用于信息和通信技术系统的灵活光源供应

摘要

一种机架包括多个连续波激光器，它们均能够进行操作用于与其它激光器相同的功率发射连续波光束；和多个光学耦合器，其能够进行操作用于输入相同功率的连续波光束并且以不同功率输出多个连续波光束。该机架进一步包括多个光学组件，其能够进行操作用于将不同功率的连续波光束调制为不同功率的多个经调制的光学信号并且将该经调制的光学信号耦合到不同长度的光学介质上而使得较低功率的经调制的光学信号被耦合至较短的光学介质而较高功率的经调制的光学信号则被耦合至较长的光学介质。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及信息和通信技术系统，更具体地涉及用于信息 和通信技术系统的灵活光源供应。

背景技术

用于常规的信息和通信技术(ICT)系统的机架包括通常具有被 光学接口所使能的单独模块的线卡。该模块能够被光学互连以建立超 高速数据交换链路。用于线卡上的光学通道的光源供应由外部激光器 阵列经由光学前面板所使能。该前面板配备有用于聚合的光学通道的 I/O(输入/输出)端口。每个线卡被插入电气底板以访问底板的低速 控制单元、电源管理和电源。高速数据传输经由光学前面板而被使能。 光学I/O通道能够从前面板经由光纤电缆连接至相同机架中的另一个 线卡，或者连接至该机架中的光学交叉连接(OXC)单元。该OXC 单元中的附加端口能够建立机架间的光学互连。基于系统链路要求， 光学I/O通道应当被设计为以各种层级水平进行互连，诸如相同线卡 上的模块至模块、相同机架中的线卡至线卡、相同机架中的线卡至 OXC(光学交叉连接单元)至线卡、以及机架至机架。距离范围可以 从毫米(mm)到千米(km)变化。

关于系统成本、功耗和可扩展性的考虑，光学放大器在这样的系 统中的使用优选地被最小化。结果，光学链路功率预算是取决于每种 具体互连要求的因素，这通常被光纤和波导传播损耗、诸如耦合器和 调制器的光电设备插入损耗以及中间路由器和交换机中的附加损耗 所限制。通常，具有较多光电设备的较长距离的链路具有较高的光学 损耗并且需要较高的链路预算。

基于硅光子的光学互连为ICT系统提供了各种优势。然而，高密 度线卡上的发热问题是电子和光电器件的单片集成的主要问题所在。 从系统布置和维护的角度来看，有效的设备安装过程、设备更换和冗 余要求都更偏向于外部激光器阵列作为光源供应的解决方案。此外， 由于光纤、波导和其它无源及有源光电设备所引起的传播和插入损 耗，不同类型的互连的光学链路预算能够从0至30dB而有所变化。 将过高功率的光源用于非常短的链路既非必要也并不具备成本效益。 另一方面，针对每条链路应当满足最低功率预算。优选的是将标准的 集成激光器阵列用于各种光学互连情形以实现功率高效且具备成本 效益的解决方案。因此，期望一种在ICT系统中使用标准集成激光器 阵列的距离自适应的光线提供解决方案。

发明内容

这里所描述的实施例提供了一种有效的光源分布方案，其基于互 连范围和规模对ICT系统的个体光学通道功率供应进行智能调节。为 此，在灵活光源配置的功率分配器中使用可变比率的光学耦合器。每 个光学耦合器的耦合比率能够通过改变耦合面积的折射率或者通过 改变相邻耦合光纤或波导之间的有效耦合长度或间隙而变化。根据每 个通道的预算要求，相对应数量的光学功率能够从外部激光源进行分 布。激光器阵列能够被用于各种互连链路的情形中的光源供应。

根据机架的一个实施例，该机架包括多个连续波激光器，它们均 能够进行操作用于以与其它激光器相同的功率发射连续波光束；和多 个光学耦合器，其能够进行操作用于输入相同功率的连续波光束并且 以不同功率输出多个连续波光束。该机架进一步包括多个光学组件， 其能够进行操作用于将不同功率的连续波光束以不同功率调制为多 个经调制的光学信号并且将该经调制的光学信号耦合到不同长度的 光学介质上而使得较低功率的经调制的光学信号被耦合至较短的光 学介质而较高功率的经调制的光学信号被耦合至较长的光学介质。

根据经由包括多个连续波激光器、多个光学耦合器和多个光学组 件的机架进行光学通信的方法的实施例，该方法包括：经由该连续波 激光器以相同的功率生成多个连续波光束；经由该光学耦合器从该相 同功率的连续波光束以不同功率生成多个连续波光束；经由该光学组 件将该不同功率的连续波光束以不同功率调制为多个经调制的光学 信号；并且经由该光学组件将该经调制的光学信号耦合到不同长度的 光学介质上而使得较低功率的经调制的光学信号被耦合至较短的光 学介质而较高功率的经调制的光学信号被耦合至较长的光学介质。

本领域技术人员在阅读以下详细描述以及察看附图时将会认识 到另外的特征和优势。

附图说明

附图中的要素并非必然相对于彼此依比例绘制。同样的附图标记 指代相对应的类似部分。所图示的各个实施例的特征能够进行组合， 除非它们互相排斥。实施例在图中进行描绘并且在随后的描述中进行 详述。

图1是在ICT系统中提供有效光源分布的机架的实施例的示图。

图2是在ICT系统中的有效光源分布的方法的实施例的流程图。

图3是在ICT系统中提供有效光源分布的机架中所包括的光学耦 合器的实施例的示图。

图4A至4D图示了在ICT系统中提供有效光源分布的机架中所 包括的光学耦合器的功率分配配置的各个实施例。

图5是在ICT系统中提供有效光源分布的机架中所包括的光学耦 合器的另一个实施例的示图。

图6A至6D图示了在ICT系统中提供有效光源分布的机架中所 包括的光学耦合器的波导耦合配置的各个实施例。

具体实施方式

作为非限制示例，图1图示了用于在ICT系统中使用的机架100 的实施例。机架100包括线卡102，其具有由光学接口106所使能的 单独模块104。模块104能够被光学互连以建立超高速数据交换链路。 线卡102上的光学通道的光源供应由机架100中所包括的激光器阵列 110所使能。激光器阵列110包括多个连续波(CW)激光器，每个 连续波激光器均能够进行操作而以与其它激光器相同的功率发射连 续波光束112(步骤200，图2)。每个线卡102具有光学前面板114， 其配备有用于聚合的光学通道的光学I/O(输入/输出)端口116、118。 每个线卡102被插入电气底板120中以访问底板的低速控制单元、功 率管理和电源(未示出)。高速数据传输经由光学前面板114而被使 能。光学I/O通道能够经由光纤122从前面板114连接至相同机架100 的另一个线卡102，或者连接至机架100中的光学交叉连接(OXC) 单元124。OXC单元124中的一些端口126还能够建立机架间的光学 互连。机架100的光学I/O通道能够以各种层级水平进行互连，诸如 相同线卡102上的模块至模块，相同机架100中的线卡至线卡，相同 机架100中的线卡至OXC单元至线卡，以及机架至机架。

机架100具有有效的光源分布方案，其基于互连范围和规模对个 体光学通道功率供应进行智能调节。为此，机架100包括多个用作灵 活光源供应功率分配器的光学耦合器128。如图1中的虚线所指示的， 光学耦合器128能够作为激光器阵列110或线卡102的一部分或者与 之集成，或者作为单独部件。也就是说，光学耦合器128可以是激光 器阵列复合体110的一部分或者是线卡102的一部分，例如单片集成 到线卡102的光学模块104中或者作为线卡102的单独光学部件。

在每种情况下，光学耦合器128输入来自CW激光器组的相同的 功率的多个CW光束112，并且以不同功率输出(生成)多个CW光 束(步骤210、图2)。如果光学耦合器128包括在激光器阵列复合 体110中，则由光学耦合器128生成的不同功率的CW光束能够经由 光纤122运送至线卡102。备选地，波导108能够在线卡102上提供， 以用于在光学耦合器128在线卡102上提供时将光学耦合器128输出 的不同功率的CW光束运送到线卡102上的不同光学模块104。在又 一实施例中，光学耦合器128可以安置在机架100中、与激光器阵列 110和线卡102不同的部分中。

线卡102是一种类型的光学组件，每个包括布置在卡130上的多 个光学模块104。每个卡130上的至少一个光学模块104将由对应的 光学耦合器128输出的不同功率的CW光束以不同功率调制为多个经 调制的光学信号(步骤220、图2)。相同或不同的光学模块104将 经调制的光学信号耦合至不同长度的光学介质上，使得光学组件能够 将较低功率的经调制的光学信号耦合至较短的光学介质，并且将较高 功率的经调制的光学信号耦合至较长的光学介质(步骤230、图2)。

例如，一个光学模块104能够将来自对应的光学耦合器128的较 低功率的CW光束以与CW光束相同的较低功率调制为经调制的光学 信号，并且将该经调制的较低功率的光学信号耦合至光导108上，该 光导将光学模块104连接至相同的卡130上的另一光学模块104。以 此方式，根据本发明的实施例在同一卡130上支持短距离模块到模块 光学通信。在另一示例中，一个光学模块104能够将来自对应的光学 耦合器128的较高功率的CW光束以相同的较高功率调制为经调制的 光学信号，并且将该经调制的较高功率的光学信号耦合至连接到线卡 102的外部光纤122上。该较高功率的经调制的光学信号能够具有中 间功率，使得根据此实施例支持中间距离的线卡到线卡光学通信(例 如经由OXC单元124)。较高功率的经调制的光学信号能够具有甚 至更高的功率，使得也支持长距离的机架到机架光学通信(其能够在 地理上分布)。

在每种情况下，光学耦合器128将激光器阵列110中所包括CW 激光器所生成的相同功率的CW光束和不同功率的CW光束之间进行 转换，而使得诸如相同机架100中所包括的线卡102之类的光学组件 可以对不同功率的CW光束进行调制并且基于功率水平将经调制的 光学信号耦合到不同长度的光学介质108、122上。例如，较低功率 的经调制的光学信号能够被耦合至线卡102上的波导108，而较高功 率的经调制的光学信号则能够耦合至较长距离的光纤122(例如，长 度为数十至数百米甚至数千米)。

图3图示了机架100中所使用的光学耦合器128的实施例。根据 该实施例，光学耦合器128是可变的4×4光学功率分配器模块300。 该可变光学功率分配器300在一个实施例中是Mach-Zehnder干涉计。 在另一个实施例中，该可变光学功率分配器300是定向耦合器或多模 式干涉耦合器。可变光学功率分配器300可以利用不同技术来实现， 包括可变透射/反射膜、可变纤维耦合长度、声光学、基于 Mach-Zehnder干涉计的技术，等等。

在每种情况下，都能够使用多达四个的CW激光器输入源(激光 1，...，激光4)用于对可变4×4光学功率分配器300的四个个体光 学通道302进行供电。根据给定输出通道(输出1，...，输出4)所指 定的距离和链路预算，相对应数量的光学功率能够被分布为使得调制 信号能够以足够的功率—即，以作为示例的2至3dB的可接受余量 高于光接收器的敏感度—到达处于其它端点的指定光接收器。

例如，当仅需要内部模块数据通信时(即，最小链路预算)，仅 需要四个CW激光器输入源中的一个对可变4×4光学功率分配器300 的全部四个通道进行馈送。因此，其它三个CW激光器单元能够被解 激活，或者为了冗余/替换而保留，或者被断开连接。在另一种情形中， 当建立机架间的数据通信链路时，所有四个CW激光器输入源都被用 来对4×4分配器300的每个个体光学通道302进行馈送。

图4A至4D示出了可变4×4光学功率分配器300的不同功率分 配配置。在图4A中，来自CW激光器的单个CW光束(激光1)被 输入到4×4光学分配器300。光学分配器300以输入功率的四分之一 (1/4)输出四个CW光束(输出1，...，输出4)。在图4B至4D中， 来自激光器阵列110之一的相同功率的至少两个CW光束被输入到4 ×4光学分配器300，并且分配器300以与输入相同的功率输出与输 入相同数量的CW光束，或者以比输入低的功率输出比输入少的CW 光束。例如，在图4B中，相同功率的两个CW光束(激光1和激光 4)被输入到4×4光学分配器300，并且分配器300均以输入功率的 一半(1/2)输出四个CW光束(输出1，...，输出4)。在图4C中， 相同功率的四个CW光束(输出1，...，输出4)被输入到4×4光学 分配器300，并且分配器300均以输入功率输出四个CW光束(输出 1，...，输出4)。在图4D中，相同功率的两个CW光束(激光1和 激光2)被输入到4×4光学分配器300，并且分配器300输出四个 CW光束。两个光学输出(输出3和输出)处于输入功率的四分之一 (1/4)，第三个(输出2)为输入功率的一半(1/2)并且第四个(输 入1)则处于全部输入功率。

可变4×4光学功率分配器300具有不同耦合区304，它们对分配 器300的相邻波导302之间的耦合数量有所影响。每个耦合区304所 提供的耦合数量决定了有多少输入功率在不同输出通道之间进行分 配。每个耦合区304的耦合比率能够从0％至100％进行变化以实现所 期望的输出通道功率水平。耦合比率(例如，100％、50％等)在图 4A至4D中在每个耦合区304之后示出。CW激光器源110能够被假 设为是均匀的并且具有被归一化为单位的相同的固定光学功率。因 此，分布至4×4分配器300的每个输出端口(输出1，...，输出4) 的功率能够从0至1发生变化(0表示没有功率，并且1表示全部激 光功率)。基于每个个体通道的链路预算要求，适当的功率分配(处 于0和1之间)能够由灵活功率分配器300分布。

在其它实施例中，替代具有四个波导(多达4个输入和4个输出) 的可变4×4光学功率分配器或者除此之外，使用具有两个波导(多 达2个输入和2个输出)的可变2×2光学功率分配器。可变2×2光 学耦合器模块能够通过定向耦合器或多模式干涉(MMI)类型的耦合 器、利用熔/锥光纤或者集成的光学波导来实现。该光纤/波导的折射 率、耦合长度和/或两个波导/光纤之间的间隙能够有所变化以改变两 个输出之间的耦合比率，因此改变相应通道的光学输出功率。

图5图示了在机架100中使用的光学耦合器128的另一个实施例。 根据该实施例，光学耦合器128是可变8×8光学功率分配器400。该 实施例类似于图3所示的实施例，然而，分配器400具有用于从激光 器阵列110之一接收多达8个相同功率的CW光束(激光1，...，激 光8)并且以与输入相同的功率输出与输入相同数目的CW光束或者 以比输入低的功率输出比输入少的CW光束的八个波导402。可变8 ×8光学功率分配器400具有不同耦合区404，它们对分配器400的 相邻波导402之间的耦合数量有所影响。每个耦合区404所提供的耦 合数量决定了有多少输入功率在不同输出通道之间进行分配。如之前 这里所描述的，每个耦合区404的耦合比率能够从0％至100％进行变 化以实现所期望的输出通道功率水平。在一些实施例中，如接下来更 为详细描述的，耦合的数量能够进行编程和重新配置。

图6A至6D图示了n×n的可变光学功率分配器中所包括的两个 相邻波导500的不同实施例。在一个实施例中，波导500被布置在半 导体衬底上。通常，一个或多个耦合区在波导500的长度上提供于相 邻波导500之间。每个耦合区所提供的耦合数量能够进行编程或重新 配置以调节波导500所运送的CW光束的功率。在一个实施例中，波 导500的折射率、波导500的耦合长度(Lc)和/或波导500之间的 耦合间隙(g)能够进行修改而使得该n×n光学功率分配器的输出之 间的功率耦合比率能够有所变化。

图6A图示了光纤热光学可变定向耦合器的实施例。金属合金4、 5的薄膜被布置在波导500上。当来自外部电源3的电流通过上部或 下部金属合金4、5时，合金4、5将耦合区6加热并且因此增大该区 域中的折射率。耦合区6还具有有效耦合长度Lc。耦合系数κ是波 导500的镀层与周边介质(例如，空气)之间的相对率差的函数。κ 的变化导致了输入端口1和输出端口2之间所期望的耦合比率。

图6B图示了可变定向耦合器的另一个实施例。根据该实施例， 耦合比率能够以机械方式进行改变。一个或多个微致动器9被提供在 耦合区10之中以改变相邻波导500之间的间隙(g)。耦合系数κ作 为间隙g+/-Δg的函数而变化，其中+/-Δg是微致动器9所引起的间隙 的变化量，这在输入端口7和输出端口8之间导致了所期望的耦合比 率。

图6C图示了硅混合波导多模式干涉耦合器的实施例。该耦合器 利用布置在顶部的金属触点14将CW光发射到对称多模式(MM) 波导13中。对称MM波导13被布置在硅质衬底15上。这允许经由 金属触点14对不同部分应用电流偏置，从而利用在对称MM波导13 中导致负折射率变化的载体相关等离子效应。诸如温度相关折射率变 化之类的其它方法也能够被用作一种备选来获得正的率变化，这在输 入端口11和输出端口12之间导致了所期望的耦合比率。

图6D图示了基于间隙可变机制的硅波导可变耦合器18的实施 例。在硅质衬底21上开发的相邻波导500之间的间隙(g)能够随一 个或多个静电微致动器19而变化以控制耦合比率，这是因为耦合系 数κ作为耦合区20中的两个波导50之间的间隙g+/-Δg的函数而变化。 外部梳状驱动器能够被用来改变应用于(多个)微致动器19的电压， 这在输入端子16和输出端子17之间导致了所期望的耦合比率。硅 CMOS(互补金属氧化物半导体)光子兼容可变光学耦合器技术能够 被用于大规模ICT系统中的单片集成，因为这些类型的耦合器能够以 非常紧凑的亚毫米尺寸来制造。

诸如“第一”、“第二”等的术语被用于描述各种元件、分区、 分段等，而并非意在作为限制。同样的术语在描述中始终指代同样的 要素。

如这里所使用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括” 等是开放端点术语，其指示存在所提到的要素或特征而并不排除另外 的要素或特征。除非上下文明确另外指出，否则冠词“一个”、“一” 和“该”意在包含复数以及单数。

所要理解的是，除非另外特别指出，否则这里所描述的各个实施 例的特征可以互相组合。

虽然这里已经对图示并描述的具体的实施例，但是本领域技术人 员所要意识到的是，各种替换和/或等效实现方式可以替换所示出并描 述的具体实施例而并不背离本发明的范围。本申请意在覆盖这里所讨 论的具体实施例的任何调适或变化。因此，本发明仅由权利要求及其 等效形式所限定。