用于光学输入/输出阵列的系统和方法与流程

技术领域

本发明涉及一种集成光子系统，并且，在具体的实施例中，涉及具有大量且高密度的光学输入/输出(I/O)的光学系统中，用于波导的高效路由的系统和装置。

背景技术：

光子集成电路(PIC)技术有望在光通信、图像处理、计算和传感系统中发挥越来越重要的作用，这将有望显著降低这些系统的成本和重量。这项技术的未来发展很大程度上依赖于对该技术进行更好可扩展性、可测性、高性能以及成本效益开发的能力。

片上表面光栅耦合器(grating coupler，GC)光学I/O接口组件对于每一个PIC互连都很关键。最新的发展已经产生了有效地将光耦合至标准光纤以及从标准光纤耦合到光的紧凑型GC。通过在阵列配置中排列纤维和光学I/O并引入光学反馈环路，该光学对准过程可以变得更有效，但成本较大。光纤阵列和GC光学I/O都应当具有相同的公认标准栅距127微米(μm)，这既限制了PIC芯片密度也增加了总成本。此外，现有光学反馈环路的配置不允许灵活的光学互连。当每个芯片需要大量的光学I/O时，由于光学I/O覆盖区可能变得异常昂贵，问题也变得更加严重。此外，这会阻止晶圆级自动化测试和验证。

技术实现要素：

根据一种实施例，一种PIC芯片包括多个第一光学I/O元件以及多个第二光学I/O元件，其中，一排I/O元件包括交替排列的所述第一光学I/O元件和所述第二光学I/O元件，并且其中所述PIC芯片被配置为使得第一光学元件从所述PIC芯片的第一侧与所述第一光学I/O元件耦合，并且第二光学元件从所述PIC芯片的第二侧与所述第二光学I/O元件耦合。

根据一种实施例，一种配置为发送和接收光信号的网络组件包括输入接口；输出接口；以及控制器和开关元件中的至少一个，其中，所述输入接口、所述输出接口以及所述控制器和开关元件中的至少一个中的至少一个包括PIC芯片，其中所述PIC芯片包括多个第一光学I/O元件；以及多个第二光学I/O元件，其中，一排I/O元件包括交替排列的所述第一光学I/O元件和所述第二光学I/O元件，并且其中所述PIC芯片被配置为使得第一光学元件从所述PIC芯片的第一侧与所述第一光学I/O元件耦合，并且第二光学元件从所述PIC芯片的第二侧与所述第二光学I/O元件耦合。

根据一种实施例，一种光子芯片，包括片上光学I/O元件的第一阵列；以及片上光学I/O元件的第二阵列，其中，所述第一阵列和所述第二阵列互锁，使得所述第一阵列中的I/O元件与所述第一阵列中的另一I/O元件通过所述第二阵列中的I/O元件相分离，并使得所述第二阵列中I/O元件与所述第二阵列中另一I/O元件通过所述第一阵列中的I/O元件相分离。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，请结合附图参考如下描述，其中：

图1是一种实施例的具有光学I/O阵列的PIC芯片的示意图；

图2是一种实施例的具有光学阵列和反馈环路波导的PIC的示意图；

图3是PIC的布局图，示出了相对于现有技术系统，由根据所公开的系统排列的光学I/O组件占据的PIC的覆盖区面积的差别；以及

图4是一种实施例的光学数据路由器的框图。

具体实施方式

下面将对优选实施例的形成和使用进行详细讨论。然而，应理解，本发明提供了很多可适用的发明构思，这些发明构思可以在各种各样的特定背景下体现。讨论的具体实施例仅仅是以示意性的具体方式来形成和使用本发明，并不限制本发明的范围。

针对光学I/O阵列，现有方案提供了有限的密度。阵列中相邻GC元件之间的密度被固定在127μm并由光纤阵列栅距决定。将光纤阵列栅距减少到127μm以下成本非常高。当阵列中需要保偏光纤时，问题就更大。

此外，光学反馈环路的现有方案只允许从阵列的一侧(顶部或底部)连接。在加倍密度阵列中使用现有技术，如本文所述，需要添加若干波导交叉组件，这会引入额外的光损耗。

本文公开的是用于高密度片上光学I/O的系统和装置。在一种实施例中，更高密度的片上光学I/O是通过在阵列覆盖区中加倍表面GC元件的数目来实现的。通过交错两个I/O阵列(阵列“A”和阵列“B”)，将相邻GC元件之间的距离降低到68.5μm，同时每个阵列中的标准栅距保持在127μm。因此，整个覆盖区的轻微增加(约5％)就使得光学I/O达到两倍之多。通过偏移光纤阵列探头，利用相同的标准光纤阵列可以实现将光耦合到新提出的光学I/O阵列。在一个实施例中，相比于现有技术系统，使用所公开的高密度片上光学I/O，总体光学I/O覆盖区减少了34％。

在一种实施例中，公开了一种波导路由拓扑，以提供便于阵列“A”和“B”进行光纤阵列对准的光学反馈对准环路。此外，该拓扑以这种方式对阵列进行分区：允许从顶部和底部连接到GC元件并从GC元件连接，而不需要任何波导相交。因此，可以简化设计布局，实质上增加连接的光学组件/设备的数量。

在一种实施例中，公开了一种较高密度的片上光学I/O。此外，公开了一种分区波导路由拓扑，使得在没有任何额外的光波导相交元件时全部接入所有光学I/O或从所有光学I/O接入。引入GC光学I/O的较高密度阵列和波导路由拓扑，增加了光学互连的灵活性。

具有表面GC元件的光学I/O是每一个硅光子(Silicon photonic，SiP)芯片的重要组件。然而，为了跟上SiP芯片密度的快速增长，光学I/O设计人员面临着双重挑战—增加I/O密度的同时降低总体I/O覆盖区。这些富有挑战性的任务通过本公开的系统和装置得以解决。

本公开的GC元件的较高密度排列和本公开的拓扑结构，与片上设备与组件的自动光学测试完美匹配。SiP芯片的自动测试已经实现。增加每个阵列的光学I/O的数量使得I/O区域更加紧凑，反过来缩短了光纤阵列探头的行进路线。此外，本公开的系统和装置通过大幅提高测试效率允许更多的设备同时被测试。

对大规模生产的SiP芯片的晶圆级自动化测试也将受益于本公开的系统和设备。与电子ASIC电路相似，工厂生产的SiP芯片需要晶圆级测试。具有光学反馈环路的高密度光学I/O阵列允许此种生产的发展。

图1是一种实施例的具有光学I/O阵列的光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)芯片100的示意图。PIC 100有第一侧150和第二侧152，并包括多个光学I/O元件111-120，131-140。该第一侧150和该第二侧152也可以被称为PIC 100的顶部和底部。I/O元件被分成两个阵列—A和B。阵列A包括标示为A1-A10的光学I/O元件111-120。阵列B包括标示为B1-B10的光学I/O元件131-140。阵列A和B以交错的方式排列，使得阵列A中的光学I/O元件(例如光学I/O元件A6 116)与阵列A中的另一光学I/O元件(例如光学I/O元件A7 117)通过阵列B中的光学I/O元件(例如光学I/O元件B6 136)相分离。类似地，阵列B中的光学I/O元件(例如光学I/O元件B3 133)与阵列B中的另一光学I/O元件(例如光学I/O元件B4 134)通过阵列A中的光学I/O元件(例如光学I/O元件A4 114)相分离。在一种实施例中，阵列A中的光学I/O元件111-120从第一侧150与光学元件光耦合，并且光学I/O元件131-140从第二侧152与光学元件光耦合。

在一种实施例中，光学I/O元件111-120和131-140是表面光栅耦合器(surface grating coupler，SGC)。阵列A中连续的光学I/O元件111-120之间的距离或阵列B中连续的光学I/O元件131-140之间的距离是由光纤阵列栅距决定的。在一种实施例中，光纤阵列栅距是127μm。然而，相邻的I/O元件111-120和131-140之间的距离是阵列A中连续的光学I/O元件111-120之间或阵列B中的光学I/O元件131-140之间距离的一半。通过交错两个I/O阵列(阵列A和阵列B)并且通过耦合光学元件，该光学元件从第一侧与阵列A中的光学I/O元件111-120耦合，从第二侧152与阵列B中的光学I/O元件131-140耦合，可以在保持标准阵列栅距的同时，使光学I/O元件的密度大致加倍。

各种光学I/O元件以及制造I/O元件的方法在本领域是众所周知的。光学I/O元件111-120，131-140可以由任何数量的材料制成，包括例如一个或多个硅、铌酸锂(LiNbO3)、硅基二氧化硅、绝缘硅、各种聚合物、以及砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等半导体材料。

虽然描述的是单排光学I/O元件111-120，131-140，但是PIC芯片可以包括多排光学I/O阵列。

图2是一种实施例的具有光学阵列和反馈环路波导的实施例PIC 200的示意图。PIC 200包括光学I/O阵列组件250，该光学I/O阵列组件250有第一侧252和第二侧254。光学I/O阵列组件250包括两个交错的光学I/O阵列(第一光学I/O阵列和第二光学I/O阵列)，与图1中交错的光学I/O阵列A和B相似。第一光学I/O阵列包括光学I/O元件211-220，第二光学I/O阵列包括光学I/O元件231-240。第一阵列和第二阵列以交错的方式排列，使得第一阵列中的光学I/O元件(例如光学I/O元件216)与第一阵列中的另一光学I/O元件(例如光学I/O元件217)通过第二阵列中的光学I/O元件(例如光学I/O元件236)相分离。类似地，第二阵列中的光学I/O元件(例如光学I/O元件233)与第二阵列中的另一光学I/O元件(例如光学I/O元件234)通过第一阵列中的光学I/O元件(例如光学I/O元件214)相分离。在一种实施例中，第一阵列中的光学I/O元件211-220从第一侧252与光学元件202、204光耦合，并且光学I/O元件231-240从第二侧254与光学元件206、208光耦合。光学元件202、204、206、208可以全部是相同类型的光学元件，或者可以是彼此不同的光学元件。光学元件的例子包括低损耗互连波导、功分器、光放大器、光调制器、过滤器、激光器和探测器。

光学I/O阵列组件250也包括两个反馈环路260和262。该反馈环路260和262是光波导。反馈环路260将光学I/O元件231与光学I/O元件240耦合(光学I/O元件231和240都在第二阵列中)。反馈环路262将光学I/O元件211与光学I/O元件220耦合(I/O元件211和220都在第一阵列中)。反馈环路260、262的拓扑排列为使得反馈环路260、262以如图2所示的方式在光学I/O阵列组件250的顶部和底部之间来回反复缠绕，并因此被配置在第一阵列中每一个光学I/O元件211-220的下方(即，较为靠近光学I/O阵列组件250的第二侧254)和第二阵列中每一个光学I/O元件231-250的上方(即，较为靠近光学I/O阵列组件250的第一侧252)。因此，第一阵列中的所有光学I/O元件211-220可从光学I/O阵列组件250的第一侧接入，并且第二阵列中的所有光学I/O元件231-240可从光学I/O阵列组件250的第二侧接入。在一种实施例中，反馈环路260、262提供光信号反馈以辅助光纤阵列对准。从第一侧252和第二侧254均提供片上I/O连接使得连接更灵活。在一种实施例中，该反馈环路260、262包括光纤。

图3是PIC 300的布局图，示出了相对于现有技术系统，根据所公开的系统排列的光学I/O组件占据的PIC 300的覆盖区面积的差别。从图3中可以看出，根据现有技术排列的光学I/O元件占据的覆盖区面积302比根据所公开的交错阵列排列的光学I/O元件占据的覆盖区面积304大得多。例如，对于具有70个光栅耦合器I/O元件(每阵列10GC，有8个有源元件)，且尺寸为5毫米(mm)x 5mm的PIC 300芯片，每阵列的阵列覆盖区面积是100x1270μm2。因此，GC阵列所占据的面积大约是PIC 300芯片所占据面积的35％(即，约8.89mm2)。然而，在一种实施例中，根据所公开的4排两个10元件阵列的系统(每排2个具有10个光学I/O元件的交错阵列＝80个光栅耦合器，其中每排的覆盖区大约是60x1245μm2)，GC元件的阵列的覆盖区面积304是PIC 300芯片面积的12％(即，约2.99mm2)。因此，所公开的系统和方法大大节省了光学I/O的覆盖面积。

图4是一种实施例的光学数据路由器400的框图。光学数据路由器400是可以用于实现本文公开的装置、系统和方法的设备或网络组件的例子。然而，应注意，本文公开的装置、系统和方法除了路由器，还可以用其他类型的设备来实现。具体的设备可以利用图中所示的所有组件，或者每个设备可以仅组件的子集和集成度不同。此外，设备可以包含组件的多个示例。路由器400包括一个或多个分离器404、输入接口406、开关元件408、输出接口410、控制器412、以及一个或多个组合器414。每个分离器404被配置为分离在通信链路402上通信的输入光信号403。分离器404可以包括，例如，波分解复用器。本文通篇使用的术语“波分复用器”和“波分解复用器”可包括任何光和/或电组件，该组件可以包括任何硬件、软件和/或固件，且能够处理波分复用信号和/或密集型波分复用信号。在一种实施例中，输入接口406、开关元件408和/或输出接口410包括PIC，该PIC包含所公开的具有热隔离和热限制柱的热光开关。

通信链路402可以包括，例如，标准单模光纤(standard single mode fiber，SMF)、色散位移光纤(dispersion-shifted fiber，DSF)、非零色散位移光纤(non-zero dispersion-shifted fiber，NZDSF)、色散补偿光纤(dispersion compensating fiber，DCF)、或另一光纤类型或光纤类型的组合。在一些实施例中，通信链路402被配置为耦合路由器400与其他光学和/或电-光组件。例如，链路402可以将路由器400与交叉连接耦合，或与可进行终止、交换、路由、处理操作的其他设备耦合，和/或接入到通信链路402和另一通信链路或通信设备和/或从通信链路402和另一通信链路或通信设备接入。本文通篇使用的术语“耦合”和/或“耦合的”指的是两个或更多元件之间的任何直接或间接通信，不论这些元件是否与另一元件物理连接。在一些实施例中，通信链路402可以包括点对点通信链路或更大通信网络的一部分，例如环形网络、网状网络、星形网络或其他网络配置。

光信号403可包括多个波长的光信号。例如，光信号403可以包括至少5波长信道，至少100波长信道或至少250波长信道。在一个具体的实施例中，光信号403包括250波长，该250波长在100纳米(nm)的光谱窗口内有50千兆赫(GHz)的间距。在该例子中，100nm的光谱窗口可以位于与光纤相关的1400nm至1650nm低损耗窗口内。在各种实施例中，光信号403能实现一种或多种数据格式，例如，偏振移键控(polarization shift keying，PLSK)、脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)、多协议标签交换(Multi-Protocol Label Swapping，MPLS)、通用多协议标签交换(Generalized Multi-Protocol Label Swapping，GMPLS)、非归零(non-return to zero，NRZ)、归零(return to zero，RZ)、差分相移键控(differential phase shift key，DPSK)或这些的组合或其他格式类型。

在一种实施例中，分离器404被配置或操作为将光信号403分隔为单个的波长信道405，并将各波长信道405与输入接口406耦合。在一种替换的实施例中，分离器404可将光信号403分隔为单独的多波长信道并将这些多波长信道与输入接口406耦合。波长信道405可以包括，例如，因特网协议(Internet Protocol，IP)分组、语音数据、视频数据、或任何其他数据类型和/或数据格式。在该具体实施例中，每个波长信道405实现帧格式，该帧格式包括一个或多个成帧比特、分组数据之前的第一分组标签、分组数据之后的第二分组标签。分组标签包围分组数据有利于在与每个波长信道405相关联的目的地处允许相对简单的错误检查，然而这种格式不是必需的。在该例子中，每个波长信道405在第一分组标签和第二分组标签内实现了通用多协议标签交换(Generalized Multi-Protocol Label Swapping，GMPLS)路由协议。虽然该例子实现了GMPLS路由协议，但是在不脱离本公开的范围的前提下，可以使用其他路由协议或数据格式。

在一种实施例中，输入接口406被配置为接收和处理与光信号403相关联的每个波长信道405。输入接口406可包括任何光和/或电组件，该组件包括任何硬件、软件和/或固件，且能够处理、转换、复制、更新和/或交换与每个波长信道405相关联的一个或多个分组标签。在各种实施例中，输入接口406可确定用于与每个波长信道405相关联的分组数据的期望路由，并且可以使用全光学标签交换技术更新第一分组标签和/或第二分组标签。术语“全光学”是指实质上无光-电或电-光转换的期望功能的性能。通过有助于设备全部功能的控制电路，“全光学”功能并不阻止光-电或电-光转换的使用。例如，输入接口406可以包括控制器，该控制器接收分组标签的电表示，并产生控制信号，该控制信号作用是调制光信号的交换序列。

开关元件408被配置为处理与波长信道405相关联的一个或多个分组数据，该波长信道405从输入接口406接收并且将这些分组数据指向期望的目的地。开关元件408可以包括能够交换、路由、错误检查、和/或管理与每个波长信道405相关联的一个或多个分组数据或分组标签的任何光和/或电组件，该组件包括任何硬件、软件和/或固件。在一种实施例中，开关元件408包括配置为执行指令的一个或多个处理器。在一种实施例中，一个或多个处理器是数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。在一种实施例中，开关元件408包括被配置为存储由处理器执行的数据和/或指令的存储器和/或储存设备。在一种实施例中，开关元件408可以包括光子芯片。在一种实施例中，开关元件408可以包括环形配置，该环形配置有一个或多个核心路由器节点和至少一个管理节点。虽然该例子实现了环形配置，但是在不脱离本公开的范围的前提下，开关元件408可以实现网格配置、星形配置、或任何其它配置。在各种实施例中，开关元件408可以运行在，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的处理速度下处理波长信道405。

在一种实施例中，开关元件408被配置为将与波长信道405相关联的一个或多个分组数据路由到输出接口410。输出接口410可以包括任何光和/或电组件，这些光和/或电组件包括能够准备用于路由器400通信的与波长信道405相关联的一个或多个分组数据的任何硬件、软件和/或固件。在一种实施例中，该开关元件408包括一个或多个处理器。在一种实施例中，该处理器包括数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。在一种实施例中，该开关元件408包括光子集成芯片。在该例子中，输出接口410通过适当的波长信道413实现一个或多个分组数据从路由器400到期望目的地的通信。

在一种实施例中，为了在通信链路416上的通信，每个组合器414被配置为将输出波长信道413合并到一个或多个输出光信号415中。在一种实施例中，组合器414包括，例如，波分复用器。通信链路416的结构和功能可以实质上与通信链路402的结构和功能类似。在该例子中，通信链路416将路由器400耦合到其他光和/或电-光组件。

在该例子中，控制器412也能够至少部分地有助于控制与路由器400相关联的一个或多个功能。也就是说，并不要求控制器412能够单独执行所期望的功能，但可以作为较大程序的一部分，有助于功能的执行。控制器412可以包括任何通信设备和/或计算设备或包括任何硬件、软件、固件、或其组合的设备。

在一种实施例中，在运行中，与波长信道405相关联的分组数据对于路由器400的处理功能是透明的。也就是说，在运行中，路由器400不检查与每个波长信道405相关联的分组数据的内容。在一些情况下，路由器400确实检查与波长信道405相关联的一个或多个分组标签和/或帧格式的其他元素的内容。在大多数情况下，路由器400保持在光域中与波长信道405相关联的分组数据。也就是说，路由器400不对与每个波长信道405相关联的分组数据进行光-电转换。在某些情况下，与波长信道405相关联的一个或多个分组标签和/或帧格式的其他元素可以进行一种或多种光-电和/或电-光的转换。在各种实施例中，路由器400能够有例如，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。

在一种实施例中，路由器400可以最小化和/或避免与光信号403和415相关联的分组数据之间和/或开关元件408内波长信道405和413之间和/或通信链路402和416之间的竞争。本文所用的术语“竞争”是指分组数据与其他分组数据在特定的波长上进行竞争通信的过程。在一些情况下，例如，可以通过实现环形网络结构或执行波长转换，来最小化竞争。最小化和/或避免竞争会使与光信号波长相关联的拥塞降低。

虽然已经对说明书进行了详细描述，但应当理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变化、替换和修改。此外，本公开的范围并非旨在限定本文中所描述的特定实施例，因为本领域普通技术人员将容易从本公开中意识到，现有的或以后待开发的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤可以与本文所述的相应实施例基本上执行相同的功能或基本上实现相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。