CN115622631B - 外部激光器使能的共同封装光学架构 - Google Patents

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Abstract

无源共同封装光电芯片可以包括多个不同的光收发器，多个光收发器中的每个光收发器可以传向外部目的地或内部部件传送。每个收发器可以被配置成用于不同的调制格式，诸如不同的脉冲幅度、相移键和正交幅度调制格式。不同的光源提供光以供收发器处理，其中光源和收发器可以被配置成用于不同的应用(例如，不同的距离)和数据速率。光学耦合器可以将用于不同收发器的光组合，以用于经由偏振维持介质(例如，偏振维持少模光纤和偏振维持单模光纤)输入到无源共同封装光电芯片中，其中另一个耦合器以分路模式操作，以根据不同的共同封装配置，将用于不同收发器的不同光通道分离。

Description

外部激光器使能的共同封装光学架构
本申请是申请号为202011120884.6，申请日为2020年10月19日、优先权日为2020年8月11日、题为“外部激光器使能的共同封装光学架构”发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开总体上涉及光学和电气设备，并且更具体地涉及无源共同封装硅交换机和光子电路的集成。
背景技术
数据中心的网络流量的增长推动了对更高容量和更低功耗的需求。一种方法是将芯片光收发器的光学部件(例如，光收发器)移动得更接近硅交换机，并且集成传统在主机板上的IC的部件中的一些IC部件。在一些方法中，硅交换机和光/电部件可以被共同封装在单个芯片上。虽然在理论上将电气部件和光学部件紧密集成可以使能更高的容量(例如，更小的占地面积)，具有更低的功耗和提高的数据速度，但这些共同封装方法难以设计，并且在一个或多个设备发生故障的情况下，通常无法在将来进行改变或重新配置。
附图说明
以下描述包括对附图的讨论，附图具有通过本公开的实施例的实施方式的示例给出的图示。应当以示例的方式而非限制的方式理解附图。如本文所使用的，对一个或多个“实施例”的引用应当被理解为描述被包括在本发明主题的至少一个实施方式中的特定特征、结构或特性。因此，本文中出现的诸如“在一个实施例中”或“在备选实施例中”的短语描述了本发明主题的各种实施例和实施方式，并且不一定都指代相同的实施例。但是，它们也不一定相互排斥。为了容易地标识对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中的最高有效数字指代首先引入该元件或动作的附图(“图”)编号。
图1是图示根据一些示例实施例的用于传送和接收光信号的无源光收发器的框图。
图2是根据一些示例实施例的包括一个或多个光学器件的无源光电器件(例如，光收发器、无源共同封装光学硅交换机)的图示。
图3示出了根据一些示例实施例的外部激光器使能的无源共同封装光学架构。
图4示出了根据一些示例实施例的示例模式耦合器架构。
图5示出了根据一些示例实施例的实施量子点激光器作为外部光源的无源光学子系统架构。
图6示出了根据一些示例实施例的光学无源共同封装架构。
图7示出了根据一些示例实施例的用于使用无激光共同封装架构来路由光的方法的流程图。
接下来是对某些细节和实施方式的描述，包括对附图的描述，附图可以描绘下面描述的实施例中的一些或全部实施例，以及讨论了本文提出的发明构思的其他可能的实施例或实施方式。下面提供了本公开的实施例的概述，随后是参考附图的更详细的描述。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供对发明主题的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明主题的实施例。通常，不一定详细示出众所周知的指令实例、结构和技术。
如所讨论的，用于光通信模块(例如，收发器芯片、交换机芯片)的共同封装电光设计可以降低功耗，但是可能难以将共同封装方法实现为对光源和部件故障提供可重配置性的方式。为此，可以实施光学无源共同封装架构，以提供共同封装光学架构低功耗的益处，同时使能该架构针对不同的调制格式和光源的可重配置性。光学无源共同封装架构可以接收来自一个或多个光库的光，或者接收来自光学无源共同封装架构外部的激光器子组件的光，并且可以根据实施方式而被改变。在一些示例实施例中，光学无源共同封装架构包括多个光学发射器，其可以以不同的调制格式发射，诸如多进制(m-ary)脉冲幅度调制(M-PAM)或多进制正交幅度调制(M-QAM)。可以使用一个或多个空间模式耦合器，将来自不同光源的发往不同收发器模块的不同的光通道或光束进行组合和分离，该空间模式耦合器将每个光通道转换成不同的较高阶光学模式并且将不同的较高阶模式中的通道耦合在传送多个光学模式的光纤(例如，少模光纤)上。光学无源共同封装架构耦合到光纤，并且接收不同的通道，并且使用另一个模式耦合器，基于它们的不同空间模式将它们分离，该另一个模式耦合器作为基于模式的分路器操作，还将每个光通道转换成较低阶模式(例如，基本模式、高斯模式)。然后所分离的通道被输入到不同的发射器模块以进行调制，并且传输到各种目的地(例如，远程接收器、内部接收器)，如下面进一步详细讨论的。
图1是图示根据一些示例实施例的无源光收发器100的框图。光收发器100是可以在光子集成电路(PIC)中包括一个或多个收发器模块的共同封装芯片架构的一个示例，光子集成电路(PIC)对来自经由光纤(例如，少模光纤)被耦合的外部光源117(例如，激光库、量子点激光器等)的光进行调制。
如所图示的，无源光收发器100被实施成：与来自电气设备(诸如电气硬件器件150)的电气数据对接；将电气数据转换为光数据；以及利用一个或多个光学器件(诸如，光学器件175(例如，远程光学器件、交换机、服务器等的外部发射器177))发送和接收光数据。出于说明的目的，在下面的描述中，电气硬件器件150是“托管”作为光引擎的光收发器100的主机板，光收发器100向光交换机网络发送数据并且从其接收数据，其中，例如，光学器件175可以是光交换机网络(例如，IP/L2交换机、OTN(L1)交换机)的其他部件。然而，应当理解，该系统可以被实施成与其他类型的电气设备和光学器件对接。例如，根据一些示例实施例，光收发器100可以被实施成混合型以太网交换机共同封装上的单个芯片，该混合型以太网交换机共同封装使用光学网络(例如，波导、光纤)作为光学总线来互连板上电气芯片，在数据从光被转换成二进制电气数据之后，板载电气芯片处理该数据。
在一些示例实施例中，硬件器件150包括用于与光收发器100的电气接口通信的电气接口。光收发器100可以是可移除的前端模块，其可以被硬件器件150物理地接收和从硬件器件150中移除，硬件器件150作为通信系统或设备内的后端模块。例如，光收发器100和硬件器件150可以是光通信设备(例如，网络设备)的部件，诸如单通道强度调制器/直接检测(IM/DD)收发器、单通道相干收发器、基于波分复用(WDM)的多通道IM/DD收发器，或基于WDM的多通道相干收发器。可以在IM/DD收发器中使用多进制PAM格式，而在相干收发器中可以使用多进制相移键控(M-PSK)或多进制正交幅度调制(M-QAM)格式。
光收发器100的数据发射器105可以从硬件器件150接收电信号，然后经由PIC 110中的一个或多个发射器模块(例如，光调制器、波导、调制器驱动器)将电信号转换成光信号。然后，PIC 110可以经由诸如与PIC 110对接的光纤或波导的光链路将光信号输出到其他部件。然后，经由网络(诸如，广域网(WAN)、光交换机网络、嵌入式系统中的光波导网络，等)，输出的光数据可以由其他部件(例如，交换机、端点服务器、单个嵌入式系统的其他嵌入式芯片)处理。
在接收器模式中，光收发器100可以经由一个或多个光链路从光学器件175接收高数据速率的光信号。由PIC 110将光信号从光转换为电信号，以供数据接收器115进一步处理，诸如，将数据解调为较低的数据速率，以输出到诸如电气硬件器件150的其他设备。在一些示例实施例中，数据发射器105和数据接收器115被形成为诸如ASIC 103的单个电路结构。ASIC 103还可以包括其他电路结构，例如，包括交换机ASIC或一个或多个数字信号处理(DSP)部分，以提供进一步的数据处理功能。
图2是根据一些示例实施例的包括一个或多个光学器件的无源光电器件200(例如，光收发器100、无源共同封装光交换机605)的图示。在该实施例中，无源光电器件200被示为包括印刷电路板(PCB)衬底205、有机衬底260和共同封装架构222，共同封装架构222包括专用集成电路(ASIC)215(例如，数据发射器105、数据接收器115、分组数字交换机340A/340B、ASIC 610)和PIC 220(例如，发射器部件，诸如下面讨论的图3的共同封装模块330、335)。
在一些示例实施例中，PIC 220包括绝缘体上硅(SOI)或基于硅的(例如，氮化硅(SiN))设备，或者可以包括由硅和非硅材料两者形成的设备。所述非硅材料(备选地被称为“异质材料”)可以包括III-V族材料、磁光材料或晶体衬底材料中的一种。III-V族半导体具有在元素周期表的III族和V族中发现的元素(例如，砷化铟镓磷化物(InGaAsP)、氮化砷化镓铟镓(GainAsN))。由于III-V族半导体中的电子速度比硅中的电子速度快得多，因此基于III-V族的材料的载流子弥散效应可以显著高于基于硅的材料中的载流子弥散效应。此外，III-V族材料具有直接带隙，使得能够有效地从电泵浦产生光。因此，对于生成光和调制光的折射率两者，III-V族半导体材料使能了比硅具有更高效率的光子操作。因此，在从电生成光并且将光转换回电方面，III-V族半导体材料使能了具有更高的效率的光子操作。
因此，在下面描述的异质光学器件中，硅的低光学损耗和高质量氧化物与III-V族半导体的电光效率相结合；在本公开的实施例中，所述异质器件利用器件的异质和纯硅波导之间的低损耗异质光学波导过渡。
磁光(MO)材料允许异质PIC来基于MO效应操作。这种器件可以利用法拉第效应，其中与电信号相关联的磁场调制光束，以提供高带宽调制，并且旋转光学模式的电场，从而实现光隔离器。所述MO材料可以包括例如诸如铁、钴或钇铁石榴石(YIG)的材料。此外，在一些示例实施例中，晶体衬底材料为异质PIC提供高机电耦合、线性电光系数、低传输损耗以及稳定的物理和化学性质。所述晶体衬底材料可以包括例如铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)。
在所示示例中，PIC 220经由光纤221(例如，少模光纤(FMF)、多芯光纤)与外部光源225(例如，光源117、光源子组件305)交换光。根据一些示例实施例，光纤221可以使用棱镜、光栅或透镜与PIC 220耦合。在其他示例实施例中，实施多根光纤以在不同的光源处接收光，如下面参考图6更详细讨论的。
在一些示例实施例中，PIC 220的光学器件至少部分地由ASIC 215中包括的控制电路装置控制。ASIC 215和PIC 220都被示为被布置在铜柱214上，铜柱214用于经由有机衬底260通信地耦合PIC。PCB基板205经由球栅阵列(BGA)互连216耦合到有机衬底260，并且可以用于将有机衬底260(并且因此，ASIC 215和PIC 220)互连到无源光电器件200的未示出的其他部件(例如，互连模块、电源等)。
图3示出了根据一些示例实施例的无源光学发射器架构300。具有多个光源的光源子组件305(例如，激光库、具有一组激光二极管的光学框)用作要被输入到多个无源共同封装光模块(包括PAM模块330和相干模块335)中的光的外部源。在一些示例实施例中，光源子组件305中的一个或多个光源可以是不同类型的光源(例如，分布式反馈激光器、量子点激光器、外腔激光器)。在一些示例实施例中，被包括的光源中的每个被包括的光源具有不同的光学特性，诸如线宽、光学功率或相对强度噪声。
无源光收发器100是无激光的或无源的，其可以使用从外部源提供的光进行操作。即，例如，根据一些示例实施例，即使在共同封装芯片(例如，无源光收发器100、无源共同封装光交换机605)包括光源的情况下，只要芯片中的一个或多个CPO模块接收来自光源的光(例如，经由光纤)，无源光收发器100相对于PAM模块330和相干模块335就仍然是无激光的。在所说明的实施例中，光源子组件305包括多个激光器，包括第一组激光器0、1、2、3、X和第二组激光器4、5、6、7、Y。
根据一些示例实施例，第一组激光器0、1、2、3和X可以被配置成以相同或不同的功率生成多个波长的光λ1-λ4，以供发射器模块(诸如PAM模块330)使用。特别地，例如，激光器0以1分贝毫瓦(dBm)的输出功率和1兆赫兹(MHz)的线宽生成λ1的光，激光器1以4dBm的输出功率和1MHz的线宽生成λ3的光，激光器2以7dBm的输出功率和1MHz的线宽生成λ2的光，激光器3以10dBm的输出功率和1MHz的线宽生成λ4的光，并且作为可调谐激光器的激光器X生成具有可变特性的光。在一些示例实施例中，激光器X是冗余光源，其可以被配置成生成具有至多13dBm的任何功率并且具有可调谐频率范围的光，可调谐频率范围可以被配置成λ1至λ4之间的任何频率。激光器X可以被配置成生成替换通道光束，以在激光器0、1、2、3故障时替换它们中的任何一个。例如，如果来自激光器1的光未被PAM模块330接收，则自适应选择控制器360(例如，用户设备、台式PC)可以使用数据接口来接收指示激光器中的一个激光器故障的数据，并且使用数据接口来调谐激光器X，来以4dBm功率生成λ3的光，以代替故障的激光器1。在一些示例实施例中，多个激光器同时为给定发射器生成光。例如，如这里所讨论的，激光器0-3可以同时生成光，然后将其组合并且输入到PAM模块330中(例如，空间模式耦合，以用于将发往PAM模块330的多波长光与发往其他发射器模块的光进行组合和分离)。
根据不同的示例实施例，第二组激光器4、5、6、7和Y可以被配置成以相同或不同的功率和线宽生成多个波长的光λ1-λ4，以供另一个收发器模块(诸如，相干模块335)使用。特别地，例如，激光器4以15dBm的输出功率和10kHz的线宽生成λ4的光，激光器5以12dBm的输出功率和100kHz的线宽生成λ3的光，激光器6以9dBm的输出功率和200kHz的线宽生成λ2的光，激光器7以6dBm的输出功率和500kHz的线宽生成λ1的光，并且作为可调谐激光器的激光器Y可以生成不同类型的光。在一些示例实施例中，激光器Y是第二组激光器的冗余光源，其可以被配置成生成具有高达18dBm的任何功率并且具有可调谐频率范围的光，可调谐频率范围可以被配置成λ1至λ4之间的任何频率。激光器Y可以被配置成用作替换通道光源，以在激光器4、5、6、7故障时，替换它们中的任何一个。例如，如果来自激光器7的光未被相干模块335接收，则自适应选择控制器360(例如，客户端设备)可以使用数据接口(例如，串行接口)来接收指示激光器中的一个激光器故障的数据，并且使用数据接口来调谐激光器Y以6dBm的功率生成λ1的光，来代替故障的激光器7。
PAM CPO模块330可以接收由光源子组件305中的第一组激光器中的一个或多个激光器生成的光，并且使用MUX 345A(例如，在解复用器/拆分模式下的偏振维持多路复用器)将光输入到一个或多个PAM4收发器350中。收发器350是不同类型的PAM4收发器，包括使用单个或多个光纤在100米以上传送/接收PAM4数据的PAM4-SR收发器(“TRxO”)，使用单个或多个光纤在2千米以上传送/接收PAM4数据的PAM4-FR收发器(“TRx1”)，使用单个或多个光纤在500米以上传送/接收PAM4数据的PAM4-DR收发器(“TRx2”)，以及在10千米以上传送/接收PAM4数据的PAM4-LR收发器(“TRx3”)。根据一些示例实施例，尽管在图3(和图5)的示例中PAM CPO模块330包括四个收发器，但是应当理解，PAM CPO模块330可以包括不同数目的收发器(例如，1个PAM收发器，20个PAM收发器)，或包括没有接收器的发射器，等等。
相干CPO模块335是相干模块，其可以接收由光源子组件305中的第二组激光器中的一个或多个激光器生成的光，并且使用MUX345B(在解复用模式下)将光输入到一个或多个相干发射器355中。例如，相干模块355被配置成相干检测器接收器，该相干检测器接收器将本地振荡器光与光信号混合，以对所接收的相干光束数据进行解调。发射器355是不同类型的相干发射器，包括QPSK发射器(“TRxO”)、8QAM发射器(“TRx1”)、16QAM发射器(“TRx2”)和64QAM发射器(“TRx3”)。根据一些示例实施例，尽管相干CPO模块335在图3(和图5)的示例中包括四个收发器，但应当理解，相干CPO模块335可以包括不同数目的收发器(例如，1个相干收发器，20个相干收发器)，或包括没有接收器的相干发射器，等等。
此外，尽管图3中仅图示了两个CPO模块，但应当理解，可以实施附加的模块，诸如WDM模块，在WDM模块中，所有发射器接收不同波长的低功率光，以在单个光纤上短距离(例如500m)传送WDM，以及第二WDM模块，其中，在第二WDM模块中的所有发射器接收不同波长的高功率光，以在单模光纤上传送更长距离(例如2km)的WDM数据。此外，在所示示例中，模块中的每个模块包括电子控制电路装置，诸如分组数字电路340A和340B，以与不同的收发器进行通信，而在其他的示例实施例中，电子控制电路位于另一个电路结构(诸如图6中的ASIC 610)中。
使用少模耦合器(包括空间模式耦合器315和325)和偏振维持少模光纤320(PM-FMF，其支持光的不同空间模式)，将来自光源子组件305中不同组激光器的光引导向特定的CPO模块。通常，少模部件(例如，光纤、耦合器)在单个部件(例如，光纤、耦合器)中传送多模通道(可以使用多个波长通道传送处于每种模式的光)，其中每个模式通道占用一个独立的空间路径(例如，不同的模式)。可以使用空间模式多路复用器将通道多路复用在一起，并且跨多空间模式光纤将其传送(例如，少模光纤，其在物理上比单模光纤大，并且被配置成在单个介质上支持几个横向空间模式不同于在不同的芯上传送不同空间通道的多芯光纤)。
可以使用空间模式解复用器来接收空间复用的通道，空间模式解复用器按照它们的不同空间模式将通道分离，以进行进一步的路由(例如，到针对每个通道的不同接收器等)。作为一个示例，并且参考图3，经由偏振维持单模耦合器310A，来自第一组激光器307中的一个或多个激光器的光耦合到单模光纤313(偏振维持单模光纤)，单模光纤313进一步耦合到少模耦合器315。类似地，经由偏振维持单模耦合器310B，来自第二组激光器311中的一个或多个激光器的光沿着另一个单模光纤317耦合到少模耦合器315。然后，模式耦合器315将所接收的光转换成不同的模式，将它们组合，并且将模式光输出到偏振维持FMF 320(例如，少模光纤，其支持几种线性偏振(LP)空间模式(诸如，LP01、LP11、LP21、LP02))和不同的定向(诸如，LP11和LP21)，在下面讨论)。特别地，例如，模式耦合器315将来自光纤313的光转换为第一模式(例如，模式1，LP11)，并且将来自其他光纤317的光转换为第二不同的模式(例如，模式2，LP21)，它们被组合并且被输出到FMF 320。
然后，FMF 320耦合到另一个模式耦合器325，模式耦合器325被配置成将所接收的通道(例如，模式1和模式2)分离或解复用到不同的路径上。例如，模式耦合器325将光的第一模式(模式1，来自第一组激光器307中的一个或多个)转换成基本模式(例如，高斯模式，LP01)，并且将光输入到基于PAM模块的共同封装光学器件330以进行处理(例如，经由PAM4收发器350中的一个或多个PAM4收发器)。此外，模式耦合器325在另一个光纤上将光的第二模式(模式2，来自第二组激光器311)转换成高斯模式，然后将光输入到相干CPO模块335中进行处理(例如，经由发射器355中的一个或多个发射器，以用于不同类型的基于相干调制的通信)。此外，被输入到相干CPO模块335的光的一部分可以保持未被调制，并且被传送到目的地处的接收器以用于相干信号处理。在一些示例实施例中，模式耦合器325是嵌入式空间模式耦合器，其被集成到无源CPO芯片架构中，诸如无源光收发器100或无源共同封装光交换机605。
图4示出了根据一些示例实施例的示例模式耦合器架构400。在所示示例中，模式耦合器架构400包括两个耦合器405和410(例如，2×2耦合器)，其可以生成和分离较高的空间模式。特别地，模式耦合器315(图3)可以实施模式耦合器架构400，以在多路复用器或组合模式(在模式耦合器架构400的左侧上的单模式端口403上输入光；在模式耦合器架构400的右侧上的端口407上输出光)下，生成较高阶的空间模式(例如，LP11、LP21)。此外，模式耦合器325(图3)可以被实施成模式耦合器架构400的反向配置，其中在端口407上接收光(来自图3的FMF 320)，并且在解复用器或分路器模式下将较高阶的空间模式分离成高斯模式(从右到左)。根据不同的示例实施例，尽管在图4的示例中针对模式耦合器315、325实施了两个耦合器架构，但是应当理解，可以实施具有附加部件(例如，分路器、光栅)的其他配置，以提供空间模式耦合组合和分离功能，以向无源光收发器100提供光。
作为一个说明性示例，来自光纤313的光被分到两个单模光纤SMF-1和SMF-2上，两个单模光纤中的每个光纤承载处于高斯模式LP01的光，这些光被输入到耦合器405中以生成较高阶光LP11和LP01(可以被过滤或丢弃)。然后，来自耦合器405的光被输入到耦合器410的耦合器端口中的一个耦合器端口中(经由FMF，其连接耦合器405和410)，其中410的其他耦合器端口接收来自光纤317的光，以与来自耦合器405的光耦合。即，使用另一个单模光纤SMF-3，将来自光纤317的光以其高斯空间模式LP01直接输入到耦合器410中。
然后，耦合器410将来自耦合器405的光和来自光纤317的光耦合以生成高阶模式光415，高阶模式光415可以在少模光纤(例如，图3的FMF 320)上传播到其目的地，诸如无源光收发器100上的模式耦合器325。模式耦合器325可以具有两个其他耦合器，该两个其他耦合器处于模式耦合器架构400中说明的反向配置，以将光分离到不同的模块。即，例如并且参考模式耦合器架构400，模式耦合器在端口407上接收光，并且将处于较高模式LP21的光的一个通道转换成高斯模式LP01，然后将其输出到SMF-3上，然后将其输入到发射器模块中的一个发射器模块(例如，PAM模块330)中。此外，光的其他较高模式LP11(以及LP01)被耦合器410的端口(在耦合器410的左侧)输出，然后被耦合器405进一步分离，以生成两个光束(均处于高斯模式)到SMF-1和SMF-2上，其中光纤中的一个光纤可以用于将光的该通道输入到一个或多个其他发射器模块，诸如相干模块335。如所讨论的，应当理解，可以实施不同的模式耦合器配置，以根据有多少发射器模块要从外部光源接收光，来产生不同配置的输出和功率。
图5示出了根据一些示例实施例的实施量子点作为光源的无源光学子系统架构500。与图3中的无源光学发射器架构300相比，激光器的总数目减少，并且实施了量子点激光器以在单个光束中生成多个波长的相干光，然后可以对其滤波以选择期望的光束以进行输出。量子点激光器可以被制造为直接在硅上生长的单片光源(例如，InGaAs量子点)。在量子点激光器505A和505B中的每个量子点激光器中，在p-包层区域和n-包层区域之间的有源区域包括一个或多个量子点，量子点中的每个量子点可以根据给定点的尺寸和其他特性来生成一定波长的光。在向有源区域施加电时，多束相干量子激光被生成以用于输出，其中功率与包层之间的有源区域中的量子点密度成比例，并且与所施加的电(例如，电流、电压)成比例。
作为一个示例，量子点激光器505A可以生成包含多束相干光(例如，λ1、λ2、λ3、λ4)的光，并且可以通过滤除其他光束(例如，滤除λ2-λ4)来选择光束中的一个光束，以从量子点激光器505A生成期望的输出光(例如，λ1)。类似地，激光器505B可以是不同配置的量子点激光器(更高功率)，其生成一个或多个波长的多束相干光束，类似地对其进行滤波以从量子点激光器505B生成期望的输出光。如上所述，然后可以经由少模光纤和模式耦合器来组合来自量子点激光器505A和505B中的每个量子点激光器的光。
图6示出了根据一些示例实施例的光学无源共同封装架构600。在所示示例中，无源共同封装光交换机605包括例如ASIC 610的电路，该电路为包括例如第一组光收发器615和第二组收发器620的光学部件提供电互连。根据一些示例实施例，由光学无源共同封装架构600处理的光可以是多维的，并且不同类型的收发器和光学部件可以使用不同的机制(例如，基于波长的耦合、基于空间模式的耦合和光束分路)对光进行组合、分离和处理。
无源共同封装光交换机605是无激光的；光通过外部光源、激光器子组件635和激光器子组件640而被输入到无源共同封装光交换机605中。激光器子组件640可以包括多个激光，该多个激光经由偏振维持单模光纤645(例如，承载多个光波长)输入，偏振维持单模光纤645通过光学接口655(例如，分路器、解复用器)耦合到无源共同封装光交换机605中。不同波长的光在光纤645中传播，并且可以被光纤放大器650(例如，偏振维持掺铒光纤放大器(PM-EDFA))放大，然后通过光学接口655被输入到芯片中，光学接口655经由波导625将光分路和耦合到收发器620。
激光器子组件635包括一组光源，该组光源从该组光收发器615生成光以进行处理(例如，经由ASIC 610进行传送和接收)。在图6的示例中，单模光纤660和少模光纤665均承载被输入到耦合器中的光，耦合器包括分路器672和少模耦合器670(例如，空间模式耦合器)。两个光纤660和665可以是带状电缆的一部分，带状电缆连接到无源共同封装光交换机605的连接器670。激光器子组件635可以包括两个模式的耦合器，其为光纤660和665中的每个光纤生成光，然后，光经由耦合器672(经由拆分)和耦合器670(例如，经由空间模式解耦)被分离或解耦。
图7示出了根据一些示例实施例的用于使用无激光共同封装架构来处理光的方法700的流程图。在操作705处，第一外部光源(例如，激光器0、1、2、3或X中的任何一个)生成第一光束，并且第二外部光源(例如，激光器4、5、6、7或Y中的任何一个)生成第二光束。
在操作710处，耦合器将多维光(例如，不同波长的光、不同空间模式的光、在不同光纤芯上的光)组合。例如，在操作710处，模式耦合器315将从激光器5接收的光从其原始基本模式(高斯)转换成较高阶的模式(LP11)，并且还将来自激光器7的光从其基本模式转换成另一个较高阶模式(LP21)，并且将较高阶模式组合以生成多模光。作为一个附加示例，在操作710处，激光器子组件640生成多波长光(WDM)。
在操作715处，多维光被输入到光学无源共同封装芯片中。例如，在操作715处，多模光在少模光纤(例如，FMF 320、FMF 665)上传播，并且经由光学连接器(例如，FMF耦合器670、透镜、光栅)被输入到芯片。另外，根据一些示例实施例，在操作715处，单个光纤上的多波长光被输入到光学无源共同封装芯片中。
在操作720处，多维光被分离。例如，在操作720处，嵌入式光学空间模式解耦器(例如，耦合器325)接收多模光，并且将光分离到不同的单模通道上，其中光被从较高模式转换成较低模式，又被模式解耦器分离。另外，根据一些示例实施例，在操作720处，在单模光纤645上传播的多波长光被输入到光学接口655中。
在操作725处，第一光集合和第二光集合被输入到一个或多个CPO模块中。例如，第一光集合以其高斯模式被输入到PAM 4CPO模块(诸如，PAM CPO模块330)中，并且第二光集合以其高斯模式被输入到相干CPO(诸如，相干CPO模块335)中。在一些示例实施例中，第一光集合和第二光集合被输入到相同类型的CPO模块(例如，第一光和第二光都被输入到直接检测模块中，第一光和第二光都被输入到相干模块中)。附加地并且根据一些示例实施例，在操作725处，多波长光被光学接口655分离并且被输入到收发器620中。
在操作730处，第一光集合和第二光集合被它们相应的发射器调制。例如，PAM模块330在其SR收发器中使用光学调制器(例如，图3的PAM收发器350的TRxO)，以将PAM4数据调制到第一光集合上。此外，相干模块335使用其16QAM收发器中的光学调制器，以将16QAM数据调制到第二光上，并且还将第二光集合输入到接收器以进行相干解调和处理。
在操作735处，经调制的第一光和第二光被传送。例如，PAM CPO模块330传送经PAM4调制的光(例如，传送到外部网络，或传送到诸如ASIC 610的内部交换机ASIC中)，并且相干CPO模块335传送经16QAM调制的光(例如，传送到外部网络或设备，或传送到诸如ASIC610的内部ASIC中，以进行处理)。
下面是示例实施例：
示例1.一种方法，包括：由共同封装光学器件接收多模光，所述多模光包括处于不同模式的多个光束，所述不同模式包括第一模式和第二模式，从耦合到所述共同封装光学器件的少模光纤接收所述多模光，所述共同封装光学器件包括多个共同封装光模块，所述多个共同封装光模块被配置成以不同的调制格式传送和接收光，所述多个共同封装光模块包括至少一个或多个直接检测收发器或相干收发器；使用所述共同封装光学器件的耦合器，从所述第一模式中分离第一光束，并且从所述第二模式中分离第二光束；使用所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块调制所述第一光束，并且使用所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块调制所述第二光束；以及使用所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块传送所述第一光束，并且使用所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块传送所述第二光束。
示例2.根据示例1所述的方法，其中所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块包括直接检测收发器，所述直接检测收发器调制和传送所述第一光束，并且所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块包括相干收发器，所述相干收发器调制和传送所述第二光束。
示例3.根据示例1或2所述的方法，其中在所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块中的所述收发器和在所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块中的收发器都是直接检测收发器。
示例4.根据示例1-3中任一项所述的方法，其中在所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块中的收发器和在所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块中的收发器都是相干收发器。
示例5.根据示例1-4中任一项所述的方法，还包括：由所述共同封装光学器件接收第一接收光束和第二接收光束；使用所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块，来解调所述第一接收光束；以及使用所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块，来解调所述第二接收光束。
示例6.根据示例1-5中任一项所述的方法，其中所述第一接收光束被所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块接收，并且其中所述第二接收光束被所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块接收。
示例7.根据示例1-6中任一项所述的方法，其中所述一个或多个直接检测收发器包括在所述多个共同封装光模块的脉冲幅度调制(PAM)模块中的一个或多个PAM光收发器。
示例8.根据示例1-7中任一项所述的方法，其中所述PAM光收发器被配置成以不同的PAM格式进行调制和解调。
示例9.根据示例1-8中任一项所述的方法，其中所述一个或多个相干收发器包括在所述多个共同封装光模块的相干模块中的一个或多个正交幅度调制(QAM)光收发器。
示例10.根据示例1-9中任一项所述的方法，其中所述QAM光收发器被配置成以不同的QAM格式进行调制和解调。
示例11.根据示例1-10中任一项所述的方法，其中所述一个或多个相干收发器包括在所述多个共同封装光模块的相干模块中的一个或多个相移键控(PSK)光收发器。
示例12.根据示例1-11中任一项所述的方法，其中所述PSK光收发器被配置成以不同的PSK格式进行调制和解调。
示例13.根据示例1-12中任一项所述的方法，其中所述耦合器是空间模式耦合器，所述空间模式耦合器基于不同的光空间模式来将光分离。
示例14.根据示例1-13中任一项所述的方法，其中所述耦合器是光分路器。
示例15.根据示例1-14中任一项所述的方法，其中所述一个或多个直接检测收发器和所述一个或多个相干收发器中的每个是与电路装置共同封装的光子集成电路(PIC)收发器。
示例16.根据示例1-15中任一项所述的方法，其中所述共同封装光学器件包括集成光电以太网交换机。
示例17.根据示例1-16中任一项所述的方法，其中所述集成光电以太网交换机和PIC收发器通过电气接口互连。
示例18.根据示例1-17中任一项所述的方法，其中所述多个光束由一个或多个外部激光器组件生成。
示例19.根据示例1-18中任一项所述的方法，其中所述一个或多个外部激光器组件是可调光源或固定光源。
示例20.一种共同封装光学器件，包括：多个共同封装光模块，用于以不同的调制格式传送和接收光，所述多个共同封装光模块包括至少一个或多个直接检测收发器或相干收发器，所述多个共同封装光模块用于从耦合到所述共同封装光学器件的少模光纤接收多模光，所述多模光包括处于不同模式的多个光束，所述不同模式包括第一光模式和第二光模式；以及耦合器，用于从所述多模光的所述第一模式中分离第一光束，以及从所述多模光的所述第二模式中分离第二光束，所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块被配置成调制和传送所述第一光束，并且所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块被配置成调制和传送所述第二光束。
示例21：一种方法，包括：由共同封装光学器件接收多模光，所述多模光包括处于不同模式的多个光束，所述不同模式包括第一模式和第二模式，从耦合到所述共同封装光学器件的少模光纤接收所述多模光，所述共同封装光学器件包括多个共同封装光模块，所述多个共同封装光模块被配置成以不同的调制格式传送和接收光，所述多个共同封装光模块包括至少一个或多个直接检测收发器或相干收发器；使用所述共同封装光学器件的少模耦合器，从所述第一模式中分离第一光束，并从所述第二模式中分离第二光束；使用所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块调制所述第一光束，并且使用所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块调制所述第二光束；以及使用所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块传送所述第一光束，并且使用所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块传送所述第二光束。
示例22.根据示例21所述的方法，其中在所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块中的收发器是直接检测收发器，所述直接检测收发器调制和传送所述第一光束，并且其中在所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块中的另一个收发器是相干收发器，所述相干收发器调制和传送所述第二光束。
示例23.根据示例21或22中任一项所述的方法，其中在所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块中的收发器和在所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块中的另一个收发器都是直接检测收发器。
示例24.根据示例1-23中任一项所述的方法，其中在所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块中的收发器和在所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块中的另一个收发器都是相干收发器。
示例25.根据示例1-24中任一项所述的方法，还包括：由所述共同封装光学器件接收第一接收光束和第二接收光束；使用所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块，来解调所述第一接收光束；以及使用所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块，来解调所述第二接收光束。
示例26.根据示例1-25中任一项所述的方法，其中所述第一接收光束被所述共同封装光模块中的所述一个共同封装光模块接收，并且其中所述第二接收光束被所述共同封装光模块中的所述另一个共同封装光模块接收。
示例27.根据示例1-26中任一项所述的方法，其中所述一个或多个直接检测收发器包括在所述多个共同封装光模块的脉冲幅度调制(PAM)模块中的一个或多个PAM光收发器。
示例28.根据示例1-27中任一项所述的方法，其中所述PAM光收发器被配置成以不同的PAM格式进行调制和解调。
示例29.根据示例1-28中任一项所述的方法，其中所述一个或多个相干收发器包括在所述多个共同封装光模块的相干模块中的一个或多个正交幅度调制(QAM)光收发器。
示例30.根据示例1-29中任一项所述的方法，其中所述QAM光收发器被配置成以不同的QAM格式进行调制和解调。
示例31.根据示例1-30中任一项所述的方法，其中所述一个或多个相干收发器包括在所述多个共同封装光模块的相干模块中的一个或多个相移键控(PSK)光收发器；并且其中所述PSK光收发器被配置成以不同的PSK格式进行调制和解调。
示例32.根据示例1-31中任一项所述的方法，其中所述耦合器是空间模式耦合器，所述空间模式耦合器基于不同的光空间模式来将光分离。
示例33.根据示例1-32中任一项所述的方法，其中所述耦合器是光分路器，所述光分路器将来自单模光纤的所述光分到每个收发器。
示例34.根据示例1-33中任一项所述的方法，其中所述一个或多个直接检测收发器和所述一个或多个相干收发器中的每个是与电路装置共同封装的光子集成电路(PIC)收发器。
示例35.根据示例1-34中任一项所述的方法，其中所述共同封装光学器件包括集成光电以太网交换机。
示例36.根据示例1-35中任一项所述的方法，其中所述集成光电以太网交换机和所述PIC收发器通过电气接口互连。
示例37.根据示例1-36中的任一项所述的方法，其中所述多个光束由一个或多个外部激光器组件生成。
示例38.根据示例1-37中任一项所述的方法，其中所述一个或多个外部激光器组件是可调光源或固定光源。
示例39.根据示例1-38中任一项所述的方法，其中所述一个或多个外部激光器组件包括以下中的一个或多个：分布式反馈激光器、量子点激光器、外腔激光器；并且其中所述一个或多个外部激光器组件具有不同的光学特性，所述光学特性包括线宽、输出功率或相对强度噪声中的一个或多个。
示例40.一种共同封装光学器件，包括：多个共同封装光模块，用于以不同的调制格式传送和接收单模光，所述多个共同封装光模块包括至少一个或多个直接检测收发器或相干收发器，所述多个共同封装光模块用于从耦合到所述共同封装光学器件的少模光纤接收多模光，所述多模光包括处于不同模式的多个光束，所述不同模式包括第一光模式和第二光模式，并且处于每个模式的所述光可以包含多个波长通道；以及耦合器，用于从所述多模光的所述第一模式中分离第一光束，以及从所述多模光的所述第二模式中分离第二光束，所述共同封装光模块中的一个共同封装光模块用于调制和传送所述第一光束，并且所述共同封装光模块中的另一个共同封装光模块用于调制和传送所述第二光束。该方面的其他实施例包括对应的计算机系统、装置和被记录在一个或多个计算机存储设备上的计算机程序，其均被配置成执行所述方法的动作。
在前面的详细描述中，已经参考本发明主题的特定示例性实施例描述了本发明主题的方法和装置。然而，将明显的是，在不脱离本发明主题的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，本说明书和附图被认为是说明性而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
由共同封装光学器件从耦合到所述共同封装光学器件的多模光纤接收多模光束，所述共同封装光学器件包括共同封装的不同类型的多个光收发器模块，所述多模光包括由所述多个光收发器模块中的第一类型的光收发器模块进行调制的第一模式的光，所述多模光还包括由所述多个光收发器模块中的第二类型的另一个光收发器模块进行调制的第二模式的光，所述第二类型不同于所述第一类型；
使用所述共同封装光学器件的耦合器，从所述第一模式中分离第一光束，并且从所述第二模式中分离第二光束；
使用所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块调制所述第一光束，并且使用所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块调制所述第二光束；以及
使用所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块传送所述第一光束，并且使用所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块传送所述第二光束。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
由所述共同封装光学器件接收第一接收光束和第二接收光束；
使用所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块来解调所述第一接收光束；以及
使用所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块来解调所述第二接收光束。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一接收光束被所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块接收，并且其中所述第二接收光束被所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块接收。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光收发器模块中的所述第一类型的所述光收发器模块是脉冲幅度调制PAM光收发器。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个共同封装的光模块还包括附加的PAM收发器，其中所述PAM光收发器和所述附加的PAM收发器以不同的PAM格式进行操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光收发器模块中的所述另一光收发器模块是正交幅度调制QAM收发器，并且所述多个共同封装的光模块还包括附加的QAM收发器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述QAM收发器和所述附加的QAM收发器被配置成以不同的QAM格式进行调制和解调。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器是相移键控PSK收发器，并且所述多个共同封装光模块还包括附加的PSK收发器，并且其中所述PSK收发器和所述附加的PSK收发器被配置成以不同的PSK格式进行操作。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合器是空间模式耦合器，所述空间模式耦合器基于不同的光空间模式来将光分离。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：使用一个或多个外部激光器组件来生成所述多模光。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块和所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块是与电路装置共同封装的光子集成电路PIC收发器。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述共同封装光学器件包括交换机专用集成电路ASIC。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述交换机ASIC和所述PIC收发器通过电气接口互连。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述多模光由一个或多个外部激光器组件生成，所述一个或多个外部激光器组件包括以下一项或多项：可调光源或固定光源。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个外部激光器组件包括以下中的一项或多项：分布式反馈激光器、量子点激光器、外腔激光器；并且其中所述一个或多个外部激光器组件具有不同的光学特性，所述光学特性包括线宽、输出功率或相对强度噪声中的一项或多项。
16.一种共同封装光学器件，包括：
共同封装的不同类型的多个光收发器模块，所述多个光收发器模块从耦合到所述共同封装光学器件的多模光纤接收多模光束，所述多模光包括由所述多个光收发器模块中的第一类型的光收发器模块进行调制的第一模式的光，所述多模光还包括由所述多个光收发器模块中的第二类型的另一个光收发器模块进行调制的第二模式的光，所述第二类型不同于所述第一类型；以及
耦合器，用于从所述多模光的所述第一模式中分离第一光束，并且从所述多模光的所述第二模式中分离第二光束；
所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块用于调制和传送所述第一光束，并且所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块用于调制和传送所述第二光束。
17.根据权利要求16所述的共同封装光学器件，其中所述耦合器是空间模式耦合器，所述空间模式耦合器基于不同的光空间模式来将光分离。
18.根据权利要求16所述的共同封装光学器件，其中所述多模光由一个或多个外部激光器组件生成。
19.根据权利要求16述的共同封装光学器件，其中所述多个光收发器模块中的所述光收发器模块和所述多个光收发器模块中的所述另一个光收发器模块是与电路装置共同封装的光子集成电路PIC收发器。
20.根据权利要求19所述的共同封装光学器件，其中所述共同封装光学器件包括交换机专用集成电路ASIC，并且其中所述交换机ASIC和所述PIC收发器通过电气接口互连。
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