DE102021214145A1 - HETEROGENE INTEGRATION OF FREQUENCY COMB GENERATORS FOR HIGH-SPEED TRANSCEIVERS - Google Patents
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Abstract
Ein Photonik-Frequenzkammgenerator umfasst zwei integrierte Dies: einen Indiumphosphid-Die, auf dem ein Laser einer ersten Wellenlänge gezüchtet wird, und einen Silizium-Photonik-Die mit einem Mikroringresonator, der mit dem Laser und Frequenzmodulatoren verbunden ist. Der Mikroringresonator wandelt die erste Wellenlänge in eine Anzahl von zweiten Wellenlängen um. Ein Typ des Mikroringresonators ist ein hybrider nicht-linearer optischer Wellenlängengenerator, der Nicht-Silizium-Materialien wie SiC oder SiGe auf Silizium enthält, um eine nicht-lineare Wellenlängenerzeugung zu erreichen. Die zweiten Wellenlängen werden durch Anpassung der geometrischen Größe des Rings und des Abstands zwischen dem Ring und dem traversen Wellenleiter erzeugt. Eine andere Art von Mikroringresonator teilt die erste Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen auf und überträgt die mehreren zweiten Wellenlängen an Filter und Modulatoren, die jeweils eine der zweiten Wellenlängen in einer Eins-zu-Eins-Beziehung auswählen und modulieren. Dieser Frequenzkammgenerator findet Anwendung in WDM/CWDM- und Multi-Chip-Modulen in Hochgeschwindigkeitstransceivern.A photonic frequency comb generator includes two integrated dies: an indium phosphide die on which a first wavelength laser is grown, and a silicon photonic die with a micro ring resonator connected to the laser and frequency modulators. The micro ring resonator converts the first wavelength into a number of second wavelengths. One type of micro ring resonator is a hybrid non-linear optical wavelength generator that includes non-silicon materials such as SiC or SiGe on silicon to achieve non-linear wavelength generation. The second wavelengths are generated by adjusting the geometric size of the ring and the spacing between the ring and the traverse waveguide. Another type of micro ring resonator splits the first wavelength into a plurality of second wavelengths and transmits the plurality of second wavelengths to filters and modulators that each select and modulate one of the second wavelengths in a one-to-one relationship. This frequency comb generator finds application in WDM/CWDM and multi-chip modules in high-speed transceivers.
Description
QUERVERWEISCROSS REFERENCE
Die Anmeldung beansprucht Priorität für die griechische Patentanmeldung Nr.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Telekommunikation. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Hochgeschwindigkeits-Photonik-Transceiver für Verbindungen.The invention relates to the field of telecommunications. In particular, the invention relates to high-speed photonic transceivers for interconnects.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Rechenzentren sind auf eine schnelle und robuste Kommunikationsinfrastruktur angewiesen. Dies wird durch den Einsatz optischer Verbindungen erreicht, insbesondere zwischen verschiedenen Server-Racks. Jede physikalische Verbindung, die eine einzelne optische Faser verwendet, umfasst mehrere Kommunikationskanäle, die in WDM-Systemen (Wavelength Division Multiplexing) durch unterschiedliche Wellenlängen gekennzeichnet sind.Data centers depend on a fast and robust communication infrastructure. This is achieved through the use of optical connections, particularly between different server racks. Any physical connection using a single optical fiber comprises multiple communication channels, characterized by different wavelengths in WDM (Wavelength Division Multiplexing) systems.
Die Sender in optischen WDM-Transceivermodulen basieren in der Regel auf Arrays diskreter Einzelwellenlängenlaser, wie z. B. den Distributed-Feedback-Lasern (DFB). Um jedoch den Stromverbrauch und die Komplexität zu verringern, könnten diese Laser durch einen einzelnen Kammlaser ersetzt werden. Der Kammlaser erzeugt eine Reihe von diskreten, gleichmäßig verteilten Frequenzen.The transmitters in WDM optical transceiver modules are typically based on arrays of discrete single-wavelength lasers, such as B. the distributed feedback lasers (DFB). However, to reduce power consumption and complexity, these lasers could be replaced with a single comb laser. The comb laser generates a series of discrete, evenly distributed frequencies.
Da die Transceiver ihre Leitungsbitrate von derzeit 25 Gbit/s auf 50 Gbit/s und später auf 100 Gbit/s erhöhen und die Modulationsreihenfolge von den derzeitigen Techniken wie Non-Return-to-Zero (NRZ) auf Puls-Amplituden-Modulation Level 4 (PAM-4) umstellen, besteht die Herausforderung darin, die Leistungsaufnahme der Laserquellen zu skalieren, da diese Steigerungen eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR für engl. signal-to-noise ratio) des Senders erfordern.As transceivers increase their line bit rate from the current 25 Gbit/s to 50 Gbit/s and later to 100 Gbit/s and the modulation order from current techniques such as Non-Return-to-Zero (NRZ) to Pulse Amplitude Modulation Level 4 (PAM-4), the challenge is to scale the power consumption of the laser sources, as these increases require an increase in the signal-to-noise ratio (SNR) of the transmitter.
Wenn man beispielsweise von NRZ zu PAM-4 mit derselben Bitrate wechselt, verringert sich das SNR um den Faktor 3. Daher muss die Leistung um den Faktor 3 erhöht werden, nur um die gleiche Anzahl von Bitfehlerraten (BER für engl. bit error rate) wie zuvor beizubehalten.For example, going from NRZ to PAM-4 at the same bitrate reduces SNR by a factor of 3. Therefore, performance must increase by a factor of 3, just by the same number of bit error rates (BER) to be retained as before.
Beim Übergang von PAM-4 zu PAM-8 (PAM-Level 8), die beide mit der gleichen Bitrate arbeiten, muss das SNR erhöht werden, damit das PAM-8-Signal die gleiche BER wie bei PAM-4 erreicht.When moving from PAM-4 to PAM-8 (PAM level 8), both of which operate at the same bit rate, the SNR must be increased in order for the PAM-8 signal to achieve the same BER as PAM-4.
Um ein nachhaltiges Verhältnis zwischen SNR und BER zu erreichen, muss in der Regel die verfügbare Leistung der Laserquelle erhöht werden, was die Kosten erhöht. Infolgedessen müssen die Laser mehr Licht erzeugen, was wiederum den Stromverbrauch über eine lineare Skalierung hinaus erhöht und gleichzeitig die Wärmeableitung und das Wärmemanagement erschwert.In order to achieve a sustainable relationship between SNR and BER, the available power of the laser source usually has to be increased, which increases costs. As a result, the lasers must produce more light, which in turn increases power consumption beyond linear scaling while making heat dissipation and thermal management more difficult.
Dies ist besonders wichtig für Transceiver, die in standardisierte steckbare Formen eingekapselt werden müssen, die begrenzte Wärmeableitungseigenschaften und wenig Platz haben, so dass sie auf ein Luftströmungsdesign angewiesen sind, wodurch die Menge an Energie, die Transceiver vom Haupt-Rack aufnehmen können, durch die Formfaktornormen begrenzt wird.This is especially important for transceivers that need to be encapsulated in standardized pluggable forms that have limited heat dissipation properties and space constraint, requiring them to rely on an airflow design, reducing the amount of power transceivers can absorb from the main rack by the Form factor standards is limited.
Frequenzkammgeneratoren versuchen, Anordnungen diskreter Laserquellen durch eine einzige Laserquelle mit einer einzigen Wellenlänge zu ersetzen. Das Licht des Lasers wird anschließend in mehrere verschiedene Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgeteilt, und jeder dieser Strahlen wird zur Übertragung eines individuellen Datenstroms verwendet.Frequency comb generators attempt to replace arrays of discrete laser sources with a single, single-wavelength laser source. The light from the laser is then split into several different light beams with different wavelengths, and each of these beams is used to transmit an individual data stream.
Herkömmliche Frequenzkammgeneratoren wurden mit diskreten Komponenten für Anwendungen gebaut, die eine große Stellfläche benötigen, wie z. B. in den Bereichen Messtechnik und Sensorik. Solche Geräte sind jedoch sperrig und erfüllen nicht die Anforderungen der integrierten Photonik.Traditional frequency comb generators have been built with discrete components for applications that require a large footprint, such as B. in the areas of measurement technology and sensors. However, such devices are bulky and do not meet the requirements of integrated photonics.
Die vorhandenen integrierten Frequenzkammgeneratoren sind entweder für Silizium-Photonik-Plattformen oder für andere III-V-Halbleiterplattformen wie optische Geräte auf Indiumphosphid(InP)-Basis konzipiert. Ein allgemeines Diagramm für jede der Technologien ist in
Andererseits kann die Laserquelle bei der Indiumphosphid-Methode, wie in
In beiden Fällen werden optische Fasern so konfiguriert, dass sie entweder durch V-Nuten oder vertikale Gitter mit dem System-Die verbunden sind. Wie oben beschrieben, konzentrieren sich die meisten Ansätze für Frequenzkammgeneratoren auf eine einzige Technologieplattform: entweder vollständige Silizium-Photonik oder nur Indiumphosphid.In both cases, optical fibers are configured to connect to the system die by either V-grooves or vertical gratings. As described above, most frequency comb generator approaches focus on a single technology platform: either full silicon photonics or just indium phosphide.
In den folgenden Tabellen werden die Vor- und Nachteile der aktuellen Frequenzkammgeneratoren auf der Grundlage der einzelnen Technologien aufgeführt: Tabelle 1 listet die Vor- und Nachteile von Frequenzkammgeneratoren in einem reinen Silizium-Photoniksystem und Tabelle 2 die Vor- und Nachteile von Frequenzkammgeneratoren in einem reinen Indiumphosphidsystem auf. Tabelle 1
Daher stellt sich das Problem, wie man von der derzeitigen, auf eine einzige Technologie ausgerichteten Konstruktion zu einer heterogenen Integration übergehen kann, bei der beide Technologien für die am besten geeigneten Zwecke eingesetzt werden (d. h. Indiumphosphid für die Lichterzeugung und Silizium-Photonik für die Lichtmodulation).Therefore, the problem arises of how to move from the current design focused on a single technology to a heterogeneous integration in which both technologies are used for the most appropriate purposes (i.e. indium phosphide for light generation and silicon photonics for light modulation). ).
Daher besteht nach wie vor die Notwendigkeit, einen Frequenzkammgenerator zu entwickeln, der mit integrierten Schaltkreisen (IC für engl. integrated circuits) kompatibel ist und in Photonik-Chips integriert werden kann.Therefore, there is still a need to develop a frequency comb generator that is compatible with integrated circuits (IC) and can be integrated into photonic chips.
KURZE ZUSAMMENFASSUNGSHORT SUMMARY
Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Zur Veranschaulichung der Erfindung werden hier Aspekte und Ausführungsformen beschrieben, die in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen können oder auch nicht.The invention is defined by the claims. Aspects and embodiments are described herein for purposes of illustration of the invention, which may or may not fall within the scope of the claims.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Photonik-Frequenzkammgenerator vorgestellt, der Folgendes umfasst: einen ersten Die, wobei der erste Die eine Lichtquelle umfasst, die auf einem Indiumphosphidmaterial aufgewachsen ist; einen zweiten Die, wobei der zweite Die einen optischen Wellenlängengenerator umfasst, der auf einem Silizium-Photoniksubstrat angeordnet ist, wobei der erste Die und der zweite Die zusammen integriert sind; einen Eingangsanschluss, der mit dem ersten Die verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit dem zweiten Die verbunden ist.According to an embodiment of the present disclosure, there is provided a photonic frequency comb generator, comprising: a first die, the first die comprising a light source grown on an indium phosphide material; a second die, the second die comprising an optical wavelength generator disposed on a silicon photonic substrate, the first die and the second die being integrated together; an input terminal connected to the first die; and an output terminal connected to the second die.
In einigen Beispielen handelt es sich bei der Lichtquelle um einen Laser, der auf dem Indiumphosphidmaterial gezüchtet wird, wobei der Laser eine erste Wellenlänge emittiert.In some examples, the light source is a laser grown on the indium phosphide material, the laser emitting a first wavelength.
In einigen Beispielen ist der optische Wellenlängengenerator ein Mikroringresonator, der mit dem Laser verbunden ist.In some examples, the optical wavelength generator is a micro ring resonator connected to the laser.
In einigen Beispielen umfasst das Silizium-Photonik-Substrat: Filter und Modulatoren, die mit dem Mikroringresonator verbunden sind; wobei der Mikroringresonator so konfiguriert ist, dass er die erste Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen umwandelt; und wobei eines der Filter eine der Vielzahl von zweiten Wellenlängen auswählt und diese Wellenlänge in einer Eins-zu-Eins-Beziehung an einen der Modulatoren überträgt.In some examples, the silicon photonics substrate includes: filters and modulators connected to the micro ring resonator; wherein the micro ring resonator is configured to convert the first wavelength into a plurality of second wavelengths; and wherein one of the filters selects one of the plurality of second wavelengths and transmits that wavelength to one of the modulators in a one-to-one relationship.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Photonik-Frequenzkammgenerator bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen ersten Die, wobei der erste Die eine Lichtquelle umfasst, die auf einem Indiumphosphidmaterial aufgewachsen ist; einen zweiten Die, wobei der zweite Die einen nicht-linearen optischen Wellenlängengenerator umfasst, der auf einem Silizium-Photoniksubstrat angeordnet ist, wobei der erste Die und der zweite Die zusammen integriert sind; einen Eingangsanschluss, der mit dem ersten Die verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit dem zweiten Die verbunden ist.According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a photonic frequency comb generator, comprising: a first die, the first die comprising a light source grown on an indium phosphide material; a second die, the second die comprising a non-linear optical wavelength generator disposed on a silicon photonic substrate, the first die and the second die being integrated together; an input terminal connected to the first die; and an output terminal connected to the second die.
In einigen Beispielen handelt es sich bei der Lichtquelle um einen Laser, der auf dem Indiumphosphidmaterial gezüchtet wird, wobei der Laser eine erste Wellenlänge emittiert.In some examples, the light source is a laser grown on the indium phosphide material, the laser emitting a first wavelength.
In einigen Beispielen ist der nicht-lineare optische Wellenlängengenerator ein Mikroringresonator, der hybride Materialien umfasst und mit dem Laser verbunden ist.In some examples, the non-linear optical wavelength generator is a micro ring resonator comprised of hybrid materials coupled to the laser.
In einigen Beispielen bestehen die Hybridmaterialien aus Nicht-Silizium-Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Siliziumgermanium (SiGe).In some examples, the hybrid materials are made of non-silicon materials such as silicon carbide (SiC) or silicon germanium (SiGe).
In einigen Beispielen wird das SiC-Material mit einer Technik hergestellt, die Folgendes umfasst: 1) Aufwachsen von SiC auf einem Silizium-Photonik-Substrat durch eine Zwischenschicht oder PVD-Abscheidung; 2) Durchführen von Flip-Chip eines SiC-Dies direkt auf dem Silizium-Photonik-Substrat; 3) Durchführen von Flip-Chip des SiC-Dies direkt auf dem Silizium-Photonik-Substrat; 4) Anbringen des SiC-Dies durch einen Polymerglas-Interposer (Zwischenschichtträger), wobei der Siliziumkarbid-Die und das Silizium-Photonik-Substrat nebeneinander liegen; und 5) Anbringen durch eine Faser, die mit dem SiC-Die und dem Silizium-Photonik-Substrat durch Wellenleiterabschrägungen verbunden ist.In some examples, the SiC material is fabricated using a technique that includes: 1) growing SiC on a silicon photonic substrate through an interlayer or PVD deposition; 2) flip-chip a SiC die directly onto the silicon photonic substrate; 3) flip-chip the SiC die directly onto the silicon photonic substrate; 4) attaching the SiC die through a polymer glass interposer with the silicon carbide die and the silicon photonic substrate juxtaposed; and 5) attachment through a fiber connected to the SiC die and the silicon photonic substrate through waveguide tapers.
In einigen Beispielen verbindet ein Wellenleiterbus eine Vielzahl von Mikroringmodulatoren mit dem Mikroringresonator, und der Mikroringresonator ist so konfiguriert, dass er die erste Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen umwandelt, wobei die Vielzahl von zweiten Wellenlängen aus dem Mikroringresonator in den Wellenleiterbus verteilt wird, und wobei einer der Vielzahl von Mikroringmodulatoren eine der Vielzahl von zweiten Wellenlängen aus dem Wellenleiterbus auswählt und in die Mikroringmodulatoren in einer Eins-zu-Eins-Beziehung überträgt.In some examples, a waveguide bus connects a plurality of micro ring modulators to the micro ring resonator, and the micro ring resonator is configured to convert the first wavelength into a plurality of second wavelengths, the plurality of second wavelengths being distributed from the micro ring resonator into the wave guide bus, and wherein one of the plurality of micro ring modulators selects one of the plurality of second wavelengths from the waveguide bus and transmits into the micro ring modulators in a one-to-one relationship.
In einigen Beispielen wird die Umwandlung der ersten Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen durch die Anpassung der geometrischen Größe des Mikroringresonators und des Abstands zwischen dem Mikroring und dem Wellenleiterbus erreicht.In some examples, the conversion of the first wavelength into a plurality of second wavelengths is accomplished by adjusting the geometric size of the micro-ring resonator and the spacing between the micro-ring and the waveguide bus.
In einigen Beispielen ist die Lichtquelle, die auf dem Indiumphosphidmaterial aufgewachsen ist, ein optischer Halbleiterverstärker (SOA für engl. semiconductor optical amplifier), um die erste Wellenlänge zu verstärken, die von einem Laseroszillator auf dem zweiten Die emittiert wird.In some examples, the light source grown on the indium phosphide material is a semiconductor optical amplifier (SOA) to amplify the first wavelength emitted by a laser oscillator on the second die.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Multi-Chip-Modul mit einem Photonik-Frequenzkammgenerator bereitgestellt, der Folgendes umfasst: einen ersten Die mit einer Lichtquelle, die auf einem Indiumphosphid-Material aufgewachsen ist; einen zweiten Die, wobei der zweite Die einen optischen Wellenlängengenerator umfasst, der auf einem Silizium-Photonik-Substrat angeordnet ist; wobei der erste Die und der zweite Die durch einen optischen Wellenleiter verbunden sind; einen Eingangsanschluss, der mit dem ersten Die verbunden ist; und einen Ausgangsanschluss, der mit dem zweiten Die verbunden ist.According to another embodiment of the present disclosure, there is provided a multi-chip module having a photonic frequency comb generator, comprising: a first die having a Light source grown on an indium phosphide material; a second die, the second die comprising an optical wavelength generator disposed on a silicon photonics substrate; wherein the first die and the second die are connected by an optical waveguide; an input terminal connected to the first die; and an output terminal connected to the second die.
In einigen Beispielen umfasst der Lichtwellenleiter, der den ersten Die und den zweiten Die verbindet, eine optische Faser, einen Polymerwellenleiter oder einen Glaswellenleiter.In some examples, the optical waveguide connecting the first die and the second die comprises an optical fiber, a polymer waveguide, or a glass waveguide.
In einigen Beispielen handelt es sich bei der Lichtquelle um einen Laser, der auf dem Indiumphosphidmaterial gezüchtet wird, wobei der Laser eine erste Wellenlänge emittiert.In some examples, the light source is a laser grown on the indium phosphide material, the laser emitting a first wavelength.
In einigen Beispielen ist der optische Wellenlängengenerator ein Mikroringresonator, der mit dem Laser verbunden ist.In some examples, the optical wavelength generator is a micro ring resonator connected to the laser.
In einigen Beispielen umfasst das Silizium-Photonik-Substrat: mehrere Kanäle von Filtern und Modulatoren, die mit dem Mikroring-Resonator verbunden sind; wobei der Mikroring-Resonator so konfiguriert ist, dass er die erste Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen umwandelt; und wobei eines der Filter eine der Vielzahl von zweiten Wellenlängen auswählt und diese Wellenlänge in einer Eins-zu-Eins-Beziehung an einen der Modulatoren überträgt.In some examples, the silicon photonics substrate includes: multiple channels of filters and modulators connected to the microring resonator; wherein the micro ring resonator is configured to convert the first wavelength into a plurality of second wavelengths; and wherein one of the filters selects one of the plurality of second wavelengths and transmits that wavelength to one of the modulators in a one-to-one relationship.
In einigen Beispielen ist ein dritter Die vorgesehen, der mit dem zweiten Die verbunden ist, wobei es sich bei dem dritten Die um einen elektronischen Die handelt, der Schaltungen für die elektronische Bearbeitung von Signalen, einschließlich Entzerrung, Kodierung, Schaltung und logische Operationen umfasst.In some examples, a third die is provided that is coupled to the second die, the third die being an electronic die that includes circuitry for electronic signal processing, including equalization, encoding, switching, and logic operations.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verfügt ein Multi-Chip-Modul (MCM) über N Photonik-Frequenzkammgeneratoren, die jeweils ein Paar aus dem ersten Die und dem zweiten Die umfassen.In accordance with another embodiment of the present disclosure, a multi-chip module (MCM) has N photonic frequency comb generators each comprising a first die and second die pair.
In einigen Beispielen umfasst das MCM außerdem einen elektronischen Die, der über einen mehrspurigen Wellenleiter mit den N Photonik-Frequenzkammgeneratoren verbunden ist, wobei der elektronische Die Schaltungen für die elektronische Manipulation von Signalen umfasst, einschließlich Entzerrung, Codierung, Schaltung und logische Operationen.In some examples, the MCM also includes an electronic die connected to the N photonic frequency comb generators via a multi-lane waveguide, the electronic die including circuitry for electronically manipulating signals, including equalization, encoding, switching, and logic operations.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein M-Kanal-WDM-Modul bereitgestellt, das die oben beschriebenen Photonik-Frequenzkammgeneratoren enthält.According to another embodiment of the present disclosure, an M-channel WDM module is provided that includes the photonic frequency comb generators described above.
In einigen Beispielen sind eine Anzahl von Filtern und eine Anzahl von Modulatoren beide M × 4, wobei M eine positive ganze Zahl 1, 2, ... M ist und M × 4 gleich 4, 8, ... M ist.In some examples, a number of filters and a number of modulators are both Mx4, where M is a
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein M-Kanal-CWDM-Modul bereitgestellt, das die oben beschriebenen Photonik-Frequenzkammgeneratoren umfasst.According to another embodiment of the present disclosure, an M-channel CWDM module is provided that includes the photonic frequency comb generators described above.
In einigen Beispielen sind eine Anzahl von Filtern und eine Anzahl von Modulatoren beide M' × 4, wobei M' eine positive ganze Zahl 1, 2, ... M' ist.In some examples, a number of filters and a number of modulators are both M'×4, where M' is a
In einer Ausführungsform umfasst ein Photonik-Frequenzkammgenerator zwei integrierte Dies: einen Indiumphosphid-Die, auf dem ein Laser einer ersten Wellenlänge gezüchtet wird, und einen Silizium-Photonik-Die mit einem Mikroringresonator, der mit dem Laser und Frequenzmodulatoren verbunden ist. Der Mikroringresonator wandelt die erste Wellenlänge in eine Anzahl von zweiten Wellenlängen um. Ein Typ des Mikroringresonators ist ein hybrider nicht-linearer optischer Wellenlängengenerator, der Nicht-Silizium-Materialien wie SiC oder SiGe auf Silizium enthält, um eine nicht-lineare Wellenlängenerzeugung zu erreichen. Die zweiten Wellenlängen werden durch Anpassung der geometrischen Größe des Rings und des Abstands zwischen dem Ring und dem traversen Wellenleiter erzeugt. Eine andere Art von Mikroringresonator teilt die erste Wellenlänge in eine Vielzahl von zweiten Wellenlängen auf und überträgt die mehreren zweiten Wellenlängen an Filter und Modulatoren, die jeweils eine der zweiten Wellenlängen in einer Eins-zu-Eins-Beziehung auswählen und modulieren. Dieser Frequenzkammgenerator findet Anwendung in WDM/CWDM- und Multi-Chip-Modulen in Hochgeschwindigkeitstransceivern.In one embodiment, a photonic frequency comb generator includes two integrated dies: an indium phosphide die on which a laser of a first wavelength is grown, and a silicon photonic die with a micro ring resonator connected to the laser and frequency modulators. The micro ring resonator converts the first wavelength into a number of second wavelengths. One type of micro ring resonator is a hybrid non-linear optical wavelength generator that includes non-silicon materials such as SiC or SiGe on silicon to achieve non-linear wavelength generation. The second wavelengths are generated by adjusting the geometric size of the ring and the spacing between the ring and the traverse waveguide. Another type of micro ring resonator splits the first wavelength into a plurality of second wavelengths and transmits the plurality of second wavelengths to filters and modulators that each select and modulate one of the second wavelengths in a one-to-one relationship. This frequency comb generator finds application in WDM/CWDM and multi-chip modules in high-speed transceivers.
Jedes Merkmal eines Aspekts oder einer Ausführungsform kann auf andere Aspekte oder Ausführungsformen angewandt werden, und zwar in jeder geeigneten Kombination. Insbesondere kann jedes Merkmal eines Verfahrensaspekts oder einer Verfahrensausführungsform auf einen Vorrichtungsaspekt oder eine Vorrichtungsausführungsform angewandt werden und umgekehrt.Each feature of one aspect or embodiment may be applied to other aspects or embodiments, in any suitable combination. In particular, any feature of a method aspect or embodiment may be applied to an apparatus aspect or apparatus embodiment and vice versa.
Figurenlistecharacter list
Nach dieser allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird nun auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, die nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
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1A zeigt ein schematisches Diagramm eines bestehenden Frequenzkammgenerators, der ausschließlich auf Silizium-Photonik-Technologie basiert; -
1B zeigt ein schematisches Diagramm eines bestehenden Frequenzkammgenerators, der nur auf Indiumphosphid-Technologie basiert; -
2 zeigt einen hybriden Frequenzkammgenerator mit einem Indiumphosphid-Die, der auf einen Silizium-Photonik-Die Flip-Chip-montiert ist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Frequenzkammgenerators mit einem Bus-Wellenleiter, gefolgt von mehreren Mikroringmodulatoren, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
4A zeigt ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Konfiguration mit dem InP-Laser-Die, der mit dem Frequenzkammgenerator auf dem Silizium-Photonik-Die verbunden ist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
4B zeigt ein schematisches Diagramm einer anderen beispielhaften Konfiguration mit einem hybriden InP-Die, der eine Laser-/Verstärkerquelle enthält, die an den Silizium-Photonik-Die angeschlossen ist, der einen Laserresonator und einen Frequenzkammgenerator enthält, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
5A zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Frequenzkammgenerators mit 4-Kanal-Schema gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
5B zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Frequenzkammgenerators mit N-Kanal-Schema gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
6A-6C zeigen schematische Darstellungen von drei Arten von Frequenzkammgeneratoren, die in Multi-Chip-Modulen (MCM) implementiert sind, in denen ein Indiumphosphid-Die, ein Silizium-Photonik-Die und ein zusätzlicher elektronischer Die verwendet werden, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; -
7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Frequenzkammgenerators für Wavelength Division Multiplexing (WDM) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung; und -
8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Frequenzkammgenerators für coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) im Doppelbetrieb gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
-
1A shows a schematic diagram of an existing frequency comb generator based solely on silicon photonics technology; -
1B Figure 12 shows a schematic diagram of an existing frequency comb generator based only on indium phosphide technology; -
2 12 shows a hybrid frequency comb generator with an indium phosphide die flip-chip mounted on a silicon photonics die, in accordance with some embodiments of the present disclosure; -
3 12 shows a schematic diagram of a frequency comb generator with a bus waveguide followed by multiple micro ring modulators, according to some embodiments of the present disclosure; -
4A 12 shows a schematic diagram of an example configuration with the InP laser die connected to the frequency comb generator on the silicon photonics die, according to some embodiments of the present disclosure; -
4B 12 shows a schematic diagram of another exemplary configuration with a hybrid InP die containing a laser/amplifier source connected to the silicon photonic die containing a laser resonator and a frequency comb generator, according to some embodiments of the present disclosure; -
5A 12 shows a schematic block diagram of a frequency comb generator with 4-channel scheme according to some embodiments of the present disclosure; -
5B 12 shows a schematic block diagram of a frequency comb generator with N-channel scheme according to some embodiments of the present disclosure; -
6A-6C 12 show schematic diagrams of three types of frequency comb generators implemented in multi-chip modules (MCM) using an indium phosphide die, a silicon photonic die, and an additional electronic die, according to some embodiments of the present disclosure; -
7 12 shows a schematic diagram of a wavelength division multiplexing (WDM) frequency comb generator according to some embodiments of the present disclosure; and -
8th 12 shows a schematic diagram of a dual mode coarse wavelength division multiplexing (CWDM) frequency comb generator, according to some embodiments of the present disclosure.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen einige, aber nicht alle Ausführungsformen der Erfindungen dargestellt sind, ausführlicher beschrieben. In der Tat können diese Erfindungen in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollten nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt verstanden werden; vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung den geltenden rechtlichen Anforderungen genügt. Gleiche Nummern beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente. Begriffe wie „oben“, „unten“, „vorne“ usw. werden in den nachstehenden Beispielen zu Erklärungszwecken verwendet, um die relative Position bestimmter Komponenten oder Teile von Komponenten zu beschreiben. Dementsprechend kann beispielsweise der Begriff „obere Stromverteilungsschicht“ verwendet werden, um eine Stromverteilungsschicht zu beschreiben; die Stromverteilungsschicht kann sich jedoch oben oder unten befinden, je nach der Ausrichtung des beschriebenen Gegenstands.The present invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which some, but not all, embodiments of the invention are illustrated. Indeed, these inventions may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein; rather, these embodiments are provided so that this disclosure will satisfy applicable legal requirements. Like numbers refer to like elements throughout. Terms such as "top", "bottom", "front", etc. are used in the examples below for explanatory purposes to describe the relative position of certain components or portions of components. Accordingly, for example, the term “upper power grid layer” may be used to describe a power grid layer; however, the power distribution layer may be on top or bottom depending on the orientation of the item being written.
Mit der Einführung integrierter Photonik-Schaltkreise können Frequenzkammgeneratoren nun in Photonik-Dies integriert werden und erreichen so eine geringe Größe, so dass sie in integrierten Transceivern eingesetzt werden können.With the advent of photonics integrated circuits, frequency comb generators can now be integrated into photonic dies, making them small in size for use in integrated transceivers.
In
Der Indiumphosphid-Die enthält eine Laserquelle und/oder einen optischen Halbleiterverstärker (SOA). Der Laser hat ein schmales Frequenzband und strahlt UV-, sichtbares oder IR-Licht aus. Bei dem Laser kann es sich um einen Faserlaser oder einen VCSEL-Laser handeln, der auf einem III-V-Halbleitersubstrat, z. B. dem InP-Die, aufgewachsen ist, aber nicht nur auf den InP-Die beschränkt ist.The indium phosphide die contains a laser source and/or a semiconductor optical amplifier (SOA). The laser has a narrow frequency band and emits UV, visible or IR light. The laser can be a fiber laser or a VCSEL laser mounted on a III-V semiconductor substrate, e.g. B. the InP die, but is not limited only to the InP die.
Das Laserlicht wird durch eine integrierte Kopplung zu einem Eingang eines Mikroringresonators auf dem Silizium-Photonik-Die geleitet. Der Mikroringresonator verbreitert die Wellenlänge des Lasers durch eine nicht-lineare Eigenschaft, die die schmale Wellenlängenbandbreite der Laserquelle auf eine Anzahl von Wellenlängen s, Wellenlänge 1 bis Wellenlänge N (siehe
Um dies zu erreichen, ist ein Mechanismus zur Erzeugung nicht-linearen Lichts aus der einzelnen Wellenlänge des Laserausgangs erforderlich. Um die Nichtlinearität des Mikroringresonators zu erhöhen, kann der Mikroringresonator mit einer heterogenen Struktur gebaut werden, d. h. auf Silizium-Photonik unter Verwendung von Nicht-Silizium-Material, z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Germanium (SiGe), statt nur Silizium-Material. Auf diese Weise kann der Mikroringresonator eine hohe nicht-lineare Vermischung bewirken und eine Streuung des vom Indiumphosphid-Laser/Verstärker eingehenden Wellenlängensignals über mehrere Wellenlängen erzeugen. Dieser hybride nicht-lineare Mikroringresonator auf Siliziumbasis erfordert einen Herstellungsprozess, der das Aufwachsen der Nicht-Silizium-Materialien auf dem Silizium-Die ermöglicht oder damit kompatibel ist, oder zumindest mit dem Nicht-Silizium-Die integriert werden kann.To achieve this, a mechanism for generating non-linear light from the single wavelength of the laser output is required. In order to increase the non-linearity of the micro ring resonator, the micro ring resonator can be built with a heterogeneous structure, i. H. on silicon photonics using non-silicon material e.g. B. silicon carbide or silicon germanium (SiGe), instead of just silicon material. In this way, the micro ring resonator can provide high non-linear mixing and create multi-wavelength spread of the incoming wavelength signal from the indium phosphide laser/amplifier. This silicon-based hybrid non-linear micro-ring resonator requires a manufacturing process that allows for the growth of the non-silicon materials on, or is compatible with, the silicon die, or at least can be integrated with the non-silicon die.
Die Wahl von SiC beruht auf einigen vorteilhaften Eigenschaften des Materials. SiC hat eine breite Bandlücke (2,4 bis 3,2 eV), was einem breiten, verlustarmen Übertragungsfenster (400-5000 nm) entspricht, das das operative Übertragungsband für die Faseroptikkommunikation abdeckt. Die Herstellung von SiC ist mit komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS für engl. complementary metal-oxide-semiconductor) kompatibel, im Gegensatz zu nicht kompatiblem Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), Aluminiumnitrid (AlN) und Lithium-Niobat (LiNbO3). SiC hat sowohl eine optische Nichtlinearität zweiter als auch dritter Ordnung, da die Erzeugung von Frequenzkämmen teilweise auf seiner hohen Nichtlinearität dritter Ordnung beruht. Darüber hinaus hat Siliziumkarbid eine gute Wärmeleitfähigkeit, wobei der Wärmeleitkoeffizient dreimal höher ist als der von Silizium.The choice of SiC is based on some advantageous properties of the material. SiC has a wide band gap (2.4 to 3.2 eV), which corresponds to a wide, low-loss transmission window (400-5000 nm) covering the operational transmission band for fiber optic communications. SiC fabrication is compatible with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS), as opposed to incompatible Indium Gallium Arsenide (InGaAs), Aluminum Nitride (AlN), and Lithium Niobate (LiNbO3). ). SiC has both second and third order optical nonlinearity, since the generation of frequency combs is due in part to its high third order nonlinearity. In addition, silicon carbide has good thermal conductivity, with the thermal conductivity coefficient being three times higher than that of silicon.
Ein Mikroringresonator kann mit SiC in einem CMOS-kompatiblen Verfahren im Temperaturbereich von 800 bis 1000 Grad Celsius für einkristallines 3C-SiC oder 400 bis 800 Grad Celsius für amorphes und nanokristallines 3C-SiC hergestellt werden. Es können Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD für engl. chemical vapor deposition), die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD für engl. physical vapor deposition) oder die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD für engl. plasma enhanced chemical vapor deposition) verwendet werden.A micro ring resonator can be manufactured with SiC in a CMOS-compatible process in the temperature range of 800 to 1000 degrees Celsius for monocrystalline 3C-SiC or 400 to 800 degrees Celsius for amorphous and nanocrystalline 3C-SiC. Methods such as chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) can be used.
In einigen Fällen ist kristallines SiC auf SiO2 erforderlich, und SiC kann nicht direkt auf SiO2 gezüchtet werden. Ein neuer SiC-Die, der nur aus SiC besteht, kann mit dem Silizium-Photonik-Die durch eine Die-zu-Die-Verbindungsmethode verbunden werden, z. B. durch Übertragen des SiC-Dünnfilms auf einen SiO2-Film auf einem Substrat, z. B. einem Silizium-Wafer oder einem Siliziumauf-Isolator(SOI für engl. silicon-on-isolator)-Wafer mit einer sehr dünnen Silizium-Deckschicht, oder durch eine Oberflächenbehandlung zur Bildung einer Pufferschicht vor dem Aufwachsen der SiC-Schicht auf einem Silizium-basierten Substrat.In some cases, crystalline SiC is required on SiO 2 and SiC cannot be grown directly on SiO 2 . A new SiC die consisting only of SiC can be connected to the silicon photonic die by a die-to-die connection method, e.g. B. by transferring the SiC thin film to a SiO 2 film on a substrate, z. a silicon wafer or a silicon-on-insulator (SOI). tor) wafers with a very thin silicon cap layer, or by surface treatment to form a buffer layer before growing the SiC layer on a silicon-based substrate.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es verschiedene Techniken zur Herstellung des hybriden Mikroringresonators mit SiC gibt: 1) Aufwachsen von SiC auf Silizium-Photonik durch eine Zwischenschicht plus PVD-Abscheidung; 2) Flip-Chip von SiC-Die direkt auf der Silizium-Photonik mit Lichtein- und -ausgängen durch Wellenleiter; 3) Flip-Chip von SiC-Die direkt auf der Silizium-Photonik mit Lichtein- und -ausgängen durch vertikale Gitterkoppler; 4) Anbringen durch ein Polymerglas-Interposer, bei dem der Siliziumkarbid-Die und der Silizium-Photonik-Die nebeneinander liegen; und 5) Anbringen des SiC-Die durch eine Faser, die mit jedem Die durch Wellenleiterabschrägungen verbunden ist.In summary, there are different techniques to fabricate the hybrid microring resonator with SiC: 1) growth of SiC on silicon photonics through an interlayer plus PVD deposition; 2) Flip chip from SiC die directly on silicon photonics with light input and output through waveguide; 3) Flip chip from SiC die directly on silicon photonics with light input and output through vertical grating couplers; 4) attaching through a polymer glass interposer where the silicon carbide die and the silicon photonic die are juxtaposed; and 5) attaching the SiC die by a fiber connected to each die by waveguide tapers.
Die Techniken zur Herstellung des hybriden Mikroringresonators mit SiC sind nicht auf die oben aufgeführten Methoden beschränkt, und es können auch andere Techniken verwendet werden, solange sie eine hohe Fertigungsausbeute ermöglichen und gleichzeitig eine maximale Übertragung des optischen Lichts vom Siliziumkarbid-Die zum Silizium-Photonik-Die gewährleisten.The techniques for fabricating the hybrid micro ring resonator with SiC are not limited to the methods listed above, and other techniques can be used as long as they allow high manufacturing yields while maximizing optical light transmission from the silicon carbide die to the silicon photonics die. The ensure.
Wie in
Durch Anpassung des Durchmessers des Mikroringresonators und des Entkopplungsabstands zwischen Ring und traversem Wellenleiter kann der freie Spektralbereich und damit die Wellenlängendifferenz von N Kanälen im Frequenzkamm gewählt werden.By adjusting the diameter of the micro ring resonator and the decoupling distance between ring and traverse waveguide, the free spectral range and thus the wavelength difference of N channels in the frequency comb can be selected.
Die Aufteilung der verschiedenen Systemfunktionen auf verschiedene Materialien führt zu unterschiedlichen Konfigurationen. Wie in
In einer anderen, in
Ein transversaler Bus-Wellenleiter, wie in
Es gibt verschiedene Techniken zur Modulation des aus dem Frequenzkammgenerator austretenden Lichts. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform erzeugt der Mikroringresonator eine Reihe von Signalen mit äquidistant beabstandeten Wellenlängen, die dann durch spezielle Filter gefiltert werden. Jeder Filter hat eine zentrale Wellenlänge, die so ausgelegt ist, dass sie nur einem der Signale bei dieser Wellenlänge entspricht. Das Signal dieses Filters, das ein schmales Wellenlängenband ist (manchmal als einzelne Wellenlänge bezeichnet, obwohl es eine Bandbreite hat), wird dann an einen optischen Modulator, z. B. einen Mach-Zehnder-Modulator, gesendet, der das optische Signal durch ein elektrisches Signal moduliert. Bei dem elektrischen Signal kann es sich um einen NRZ-Modulator (Non-Return-to-Zero), einen vierstufigen Puls-AmplitudenModulator (PAM-4 für engl. four-level pulse amplitude modulator) oder einen Modulator handeln, der eine beliebige mehrstufige Signalübertragungstechnik anwendet, z. B. die Codierung digitaler Informationen in ein beliebiges Format.There are various techniques for modulating the light emerging from the frequency comb generator. In another exemplary embodiment, the micro ring resonator generates a series of signals with equidistantly spaced wavelengths, which are then filtered by special filters. Each filter has a center wavelength designed to correspond to only one of the signals at that wavelength. The signal from this filter, which is a narrow band of wavelengths (sometimes referred to as a single wavelength although it has a bandwidth), is then fed to an optical modulator, e.g. B. one Mach-Zehnder modulator, which modulates the optical signal with an electrical signal. The electrical signal can be a non-return-to-zero (NRZ) modulator, a four-level pulse amplitude modulator (PAM-4), or a modulator that is any multi-level applies signal transmission technology, e.g. B. the encoding of digital information in any format.
Bei der in
In einigen anderen Anwendungen wird der Frequenzkammgenerator in großen Multi-Chip-Modulen (MCM) eingesetzt. In der Regel müssen die Indiumphosphid-Dies und die Silizium-Photonik-Dies nicht gemeinsam integriert werden. Stattdessen werden sie über eine Faserverbindung oder Polymer-Flex-Wellenleiter miteinander verbunden.In some other applications, the frequency comb generator is used in large multi-chip modules (MCM). As a rule, the indium phosphide dies and the silicon photonic dies do not have to be integrated together. Instead, they are connected to each other via a fiber connection or polymer flex waveguide.
Für die drei Arten von Frequenzkammgeneratoren in großen MCM-Dies können separate Dies verwendet werden, die nicht wie bei den oben beschriebenen Systemen integriert werden müssen. Beispiele für diese Systeme werden im Folgenden beschrieben und in den
In
In
In
Die Integration von Frequenzkammgeneratoren in Transceiver bietet auch die Möglichkeit, einen Transceiver von einer Wellenlängen-WDM-Quelle, z. B. einem Vier-Wellenlängen-Kanalschema, auf coarse-WDM (CWDM) wie bei acht Wellenlängenkanälen zu erweitern. Die ähnlichen Frequenzkammgeneratoren können verwendet werden, um entweder vier Wellenlängen zur Speisung einer WDM-Verbindung oder acht Wellenlängen zur Speisung einer CWDM-Verbindung zu erzeugen. Die folgenden Figuren beschreiben diese Erweiterungen.The integration of frequency comb generators into transceivers also offers the possibility of driving a transceiver from a wavelength WDM source, e.g. a four-wavelength channel scheme, to coarse-WDM (CWDM) as with eight wavelength channels. The similar frequency comb generators can be used to generate either four wavelengths to feed a WDM link or eight wavelengths to feed a CWDM link. The following figures describe these extensions.
In
Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der hierin dargelegten Erfindungen werden einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindungen gehören, in den Sinn kommen, wenn er die in den vorstehenden Beschreibungen und den zugehörigen Zeichnungen dargelegten Lehren nutzt. Es versteht sich daher von selbst, dass die Erfindungen nicht auf die offengelegten spezifischen Ausführungsformen beschränkt sind und dass Modifikationen und andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche einbezogen werden sollen. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinne und nicht zum Zwecke der Einschränkung verwendet.Many modifications and other embodiments of the inventions set forth herein will come to mind to one skilled in the art to which these inventions pertain having the benefit of the teachings presented in the foregoing descriptions and the associated drawings. It is therefore to be understood that the inventions are not limited to the specific embodiments disclosed and that modifications and other embodiments are intended to be included within the scope of the appended claims. Although specific terms are employed herein, they are used in a general and descriptive sense only and not for purposes of limitation.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen nur beispielhaft sind und dass im Rahmen der Ansprüche Änderungen im Detail vorgenommen werden können.It is understood that the aspects and embodiments described above are exemplary only and that changes may be made in detail within the scope of the claims.
Jede Vorrichtung, jedes Verfahren und jedes Merkmal, das in der Beschreibung und (gegebenenfalls) in den Ansprüchen und Zeichnungen offenbart wird, kann unabhängig oder in jeder geeigneten Kombination bereitgestellt werden.Each apparatus, method, and feature disclosed in the description and (where appropriate) claims and drawings may be provided independently or in any suitable combination.
Die in den Ansprüchen enthaltenen Bezugszeichen dienen nur der Veranschaulichung und haben keine einschränkende Wirkung auf den Umfang der Ansprüche.Reference signs contained in the claims are for illustrative purposes only and have no limiting effect on the scope of the claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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