CN110311735B - 一种光发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光发射器，应用于光电互连接口系统中，其包括：互相连接的电芯片和光芯片；电芯片包括：驱动器模块和匹配模块；驱动器模块用于产生驱动信号并向光芯片传输；光芯片用于根据驱动信号对光信号进行调制得到调制信号并输出；匹配模块用于对经光芯片输出的驱动信号进行阻抗匹配。本发明具有光发射器的器件选择不受限和阻抗匹配精度较高的优点。

Description

一种光发射器
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，尤其是涉及一种光发射器。
背景技术
阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分，主要用于传输线上，来达到所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。
在现有的光电互连接口系统的设计之中，由于信号传输速率不断提高，电驱动器模块与光模块之间的阻抗匹配会直接影响到高速信号的传输效果与信号质量。因而在电驱动器模块的设计过程中，常常会考虑在信号传输的近端与远端分别设计与光模块的特征阻抗相一致的阻抗匹配器件(电路)，从而对两者的阻抗进行匹配，以抑制高速信号在上述信号传输的近端与远端可能发生的信号反射，获得最佳的信号传输效果。
对于上述信号传输的远端信号的阻抗匹配电路，其现有的阻抗匹配电路的设计多采用将阻抗匹配电阻集成在光芯片上的方案或者采用分立元件进行阻抗匹配电路设计的方案。从匹配效果上来看，受限于现有光集成电路工艺的限制，前一方案存在着可用无源器件较少，无法集成诸如电容或电感等器件，导致阻抗匹配电路的结构受限；为了解决上述阻抗匹配电路的结构受限的问题，多采用直接将上述信号传输的远端串联匹配电阻接入电源或地的方式，并且需要额外的直流偏置(Bias-Tee)模块为光芯片上的光调制器提供偏置电流或偏置电压，此外集成电阻(匹配电阻)也存在电阻率低、面积较大、阻抗匹配精度较低、电阻值也难以调节问题。对于后一种采用分立元件进行阻抗匹配电路设计的方案则具体是利用金属线键合的方法将光芯片上的光调制器的远端与由分立元件搭建的阻抗匹配电路网络相连，但此方案其一方面由于引入了键合线，额外寄生的电感效应与电容效应影响高速信号传输带宽；另一方面阻抗匹配电路网络需要额外的分立器件，增加了光电互连接口系统的硬件成本与集成复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光发射器，解决现有技术中的光发射器的器件选择受限、阻抗匹配精度较低、硬件成本较高以及光发射器集成复杂度较高的问题。
为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种光发射器，应用于光电互连接口系统中，包括：互相连接的电芯片和光芯片；所述电芯片包括：驱动器模块和匹配模块；所述驱动器模块用于产生驱动信号并向所述光芯片传输；所述光芯片用于根据所述驱动信号对光信号进行调制得到调制信号并输出；所述匹配模块用于对经所述光芯片输出的所述驱动信号进行阻抗匹配。
进一步的，所述光芯片包括：光调制器，其输入端与所述驱动器模块连接，其输出端与所述匹配模块连接；所述光调制器用于根据接收到的所述驱动信号对光信号进行调制得到所述调制信号并输出，其还用于将接收到的所述驱动信号向所述匹配模块传输。
进一步的，所述光调制器采用行波马赫-曾德尔调制器。
进一步的，所述光调制器包括至少两个传输线电极，每一所述传输线电极的输入端与所述驱动器模块连接，其输出端与所述匹配模块连接。
进一步的，所述匹配模块包括：第一匹配电阻、第二匹配电阻、匹配电容和电源；
所述第一匹配电阻和第二匹配电阻并联连接，所述第一匹配电阻的一端与两个所述传输线电极中的一个连接；
所述第二匹配电阻的一端与两个所述传输线电极中的另一个连接；
所述第一匹配电阻和第二匹配电阻的另一端分别与所述匹配电容的一端连接；
所述匹配电容的另一端与所述电源连接。
进一步的，所述匹配模块还包括：调节控制模块，其用于调节所述第一匹配电阻和第二匹配电阻的电阻值。
进一步的，所述第一匹配电阻的电阻值和第二匹配电阻的电阻值分别与其各自连接的所述传输线电极的特征阻抗值相同。
进一步的，所述驱动信号为两路高速差分电驱动信号；所述调制信号为经调制的含有数字信息的光信号。
进一步的，还包含：多个凸块结构，其用于将所述电芯片和光芯片互相连接。
进一步的，多个所述凸块结构采用倒装焊工艺形成。
进一步的，所述电芯片与光芯片之间的互连距离≤100μm。
进一步的，所述凸块结构具体用于将所述电芯片的所述驱动器模块与所述光芯片的每个所述传输线电极的输入端连接；所述凸块结构还具体用于将所述电芯片的所述匹配模块中的第一匹配电阻和第二匹配电阻的一端分别对应与所述光芯片的每个所述传输线电极的输出端连接。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明一种光发射器，应用于光电互连接口系统中，包括：互相连接的电芯片和光芯片；所述电芯片包括：驱动器模块和匹配模块；所述驱动器模块用于产生驱动信号并向所述光芯片传输；所述光芯片用于根据所述驱动信号对光信号进行调制得到调制信号并输出；所述匹配模块用于对经所述光芯片输出的所述驱动信号进行阻抗匹配。即本发明通过将应用于光电互连接口系统中的匹配模块从光芯片转移至电芯片的设计方案(本发明的匹配模块位于所述电芯片中)，解决了因光芯片缺乏晶体管等有源器件而无法设计调节电路，使得匹配模块中的匹配电阻不可调，导致电阻值匹配不精确的问题。同时，由于电芯片中通常集成了电容、电感器件有利于设计更为复杂的匹配补偿电路(匹配模块)，从而提高了高速信号(高速差分驱动信号)的阻抗匹配效果。通过将分立匹配器件(分立匹配器件具体包括匹配模块中的所包含的第一匹配电阻、第二匹配电阻、匹配电容、电源和调节控制模块)集成在电芯片上，减少了额外的器件需求，降低了硬件成本以及减小了集成难度与复杂度。此外，在光芯片的设计过程中无需考虑阻抗匹配器件(匹配模块)的放置与设计，缓解了光芯片在面积与阻抗匹配要求上的设计压力，从而压缩了相同光芯片设计下的电路面积，使得其光芯片设计更加紧凑。
另外，本发明还通过采用倒装焊(Flip-Chip)工艺实现所述电芯片与光芯片之间的互连，与以往基于金属线键合(Wire-bonding)的设计方案相比，实现了较小的互连距离(所述电芯片与光芯片之间的互连距离小于等于100微米)与寄生效应，提高了高速信号(高速差分驱动信号)的传输效果与信号质量。除此以外，基于倒装焊技术(工艺)可以较为方便的实现驱动器模块、光调制器以及端接元件模块(匹配模块)的互连，区别于其他需要额外的阻抗匹配芯片的设计，降低了所需要的芯片数量，从而降低了所述光电互连接口系统的硬件开销与集成复杂度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的光发射器的主要结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的光发射器的剖面结构示意图。
附图标记说明：
101-电芯片；102-光芯片；103-驱动器模块；104-匹配模块；105-调节控制模块；106A-第一匹配电阻；106B-第二匹配电阻；107-匹配电容；108-传输线电极；109-光调制器；201-凸块结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种光发射器作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明的核心思想在于提供一种光发射器，解决现有技术中的光发射器的器件选择受限且精度较低，且硬件成本以及光发射器集成复杂度较高的问题。
为实现上述思想，本发明提供一种光发射器。
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本实施例提供一种光发射器，其应用于光电互连接口系统中，所述光发射器包括：互相连接的电芯片101和光芯片102；所述电芯片101包括：驱动器模块103和匹配模块(匹配电路模块、匹配补偿电路或端接元件模块)104；所述驱动器模块103用于产生驱动信号并向所述光芯片102传输；所述光芯片102用于根据所述驱动信号对来自于外置或内置光源的光信号进行调制，将所述驱动信号中的数字信息加载至所述光信号中，形成调制信号并输出；所述匹配模块104用于对来自于所述光芯片102的所述驱动信号进行阻抗匹配。本实施例中，所述驱动信号为高速差分驱动信号；所述调制信号为经调制的含有数字信息的光信号。
具体的，所述光芯片102包括：光调制器109，其输入端与所述驱动器模块103连接，其输出端与所述匹配模块104连接；所述光调制器109用于根据接收到的所述驱动信号对光信号进行调制得到所述调制信号并输出，其还用于将接收到的所述驱动信号向所述匹配模块104传输。
在本实施例中，所述光调制器109采用行波马赫-曾德尔调制器(Travelling WaveMach-Zehnder Modulator,TW MZM)，其是一种广泛使用的外部调制器，具有调制方式简单，输出光信号线宽窄，抗干扰能力强，对温度变化不敏感的特点。在一些实施中，所述光芯片102还包括光源输入耦合器和输出耦合器等光器件，光源输入耦合器可以用于向所述光芯片102内输入光信号，光源输出耦合器可以用于将所述光芯片102输出的调制信号向所述光芯片102外部传输。
所述光调制器109进一步包括至少两个传输线电极108，每一所述传输线电极108的输入端与所述驱动器模块103连接，其输出端与所述匹配模块104连接。
所述匹配模块进一步包括：第一匹配电阻106A、第二匹配电阻106B、匹配电容107和电源VDD；
所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B并联连接，所述第一匹配电阻106A的一端与两个所述传输线电极108中的一个连接(具体的，是与该传输线电极108的输出端连接)；所述第二匹配电阻106B的一端与两个所述传输线电极108中的另一个连接(具体的，是与该传输线电极180的输出端连接)。
所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B的另一端分别与所述匹配电容107的一端连接；所述匹配电容107的另一端与所述电源VDD连接。
所述光调制器模块109的两个所述传输线电极108的输出端(远端)分别向所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B输入所述高速差分驱动信号，所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B分别用于对所述高速差分驱动信号进行远端信号的差模阻抗匹配，以抑制高速信号(高速差分驱动信号)反射；之后经差模阻抗匹配的所述高速差分驱动信号再经由所述匹配电容107与电源VDD进行共模阻抗匹配，所述匹配电容107还可以实现隔绝直流信号，降低并稳定该节点(即所述匹配电容107与所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B的连接点)处共模电平。所述匹配模块104仅为一示例，其包括但不限于如图1所示的匹配模块104的连接方式。
所述匹配模块104进一步还包括：调节控制模块105，其与所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B以及匹配电容107连接，用于调节所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B的电阻值。具体可以调节所述第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B的电阻的大小，以实现阻抗匹配最优化。
在本实施例中，优选地，阻抗匹配最优化之一可以是所述第一匹配电阻106A的电阻值和第二匹配电阻106B的电阻值分别与其各自连接的所述传输线电极108的特征阻抗值相同。
进一步的，所述光发射器还包含：多个凸块结构(微凸点，Micro-bump)201，其用于将所述电芯片101和光芯片102互相连接。具体的，可以将所述电芯片101反向置于所述光芯片之102上，采用倒装焊(Flip-Chip)技术或工艺经由微凸点(Micro-bump)实现所述电芯片101和所述光芯片之102的互连。所述凸块结构201具体用于将所述电芯片101的所述驱动器模块103与所述光芯片102的每个所述传输线电极108的输入端连接；所述凸块结构201还具体用于将所述电芯片101的所述匹配模块104中的第一匹配电阻106A和第二匹配电阻106B的一端分别对应与所述光芯片102的两个所述传输线电极108的输出端连接。优选地的，所述电芯片与光芯片之间的互连距离≤100μm。
在本发明实施例中，从高速信号的传输链路上来看，高速差分驱动信号还可经由所述电芯片上的电驱动器模块处理放大后，经由所述微凸点的互连结构输入至所述光芯片102中光调制器模块109，经过一段长距离所述传输线电极108的传输过程后再次经由所述微凸点的互连结构返回所述电芯片101，输入至所述匹配模块104中，进行远端的阻抗匹配。在本文中出现的远端是指靠近所述光调制模块109的输出端；在本文中出现的近端是指靠近所述光调制模块109的输入端。
在本实施例中，借助于倒装焊技术，可以将芯片间的互连距离降低到100μm以下，因而可以大大降低由于芯片间互连结构所引入的寄生效应对于高速信号质量的影响。
综上所述，本发明提供的一种光发射器，应用于光电互连接口系统中，包括：互相连接的电芯片和光芯片；所述电芯片包括：驱动器模块和匹配模块；所述驱动器模块用于产生驱动信号并向所述光芯片传输；所述光芯片用于根据所述驱动信号对光信号进行调制得到调制信号并输出；所述匹配模块用于对经所述光芯片输出的所述驱动信号进行阻抗匹配。即本发明通过将应用于光电互连接口系统中的匹配模块从光芯片转移至电芯片的设计方案(本发明的匹配模块位于所述电芯片中)，解决了因光芯片缺乏晶体管等有源器件而无法设计调节电路，使得匹配模块中的匹配电阻不可调，导致电阻值匹配不精确的问题。同时，由于电芯片中通常集成了电容、电感器件有利于设计更为复杂的匹配补偿电路(匹配模块)，从而提高了高速信号(高速差分驱动信号)的匹配效果。通过将分立匹配器件(分立匹配器件具体包括匹配模块中的所包含的第一匹配电阻、第二匹配电阻、匹配电容、电源和调节控制模块)集成在电芯片上，减少了额外的器件需求，降低了硬件成本以及减小了集成难度与复杂度。此外，在光芯片的设计过程中无需考虑阻抗匹配器件(匹配模块)的放置与设计，缓解了光芯片在面积与阻抗匹配要求上的设计压力，从而压缩了相同光芯片设计下的电路面积，使得其光芯片设计更加紧凑。
另外，本发明还通过采用倒装焊(Flip-Chip)工艺实现所述电芯片与光芯片之间的互连，与以往基于金属线键合(Wire-bonding)的设计方案相比，实现了较低的互连距离(所述电芯片与光芯片之间的互连距离小于等于100微米)与寄生效应，提高了高速信号(高速差分驱动信号)的传输效果与信号质量。除此以外，基于倒装焊技术(工艺)可以较为方便的实现驱动器模块、光调制器以及端接元件模块(匹配模块)的互连，区别于其他需要额外的阻抗匹配芯片的设计，降低了所需要的芯片数量，从而降低了所述光电互连接口系统的硬件开销与集成复杂度。即，本发明基于倒装焊技术提供了一种用于光电互连接口系统中的，具有低硬件开销(硬件成本)、高匹配效果的光发射器器。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光发射器，应用于光电互连接口系统中，其特征在于，包括：互相连接的电芯片和光芯片；
所述电芯片包括：驱动器模块和匹配模块；
所述驱动器模块用于产生驱动信号并向所述光芯片传输；
所述光芯片用于根据所述驱动信号对光信号进行调制得到调制信号并输出；
所述匹配模块用于对经所述光芯片输出的所述驱动信号进行阻抗匹配；
所述光芯片包括：光调制器，其输入端与所述驱动器模块连接，其输出端与所述匹配模块连接；所述光调制器用于根据接收到的所述驱动信号对光信号进行调制得到所述调制信号并输出，其还用于将接收到的所述驱动信号向所述匹配模块传输；
所述光调制器包括至少两个传输线电极，每一所述传输线电极的输入端与所述驱动器模块连接，其输出端与所述匹配模块连接；
所述匹配模块包括：第一匹配电阻、第二匹配电阻、匹配电容和电源；
所述第一匹配电阻和第二匹配电阻并联连接，所述第一匹配电阻的一端与两个所述传输线电极中的一个传输线电极的输出端连接；
所述第二匹配电阻的一端与两个所述传输线电极中的另一个传输线电极的输出端连接；
所述第一匹配电阻的另一端和第二匹配电阻的另一端分别与所述匹配电容的一端连接；
所述匹配电容的另一端与所述电源连接；
所述匹配模块还包括：调节控制模块，其用于调节所述第一匹配电阻和第二匹配电阻的电阻值；
所述第一匹配电阻的电阻值和第二匹配电阻的电阻值分别与其各自连接的所述传输线电极的特征阻抗值相同。
2.如权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述光调制器采用行波马赫-曾德尔调制器。
3.如权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述驱动信号为高速差分驱动信号；所述调制信号为经调制的含有数字信息的光信号。
4.如权利要求1所述的光发射器，其特征在于，还包含：多个凸块结构，其用于将所述电芯片和光芯片互相连接。
5.如权利要求4所述的光发射器，其特征在于，多个所述凸块结构采用倒装焊工艺形成。
6.如权利要求4所述的光发射器，其特征在于，所述电芯片与光芯片之间的互连距离≤100μm。
7.如权利要求4所述的光发射器，其特征在于，所述凸块结构具体用于将所述电芯片的所述驱动器模块与所述光芯片的每个所述传输线电极的输入端连接；
所述凸块结构还具体用于将所述电芯片的所述匹配模块中的第一匹配电阻和第二匹配电阻的一端分别对应与所述光芯片的每个所述传输线电极的输出端连接。
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