光学模块的制作方法
光学模块的制作方法
【专利说明】光学模块
[0001]交叉引用相关申请
[0002]本申请要求于2014年3月3日提交的美国临时申请第61/947，374号的优先权，该临时申请具有共同受让人并且全文实际上并入本文中，以作参考。
技术领域
[0003]本发明涉及电信技术。更具体而言，本发明的各种实施方式提供了通信接口，该接口被配置为通过光学通信网络传输具有高带宽的数据。
【背景技术】
[0004]在过去的几十年，通信网络的使用迅猛发展。在早期的因特网中，流行的应用程序限于电子邮件、公告栏以及主要基于信息和文本的网页浏览，并且所传输的数据量通常较小。如今，因特网和移动应用程序需要大量带宽，用于传输照片、视频、音乐以及其他多媒体文件。例如，社会网络(例如，Facebook)每天处理超过500TB的数据。随着对数据和数据传输的这种高度需求，需要提高现有数据通信系统，以解决这些需要。
【发明内容】
[0005]在某些实施方式中，由在脊柱-叶(spine-leaf)网络架构内的各种装置(例如，脊柱交换机和叶交换机)使用通信接口，这允许在服务站之间共享大量数据。
[0006]在现代电气互连系统中，高速串行链路代替了并行数据总线，并且由于CMOS技术的演变，所以串行链路速度快速增大。因特网宽带几乎每隔两年就翻倍，遵循摩尔定律。但是摩尔定律在今后十年结束。标准的CMOS硅晶体管在大约5nm时停止扩展。并且，由工艺放大造成的因特网带宽增大达到平衡。但是，因特网和移动应用程序连续需要大量带宽，来传输照片、视频、音乐以及其他多媒体文件。本公开描述了用于在摩尔定律之外提高通信带宽的技术和方法。
[0007]串行链路性能由通道电气带宽和电子元件限制。为了解决由带宽限制造成的符号间干扰(ISI)问题，需要使所有电气元件尽可能接近，以减少在其间的距离或通道宽度。在所谓的3-D IC内堆叠芯片，保证一次性提高其功能，但是非常昂贵。在本公开中实现这个目标的另一种方法是使用多芯片模块技术。
[0008]在一个实例中，增大带宽的一种替换方法是使光学装置接近电气装置移动。硅光子是一种用于使光学器件更接近硅移动的重要技术。在这个专利申请中，公开一种高速电气光学器件多芯片模块装置，用于实现每秒兆兆位的速度，并且公开其变体。
[0009]在一个实例中，本发明提供了一种用于高速电信的集成设备。该集成设备包括基于硅光子的光学模块，该模块被配置为将电信号转换成光信号，用于进行100Gb/S或400Gb/s高速率通信。光学模块被配置为在具有20nm信道间隔的粗波分多路复用(CWDM)网格中输出具有波长的一个或多个光信号，例如，具有峰值为I270nm的第一波长的第一激光、具有峰值为I290nm的第二波长的第二激光、具有峰值为1310nm的第三波长的第三激光以及具有峰值为1330nm的第四波长的第四激光。光学模块替换地配置为在具有从1525到1565nm的范围内的c带内具有峰值波长的密集波分复用(DWDM)网格中输出一个或多个信道波长。
[0010]在一个实例中，用于在CWDM网格或DWDM网格中生成激光波长的包含在光学模块内的每个激光器装置是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N = 2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN(CNR) <-140dB/Hz或更好。在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，产生更低的光谱密度。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC (热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0011 ] 在一个实例中，光学模块进一步包括一个或多个高速光电检测器，其由锗材料制成，在硅基板上集成并且耦接至光学输入端端口，用于在CWDM网格或DWDM网格中检测一个或多个输入的光信号。硅基板包括光纤接口，包括多个V凹槽，每个V凹槽耦接至模式适配器。光电检测器被配置为将在CWDM或DWDM网格中的光信号转换成可以数字化的电流。
[0012]在一个实例中，硅基板包括用于传输器和接收器的单独路径。在一个实例中，硅基板包括接口，该接口配置有单模光纤。在一个实例中，使用数据调制具有每个CWDM或DWDM网格波长的激光，并且将该激光处理成单个信息流。在一个实例中，光学模块进一步包括调制器，其被配置为用于NRZ和PAM4调制方案。在另一个实例中，光学模块包括包含多个区段的分布式调制器，并且通过温度计编码，实现PAM4编码。在又一个实例中，通过将所有区段一起驱动，实现NRZ调制。在又一个实例中，分布式或分段调制器耦接至以CMOS配置的限制驱动器。在又一个实例中，分段调制器配置有在250 μ m与450 μ m之间的段长，用于最小装置寄生效应并且适合于高速操作。
[0013]此外，集成设备进一步包括驱动器，该驱动器具有控制块、编码器以及分布式MZM配置。驱动器包括多个放大器的平行阵列，优化每个放大器，以驱动在光学模块中的调制器装置的单个区段。在一个实例中，调制器装置使用倒装芯片配置耦接至激光CWDM或DWDM网格。在一个实例中，光学模块具有光学输入端和光学输出端。在一个实例中，集成设备具有电源、微控制器、以及传输通道和接收通道，接收通道包括时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字信号处理器装置(DSP)以及跨阻抗放大器(TIA)。在一个实例中，传输通道包括⑶R、FEC、编码器装置(ENC)以及驱动器(DRV)。而且，集成设备具有电气输入接口和电气输出接口，每个接口被配置为用于4 X 10Gb/s或4 X 25Gb/s。在另一个实例中，光学模块具有在接收通道上配置的第一多路复用器以及在传输通道上配置的第二多路复用器。在一个实例中，集成设备位于QSFP-28封装内，包括对电磁辐射的金属屏蔽。
[0014]在一个特定的实施方式中，本发明提供了一种在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器的集成设备。所述设备包括光学模块，所述光学模块包括:分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号。光学模块进一步包括一个或多个光电检测器，用于检测来自光学接口的第二光信号，以生成电流信号。此外，所述设备包括传输通道模块，耦接在光学模块与电气接口之间。所述传输通道模块包括至少一个调制驱动器，其被配置为接收来自电气接口的第一电信号并且提供成帧协议，用于驱动所述一个或多个调制器。而且，该设备包括耦接在光学模块与电气接口之间的接收通道模块。所述接收通道模块包括至少一个跨阻抗放大器，其被配置为处理电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口。第一光信号/第二光信号与以粗波分复用(CWDM)网格或密集波分复用(DWDM)网格配置的一个或多个波长相关联。
[0015]本发明在已知的存储器技术的背景下实现了这些和其他优点。然而，通过引用说明书的后半部分以及附图，可以实现本发明的性质和优点的进一步理解。
【附图说明】
[0016]图1为示出根据先前技术的云数据中心校园互连的简化图；
[0017]图2为示出在以上云数据中心架构之下用于在从3米到80千米的范围内的不同距离的每个部分的互连容量的表格的简化图；
[0018]图3为根据本发明的一个实施方式的配置有用于高数据速率电信的电气/光学接口的集成设备的简化图；
[0019]图4A为根据本发明的第一实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0020]图4B为根据本发明的第二实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0021]图5为根据本发明的第三实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0022]图6为根据本发明的一个实施方式的使用2到I功率组合器来组合两个10GHz网格以产生50GHz网格的简化图；
[0023]图7为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的40Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图；
[0024]图8为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的100Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图；
[0025]图9为根据本发明的一个实施方式的为高数据速率电信包装集成设备的简化方框图；
[0026]图10为根据本发明的一个实施方式的不出娃光子光学模块芯片布局的简化图；
[0027]图11为根据本发明的一个实施方式的调制驱动器装置的简化图；
[0028]图12为根据本发明的一个实施方式的示出MZ调制器的控制方案的简化图；
[0029]图13为根据本发明的一个实施方式的示出用于调制驱动器的优选选择表格的简化图；
[0030]图14为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码方案的简化图；
[0031]图15为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码器逻辑的简化方框图。
【具体实施方式】
[0032]在过去的几十年，随着云计算和数据中心的出现，网络服务器的需要演进。例如，长时间使用的三层配置不再充分或合适，这是因为分布式应用程序需要更平的网络架构，其中，服务器虚拟化允许服务器并行操作。例如，多个服务器可以共同用于执行请求的任务。并行运行的多个服务器的当务之急通常是在其自身之间快速地分享大量信息，与使数据通过多层网络架构(例如，网络交换机等)来回移动相反。
[0033]提供叶脊柱型网络架构，以更好地允许服务器并行运行，并且在服务器之间快速移动数据，提供高带宽和低延迟。通常，叶脊柱型网络架构使用架顶(top-of-rack)交换机，该交换机可以直接进入服务器节点和链路内，返回一组非阻塞脊柱交换机，这些交换机具有充足的带宽，以允许服务器的群集彼此链接并且共享大量数据。
[0034]在如今的典型的叶脊柱型网络中，在服务器之间分享千兆比特的数据。在某些网络架构中，在相同等级上的网络服务器具有某些对等链路，用于进行数据共享。可惜的是，这种类型的机构的带宽通常不充分。要理解的是，本发明的实施方式使用在叶脊柱型架构内的PAM(例如，PAM4、PAM8、PAM12、PAM16等)，该架构允许通过光学网络传输大量数据(在脊柱等级上具有高达万亿字节的数据)。
[0035]提出以下描述，以使本领域的技术人员能够构成并且使用本发明并且在特定的应用背景下包含本发明。对于本领域的技术人员，在不同应用中的各种修改以及各种使用显而易见，并且在本文中定义的一般原则可以应用于广泛的实施方式中。因此，本发明并非旨在限于所提出的实施方式，而是旨在符合与在本文中公开的原理和新型特征一致的最广泛的范围。
[0036]在以下详细描述中，提出了多个具体细节，以便提供本发明的更彻底的理解。然而，对于本领域的技术人员，显然可以实践本发明，而不必限于这些具体细节。在其他情况下，用方框图的形式(而非详细地)显示了众所周知的结构和装置，以免本发明晦涩难懂。
[0037]将读者的注意力引向与本说明书同时提交的并且与本说明书一起供公众监督的所有论文和文档，并且所有这种论文和文档的内容包含在本文中，以作参考。在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及示图)中公开的所有 特征可以由用作相同、等效或相似目的的替换的特征代替，除非另有明文规定。因此，除非另有明文规定，否则所公开的每个特征仅仅是一系列通用的等效或相似特征的一个实例。
[0038]而且，在未明确规定用于执行规定的功能的“装置”或者用于执行规定的功能的“步骤”的权利要求中的任何部件不要理解为在美国专利法第112条第6段中规定的“装置”或“步骤”条款。尤其地，在本文中的权利要求中使用“步骤”或“行为”，并非旨在援引美国专利法第112条第6段的规定。
[0039]请注意，如果使用的话，那么标签左、右、如、后、顶部、底部、向如、向后、顺时针以及逆时针仅仅用于方便的目的，并非旨在表示任何特定的固定方向。这些标签反而用于反映在物体的各个部分之间的相对位置和/或方向。
[0040]图1为示出根据先前技术的云数据中心校园互连的简化图。众所周知，云数据中心没有单个设计或尺寸。随着技术进步和成本结构，构造这种数据中心的拓扑继续演变。通过生成设计、位置以及规模，驱动数据中心构造设计的差异。虽然在不同的数据中心内的总体交通流量相似，但是设计差异驱动不同的链路要求。数据中心开发和增长通常经受三个阶段，包括设计、增建以及操作。通常，数据中心开发和增长处于操作阶段，同时具有增建阶段。
[0041]数据中心的新协同位置可以上线，这是因为在三年周期中更新了旧的协同位置。基础设施应持续至少4-6代更新。可以增加新数据中心和相关的协同位置，以满足增长的需求。对于基于数据中心的光纤以太网，在数据中心内部，可以远达2km。虽然能够具有100-400Gigbit单模光纤(SMF)以太网传输，但是数据通信使用具有I到40Gigabit速率的多模光纤(MMF)。在数据中心外面，I到400Gigbit SMF以太网适用于从2到1km的范围。如图1中所示，校园等级在数据中心拓扑之外，其中，多数据中心配置在由用于1-SOkm范围的城市(Metro)DWDM和用于>100km范围的核心DWDM连接的叶-脊柱网络架构内互连。对于小于100m的范围，每个数据中心通过高达2km范围的脊柱网络为多个配置中的每个连接四个部分的每个节点。每个部分的每个协同位置节点通过在小于20m范围内的叶网络连接多个端口，叶网络连接由在3m范围内的多服务器支持的多个TOR端口。基础设施被设计为使用单个数据速率⑴并且服务器链路是X的子集。例如，X是100Gb/S、400Gb/S或更尚。
[0042]图2为示出在以上云数据中心架构之下用于在从3米到80千米的范围内的不同距离的每个部分的互连容量的表格的简化图。每个数据中心包括多个协同位置，并且每个协同位置包括四个部分。在图2中的表格示出了在脊柱/叶光纤网络中从TOR到DC的互连容量，其中，描写了在基于光纤的数据速率电信设备上的高成本敏感视场空间。尤其地，非常需要并且在下面更详细地描述用于使用单模光纤连接的长距离(LR)叶到脊柱、脊柱到DCR以及DCR到Metro的通信的具有集成光学和电气接口的100Gb/s到400Gb/s设备。
[0043]图3为根据本发明的一个实施方式的配置有用于高数据速率电信的电气/光学接口和协议转换器的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，集成设备100由片上系统设备构成，该设备被配置为将电信号转换成光信号，反之亦然，用于进行高数据速率数字通信。设备100包括:硅光子光学模块101，该模块具有包括输入端口 105和输出端口 106的光学接口 ；控制模块102，其具有电源和微控制器或其它ASIC电路；以及传输通道模块104和接收通道模块103。光学模块101包括第一多路复用器1001，其在接收通道上被配置为从输入端口 105中接收多路复用的光信号，并且具有多个光电检测器(PD) 1003，以在发送到接收通道模块103之前，将具有不同波长的多路分解信号转换成相应的电流信号。在一个实施方式中，第一多路复用器1001是基于硅的延迟线干涉仪(DLI)。在一个特定的实施方式中，DLI被配置为将多路复用光从一个光纤中交错到两个波导，每个波导具有在不同波长内的光。光学模块101进一步包括第二多路复用器1002，其在传输通道上被配置为耦接多个DFB激光器1004，这些激光根据从传输通道模块104中接收的并且由该模块预先处理的电信号分别由MZ调制器(MZM) 1005调制。第二多路复用器1002能组合所有光信号，并且通过输出端口 106将其输出给叶脊柱光纤网络。在一个实施方式中，第二多路复用器1002还是用作2到I功率组合器的DLI，以便将具有不同波长的两个光(例如，在具有50GHz或10GHz间隔的CWDM或DWDM网格内的两个通道)组合成多路复用的光，用于通过单个光纤传输。接收通道模块103包括时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字信号处理器装置(DSP)以及跨阻抗放大器(TIA)。传输通道模块104包括⑶R、FEC、编码器装置(ENC)以及驱动器(DRV)。而且，集成设备100与具有输入和输出的电气接口 200耦接，用于通过4X lOGb/s或4X25Gb/s或更高数据速率接收或传输以太网数据。根据所接收的电气数据，DRV驱动器控制DFB激光器1004生成具有某个波长的光，并且控制调制器1005，用于调制DFB激光器1004的光，以携带数据。
[0044]图4A为根据本发明的第一实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，两个集成设备100A和100B分别部署在两个端部位置，或者与叶到脊柱(<400m)或脊柱到DCR(〈1000m)光纤网络对应的所谓的A端和Z端。在该实例中，根据用于使特定的数据速率和成帧协议格式匹配的特定配置，每个集成设备100A或100B与设备100基本上相同。在一个实施方式中，图4A示出了一个光学架构，其中，在A端的集成设备100A的输出端口 106A直接连接至在Z端的另一个集成设备100B的输入端口 105B，无需光学放大器(OA)。在NRZ或PAM4编码方案中使用集成设备(100A或100B)将电信号转换成4 λ或2 λ光信号，可以将具有40Gb/s (或100Gb/s速率)的电气输入信号分类成4 X 10Gbit/s (或4 X 25Gbit/S)。相应地，光信号分类成用于4父1061^丨/8速率的2入X22.5Gbaud(或lλ X22.5Gbaud)以及用于 4X25Gbit/s 速率的 4 λ X 28.125Gbaud(或 2λ X 28.125Gbaud)。
[0045]集成设备10A或100Β包括与基于硅光子的光学模块相关联的I个到4个DFB激光器(虽然在图4Α中仅仅显示了两个波长)，用于在具有20nm信道间隔的大约1300nm的CWDM网格内生成支承高达4个波长的光信号。光信号需要仅仅行驶小于2km的距离。在一个实施方式中，与光学模块的接收通道相结合，包括第一多路复用器，用于从单个光纤到具有不同波长的两个路径的交错光。在与光学模块的传输通道相结合的同时，第二多路复用器被配置为2到I功率组合器，用于将由具有两个波长的两个DFB激光器生成的光组合到一条光纤。第一多路复用器和第二多路复用器中的每个可以由延迟线干涉仪构成，同时通过在相反方向行驶的光操作。
[0046]在一个实例中，用于在CWDM网格或DWDM网格处生成激光波长的包含在光学模块内的每个激光器装置是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N = 2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN (CNR) <-140dB/Hz。在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，与更低的光谱密度相结合。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC (热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0047]图4B为根据本发明的第二实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，在光学架构的第二实例中，两个集成设备200A和200Z成对地部署在DCR到Metro光纤网络的A端和Z端，以在由DFB激光器生成的DWDM网格处使用单个波长，提供与40Gbit/s速率的数据通信。在DCR到Metro光纤网络的A/Z端的设备200A/200Z包括光学模块，该模块具有输出/输入端口 206A/205Z，用于将携带数据的单个波长(I λ)光传输给在网络的Ζ/Α端的成对设备200Ζ/200Α的输入/输出端口 205Ζ/206Α，或者从该端口中接收该单波长光。在集成设备200Α或200Ζ的光学模块内不需要多路复用器。
[0048]从一个数据中心中，多个路径可以从该数据中心部署到在DCR到Metro网络内的多个目的地。因此，多个集成设备(所有设备都具有成对的方式，例如，200A和200Z)可以部署在各个路径的相应A端和Z端。在A或Z端的每个集成设备的光学模块装有单个DFB激光器，用于在DWDM网格中生成各个信道波长。例如，信道波长可以是从具有50GHz的信道间隔的所有C带波长中选择的波长。
[0049]从DCR到Metro (城市)网络的传输端，MZ调制器根据电气输入信号将每个信道波长的激光调制成特定的光信号。在一个实施方式中，PAM4编码用于将40Gbit/s的电信号转换成由单波长光携带的lX-20Gbaud的光信号。MZ调制器(MZM)嵌入每个集成设备(200A或200Z)的光学模块内，并且通过相应的输出端口(例如，206A或206Z)输出，无论集成设备部署在A端还是Z端。每个MZ调制器是以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器。在通过网络传输大于1km的距离之前，所有这些单独的单波长光由具有50GHz信道间隔的DWDM MUX装置300组合成单个光纤。在一个实施方式中，DWDM MUX装置300能够多路复用在具有50GHz信道间隔的DWDM网格内的波长的高达96个通道。在某些实施方式中，可以需要光学放大器(OA)和色散补偿模块(DCM)，用于保持数据完整性。与传输通道相关联的每个集成设备的其他功能与为集成设备100描述的功能相似。
[0050]从DCR到Metro网络的接收端，在具有50GHZ信道间隔的DWDM网格处，50GHZ信道间隔DEMUX装置300被配置为将从传输端中接收的输入的光信号多路分解成具有各个单波长(I λ)的多个单独光。然后，通过相应的集成设备(200Α或200Ζ)的光学模块(在任一个接收器内都没有安装多路复用器)的相应的输入端口(205Α或205Ζ)接收携带相应的调制数据的每个单个波长光。由单波长光携带的数据由在其内的光电检测器(PD)检测，并且进一步转换成电信号。用于处理上面转换的电信号的与接收通道相关联的每个集成设备的其他功能与为集成设备100描述的功能相似。
[0051]在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N=2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例 中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN (CNR) <-140dB/Hz ο在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，与更低的光谱密度相结合。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC(热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0052]图5为根据本发明的第三实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，在DCR到Metro网络中，在双波长(2 λ )PAM4编码之下，具有用于传输具有28.125GBaud的100Gbit/sDWDM光信号的场景。与在图4B中所示的场景相似，两个集成设备400A和400Z部署在DCR到Metro网络的一个路径的A端和Z端。
[0053]在一个特定的实施方式中，与仅仅一个DFB激光器包含在图4B中的每个设备内但是50GHz DffDM MUX装置300必须用于使具有50GHz间隔的多个通道相结合不同，每个设备400A或400Z被配置为包括两个DFB激光器，这两个激光分别设置在具有50GHz间隔的两个波长(2 λ)处，但是分别远离具有100GHz间隔的标准DWDM网格移动25GHz。在集成设备400A或400B的光学模块内的基于DLI的多路复用器首先将从两个DFB激光器中生成的调制光组合成一个输出端口，作为2 λ光信号。在增加与400Α或400Β相似的多个集成设备，用于提供额外的2 λ光信号时，那些额外信道波长中的每个可以适当地选自具有50GHz间隔的DWDM网格，并且被配置为使从一个集成模块中输出的每个2 λ光信号的中心波长与从同一种类型的另一个集成模块中输出的最近的相邻2 λ光信号的中心波长相距100GHz。在所有这些2 λ光信号相结合时，能够为所有(高达96个)通道提供50GHz间隔。通过这种光学架构，普通的lOOGHzMUX装置400(而非更昂贵的50GHz多路复用器)足以提供所有需要的50GHz间隔的信道，用于为40Gbit/s或100Gbit/s系统通过DCR到Metro网络传输数据。
[0054]图6为根据本发明的一个实施方式的使用2到I功率组合器来组合两个10GHz网格以产生50GHz网格的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。通常，在前面的示图(图4A、4B以及5)中显示的实施方式中，40Gbit/s系统需要50GHz多路复用器，并且100Gbit/s系统需要10GHz多路复用器。在一个替换的实施方式中，如图6中所示，为了从两个10GHz网格601和602中产生50GHz网格609 (用于40Gbit/s系统)，2到I功率组合器605 (例如，在光学模块中的DLI)交错地组合两个10GHz多路复用器的两组通道。每个10GHz多路复用器(601或602)使一组10GHz间隔的信道相结合，并且一组中的每个通道与在另一组中的相应通道相距50GHz。用于使用10GHz多路复用器代替50GHz多路复用器的权衡是在相同光学路径内的光学放大器需要额外的3dB增益。
[0055]图7为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的40Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，使用PAM编码器来与FEC编码器耦接，以处理经由Rx-⑶R通过(例如)4xlOG四通道小型可插拔(QSFP)紧凑的热插拔格式从电气接口中接收的电信号，在传输通道模块中实现40Gbit/sPAM4编码。PAM编码器进一步与在传输通道模块内的PAM驱动器耦接，用于提供在光学模块中与单个DFB激光器相关联的基于PAM的MZ调制器的控制。实现PAM4编码，以驱动DFB激光器生成由MZ调制器调制的激光，以便4xlOGibt/s速率的电信号可以在光学模块的输出端口处转换成22.5GBaud光信号，从而能够通过四个CWDM通道或者具有50GHz信道间隔的高达96个DWDM网格通道中的一个进行40Gbit/s速率传输。
[0056]在相同的集成模块中，如图7中所示，也实现PAM编码，与接收通道模块相结合。在PIN照片检测器从单模光纤(在<80km传输之后)中接收光信号时，光信号转换成由跨阻抗放大器(TIA)放大的电流。然后，启用PAM的模数转换器(ADC)将模拟电流信号转换成由数字信号处理器(DSP)通过启用PAM的编码算法处理的数字信号。然后，数字信号进一步由时钟数据恢复装置(CDR)处理，以去除从高数据速率系统中得到的抖动。具有7.5dB编码增益的FEC解码器用于将与信号相关联的前向纠错代码解码。然后，在通过具有QSFP格式的电气接口发出之前，Tx-⑶R用于处理信号。
[0057]图8为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的100Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，对于100Gb/S数据速率系统，PAM4编码实施方式在光学模式中需要两个波长(2 λ )，用于为每个波长传输具有50Gb/s的28.125GBaud信号。因此，在传输通道模块中使用双工PAM驱动器，来驱动在光学模块中的两个DFB激光器，以生成分别由双工MZ调制器根据PAM4编码协议调制的两个光，以便转换从具有4x25G CAU1-4格式的电气接口中接收的相应电信号。在转换成光信号之前，电信号还由FEC编码器和启用PAM的编码器处理。此外，为了处理2λ光信号，将MUX装置加入光学模块中，用于将两个光组合成一个光，并且输出给单个光纤。在一个特定的实施方式中，在集成设备中实现的28.125GBaud PAM4编码能够通过具有10GHz间隔的4个CWDM通道或40个DWDM通道中的一个进行100Gbit/s数据速率光学传输。
[0058]同样，在接收通道中，DEMUX首先需要将光信号从单个光纤中交错回两个单独的光，相应的信道波长携带PAM4模式信号。因此，双工PIN光电检测器用于单独地检测具有不同波长的两个光，并且分别转换成两个电流信号。在接收通道模块中，实现双工线性TIA和启用PAM的双ADC/DSP装置，用于处理电流信号并且生成相应的数字信号。随后，FEC装置被配置为将信号解码并且进行前向纠错。最后，通过电气接口，以4x25Gb/s速率传输出适当地格式化的电信号。
[0059]图9为根据本发明的一个实施方式的为高数据速率电信包装包括100G到400G硅光子芯片开发的集成设备的简化方框图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，集成设备被配置为包装在单个基板或插入器上，包括硅光子光学模块和接收通道模块加上传输通道模块。硅光子光学模块封装在SiPho芯片内，包括嵌入式DFB激光器，以提供高达4个激光，选择相应的信道波长，用于实现NRZ或PAM4编码协议电/光信号转换。光信号由内部多段MZM调制，用于通过光纤接口传输给光学输出端端口。相反，与光纤接口相关联的光学输入端端口被配置为接收光信号并且通过每个波长的嵌入式光电检测器(PD)检测该光信号。PD由锗制成，并且直接在SiPho芯片上集成。光纤接口包括多个V凹槽，每个V凹槽耦接至模式适配器。接收通道模块至少包括PAM驱动器，该驱动器被配置为在光学模块内部驱动DFB激光器。传输通道模块至少包括启用PAM的TIA，用于处理每个波长的由H)转换的所接收的模拟电流信号。
[0060]在特定的实施方式中，使用具有28个针脚的QSFP格式接口封装集成设备，这些针脚能够为100G系统通过28GBaud速率处理4个波长光信号传输。进一步可升级的是，为400G系统通过56GBaud速率处理4个波长光学传输。在光学模块中的MZM和在传输通道模块中的PAM驱动器能够在NRZ和PAM4编码协议中进行操作，用于在CWDM通道或DWDM50GHz网格通道内通过任何选择的波长将电信号转换成光信号。驱动器和TIA由基于28nm CMOS的技术制成并且依然可升级。
[0061]图10为根据本发明的一个实施方式的不出娃光子光学模块芯片布局的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，被配置为生成具有相应波长λ?、λ2、λ3以及λ4的四个光的高达4个激光器装置放在占据模块的主要区域的中心区域内。通过单独的基于硅的波导，将具有相应波长的每个光引入相应的基于硅的MZ线性分段调制器中。然后，调制的光信号由MUX装置多路复用，并且发送到具有全部四个波长的单个传输波导。传输波导被配置为与单个光纤耦接，用于进行光学传输。单独地，接收波导被配置为与单个光纤耦接，用于接收携带四个波长λ 1、λ 2、λ 3以及λ 4的光信号。实现DEMUX装置，以将所接收的光信号多路分解成具有相应的波长λ?、λ2、λ3以及λ4的四个单独光，这些光分别由四个光电检测器(PD)检测。
[0062]图11为根据本发明的一个实施方式的调制驱动器装置的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，调制驱动器装置1100包括控制块1110、编码器1120、伪随机二进制序列(PRBS)信号发生器1130以及分布式MZM配置1140。尤其地，控制块1110被配置为从二进制选择表格中接收一对ΡΑΜ_Εη代码和PRBS_En代码，以便在相应的模式中分别操作(PAM或NRZ)编码器1120和PRBS信号发生器1130。PAM编码器1120被配置为直接与分布式MZM配置1140耦接，用于在集成设备的光学模块内部控制MZ调制器，以便为由DFB激光器装置生成的激光使用PAM4(或NRZ)编码，来根据所接收的28Gbit/s CDR处理的电信号提供调制。作为分段调制器，MZ调制器与在图10中所示的调制器基本上相似。在进行比特误码率测量时，PRBS发生器1130用于提供用作测试高速时钟信号的已知二进制序列。通过分布式MZM配置1140，驱动器装置1100是分布式驱动器，包括具有共同的偏置电压Vbias的多个放大器单元1141/1142的平行阵列，优化每个放大器单元，以便在光学模块中驱动调制器的单个区段。在实施方式中，由于具有大约10 μπι?20 μπι的节距，所以每个区段与其邻舍经受大约0.5ΜΩ-1.0ΜΩ的电气隔离1143。由于段长具有从350 μm到450 μm的范围，所以每个区段本身包括大约3 Ω?4Ω的串联电阻1144或者电感120fF?160fF。在一个实例中，假设在MZ调制器内具有9个区段，因此，分布式MZM驱动器配置1140具有9个放大器单元1141/1142，适当地设置每个节距的隔离1143以及串联电阻1144，用于分别驱动MZ调制器的每个区段。
[0063]图12为根据本发明的一个实施方式的示出MZ调制器的控制方案的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，MZ调制器是多段调制器，以便分布式MZM控制配置用于 在正交传输曲线上的理想位置上设置MZ调制器偏置。尤其地，中间电极应用Vbias，包括低频小幅度抖动信号，并且两个侧电极(每个区段)分别设为用于一对P-η结的正电极和负电极，以便在MZ调制器的两个臂部(每个区段)的相位正好相反，以产生合适的信号调制。在两个臂部上具有Itriml和Itrim2的正向偏置部分用于为MZM确定Vbias的基值。使用抖动信号以及Vbias，用于调谐调制，以便在使用与一个臂部整合的H)检测抖动信号时，调谐Vbias，以尽可能减小在输出处的抖动信号，用于根据正交传输曲线的方案，锁定Vbias。
[0064]图13为根据本发明的一个实施方式的示出用于调制驱动器的优选选择表格的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，显示了用于PAM-En和PRBS_En的两个二进制代码的选择表格。PAM-En和PRBS_En中的每个选自“O”或“ I ”。在一个实施方式中，对于PAM_En = PRBS_En = O，选择具有低通CDR输出的方案，用于在NRZ编码中的10到28GBaud/s电/光信号转换。在另一个实施方式中，对于PAM_En = 0，PRBS_En = 1，选择具有高速时钟信号的方案，伴有在NRZ编码中的<50GBaud/s电/光信号转换。在又一个实施方式中，对于PAM_En = I，PRBS_En = O，选择具有低通CDR输出的方案，用于在PAM4编码中的10到28GBaud/s电/光信号转换。在又一个实施方式中，对于PAM_En = PRBS_En = I，选择具有高速时钟信号的方案，伴有在PAM4编码中的<50GBaud/s电/光信号转换。
[0065]图14为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码方案的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，提出了 PAM4编码方案，用于通过分段MZM部分将二进制编码比特映射到灰度/温度计代码中。假设具有9个相同的温度计编码的MZM部分，温度计驱动同样加权的分段MZ干涉仪驱动器。对于在MZ干涉仪驱动器中的PAM4信令，具有四个等级的光学输出端，表示两个二进制编码比特:一个LSB比特和一个MSB比特，提供了 O和I的22=4组合状态，例如，00、01、11以及10。灰度/温度计编码提供比二进制加权更好的性能。如图所示，需要最少3个MZM部分，用于将具有四个状态的二进制比特映射到相应的四个温度计代码中，000、001、011以及111。但是9个相同的温度计编码的MZM部分可以分成3个部分，以便尽可能减小装置寄生现象。
[0066]图15为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码器逻辑的简化方框图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，表格概述了二进制到灰度/温度计编码的方案。二进制数字包括O和I。对于两个数字位A和B，具有四个组合，00、01、11以及10，与1、2、3以及4的四个PAM符号对应。在编码成温度计代码时，由编码成000、001、011以及111的3个元素X、Y、Z表不。在一个实施方式中，X值可以是A或B的相同值，Y值可以仅仅是A的相同值，并且Z值可以是A的相同值或B的反值。在一个特定的实施方式中，示出了 ΡΑΜ4 二进制到温度计编码器的逻辑电路。
[0067]在一个替换的实例中，本发明包括片上集成系统装置。该装置配置在单个硅基板部件上。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，此外，输入/输出块还包括串行器/解串器(SerDes)块、时钟数据恢复(CDR)块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括跨阻抗放大器(TIA)块，跨阻抗放大器块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上并且此外，可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有通信接口，其耦接至通信块。该装置具有控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0068]在一个实例中，此外，信号处理块还包括前向纠错(FEC)块、数字信号处理块、成帧块、协议块以及冗余块。在一个实例中，驱动器模块选自电流驱动器或电压驱动器。在一个实例中，驱动器模块是微分驱动器等。在一个实例中，硅光子装置选自电吸收调制器或电光调制器或马赫曾德尔调制器。在一个实例中，放大的调制格式选自不归零(NRZ)格式或脉冲幅度调制(PAM)格式。在一个实例中，相位调制格式选自二进制移相键控法(BPSK)或nPSKo在一个实例中，相位/幅度调制是正交幅度调制(QAM)。在一个实例中，硅光子装置被配置为在波分多路复用(WDM)信号中将输出数据转换成输出传输数据。在一个实例中，控制块被配置为开始激光器偏置或调制器偏置。在一个实例中，控制块被配置为用于硅光子装置的激光器偏置和功率控制。在一个实例中，控制块被配置为具有热调谐或载波调谐装置，每个装置配置在硅光子装置上。在一个实例中，SerDes块被配置为将N的第一数据流转换成M的第二数据流。
[0069]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置。该装置具有单个硅基板部件和数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。此外，输入/输出块还包括SerDes块、CDR块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。在一个实例中，该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且虽然可以具有变化，但是可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块等。在一个实例中，该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。在一个实例中，控制块被配置为接收具有数字格式的指令并且将指令发送到通信块，并且被配置为接收和发送具有模拟格式的信号，以便与硅光子装置进行通信。
[0070]在一个实例中，本发明提供了一种片上单片集成系统装置，其被配置为用于多速率和选择格式的数据通信。在一个实例中，该装置具有单个硅基板部件。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，数据输入/输出接口被配置为用于从4到150的通道的数量。该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口，该输入/输出块具有SerDes块XDR块、补偿块以及均衡器块。在一个实例中，SerDes块被配置为将N的第一数据流转换成M的第二数据流。在一个实例中，每个第一数据流通过第一时钟速率具有第一预先定义的数据速率，并且每个第二数据流通过第二时钟速率具有第二预先定义的数据速率。在本文中使用的数据“第一”和“第二”不必表示顺序，并且应根据通常含义在广义上解释。在一个实例中，该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且虽然可以具有变化，但是可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块等。在一个实例中，该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0071]在一个实例中，本发明提供了一种片上单片集成系统装置，其被配置为用于多速率和选择格式的数据通信。在一个实例中，该装置具有单个硅基板部件。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，虽然可以具有变化，但是数据输入/输出接口被配置为用于从4到150的通道的数量。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，该输入/输出块包括SerDes块、CDR块、补偿块以及均衡器块。在一个实例中，SerDes块被配置为将X的第一数据流转换成Y的第二数据流，其，X和Y是不同的整数。在一个实例中，每个第一数据流通过第一时钟速率具有第一预先定义的数据速率，并且每个第二数据流通过第二时钟速率具有第二预先定义的数据速率。在一个实例中，该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。在一个实例中，该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用配置有N个通道的单向多通道总线耦接至信号处理块，在此，N大于M,使得在N与M之间的差值表示一个或多个冗余通道。在一个实例中，该装置具有映射块，其被配置为使M个通道与用于硅光子装置的多个选择的激光器装置相关联。该装置还具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输 出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且此外，还可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0072]在一个实例中，该装置具有一种片上集成系统装置。该装置具有单个硅基板部件和数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，此外，输入/输出块还包括SerDes块、⑶R块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且此外，还可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。在一个实例中，该装置具有可变偏压块，其配置有控制块。在一个实例中，可变偏压块被配置为选择性地调谐位于硅光子装置上的多个激光器装置的每个，以便至少调整操作的波长、制造公差以及消光比。
[0073]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有使用回环技术的自测试。在一个实例中，该装置具有位于基板上的自测试块，该自测试块被配置为从数字信号处理块、驱动器模块或硅光子装置中的至少一个中接收回环信号。在一个实例中，自测试块包括可变输出功率交换机，其被配置为提供回环信号的应力接收器测试。
[0074]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有被配置为用于每个通道的一个或多个冗余激光器。在一个实例中，该装置具有配置在硅光子装置上的多个激光器装置。至少一对激光器装置与信道相关联并且耦接至交换机，以便选择这对激光器装置中的一个，来耦接至光学多路复用器，以提供给冗余激光器装置。
[0075]在一个特定的实施方式中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有嵌入式自测试技术。在一个实例中，集成设备具有自测试块，该自测试块通过ASIC接口配置在与硅光子光学模块耦接的传输通道模块上并且在测试操作期间可操作。在一个实例中，自测试块包括宽带源，其被配置为将从1200nm到1400nm或从1500到1600nm的电磁辐射发射给多路复用器装置。在一个实例中，宽带源可以是LED或其他合适的装置。自测试块被配置为数字化监控传输通道模块的性能并且通过ASIC接口在集成设备内部生成数字数据诊断。这个诊断信息包括模块的温度、传输器光学功率、接收器光学功率、通过FEC的电信号的误差率、以及通过DSP的接收的信号中的失真水平等。自测试块还包括自测试输出，其被配置到位于硅光子光学模块外部的光谱分析仪中。
[0076]虽然以上说明书是特定实施方式的完整描述，但是可以使用各种修改、替换的构造以及等同物。因此，以上描述和说明不应视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。
【主权项】
1.一种集成设备，在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器，所述设备包括: 光学模块，包括:分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号；以及一个或多个光电检测器，用于检测来自所述光学接口的第二光信号，以生成电流信号； 传输通道模块，耦接在所述光学模块与电气接口之间，所述传输通道模块包括至少一个调制驱动器，所述调制驱动器被配置为接收来自所述电气接口的第一电信号并且提供成帧协议以用于驱动所述一个或多个调制器； 接收通道模块，耦接在所述光学模块与所述电气接口之间，所述接收通道模块包括至少一个跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器被配置为处理所述电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口； 其中，所述第一光信号/第二光信号与以粗波分复用(CWDM)网格或密集波分复用(DffDM)网格配置的一个或多个波长相关联。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个激光器装置中的每个是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足跨越10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光信号的特征在于RIN(CNR) <-140dB/Hz04.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光器装置中的每个未冷却，允许与温度相关的波长浮动。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光器装置中的每个进一步包括热电冷却器(TEC)，以提供波长的温度稳定。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学模块进一步包括:第一多路复用器，耦接在所述一个或多个调制器与所述光学接口之间，以提供温度稳定的波长锁定，从而用于将来自所述一个或多个激光器装置中的所述一个或多个波长多路复用到所述第一光信号内；以及第二多路复用器，耦接至所述光学接口，以用于将所述第二光信号多路分解成分别由所述一个或多个光电检测器检测的多个波长。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二多路复用器是基于硅或氮化硅的延迟线干涉仪，并且被配置为以50GHz密集波分复用网格或一些其他频率间隔将所述第二光信号交错到至少两个波长。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个调制器中的每个是以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个光电检测器中的每个是在相同的单个硅基板上集成的由锗材料制成的高速光电检测器，以用于形成一个或多个调制器。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学接口包括分别配置有多个V凹槽的光学输入端和光学输出端，所述V凹槽中的每个耦接至配置有单模光纤的模式适配器。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述粗波分复用网格包括四个波长，分别具有1270nm、1290nm、1310nm 以及 1330nm 的峰值。12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述密集波分复用网格包括具有50GHz信道间隔的高达96个波长。13.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一多路复用器被配置为组合分别利用数据调制的具有20nm间隔的四个粗波分复用波长或者至少两个具有50GHz间隔的密集波分复用波长，波长被组合成由所述第一光信号携带的单个信息流。14.根据权利要求8所述的设备，其中，用于将所述第一电信号转换成所述第一光信号的所述成帧协议被配置为在由在所述传输通道模块中的所述调制驱动器驱动的光学模式中，由所述硅马赫曾德尔调制器进行NRZ和PAM信号编码调制两者。15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述硅马赫曾德尔调制器是分段调制器，包括多个区段，并且所述PAM信号编码被编码成温度计编码。16.根据权利要求15所述的设备，其中，通过将所有所述区段一起驱动，实现所述NRZ信号编码调制。17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述PAM信号编码调制包括使用从所述分段调制器的9个区段中分组的3个部分的PAM4编码方案。18.根据权利要求15所述的设备，其中，所述分段调制器配置有在350um与450um之间的段长以及在10 μπι与50 μπι之间的段距，以用于最小装置寄生效应并且适合于高速操作。19.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述传输通道模块中的所述调制驱动器包括以CMOS 28nm架构配置的限制驱动器。20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传输通道模块进一步包括以分布式MZM配置耦接至所述调制驱动器的时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字编码器装置(ENC)，以驱动在所述光学模块中的所述一个或多个调制器，从而用于根据所述第一电信号，以包括50GHz或10GHz间隔的粗波分复用网格或密集波分复用网格的一个波长，将由所述一个或多个激光器装置生成的每个激光编码。21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述调制驱动器包括多个放大器的平行阵列，优化每个所述放大器，以驱动所述一个或多个调制器中的一个的单个区段。22.根据权利要求1所述的设备，进一步包括调制器装置，所述调制器装置被使用倒装芯片配置耦接至所述粗波分复用或密集波分复用网格。23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述接收通道模块进一步包括耦接至所述跨阻抗放大器(TIA)的时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)以及数字信号处理器装置(DSP)，以便将所述电流信号数字化。24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述TIA以CMOS28nm架构配置。25.根据权利要求24所述的设备，进一步在电路中包括电源、微控制器、以及自测试块，所述电路具有耦接至电气接口的ASIC接口。26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述自测试块被配置为数字化监控所述传输通道模块的性能并且通过所述ASIC接口生成诊断信息。27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述诊断信息至少包括来自由所述TIA数字化的所述电流信号中的温度、光学功率、通过所述FEC的电信号的误差率、以及通过所述DSP的接收的信号中的失真水平。28.根据权利要求25所述的设备，其中，所述自测试块包括宽带源，所述宽带源包括LED，所述LED被配置为发射从1200nm到1400nm或从1500到1600nm的电磁辐射。29.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电气接口被配置为通过以太网进行4X lOGb/s或4X 25Gb/s速率的数据通信。30.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学接口被配置以用于经由粗波分复用20nm间隔的信道或密集波分复用50GHz/100GHz间隔的信道通过单模光纤进行20GBaud或28GBaud PAM4编码的光学通信。31.根据权利要求1所述的设备，被配置在QSFP-28封装内，所述封装包括对电磁辐射的金属屏蔽。
【专利摘要】本发明提供了一种光学模块，包括在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器的集成设备中，所述光学模块包括：分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号；以及一个或多个光电检测器，用于检测来自光学接口的第二光信号，以生成电流信号。此外，所述设备包括传输通道模块，耦接在光学模块与电气接口之间，以接收来自电气接口的第一电信号并且提供成帧协议，用于驱动所述一个或多个调制器。而且，所述设备包括耦接在光学模块与电气接口之间的接收通道模块，以处理电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口。
【IPC分类】H04B10/40, G02B6/42
【公开号】CN104901745
【申请号】CN201510095035
【发明人】拉德哈克里什南·L·纳贾拉詹
【申请人】颖飞公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
【公告号】DE102015002386A1, US20150249501
【专利说明】光学模块
[0001]交叉引用相关申请
[0002]本申请要求于2014年3月3日提交的美国临时申请第61/947，374号的优先权，该临时申请具有共同受让人并且全文实际上并入本文中，以作参考。
技术领域
[0003]本发明涉及电信技术。更具体而言，本发明的各种实施方式提供了通信接口，该接口被配置为通过光学通信网络传输具有高带宽的数据。
【背景技术】
[0004]在过去的几十年，通信网络的使用迅猛发展。在早期的因特网中，流行的应用程序限于电子邮件、公告栏以及主要基于信息和文本的网页浏览，并且所传输的数据量通常较小。如今，因特网和移动应用程序需要大量带宽，用于传输照片、视频、音乐以及其他多媒体文件。例如，社会网络(例如，Facebook)每天处理超过500TB的数据。随着对数据和数据传输的这种高度需求，需要提高现有数据通信系统，以解决这些需要。
【发明内容】
[0005]在某些实施方式中，由在脊柱-叶(spine-leaf)网络架构内的各种装置(例如，脊柱交换机和叶交换机)使用通信接口，这允许在服务站之间共享大量数据。
[0006]在现代电气互连系统中，高速串行链路代替了并行数据总线，并且由于CMOS技术的演变，所以串行链路速度快速增大。因特网宽带几乎每隔两年就翻倍，遵循摩尔定律。但是摩尔定律在今后十年结束。标准的CMOS硅晶体管在大约5nm时停止扩展。并且，由工艺放大造成的因特网带宽增大达到平衡。但是，因特网和移动应用程序连续需要大量带宽，来传输照片、视频、音乐以及其他多媒体文件。本公开描述了用于在摩尔定律之外提高通信带宽的技术和方法。
[0007]串行链路性能由通道电气带宽和电子元件限制。为了解决由带宽限制造成的符号间干扰(ISI)问题，需要使所有电气元件尽可能接近，以减少在其间的距离或通道宽度。在所谓的3-D IC内堆叠芯片，保证一次性提高其功能，但是非常昂贵。在本公开中实现这个目标的另一种方法是使用多芯片模块技术。
[0008]在一个实例中，增大带宽的一种替换方法是使光学装置接近电气装置移动。硅光子是一种用于使光学器件更接近硅移动的重要技术。在这个专利申请中，公开一种高速电气光学器件多芯片模块装置，用于实现每秒兆兆位的速度，并且公开其变体。
[0009]在一个实例中，本发明提供了一种用于高速电信的集成设备。该集成设备包括基于硅光子的光学模块，该模块被配置为将电信号转换成光信号，用于进行100Gb/S或400Gb/s高速率通信。光学模块被配置为在具有20nm信道间隔的粗波分多路复用(CWDM)网格中输出具有波长的一个或多个光信号，例如，具有峰值为I270nm的第一波长的第一激光、具有峰值为I290nm的第二波长的第二激光、具有峰值为1310nm的第三波长的第三激光以及具有峰值为1330nm的第四波长的第四激光。光学模块替换地配置为在具有从1525到1565nm的范围内的c带内具有峰值波长的密集波分复用(DWDM)网格中输出一个或多个信道波长。
[0010]在一个实例中，用于在CWDM网格或DWDM网格中生成激光波长的包含在光学模块内的每个激光器装置是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N = 2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN(CNR) <-140dB/Hz或更好。在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，产生更低的光谱密度。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC (热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0011 ] 在一个实例中，光学模块进一步包括一个或多个高速光电检测器，其由锗材料制成，在硅基板上集成并且耦接至光学输入端端口，用于在CWDM网格或DWDM网格中检测一个或多个输入的光信号。硅基板包括光纤接口，包括多个V凹槽，每个V凹槽耦接至模式适配器。光电检测器被配置为将在CWDM或DWDM网格中的光信号转换成可以数字化的电流。
[0012]在一个实例中，硅基板包括用于传输器和接收器的单独路径。在一个实例中，硅基板包括接口，该接口配置有单模光纤。在一个实例中，使用数据调制具有每个CWDM或DWDM网格波长的激光，并且将该激光处理成单个信息流。在一个实例中，光学模块进一步包括调制器，其被配置为用于NRZ和PAM4调制方案。在另一个实例中，光学模块包括包含多个区段的分布式调制器，并且通过温度计编码，实现PAM4编码。在又一个实例中，通过将所有区段一起驱动，实现NRZ调制。在又一个实例中，分布式或分段调制器耦接至以CMOS配置的限制驱动器。在又一个实例中，分段调制器配置有在250 μ m与450 μ m之间的段长，用于最小装置寄生效应并且适合于高速操作。
[0013]此外，集成设备进一步包括驱动器，该驱动器具有控制块、编码器以及分布式MZM配置。驱动器包括多个放大器的平行阵列，优化每个放大器，以驱动在光学模块中的调制器装置的单个区段。在一个实例中，调制器装置使用倒装芯片配置耦接至激光CWDM或DWDM网格。在一个实例中，光学模块具有光学输入端和光学输出端。在一个实例中，集成设备具有电源、微控制器、以及传输通道和接收通道，接收通道包括时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字信号处理器装置(DSP)以及跨阻抗放大器(TIA)。在一个实例中，传输通道包括⑶R、FEC、编码器装置(ENC)以及驱动器(DRV)。而且，集成设备具有电气输入接口和电气输出接口，每个接口被配置为用于4 X 10Gb/s或4 X 25Gb/s。在另一个实例中，光学模块具有在接收通道上配置的第一多路复用器以及在传输通道上配置的第二多路复用器。在一个实例中，集成设备位于QSFP-28封装内，包括对电磁辐射的金属屏蔽。
[0014]在一个特定的实施方式中，本发明提供了一种在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器的集成设备。所述设备包括光学模块，所述光学模块包括:分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号。光学模块进一步包括一个或多个光电检测器，用于检测来自光学接口的第二光信号，以生成电流信号。此外，所述设备包括传输通道模块，耦接在光学模块与电气接口之间。所述传输通道模块包括至少一个调制驱动器，其被配置为接收来自电气接口的第一电信号并且提供成帧协议，用于驱动所述一个或多个调制器。而且，该设备包括耦接在光学模块与电气接口之间的接收通道模块。所述接收通道模块包括至少一个跨阻抗放大器，其被配置为处理电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口。第一光信号/第二光信号与以粗波分复用(CWDM)网格或密集波分复用(DWDM)网格配置的一个或多个波长相关联。
[0015]本发明在已知的存储器技术的背景下实现了这些和其他优点。然而，通过引用说明书的后半部分以及附图，可以实现本发明的性质和优点的进一步理解。
【附图说明】
[0016]图1为示出根据先前技术的云数据中心校园互连的简化图；
[0017]图2为示出在以上云数据中心架构之下用于在从3米到80千米的范围内的不同距离的每个部分的互连容量的表格的简化图；
[0018]图3为根据本发明的一个实施方式的配置有用于高数据速率电信的电气/光学接口的集成设备的简化图；
[0019]图4A为根据本发明的第一实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0020]图4B为根据本发明的第二实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0021]图5为根据本发明的第三实例的集成设备的光学架构的简化图；
[0022]图6为根据本发明的一个实施方式的使用2到I功率组合器来组合两个10GHz网格以产生50GHz网格的简化图；
[0023]图7为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的40Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图；
[0024]图8为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的100Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图；
[0025]图9为根据本发明的一个实施方式的为高数据速率电信包装集成设备的简化方框图；
[0026]图10为根据本发明的一个实施方式的不出娃光子光学模块芯片布局的简化图；
[0027]图11为根据本发明的一个实施方式的调制驱动器装置的简化图；
[0028]图12为根据本发明的一个实施方式的示出MZ调制器的控制方案的简化图；
[0029]图13为根据本发明的一个实施方式的示出用于调制驱动器的优选选择表格的简化图；
[0030]图14为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码方案的简化图；
[0031]图15为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码器逻辑的简化方框图。
【具体实施方式】
[0032]在过去的几十年，随着云计算和数据中心的出现，网络服务器的需要演进。例如，长时间使用的三层配置不再充分或合适，这是因为分布式应用程序需要更平的网络架构，其中，服务器虚拟化允许服务器并行操作。例如，多个服务器可以共同用于执行请求的任务。并行运行的多个服务器的当务之急通常是在其自身之间快速地分享大量信息，与使数据通过多层网络架构(例如，网络交换机等)来回移动相反。
[0033]提供叶脊柱型网络架构，以更好地允许服务器并行运行，并且在服务器之间快速移动数据，提供高带宽和低延迟。通常，叶脊柱型网络架构使用架顶(top-of-rack)交换机，该交换机可以直接进入服务器节点和链路内，返回一组非阻塞脊柱交换机，这些交换机具有充足的带宽，以允许服务器的群集彼此链接并且共享大量数据。
[0034]在如今的典型的叶脊柱型网络中，在服务器之间分享千兆比特的数据。在某些网络架构中，在相同等级上的网络服务器具有某些对等链路，用于进行数据共享。可惜的是，这种类型的机构的带宽通常不充分。要理解的是，本发明的实施方式使用在叶脊柱型架构内的PAM(例如，PAM4、PAM8、PAM12、PAM16等)，该架构允许通过光学网络传输大量数据(在脊柱等级上具有高达万亿字节的数据)。
[0035]提出以下描述，以使本领域的技术人员能够构成并且使用本发明并且在特定的应用背景下包含本发明。对于本领域的技术人员，在不同应用中的各种修改以及各种使用显而易见，并且在本文中定义的一般原则可以应用于广泛的实施方式中。因此，本发明并非旨在限于所提出的实施方式，而是旨在符合与在本文中公开的原理和新型特征一致的最广泛的范围。
[0036]在以下详细描述中，提出了多个具体细节，以便提供本发明的更彻底的理解。然而，对于本领域的技术人员，显然可以实践本发明，而不必限于这些具体细节。在其他情况下，用方框图的形式(而非详细地)显示了众所周知的结构和装置，以免本发明晦涩难懂。
[0037]将读者的注意力引向与本说明书同时提交的并且与本说明书一起供公众监督的所有论文和文档，并且所有这种论文和文档的内容包含在本文中，以作参考。在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及示图)中公开的所有 特征可以由用作相同、等效或相似目的的替换的特征代替，除非另有明文规定。因此，除非另有明文规定，否则所公开的每个特征仅仅是一系列通用的等效或相似特征的一个实例。
[0038]而且，在未明确规定用于执行规定的功能的“装置”或者用于执行规定的功能的“步骤”的权利要求中的任何部件不要理解为在美国专利法第112条第6段中规定的“装置”或“步骤”条款。尤其地，在本文中的权利要求中使用“步骤”或“行为”，并非旨在援引美国专利法第112条第6段的规定。
[0039]请注意，如果使用的话，那么标签左、右、如、后、顶部、底部、向如、向后、顺时针以及逆时针仅仅用于方便的目的，并非旨在表示任何特定的固定方向。这些标签反而用于反映在物体的各个部分之间的相对位置和/或方向。
[0040]图1为示出根据先前技术的云数据中心校园互连的简化图。众所周知，云数据中心没有单个设计或尺寸。随着技术进步和成本结构，构造这种数据中心的拓扑继续演变。通过生成设计、位置以及规模，驱动数据中心构造设计的差异。虽然在不同的数据中心内的总体交通流量相似，但是设计差异驱动不同的链路要求。数据中心开发和增长通常经受三个阶段，包括设计、增建以及操作。通常，数据中心开发和增长处于操作阶段，同时具有增建阶段。
[0041]数据中心的新协同位置可以上线，这是因为在三年周期中更新了旧的协同位置。基础设施应持续至少4-6代更新。可以增加新数据中心和相关的协同位置，以满足增长的需求。对于基于数据中心的光纤以太网，在数据中心内部，可以远达2km。虽然能够具有100-400Gigbit单模光纤(SMF)以太网传输，但是数据通信使用具有I到40Gigabit速率的多模光纤(MMF)。在数据中心外面，I到400Gigbit SMF以太网适用于从2到1km的范围。如图1中所示，校园等级在数据中心拓扑之外，其中，多数据中心配置在由用于1-SOkm范围的城市(Metro)DWDM和用于>100km范围的核心DWDM连接的叶-脊柱网络架构内互连。对于小于100m的范围，每个数据中心通过高达2km范围的脊柱网络为多个配置中的每个连接四个部分的每个节点。每个部分的每个协同位置节点通过在小于20m范围内的叶网络连接多个端口，叶网络连接由在3m范围内的多服务器支持的多个TOR端口。基础设施被设计为使用单个数据速率⑴并且服务器链路是X的子集。例如，X是100Gb/S、400Gb/S或更尚。
[0042]图2为示出在以上云数据中心架构之下用于在从3米到80千米的范围内的不同距离的每个部分的互连容量的表格的简化图。每个数据中心包括多个协同位置，并且每个协同位置包括四个部分。在图2中的表格示出了在脊柱/叶光纤网络中从TOR到DC的互连容量，其中，描写了在基于光纤的数据速率电信设备上的高成本敏感视场空间。尤其地，非常需要并且在下面更详细地描述用于使用单模光纤连接的长距离(LR)叶到脊柱、脊柱到DCR以及DCR到Metro的通信的具有集成光学和电气接口的100Gb/s到400Gb/s设备。
[0043]图3为根据本发明的一个实施方式的配置有用于高数据速率电信的电气/光学接口和协议转换器的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，集成设备100由片上系统设备构成，该设备被配置为将电信号转换成光信号，反之亦然，用于进行高数据速率数字通信。设备100包括:硅光子光学模块101，该模块具有包括输入端口 105和输出端口 106的光学接口 ；控制模块102，其具有电源和微控制器或其它ASIC电路；以及传输通道模块104和接收通道模块103。光学模块101包括第一多路复用器1001，其在接收通道上被配置为从输入端口 105中接收多路复用的光信号，并且具有多个光电检测器(PD) 1003，以在发送到接收通道模块103之前，将具有不同波长的多路分解信号转换成相应的电流信号。在一个实施方式中，第一多路复用器1001是基于硅的延迟线干涉仪(DLI)。在一个特定的实施方式中，DLI被配置为将多路复用光从一个光纤中交错到两个波导，每个波导具有在不同波长内的光。光学模块101进一步包括第二多路复用器1002，其在传输通道上被配置为耦接多个DFB激光器1004，这些激光根据从传输通道模块104中接收的并且由该模块预先处理的电信号分别由MZ调制器(MZM) 1005调制。第二多路复用器1002能组合所有光信号，并且通过输出端口 106将其输出给叶脊柱光纤网络。在一个实施方式中，第二多路复用器1002还是用作2到I功率组合器的DLI，以便将具有不同波长的两个光(例如，在具有50GHz或10GHz间隔的CWDM或DWDM网格内的两个通道)组合成多路复用的光，用于通过单个光纤传输。接收通道模块103包括时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字信号处理器装置(DSP)以及跨阻抗放大器(TIA)。传输通道模块104包括⑶R、FEC、编码器装置(ENC)以及驱动器(DRV)。而且，集成设备100与具有输入和输出的电气接口 200耦接，用于通过4X lOGb/s或4X25Gb/s或更高数据速率接收或传输以太网数据。根据所接收的电气数据，DRV驱动器控制DFB激光器1004生成具有某个波长的光，并且控制调制器1005，用于调制DFB激光器1004的光，以携带数据。
[0044]图4A为根据本发明的第一实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，两个集成设备100A和100B分别部署在两个端部位置，或者与叶到脊柱(<400m)或脊柱到DCR(〈1000m)光纤网络对应的所谓的A端和Z端。在该实例中，根据用于使特定的数据速率和成帧协议格式匹配的特定配置，每个集成设备100A或100B与设备100基本上相同。在一个实施方式中，图4A示出了一个光学架构，其中，在A端的集成设备100A的输出端口 106A直接连接至在Z端的另一个集成设备100B的输入端口 105B，无需光学放大器(OA)。在NRZ或PAM4编码方案中使用集成设备(100A或100B)将电信号转换成4 λ或2 λ光信号，可以将具有40Gb/s (或100Gb/s速率)的电气输入信号分类成4 X 10Gbit/s (或4 X 25Gbit/S)。相应地，光信号分类成用于4父1061^丨/8速率的2入X22.5Gbaud(或lλ X22.5Gbaud)以及用于 4X25Gbit/s 速率的 4 λ X 28.125Gbaud(或 2λ X 28.125Gbaud)。
[0045]集成设备10A或100Β包括与基于硅光子的光学模块相关联的I个到4个DFB激光器(虽然在图4Α中仅仅显示了两个波长)，用于在具有20nm信道间隔的大约1300nm的CWDM网格内生成支承高达4个波长的光信号。光信号需要仅仅行驶小于2km的距离。在一个实施方式中，与光学模块的接收通道相结合，包括第一多路复用器，用于从单个光纤到具有不同波长的两个路径的交错光。在与光学模块的传输通道相结合的同时，第二多路复用器被配置为2到I功率组合器，用于将由具有两个波长的两个DFB激光器生成的光组合到一条光纤。第一多路复用器和第二多路复用器中的每个可以由延迟线干涉仪构成，同时通过在相反方向行驶的光操作。
[0046]在一个实例中，用于在CWDM网格或DWDM网格处生成激光波长的包含在光学模块内的每个激光器装置是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N = 2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN (CNR) <-140dB/Hz。在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，与更低的光谱密度相结合。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC (热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0047]图4B为根据本发明的第二实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，在光学架构的第二实例中，两个集成设备200A和200Z成对地部署在DCR到Metro光纤网络的A端和Z端，以在由DFB激光器生成的DWDM网格处使用单个波长，提供与40Gbit/s速率的数据通信。在DCR到Metro光纤网络的A/Z端的设备200A/200Z包括光学模块，该模块具有输出/输入端口 206A/205Z，用于将携带数据的单个波长(I λ)光传输给在网络的Ζ/Α端的成对设备200Ζ/200Α的输入/输出端口 205Ζ/206Α，或者从该端口中接收该单波长光。在集成设备200Α或200Ζ的光学模块内不需要多路复用器。
[0048]从一个数据中心中，多个路径可以从该数据中心部署到在DCR到Metro网络内的多个目的地。因此，多个集成设备(所有设备都具有成对的方式，例如，200A和200Z)可以部署在各个路径的相应A端和Z端。在A或Z端的每个集成设备的光学模块装有单个DFB激光器，用于在DWDM网格中生成各个信道波长。例如，信道波长可以是从具有50GHz的信道间隔的所有C带波长中选择的波长。
[0049]从DCR到Metro (城市)网络的传输端，MZ调制器根据电气输入信号将每个信道波长的激光调制成特定的光信号。在一个实施方式中，PAM4编码用于将40Gbit/s的电信号转换成由单波长光携带的lX-20Gbaud的光信号。MZ调制器(MZM)嵌入每个集成设备(200A或200Z)的光学模块内，并且通过相应的输出端口(例如，206A或206Z)输出，无论集成设备部署在A端还是Z端。每个MZ调制器是以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器。在通过网络传输大于1km的距离之前，所有这些单独的单波长光由具有50GHz信道间隔的DWDM MUX装置300组合成单个光纤。在一个实施方式中，DWDM MUX装置300能够多路复用在具有50GHz信道间隔的DWDM网格内的波长的高达96个通道。在某些实施方式中，可以需要光学放大器(OA)和色散补偿模块(DCM)，用于保持数据完整性。与传输通道相关联的每个集成设备的其他功能与为集成设备100描述的功能相似。
[0050]从DCR到Metro网络的接收端，在具有50GHZ信道间隔的DWDM网格处，50GHZ信道间隔DEMUX装置300被配置为将从传输端中接收的输入的光信号多路分解成具有各个单波长(I λ)的多个单独光。然后，通过相应的集成设备(200Α或200Ζ)的光学模块(在任一个接收器内都没有安装多路复用器)的相应的输入端口(205Α或205Ζ)接收携带相应的调制数据的每个单个波长光。由单波长光携带的数据由在其内的光电检测器(PD)检测，并且进一步转换成电信号。用于处理上面转换的电信号的与接收通道相关联的每个集成设备的其他功能与为集成设备100描述的功能相似。
[0051]在一个实例中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于具有足够低的噪音，以满足通过10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围(通常，N=2n，1.e.，2，4，8等)。在一个实例 中，包含在光学模块内的每个激光器装置的特征在于RIN (CNR) <-140dB/Hz ο在一个实例中，每个激光器装置未冷却或者进行冷却。如果未冷却，那么降低功耗，同时使波长“浮动”，与更低的光谱密度相结合。在另一个实例中，光学模块进一步包括TEC(热电冷却器)，以便为每个激光提供温度稳定。在一个实例中，使用以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器，外部调制每个激光。
[0052]图5为根据本发明的第三实例的集成设备的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，在DCR到Metro网络中，在双波长(2 λ )PAM4编码之下，具有用于传输具有28.125GBaud的100Gbit/sDWDM光信号的场景。与在图4B中所示的场景相似，两个集成设备400A和400Z部署在DCR到Metro网络的一个路径的A端和Z端。
[0053]在一个特定的实施方式中，与仅仅一个DFB激光器包含在图4B中的每个设备内但是50GHz DffDM MUX装置300必须用于使具有50GHz间隔的多个通道相结合不同，每个设备400A或400Z被配置为包括两个DFB激光器，这两个激光分别设置在具有50GHz间隔的两个波长(2 λ)处，但是分别远离具有100GHz间隔的标准DWDM网格移动25GHz。在集成设备400A或400B的光学模块内的基于DLI的多路复用器首先将从两个DFB激光器中生成的调制光组合成一个输出端口，作为2 λ光信号。在增加与400Α或400Β相似的多个集成设备，用于提供额外的2 λ光信号时，那些额外信道波长中的每个可以适当地选自具有50GHz间隔的DWDM网格，并且被配置为使从一个集成模块中输出的每个2 λ光信号的中心波长与从同一种类型的另一个集成模块中输出的最近的相邻2 λ光信号的中心波长相距100GHz。在所有这些2 λ光信号相结合时，能够为所有(高达96个)通道提供50GHz间隔。通过这种光学架构，普通的lOOGHzMUX装置400(而非更昂贵的50GHz多路复用器)足以提供所有需要的50GHz间隔的信道，用于为40Gbit/s或100Gbit/s系统通过DCR到Metro网络传输数据。
[0054]图6为根据本发明的一个实施方式的使用2到I功率组合器来组合两个10GHz网格以产生50GHz网格的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。通常，在前面的示图(图4A、4B以及5)中显示的实施方式中，40Gbit/s系统需要50GHz多路复用器，并且100Gbit/s系统需要10GHz多路复用器。在一个替换的实施方式中，如图6中所示，为了从两个10GHz网格601和602中产生50GHz网格609 (用于40Gbit/s系统)，2到I功率组合器605 (例如，在光学模块中的DLI)交错地组合两个10GHz多路复用器的两组通道。每个10GHz多路复用器(601或602)使一组10GHz间隔的信道相结合，并且一组中的每个通道与在另一组中的相应通道相距50GHz。用于使用10GHz多路复用器代替50GHz多路复用器的权衡是在相同光学路径内的光学放大器需要额外的3dB增益。
[0055]图7为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的40Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，使用PAM编码器来与FEC编码器耦接，以处理经由Rx-⑶R通过(例如)4xlOG四通道小型可插拔(QSFP)紧凑的热插拔格式从电气接口中接收的电信号，在传输通道模块中实现40Gbit/sPAM4编码。PAM编码器进一步与在传输通道模块内的PAM驱动器耦接，用于提供在光学模块中与单个DFB激光器相关联的基于PAM的MZ调制器的控制。实现PAM4编码，以驱动DFB激光器生成由MZ调制器调制的激光，以便4xlOGibt/s速率的电信号可以在光学模块的输出端口处转换成22.5GBaud光信号，从而能够通过四个CWDM通道或者具有50GHz信道间隔的高达96个DWDM网格通道中的一个进行40Gbit/s速率传输。
[0056]在相同的集成模块中，如图7中所示，也实现PAM编码，与接收通道模块相结合。在PIN照片检测器从单模光纤(在<80km传输之后)中接收光信号时，光信号转换成由跨阻抗放大器(TIA)放大的电流。然后，启用PAM的模数转换器(ADC)将模拟电流信号转换成由数字信号处理器(DSP)通过启用PAM的编码算法处理的数字信号。然后，数字信号进一步由时钟数据恢复装置(CDR)处理，以去除从高数据速率系统中得到的抖动。具有7.5dB编码增益的FEC解码器用于将与信号相关联的前向纠错代码解码。然后，在通过具有QSFP格式的电气接口发出之前，Tx-⑶R用于处理信号。
[0057]图8为根据本发明的一个实施方式的示出在集成设备中实现的100Gbit/s PAM4编码的一个实例的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，对于100Gb/S数据速率系统，PAM4编码实施方式在光学模式中需要两个波长(2 λ )，用于为每个波长传输具有50Gb/s的28.125GBaud信号。因此，在传输通道模块中使用双工PAM驱动器，来驱动在光学模块中的两个DFB激光器，以生成分别由双工MZ调制器根据PAM4编码协议调制的两个光，以便转换从具有4x25G CAU1-4格式的电气接口中接收的相应电信号。在转换成光信号之前，电信号还由FEC编码器和启用PAM的编码器处理。此外，为了处理2λ光信号，将MUX装置加入光学模块中，用于将两个光组合成一个光，并且输出给单个光纤。在一个特定的实施方式中，在集成设备中实现的28.125GBaud PAM4编码能够通过具有10GHz间隔的4个CWDM通道或40个DWDM通道中的一个进行100Gbit/s数据速率光学传输。
[0058]同样，在接收通道中，DEMUX首先需要将光信号从单个光纤中交错回两个单独的光，相应的信道波长携带PAM4模式信号。因此，双工PIN光电检测器用于单独地检测具有不同波长的两个光，并且分别转换成两个电流信号。在接收通道模块中，实现双工线性TIA和启用PAM的双ADC/DSP装置，用于处理电流信号并且生成相应的数字信号。随后，FEC装置被配置为将信号解码并且进行前向纠错。最后，通过电气接口，以4x25Gb/s速率传输出适当地格式化的电信号。
[0059]图9为根据本发明的一个实施方式的为高数据速率电信包装包括100G到400G硅光子芯片开发的集成设备的简化方框图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，集成设备被配置为包装在单个基板或插入器上，包括硅光子光学模块和接收通道模块加上传输通道模块。硅光子光学模块封装在SiPho芯片内，包括嵌入式DFB激光器，以提供高达4个激光，选择相应的信道波长，用于实现NRZ或PAM4编码协议电/光信号转换。光信号由内部多段MZM调制，用于通过光纤接口传输给光学输出端端口。相反，与光纤接口相关联的光学输入端端口被配置为接收光信号并且通过每个波长的嵌入式光电检测器(PD)检测该光信号。PD由锗制成，并且直接在SiPho芯片上集成。光纤接口包括多个V凹槽，每个V凹槽耦接至模式适配器。接收通道模块至少包括PAM驱动器，该驱动器被配置为在光学模块内部驱动DFB激光器。传输通道模块至少包括启用PAM的TIA，用于处理每个波长的由H)转换的所接收的模拟电流信号。
[0060]在特定的实施方式中，使用具有28个针脚的QSFP格式接口封装集成设备，这些针脚能够为100G系统通过28GBaud速率处理4个波长光信号传输。进一步可升级的是，为400G系统通过56GBaud速率处理4个波长光学传输。在光学模块中的MZM和在传输通道模块中的PAM驱动器能够在NRZ和PAM4编码协议中进行操作，用于在CWDM通道或DWDM50GHz网格通道内通过任何选择的波长将电信号转换成光信号。驱动器和TIA由基于28nm CMOS的技术制成并且依然可升级。
[0061]图10为根据本发明的一个实施方式的不出娃光子光学模块芯片布局的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，被配置为生成具有相应波长λ?、λ2、λ3以及λ4的四个光的高达4个激光器装置放在占据模块的主要区域的中心区域内。通过单独的基于硅的波导，将具有相应波长的每个光引入相应的基于硅的MZ线性分段调制器中。然后，调制的光信号由MUX装置多路复用，并且发送到具有全部四个波长的单个传输波导。传输波导被配置为与单个光纤耦接，用于进行光学传输。单独地，接收波导被配置为与单个光纤耦接，用于接收携带四个波长λ 1、λ 2、λ 3以及λ 4的光信号。实现DEMUX装置，以将所接收的光信号多路分解成具有相应的波长λ?、λ2、λ3以及λ4的四个单独光，这些光分别由四个光电检测器(PD)检测。
[0062]图11为根据本发明的一个实施方式的调制驱动器装置的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，调制驱动器装置1100包括控制块1110、编码器1120、伪随机二进制序列(PRBS)信号发生器1130以及分布式MZM配置1140。尤其地，控制块1110被配置为从二进制选择表格中接收一对ΡΑΜ_Εη代码和PRBS_En代码，以便在相应的模式中分别操作(PAM或NRZ)编码器1120和PRBS信号发生器1130。PAM编码器1120被配置为直接与分布式MZM配置1140耦接，用于在集成设备的光学模块内部控制MZ调制器，以便为由DFB激光器装置生成的激光使用PAM4(或NRZ)编码，来根据所接收的28Gbit/s CDR处理的电信号提供调制。作为分段调制器，MZ调制器与在图10中所示的调制器基本上相似。在进行比特误码率测量时，PRBS发生器1130用于提供用作测试高速时钟信号的已知二进制序列。通过分布式MZM配置1140，驱动器装置1100是分布式驱动器，包括具有共同的偏置电压Vbias的多个放大器单元1141/1142的平行阵列，优化每个放大器单元，以便在光学模块中驱动调制器的单个区段。在实施方式中，由于具有大约10 μπι?20 μπι的节距，所以每个区段与其邻舍经受大约0.5ΜΩ-1.0ΜΩ的电气隔离1143。由于段长具有从350 μm到450 μm的范围，所以每个区段本身包括大约3 Ω?4Ω的串联电阻1144或者电感120fF?160fF。在一个实例中，假设在MZ调制器内具有9个区段，因此，分布式MZM驱动器配置1140具有9个放大器单元1141/1142，适当地设置每个节距的隔离1143以及串联电阻1144，用于分别驱动MZ调制器的每个区段。
[0063]图12为根据本发明的一个实施方式的示出MZ调制器的控制方案的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，MZ调制器是多段调制器，以便分布式MZM控制配置用于 在正交传输曲线上的理想位置上设置MZ调制器偏置。尤其地，中间电极应用Vbias，包括低频小幅度抖动信号，并且两个侧电极(每个区段)分别设为用于一对P-η结的正电极和负电极，以便在MZ调制器的两个臂部(每个区段)的相位正好相反，以产生合适的信号调制。在两个臂部上具有Itriml和Itrim2的正向偏置部分用于为MZM确定Vbias的基值。使用抖动信号以及Vbias，用于调谐调制，以便在使用与一个臂部整合的H)检测抖动信号时，调谐Vbias，以尽可能减小在输出处的抖动信号，用于根据正交传输曲线的方案，锁定Vbias。
[0064]图13为根据本发明的一个实施方式的示出用于调制驱动器的优选选择表格的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，显示了用于PAM-En和PRBS_En的两个二进制代码的选择表格。PAM-En和PRBS_En中的每个选自“O”或“ I ”。在一个实施方式中，对于PAM_En = PRBS_En = O，选择具有低通CDR输出的方案，用于在NRZ编码中的10到28GBaud/s电/光信号转换。在另一个实施方式中，对于PAM_En = 0，PRBS_En = 1，选择具有高速时钟信号的方案，伴有在NRZ编码中的<50GBaud/s电/光信号转换。在又一个实施方式中，对于PAM_En = I，PRBS_En = O，选择具有低通CDR输出的方案，用于在PAM4编码中的10到28GBaud/s电/光信号转换。在又一个实施方式中，对于PAM_En = PRBS_En = I，选择具有高速时钟信号的方案，伴有在PAM4编码中的<50GBaud/s电/光信号转换。
[0065]图14为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码方案的简化图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，提出了 PAM4编码方案，用于通过分段MZM部分将二进制编码比特映射到灰度/温度计代码中。假设具有9个相同的温度计编码的MZM部分，温度计驱动同样加权的分段MZ干涉仪驱动器。对于在MZ干涉仪驱动器中的PAM4信令，具有四个等级的光学输出端，表示两个二进制编码比特:一个LSB比特和一个MSB比特，提供了 O和I的22=4组合状态，例如，00、01、11以及10。灰度/温度计编码提供比二进制加权更好的性能。如图所示，需要最少3个MZM部分，用于将具有四个状态的二进制比特映射到相应的四个温度计代码中，000、001、011以及111。但是9个相同的温度计编码的MZM部分可以分成3个部分，以便尽可能减小装置寄生现象。
[0066]图15为根据本发明的一个实施方式的示出PAM4编码器逻辑的简化方框图。该图仅仅是一个实例，该实例不应过度限制权利要求的范围。本领域的技术人员会认识到很多变更、替换以及修改。如图所示，表格概述了二进制到灰度/温度计编码的方案。二进制数字包括O和I。对于两个数字位A和B，具有四个组合，00、01、11以及10，与1、2、3以及4的四个PAM符号对应。在编码成温度计代码时，由编码成000、001、011以及111的3个元素X、Y、Z表不。在一个实施方式中，X值可以是A或B的相同值，Y值可以仅仅是A的相同值，并且Z值可以是A的相同值或B的反值。在一个特定的实施方式中，示出了 ΡΑΜ4 二进制到温度计编码器的逻辑电路。
[0067]在一个替换的实例中，本发明包括片上集成系统装置。该装置配置在单个硅基板部件上。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，此外，输入/输出块还包括串行器/解串器(SerDes)块、时钟数据恢复(CDR)块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括跨阻抗放大器(TIA)块，跨阻抗放大器块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上并且此外，可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有通信接口，其耦接至通信块。该装置具有控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0068]在一个实例中，此外，信号处理块还包括前向纠错(FEC)块、数字信号处理块、成帧块、协议块以及冗余块。在一个实例中，驱动器模块选自电流驱动器或电压驱动器。在一个实例中，驱动器模块是微分驱动器等。在一个实例中，硅光子装置选自电吸收调制器或电光调制器或马赫曾德尔调制器。在一个实例中，放大的调制格式选自不归零(NRZ)格式或脉冲幅度调制(PAM)格式。在一个实例中，相位调制格式选自二进制移相键控法(BPSK)或nPSKo在一个实例中，相位/幅度调制是正交幅度调制(QAM)。在一个实例中，硅光子装置被配置为在波分多路复用(WDM)信号中将输出数据转换成输出传输数据。在一个实例中，控制块被配置为开始激光器偏置或调制器偏置。在一个实例中，控制块被配置为用于硅光子装置的激光器偏置和功率控制。在一个实例中，控制块被配置为具有热调谐或载波调谐装置，每个装置配置在硅光子装置上。在一个实例中，SerDes块被配置为将N的第一数据流转换成M的第二数据流。
[0069]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置。该装置具有单个硅基板部件和数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。此外，输入/输出块还包括SerDes块、CDR块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。在一个实例中，该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且虽然可以具有变化，但是可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块等。在一个实例中，该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。在一个实例中，控制块被配置为接收具有数字格式的指令并且将指令发送到通信块，并且被配置为接收和发送具有模拟格式的信号，以便与硅光子装置进行通信。
[0070]在一个实例中，本发明提供了一种片上单片集成系统装置，其被配置为用于多速率和选择格式的数据通信。在一个实例中，该装置具有单个硅基板部件。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，数据输入/输出接口被配置为用于从4到150的通道的数量。该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口，该输入/输出块具有SerDes块XDR块、补偿块以及均衡器块。在一个实例中，SerDes块被配置为将N的第一数据流转换成M的第二数据流。在一个实例中，每个第一数据流通过第一时钟速率具有第一预先定义的数据速率，并且每个第二数据流通过第二时钟速率具有第二预先定义的数据速率。在本文中使用的数据“第一”和“第二”不必表示顺序，并且应根据通常含义在广义上解释。在一个实例中，该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且虽然可以具有变化，但是可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块等。在一个实例中，该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0071]在一个实例中，本发明提供了一种片上单片集成系统装置，其被配置为用于多速率和选择格式的数据通信。在一个实例中，该装置具有单个硅基板部件。该装置具有数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，虽然可以具有变化，但是数据输入/输出接口被配置为用于从4到150的通道的数量。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，该输入/输出块包括SerDes块、CDR块、补偿块以及均衡器块。在一个实例中，SerDes块被配置为将X的第一数据流转换成Y的第二数据流，其，X和Y是不同的整数。在一个实例中，每个第一数据流通过第一时钟速率具有第一预先定义的数据速率，并且每个第二数据流通过第二时钟速率具有第二预先定义的数据速率。在一个实例中，该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。在一个实例中，使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。在一个实例中，该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用配置有N个通道的单向多通道总线耦接至信号处理块，在此，N大于M,使得在N与M之间的差值表示一个或多个冗余通道。在一个实例中，该装置具有映射块，其被配置为使M个通道与用于硅光子装置的多个选择的激光器装置相关联。该装置还具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输 出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且此外，还可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。
[0072]在一个实例中，该装置具有一种片上集成系统装置。该装置具有单个硅基板部件和数据输入/输出接口，该接口位于基板部件上并且被配置为用于预先定义的数据速率和协议。在一个实例中，该装置具有输入/输出块，其位于基板部件上并且耦接至数据输入/输出接口。在一个实例中，此外，输入/输出块还包括SerDes块、⑶R块、补偿块以及均衡器块。该装置具有信号处理块，其位于基板部件上并且耦接至输入/输出块。使用以中间协议的双向总线，将信号处理块配置到输入/输出块中。该装置具有驱动器模块，其位于基板部件上并且耦接至信号处理块。在一个实例中，驱动器模块使用单向多通道总线耦接至信号处理块。在一个实例中，该装置具有驱动器接口，其位于基板部件上，耦接至驱动器模块，并且被配置为耦接至硅光装置。在一个实例中，驱动器接口被配置为传输具有幅度调制格式或相位/幅度调制格式或相位调制格式的组合的输出数据。在一个实例中，该装置具有接收器模块，包括TIA块，TIA块位于基板部件上，使用预先定义的调制格式耦接至硅光子装置，并且被配置到数字信号处理块中，以便将信息传送给输入输出块，用于通过数据输入/输出接口进行传输。在一个实例中，该装置具有通信块，其位于基板部件上，并且此外，还可操作地耦接至输入/输出块、数字信号处理块、驱动器块以及接收器块。该装置具有:通信接口，其耦接至通信块；以及控制块，其位于基板部件上并且耦接至通信块。在一个实例中，该装置具有可变偏压块，其配置有控制块。在一个实例中，可变偏压块被配置为选择性地调谐位于硅光子装置上的多个激光器装置的每个，以便至少调整操作的波长、制造公差以及消光比。
[0073]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有使用回环技术的自测试。在一个实例中，该装置具有位于基板上的自测试块，该自测试块被配置为从数字信号处理块、驱动器模块或硅光子装置中的至少一个中接收回环信号。在一个实例中，自测试块包括可变输出功率交换机，其被配置为提供回环信号的应力接收器测试。
[0074]在一个实例中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有被配置为用于每个通道的一个或多个冗余激光器。在一个实例中，该装置具有配置在硅光子装置上的多个激光器装置。至少一对激光器装置与信道相关联并且耦接至交换机，以便选择这对激光器装置中的一个，来耦接至光学多路复用器，以提供给冗余激光器装置。
[0075]在一个特定的实施方式中，本发明提供了一种片上集成系统装置，该装置具有嵌入式自测试技术。在一个实例中，集成设备具有自测试块，该自测试块通过ASIC接口配置在与硅光子光学模块耦接的传输通道模块上并且在测试操作期间可操作。在一个实例中，自测试块包括宽带源，其被配置为将从1200nm到1400nm或从1500到1600nm的电磁辐射发射给多路复用器装置。在一个实例中，宽带源可以是LED或其他合适的装置。自测试块被配置为数字化监控传输通道模块的性能并且通过ASIC接口在集成设备内部生成数字数据诊断。这个诊断信息包括模块的温度、传输器光学功率、接收器光学功率、通过FEC的电信号的误差率、以及通过DSP的接收的信号中的失真水平等。自测试块还包括自测试输出，其被配置到位于硅光子光学模块外部的光谱分析仪中。
[0076]虽然以上说明书是特定实施方式的完整描述，但是可以使用各种修改、替换的构造以及等同物。因此，以上描述和说明不应视为限制由所附权利要求限定的本发明的范围。
【主权项】
1.一种集成设备，在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器，所述设备包括: 光学模块，包括:分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号；以及一个或多个光电检测器，用于检测来自所述光学接口的第二光信号，以生成电流信号； 传输通道模块，耦接在所述光学模块与电气接口之间，所述传输通道模块包括至少一个调制驱动器，所述调制驱动器被配置为接收来自所述电气接口的第一电信号并且提供成帧协议以用于驱动所述一个或多个调制器； 接收通道模块，耦接在所述光学模块与所述电气接口之间，所述接收通道模块包括至少一个跨阻抗放大器，所述跨阻抗放大器被配置为处理所述电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口； 其中，所述第一光信号/第二光信号与以粗波分复用(CWDM)网格或密集波分复用(DffDM)网格配置的一个或多个波长相关联。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个激光器装置中的每个是DFB，其特征在于具有足够低的噪音，以满足跨越10km的PAM N传输，在此，N具有从2到8的范围。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一光信号的特征在于RIN(CNR) <-140dB/Hz04.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光器装置中的每个未冷却，允许与温度相关的波长浮动。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光器装置中的每个进一步包括热电冷却器(TEC)，以提供波长的温度稳定。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学模块进一步包括:第一多路复用器，耦接在所述一个或多个调制器与所述光学接口之间，以提供温度稳定的波长锁定，从而用于将来自所述一个或多个激光器装置中的所述一个或多个波长多路复用到所述第一光信号内；以及第二多路复用器，耦接至所述光学接口，以用于将所述第二光信号多路分解成分别由所述一个或多个光电检测器检测的多个波长。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二多路复用器是基于硅或氮化硅的延迟线干涉仪，并且被配置为以50GHz密集波分复用网格或一些其他频率间隔将所述第二光信号交错到至少两个波长。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个调制器中的每个是以载波损耗模式操作的硅马赫曾德尔调制器。9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个光电检测器中的每个是在相同的单个硅基板上集成的由锗材料制成的高速光电检测器，以用于形成一个或多个调制器。10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学接口包括分别配置有多个V凹槽的光学输入端和光学输出端，所述V凹槽中的每个耦接至配置有单模光纤的模式适配器。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述粗波分复用网格包括四个波长，分别具有1270nm、1290nm、1310nm 以及 1330nm 的峰值。12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述密集波分复用网格包括具有50GHz信道间隔的高达96个波长。13.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第一多路复用器被配置为组合分别利用数据调制的具有20nm间隔的四个粗波分复用波长或者至少两个具有50GHz间隔的密集波分复用波长，波长被组合成由所述第一光信号携带的单个信息流。14.根据权利要求8所述的设备，其中，用于将所述第一电信号转换成所述第一光信号的所述成帧协议被配置为在由在所述传输通道模块中的所述调制驱动器驱动的光学模式中，由所述硅马赫曾德尔调制器进行NRZ和PAM信号编码调制两者。15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述硅马赫曾德尔调制器是分段调制器，包括多个区段，并且所述PAM信号编码被编码成温度计编码。16.根据权利要求15所述的设备，其中，通过将所有所述区段一起驱动，实现所述NRZ信号编码调制。17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述PAM信号编码调制包括使用从所述分段调制器的9个区段中分组的3个部分的PAM4编码方案。18.根据权利要求15所述的设备，其中，所述分段调制器配置有在350um与450um之间的段长以及在10 μπι与50 μπι之间的段距，以用于最小装置寄生效应并且适合于高速操作。19.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述传输通道模块中的所述调制驱动器包括以CMOS 28nm架构配置的限制驱动器。20.根据权利要求1所述的设备，其中，所述传输通道模块进一步包括以分布式MZM配置耦接至所述调制驱动器的时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)、数字编码器装置(ENC)，以驱动在所述光学模块中的所述一个或多个调制器，从而用于根据所述第一电信号，以包括50GHz或10GHz间隔的粗波分复用网格或密集波分复用网格的一个波长，将由所述一个或多个激光器装置生成的每个激光编码。21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述调制驱动器包括多个放大器的平行阵列，优化每个所述放大器，以驱动所述一个或多个调制器中的一个的单个区段。22.根据权利要求1所述的设备，进一步包括调制器装置，所述调制器装置被使用倒装芯片配置耦接至所述粗波分复用或密集波分复用网格。23.根据权利要求1所述的设备，其中，所述接收通道模块进一步包括耦接至所述跨阻抗放大器(TIA)的时钟数据恢复装置(CDR)、前向纠错装置(FEC)以及数字信号处理器装置(DSP)，以便将所述电流信号数字化。24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述TIA以CMOS28nm架构配置。25.根据权利要求24所述的设备，进一步在电路中包括电源、微控制器、以及自测试块，所述电路具有耦接至电气接口的ASIC接口。26.根据权利要求25所述的设备，其中，所述自测试块被配置为数字化监控所述传输通道模块的性能并且通过所述ASIC接口生成诊断信息。27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述诊断信息至少包括来自由所述TIA数字化的所述电流信号中的温度、光学功率、通过所述FEC的电信号的误差率、以及通过所述DSP的接收的信号中的失真水平。28.根据权利要求25所述的设备，其中，所述自测试块包括宽带源，所述宽带源包括LED，所述LED被配置为发射从1200nm到1400nm或从1500到1600nm的电磁辐射。29.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电气接口被配置为通过以太网进行4X lOGb/s或4X 25Gb/s速率的数据通信。30.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学接口被配置以用于经由粗波分复用20nm间隔的信道或密集波分复用50GHz/100GHz间隔的信道通过单模光纤进行20GBaud或28GBaud PAM4编码的光学通信。31.根据权利要求1所述的设备，被配置在QSFP-28封装内，所述封装包括对电磁辐射的金属屏蔽。
【专利摘要】本发明提供了一种光学模块，包括在单个硅基板上具有光学/电气接口和协议转换器的集成设备中，所述光学模块包括：分别与一个或多个激光器装置耦接的一个或多个调制器，用于向光学接口产生第一光信号；以及一个或多个光电检测器，用于检测来自光学接口的第二光信号，以生成电流信号。此外，所述设备包括传输通道模块，耦接在光学模块与电气接口之间，以接收来自电气接口的第一电信号并且提供成帧协议，用于驱动所述一个或多个调制器。而且，所述设备包括耦接在光学模块与电气接口之间的接收通道模块，以处理电流信号，从而将第二电信号发送到电气接口。
【IPC分类】H04B10/40, G02B6/42
【公开号】CN104901745
【申请号】CN201510095035
【发明人】拉德哈克里什南·L·纳贾拉詹
【申请人】颖飞公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月3日
【公告号】DE102015002386A1, US20150249501
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