CN103430070A - 可编程集成电路器件中的集成光电接口 - Google Patents

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Abstract

本发明提供如下系统，该系统提供集成电路器件的电路，该集成电路器件的电路具有用于高速设备外通信的集成光电接口。可以向集成电路器件中并入光电接口从而释放集成电路器件的一些或者所有电气I/O管脚。可以在集成电路器件上提供可以在电气与光学收发器I/O通道之间切换的收发器I/O通道。

Description

可编程集成电路器件中的集成光电接口
有关申请的交叉引用
本文要求对通过完全引用而结合于此、于2011年3月28日提交、共同未决、共同转让的第61／468,471号美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及一种可编程集成电路器件并且特别地涉及一种具有用于高速设备外通信的集成光电接口的可编程集成电路器件。
背景技术
随着数据密集电子设备和应用激增，数据速率持续增加。在许多应用中，集成电路器件能够在充分高的数据速率工作，但是用来将这样的设备相互连接或者连接到系统底板的铜线已经变成这些数据速率的瓶颈。例如设备可以能够内部在或者超过10Gbps的速率操作，但是信号在底板级的依赖于频率的损耗和反射引起外部瓶颈，这可能引起严重码间干扰(ISI)。
光学信号发送是一种支持更高数据速率的备选，因为光纤的损耗与铜比较可以“实质上”为零。然而从设备上的电气或者电子信号发送到设备外的光学信号发送的转换带来它自己的挑战。这具体为其中集成电路器件可编程、例如现场可编程门阵列(FPGA)或者其它可编程逻辑器件(PLD)的情况。这是因为PLD的真正性质是向用户(即向产品的制造商，该制造商向产品中并入PLD)提供灵活性。因此，需要的特定类型光电接口接口将不为PLD制造商所知，并且光电接口将需要连接到的特定输入／输出(I／O)电路的PLD上的位置也将不为PLD制造商所知。
发明内容
一种解决方案是在其上也装配PLD的印刷电路板(PCB)上提供多个不同光电接口以及各种光电连接器。因此，单个这样的PCB可以包括以下光电接口和连接器类型中的每个类型的一个或者多个光电接口和连接器：
1.XFP(10吉比特小型规格可插入模块)，它是用于10Gbps应用的可热交换、独立于协议的光学收发器。
2.用于100Gbps应用的CFP(C(在拉丁文中为100)型规格可插入模块)
3.SFP(小型规格可插入模块)，也称为Mini-GBIC，这是用于4.25Gbps应用的紧凑、可热交换收发器。SFP+可以操作上至10Gbps。
4.QSFP(四通道SFP)，它替换封装中的四个单通道SFP、比单通道SFP约大30％、用于10Gbps应用而有效吞吐量为40Gbps。这导致臃肿PCB并且也引入从PLD I／O端口到PCB上的所有各种接口模块的附加接线路径。
根据另一解决方案，一个或者多个分立光电接口部件可以被并入到与PLD管芯相同的封装中用于与PLD的高速串行接口中的一个或者多个高速串行接口一起使用。然而这样的解决方案的一个缺点是尽管在封装级提供光学收发器I／O通道，但是电气I／O管脚在管芯级消耗以向光电接口部件提供控制信号从而减少可以在封装级为用户——例如为时钟和控制——提供的I／O管脚数目。
本发明的各种实施例向PLD中并入光电接口从而释放所有电气I／O管脚。在更多实施例中，取代必须将特定收发器I／O置于光学或者电气，可以提供可切换的电气／光学收发器I／O通道。
根据一个实施例，可以向PLD管芯中并入每个光电接口的电子部分——即一个光电接收器接口和一个光电发送器接口的部分，从而仅留下作为分立部件的光学部分。光学部分可以表面装配于管芯上或者由接线连接到管芯并且封装于与管芯相同的封装中。
根据一个实施例，发送器和接收器接口的光学部分中的一些光学部分——具体为在发送侧上的激光器驱动器(LD)和在接收侧上的跨阻抗放大器／限制放大器/自动增益控制(TIA／LA／AGC)，这些实际上是电子的——可以与其它电子部分一起被并入到PLD管芯中，从而仅留下光电接收器接口的光电二极管以及光电发送器部分的激光器和光学部分作为分立部件。同样，光学部分可以表面装配于管芯上或者由接线连接到管芯并且封装于与管芯相同的封装中。
根据一个实施例，接收器光电接口和发送器光电接口二者的所有光学部分可以与电子部分一起被并入到PLD管芯中，从而仅留下光纤连接器在管芯(和封装)外部。
在前述实施例中的任何实施例中，可以希望向用户提供在光学或者电气或者电子模式中使用一个或者多个高速串行接口通道的选项。因此，前述实施例中的每个实施例可以具有以下三个变形之一：
在一个变形中，将为所有高速串行接口通道提供光电接口，并且不会向用于给予用于高速串行电气或者电子接口的任何选项。想要电气或者电子接口能力的用户必须选择不同PLD型号。
在一个变形中，将通过仅为PLD上的一些高速串行接口通道提供光电接口来提供光学和电气或者电子高速串行接口通道的混合。如果采用这一变形，则相同PLD的不同型号可以具有电气或者电子和光学通道的不同比例。
在一个变形中，将为所有高速串行接口通道提供光电接口，但是用户将能够为一些或者所有高速串行接口通道在光学与电气或者电子操作之间可编程地选择。例如可以在一些或者所有高速串行接口通道中提供可编程互连部件、比如复用器以允许通道可编程地连接到常规电气或者电子I／O管脚或者光电接口。
附图说明
将在考虑与附图结合进行的以下具体描述时清楚本发明的更多特征、它的性质和各种优点，在附图中，相似标号全篇指代相似部分，并且在附图中：
图1示出用于为可编程逻辑器件上的高速串行I／O通道提供光电接口的系统；
图2是用于为可编程逻辑器件上的高速串行I／O通道提供光电接口的系统的示意表示；
图3是在图2的系统中使用的光电接口模块的示例的透视图；
图4是用于为可编程逻辑器件上的高速串行I／O通道提供光电接口的根据本发明的一个实施例的示意表示；
图5是用于为可编程逻辑器件上的高速串行I／O通道提供光电接口的根据本发明的一个实施例的示意表示；
图6是用于为可编程逻辑器件上的高速串行I／O通道提供光电接口的根据本发明的一个实施例的示意表示；
图7是如下变形的示意表示，根据该变形可以实施图4、5和6的实施例中的任何实施例；
图8是根据本发明的一个实施例的光学高速发送器通道的示意表示；并且
图9是根据本发明的一个实施例的光学高速接收器通道的示意表示。
具体实施方式
如图1中所见，以上简要描述的用于为PLD的高速串行I／O通道提供光电接口的系统是在其上装配PLD、比如FPGA101的印刷电路板100，该FPGA可以是来自San Jose，California的AlteraCorporation的或者
Figure BPA0000176940770000042
FPGA，该PLD包括多个高速串行I／O通道以及可编程逻辑芯和常规I／O端口。高速串行I／O通道中的不同高速串行I／O通道连接到也装配于PCB100上的各种不同光电接口，这些光电接口包括可以分别在高达10Gbps、4.25Gbps、40Gbps和100Gbps的数据速率操作的SFP+111、SFP112、QSFP113和CFP+114。这一系统臃肿并且可能使高速I／O信号遭受在FPGA101与接口111-114之间的板迹线的长度所产生的延迟、偏斜和其它定时问题。
在图2示意地示出而未按比例的系统200中，FPGA101可以连接到也可以称为光学子组件(OSA)的光电接口模块201和202。如图所示，光学子组件201是接收器OSA，而光学子组件202是发送器OSA。用于这一目的的适当OSA可以是来自Sunnyvale，California的Reflex Photonics Inc.，或者San Jose，California的AvagoTechnologies的LightABLETM光学引擎，在图3中示出该光学引擎的代表示例300。OSA300包括衬底301，该衬底具有连接311，高速串行连接器211、221可以连接到这些连接311用于与FPGA101的高速串行接口通信。连接311也可以用来连接标准I／O导体203用于与FPGA101的标准I／O端口通信，以用于交换例如时钟和控制信号。
在OSA300上，连接311耦合到控制电路321，该控制电路又连接到光学部分323。连接器、比如标准MT光纤连接器302附着到光学部分323。MT连接302可以端接高达72个光纤连接，但是前述LightABLETM光学引擎仅提供12个光学通道。在接收器OSA201中，光学部分323包括光电二极管检测器241和跨阻抗放大器／限制放大器／自动增益控制(TIA／LA／AGC)251。在发送器OSA202中，光学部分323包括竖直空腔表面发射激光器或者VCSEL242的阵列和用于激光器的适当激光器驱动器(LD)电路252。
虽然在图2中示意地示出以图示电气连接，但是可以形成系统200为单个集成电路封装(未示出)，该集成电路封装具有用于FGPA101的常规I／O的常规管脚和用于光学I／O的MT连接器302。在该封装内，FPGA101和OSA201、202可以单独装配于适当衬底上并且由接线连接，或者OSA201、202可以表面装配于FPGA101上。OSA201、202中的每个OSA在它的下侧上具有焊接焊盘阵列，该焊接焊盘阵列可以配对到接触的球阵列或者块阵列，或者FPGA101上的焊区格栅阵列(LGA)插座。
虽然系统200提供单个封装，但是对电气互连FPGA101和OSA201、202的需要消耗FPGA101的常规I／O端口从而减少可用于用户应用的常规I／O端口数目。本发明消除或者大量减少对消耗FPGA101的常规I／O端口的需要。
在图4中所示实施例400中，FGPA401包括在OSA201和OSA202二者的控制电路321已经被并入其中的管芯上形成的、与FGPA101相似的FPGA芯411。光学部分323和连接器302在封装中保持于管芯以外。然而由于已经向FPGA401中并入控制电路321，所以在FPGA芯411与控制电路321之间的所有连接在FPGA401内部并且不消耗FPGA401的常规I／O中的任何常规I／O。
在图5中所示实施例500中，FPGA501包括在不仅控制电路321而且TIA／LA／AGC251已经被并入其中的管芯上形成的FPGA芯411。发送器OSA202的光学部分323与光电二极管检测器241和连接器302一起完全保留于管芯以外。
在图6中所示实施例600中，FGPA601包括在单个管芯中形成的FPGA芯411以及所有接收器OSA201和发送器OSA302——包括两个控制电路321和所有两个光学部分323——除了连接器302之外。连接器302可以表面装配到该管芯或者单独装配于封装中并且可以由光纤连接到相应光学部分323。光学部分323的光学部件——包括光电二极管检测器241和激光器阵列242——可以使用适当的诸如硅光子的混合光电技术来形成于管芯中。
虽然示出实施例400、500和600中的每个实施例具有单对接收器OSA201和发送器OSA202，但是如果设备的具体实现方式中的光学通道数目超过单对接收器OSA201和发送器OSA202可以服务的通道数目，则可以提供附加成对的接收器OSA201和发送器OSA202。
如以上讨论的那样，尽管根据实施例400、500和600中任何实施例的变化，所有高速I／O通道可以是光学的，这意味着FPGA芯411的所有高速I／O通道连接到光学接口，但是可能希望提供电气或者电子高速通道和光学高速通道的混合。根据实施例400、500和600中的任何实施例的另一变形，FPGA芯411的高速I／O通道中的仅一些高速I／O通道连接到光学接口，而其余通道连接到常规I／O管脚用作电气或者电子通道。这一变形的不同实现方式可以具有光学和电气或者电子通道的不同比例。
根据实施例400、500、600中的任何实施例的另一变形，FPGA芯411上的每个高速I／O通道或者高速I／O通道的子集的每个成员可切换地可连接到光学接口或者常规I／O管脚。如图7中所示，FPGA700的FPGA芯711中的高速串行接口(HSSI)由可编程互连部件、比如复用器702连接到光学接口或者常规I／O管脚。控制信号712可以是在I／O管脚上提供的用户信号或者可以由在FPGA700中别处的逻辑提供。
虽然以上描述的实施例基于向FPGA(或者其它PLD)管芯中并入前述光学引擎的部件中的一些或者所有部件，但是可以代之以使用包括电子和光学部件的其它接口技术。因此，PLD管芯可以并入任何光电二极管或者其它光电检测器、任何激光器或者激光器阵列、任何激光器驱动器、任何光学调制器／解调器电路、光学波分复用(WDM)／解复用电路和／或AGC电路。光学部件可以使用诸如硅光子的混合硅技术来制作以及可以例如使用例如混合CMOS光学波导技术来光学地互连。并且如已经指出的那样，根据本发明的实施例的PLD可以包括标准电气或者电子I／O、高速电气或者电子I／O和光学高速I／O的混合。
作为示例，向FPGA800中并入的图8中所见高速发送器通道801可以包括多个混合硅激光器802，每个混合硅激光器由从FPGA800中的别处输出的10Gbps高速数据流所驱动。发送器通道801也可以包括与以上描述的连接到激光器中的每个或者所有激光器的激光器驱动器(LD)电路252相似的适当激光器驱动器(LD)电路(未示出)。每个激光器802可以出于以下讨论的原因而具有不同波长。激光器输出由例如使用混合CMOS光学波导技术在器件硅中形成的光学波导803引导到光学调制器804。调制的输出由光学复用器805组合成单个光学输出806，个体光学数据流在该光学输出上通过它们的不同波长保持分离。输出806由光学波导连接到适当光学连接器807、比如如以上描述的MT连接器，该连接器连接到单个光纤808(例如单模光纤)。因此，出于I／O目的，多个10Gbps高速数据输出通道由在该多个10Gbps操作的单个光学I／O端口所替换。
作为另一示例，向FPGA900中并入的如图9中所见高速接收器通道901可以包括单个光纤908连接到的连接器907，比如MT连接器。连接器907由光学波导连接到适当的光学耦合器902和光学解复用器905，其输出由混合CMOS光学波导903向光电检测器904传导的多个光学流902。接收器通道901也可以包括与以上描述的连接到光电检测器904中的每个或者所有光电检测器的(TIA／LA／AGC)251相似的跨阻抗放大器／限制放大器／自动增益控制(TIA／LA／AGC)(未示出)。解复用器905输出的多个光学流902可以已经通过具有不同波长而在光纤908上保持分离。个体光学流902被转换成高速电子数据流904，该高速电子数据流904可以输入到相应10Gbps高速数据通道(未示出)用于进一步电子处理。如以上所言，多个10Gbps高速数据输入通道出于I／O目的而由在该多个10Gbps操作的单个光学I／O端口替换。
将理解在前述示例中记载数据速率10Gbps仅为示例。个体通道可以在例如从10Gbps到50Gbps或者甚至更快的任何数据速率操作。另外，虽然可以关于在FPGA或者PLD中并入的部件描述图1-9中的每幅图中的以上描述的实施例，但是可以在任何集成电路或者其它设备(示例包括ASSP、ASIC、全定制芯片、专用芯片)中同样和／或等同地实施它们。例如PLD／FPGA电路101、401、501、601、700、800和900可以是任何集成电路器件的电路，并且芯411和711可以是用于任何集成电路器件的芯电路。

Claims (20)

1.一种集成电路器件的电路，包括：
芯电路；
耦合到所述芯电路的接收器光学控制电路；以及
耦合到所述芯电路并且与所述集成电路器件的电路集成的多个电气输入／输出端口，其中所述接收器光学控制电路不消耗所述电气输入／输出端口。
2.根据权利要求1所述的集成电路器件的电路，还包括：
耦合到所述芯电路的跨阻抗放大器。
3.根据权利要求2所述的集成电路器件的电路，还包括：
至少一个光电二极管检测器，其中所述跨阻抗放大器耦合于所述至少一个光电二极管检测器与所述芯电路之间。
4.根据权利要求3所述的集成电路器件的电路，还包括各自耦合到所述至少一个光电二极管的光学耦合器、光学解复用器和光学波导，其中所述光学解复用器输出各自具有不同波长的多个光学流。
5.根据权利要求2所述的集成电路器件的电路，还包括：
耦合到所述芯电路的发送器光学控制电路；
耦合到所述芯电路的激光器阵列；以及
耦合于所述芯电路与所述激光器阵列之间的激光器驱动器电路，其中所述发送器光学控制电路不消耗所述电气输入／输出端口。
6.根据权利要求5所述的集成电路器件的电路，其中所述激光器阵列包括混合光电电路。
7.根据权利要求6所述的集成电路器件的电路，还包括耦合到所述激光器阵列中的每个激光器的调制器、光学波导和光学复用器，其中所述激光器阵列输出各自具有不同波长的光学流，并且其中所述光学复用器组合所述光学流。
8.根据权利要求1所述的集成电路器件的电路，其中所述芯电路包括耦合到光学接口的多个高速输入／输出通道。
9.根据权利要求1所述的集成电路器件的电路，其中所述芯电路包括多个高速输入／输出通道，其中所述多个高速输入／输出通道中的一些高速输入／输出通道耦合到光学接口，并且其中所述多个高速输入／输出通道中的其它高速输入／输出通道耦合到电气接口。
10.根据权利要求1所述的集成电路器件的电路，其中所述芯电路包括多组高速输入／输出通道，其中所述多组之一的所述输入／输出通道中的每个输入／输出通道耦合到相应复用器的输出，并且其中所述复用器中的每个复用器基于来自所述集成电路器件的电路以外的电路的控制信号在光学接口与电气接口之间选择。
11.一种光电封装，所述封装包括：
集成电路器件的电路，其包括：
芯电路；
耦合到所述芯电路的接收器光学控制电路；
耦合到所述芯电路的发送器光学控制电路；以及
耦合到所述接收器光学控制电路的跨阻抗放大器；
与所述集成电路器件的电路不同的辅助接收器电路，其包括：
耦合到所述芯电路的第一机械传送连接器，以及
耦合于所述机械传送连接器与所述跨阻抗放大器之间的光电二极管检测器；以及
与所述集成电路器件的电路不同的辅助发送器电路，其包括：
耦合到所述芯电路的第二机械传送连接器，
耦合到所述发送器光学控制电路的激光器驱动器电路，以及
耦合于所述第二机械传送连接器与所述激光器驱动器电路之间的激光器阵列。
12.根据权利要求11所述的光电封装，其中所述芯电路包括多个高速输入／输出通道，其中所述多个高速输入／输出通道中的每个高速输入／输出通道耦合到光学接口。
13.根据权利要求11所述的光电封装，其中所述芯电路包括多个高速输入／输出通道，其中所述多个高速输入／输出通道中的一些高速输入／输出通道耦合到光学接口，并且其中所述高速输入／输出通道中的其它高速输入／输出通道耦合到电气接口。
14.根据权利要求11所述的光电封装，其中所述芯电路包括多组高速输入／输出通道，其中所述多组之一的所述输入／输出通道中的每个输入／输出通道耦合到相应可编程互连电路的输出，并且其中所述可编程互连电路中的每个可编程互连电路在光学接口与电气接口之间选择。
15.根据权利要求14所述的光电封装，其中所述可编程互连电路中的每个可编程互连电路是从所述芯电路以外的电路接收控制信号的复用器。
16.一种光电封装，所述封装包括：
集成电路器件的电路，其包括：
芯电路；
耦合到所述芯电路的接收器光学控制电路；
耦合到所述芯电路的发送器光学控制电路；
耦合到所述接收器控制电路的跨阻抗放大器；
耦合于机械传送连接器与所述跨阻抗放大器之间的光电二极管检测器；
激光器驱动器电路，耦合到所述发送器光学控制电路，以及
激光器阵列，耦合于所述第二机械传送连接器与所述激光驱动器电路之间；
与所述集成电路器件的电路不同的辅助接收器电路，其包括：
耦合到所述芯电路的第一机械传送连接器，以及
与所述集成电路器件的电路不同的辅助发送器电路，其包括：
耦合到所述芯电路的第二机械传送连接器。
17.根据权利要求16所述的光电封装，其中所述芯电路包括多个高速输入／输出通道，其中所述多个高速输入／输出通道中的每个高速输入／输出通道耦合到光学接口。
18.根据权利要求16所述的光电封装，其中所述芯电路包括多个高速输入／输出通道，其中所述多个高速输入／输出通道中的一些高速输入／输出通道耦合到光学接口，并且其中所述高速输入／输出通道中的其它高速输入／输出通道耦合到电气接口。
19.根据权利要求16所述的光电封装，其中所述芯电路包括多组高速输入／输出通道，其中所述多组之一的所述输入／输出通道中的每个输入／输出通道耦合到相应可编程互连电路的输出，并且其中所述可编程互连电路中的每个可编程互连电路在光学接口与电气接口之间选择。
20.根据权利要求19所述的光电封装，其中所述可编程互连电路中的每个可编程互连电路是从所述芯电路以外的电路接收控制信号的复用器。
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