技術領域

本發(fā)明涉及一種集成光子系統(tǒng)，并且，在具體的實施例中，涉及具有大量且高密度的光學輸入/輸出(I/O)的光學系統(tǒng)中，用于波導的高效路由的系統(tǒng)和裝置。

背景技術：

光子集成電路(PIC)技術有望在光通信、圖像處理、計算和傳感系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，這將有望顯著降低這些系統(tǒng)的成本和重量。這項技術的未來發(fā)展很大程度上依賴于對該技術進行更好可擴展性、可測性、高性能以及成本效益開發(fā)的能力。

片上表面光柵耦合器(grating coupler，GC)光學I/O接口組件對于每一個PIC互連都很關鍵。最新的發(fā)展已經產生了有效地將光耦合至標準光纖以及從標準光纖耦合到光的緊湊型GC。通過在陣列配置中排列纖維和光學I/O并引入光學反饋環(huán)路，該光學對準過程可以變得更有效，但成本較大。光纖陣列和GC光學I/O都應當具有相同的公認標準柵距127微米(μm)，這既限制了PIC芯片密度也增加了總成本。此外，現(xiàn)有光學反饋環(huán)路的配置不允許靈活的光學互連。當每個芯片需要大量的光學I/O時，由于光學I/O覆蓋區(qū)可能變得異常昂貴，問題也變得更加嚴重。此外，這會阻止晶圓級自動化測試和驗證。

技術實現(xiàn)要素：

根據一種實施例，一種PIC芯片包括多個第一光學I/O元件以及多個第二光學I/O元件，其中，一排I/O元件包括交替排列的所述第一光學I/O元件和所述第二光學I/O元件，并且其中所述PIC芯片被配置為使得第一光學元件從所述PIC芯片的第一側與所述第一光學I/O元件耦合，并且第二光學元件從所述PIC芯片的第二側與所述第二光學I/O元件耦合。

根據一種實施例，一種配置為發(fā)送和接收光信號的網絡組件包括輸入接口；輸出接口；以及控制器和開關元件中的至少一個，其中，所述輸入接口、所述輸出接口以及所述控制器和開關元件中的至少一個中的至少一個包括PIC芯片，其中所述PIC芯片包括多個第一光學I/O元件；以及多個第二光學I/O元件，其中，一排I/O元件包括交替排列的所述第一光學I/O元件和所述第二光學I/O元件，并且其中所述PIC芯片被配置為使得第一光學元件從所述PIC芯片的第一側與所述第一光學I/O元件耦合，并且第二光學元件從所述PIC芯片的第二側與所述第二光學I/O元件耦合。

根據一種實施例，一種光子芯片，包括片上光學I/O元件的第一陣列；以及片上光學I/O元件的第二陣列，其中，所述第一陣列和所述第二陣列互鎖，使得所述第一陣列中的I/O元件與所述第一陣列中的另一I/O元件通過所述第二陣列中的I/O元件相分離，并使得所述第二陣列中I/O元件與所述第二陣列中另一I/O元件通過所述第一陣列中的I/O元件相分離。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，請結合附圖參考如下描述，其中：

圖1是一種實施例的具有光學I/O陣列的PIC芯片的示意圖；

圖2是一種實施例的具有光學陣列和反饋環(huán)路波導的PIC的示意圖；

圖3是PIC的布局圖，示出了相對于現(xiàn)有技術系統(tǒng)，由根據所公開的系統(tǒng)排列的光學I/O組件占據的PIC的覆蓋區(qū)面積的差別；以及

圖4是一種實施例的光學數(shù)據路由器的框圖。

具體實施方式

下面將對優(yōu)選實施例的形成和使用進行詳細討論。然而，應理解，本發(fā)明提供了很多可適用的發(fā)明構思，這些發(fā)明構思可以在各種各樣的特定背景下體現(xiàn)。討論的具體實施例僅僅是以示意性的具體方式來形成和使用本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。

針對光學I/O陣列，現(xiàn)有方案提供了有限的密度。陣列中相鄰GC元件之間的密度被固定在127μm并由光纖陣列柵距決定。將光纖陣列柵距減少到127μm以下成本非常高。當陣列中需要保偏光纖時，問題就更大。

此外，光學反饋環(huán)路的現(xiàn)有方案只允許從陣列的一側(頂部或底部)連接。在加倍密度陣列中使用現(xiàn)有技術，如本文所述，需要添加若干波導交叉組件，這會引入額外的光損耗。

本文公開的是用于高密度片上光學I/O的系統(tǒng)和裝置。在一種實施例中，更高密度的片上光學I/O是通過在陣列覆蓋區(qū)中加倍表面GC元件的數(shù)目來實現(xiàn)的。通過交錯兩個I/O陣列(陣列“A”和陣列“B”)，將相鄰GC元件之間的距離降低到68.5μm，同時每個陣列中的標準柵距保持在127μm。因此，整個覆蓋區(qū)的輕微增加(約5％)就使得光學I/O達到兩倍之多。通過偏移光纖陣列探頭，利用相同的標準光纖陣列可以實現(xiàn)將光耦合到新提出的光學I/O陣列。在一個實施例中，相比于現(xiàn)有技術系統(tǒng)，使用所公開的高密度片上光學I/O，總體光學I/O覆蓋區(qū)減少了34％。

在一種實施例中，公開了一種波導路由拓撲，以提供便于陣列“A”和“B”進行光纖陣列對準的光學反饋對準環(huán)路。此外，該拓撲以這種方式對陣列進行分區(qū)：允許從頂部和底部連接到GC元件并從GC元件連接，而不需要任何波導相交。因此，可以簡化設計布局，實質上增加連接的光學組件/設備的數(shù)量。

在一種實施例中，公開了一種較高密度的片上光學I/O。此外，公開了一種分區(qū)波導路由拓撲，使得在沒有任何額外的光波導相交元件時全部接入所有光學I/O或從所有光學I/O接入。引入GC光學I/O的較高密度陣列和波導路由拓撲，增加了光學互連的靈活性。

具有表面GC元件的光學I/O是每一個硅光子(Silicon photonic，SiP)芯片的重要組件。然而，為了跟上SiP芯片密度的快速增長，光學I/O設計人員面臨著雙重挑戰(zhàn)—增加I/O密度的同時降低總體I/O覆蓋區(qū)。這些富有挑戰(zhàn)性的任務通過本公開的系統(tǒng)和裝置得以解決。

本公開的GC元件的較高密度排列和本公開的拓撲結構，與片上設備與組件的自動光學測試完美匹配。SiP芯片的自動測試已經實現(xiàn)。增加每個陣列的光學I/O的數(shù)量使得I/O區(qū)域更加緊湊，反過來縮短了光纖陣列探頭的行進路線。此外，本公開的系統(tǒng)和裝置通過大幅提高測試效率允許更多的設備同時被測試。

對大規(guī)模生產的SiP芯片的晶圓級自動化測試也將受益于本公開的系統(tǒng)和設備。與電子ASIC電路相似，工廠生產的SiP芯片需要晶圓級測試。具有光學反饋環(huán)路的高密度光學I/O陣列允許此種生產的發(fā)展。

圖1是一種實施例的具有光學I/O陣列的光子集成電路(photonic integrated circuit，PIC)芯片100的示意圖。PIC 100有第一側150和第二側152，并包括多個光學I/O元件111-120，131-140。該第一側150和該第二側152也可以被稱為PIC 100的頂部和底部。I/O元件被分成兩個陣列—A和B。陣列A包括標示為A1-A10的光學I/O元件111-120。陣列B包括標示為B1-B10的光學I/O元件131-140。陣列A和B以交錯的方式排列，使得陣列A中的光學I/O元件(例如光學I/O元件A6 116)與陣列A中的另一光學I/O元件(例如光學I/O元件A7 117)通過陣列B中的光學I/O元件(例如光學I/O元件B6 136)相分離。類似地，陣列B中的光學I/O元件(例如光學I/O元件B3 133)與陣列B中的另一光學I/O元件(例如光學I/O元件B4 134)通過陣列A中的光學I/O元件(例如光學I/O元件A4 114)相分離。在一種實施例中，陣列A中的光學I/O元件111-120從第一側150與光學元件光耦合，并且光學I/O元件131-140從第二側152與光學元件光耦合。

在一種實施例中，光學I/O元件111-120和131-140是表面光柵耦合器(surface grating coupler，SGC)。陣列A中連續(xù)的光學I/O元件111-120之間的距離或陣列B中連續(xù)的光學I/O元件131-140之間的距離是由光纖陣列柵距決定的。在一種實施例中，光纖陣列柵距是127μm。然而，相鄰的I/O元件111-120和131-140之間的距離是陣列A中連續(xù)的光學I/O元件111-120之間或陣列B中的光學I/O元件131-140之間距離的一半。通過交錯兩個I/O陣列(陣列A和陣列B)并且通過耦合光學元件，該光學元件從第一側與陣列A中的光學I/O元件111-120耦合，從第二側152與陣列B中的光學I/O元件131-140耦合，可以在保持標準陣列柵距的同時，使光學I/O元件的密度大致加倍。

各種光學I/O元件以及制造I/O元件的方法在本領域是眾所周知的。光學I/O元件111-120，131-140可以由任何數(shù)量的材料制成，包括例如一個或多個硅、鈮酸鋰(LiNbO3)、硅基二氧化硅、絕緣硅、各種聚合物、以及砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)等半導體材料。

雖然描述的是單排光學I/O元件111-120，131-140，但是PIC芯片可以包括多排光學I/O陣列。

圖2是一種實施例的具有光學陣列和反饋環(huán)路波導的實施例PIC 200的示意圖。PIC 200包括光學I/O陣列組件250，該光學I/O陣列組件250有第一側252和第二側254。光學I/O陣列組件250包括兩個交錯的光學I/O陣列(第一光學I/O陣列和第二光學I/O陣列)，與圖1中交錯的光學I/O陣列A和B相似。第一光學I/O陣列包括光學I/O元件211-220，第二光學I/O陣列包括光學I/O元件231-240。第一陣列和第二陣列以交錯的方式排列，使得第一陣列中的光學I/O元件(例如光學I/O元件216)與第一陣列中的另一光學I/O元件(例如光學I/O元件217)通過第二陣列中的光學I/O元件(例如光學I/O元件236)相分離。類似地，第二陣列中的光學I/O元件(例如光學I/O元件233)與第二陣列中的另一光學I/O元件(例如光學I/O元件234)通過第一陣列中的光學I/O元件(例如光學I/O元件214)相分離。在一種實施例中，第一陣列中的光學I/O元件211-220從第一側252與光學元件202、204光耦合，并且光學I/O元件231-240從第二側254與光學元件206、208光耦合。光學元件202、204、206、208可以全部是相同類型的光學元件，或者可以是彼此不同的光學元件。光學元件的例子包括低損耗互連波導、功分器、光放大器、光調制器、過濾器、激光器和探測器。

光學I/O陣列組件250也包括兩個反饋環(huán)路260和262。該反饋環(huán)路260和262是光波導。反饋環(huán)路260將光學I/O元件231與光學I/O元件240耦合(光學I/O元件231和240都在第二陣列中)。反饋環(huán)路262將光學I/O元件211與光學I/O元件220耦合(I/O元件211和220都在第一陣列中)。反饋環(huán)路260、262的拓撲排列為使得反饋環(huán)路260、262以如圖2所示的方式在光學I/O陣列組件250的頂部和底部之間來回反復纏繞，并因此被配置在第一陣列中每一個光學I/O元件211-220的下方(即，較為靠近光學I/O陣列組件250的第二側254)和第二陣列中每一個光學I/O元件231-250的上方(即，較為靠近光學I/O陣列組件250的第一側252)。因此，第一陣列中的所有光學I/O元件211-220可從光學I/O陣列組件250的第一側接入，并且第二陣列中的所有光學I/O元件231-240可從光學I/O陣列組件250的第二側接入。在一種實施例中，反饋環(huán)路260、262提供光信號反饋以輔助光纖陣列對準。從第一側252和第二側254均提供片上I/O連接使得連接更靈活。在一種實施例中，該反饋環(huán)路260、262包括光纖。

圖3是PIC 300的布局圖，示出了相對于現(xiàn)有技術系統(tǒng)，根據所公開的系統(tǒng)排列的光學I/O組件占據的PIC 300的覆蓋區(qū)面積的差別。從圖3中可以看出，根據現(xiàn)有技術排列的光學I/O元件占據的覆蓋區(qū)面積302比根據所公開的交錯陣列排列的光學I/O元件占據的覆蓋區(qū)面積304大得多。例如，對于具有70個光柵耦合器I/O元件(每陣列10GC，有8個有源元件)，且尺寸為5毫米(mm)x 5mm的PIC 300芯片，每陣列的陣列覆蓋區(qū)面積是100x1270μm2。因此，GC陣列所占據的面積大約是PIC 300芯片所占據面積的35％(即，約8.89mm2)。然而，在一種實施例中，根據所公開的4排兩個10元件陣列的系統(tǒng)(每排2個具有10個光學I/O元件的交錯陣列＝80個光柵耦合器，其中每排的覆蓋區(qū)大約是60x1245μm2)，GC元件的陣列的覆蓋區(qū)面積304是PIC 300芯片面積的12％(即，約2.99mm2)。因此，所公開的系統(tǒng)和方法大大節(jié)省了光學I/O的覆蓋面積。

圖4是一種實施例的光學數(shù)據路由器400的框圖。光學數(shù)據路由器400是可以用于實現(xiàn)本文公開的裝置、系統(tǒng)和方法的設備或網絡組件的例子。然而，應注意，本文公開的裝置、系統(tǒng)和方法除了路由器，還可以用其他類型的設備來實現(xiàn)。具體的設備可以利用圖中所示的所有組件，或者每個設備可以僅組件的子集和集成度不同。此外，設備可以包含組件的多個示例。路由器400包括一個或多個分離器404、輸入接口406、開關元件408、輸出接口410、控制器412、以及一個或多個組合器414。每個分離器404被配置為分離在通信鏈路402上通信的輸入光信號403。分離器404可以包括，例如，波分解復用器。本文通篇使用的術語“波分復用器”和“波分解復用器”可包括任何光和/或電組件，該組件可以包括任何硬件、軟件和/或固件，且能夠處理波分復用信號和/或密集型波分復用信號。在一種實施例中，輸入接口406、開關元件408和/或輸出接口410包括PIC，該PIC包含所公開的具有熱隔離和熱限制柱的熱光開關。

通信鏈路402可以包括，例如，標準單模光纖(standard single mode fiber，SMF)、色散位移光纖(dispersion-shifted fiber，DSF)、非零色散位移光纖(non-zero dispersion-shifted fiber，NZDSF)、色散補償光纖(dispersion compensating fiber，DCF)、或另一光纖類型或光纖類型的組合。在一些實施例中，通信鏈路402被配置為耦合路由器400與其他光學和/或電-光組件。例如，鏈路402可以將路由器400與交叉連接耦合，或與可進行終止、交換、路由、處理操作的其他設備耦合，和/或接入到通信鏈路402和另一通信鏈路或通信設備和/或從通信鏈路402和另一通信鏈路或通信設備接入。本文通篇使用的術語“耦合”和/或“耦合的”指的是兩個或更多元件之間的任何直接或間接通信，不論這些元件是否與另一元件物理連接。在一些實施例中，通信鏈路402可以包括點對點通信鏈路或更大通信網絡的一部分，例如環(huán)形網絡、網狀網絡、星形網絡或其他網絡配置。

光信號403可包括多個波長的光信號。例如，光信號403可以包括至少5波長信道，至少100波長信道或至少250波長信道。在一個具體的實施例中，光信號403包括250波長，該250波長在100納米(nm)的光譜窗口內有50千兆赫(GHz)的間距。在該例子中，100nm的光譜窗口可以位于與光纖相關的1400nm至1650nm低損耗窗口內。在各種實施例中，光信號403能實現(xiàn)一種或多種數(shù)據格式，例如，偏振移鍵控(polarization shift keying，PLSK)、脈沖位置調制(pulse position modulation，PPM)、多協(xié)議標簽交換(Multi-Protocol Label Swapping，MPLS)、通用多協(xié)議標簽交換(Generalized Multi-Protocol Label Swapping，GMPLS)、非歸零(non-return to zero，NRZ)、歸零(return to zero，RZ)、差分相移鍵控(differential phase shift key，DPSK)或這些的組合或其他格式類型。

在一種實施例中，分離器404被配置或操作為將光信號403分隔為單個的波長信道405，并將各波長信道405與輸入接口406耦合。在一種替換的實施例中，分離器404可將光信號403分隔為單獨的多波長信道并將這些多波長信道與輸入接口406耦合。波長信道405可以包括，例如，因特網協(xié)議(Internet Protocol，IP)分組、語音數(shù)據、視頻數(shù)據、或任何其他數(shù)據類型和/或數(shù)據格式。在該具體實施例中，每個波長信道405實現(xiàn)幀格式，該幀格式包括一個或多個成幀比特、分組數(shù)據之前的第一分組標簽、分組數(shù)據之后的第二分組標簽。分組標簽包圍分組數(shù)據有利于在與每個波長信道405相關聯(lián)的目的地處允許相對簡單的錯誤檢查，然而這種格式不是必需的。在該例子中，每個波長信道405在第一分組標簽和第二分組標簽內實現(xiàn)了通用多協(xié)議標簽交換(Generalized Multi-Protocol Label Swapping，GMPLS)路由協(xié)議。雖然該例子實現(xiàn)了GMPLS路由協(xié)議，但是在不脫離本公開的范圍的前提下，可以使用其他路由協(xié)議或數(shù)據格式。

在一種實施例中，輸入接口406被配置為接收和處理與光信號403相關聯(lián)的每個波長信道405。輸入接口406可包括任何光和/或電組件，該組件包括任何硬件、軟件和/或固件，且能夠處理、轉換、復制、更新和/或交換與每個波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組標簽。在各種實施例中，輸入接口406可確定用于與每個波長信道405相關聯(lián)的分組數(shù)據的期望路由，并且可以使用全光學標簽交換技術更新第一分組標簽和/或第二分組標簽。術語“全光學”是指實質上無光-電或電-光轉換的期望功能的性能。通過有助于設備全部功能的控制電路，“全光學”功能并不阻止光-電或電-光轉換的使用。例如，輸入接口406可以包括控制器，該控制器接收分組標簽的電表示，并產生控制信號，該控制信號作用是調制光信號的交換序列。

開關元件408被配置為處理與波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組數(shù)據，該波長信道405從輸入接口406接收并且將這些分組數(shù)據指向期望的目的地。開關元件408可以包括能夠交換、路由、錯誤檢查、和/或管理與每個波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組數(shù)據或分組標簽的任何光和/或電組件，該組件包括任何硬件、軟件和/或固件。在一種實施例中，開關元件408包括配置為執(zhí)行指令的一個或多個處理器。在一種實施例中，一個或多個處理器是數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)。在一種實施例中，開關元件408包括被配置為存儲由處理器執(zhí)行的數(shù)據和/或指令的存儲器和/或儲存設備。在一種實施例中，開關元件408可以包括光子芯片。在一種實施例中，開關元件408可以包括環(huán)形配置，該環(huán)形配置有一個或多個核心路由器節(jié)點和至少一個管理節(jié)點。雖然該例子實現(xiàn)了環(huán)形配置，但是在不脫離本公開的范圍的前提下，開關元件408可以實現(xiàn)網格配置、星形配置、或任何其它配置。在各種實施例中，開關元件408可以運行在，例如至少10千兆比特/秒(Gb/s)、至少40Gb/s、至少100Gb/s或至少160Gb/s的處理速度下處理波長信道405。

在一種實施例中，開關元件408被配置為將與波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組數(shù)據路由到輸出接口410。輸出接口410可以包括任何光和/或電組件，這些光和/或電組件包括能夠準備用于路由器400通信的與波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組數(shù)據的任何硬件、軟件和/或固件。在一種實施例中，該開關元件408包括一個或多個處理器。在一種實施例中，該處理器包括數(shù)字信號處理器(digital signal processor，DSP)。在一種實施例中，該開關元件408包括光子集成芯片。在該例子中，輸出接口410通過適當?shù)牟ㄩL信道413實現(xiàn)一個或多個分組數(shù)據從路由器400到期望目的地的通信。

在一種實施例中，為了在通信鏈路416上的通信，每個組合器414被配置為將輸出波長信道413合并到一個或多個輸出光信號415中。在一種實施例中，組合器414包括，例如，波分復用器。通信鏈路416的結構和功能可以實質上與通信鏈路402的結構和功能類似。在該例子中，通信鏈路416將路由器400耦合到其他光和/或電-光組件。

在該例子中，控制器412也能夠至少部分地有助于控制與路由器400相關聯(lián)的一個或多個功能。也就是說，并不要求控制器412能夠單獨執(zhí)行所期望的功能，但可以作為較大程序的一部分，有助于功能的執(zhí)行。控制器412可以包括任何通信設備和/或計算設備或包括任何硬件、軟件、固件、或其組合的設備。

在一種實施例中，在運行中，與波長信道405相關聯(lián)的分組數(shù)據對于路由器400的處理功能是透明的。也就是說，在運行中，路由器400不檢查與每個波長信道405相關聯(lián)的分組數(shù)據的內容。在一些情況下，路由器400確實檢查與波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組標簽和/或幀格式的其他元素的內容。在大多數(shù)情況下，路由器400保持在光域中與波長信道405相關聯(lián)的分組數(shù)據。也就是說，路由器400不對與每個波長信道405相關聯(lián)的分組數(shù)據進行光-電轉換。在某些情況下，與波長信道405相關聯(lián)的一個或多個分組標簽和/或幀格式的其他元素可以進行一種或多種光-電和/或電-光的轉換。在各種實施例中，路由器400能夠有例如，至少5兆兆位/秒(Tb/s)、至少25Tb/s、至少50Tb/s、或至少100Tb/s的聚合容量。

在一種實施例中，路由器400可以最小化和/或避免與光信號403和415相關聯(lián)的分組數(shù)據之間和/或開關元件408內波長信道405和413之間和/或通信鏈路402和416之間的競爭。本文所用的術語“競爭”是指分組數(shù)據與其他分組數(shù)據在特定的波長上進行競爭通信的過程。在一些情況下，例如，可以通過實現(xiàn)環(huán)形網絡結構或執(zhí)行波長轉換，來最小化競爭。最小化和/或避免競爭會使與光信號波長相關聯(lián)的擁塞降低。

雖然已經對說明書進行了詳細描述，但應當理解，在不脫離所附權利要求書所限定的本公開的精神和范圍的前提下，可進行各種變化、替換和修改。此外，本公開的范圍并非旨在限定本文中所描述的特定實施例，因為本領域普通技術人員將容易從本公開中意識到，現(xiàn)有的或以后待開發(fā)的過程、機器、制造、物質組成、手段、方法或步驟可以與本文所述的相應實施例基本上執(zhí)行相同的功能或基本上實現(xiàn)相同的結果。因此，所附權利要求旨在將此類過程、機器、制造、物質組成、手段、方法或步驟包括在其范圍內。