具体实施方式

在当前部署在数据中心内网络中的IM-DD方法中，以不归零(NRZ)开关键控(OOK)格式调制所传输的光信号。在最近开发的一些IM-DD方案中，使用4级脉冲幅度调制(PAM-4)格式来调制光信号。在当前方案中，所传输的光信号强度通常被光网络中的光电检测器(PD)接收。针对使用O波段(大约1310nm)中的波长(通常覆盖10km的距离)的长距离(LR)光链路，当前的大多数IM-DD方法都使用一种简单且低成本的解决方案。

与IM-DD方法不同，相干光学方法基于将信号调制到光波的幅度和相位上，而不是基于光强度。在相干方法中，通过相干检测来接收所传输的光信号，其中，通过信号与本地振荡器(LO)之间的不同相位延迟的组合，将信号与被称为LO的第二光波混合，并最终在多个PD上进行检测。之后，在PD中检测到的光电流被数字信号处理器(DSP)处理，以解调接收器单元中的信号。

在长程，海底以及最近的城域网中主要使用当前的相干光通信技术，这是由于当前的相干光通信技术的高频谱效率，高灵敏度和对光纤传输损伤的弹性的益处。由于掺铒光纤放大器(EDFA)的可用性，光波长通常在C波段(大约1550nm)内。尽管相干光学有优点，但其高复杂性，高成本和不兼容的工作波长使其无法在当前现有的数据中心内互连中实现。

由于光子集成电路(PIC)技术的进步，可能开发出一种低成本，高集成的相干光收发器来用于数据中心内互连。然而，如果不能确保与现有IM-DD技术的向后兼容性，就不能在数据中心网络中实现PIC和相干光接收器技术的集成。使相干光技术与现有的IM-DD技术向后兼容的挑战以及对桥接当前和未来技术的需求最终引起了本文所公开的收发器技术的发展。

如本文的各个实施例和实施方式中所述，本申请中公开的双模式光收发器和相关技术可以在数据中心网络中实现，并且可以与现有的IM-DD技术和相干光技术两者无缝地集成。本公开涉及一种支持IM-DD和相干光技术(IM-DD/相干收发器)两者的双模式光收发器，以及一种操作IM-DD/相干收发器的方法。具体地，本公开涉及一种具有接收器部分的IM-DD/相干收发器，接收器部分被配置成接收经强度调制(IM)和经相干调制(CM)的光信号两者。在一些实施方式中，IM-DD/相干收发器可以在用于直接检测(DD)的第一接收器模式和用于相干检测(CD)的第二接收器模式之间光切换。本公开还涉及一种具有发射器部分的IM-DD/相干收发器，发射器部分被配置成发射IM和CM光信号两者。在一些实施方式中，IM-DD/相干收发器包括嵌套式马赫曾德尔调制器或偏振复用四马赫曾德尔调制器，调制器被配置成在第一传输模式下操作以输出IM光信号，在第二传输模式下操作以输出CM光信号。

图1示出了根据说明性实施方式的单通道双模式光收发器100的示意图。图1中所示的收发器100包括光子集成电路(PIC)110，PIC 110经由跨阻放大器(TIA)106a和106b连接到数字信号处理器(DSP)108。如图1中所示，收发器100的PIC 110包括发射器120和接收器160。发射器120进一步包括激光源130，光开关124，可变光衰减器(VOA)126，分光器122以及光调制器140。接收器160进一步包括偏振分束旋转器(PSR)162，光开关164a和164b，VOA166a和166b，PSR 165，两个90度光混合器180a和180b，四个光电二极管(PD)190a(i-iv)以及四个PD 190b(i-iv)。

在一些实施方式中，PIC 110可以包括DSP 108和/或TIA 106a和106b，以及发射器120和接收器160中的组件。换句话说，根据一些实施方式，发射器100可以包括图1中所示的所有组件。在一些实施方式中，PIC可以包括TIA 106a和106b，发射器120以及接收器160。

在一些实施方式中，TIA 106a和106b可以包括适合放大电流的任何阻抗放大器。在一些实施方式中，TIA 106a和106b是用于相干接收器的四通道TIA。

在一些实施方式中，DSP 108可以包括适合该应用的任何数字信号处理器。DSP108被配置成执行在IM和CM传输和接收两者中使用的处理功能，诸如将数字信号转换为用于IM和CM传输两者的调制器驱动信号，以及用于IM和CM接收的符号恢复。在一些实施方式中，收发器100包括单独的集成电路处理器115，诸如ASIC、FPGA或微处理器以执行本文所述的控制功能。

在一些实施方式中，收发器100的发射器120被配置成在第一传输模式下操作以输出经强度调制的光信号，在第二传输模式下操作以输出经相干调制的光信号。在一些实施方式中，收发器100的接收器160被配置成接收经相干调制和经强度调制的光信号两者，并且在用于直接检测经强度调制的信号的第一接收器模式与用于相干检测经相干调制的光信号的第二接收器模式之间进行光切换。

如图1中所示，发射器120包括被配置成提供激光的激光源130。发射器120还包括光开关124，VOA 126，分光器122以及光调制器140，当激光穿过这些组件传输时在其中操纵激光。在一些实施方式中，来自激光源130的激光被传输到光开关124中，光开关124被配置成根据发射器120的操作模式可控制地分配激光器的光功率。例如，当以IM模式(在本文中也称为“脉冲幅度调制(PAM)模式”)操作时，可以控制光开关以将激光源130输出的所有光导向调制器140。当以CM模式(本文也称为“正交幅度调制(QAM)模式”)操作时，可以控制光开关以将由激光源130发出的光在调制器140与光混合器180a和180b之间分开，以用作本地振荡器。在一些实施方式中，在CM模式下，光开关124根据比率10：90、30：70、50：50、70：30或90:10或两者之间的任何比率中的任何一个，将光功率分配给调制器140以及90°光混合器180a和180b。

在一些实施方式中，激光源130被集成在发射器120中。在一些实施方式中，激光源130是附接到发射器120的独立单元、裸片或模块。在一些实施方式中，激光源130被集成在PIC 110中。在一些实施方式中，激光源130是附接到PIC 110的独立单元、裸片或模块。

在一些实施方式中，光混合器180a和180b可以包括90°光混合器。本领域技术人员应理解，90°光混合器是通过将两个光信号组合在一起，在信号之一上赋予四个不同的相位延迟而产生四个干涉信号(每个都相隔90°)的光组件，因此，包括耦合到每个光混合器180a和180b的四个光电二极管190a(i-iv)和190b(i-iv)。在一些实施方式中，作为代替，可以使用具有单端检测的90°光混合器，从而产生两个干涉信号。在这样的实施方式中，每个光混合器可能仅需要两个光电二极管。

在一些实施方式中，光调制器140是嵌套式马赫曾德尔调制器(n-MZM)。在一些实施方式中，马赫曾德尔调制器(MZM)可以用于强度调制。在一些实施方式中，两个MZM可以并行地用作n-MZM，并且n-MZM可以用于相干调制。在一些实施方式中，光调制器140(例如，n-MZM)被配置成执行IM和CM两者。

如图1中所示，接收器160包括PSR 162，PSR 162被配置成接收所传输的光信号并将光信号分成两个偏振分量。接收器160还包括光开关164a和164b，VOA 166a和166b，PSR165以及光混合器180a和180b。光混合器180a连接到PD 190a(i-iv)，并且光混合器180b连接到PD 190b(i-iv)。如图1中所示，四个PD 190a(i-iv)和四个PD 190b(i-iv)中的每一个都连接到被连接到DSP 108的TIA 106a或106b之一。在一些实施例中，PD可以是平衡双输入波导光电检测器。在一些实施方式中，PD可以是单端光电二极管。使用单端光电二极管可以提高产量，但可能会以灵敏度(约3dB)为代价，并且缺乏平衡光电检测器所提供的共模抑制能力。

如本文公开和图1中所示的，收发器100被配置成以IM模式和CM模式两者操作。当接收器100被配置成以IM模式操作时，通过PIC 110的光路径被称为IM(用于传输)或DD(用于接收)光路径。当收发器100被配置成以CM模式操作时，通过PIC 110的光路径被称为相干光路径。

如图1中所示，当以CM模式操作时，用于传输的相干路径始于激光源130，激光源130产生并向光开关124输出激光。光开关将光束分开并经由VOA 126和分光器122将激光束的一部分光能发送到光混合器180a和180b。该激光用作本地振荡器，用于经相干调制的所接收的光信号的相干检测。激光源130输出的其余光能穿过PIC 110行进到光调制器140。调制器140相干地调制光，并将经调制的光向外传输到输出光纤。

如图1中所示，当以IM模式操作以在收发器100中传输时，控制光开关124以将由激光源130发出的光的所有光能传递给光调制器140。光调制器140经由强度调制来调制激光，然后将经调制的光向外传输到输出光纤。因而，以IM和CM模式两者输出到输出光纤上的光穿过相同的光学组件行进相同的光路径。

关于由收发器100接收的光信号，如图1中所示，在IM和CM操作模式下，对应的光路径始于PSR 162，PSR 162将光分成两个组成偏振，将每个偏振分量都传递到对应的光开关164a或164b。在光开关164a和164b处，光穿过的路径基于收发器100的操作模式而变化。在IM模式下，光开关164a和164b被控制成将在每个光开关处接收到的光导向PSR 165，PSR165用于重组接收到的信号的光的两个偏振分量，并将它们导向到光学混合器之一(例如180a)的光电二极管之一(例如190a(i))。在CM模式下，控制光开关164a和164b被控制成经由VOA 166a和166b将在对应光开关164a和164b处的光引导至对应光混合器180a和180b。在光混合器中，每个偏振分量信号都与被各种相位延迟所延迟的本地振荡光信号组合。例如，在图1中所示的实施例中，其中，光混合器是90°光混合器，偏振分量信号与4个本地振荡器信号组合，每个本地振荡器信号在相位上都相隔90°。结果干涉信号由对应的光电二极管190a(i-iv)和190b(i-iv)检测。光电二极管的电输出通过TIA 106a和106b馈送到DSP 108以进行符号恢复。

如上所述，在一些实施方式中，PIC 110耦合到与DSP分开的控制器，以及一个或多个驱动器，驱动器被配置成控制光开关124、164a和164b，VOA 126、166a和166b，以及PIC110的光调制器。在一些实施方式中，控制器可以实现为例如微控制器单元，集成电路逻辑单元或由软件控制的微处理器。

在一些实施方式中，以图1中所示的以单通道IM-DD/相干收发器配置操作的双模式光收发器100可以被用作使用并行单模式(PSM)或波分复用(WDM)技术的多通道双模式收发器的基础。

图2示出了根据说明性实施方式的多通道双模式光收发器200的一个实施方式的示意图。如图2中所示，双模式收发器200被配置成作为以多通道IM-DD/相干收发器配置实现的n波长(nλ)WDM收发器进行操作。如图2中所示，收发器200包括多个PIC 210A、210B、210C和210D(统称为PIC 210)。在一些实施方式中，可以在单个PIC上而不是在多个PIC上，或者是在每个通道的一个PIC上实现多通道或WDM收发器配置。如图2中所示，收发器200中的每个PIC 210都被配置成以与收发器中的其他PIC 210不同的波长发射和接收光信号。如图2中所示，PIC 210A、210B、210C和210D中的每一个都被配置成与图1中所示的PIC 110基本类似，类似的附图标记对应于基本类似的组件。例如，图2中的光开关224、264a和264b对应于图1中的光开关124、164a和164b。类似地，VOA 226、266a和266b对应于图1中的VOA126、166a和166b；图2中的光调制器240对应于图1中的光调制器140，依此类推。尽管每个PIC 210都具有与其相关联(集成或光耦合)的其自身的激光源230，但每个激光源230都被配置成输出不同波长的光。因此，收发器200可以在以CM模式或IM模式操作之间可控制地切换。在一些实施方式中，一些PIC可以在IM模式下操作，而其他PIC可以在CM模式下操作。在一些其他实施方式中，所有的PIC在任何给定时间都以相同模式操作，即以IM模式或CM模式操作。

尽管在PIC 210A至210D的每一个中都复制了图1中所示的大多数组件，但在一些实施方式中，收发器200可能仅包括用于光信号的单个PSR 262，它将接收到的WDM信号分成其组成偏振分量，之后，那些偏振分量被对应的解复用器263a和263b按波长分开，解复用器将波长特定的信号引导到对应的PIC 210。在一些实施方式中，收发器200可以包括针对每个PIC的单个解复用器和单独的PSR 262。除了解复用器263a和263b之外，收发器200还包括复用器228，以将对应PIC 210的调制器240的输出组合成组合的WDM输出光信号。收发器可以具有单个DSP来处理所有PIC 210的经放大的电输出，或者它可以包括多个DSP来处理个别PIC 210或其子集的电输出。

图3A、图3B和图3C示出了示意图，其示出了被用作图1和图2中所示的光调制器140或240的嵌套式马赫曾德尔调制器(n-MZM)340的操作方案。图3A示出了用于激光器的标准相干调制的用于n-MZM 340的操作方案300a。如图3A中所示，横跨n-MZM 340的MZM 342和MZM 344输入连续波信号。MZM 342和344两者都在其零点偏置，并由对应的I和Q驱动信号驱动。由Q驱动信号驱动的MZM 344的输出在与由I驱动信号驱动的MZM 342的输出组合之前，经历相位延迟(例如，π/2相位延迟)。

图3B示出了使用相同的n-MZM 340生成IM信号的示例操作方案300b。操作方案300b使用相同的电驱动信号(脉冲幅度调制(PAM)驱动信号)来驱动MZM 342和344两者。MZM342和344两者都在其对应的正交点处被偏置。因此，来自MZM 342和344两者的输出为相同的IM信号。如图3B中所示，两个MZM 342和344的输出之间的相对相移为0。因此，两个相同的IM信号被相长地组合以形成单个IM信号，如图3B中所示。

图3C示出了使用相同的n-MZM 340来生成IM信号的可替选操作方案300c。操作方案300c以PAM驱动信号和零偏置来驱动MZM 342和344其中之一。MZM 342和344中的另一个不被驱动，并且基于其最大值。两个MZM 342和344的输出之间的相对相移为0。组合的输出再次为单一PAM信号。

在一些实施方式中，MZM 344上的移相器可以通过将加热器放置在光波导附近来实现，然后由加热器利用热光效应来控制光信号的相位。如上所述，在CM模式下，控制移相器以在两个MZM 342和344之间实现π/2的相移。在一些实施方式中，在IM模式下，控制移相器以实现两个MZM 342和344之间的0相移。

图4示出了根据说明性实施方式的波分复用双模式光收发器400的另一实施方式的示意图。收发器400被配置成用于在1通道PM-xQAM相干模式和4通道粗波分复用(CWDM4)IM-DD模式下的双重操作。如图4中所示，收发器包括经由TIA 406a和406b连接到DSP 408的发射器420和接收器460。接收器460与接收器160类似。然而，发射器420的配置与发射器120和220不同。

如图4中所示，发射器420包括四个激光源430a、430b、430c以及430d(每个激光源都输出不同的波长)，光开关424，分光器422，包括四个MZM 442、444、446和448的光调制器440，MUX 428，另外两个光开关452和454，以及PSR 456。特别地，发射器420使用光调制器440来代替如图1至图3中所示的n-MZM 140、240或340，光调制器是偏振复用四马赫曾德尔调制器(PM-QMZM)440。图4中所示的配置利用了一种方案，其中PM-QMZM 440中的4个MZM442、444、446和448中的每一个都具有2个输入端口和2个输出端口。

如图4中所示，接收器460包括五个PSR，两个DEMUX，两个光开关，两个VOA，两个90度光混合器以及八个PD。特别地，PD是双输入波导PD，并且它们中的四个将一端连接到相干信号输入，并且将另一端连接到经强度调制的信号输入。

当以收发器400的CM模式操作时，单个激光器(例如430b)被打开，并且其输出经由光开关分光器在PM-QMZM 440的四个MZM之间分开。对于激光器光输出的每个组成偏振，一部分被发送到MZM的上臂，一部分被发送到另一MZM的下部。相位延迟是在MZM的上臂处接收到光信号的MZM的输出上建立的。然后，四个MZM中的每一个都被以相应的I或Q驱动信号驱动，同时在它们对应的零点偏置。然后，将MZM的输出组合，以在光纤上输出。在CM模式下，由激光源430b输出的光的一部分也被引导到收发器400的接收器部分460，以用作本地振荡器信号。在该示例430a、430c和430d中，其余三个激光器可以保持关闭。

当以IM-DD CWDM4模式操作时，所有不同波长的四个激光器都输入到PM-QMZM 440的四个MZM中，MZM由独立的PAM驱动信号驱动，同时像常规IM MZM一样在正交点处偏置。然后，MZM的输出经由多路复用器428多路复用在一起，然后经由光开关452切换到光纤上。

如图4中所示，当以CM模式操作时，接收器460与图1中所示的接收器160类似地操作。即，将单个波长的光的每个偏振分量都切换到光混合器以与本地振荡器混合，从而产生多个干涉信号。使用光电检测器检测干涉信号，光电检测器的输出被转发到DSP进行符号解码。

当以IM模式操作时，接收器460以图1和图2中所示的接收器160和接收器260之间的混合方式操作。与包括针对每个波长通道的一组光混合器和PD的接收器260相反，在接收器460中，存在针对所有四个波长通道的一组两个90°混合器和八个PD。具体地，接收器460接收WDM光信号，在WDM光信号被分成其组成偏振分量之后，接收器460进一步使用解复用器分成其分量波长。然后，将每个波长的两个组成偏振分量经由光开关导向到偏振组合器。然后，将这些组合的信号导向到对应的光电二极管，所以不同的光电二极管接收具有其对应波长的每个不同的重新组合的光信号。光电二极管输出被输出到一个或多个DSP以进行符号检测。因而，像接收器260一样，接收器460可以对WDM光信号执行直接检测，但是像接收器160一样，可以在单个PIC上执行这样的检测，而无需附加的光混合器和光电检测器。

如上文讨论的，本文所述的双模式收发器的各种实施方式包括多个光开关。在一些实施方式中，可以使用主动马赫曾德尔干涉仪(MZI)开关来实现一个或多个这样的开关，主动马赫曾德尔干涉仪(MZI)开关包括对称的MZI和加热器(或其他移相器)。基于加热器的移相器通过热光效应主动控制和改变波导的折射率。利用热光效应，将光开关配置成改变输出耦合器(例如，3dB耦合器)处的光干涉，从而将光功率从一个输出端口切换到另一输出端口。对于相干操作，可以控制收发器发射器部分中的光开关，使得激光源功率的一半输出到调制器，而另一半被作为本地振荡器信号输出到光混合器。对于IM模式的发射器操作，可以控制光开关以将所有激光功率导向到MZM。

图5A和图5B示出了分别用在本文所述的双模式收发器中的发射器部分和接收器部分中的马赫曾德尔干涉仪(MZI)开关的实施方式的示意图。图5A示出了用在发射器部分，诸如收发器100的发射器部分160中的主动MZI开关600a的实施方式。MZI开关600a包括激光器630a，3dB耦合器602a，加热器612a，3dB耦合器604a，调制器640a以及接收器660a。激光器630a和调制器640a连接在MZI开关的同一侧(底部路径)上，而接收器660a连接到另一侧，与激光器630a相对(交叉路径)。根据一些实施方式，当以IM-DD模式操作时，尤其是当3dB耦合器602a和604a中存在缺陷时，图5A中所示的配置改进或最大化了MZI开关600a的消光比(ER)。

图5B示出了根据说明性实施方式的MZI开关600b的实施方式。图5B示出了适用于双模式收发器的接收器部分(诸如图1中所示的接收器160)中的MZI开关600b的实施方式。MZI开关600b包括信号输入，3dB耦合器602b，加热器612b，3dB耦合器604b，PD 690b以及光混合器680。如图5B中所示，输入信号和光混合器680连接在MZI开关600b的同一侧(底部路径)上，并且朝着PD 690b的直接检测路径在另一侧上，与输入信号相对(交叉路径)。根据一些实施方式，当以相干模式操作时，特别是当3dB耦合器中存在缺陷时，图5B中所示的配置改进或最大化了MZI开关600b的ER。

图6是根据说明性实施方式的操作双模式光接收器的示例方法700的流程图。方法700包括在阶段710提供被配置成用于生成光信号的源。方法700还包括提供具有接收器部分和发射器部分的收发器，接收器部分被配置成接收经相干调制和经强度调制的光信号并在第一接收器模式和第二接收器模式之间进行光切换，并且发射器部分被配置成在阶段720以第一传输模式和第二传输模式操作。发射器部分可以包括嵌套式马赫曾德尔调制器或偏振复用四马赫曾德尔调制器。

方法700还包括在阶段730经由发射器部分以第一传输模式发射经强度调制的光信号，或以第二传输模式发射经相干调制的光信号。方法700进一步包括在阶段740经由接收器部分以第一接收器模式接收以进行直接检测，或者以第二接收器模式接收以进行相干检测。在一些实施方式中，接收包括使用至少一个公共光电二极管检测经相干调制和经强度调制的光信号两者。在一些实施方式中，光电二极管包括波导光电二极管。

在一些实施方式中，方法700可选地包括在阶段750提供数字信号处理器(DSP)，以解码接收到的经相干调制和经强度调制的光信号。在一些实施方式中，方法700可选地包括在阶段760提供光开关，以基于被施加到光开关的控制信号，选择性地将接收到的光信号向下引导到直接检测光电路或相干检测光电路。

在方法的一些实施方式中，嵌套式马赫曾德尔调制器包括耦合到嵌套式马赫曾德尔调制器中的一个马赫曾德尔调制器的可控移相器，其中，在第一传输模式下，可控移相器实现第一相移，而在第二传输模式下，可控移相器实现第二相移。

在方法的一些实施方式中，可控移相器包括加热器，加热器被配置成在一个马赫曾德尔调制器的输出中引入热光相移。在一些实施方式中，第一相移是零相移，第二相移是π/2相移。

在一些实施方式中，方法700可选地包括在阶段770提供：至少一个与接收器部分耦合的解复用器，以接收经粗波分复用的、经强度调制的光信号；和与发射器部分耦合的复用器，以发射经粗波分复用的、经强度调制的光信号。在一些实施方式中，收发器耦合到控制器，控制器被配置成引起收发器在接收器模式和传输模式之间切换。

本文所述的技术具有有利的益处。例如，通过产生向后兼容的收发器，可以显著降低数据中心的长期网络成本。另外，集成光开关用于重定向光子集成电路中的光功率，以使用共享组件实现相干和IM操作。共享组件的使用允许更小的外形尺寸并进一步降低成本。此外，本文所述的技术包括使用单个光子电路的完全集成的解决方案，该单个光子电路既可以用作相干收发器，也可以用作IM-DD收发器。结果，该相干收发器可以提供与常规PAM收发器的向后兼容性。

尽管本说明书包含许多具体的实施方式细节，但是这些细节不应被解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而是对特定发明的特定实施方式所特有的特征的说明。在本说明书中在单独的实施方式的背景下所述的某些特征也可以在单一实施方式中组合地实现。相反，在单一实施方式的背景下所述的各种特征也可以单独地在多个实施方式中或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管上文可能将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声称，但是在一些情况下可以从组合中排除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解成要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施方式中的各种系统组件的分离不应被理解成在所有实施方式中都需要这样的分离，并且应理解，所述程序组件和系统通常可以在单个软件产品中集成在一起，或者可以被包装成多个软件产品。

对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语都可以指示单个、一个以上以及所有描述术语中的任何一种。标签“第一”、“第二”，“第三”等不一定表示顺序，并且通常仅用于区分相同或相似的项目或元件。

对本公开中所述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施方式。因而，权利要求书无意限于本文中所示的实施方式，而是应被赋予与本文所公开的本公开、原理及新颖特征一致的最广范围。