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集成WDM光收发器

阅读：355发布：2020-05-11

专利汇可以提供集成WDM光收发器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种集成波分复用(WDM)光收发器，包括以下元件：(1) 光源；(2)光电二极管的阵列，其响应于多个光信号并由此形成多个电接收信息信号；以及(3) 光子集成模块 (PIM)，其包括提供收发器功能所必需的传输部件和接收部件。传输部件包括解复用器、电光调制器阵列、和用于将多个调制光信号组合到单个输出信号路径上作为收发器输出的复用器。接收部件包括响应于输入WDM信号以分离每个波长分量并产生多个接收的光信号的解复用器。，下面是集成WDM光收发器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种集成波分复用(WDM)光收发器，包括
 光源，所述光源用于提供输入多波长光束；
光电二极管的阵列，所述光电二极管的阵列响应于多个光信号并从其形成多个电接收信息信号；和
 光子集成模块(PIM)，所述光子集成模块包括传输部件和接收部件，所述传输部件包括波分解复用器，其用于将所述输入多波长光束光谱地分离成一组空间分离的光波长分量；
电光调制器阵列，所述电光调制器阵列耦合到所述一组空间分离的光波长分量，并响应于多个电信息信号生成多个调制光信号；和
波分复用器，所述波分复用器用于将所述多个调制器光信号组合到单个输出信号路径上；和
所述接收部件包括
波分解复用器，其响应输入的WDM信号以分离在所述输入的WDM信号中的每个波长分量并产生作为输入施加到所述光电二极管的阵列的所述多个光信号。
2.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，至少一个波分解复用器包括导波解复用器。
3.根据权利要求2所述的集成WDM光收发器，其中，所述导波解复用器包括阵列波导光栅(AWG)器件。
4.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，至少一个波分解复用器包括自由空间解复用器。
5.根据权利要求4所述的集成WDM光收发器，其中，所述自由空间解复用器包括闪耀光栅解复用器。
6.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述波分复用器包括导波复用器。
7.根据权利要求6所述的集成WDM光收发器，其中，所述导波复用器包括AWG复用器。
8.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述波分复用器包括自由空间复用器。
9.根据权利要求8所述的集成WDM光收发器，其中，所述自由空间复用器包括闪耀光栅复用器。
10.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，每个波分解复用器和所述波分复用器都包括导波器件。
11.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，每个波分解复用器和所述波分复用器都包括自由空间器件。
12.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述电光调制器阵列包括附接到支撑所述PIM的半导体衬底的单片部件。
13.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述光源包括宽带光源。
14.根据权利要求13所述的集成WDM光收发器，其中，所述宽带光源包括一个或更多个光纤放大器，所述一个或更多个光纤放大器被配置为生成放大的自发辐射(ASE)作为所述输入多波长光束。
15.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述光源包括生成多个分离频率分量的激光梳状源。
16.根据权利要求1所述的集成WDM光收发器，其中，所述光电二极管的阵列被形成为所述PIM的集成元件。

说明书全文

集成WDM光收发器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2017年6月7日提交的美国临时申请第62/516,349号的权益，并且该申请通过引用并入本文。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种光收发器，且更具体地说，涉及一种波分复用(WDM)光收发器，其形式相对紧凑并且需要最少数量的独立部件。

[0004] 发明背景

[0005] 当今的许多光通信系统是基于对WDM的使用的，其中多个信息信号是沿着相同通信介质(例如光纤)通过独立的波长携带的。WDM通信允许可以沿着给定信号路径传输(和接收)的独立信息信号的数量增加。在WDM收发器中，以不同波长操作的激光器是通过独特的电数据信号独立进行调制的，并产生多个光信息信号，然后该光信息信号被复用在一起并沿着公共输出信号路径传输。

[0006] 为了沿着单个光波导(光纤)传输所有这些独立调制光信号，独立调制的光信号通常被用作光波分复用器的输入，该光波分复用器用于组合所有信号以沿着公共光输出信号路径进行传输。在一个或更多个实施例中，光波分复用器可以采用以下形式：导波结构(例如，阵列波导光栅(AWG)结构)、无源器件，其能够以受控方式复用各种光波长。

[0007] 典型现有技术配置的至少一个问题是需要多个分立部件，包括用于与系统相关联的每个波长的分立激光源。具体而言，每个独立的激光源需要分别与其相关调制器的光波导输入端对准。这种对准需要在收发器的整个寿命期间保持，而收发器可能由于老化、环境条件变化等而出问题。此外，需要单独(并且连续)控制每个激光器的操作波长，以保持在关于WDM系统的该“信道”所选定的光谱内。使用独立的激光源还需要相对大尺寸的封装，以便容纳所有不同的部件。光通信装备仍然受限于使用相对较小的封装“占用面积”，使得对独立的激光模块的需求成为问题。

[0008] 这个问题的一个解决方案是利用作为单个芯片制造的激光二极管的集成阵列来代替分立的激光器件。使用激光二极管的阵列(每个激光二极管在不同的波长操作)可以是减少对准次数的解决方案。然而，这种阵列的成本通常高于单个激光二极管的成本总和(这与激光阵列芯片固有的低产量相关)。事实上，如果只有一台激光器不能工作，那么整个激光阵列芯片将需要报废。此外，多波长激光阵列芯片的制造比都以相同波长进行发射的器件的激光阵列的制造更复杂，且因此成本更高。鉴于所有这些缺点，对于使用四个或更多波长的系统，激光阵列选项通常不是可行的解决方案。

[0009] 发明概述

[0010] 本发明解决了现有技术中保留的需求，本发明涉及一种光收发器，且更具体地说，涉及一种波分复用(WDM)光收发器，其形式相对紧凑并且需要最少数量的独立部件。

[0011] 根据一个或更多个实施例，本发明采取集成波分复用(WDM)光收发器的形式，该集成波分复用光收发器包括以下元件：(1)光源；(2)光电二极管阵列，其响应于多个光信号并由此形成多个电接收信息信号；以及(3)光子集成电路模块(PIM)，其包括传输相关光学和电光部件以及接收相关光学部件。PIM可以体现在任何合适的半导体材料系统中，包括但不限于硅基模块、基于磷化铟的模块、和基于GaAs的模块。传输部件包括：波分解复用器，其用于将入射光束光谱分割成一组独立的光波长分量；电光调制器阵列，其被耦合到该组独立的光波长组件，并响应于一组输入电信息信号生成多个调制光信号；以及波分复用器，其用于将多个调制器光信号组合到单个输出信号路径上，作为以收发器输出传输的复用光信号。接收光学部件包括波分解复用器，其响应于输入WDM信号分离该输入WDM信号中的每个波长分量，并产生多个接收的光信号，该多个接收的光信号随后被用作光电二极管的阵列的输入，以被转换成一组接收的电子信息信号。

[0012] 在下面的讨论过程中，并通过参考附图，本发明的其他和进一步的方面和实施例将变得明显。

[0013] 附图简述

[0014] 现在参考附图，

[0015] 图1是现有技术的WDM光收发器的示意图；

[0016] 图2是利用根据本发明的光子集成模块的集成WDM光收发器的高层图；

[0017] 图3示出了在本发明的集成WDM收发器中用作波分复用器或波分解复用器的导波样式的示例性阵列波导光栅(AWG)；

[0018] 图4示出了在本发明的集成WDM收发器中用作波分复用器或波分解复用器的自由空间样式的示例性闪耀光栅器件；

[0019] 图5描绘了示例性单片电光调制器阵列，其可以附接到本发明的光子集成模块部分并被定义为其一部分；

[0020] 图6是可以用作集成WDM光收发器的一部分的示例性宽带光源的示意图；

[0021] 图7是根据图6的配置生成的ASE光谱的曲线图；以及

[0022] 图8是本发明的集成WDM光收发器的光子集成模块的替代实施例的详细图示。

[0023] 详细描述

[0024] 图1示出了用于WDM光通信的典型现有技术的收发器配置。在这种布置中，数量为N的多个独立的激光源1被用于提供用于支持N个不同数据信号的通信的数量为N的多个独立的波长。也就是说，每个独立的激光源11、12，…、1N被特别配置成以不同的波长λ1、λ2，…、λN进行操作。每个独立的光束作为光输入被施加到相关的电光调制器21、22、…、2N。如本领域众所周知的，携带要传输的信息(数据)的电信号(在图1中显示为D1、D2、…、DN)被施加到适当的光调制器2i，并用于产生(相应波长的)调制的光输出信号。该组调制光信号然后被传递通过波分复用器配置3，并被耦合到公共输出光信号路径4(例如光纤或光波导)。

[0025] 现有技术的收发机的接收部分包括光波分解复用器5，其被显示为耦合到单个输入光信号路径6。沿着路径6接收的输入信号包括多个光接收信号OR1、OR2、…、RN(每个以不同的波长进行操作)。光波分解复用器5用于沿着独立的输出信号路径7引导每个波长，其中每个路径被耦合到独立的光电接收器件(即，独立的光电二极管81-8N)，以将该组光信号转换成电等效信号，如R1、R2、…、RN所示。

[0026] 虽然图1中所示的布置以可接受的方式用作WDM收发器，但是独立的部件的数量以及部件之间的独立对准导致了尺寸相对较大且制造成本较高的配置。

[0027] 图2示出了根据本发明的一个或更多个实施例形成的示例性集成WDM光收发器10。如下所述，光收发器10的“集成”构造包括第一集成芯片12(形成为半导体光子集成电路模块(PIM))、第二集成芯片14、和第三集成芯片16，所述第一集成芯片12包括用于波分光通信的一整套有源和无源光学部件，所述第二集成芯片14包括PIM 12用来产生用于传输的一组波长的宽带光源，所述第三集成芯片16包括用于恢复输入(接收)信号的光电检测器的阵列。虽然各种现有技术的光收发器配置可以利用建立在这三个集成芯片上的一个或更多个单独的部件，但是没有将必要的功能集成到图2所示形式中的已知的布置。

[0028] 如下文详细描述的，PIM 12包括与电光调制器阵列结合使用以执行以下操作的波分复用器和一对波分解复用器：(1)从收发器10的“发射器”部分生成WDM光输出信号；以及(2)将收发器10的“接收器”部分中接收的WDM信号解复用成其若干波长分量。PIM 12的发射器部分被示为包括如图所示布置的波分解复用器30、电光调制器阵列34、和波分复用器38。PIM 12的接收器部分被显示为包括波分解复用器42。在对集成WDM收发器10的元件的初始描述之后，下面描述这些各个元件的细节。此外，应当理解，PIM 12可以由任何合适的半导体材料系统形成，包括但不限于硅、磷化铟、或GaAs。

[0029] 如图2所示，对于本发明的这个特定实施例，集成WDM收发器10的光输出(“WDM输出”)和输入(“WDM输入”)路径沿着公共模块接口设置，该公共模块接口被示为PIM 12的第一公共接口20。更具体地，携带WDM输出的输出光信号路径18被示出为沿着第一公共接口20离开，并且输入光信号路径22(支持WDM输入的传播)被示出为沿着第一公共接口20耦合到PIM 12中。仍然参考图2，宽带光源14被用于沿着第二公共接口26提供宽带光输入信号I(包括多个波长)，该宽带光输入信号I耦合到设置在PIM 12内的光波导24中。沿着第二公共接口26还存在多个集成波导28，如下所述用于支持解复用的接收光信号的传播。这组解复用的光信号此后作为独立的输入被施加到第三芯片16(其被形成为包括多个光电二极管17或其他光检测元件)。

[0030] 如下文结合图6和图7的讨论所述，宽带光输入信号I被产生为包括多个独立的波长λ1、λ2、…、λN，其中每个波长用于支持独立的数据信号的传播。如图2所示，该宽带光输入信号I由BLS 14产生，并作为输入被施加到集成在PIM 12内的第一波分解复用器30。特别地，第一解复用器30可以采取导波配置(例如，下面结合图3讨论的AWG部件)或自由空间配置(例如，下面结合图4讨论的闪耀光栅)的形式。不管具体的配置如何，第一波分解复用器30用于在空间上分离宽带输入光束的各个波长分量，将每个波长分量发射到其自己的独立的光(集成)波导上，如图2中的光波导321-32N所示。

[0031] 根据本发明的原理，这组光输入然后被耦合到单片集成电光调制器阵列34中，该单片集成电光调制阵列34被形成为包括多个独立的电光调制器341-34N，其中每个不同的光波束作为输入被施加到独立的调制器。在示例性实施例中，电光调制器阵列34形成为单片模块(包括波导、电极、耦合装置等)，其之后被安装并被耦合到形成在PIM 12内的集成波导(例如，附接到PIM 12的倒装芯片)。下面结合图5讨论示例性电光调制器阵列34。图2中还示出了一组独立的电信息信号D1-DN，其作为输入被施加到单片电光调制器34。数据信号被用于调制不同波长的光束，产生多个调制光信号，作为独立调制器341-34N的输出。不需要主动对准来将该组光输入耦合到电光调制器中。

[0032] 继续描述集成在PIM 12内的功能，然后由单片电光调制器34产生的多个调制光信号被耦合到形成在PIM 12内的独立的光波导361-36N中，其中这些调制信号随后作为独立的输入被施加到光波分复用器38。复用器38用于将以不同波长操作的该组信号组合(即“波分复用”)到输出信号路径18上，作为由光WDM收发器10产生的传输WDM光输出信号。如上所述和下面详细描述的，解复用器、复用器、和调制器都可以作为PIM的一部分形成，以相对小和紧凑的布置提供必要的功能。通过由适当的材料系统(例如硅、磷化铟或GaAs)形成PIM 12，这些器件和波导可以被集成到这种紧凑的布置中。

[0033] 在察看集成在PIM 12的“接收”部分内的部件时，图2示出了耦合到形成为PIM 12的一部分的集成波导40的输入信号路径22(可以是光纤、波导、自由空间等)，此后波导40作为输入被施加到形成在PIM 12内的第二波分解复用器42。如同第一解复用器30一样，第二解复用器42用于分离光接收信号中不同的波长分量，沿着独立的输出集成波导281-28N提供每个波长分量，如上所述并如图2所示。此后，每个集成波导28被引入第三集成芯片16，如以上图2的系统图所示。

[0034] 如上所述，PIM 12内使用的波分解复用器和复用器可以形成为例如“导波”器件或“自由空间”器件。图3示出了示例性导波器件，特别是阵列波导光栅(AWG)器件，其可以用作根据本发明的复用器或解复用器。为了解释起见，图3的AWG在其解复用器功能中被描述。如本领域众所周知的，阵列波导光栅是集成器件，其包括形成在光电材料板54的顶表面52(在这种情况下可以包括PIM12的表面)内的独立集成波导501-50N的阵列。输入波导56和多个输出波导58也形成在顶表面52内。输入波导56支持(在第二集成芯片14内产生的，见图2)宽带光输入I的传播。输入波导56终止于第一自由空间区域60，该第一自由空间区域允许不同波长以不同速度传播，此后每个波长耦合到阵列50的独立的波导中。每个波导被形成为包括不同的长度，且从而为传播的信号提供不同的相移。来自阵列50的多个输出信号然后传递通过第二自由空间区域62，该第二自由空间区域62用于以已知方式分离出各个波长分量，其中每个波长然后被发射到其相关联的集成输出波导58中。

[0035] 如上所述，AWG是一种无源光学器件，其以复用器的互反形式工作。也就是说，以不同波长操作的多个不同信号可以作为输入被施加到波导58，并且以相反的方向传递通过自由空间区域和波导阵列，其功能是然后将所有不同波长分量组合到波导56上，并且提供复用的光信号作为输出(例如对于图2所示的复用器38)。

[0036] 代替图3的导波配置，可以在集成WDM收发器10的PIM 12内使用自由空间复用器/解复用器。图4示出了一个这样的示例性自由空间配置70，在这种情况下，提供自由空间光输入信号(来自BLS 14)以产生多个独立的光波长信号。如图所示，配置70包括准直透镜72，准直透镜72在入射宽带光束内相互作用以产生准直波前W。波前W接下来照射闪耀光栅结构74，在该示例中，闪耀光栅结构74沿着转向镜76的弯曲内表面形成。如本领域已知的，形成光栅74的锯齿状的闪耀配置与宽带信号内的各种波长不同地相互作用，以所示的方式分离波长，从而提供各种波长的输出信号，然后以与上述相同的方式耦合到波导58中。

[0037] 图5示出了示例性集成电光调制器阵列的一部分，如上所述，该集成电光调制器阵列可以被并入作为PIM 12的一部分。具体而言，调制器可以形成为单个单片集成电路器件，此后将其倒装安装到PIM 12的顶表面上。如图5所示(也参考图2)，示例性输入波导32i被提供作为调制器34i的光输入，其中电数据信号Di被施加到形成为调制器结构的端口的电极35。电信号的存在以已知的方式用于产生调制光信号作为调制器34i的输出。离开调制器34i的调制信号然后被耦合到其相关的输出波导36i中。

[0038] 概括地说，“第一芯片12”(即，PIM 12)根据本发明被形成以提供WDM光收发器的所有必要功能，包括形成要复用到单个输出信号路径上的数量为N的多个调制光信号，以及接收要解复用成N个独立接收信号的光信号。将传输和接收所需的所有部件集成到单个光子集成模块上的能力在自对准部件和针对小形状因子应用所必需的小尺寸方面提供了重要的益处。

[0039] 根据本发明的一个或更多个实施例，提出了利用宽带光源(BLS)来提供多波长(非相干)光束，该多波长(非相干)光束作为输入被施加到PIM 12，供波分解复用器30使用，以产生用于本发明的WDM光收发器的传输部分的多个独立波长。使用BLS代替多个分立的激光器件(或集成的多二极管激光器阵列)允许以大多数“小占用面积”系统要求可接受的成本、性能和配置形成紧凑的集成收发器。应当理解，宽带激光源的实现方式仅仅是一种示例性配置。根据本发明的原理，其他光源包括，例如，生成多个(“梳状”)频率分量的激光梳状源可以用作激光源。

[0040] 图6示出了可以用作集成WDM收发器10的一部分的一个示例性BLS源14。在该特定实施例中，BLS光源14是发射宽光谱光的非相干宽带器件。可以使用各种布置来提供非相干宽带光束，其中非制冷发光二极管已经用于该目的。用于产生这种类型光束的其他配置包括掺铒光纤放大器(EDFA)的配置，当不存在输入信息信号时(即，当只有泵浦激光源被传递通过一段掺铒光纤时)，掺铒光纤放大器的配置能够提供宽带放大自发辐射(ASE)。图6示出了形成示例性的BLS源14的串联设置的一对EDFA801和80 2。每个EDFA被示为包括一段掺铒光纤82和激光泵浦源84。放大自发辐射(ASE)噪声生成和增益沿着掺铒光纤821和822的两个段发生。已经发现级联放大器的使用提供了相对平坦的ASE输出光谱，如图7所示。

[0041] 由于图7中所示的光谱在给定的频率范围内相对平坦(如图7中的阴影区域所示)，所以在所提出的WDM系统中，可以使用多个独立的频带来提供独立的信道，其中每个信道表现出相似的光功率水平。为了在该系统中使用，与BLS 70相关联的光谱被PIM 12内的AWG 30“分割”成N个独立的、等距的波长信道。具体而言，第一波分解复用器30用于执行光谱分割，将宽带光束分离到独立的波长信道中，如λ1、λ2、λ3、…、λN所示(例如，参见图4和图5)。

[0042] 应当理解，将EDFA用作BLS 14仅仅是示例性的，并且各种其他配置可以用于该目的，包括从高度非线性光纤(HNLF)产生光学超连续谱。此外，其他激光源(例如激光梳状源)可以用于提供用于WDM通信的输入多波长光束。有利地，使用BLS 14和第一解复用器30的组合提供了紧凑的布置，其能够提供多个独立的波长信道，以及使用集成光栅解复用器也保持在相邻波长信道之间期望的分离，同时只需要BLS 14与第一解复用器30的单个初始对准。

[0043] 返回参考图2，第三集成芯片16被形成为WDM收发器10的接收器部分。离开第二波分解复用器42的解复用后的光信号随后作为独立的输入沿着多个波导28(其沿着第二公共接口26离开PIM 12)被施加。该组接收信号随后耦合到形成在第三集成芯片内的一组光波导45中，并随后作为输入被施加到形成在第三集成芯片16内的多个光电器件17(例如光电二极管)(见图2)。光电二极管17将接收到的光信号转换成电等效信号，然后该电等效信号被提供作为沿着电信号路径(导体)48的接收/恢复的电信息信号R1、R2、R3、…、RN。

[0044] 图8示出了根据本发明形成的集成WDM收发器的替代实施例。这里，通过将第三芯片16的功能结合在PIM 12内，实现了附加集成水平，如图8中PIM 12A所示。

[0045] 通过组合接收器解复用器和发射器复用器，以及结合多个调制器(以及在某些情况下的接收器光电二极管)，本发明的各种实施例提供了一种集成水平，其使得光学WDM收发器能够以用户可接受的成本和复杂性来满足小的形状因子要求。

[0046] 上面描述的本发明的实施例仅仅是说明性的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求的范围来限定。

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集成WDM光收发器

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