光学接收信号
1270Tx：具有波长为1270nm的光学传送信号
1270Tx'：具有波长为1270nm的横向磁场模式光学传送信号
1270Tx”：具有波长为1270nm的横向电场模式光学传送信号
1330：具有波长为1330nm的激光
1330”：具有波长为1330nm的横向电场模式激光
1330Rx：具有波长为1330nm的光学接收信号
1330Rx'：具有波长为1330nm的横向磁场模式光学接收信号
1330Rx”：具有波长为1330nm的横向电场模式光学接收信号
1330Tx：具有波长为1330nm的光学传送信号
1330Tx”：具有波长为1330nm的横向电场模式光学传送信号
具体实施方式
附图所示的公开内容的实施例或示例是以特定语言描述。应理解此非意图限制本发明的范围。所述实施例的任何变化或修饰以及本发明所述原理任何进一步应用，对于本发明相关技术的技术人员而言可正常发生。附图标记可在各实施例中重复，但即使它们具有相同的附图标记，实施例中的特征并非必定用于另一实施例。
应理解虽然在本文中可使用第一、第二、第三等用语描述各种元件、组件、区域、层或区段，然而，这些元件、组件、区域、层或区段应不受限于这些用语。这些用语仅用于区分一元件、组件、区域、层或区段与另一区域、层或区段。因此，以下所述的第一元件、组件、区域、层或区段可被称为第二元件、组件、区域、层或区段，而仍不脱离本发明发明概念的教示内容。
本发明所使用的语词仅用于描述特定例示实施例的目的，并非用以限制本发明概念。如本文所使用，单数形式“一”与“该”也用以包括复数形式，除非本文中另有明确指示。应理解说明书中所使用的“包括”一词专指所称特征、整数、步骤、操作、元件或组件的存在，但不排除一或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件或其群组的存在。
图1为本发明的光子集成电路芯片1的架构示意图。如图所示，光子集成电路芯片1可包括多个连接埠11、12、13、14，其可用以连通多个光学路径进出光子集成电路芯片1。详细而言，在一些实施例中，光子集成电路芯片1包括第一连接埠11以及第二连接埠12，其分别用以接收光学信号进入光子集成电路芯片1以及传送光学信号离开光子集成电路芯片1。举例来说，第一连接埠11以及第二连接埠12可分别耦接于第一光纤91以及第二光纤92，从而分别用于接收来自第一光纤91的光学信号，以及将光学信号传送至第二光纤92。第一光纤91以及第二光纤92用于单向传输，其仅提供一种传输模式，例如仅传输波长为1310nm或1550nm的光，因此为实现光子集成电路芯片1得以耦接于两条光纤并具备双工(Duplex)的功能，在一些实施例中，本发明可通过连接于第一连接埠11的第一光纤91接收具有波长为1310nm的光学接收信号1310Rx，以及通过连接于第二连接埠12的第二光纤92传送具有波长为1310nm的光学传送信号1310Tx。
本发明在一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括第三连接埠13，其耦接于一第三光纤93，用以接收第三光纤93的光学信号，以及传送光学信号至相同的第三光纤93。第三光纤93用于双向传输，其特性在于使用单一的实体光纤的条件下，实现可以同时接收以及传送光学信号的单纤双向(Bidirectional，BiDi)目的，并且因此需使用不同波长的光分别进行信号的接收以及传送，例如使用1330nm/1270nm、1510nm/1310nm或是850nm/1310nm等组合。
举例而言，如图1所示，本发明可通过连接于第三连接埠13的第三光纤93接收具有波长为1330nm的光学接收信号1330Rx，以及通过同样的第三光纤93传送具有波长为1270nm的光学传送信号1270Tx。
本发明在一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括第四连接埠14，其耦接于一第四光纤94，用以接收第四光纤94的光学信号，以及传送光学信号至相同的第四光纤94。第四光纤94的应用模式与前述的第三光纤93相同。由于本发明的光子集成电路芯片1可应用于通讯架构中的使用者端以及伺服器端的通讯设备，因此在使用者端以及伺服器端都具备光子集成电路芯片1时，对于使用者端到伺服器端的上行(upstream)资料传输模式而言，本发明可通过前述连接于第三连接埠13的第三光纤93接收具有波长为1330nm的光学接收信号1330Rx，以及通过同样的第三光纤93传送具有波长为1270nm的光学传送信号1270Tx。从而，与此相对应的，对于通讯架构中的伺服器端而言，其所接收到的光学信号具有波长1270nm，而所发出让使用者端接收的光学信号则应具有波长1330nm，因此对于伺服器端到使用者端的下行(downstream)资料传输模式而言，本发明需要通过耦接于第四连接埠14的第四光纤94接收具有波长为1270nm的光学接收信号1270Rx，以及通过同样的第四光纤94传送具有波长为1330nm的光学传送信号1330Tx。简言之，本发明利用第三连接埠13以及第四连接埠14实现传统上成对布署于使用者端以及伺服器端的光学收发元件。
在一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括多个偏振光束分光(PBS)结构21、22、23，其分别光学耦接于第一连接埠11、第三连接埠13以及第四连接埠14，用以将通过这些偏振光束分光结构21、22、23的光分离为一第一模式光学信号以及一第二模式光学信号。具体而言，当光子集成电路芯片1接收到光线后，考虑到以光纤为媒介的通讯架构在传输过程存在的偏振问题，例如光学信号经长距离传输后同时存在TE(Transverse Electronic)偏振，或称之为横向电场模式(TE mode)，以及TM(Transverse Magnetic)偏振，或称之为横向磁场模式(TM mode)，当不同偏振光在芯片1波导传输时速度不同，如果设计不佳，在经过较长的波导时会导致光学信号在被接收时的时间不同，因而产生相位差而使得误码率增加，因此在本发明一些实施例中，可先将前述具有特定波长的光学接收信号1310Rx、1330Rx以及1270Rx的横向磁场模式和横向电场模式分离，并将分离后的不同偏振光依循不同的光学路径在光子集成电路芯片1内行进，使得不同偏振光至接收器传输时间一致。
在一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括多个偏振旋转(PolarizationRotator，PR)结构31、32、33，其分别光学耦接于偏振光束分光结构21、22、23，用以将偏振光束分光结构21、22、23所分离出的第一模式光学信号以及第二模式光学信号的其中之一，旋转为两者中的另一者。举例而言，如图1所示，通过第一连接埠11而接收的具有波长为1310nm的光学接收信号1310Rx可经由偏振光束分光结构21分离为横向磁场模式光学接收信号1310Rx'和横向电场模式光学接收信号1310Rx”(波长并未改变而省略称呼，下同)，其中横向磁场模式光学接收信号1310Rx'会经过偏振旋转结构31而被旋转为横向电场模式光学接收信号1310Rx”，也就是等同于被偏振光束分光结构21分离出、且未经偏振旋转结构31处理的横向电场模式光学接收信号1310Rx”，以让原本包含有横向磁场模式和横向电场模式的光学接收信号1310Rx在被光子集成电路芯片1所实际探测到时，不同偏振光至接收器传输时间一致，或具有较佳的光学信号相位。当所需的波导长度较长或不容易通过设计不同光学路径来处理偏振问题时，即可利用偏振旋转来优化设计。在其他的一些实施例中，偏振旋转结构31、32、33可相反地，将光学信号的横向电场模式旋转为横向磁场模式。整体而言，本发明的一些实施例使用偏振光束分光结构21、22、23以及偏振旋转结构31、32、33的组合，其目的在于使光学信号的模式能够一致即可，不限制需要旋转为横向磁场模式或是横向电场模式。
在一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括一光学探测(Photodetector，PD)结构40，用以探测进入到光子集成电路芯片1的光学信号。在一些实施例中，光学探测结构40包括一第一分束器41，其光学耦接于偏振光束分光结构21，以及包括一第二分束器42，其光学耦接于偏振光束分光结构22、23。在上述实施例中，第一分束器41以及第二分束器42是用以接收经由偏振光束分光结构21、22、23分离后的偏振光。并且如前述实施例所公开的，部分分离后的偏振光会进一步被偏振旋转结构31、32、33所旋转，因此在一些实施例中，第一分束器41以及第二分束器42所接收的光学信号分别具有同一偏振性质，例如都是横向电场模式或都是横向磁场模式。
在一些实施例中，第一分束器41以及第二分束器42分别位于光学探测结构40相对应的两端，或是视光学探测结构40的具体结构特征，而位于光学探测结构40相异的两个探测端。
在一些实施例中，第一分束器41具有一分二多模干涉光耦合结构(1x2 Multimodeinterference，1x2 MMI)，其将来自偏振光束分光结构21的横向电场模式光学接收信号1310Rx”以及经过偏振旋转结构31而自横向磁场模式光学接收信号1310Rx'被旋转产生的横向电场模式光学接收信号1310Rx”重新耦合为具有波长为1310nm的光学接收信号1310Rx，此耦合后的具有波长为1310nm的光学接收信号1310Rx因为包含所有不同的偏振光，因此降低损耗，具有较高的强度，或可具有较佳的信号品质。在一些实施例中，第一分束器41是用以实现光子集成电路芯片1接收前述第一光纤的信号的功能，为本发明包含双工(Duplex)架构的具体特征之一。
上述第一分束器41以及光学探测结构40是双工(Duplex)架构当中用以接收光学信号的路径，而与之不同地，第二分束器42则是用以实现光子集成电路芯片1接收前述第三、第四光纤的信号的功能，为本发明还包含单纤双向(BiDi)架构的具体特征之一。在一些实施例中，第二分束器42具有一分三多模干涉光耦合结构(1x3 Multimode interference，1x3 MMI)。在上行资料传输模式中，第二分束器42可将来自偏振光束分光结构22的横向电场模式光学接收信号1330Rx”，以及经过偏振旋转结构32而自横向磁场模式光学接收信号1330Rx'被旋转产生的横向电场模式光学接收信号1330Rx”，重新耦合为具有波长为1330nm的光学接收信号1330Rx。在下行资料传输模式中，第二分束器42可将来自偏振光束分光结构23的横向电场模式光学接收信号1270Rx”，以及经过偏振旋转结构33而自横向磁场模式光学接收信号1270Rx'被旋转产生的横向电场模式光学接收信号1270Rx”，重新耦合为具有波长为1270nm的光学接收信号1270Rx。在上述实施例中，这些耦合后的具有特定波长的光学接收信号1330Rx、1270Rx因为包含所有不同的偏振光，因此具有较高的强度，或可称为具有较佳的信号品质。
在一些实施例中，第一分束器41以及第二分束器42可分别具有一分多多模干涉光耦合结构(例如1xN MMI、1xM MMI，其中N为大于2的自然数，M为大于3的自然数)，这是基于本发明的光子集成电路芯片1可进一步扩张所使用的连接埠数量，因此接收更多的光学信号，并且可依据实际所使用的波长而将更多的横向电场模式光学信号或横向磁场模式光学信号耦合至单一的分束器，由此集中地被光学探测结构40所探测。
在前述实施例中，光子集成电路芯片1可包括单一的光学探测结构40；而在另一些实施例中，光子集成电路芯片1可包括多个光学探测结构40，例如可包括两个分别具有前述第一分束器41以及第二分束器42的光学探测结构40，分别用以探测双工(Duplex)架构以及单纤双向(BiDi)架构的光学信号。
如图1的架构所示，在一些实施例中，经偏振光束分光结构22所分离出的横向电场模式光学接收信号1330Rx”以及经由偏振光束分光结构23所分离出的横向电场模式光学接收信号1270Rx”共用第二分束器42的其中一个光耦合路径，这是通过光学耦接于第二分束器42的一交错器(interleaver，ITL)50所实现。在一些实施例中，交错器50具有波分复用(WDM)结构，其可将包括有不同波长的光学信号分离，或是基于光的可逆性，其可将不同波长的光学信号耦合至特定的光学路径，以实现本发明在兼具单纤双向(BiDi)架构的具体特征中，能够满足上行资料传输模式以及下行资料传输模式的管理。在一些实施例中，交错器50是二分二交错器(2x2 interleaver)，其一端具有双埠，分别光学耦接于偏振光束分光结构22、23，用以接收上行资料传输模式以及下行资料传输模式的光学信号，或是传送光学信号至偏振光束分光结构22、23；交错器50的另一端也具有双埠，分别用以传送光学信号至光学探测结构40的第二分束器42，以及接收本发明的光子集成电路芯片1所要对外传输资料的光学信号(光子集成电路芯片1对外发送的光学信号稍后说明)。
在一些实施例中，具有波分复用结构的交错器50包括硅基滤光结构，例如可使具有特定波长的光学信号通过，并反射具有另一特定波长的光学信号，以及具有可逆工作的特征。由于本发明是光学元件经由CMOS制程整合于单一芯片，而元件薄化、微型化的设计除了可让光子集成电路芯片对于光学信号的读取以及产生具备更佳的速度，在一些实施例中，由于交错器50的硅基滤光结构所采用波导结构为业界较通用的厚度(200～300nm)，所以该硅基滤光结构对于光学信号的偏振态较为敏感，因此本发明使用光束分光结构是针对相同偏振光设计以达到较好的分光效果或减少损耗，以确保光学信号的接收品质。
在一些实施例中，光子集成电路芯片1包括一光源连接埠15，用以连通一光源95。光源95可为激光二极管(Laser Diode，LD)或发光二极管，用以从光子集成电路芯片1的外部提供特定波长的光(例如：激光)至光子集成电路芯片1的内部。如前所述，本发明可通过第二光纤92传送具有波长为1310nm的光学传送信号1310Tx、通过第三光纤93传送具有波长为1270nm的光学传送信号1270Tx或是通过第四光纤94传送具有波长为1330nm的光学传送信号1330Tx，而这些光学信号即是由光源95所产生的特定波长激光，例如波长为1310nm、1270nm或1330nm的激光，并在进一步经过调制而携带信息。
在一些实施例中，光子集成电路芯片1包括一调制器60，其可为马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)，其一端光学耦接于光源连接埠15，其另一端则可光学耦接于交错器50。由于本发明的光子集成电路芯片1兼具单纤双向(BiDi)架构，在上行资料传输模式以及下行资料传输模式会使用不同的波长的光学信号，在一些实施例中，自调制器60提供至交错器50的光学信号会在交错器50被切换至正确的连接埠。举例而言，调制器60传送至交错器50的具有波长为1270nm的光学传送信号1270Tx会被交错器50引导至第三连接埠13，而调制器60传送至交错器50的具有波长为1330nm的光学传送信号1330Tx则会被交错器50引导至第四连接埠14。又在一些实施例中，调制器60进一步光学耦接于第二连接埠12，以将调制后的具有波长为1310nm的光学传送信号1310Tx直接通过第二连接埠12传送出光子集成电路芯片1，以作为双工(Duplex)架构当中用以传送信号的光学路径。
本发明的光子集成电路芯片1属于互补式金属氧化物半导体(CMOS)芯片，即通过CMOS制程而将前述的偏振光束分光结构、光学探测结构、交错器以及调制器等结构或元件整合于单一芯片(one chip)当中，为一种硅基光子集成电路芯片(Silicon PhotonicIntegrated Circuit Chip，Si-PIC Chip)，并且通过芯片的五个连接埠，即四个用以耦接于光纤的连接埠以及一个用以耦接于激光源的连接埠，而得以实现光学信号的接收以及传送功能。从另一方面而言，本发明的光子集成电路芯片1兼有应用双工(Duplex)架构以及单纤双向(BiDi)架构，即只需将单一芯片安装于使用者端或伺服器端，就可同时实现两种通讯架构的应用，不仅是适用于使用两条光纤进行单向传输的场合，也适用于使用单条光纤进行双向传输的场合，并且可视其所安装的端点位置来决定使用哪个连接埠耦接光纤，不但降低了光纤通讯网络的布线成本、提升布线灵活性，就制造面而言，也不须为不同功能或是不同架构制作不同的光子集成电路芯片，显著降低了生产成本。
图2A是公开本发明一些实施例在单纤双向(BiDi)架构中，接收以及传送光学信号的示意图。如图所示，对于耦接于第三连接埠13的第三光纤93而言，光子集成电路芯片所接收的具有波长为1330nm的光学接收信号1330Rx会经由偏振光束分光结构22分离为横向磁场模式光学接收信号1330Rx'和横向电场模式光学接收信号1330Rx”，而调制器60则可经由光源连接埠15而将激光源调制为携带信息的横向电场模式光学传送信号1270Tx”，其与利用偏振光束分光结构22所分离出的横向电场模式光学接收信号1330Rx”具有不同的波长及相同的模式。从而，具有波分复用结构的交错器50则可接收来自偏振光束分光结构22的横向电场模式光学接收信号1330Rx”以及来自调制器60的横向电场模式光学传送信号1270Tx”，以及进一步将两者耦合为共用光学路径的光学信号，让横向电场模式光学传送信号1270Tx”通过交错器50以及偏振光束分光结构22之间的光学耦合路径，再经由第三连接埠13离开光子集成电路芯片而进入第三光纤93。因此，在一些实施例中，本发明的光子集成电路芯片的交错器50至少包括三个埠：一埠用以接收来自偏振光束分光结构的光学信号，以处理光学信号的上行(例如横向电场模式光学传送信号1270Tx”)以及下行(例如横向电场模式光学接收信号1330Rx”)的耦合；一埠将光学信号的下行进一步传送至光学探测结构；以及一埠接收来自调制器60用以上行的光学信号。
如图2B所示，在一些实施例中，可进一步包括偏振旋转结构32，其光学耦接于偏振光束分光结构12，用以将横向磁场模式光学接收信号1330Rx'旋转为横向电场模式光学接收信号1330Rx”，即将偏振光束分光结构12所分离出的两种偏振光学信号调整为具有相同的模式。而与图2A、图2B相对应的，如图2C、图2D所示，在一些实施例中，也得以调整为具有另一种相同的模式，例如调制器60提供横向磁场模式光学传送信号1270Tx'至交错器50，以及偏振旋转结构32将横向电场模式光学接收信号1330Rx”旋转为横向磁场模式光学接收信号1330Rx'。
图3是公开本发明一些实施例在单纤双向(BiDi)架构中，通过可产生不同波长激光的光源95，以提供不同波长的光学信号供光子集成电路芯片发送至相对应的光纤。如图所示，在一些实施例中，光源95耦接于光源连接埠15，并经此途径提供具有单一模式的激光至调制器60。在一些实施例中，光源提供具有波长为1270nm的横向电场模式激光1270”以及具有波长为1330nm的横向电场模式激光1330”至调制器60。在一些实施例中，激光经调制后，可为具有上述特定波长的携带信息的横向电场模式光学传送信号1270Tx”以及横向电场模式光学传送信号1330Tx”，在传送至交错器50后，再经由耦合离开光子集成电路芯片，被发送至耦接于光子集成电路芯片的相对应的光纤。
图4A以及图4B是公开本发明一些实施例在单纤双向(BiDi)架构中，可适用于上行资料传输模式(图4A)以及下行资料传输模式(图4B)。在一些实施例中，光源95可提供具有不同波长的激光1270以及1330，并经由调制器60调制为具有上述特定波长的横向电场模式光学传送信号1270Tx”以及1330Tx”后，传送至交错器50，再利用交错器50所具有的硅基滤光结构的波分复用结构，自动将横向电场模式光学传送信号1270Tx”以及1330Tx”分别引导至光学路径上的偏振光束分光结构22以及23，再经由第三连接埠13以及第四连接埠14，离开光子集成电路芯片而分别进入第三光纤93以及第四光纤94。整体而言，本发明的一技术特征在于交错器50具有自动将具有不同波长的光学信号导引至不同光学路径的功能，因此可让本发明的光子集成电路芯片可同时实现对应第三、第四光纤的上行资料传输模式以及下行资料传输模式。在一些实施例中，光源95所提供的具有不同波长的激光可通过切换光源95而实现，因此可以轻易切换第三、第四光纤的上行资料传输模式以及下行资料传输模式。
图5是公开本发明一些实施例的双工(Duplex)架构运作。在一些实施例中，利用光子集成电路芯片对波长为1310nm的光学信号进行接收以及传送，具有波长为1310nm的光学接收信号1310Rx接收时的偏振处理方式不再赘述，而关于具有波长为1310nm的光学传送信号1310Tx的传送，如图所示，光源95可提供适用双工(Duplex)架构的特定波长的激光，例如具有波长为1310nm的激光1310，并经由调制器60调制为具有波长为1310nm的横向电场模式光学传送信号1310Tx”后，不须经过前述单纤双向(BiDi)架构实施例的交错器，而是可直接经由第二连接埠12离开光子集成电路芯片而进入第二光纤92。
前述内容概述多个实施例的结构，使得本领域技术人员可更佳地理解本发明。本领域技术人员应了解，他们可容易地使用本发明作为用于设计或修改其他制程及结构的基础以实行本文中介绍的实施例的相同目的及/或达成相同优点。本领域技术人员还应了解，这些等效构造不背离本发明的精神及范畴，且他们可在不背离本发明的精神及范畴的情况下在本文中作出各种改变、置换及更改。

Claims (21)

1.一种光子集成电路芯片，其包括：
多个连接埠，用以接收多个第一光学信号至该光子集成电路芯片；
多个偏振光束分光结构，其光学耦接于所述连接埠，用以将通过该偏振光束分光结构的所述第一光学信号分离为一第一模式光学信号以及一第二模式光学信号；
一光学探测结构，其包括一第一分束器以及一第二分束器分别光学耦接于所述偏振光束分光结构；
一交错器，其光学耦接于该第二分束器，用以传送该第一模式光学信号或该第二模式光学信号至该光学探测结构的该第二分束器；以及
一调制器，其光学耦接于该交错器，用以传送具有不同波长的多个第二光学信号至该交错器；
其中，该交错器进一步依据所述第二光学信号的不同波长，传送所述第二光学信号至不同的所述连接埠。
2.如权利要求1所述的光子集成电路芯片，其进一步包括一光源连接埠，其光学耦接于该调制器，并用以耦接一光源。
3.如权利要求2所述的光子集成电路芯片，其中该光源用以提供该调制器多个具有不同波长的光，以形成所述第二光学信号。
4.如权利要求1所述的光子集成电路芯片，其中所述连接埠包括：
一第一连接埠，其耦接于一第一光纤；
一第二连接埠，其耦接于一第二光纤；
一第三连接埠，其耦接于一第三光纤；以及
一第四连接埠，其耦接于一第四光纤。
5.如权利要求4所述的光子集成电路芯片，其中该第一分束器以及该第二分束器分别位于该光学探测结构相对应的两端，且该第一分束器光学耦接于该第一连接埠，该第二分束器进一步光学耦接于该第三连接埠以及该第四连接埠。
6.如权利要求5所述的光子集成电路芯片，其中该第一分束器具有一分二多模干涉光耦合结构。
7.如权利要求5所述的光子集成电路芯片，其中该第二分束器具有一分三多模干涉光耦合结构。
8.如权利要求5所述的光子集成电路芯片，其中所述偏振光束分光结构、该光学探测结构、该交错器以及该调制器是由CMOS制程所制作。
9.如权利要求1所述的光子集成电路芯片，其中该交错器具有波分复用结构。
10.如权利要求9所述的光子集成电路芯片，其中该交错器具有厚度约为200-300nm的硅基滤光结构。
11.如权利要求1所述的光子集成电路芯片，其进一步包括多个偏振旋转结构，其光学耦接于所述偏振光束分光结构，用以将该第一模式光学信号旋转为与该第二模式光学信号具有相同的模式。
12.一种光子集成电路芯片，其包括：
五个连接埠，用以耦接于四个光纤，以接收或传送光学信号至该光子集成电路芯片，以及用以耦接于一光源，以传送该光源的光至该光子集成电路芯片；
多个偏振光束分光结构，其经由所述连接埠而光学耦接于所述光纤；
至少一光学探测结构，其光学耦接于所述偏振光束分光结构；
一交错器，其光学耦接于该光学探测结构；以及
一调制器，其光学耦接于该交错器，以及经由该连接埠光学耦接于该光源。
13.如权利要求12所述的光子集成电路芯片，其进一步包括多个偏振旋转结构，分别光学耦接于所述偏振光束分光结构。
14.如权利要求12所述的光子集成电路芯片，其中在包括单一光学探测结构时，该光学探测结构包括至少二分束器，所述分束器光学耦接于所述偏振光束分光结构。
15.如权利要求12所述的光子集成电路芯片，其中在包括多个光学探测结构时，所述光学探测结构分别包括一分束器，所述分束器光学耦接于所述偏振光束分光结构。
16.如权利要求14或15所述的光子集成电路芯片，其中所述分束器分别具有一分多多模干涉光耦合结构。
17.如权利要求12所述的光子集成电路芯片，其中所述连接埠包括两个用以耦接于光纤进行双向传输。
18.如权利要求17所述的光子集成电路芯片，其中该交错器包括至少三个埠，分别用以接收来自所述偏振光束分光结构其中之一的光学信号，传送光学信号至该光学探测结构，以及接收来自该调制器的光学信号。
19.一种光子集成电路芯片，其包括：
一连接埠，其耦接于一光纤进行双向传输；
一偏振光束分光结构，其光学耦接于该连接埠，其经由该连接埠接收该光纤的一光学接收信号，用以分离该光学接收信号为一第一模式光学接收信号以及一第二模式光学接收信号；
一交错器，其具有波分复用结构，其光学耦接于该偏振光束分光结构，其接收该第一模式光学接收信号或该第二模式光学接收信号；以及
一调制器，其光学耦接于该交错器，其传送一光学传送信号至该交错器，该光学传送信号与该交错器所接收的该第一模式光学传送信号或该第二模式光学接收信号具有不同的波长及相同的模式。
20.如权利要求19所述的光子集成电路芯片，其进一步包括一偏振旋转结构，其光学耦接于该偏振光束分光结构，用以将该第二模式光学接收信号旋转为与该第一模式光学接收信号具有相同的模式。
21.如权利要求19所述的光子集成电路芯片，其进一步包括一光源，其光学耦接于该调制器，并用以提供该调制器多个具有不同波长的光，以形成具有不同波长的该光学传送信号。
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