DE112018002904T5 - Integrierter Optischer WDM-Transceiver - Google Patents

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Abstract

Ein integrierter optischer WDM-Transceiver (Wavelength Division Multiplexing), der folgende Elemente umfasst: (1) eine Lichtquelle, (2) eine Anordnung von Fotodioden, die auf eine Mehrzahl optischer Signale ansprechen und daraus eine Mehrzahl elektrischer Signale über eingegangene Informationen bilden, und (3) ein integriertes Fotonikmodul (IFM), umfassend Übertragungs- und Empfangskomponenten, die zur Gewährleistung von Transceiver-Funktionalitäten erforderlich sind. Die Übertragungskomponenten umfassen einen Demultiplexer, eine elektro-optische Modulatoranordnung und einen Multiplexer, um eine Mehrzahl modulierter optischer Signale zu einem einzelnen Ausgangssignalweg als Transceiver-Ausgang zu kombinieren. Die Empfangskomponenten umfassen einen Demultiplexer, der auf ein eingehendes WDM-Signal anspricht, um jede Wellenlängenkomponente zu trennen und eine Mehrzahl empfangener optischer Signale zu erzeugen.

Description

  • Querverweis auf verwandte Anmeldungen
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 07.06.2017 eingereichten provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/516349 , die als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gilt.
  • Fachgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Transceiver und, im Einzelnen, einen optischen WDM-Transceiver (Wavelength Division Multiplexing), der relativ kompakt ausgestaltet ist und eine minimale Anzahl getrennter Komponenten benötigt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Viele der heutige optischen Kommunikationssysteme basieren auf dem Einsatz von WDM, bei dem mehrere Informationsignale von getrennten Wellenlängen auf einem Kommunikationsmedium (z.B. Lichtleitfaser) getragen werden. Die WDM-Kommunikation ermöglicht eine Zunahme der Anzahl der getrennten Informationssignale, die über einen bestimmten Signalweg gesendet (und empfangen) werden können. Bei einem WDM-Transceiver werden Laser, die bei unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden, von einzigartigen elektrischen Datensignalen getrennt moduliert und erzeugen eine Mehrzahl optischer Informationssignale, die dann multiplexiert und auf einem gemeinsamen Ausgangssignalweg übertragen werden.
  • Um all diese getrennten modulierten optischen Signale über einen einzelnen optischen Wellenleiter (Faser) zu übertragen, werden die getrennten modulierten optischen Signale typischerweise als Eingänge in einen optischen Wellenlängenmultiplexer (WDM) angewendet, der die ganzen Signale zwecks Übertragung auf einem gemeinsamen optischen Ausgangssignaleweg zusammenfasst. Bei mindestens einer Ausführungsform kann der optische WDM in Form einer Guided-Wave-Struktur (z.B. einer AWG-Struktur (Arrayed Wavelength Grating)) vorliegen, d.h. eine passive Vorrichtung, die die kontrollierte Multiplexierung der verschiedenen optischen Wellenlängen ermöglicht.
  • Mindestens ein Problem bei der bekannten typischen Ausgestaltung liegt darin, dass mehrere diskrete Komponenten benötigt werden, insbesondere getrennte Laserquellen für jede mit dem System verbundene Wellenlänge. Insbesondere muss jede getrennte Laserquelle mit einem optischen Wellenleitereingang in den ihr zugeordneten Modulator getrennt ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung muss über die Lebensdauer des Transceivers aufrechterhalten werden, was infolge alterungsbedingter Änderungen, veränderter Umweltbedingungen u. dgl. problematisch sein kann. Außerdem muss die Betriebswellenlänge jedes Lasers einzeln (und kontinuierlich) geregelt werden, um innerhalb eines ausgewählten Spektrums für den jeweiligen „Kanal“ des WDM-Systems zu bleiben. Der Einsatz getrennter Laserquellen benötigt auch eine relativ große Packung, um die verschiedenen Komponenten alle unterbringen zu können. Optische Kommunikationsgeräte unterliegen weiterhin Anforderungen nach der Verwendung relativ kleiner „Packungs-Fußabdrücke“, was das Erfordernis getrennter Lasermodule problematisch macht.
  • Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, anstelle diskreter Laservorrichtungen eine integrierte Laserdiodenanordnung einzusetzen, die als einzelner Chip gefertigt ist. Der Einsatz einer Anordnung von Laserdioden, die jeweils bei einer unterschiedlichen Wellenlänge betrieben werden, kann eine Lösung zur Reduzierung der Anzahl der Ausrichtungen darstellen. Eine derartige Anordnung ist jedoch typischerweise mit höheren Kosten verbunden als die Summe der Kosten der einzelnen Laserdioden (was mit der inhärent geringen Ausbeute der Laseranordnungschips zusammenhängt). Tatsächlich müsste man den ganzen Laseranordnungschip wegwerfen, wenn auch nur ein einziger Laser ausfällt. Außerdem gestaltet sich die Fertigung von Mehrwellenlängen-Laseranordnungschips komplizierter und somit auch teurer als die Fertigung einer Laseranordnung mit Vorrichtungen, die alle bei derselben Wellenlänge emittieren. Angesichts all dieser Unzulänglichkeiten ist eine Laseranordnung typischerweise keine tragfähige Lösung für Systeme, bei denen vier oder mehr Wellenlängen benutzt werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die nach wie vor vorhandenen Bedürfnisse werden von der vorliegenden Erfindung erfüllt, die einen optischen Transceiver und, im Einzelnen, einen optischen WDM-Transceiver (Wavelength Division Multiplexing) betrifft, der relativ kompakt ausgestaltet ist und eine minimale Anzahl getrennter Komponenten benötigt.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform liegt die vorliegende Erfindung in Form eines integrierten optischen WDM-Transceivers, der folgende Elemente umfasst: (1) eine Lichtquelle, (2) eine Anordnung von Fotodioden, die auf eine Mehrzahl optischer Signale ansprechen und daraus eine Mehrzahl elektrischer Signale über eingegangene Informationen bilden, und (3) ein integriertes Fotonikmodul (IFM), das sowohl optische und elektro-optische Komponenten, die mit der Übertragung zusammenhängen, als auch optische Komponenten, die mit dem Empfang zusammenhängen, umfasst. Das IFM kann in einem beliebigen geeigneten Halbleitermaterialsystem, insbesondere in Modulen auf Siliziumbasis, auf InP-Basis und auf GaAs-Basis, ausgeführt werden. Die Übertragungskomponenten umfassen einen Wellenlängendemultiplexer (WDD) zum spektralen Teilen des eingehenden Lichtstrahls in einen Satz getrennter optischer Wellenlängenkomponenten, einen elektro-optische Modulatoranordnung, die mit dem Satz getrennter optischer Wellenlängenkomponenten gekuppelt ist und auf einen Satz eingehender elektrischer Informationssignale reagiert, um eine Mehrzahl modulierter optischer Signale zu erzeugen, und einen Wellenlängenmultiplexer (WDM), um die Mehrzahl optischer Signale des Modulators zu einem einzelnen Ausgangssignalweg als multiplexiertes optisches Signal zusammenzufassen, das als Transceiver-Ausgang gesendet wird. Die optischen Empfangskomponenten umfassen einen WDD, der auf ein eingehendes WDM-Signal reagiert, um jede Wellenlängenkomponente im eingehenden WDM-Signal zu trennen und eine Mehrzahl eingegangener optischer Signale zu erzeugen, die danach als Eingang in die Fotodiodenanordnung zur Umwandlung in einen Satz eingegangener elektrischer Informationssignale angewendet wird.
  • Weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung unter Verweis auf beiliegende Zeichnungen.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • ein Diagramm eines bekannten optischen WDM-Transceivers,
    • ein Diagramm auf hoher Ebene eines erfindungsgemäßen integrierten optischen WDM-Transceivers, der ein IFM verwendet.
    • ein beispielhaftes AWG (Arrayed Waveguide Grating), das als Guided-Wave-Version entweder eines WDM oder eines WDD beim erfindungsgemäßen integrierten WDM-Transceiver nützlich ist.
    • eine beispielhafte Blazegitter-Vorrichtung, die als Freiraum-Version entweder eines WDM oder eines WDD beim erfindungsgemäßen integrierten WDM-Transceiver nützlich ist,
    • eine beispielhafte monolithische elektro-optische Modulatoranordnung, die mit dem erfindungsgemäßen IFM-Teil verbunden und als Teil davon definiert werden kann,
    • ein Diagramm einer beispielhaften Breitband-Lichtquelle, die als Teil des integrierten optischen WDM-Transceivers verwendet werden kann.
    • eine graphische Darstellung des von der Konfiguration der erzeugten ASE-Spektrums und
    • eine detaillierte Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines IFM des erfindungsgemäßen integrierten optischen WDM-Transceivers.
  • Ausführliche Beschreibung
  • zeigt eine typische bekannte Transceiver-Konfiguration, die zur optischen WDM-Kommunikation verwendet wird. Bei dieser Anordnung wird eine Mehrzahl von N getrennten Laserquellen 1 dazu benutzt, um die Mehrzahl von N getrennten Wellenlängen bereitzustellen, die zur Unterstützung der Übertragung von N unterschiedlichen Datensignalen verwendet werden. D.h. jede getrennte Laserquelle 11 , 12 , ... , 1N ist besonders dazu konfiguriert, um bei einer unterschiedlichen Wellenlänge λ1 , λ2 , ... , λN betrieben zu werden. Jeder getrennte Lichtstrahl wird als optischer Eingang in einen zugeordneten elektro-optischen Modulator 21 , 22 , ... , 2N angewendet. Elektrische Signale, die die zu übertragenden Informationen (Daten) tragen (gezeigt als D1 , D2 , ..., DN in ) werden auf den entsprechenden optischen Modulator 2i angewendet und zur Erzeugung eines modulierten optischen Ausgangssignals (bei der jeweiligen Wellenlänge) verwendet, was an sich hinreichend bekannt ist. Die Gruppe der modulierten optischen Signale durchläuft dann eine WDM-Konfiguration 3 und wird in einen gemeinsamen optischen Ausgangssignalweg 4 (z.B. Lichtleitfaser oder LWL) eingekoppelt.
  • Der Empfangsteil des bekannten Transceivers besteht aus einem optischen WDD 5, der in der Abbildung mit einem einzelnen eingehenden optischen Signalweg 6 gekuppelt ist. Das eingegangene eingehende Signal entlang dem Weg 6 umfasst eine Mehrzahl eingegangener optischer Signale OR1 , OR2 ... RN (die jeweils bei unterschiedlicher Wellenlänge betrieben werden). Der optische WDD 5 richtet jede Wellenlänge entlang eines getrennten Ausgangssignalwegs 7, wobei jeder Weg mit einer getrennten optoelektronischen Empfangsvorrichtung (d.h. getrennten Fotodioden (81 - 8N ) gekuppelt ist, um den Satz optischer Signale in elektrische Äquivalenten umzuwandeln, die als R1 , R2 ,... RN dargestellt sind.
  • Während die in dargestellte Anordnung als WDM-Transceiver akzeptabel funktioniert, führt die Anzahl der getrennten Komponenten sowie der getrennten Ausrichtungen zwischen den Komponenten zu einer Konfiguration, die relativ groß und mit hohen Herstellungskosten verbunden ist.
  • zeigt einen beispielhaften integrierten optischen WDM-Transceiver 10, der gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Wie nachstehend beschrieben, umfasst die „integrierte“ Ausgestaltung des optischen Transceivers 10 einen ersten integrierten Chip 12 (der als Halbleiter-IFM ausgebildet ist), der den kompletten Satz aktiver und passiver optischer Komponenten umfasst, die zur optischen WDM-Kommunikation verwendet werden, einen zweiten integrierten Chip 14, der eine Breitband-Lichtquelle umfasst, die vom IFM 12 dazu verwendet wird, um einen Wellenlängensatz zur Übertragung zu erzeugen, und einen dritten integrierten Chip 16, der eine Photodetektoranordnung zur Gewinnung eingehender (empfangener) Signale umfasst. Während bei verschiedenen bekannten optischen Transceiver-Konfigurationen eine oder mehrere der auf diesen drei integrierten Chips vorhandenen Komponenten Einsatz finden können, gibt es keine bekannte Anordnung, bei der die erforderlichen Funktionalitäten in der in gezeigten Form integriert worden sind.
  • Das IFM 12 umfasst, wie nachstehend näher beschrieben wird, einen WDM sowie ein Paar WDDs, die in Kombination mit einer elektro-optischen Modulatoranordnung dazu benutzt werden, um: (1) ein optisches WDM-Ausgangssignal aus dem „Sender“-Teil des Transceivers 10 zu erzeugen und (2) ein eingegangenes WDM-Signal im „Empfänger“-Teil des Transceivers 10 in seine mehreren Wellenlängenkomponenten zu demultiplexieren. In der Abbildung umfasst der Senderteil des IFM 12 einen WDD 30, eine elektro-optische Modulatoranordnung 34 und einen WDM 38, die der Abbildung entsprechend angeordnet sind. Der Empfängerteil des IFM 12 umfasst in der Abbildung einen WDD 42. Einzelheiten dieser verschiedenen Elemente werden im Anschluss an diese erste Beschreibung der Elemente des integrierten WDM-Transceivers 10 nachstehend beschrieben. Ferner versteht es sich, dass das IFM 12 aus einem beliebigen geeigneten Halbleitermaterialsystem ausgebildet werden kann, so insbesondere aus Silizium, InP oder GaAs.
  • Wie in gezeigt, sind bei dieser konkreten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die optischen Ausgangs- („WDM OUT“) und Eingangswege („WDM IN“) des integrierten WDM-Transceivers 10 entlang einer gemeinsamen Modulschnittstelle angeordnet, die als erste gemeinsame Schnittstelle 20 des IFM 12 dargestellt ist. Im Einzelnen wird gezeigt, wie ein optischer Ausgangssignalweg 18, der WDM OUT trägt, entlang der ersten gemeinsamen Schnittstelle 20 austritt, und ein optischer Eingangssignalweg 22 (der die Ausbreitung von WDM IN unterstützt) in das IFM 12 entlang der ersten gemeinsamen Schnittstelle 20 eingekoppelt ist. Weiterhin wird in eine Breitband-Lichtquelle 14 zur Bereitstellung eines optischen Breitband-Eingangssignals I (das mehrere Wellenlängen umfasst) verwendet, das in einen im IFM 12 entlang einer zweiten gemeinsamen Schnittstelle 26 angeordneten LWL 24 eingekoppelt ist. Entlang der zweiten gemeinsamen Schnittstelle 26 befindet sich ebenfalls eine Mehrzahl integrierter Wellenleiter 28, die der Beschreibung entsprechend zur Unterstützung der Ausbreitung von demultiplexierten eingegangenen optischen Signalen verwendet wird. Dieser Satz von demultiplexierten optischen Signalen wird danach als getrennte Eingänge in den dritten Chip 16 (der derart ausgebildet ist, dass er eine Mehrzahl Fotodioden 17 oder sonstige Lichterkennungselemente umfasst) angewendet.
  • Wie nachstehend in Verbindung mit der Beschreibung der und beschrieben wird, wird ein optisches Breitband-Eingangssignal I derart erzeugt, dass es eine Mehrzahl getrennter Wellenlängen λ1 , λ2 , ... , λN umfasst, wobei jede Wellenlänge zur Unterstützung der Ausbreitung eines getrennten Datensignals verwendet wird. Wie in gezeigt, wird dieses optische Breitband-Eingangssignal I vom BLS 14 erzeugt und als Eingang in einen ersten WDD 30 angewendet, der im IFM 12 integriert ist. Insbesondere kann der erste Demultiplexer 30 in Form einer GW-Konfiguration (z.B. eine AWG-Komponente, die nachstehend in Verbindung mit beschrieben wird) oder einer Freiraum-Konfiguration (z.B. ein Blazegitter, das nachstehend in Verbindung mit beschrieben wird). Ungeachtet der konkreten Konfiguration bewirkt der erste WDD 30 eine räumliche Trennung der verschiedenen Wellenlängenkomponenten des Breitband-Eingangsstrahls und lanciert jede Wellenlängenkomponente auf einen eigenen getrennten (integrierten) LWL; diese sind in der als LWL 321 - 32N dargestellt.
  • Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird dieser optische Eingangssatz in eine monolithische integrierte elektro-optische Modulatoranordnung 34 eingekoppelt, die derart ausgebildet ist, dass sie eine Mehrzahl getrennter elektrooptischer Modulatoren 341 - 34N umfasst, wobei jeder optische Strahl mit unterschiedlicher Wellenlänge als Eingang in einen getrennten Modulator angewendet wird. Bei einem Ausführunsbeispiel ist die elektro-optische Modulatoranordnung 34 als monolithisches Modul ausgebildet (umfassend Wellenleiter, Elektroden, Kupplungsanordnungen, usw.), das danach auf den im IFM 12 ausgebildeten integrierten Wellenleitern (z.B. einem mit dem IFM 12 verbundenen Flip-Chip) montiert und mit diesen gekuppelt wird. Nachstehend wird eine beispielhafte elektro-optische Modulatoranordnung 34 in Verbindung mit beschrieben. Ferner zeigt die eine Reihe getrennter elektrischer Informationssignale D1 - DN , die als Eingänge in den monolithischen elektro-optischen Modulator 34 angewendet werden. Die Datensignale werden zur Modulation der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet, was eine Mehrzahl modulierter optischer Signale als Eingänge der getrennten Modulatoren 341 - 34N erzeugt. Es bedarf keiner aktiven Ausrichtung, um die optischen Eingänge in die elektro-optischen Modulatoren einzukoppeln.
  • Nun wird weiterhin die in das IFM 12 integrierte Funktionalität beschrieben. Die Mehrzahl von modulierten optischen Signalen, die vom monolithischen elektro-optischen Modulator 34 erzeugt wird, wird dann in getrennte LWL 361 - 36N eingekoppelt, die im IFM 12 ausgebildet sind, wobei diese modulierten Signale danach als getrennte Eingänge in einen optischen WDM 38 angewendet werden. Der Multiplexer 38 fasst (d.h. Wellenlängenmultiplexierung) die bei unterschiedlicher Wellenlänge betriebenen Signale auf dem Ausgangssignalweg 18 als das gesendete optische WDM-Ausgangssignal zusammen, das vom optischen WDM-Transceiver 10 erzeugt wird. Wie oben erwähnt und nachstehend näher beschrieben, können die Demultiplexer, der Multiplexer und der Modulator alle als Teil eines IFM ausgebildet werden, wodurch die erforderliche Funktionalität in einer relativ kleinen, kompakten Anordnung bereitgestellt wird. Indem das IFM 12 aus einem geeigneten Materialsystem (z.B. Silizium, InP oder GaAs) gebildet wird, können diese Vorrichtungen und Wellenleiter in eine derart kompakte Anordnung integriert werden.
  • Was die in den „Empfangsteil“ des IFM 12 integrierten Komponenten betrifft, zeigt die einen Eingangssignalweg 22 (bei dem es sich um Faser, Wellenleiter, Freiraum oder dgl. handeln kann), der mit einem integrierten Wellenleiter 40 gekuppelt ist, der als Teil des IFM 12 ausgebildet ist, wobei der Wellenleiter 40 danach als Eingang in einen im IFM 12 ausgebildeten zweiten WDD 42 angewendet wird. Ähnlich dem ersten Demultiplexer 30 trennt der zweite Demultiplexer 42 die unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten im eingegangenen optischen Signal und stellt so jede Wellenlängenkomponente über einen getrennten integrierten Ausgangswellenleiter 281 - 28N bereit, wie oben beschrieben und in gezeigt. Jeder integrierte Wellenleiter 28 wird danach auf den dritten integrierten Chip 16 gerichtet, wie oben im Systemdiagramm der gezeigt.
  • Wie oben erwähnt, können die im IFM 12 eingesetzten WDDs und Multiplexer z.B. als GW- oder als Freiraum-Vorrichtung ausgebildet werden. zeigt eine beispielhafte GW-Vorrichtung, insbesondere eine AWG-Vorrichtung (Arrayed Waveguide Grating), die erfindungsgemäß entweder als Multiplexer oder als Demultiplexer verwendet werden kann. Zu Erläuterungszwecken wird die AWG-Vorrichtung der in Bezug auf ihre Demultiplexer-Funktionalität beschrieben. Allgemein bekannt ist, dass ein AWG eine integrierte Vorrichtung ist, die eine Anordnung von getrennten integrierten Wellenleitern 501 - 50N umfasst, die in einer Oberseite 52 einer Platte 54 aus optoelektronischem Material (die in diesem Fall die Oberfläche des IFM 12 umfassen kann) ausgebildet sind. In der Oberseite 52 sind ebenfalls ein Eingangswellenleiter 56 und eine Mehrzahl Ausgangswellenleiter 58 ausgebildet. Der Eingangswellenleiter 56 unterstützt die Ausbreitung des optischen Breitband-Eingangs I (der im zweiten integrierten Chip 14 erzeugt wird, siehe ). Der Eingangswellenleiter 56 endet in einem ersten Freiraumbereich 60, der die Ausbreitung unterschiedlicher Wellenlängen bei unterschiedlicher Geschwindigkeit ermöglicht, wobei jede danach in einen getrennten Wellenleiter der Anordnung 50 eingekoppelt wird. Jeder Wellenleiter ist derart ausgebildet, dass er eine unterschiedliche Wellenlänge umfasst und die sich ausbreitenden Signale also mit einer unterschiedlichen Phasenverschiebung versieht. Die Mehrzahl Ausgangssignale aus der Anordnung 50 durchläuft dann einen zweiten Freiraumbereich 62, der die einzelnen Wellenlängenkomponenten auf an sich bekannte Weise aufteilt, wobei jede Wellenlänge dann in den ihr zugeordneten integrierten Ausgangswellenleiter 58 lanciert wird.
  • Wie oben erwähnt, ist ein AWG eine passive optische Vorrichtung, die reziprok als Multiplexer fungiert. Mit anderen Worten kann eine Mehrzahl unterschiedlicher Signale, die bei unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden, als Eingänge in die Wellenleiter 58 bereitgestellt werden und die Freiraumbereiche und die Wellenleiteranordnung in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, wodurch alle unterschiedlichen Wellenlängenkomponenten auf den Wellenleiter 56 zusammengefasst und als Ausgang ein multiplexiertes optisches Signal bereitgestellt wird (so z.B. für den Multiplexer 38 der ).
  • Anstatt der GW-Konfiguration der kann im IFM 12 des integrierten WDM-Transceivers 10 ein Freiraum-Multiplexer/-Demultiplexer Einsatz finden. Die zeigt eine beispielhafte Freiraumkonfiguration 70; in diesem Fall wird zur Erzeugung der Mehrzahl von optischen Signalen mit getrennter Wellenlänge ein optisches Freiraum-Eingangssignal (aus BLS 14) bereitgestellt. Wie gezeigt, umfasst die Konfiguration 70 einen Kollimator 72, der mit dem eingehenden Breitbandstrahl in Interaktion tritt, um eine kollimierte Wellenfront W zu erzeugen. Die Wellenfront W wirkt anschließend auf eine Blazegitter-Struktur 74 ein, die in diesem Beispiel entlang einer gekrümmten Innenfläche eines Drehspiegels 76 ausgebildet ist. Bekanntlich kommt es zu unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen der Blaze-Konfiguration der Hirthverzahnungen, die die Gitter 74 bilden, und den unterschiedlichen Wellenlängen in einem Breitbandsignal, wodurch die Wellenlänge auf die dargestellte Weise aufgeteilt werden, um die Ausgangssignale bei den verschiedenen Wellenlängen bereitzustellen, die danach auf die oben beschriebene Weise in Wellenleiter 58 eingekoppelt werden.
  • Die zeigt einen Teil einer beispielhaften integrierten elektro-optischen Modulatoranordnung, die, wie oben beschrieben, ins IFM 12 eingegliedert werden kann. Insbesondere können Modulatoren als einzelne monolithische IC-Vorrichtungen ausgebildet werden, die danach flip-chip-artig auf die Oberseited es IFM 12 montiert werden. Wie in (und auch unter Verweis auf ) gezeigt, ist ein beispielhafter Eingangswellenleiter 32i als optischer Eingang in den Modulator 34i vorgesehen, wobei ein elektrisches Datensignal Di auf Elektroden 35 angewendet wird, die als Teil der Modulatorstruktur ausgebildet sind. Das Vorhandensein des elektrischen Signals wirkt auf bekannte Art, um als Ausgang des Modulators 34i ein moduliertes optisches Signal zu erzeugen. Das aus dem Modulator 34i austretende modulierte Signal wird dann in den diesem zugeordneten Ausgangswellenleiter 36i eingekoppelt.
  • Im Fazit ist der „erste Chip 12“ (d.h. PIM 12) erfindungsgemäß ausgebildet, um alle erforderlichen Funktionen eines optischen WDM-Transceivers bereitzustellen, insbesondere die Bildung einer Mehrzahl von N modulierten optischen Signalen, die auf einen einzelnen Ausgangssignalweg zu multiplexieren sind, und den Empfang eines in N getrennte eingegangene Signale zu demultiplexierenden optischen Signals. Die Möglichkeit, alle für das Übertragen wie für den Empfang erforderlichen Komponenten in ein einzelnes integriertes Fotonikmodul zu integrieren, bietet wichtige Vorteile in der Hinsicht, dass selbstjustierende Komponenten sowie die für Anwendungen mit kleinem Formfaktor erforderlichen kleinen Dimensionen bereitgestellt werden.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer Breitband-Lichtquelle (BLS) vorgeschlagen, um einen (inkohärenten) Mehrwellenlängen-Lichtstrahl bereitzustellen, der als Eingang in das IFM 12 zur Verwendung durch den WDD 30 angewendet wird, um die Mehrzahl getrennter Wellenlängen zur Verwendung im Sendeteil des erfindungsgemäßen optischen WDM-Transceivers zu erzeugen. Die Verwendung einer BLS anstelle mehrerer diskreter Laservorrichtung (oder einer integrierten Mehrdioden-Laseranordnung) ermöglicht die Herstellung eines kompakten, integrierten Transceivers mit Kosten, Leistung und Konfiguration, die für die meisten Systemanforderungen mit „kleinem Fußabdruck“ akzeptabel sind. Es versteht sich, dass die Ausführung einer Breitband-Laserquelle nur ein Konfigurationsbeispiel ist. Als Beispiel weiterer Lichtquellen können insbesondere Laserkammquellen, die eine Mehrzahl („Kamm“) Frequenzkomponenten erzeugen, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung als Laserquelle verwendet werden.
  • Die zeigt eine beispielhafte BLS-Quelle 14, die als Teil des integrierten WDM-Transceivers 10 verwendet werden kann. Bei dieser konkreten Ausführungsform handelt es sich bei der BLS-Quelle 14 um eine inkohärente Breitbandvorrichtung, die Licht über ein breites Spektrum emittiert. Zur Bereitstellung eines inkohärenten Breitband-Lichtstrahls können verschiedene Anordnungen benutzt werden, wobei ungekühlte LEDs hierzu verwendet worden sind. Weitere Konfigurationen zur Erzeugung eines Lichtstrahls dieser Art sind insbesondere EDFAs (Erbium-Doped Fiber Amplifiers), die dazu in der Lage sind, eine Breitband-Superlumineszenz bereitzustellen, wenn kein eingegebenes Informationssignal vorhanden ist (d.h. wenn nur eine Pump-Laserquelle durch einen Abschnitt mit erbiumdotierten Fasern durchgeleitet wird). Die zeigt ein Paar EDFAs 801 und 802 , die reihenmäßig angeordnet sind, um eine beispielhafte BLS-Quelle 14 zu bilden. In der Abbildung umfasst jeder EDFA einen Abschnitt aus erbiumdotierten Fasern 82 und eine Laser-Pumpquelle 84. Die Superlumineszenz-Rauscherzeugung und -verstärkung findet entlang beider Abschnitte aus erbiumdotierten Fasern 821 und 822 statt. Es hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von Verstärkerkaskaden ein relativ flaches Ausgangspektrum an Superlumineszenz, wie in gezeigt.
  • Da das in der dargestellte optische Spektrum über einen jeweiligen Frequenzbereich relativ flach ist (schattierter Bereich in ), können verschiedene getrennte Bänder zur Bereitstellung getrennter Kanäle beim vorgeschlagenen WDM-System verwendet werden, wobei jeder Kanal ähnliche optische Leistungsstufen aufweist. Bei diesem System wird das BLS 70 zugeordnete Spektrum vom AWG 30 im IFM 12 in N getrennte, gleichmäßig beabstandete Wellenlängenkanäle „geschnitten“. Insbesondere wird der erste WDD 30 zum Aufschneiden des Spektrums verwendet, wobei der Breitband-Lichtstrahl in getrennte Wellenlängenkanäle geteilt wird, die als λ1 , λ2 , ... , λN dargestellt sind (vgl. und ).
  • Es versteht sich, dass der Einsatz von EDFAs als BLS 14 lediglich ein Beispiel ist, und es können hierzu verschiedene andere Konfigurationen, insbesondere die Erzeugung eines optischen Superkontinuums aus HNLF (Highly Nonlinear optical Fiber), verwendet werden können. Außerdem können andere Lichtquellen (so z.B. Laserkammquellen) zur Bereitstellung des zur WDM-Kommunikation verwendeten Mehrwellenlängen-Eingangslichtstrahls benutzt werden. Vorteilhafterweise bietet der Einsatz der Kombination aus der BLS 14 und dem ersten Demultiplexer 30 eine kompakte Anordnung, die mehrere getrennte Wellenlängenkanäle bereitstellen kann, wobei auch der Einsatz eines Demultiplexers mit integrierten Gittern die gewünschte Trennung zwischen benachbarten Wellenlängenkanälen aufrechterhält, während nur eine einzige erste Ausrichtung der BLS 14 auf den ersten Demultiplexer 30 benötigt wird.
  • Nun wird wieder auf die verwiesen, in der der dritte integrierte Chip 16 als Empfangsteil des WDM-Transceivers 10 ausgebildet ist. Die aus dem zweiten WDD 42 austretenden demultiplexierten optischen Signale werden anschließend entlang einer Mehrzahl Wellenleiter 28 (die entlang der zweiten gemeinsamen Schnittstelle 26 aus dem IFM 12 austreten) als getrennte Eingänge angewendet. Dieser Satz von eingegangenen Signalen wird anschließend in einen Satz optischer Wellenleiter 45 eingekoppelt, die im dritten integrierten Chip ausgebildet sind, und wird anschließend als Eingang in eine Mehrzahl opto-elektronischer Vorrichtungen 17 (z.B. Fotodioden), die im dritten integrierten Chip 16 ausgebildet sind (siehe ). Fotodioden 17 wandeln die eingegangenen optischen Signale in elektrische Äquivalenten um, die dann als eingegangene/gewonnene elektrische Informationssignale R1 , R2 , R3 , ..., RN entlang elektrischer Signalewege (Leiter) 48 bereitgestellt werden.
  • Die zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten integrierten WDM-Transceivers. Hier wird zusätzliche Integration dadurch erzielt, dass die Funktionalität des dritten Chips 16 ins in als PIM 12A dargestellte IFM 12 eingegliedert wird.
  • Durch die Kombination eines empfängerseitigen Demultiplexers und eines senderseitigen Multiplexers, sowie die Eingliederung der Mehrzahl Modulatoren (und in manchen Fällen der empfängerseitigen Fotodioden) bieten die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen Integrationsgrad, der es ermöglicht, dass optische WDM-Transceiver mit kleinen Formfaktoranforderungen bei für Nutzer akzeptablen Kosten und Komplexität zu erfüllen.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dienen lediglich der Veranschaulichung. Der Schutzumfang der Erfindung soll also lediglich durch den Schutzumfang der beiliegenden Patentansprüche eingeschränkt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62516349 [0001]

Claims (16)

  1. Integrierter optischer WDM-Transceiver (Wavelength Division Multiplexing), umfassend: eine Lichtquelle zur Bereitstellung eines Mehrwellenlängen-Eingangsstrahls: eine Anordnung von Fotodioden, die auf eine Mehrzahl optischer Signale ansprechen und daraus eine Mehrzahl elektrischer Signale über eingegangene Informationen bilden, und ein integriertes Fotonikmodul (IFM), umfassend Übertragungs- und Empfangskomponenten, wobei die Übertragungskomponenten umfassen: einen Wellenlängendemultiplexer zur spektralen Teilung des Mehrwellenlängen-Eingangslichtstrahls in einen Satz räumlich getrennter optischer Wellenlängenkomponenten, eine elektro-optische Modulatoranordnung, die mit dem Satz räumlich getrennter optischer Wellenlängenkomponenten gekuppelt ist und auf eine Mehrzahl elektrischer Informationssignale reagiert, um eine Mehrzahl modulierter optischer Signale zu erzeugen, und einen Wellenlängenmultiplexer zum Kombinieren der Mehrzahl optischer Signale des Modulators auf einen einzelnen Ausgangssignalweg und wobei die Empfangskomponenten umfassen: einen Wellenlängendemultiplexer, der auf ein eingehendes WDM-Signal reagiert, um jede Wellenlängenkomponente im eingehenden WDM-Signal zu trennen und die Mehrzahl optischer Signale zu erzeugen, die als Eingang in die Fotodiodenanordnung angewendet werden.
  2. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Wellenlängendemultiplexer einen GW-Demultiplexer (Guided-Wave-Demultiplexer) umfasst.
  3. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 2, wobei der GW-Demultiplexer eine AWG-Vorrichtung (Arrayed Waveguide Grating) umfasst.
  4. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Wellenlängendemultiplexer einen Freiraum-Demultiplexer umfasst.
  5. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei der Freiraum-Demultiplexer einen Blazegitter-Demultiplexer umfasst.
  6. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei der Wellenlängendemultiplexer einen GW-Demultiplexer umfasst.
  7. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 6, wobei der GW-Demultiplexer einen AWG-Multiplexer umfasst.
  8. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei der Wellenlängendemultiplexer einen Freiraum-Multiplexer umfasst.
  9. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 8, wobei der Freiraum-Multiplexer einen Blazegitter-Multiplexer umfasst.
  10. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei jeder Wellenlängendemultiplexer und der Wellenlängemultiplexer alle GW-Vorrichtungen umfassen.
  11. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei jeder Wellenlängendemultiplexer und der Wellenlängemultiplexer alle Freiraumvorrichtungen umfassen.
  12. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei die elektro-optische Modulatoranordnung ein monolithisches Bauteil umfasst, das mit einem das IFM unterstützenden Halbleitersubstrat verbunden ist.
  13. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Breitband-Lichtquelle umfasst.
  14. Intgrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 13, wobei die Breitband-Lichtquelle mindestens einen Lichtleitfaserverstärker umfasst, der derart konfiguriert ist, dass er als Mehrwellenlängen-Eingangslichtstrahl eine Superlumineszenz erzeugt.
  15. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Laserkammquelle umfasst, die eine Mehrzahl getrennter Frequenzkomponenten erzeugt.
  16. Integrierter optischer WDM-Transceiver nach Anspruch 1, wobei die Fotodiodenanordnung als integrales Element des IFM ausgebildet ist.
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