CN112925069B - 集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎。该紧凑型光引擎包括单个衬底以集成多个光电模块。每个光电模块包括基于硅光子平台的集成光收发器，其中，传输路径被配置为输出以四个CWDM波长为中心并且来自四个激光装置的四个光信号，并且通过由驱动器芯片驱动的四个调制器分别调制该四个光信号并且递送复用的传输光。接收路径包括：光电检测器，用于检测从入射光解复用的四个输入信号；以及跨阻抗放大器芯片，用于处理从所检测到的四个输入信号转换的电信号。多通道光引擎是通过将开关装置与多个紧凑型光引擎共同集成或共同安装在公共衬底构件上来形成的，以提供具有中间距离或短距离电互连的高达51.2Tbit/s的数据通信总容量。

Description

集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎
技术领域
本发明涉及光通信技术，更具体地，涉及集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎。
背景技术
随着科学技术的快速更新，计算机的处理速度和容量也相应增加。使用传统电缆的通信传输或接收受限于传统电缆的带宽和传输速度，并且现代生活中所需的大量信息传输导致传统通信传输过载。为了适应这样的需求，光纤传输系统逐渐取代了传统的通信传输系统。选择光纤通信用于需要电力电缆无法容纳的更高带宽和更长距离的系统。目前的电子工业对光传输进行研究，即使对于短距离通信，光传输也将成为未来的主流。所述光通信是一种技术，其中，光波用作信号载体并经由光纤在两个节点之间传输。光通信系统包括光发送器和光接收器。通过光收发器，可以将所接收的光信号转换为能够由IC处理的电信号，或者可以将处理后的电信号转换为要经由光纤传输的光信号。因此，可以实现通信的目的。
在过去的几十年中，通信网络的使用激增。在早期的因特网中，流行的应用限于电子邮件、公告板以及大部分的基于信息和文本的网页浏览，并且传输的数据量通常相对较小。如今，因特网和移动应用需要大量的带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像Facebook的社交网络每天处理超过500TB的数据。随着对数据和数据传输的这种高需求，需要改进现有的数据通信系统以解决这些需求。
现有单模光纤上的40Gbit/s和100Gbit/s的数据速率的宽带WDM(波分复用)光传输是下一代光纤通信网络的目标。芯片级可广泛调谐的激光器对于诸如宽带DWDM或CWDM通信以及波长控制的光检测的许多应用已经受到关注。最近，光学组件被集成在硅(Si)衬底上以制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。大部分在绝缘体上硅(SOI)平台中已经演示了整个范围的光子组件，包括滤波器、(解)复用器、分离器、调制器和光电检测器。SOI平台尤其适用于1550nm左右的标准DWDM通信频段或1310nm左右的CWDM通信频段，因为硅(n＝3.48)及其氧化物SiO2(n＝1.44)两者都是透明的，并且形成理想地适用于中到高集成平面集成电路(PIC)的高折射率对比度、高约束波导。
随着由市场推动的光通信技术和应用的进步，对增加光通信带宽和减小光收发器的封装面积的需求变得更强。将所有必要的组件集成到越来越小的模块封装内越来越具有挑战性。对于最先进的光收发器产品，所有关键组件(包括时钟数据恢复(CDR)、调制器驱动器、跨阻抗放大器(TIA)和具有光无源元件、调制器和光电检测器的PLC光子芯片)以2D方式并排组装在PCB上。该方法对于开发数据速率大于400G的任何未来的光收发器具有至少两个缺点。首先，组件的并排放置消耗了作为可插拔产品的光收发器的大部分板区域或板载光学产品的主要衬底区域，使得难以进一步缩小产品尺寸。其次，在PCB上并排放置产生更长的电传输长度，并且通常需要电芯片与光子芯片之间的引线键合(wire bonds)，从而引入更多的电损耗，这损害了非常高数据速率收发器产品(例如，＞56Gbaud符号速率)的信号完整性。具体地，由于大电感，引线键合导致阻抗失配，从而使较高频率下的信号劣化。因此，对于传输高频(例如，＞40GHz)模拟信号的应用，将引线键合用作芯片之间或芯片与板之间的电互连是不实际的。引线键合的大电感已成为高速信号传输的瓶颈。
为了缩短电子装置(例如，从LD驱动器/TIA到数字信号处理器DSP)之间或电子装置(驱动器/TIA)与光子(例如，CDR和PAM4 ASIC)之间的常规引线键合的互连长度，人们已经开始在Si光子芯片中使用硅通孔(TSV)工艺来取代引线键合并进行互连。然而，制造工艺的复杂性、低产量、低效的晶圆面积使用以及按比例缩放到先进的电子装置非常昂贵，使得TSV工艺对于制造Si光子领域产品不切实际。
发明内容
本发明涉及光通信技术。更具体，本发明提供了一种基于硅光子平台的集成光收发器。仅作为示例，本发明公开了一种基于四个集成光收发器的板载封装内光学光引擎，每个集成光收发器配置有4个CWDM通道加上4个复制的CWDM通道；集成多个光电模块的紧凑型光引擎；以及具有一个开关装置的多通道光引擎，该开关装置与多个紧凑型光电模块集成在共同封装的光学组件中，用于高达总计51.2Tbit/s的高速光电数据通信，但是其他应用也是可能的。
在现代电互连系统中，高速串行链路已经取代了并行数据总线，并且串行链路速度由于CMOS技术的演进而迅速提高。根据摩尔定律，因特网带宽几乎每两年翻倍。但是摩尔定律将在接下来的十年内结束。标准的CMOS硅晶体管将在3nm左右停止缩放。并且由于过程缩放而导致的因特网带宽增加将达到稳定状态。但是因特网和移动应用不断地需要大量的带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了改进超过摩尔定律的通信带宽的技术和方法。
在实施方式中，本发明提供一种集成光收发器。该集成光收发器包括具有表面区域的衬底构件、光输入端口和光输出端口。另外，集成光收发器包括设置在表面区域上的发送器单元。发送器单元包括一组四个激光装置，该一组四个激光装置包括四个激光二极管芯片，该四个激光二极管芯片倒装安装在表面区域上并且被配置为分别输出以1270nm、1290nm、1310nm和1330nm为中心的四个波长的四个激光。发送器单元进一步包括一组四个功率分离器装置，该一组四个功率分离器装置耦接到四个激光以将四个激光中的每一个分为通向两个复制的传输路径的两个部分。每个传输路径包括一组四个调制器装置，其形成在表面区域中并且分别接收四个激光的两个部分中的相应一个部分。每个传输路径进一步包括驱动器装置，其耦接到该组四个调制器装置并且被配置为驱动每一个调制器装置以调制四个激光中的相应一个激光。另外，每个传输路径包括平面光电路中的复用器装置，该复用器装置被设置为邻近衬底构件并且被配置为耦接四个激光并且复用到被递送到光输出端口的携带四个波长的一个输出光。此外，集成光收发器包括接收器单元，其在表面区域上设置有两个复制的接收路径。每个接收路径包括所述平面光电路中的解复用器装置，其被配置为接收来自光输入端口的输入光，并且解复用为具有四个波长的四个输入光信号。每个接收路径进一步包括形成在表面区域中的四个输入波导，其耦接到解复用器装置以分别接收四个输入光信号。另外，每个接收路径包括：光电检测器装置，其将四个输入光信号转换为相应的电信号；以及跨阻抗放大器装置，其耦接到光电检测器装置以处理将作为电输出传输的电信号。此外，集成光收发器包括异构集成，其使用衬底构件、发送器单元和接收器单元配置以形成单个硅光子装置。
在具体实施方式中，本发明提供一种紧凑型光引擎。该紧凑型光引擎包括壳体，该壳体具有与顶盖构件和被配置为底部构件的单个印刷电路板耦接的外围壁构件。该紧凑型光引擎进一步包括分别设置在单个印刷电路板上的多个光电模块。每个光电模块包括本文所述的集成光收发器。该集成光收发器包括配置在硅衬底的表面区域中的发送器单元和接收器单元。该发送器单元包括：多个激光装置，输出被分到两个复制的传输路径的多个激光；以及驱动器装置，用于驱动多个调制器以调制每个传输路径上的多个激光，该传输路径与基于玻璃衬底的平面光电路(PLC)中的光复用器装置耦接以输出传输光。接收器单元包括两个复制的接收路径。每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置，以检测从PLC中的光解复用器装置输入的多个光信号并将该多个光信号转换为相应的电信号。另外，紧凑型光引擎包括输入光纤电缆和输出光纤电缆，该输入光纤电缆通过多个光电模块中的每一个光电模块的PLC中的光解复用器装置耦接到每个接收路径，该输出光纤电缆通过多个光电模块中的每一个光电模块的PLC中的光复用器装置耦接到每个传输路径。紧凑型光引擎进一步包括第一连接器，其设置在外围壁构件的侧区域处，以与分别与多个光电模块中的两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接。此外，紧凑型光引擎包括第二连接器，其设置在外围壁构件的侧区域处，以与分别与多个光电模块中的另外两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接。此外，紧凑型光引擎包括一个或多个ASIC芯片，其被配置在印刷电路板上并且与多个光电模块电耦接。
在另一具体实施方式中，本发明提供一种光学组件中的多通道光引擎。该多通道光引擎包括具有外围区域和中心区域的公共衬底构件。该多通道光引擎进一步包括设置在中心区域处的开关装置，该开关装置具有嵌入在公共衬底构件中的多个电互连。另外，该多通道光引擎包括多个紧凑型光引擎，沿着外围区域设置以使多个紧凑型光引擎的公共衬底的可用空间最大化。每个紧凑型光引擎经由多个电互连中的一个或多个电互连与开关装置耦接。每个紧凑型光引擎包括壳体，该壳体具有与底部衬底构件和顶盖构件耦接的外围壁构件。每个紧凑型光引擎进一步包括四个光电模块，该四个光电模块安装在与底部衬底构件相关联的单个印刷电路板上，每个光电模块包括本文所述的集成光收发器。该集成光收发器被配置在硅衬底的表面区域中，该硅衬底包括两个复制的传输路径，该两个复制的传输路径包括将来自四个激光装置的四个激光分为分别携带四个CWDM波长的两组复制的四个光信号的四个分离器。该集成光收发器被配置在硅衬底的表面区域中，该硅衬底还包括两个复制的接收路径，该两个复制的接收路径接收各自携带四个CWDM波长的两个独立的入射光信号。每个传输路径包括驱动器装置以驱动四个调制器以调制由基于玻璃衬底的平面光电路(PLC)中的光复用器装置复用的一组四个光信号以输出传输光。每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置以检测由PLC中的光解复用器装置从一个入射光信号解复用的光信号，并且将光信号转换为电信号。另外，每个紧凑型光引擎包括第一光纤和第二光纤，该第一光纤与PLC中的光解复用器装置的输入波导耦接，该第二光纤与PLC中的光解复用器装置的输出波导耦接。此外，每个紧凑型光引擎包括光连接器，其与顶盖构件集成并且位于外围壁构件的一侧，以与和四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第一光纤以及和四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第二光纤耦接。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的集成紧凑型光收发器的简化框图。
图2A示出了根据本发明的实施方式的集成了四个光电模块的紧凑型光引擎组件的示意性透视图。
图2B示出了根据本发明的实施方式的紧凑型光引擎的四分之一组件的封装的示意性分解图。
图3是根据本发明的实施方式的基于硅光子TSV中介层的光电模块的示意性截面图。
图4A是根据本发明的实施方式的光引擎的示意性侧视图，其中，开关与光电模块共同安装在板载封装内光学组件中。
图4B是根据本发明的实施方式的光引擎的示意性侧视图，其中，开关与光电模块共同集成在共同封装的光学组件中。
图5是根据本发明的实施方式的包括一个开关装置的多通道集成光引擎的示意性透视图，该开关装置与多个紧凑型光引擎共同安装在板载封装内光学组件中。
图6是根据本发明的实施方式的板载封装内光学组件中的多通道光引擎的一部分的简化截面图。
具体实施方式
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供了一种基于硅光子平台的集成光收发器。仅作为示例，本发明公开了一种基于四个集成光收发器的板载封装内光学光引擎，每个集成光收发器配置有4个CWDM通道；集成多个光电模块的紧凑型光引擎；以及具有一个开关装置的多通道光引擎，该开关装置与多个紧凑型光电模块集成在共同封装的光学组件中，用于高达总计51.2Tbit/s的高速光电数据通信，但是其他应用也是可能的。
在一方面，本公开提供了一种集成的紧凑型光收发器。随着WDM系统中数据传输容量的增加，近年来对基于硅光子平台的高速紧凑型光收发器的需求越来越受到人们的关注。例如，QSFP形状因子的紧凑型可插拔光收发器。然而，紧凑型光收发器仍然是独立装置，需要与单独的无源光装置(例如复用器/解复用器和一个或多个变速箱或重定时器)耦接以与电开关装置连接以形成功能光引擎，这需要相当大的封装尺寸和高功耗。
图1示出了根据本发明的实施方式的集成光电模块的简化框图。该示图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图1所示的实施方式，通过集成形成在与平面光电路(PLC)框200耦接的单个硅光子衬底上的硅光子光收发器模块100来形成集成光电模块1000。在实施方式中，光收发器模块100是4通道集成光收发器，其被配置为接收从一个光输入221解复用的四个宽波长输入，并且输出复用到一个光输出211的四个CWDM通道波长。在PLC框200中形成4对1复用器210和1对4解复用器220两者。可选地，PLC框200包括形成在玻璃衬底中的多个光波导。
参考图1，(四个中的一个)光收发器模块100包括一组4个CWDM激光器110，其分别提供波长为1270nm、1290nm、1310nm和1330nm的4个CWDM通道光信号。可选地，每个激光器是DFB激光器。可选地，每个激光器被设置为倒装安装在硅光子衬底上的单个激光芯片。可选地，从相应的一个激光芯片输出的每个光信号被耦接到内置在硅光子衬底中的硅波导中。通过波导，每个光信号首先被耦接到功率分离器120中以便以从5∶95到50∶50变化的分离比被分离为两个分支。可选地，来自功率分离器120的一个较小的分离分支的光信号用于监控或波长锁定或反馈控制。可选地，来自功率分离器120的一个主要分离分支的光信号被馈送到四个调制器160中的一个。可选地，对于相等的50∶50分离情况，光信号被转换为分别馈送到调制器中的两个复制的光信号。图1仅示出了分别用于四个第一分支(01)的四个调制器160，而未明确示出用于第二(复制)分支(02)的四个其他调制器。当然，可以存在许多功能设置以处理这些光信号并且以不同方式配置用于光电模块1000的不同应用。
可选地，第一分支01中的任何一个中的调制器160是基于线性波导的马赫曾德尔调制方案。每个调制器160包括具有期望的相位延迟的两个波导分支，该两个波导分支被配置为与四个CWDM通道的四个波长1270nm、1290nm、1310nm和1330nm中的相应一个匹配。驱动器模块150被设置为安装在同一硅光子衬底上的独立构建的倒装芯片。可选地，冗余驱动器模块150′(图1中未示出)还被设置为安装在同一硅光子衬底上的倒装芯片，用于驱动其他四个调制器(图1中未示出)。驱动器模块150被配置为驱动所有四个调制器160以调制分别通过所有四个调制器160的四个通道的光信号。可选地，驱动器模块150采用PAM-N(N为整数)调制协议或NRZ调制协议来调制光信号。例如，调制器160被配置为提供PAM4调制，尽管可以采用其他格式。在调制之后，四个通道的光信号被引导到形成在PLC框200中的4对1复用器(Mux)210，该复用器通过光纤(未示出)将复用的光信号输出到输出端口211。可选地，形成在PLC框200中的另一4对1复用器(尚未示出)用于将其他4个复制的通道的光信号组合成一个复用的光信号，该复用的光信号通过另一光纤(未示出)被引导到输出端口211。有效地，由驱动器模块150或加上驱动器模块150′(参见图2A)驱动的4个激光器110和4个或8个调制器160的组合形成集成的4通道光传输路径加上另一4通道复制的光传输路径(图1中未示出)。
参考图1，光收发器模块100包括4通道光接收路径。在该路径中，PLC框200中的光解复用器(Demux)220从外部网络接收入射光信号，该外部网络被配置为在四个CWDM波长下操作以传输相应的数据信号。入射光信号被解复用为相应的4个通道波长中的4个单独的光信号，该4个单独的光信号分别被引导到形成在硅光子衬底中的相应的四个波导中。高速光电检测器用于分别检测这四个光信号，并将其转换为相应的电信号。在实施方式中，光收发器模块100的4通道光接收路径还包括跨阻抗放大器TIA模块140，用于独立地处理从相应的四个单独的光信号转换的电信号，以与主机电网系统通信。可选地，光收发器模块100还包括复制的4通道光接收路径，因为四个复制的光信号可以由另一解复用器从另一入射光解复用。在复制的4通道光接收路径中，可以包括另一跨阻抗放大器TIA模块140′(图1中未显示)，用于独立处理从相应的四个复制的光信号转换的四个电信号，以与具有扩展的带宽的主机电网系统通信。可选地，TIA模块140被设置为安装在同一硅光子衬底上的倒装芯片。可选地，TIA模块140′是安装在同一硅光子衬底上的复制的倒装芯片(参见图2A)。
可选地，集成光收发器包括分别放置在光收发器模块100的硅光子衬底中的多个硅波导，用于连接若干不同的硅光子组件，该硅光子组件包括形成在硅光子衬底中的功率分离器、光电检测器和调制器以及PLC框200中的无源光复用器和解复用器。可选地，硅波导具有固定宽度和高度的规则的矩形线形状。可选地，基于标准220nm绝缘体上硅(SOI)衬底在其形成工艺期间的使用来选择该高度。可选地，取决于具体的功能应用，硅波导具有替代的形状结构，例如具有多个高度台阶的肋结构、沿其长度具有变化的宽度的锥形结构或在不同截面平面处接合的不同宽度和间隔的多个分支。可选地，上述硅光子组件中的一些也是单片形成在用于制备硅光子衬底以集成光收发器模块100的同一制造工艺中的硅波导本身。
在另一方面，本公开提供了一种光电模块的紧凑型组件，该紧凑型组件将多个光收发器和PLC框集成在密封封装中的一个公共衬底中。图2A示出了根据本发明的实施方式的集成了四个光电模块的紧凑型光引擎组件的示意性透视图。该示图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图2A所示的实施方式，通过集成均匀地封装在公共印刷电路板(PCB)衬底2001上的四个区域中的基于硅光子平台的四个光电模块1000来提供紧凑型光引擎2000。
图2A中的四个光电模块1000中的每一个基本上是与图1的框图中公开的相同的光电模块，包括硅光子(SiPho)收发器模块100和PLC框200。SiPho收发器模块100形成在单个硅光子衬底上，该硅光子衬底包括具有四个激光芯片110的光传输路径，该四个激光芯片110被配置为独立地输出设计用于数据通信的相应的四个CWDM通道波长1270nm、1290nm、1310nm和1330nm的激光信号。从激光芯片110输出的四个激光信号经由内置波导(未明确示出)被引导到四个调制器160，该四个调制器160也形成在SiPho模块100的硅光子衬底内。
可选地，从激光芯片110输出的四个激光信号中的每一个分别被50∶50分离器分离为分别被引导到两个传输路径的两个光信号(参见图1)。在一个传输路径中，四个光信号通过由倒装芯片驱动器150(图1和图2A)驱动的四个调制器160(图1)。在另一复制的传输路径中，其他四个光信号通过由另一倒装芯片驱动器150′(图2A)驱动的四个其他调制器160′(图1中未示出)。驱动器150和驱动器150′两者(图2A)分别通过安装在同一PCB衬底2001上的两个数字信号处理(DSP)芯片2030和2030′以及微控制器芯片2040与外部电控制系统接口。调制器160被配置为分别调制来自激光芯片的四个光信号，并输出对应的调制光信号以编码其中要传输的相应数据。调制器160′独立地调制四个复制的光信号以输出对应的调制光信号以编码其中要传输的相应(附加)数据。可选地，数字信号处理芯片2030和2030′包括：用于将模拟信号转换为数字信号的变速箱；用于处理数字信号的处理器；用于与外部电网通信的接口装置；以及用于驱动四个激光装置的激光驱动器。可选地，每个控制器芯片2040与相应的一个光电模块1000相关联，并且被配置为驱动其中的其他芯片和驱动器。可选地，调制器160或160′被配置为基于PAM-N协议(例如，PAM-4协议)或基于NRZ协议来调制激光信号。
与四个光电模块1000中的每一个相关联的PLC框200包括：用于将四个光信号复用为光纤中的一个输出光的第一光复用器(参见图1)；以及用于将四个复制的光信号复用为另一光纤中的另一输出光的第二光复用器。两个光纤都可以被封装到耦接在PLC框200与安装在紧凑型光引擎2000的组件壁结构2100的一个侧边缘上的第一光学端口2110之间的一个板载光纤电缆2011中。事实上，第一光学端口2110还被封装成携带来自紧凑型光引擎2000中的四个光电模块1000中的另一个的两个传输路径的相应的输出光的两个其他光纤。从第一光学端口2110，携带来自四个光电模块1000中的两个的16个通道信号的总共四个输出光路径可以被递送到外部光网络。在该实施方式中，紧凑型光引擎2000包括总共四个光电模块1000。以复制的方式，携带分别从四个光电模块1000中的另外两个接收的16个通道信号的四个其他输出光路径通过第二光学端口2120被递送到外部光网络。
由于四个光电模块1000的每一个提供两个冗余的传输路径，并且每个传输路径包括被复用到一个输出的一组四个光通道，因此四个光电模块1000中的一个中的一个光收发器产生8个光通道。紧凑型光引擎2000总共提供32个输出光通道。如图2A所示，在32个输出光通道中，来自四个光电模块1000中的两个的16个输出光通道通过第一光学端口2110被递送，并且来自四个光电模块1000中的其他两个的16个其他输出光通道通过第二光学端口2120被递送。
在该实施方式中，四个光电模块1000(图2A)中的同一个还包括SiPho收发器模块100中的内置光接收路径，该内置光接收路径被配置为接收经由从PLC框200耦接的板载光纤电缆2021传递的四个光信号，该PLC框200具有光解复用器以将入射光信号解复用为具有相应四个CWDM通道波长的四个单独的光。四个单独的光中的每一个从PLC框200耦接到硅光子衬底中的波导，再耦接到光电检测器框(参见图1)。光电检测器框分别检测每个光并将其转换为传递到跨阻抗放大器(TIA)模块140并由其处理的电流以生成电压信号，该跨阻抗放大器(TIA)模块是安装在同一硅光子衬底上的倒装芯片。电压信号由板载数字信号处理芯片2030进一步处理(handled)或数字化和处理(processed)，并馈送到外部电接收器。经由耦接到第一光学端口2110的板载光纤电缆2021接收如上所述的入射光信号，该第一光学端口2110可以通过来自外部光网络的入射光纤连接。
可选地，相同的光电模块1000包括SiPho收发器模块100中的复制的光接收路径。在该复制的路径中，可以经由封装在同一板载光纤电缆2021中的另一光纤从第一光学端口2110接收另一入射光信号。光信号被解复用为具有相应的四个CWDM通道波长的四个复制的光信号和对应的电信号，该四个复制的光信号可以分别由光电检测器检测。电信号可以由作为倒装芯片安装在同一硅光子衬底上的复制的TIA模块140′处理。在本实施方式中，PLC框200包含两个1对4或一个1对8解复用器以创建两组四个光路径。对于包含四个光电模块1000的紧凑型光引擎2000，总共存在与两个光学端口(2110、2120)相关联的32个输入光通道。每个端口分别将4组输入光通道递送到分别用于两个光电模块1000的两个PLC框200。递送到四个光电模块1000中的相应一个中的一个PLC框200的四组输入光通道中的两组在被解复用之前经由封装在一个板载光纤电缆2021中的两个光纤传输。这两组输入光通道包含携带四个CWDM通道波长的两组复制的四个光信号。
图2B是根据本公开的实施方式的图2A的紧凑型光引擎的简化版本的分解图。参考图2B，紧凑型光引擎封装2000A，其仅是图2A的紧凑型光引擎2000的一部分，其中，以分解图示出了一个光电模块1000。封装2000A包括具有顶盖构件2200A的组件，该顶盖构件2200A覆盖位于印刷电路板(PCB)衬底2001A的边界周围的外围侧构件2100A。可选地，封装2000A是紧凑型光引擎2000的组件的四分之一部分。在图2A中，移除了顶盖构件2200A，使得可以露出封装内部的特征。然而，顶盖构件2200A可以被放置以密封组件。可选地，密封是气密的。可选地，顶盖构件2200A包含散热器结构2201A。可选地，散热器结构2201A被配置为与封装2000A中的所有四个激光装置110形成热接触。紧凑型光引擎封装2000A的PCB衬底2001A用作封装2000A的底部构件。可选地，PCB衬底2001A还被构造为允许热量有效地传导通过底部构件或更高系统级中的另一组件中的另一衬底。
在一个实施方式中，再次参考图2B，封装在紧凑型光引擎封装2000A中的光电模块包括安装在PCB衬底2001A上的硅光子模块100。硅光子模块100提供了用于安装四个激光装置110、两个复制的跨阻抗放大器(TIA)140和140′以及两个驱动器150和150′的公共硅光子衬底。包括光调制器、光分离器、光检测器的一些其他特征装置均内置在与硅光子模块100相关联的同一硅光子衬底中。紧凑型光引擎封装2000A的每个光电模块中的两个TIA/驱动器单元被配置为处理两组复制的4通道中的信号的接收和传输。每个通道与CWDM通道波长中的光信号相关联。可选地，硅光子模块100形成为倒装安装在PCB衬底2001A上的单个芯片。
在该实施方式中，封装在紧凑型光引擎封装2000A中的光电模块还包括沿着硅光子模块100的一侧安装在PCB衬底2001A上的PLC框200。PLC框200可以配置有多个光复用器或解复用器波导装置和基于玻璃衬底的耦接特征，以将来自光纤的输入或输出光与平面光波导耦接。此外，沿着硅光子模块100的另一侧，一个或多个ASIC芯片(例如，数字信号处理(DSP)芯片2030(2030′))可以作为倒装芯片设置并安装在PCB衬底上2001A。每个DSP芯片2030或2030′被配置为支持一个TIA/驱动器单元(包括用于处理或调制涉及4通道收发器路径的光/电信号的一个TIA芯片140和一个驱动器芯片150)的功能或另一复制的TIA/驱动器单元(包括用于处理或调制涉及另一复制的4通道收发器路径的光/电信号的一个TIA芯片140′和一个驱动器芯片150′)的功能。可选地，尽管未示出，但是光功率分离器、多个(例如，八个)调制器和光电检测器也可以形成在硅光子模块100的公共衬底内。此外，微控制器芯片2040也被倒装安装在与DSP芯片相邻的PCB衬底2001A上以支持光电模块的控制功能。通过经由导电焊接凸块2009将预制芯片倒装安装到PCB衬底2001A的正面上来完成芯片安装(包括硅光子模块100、DSP芯片2030(2030′)、控制器芯片2040、PLC框200的安装)。此外，用作紧凑型光引擎2000的封装2000A的底部构件的四分之一部分的PCB衬底2001A也打开其底侧以安装附加的功能芯片从而增强光引擎的性能。例如，附加的ASIC芯片2050被示为经由导电焊接凸块2009安装在PCB衬底2001A的底侧。
在具体方面，本公开提供了基于硅光子TSV中介层的硅光子光学模块的制造结构。可选地，作为示例，尽管可以进行许多替代或修改，但是可以用此处示出的制造结构来形成SiPho收发器模块2000。图3是根据本发明的实施方式的基于硅光子TSV中介层的SiPho收发器模块的示意性截面图。如图所示，在单个硅光子衬底中设置光电模块3000。在实施方式中，图2A中的每个SiPho收发器模块100可以形成为光电模块3000。
参考图3，光电模块3000包括硅衬底400和多个硅通孔(TSV)430，硅衬底400包括正面和背面，多个硅通孔(TSV)430形成在硅衬底400的第一区域中。每个TSV 430被配置为填充在正面以导电焊盘437并且在背面以导电凸块436结束的导体材料。光电模块3000还包括悬挂在正面的空腔463上的耦接器464。在形成包括焊盘437和导电凸块436的多个TSV 430之后，在与第一区域隔离的第二区域中形成空腔463。
另外，光电模块3000包括设置在正面的第二区域中的沟槽440′中的激光装置4030。可选地，激光装置4030是具有至少一个电极4031的DFB激光器，该电极4031直接与沟槽440′中的凸块下金属化结构441上的焊料焊盘442耦接。
此外，光电模块3000包括安装在正面的第二区域中的V型槽450′中的光纤4040。光纤4040被配置为与耦接器464和激光装置4030耦接。可选地，光纤4040由盖4041固定。
此外，光电模块3000包括一个或多个电IC芯片500，该IC芯片具有与硅光子TSV中介层的正面的一些焊盘437直接耦接的电极，该硅光子TSV中介层通过多个TSV 430中的导电材料电连接至背面的一些导电凸块436。可选地，一个或多个电IC芯片包括跨阻抗放大器(TIA)模块4010。可选地，TIA模块是倒装芯片，其电极4011直接面向硅光子TSV中介层的正面的一些导电焊盘437以形成直接电连接，而无需任何引线键合。可选地，一个或多个电IC芯片包括被配置为倒装芯片的驱动器模块4020，其中，多个电极4021直接面向硅光子TSV中介层的正面上的一些其他导电焊盘437′以形成直接电连接，而无需任何引线键合。可选地，光电模块3000还包括形成在硅光子TSV中介层的正面中的多个多层电容器900。可选地，光电模块3000可以用作与变速箱或重定时器模块耦接在一起的板载模块。
在另一方面，本公开提供了一种基于硅光子板载封装内光学组件的光引擎。图4A是根据本发明的实施方式的板载封装内光学组件中的光引擎的示意性侧视图。如图所示，光引擎设置有与基于本文所述的硅光子TSV中介层和平面光电路(PLC)框的重定时器/光电模块共同安装在同一PCB上的开关装置。可选地，开关装置被设置为通过导电凸块独立地构建并安装在印刷电路板(PCB)衬底上的芯片。可选地，该开关装置被配置为支持高速多通道通信。可选地，重定时器/光电模块至少部分地基于与PLC框集成的图3所示的光电模块3000。
可选地，重定时器/光电模块形成在硅光子衬底上，该硅光子衬底经由导电凸块直接安装在与开关装置芯片共享的同一PCB上。开关装置芯片与重定时器/光电模块中的电气装置之间的电耦接是通过嵌入在PCB衬底中的中间距离(median-reach，MR)电接口E-互连实现的。
可选地，重定时器/光电模块光学耦接到形成在共同安装在PCB衬底上的PLC框中的无源光学装置(复用器和解复用器)。PLC框经由板载光纤耦接到光连接器。可选地，一个光纤用作连接在PLC框中的光解复用器装置的输入端口与输入连接器之间的输入光纤，一个光纤用作连接在PLC框中的光复用器装置的输出端口与输出连接器之间的输出光纤。
在一些实施方式中，如图4A所示的板载封装内光引擎组件被配置为与外部光网络耦接以将光信号转换为电信号，并且通过XSR或USR电接口以较低的功耗(1.0pJ/bit至2.0pJ/bit)与用于数据通信应用的电网通信。
在又一方面，本公开提供了一种基于硅光子的光引擎，该光引擎与共同封装的光学组件中的开关集成。图4B是根据本发明的实施方式的光引擎的示意性侧视图，其中，开关与光电模块共同集成在共同封装的光学组件中。如图所示，光引擎设置有与基于本文所述的硅光子TSV中介层的光电模块共同集成并与PLC框耦接的开关装置。光引擎使用主机FEC来获取控制信号，而无需使用变速箱和重定时器模块。与PLC框结合的光电模块基本上是图2A所示的紧凑型光引擎2000。可能需要板载光纤将光引擎中的PLC框耦接到光连接器，以连接入射光纤以接收来自或输出光纤的输入光信号，以将输出光信号递送到外部光网络。开关装置包含使用超短距离(USR)或特短距离(ESR)电互连的多个电通道(例如，512个通道)，以在一个设置中与多个(例如，32个)光电模块通信。该光引擎不需要变速箱或重定时器，并且FEC(前向纠错)功能可以由主机实现。通过56G电接口，与用于数据通信应用的外部电网通信的光引擎相关联的功耗可以降低到1.0pJ/bit。
在又一方面，本公开提供了根据图4B所示的共同封装的光学组件的概念基础组装在同一(开关)衬底上的集成紧凑型大容量光引擎。图5示出了根据本发明的实施方式的包括一个开关装置的多通道集成光引擎的示意性透视图，该开关装置与多个紧凑型光引擎共同安装在共同封装的光学组件中。该示图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图5所示的实施方式，通过将一个开关装置5100与32个紧凑型光引擎2000集成在配置为开关衬底5001的公共印刷电路板(PCB)上来设置多通道集成光引擎5000。在实施方式中，每个紧凑型光引擎2000基本上与图2A所设置的紧凑型光引擎2000相同。
参考图5，在实施方式中，开关装置是被配置为支持多通道电信号开关功能的独立构建的芯片，并且被安装在开关衬底5001上的中心区域5101中。开关装置5100被配置为通过开关衬底5001中的用于与32个紧凑型光引擎2000中的每一个单独的紧凑型光引擎耦接的内置导电路径而具有中间距离(MR)或短距离(SR)或超短距离(USR)电互连5110。每个紧凑型光引擎2000沿着开关衬底5001的外围区域紧凑地布置。可选地，开关衬底5001是正方形的，每侧平均设置有8个紧凑型光引擎2000，以使其可用空间最大化。可选地，用于将外围区域的32个紧凑型光引擎与中心区域的开关装置组装的开关衬底5001被配置为紧凑尺寸为100mm×100mm或更小。
参考图5，通过首先将光引擎衬底2001布置在开关衬底5001的相应设计的外围区域上，将每个紧凑型光引擎2000组装在开关衬底5001上。可选地，光引擎衬底2001是单独用于组装和测试该特定的紧凑型光引擎2000的单独的PCB衬底。在这种情况下，将紧凑型光引擎2000(其上安装有光电模块1000的硅光子衬底)共同安装在与开关装置5100共享的PCB衬底上，使多通道光引擎5000是板载封装内光学组件。可选地，光引擎衬底2001只是开关衬底5001本身的一部分，紧凑型光引擎2000与开关装置5100共同集成在同一开关衬底上。紧凑型光引擎2000中的四个光电模块1000的硅光子衬底直接安装在开关衬底5001上，从而使多通道光引擎成为共同封装的光学组件。
参考图5，在光引擎衬底2001上(或可选地，光引擎衬底2001是开关衬底5001的一部分)，包括多个集成激光芯片的一个或多个硅光子芯片2004安装在顶部耦接一个或多个基于PLC的光复用器/解复用器装置上。可选地，硅光子芯片2004被配置为形成在使用图3中公开的工艺和结构制造的硅光子衬底上的图2A的SiPho收发器模块100。进一步在硅光子衬底上，安装具有集成TIA/驱动器功能装置的单/双CMOS芯片2002。可选地，板载光纤包括在该层中以连接也安装在硅光子衬底上的与一个或多个硅光子芯片相关联的PLC框。最后，具有集成光学连接器2210的盖构件2200设置在顶部以密封每个紧凑型光引擎2000。
图6示出了根据本发明的实施方式的板载封装内光学组件中的多通道光引擎的一部分的简化截面图。该示图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，揭示了组件的一些结构特征，包括开关衬底601的一部分，该开关衬底用作集成光引擎5000的印刷电路板。它还示出了附接在开关衬底601的顶部的光引擎衬底610，该开关衬底用作紧凑型光引擎2000的印刷电路板。可选地，不需要光引擎衬底610。可选地，光引擎衬底610和开关衬底601是同一衬底。硅光子衬底630被示出为安装在光引擎衬底610上并通过一些导电块611电耦接。可选地，块611由铜制成。在硅光子衬底630上，安装有包括TIA芯片或驱动器芯片的ASIC芯片620。用于形成紧凑型光引擎2000的激光芯片(未示出)也安装在硅光子衬底630上。还示出了在硅光子衬底630中形成若干波导638以与光学连接器635耦接用于接收或输出光信号。光学连接器635与可选地由钢或其他金属材料制成的盖构件640集成。在盖构件640上，可以形成铜基散热器650以允许良好的热传导以释放由紧凑型光引擎2000中的激光芯片或其他ASIC芯片(DSP2030，2030′、控制器2040、ASIC 2050)产生的热量。可选地，散热器650包括翅片结构651。
返回参考图5，多通道光引擎5000组装了32个紧凑型光引擎2000。每个紧凑型光引擎2000提供1.6Tbit/s的数据容量，产生总计51.2Tbit/s的容量。具体地，每个紧凑型光引擎2000包括4个SiPho收发器模块100。每个收发器模块具有CWDM光波长的4个通道和32个通道的电输入。假设模块输入通道速度为25Gbit/s，则需要反向变速箱从256个通道×50Gbit/s的开关转到256个通道×25Git/s，并且通过PAM4调制可以提供800Gbit/s的总模块容量。在图5所示的情况下，模块输入通道速度为50Gbit/s，具有512个通道×50Gbit/s的开关将通过PAM4调制提供1600Gbit/s的总模块容量。随着模块输入通道速度增加到100Gbit/s，通过PAM4调制，总模块容量甚至可以达到3200Gbit/s。
可选地，形成在公共衬底构件上的多通道光引擎是开关系统设备的一部分。开关系统设备在空间上布置在数据中心中。可选地，数据中心被配置用于社交网络平台、电子商务平台、人工智能平台或人类跟踪平台。可选地，数据中心耦接到空间上位于整个地理区域的多个数据中心。可选地，数据中心由商业公司或政府实体所拥有。可选地，公共衬底构件包括印刷电路板，该印刷电路板被配置有到系统板构件的电接口、到系统板构件的光学接口以及到系统板构件的机械接口。

Claims (25)

1.一种集成光收发器，包括：
具有表面区域的衬底构件；
光输入端口；
光输出端口；
发送器单元，设置在所述表面区域上并且包括：
一组四个激光装置，包括四个激光二极管芯片，所述四个激光二极管芯片倒装安装在所述表面区域上并且被配置为分别输出以1270nm、1290nm、1310nm和1330nm为中心的四个波长的四个激光；
一组四个功率分离器装置，耦接到所述四个激光以将所述四个激光中的每一个激光分为通向两个复制的传输路径的两个部分，每个传输路径包括：
一组四个调制器装置，形成在所述表面区域中并且分别接收所述四个激光的所述两个部分中的相应一个部分；
驱动器装置，耦接到所述一组四个调制器装置并且被配置为驱动每一个调制器装置以调制所述四个激光中的相应一个激光；
平面光电路中的复用器装置，被设置为邻近所述衬底构件并且被配置为耦接所述四个激光并且复用到被递送到所述光输出端口的携带所述四个波长的一个输出光；
接收器单元，在所述表面区域上设置有两个复制的接收路径，每个接收路径包括：
所述平面光电路中的解复用器装置，被配置为接收来自所述光输入端口的输入光，并且解复用为具有所述四个波长的四个输入光信号；
形成在所述表面区域中的四个输入波导，耦接到所述解复用器装置以分别接收所述四个输入光信号；
光电检测器装置，将所述四个输入光信号转换为相应的电信号；以及
跨阻抗放大器装置，耦接到所述光电检测器装置以处理将作为电输出传输的所述电信号；以及
异构集成，使用所述衬底构件、所述发送器单元和所述接收器单元配置以形成单个硅光子装置。
2.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述衬底构件是硅光子衬底，并且所述平面光电路包括玻璃衬底。
3.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述激光二极管芯片包括DFB激光器。
4.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述调制器装置包括基于硅基波导的两个分支的马赫曾德尔干涉仪。
5.根据权利要求4所述的集成光收发器，其特征在于，所述调制器装置被配置为以PAM-N或NRZ调制协议来调制激光。
6.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述驱动器装置包括CMOS芯片，所述CMOS芯片被倒装安装在所述衬底构件的所述表面区域上。
7.根据权利要求6所述的集成光收发器，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为25Gbit/s的4个通道。
8.根据权利要求6所述的集成光收发器，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为50Gbit/s的4个通道。
9.根据权利要求6所述的集成光收发器，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为100Gbit/s的4个通道。
10.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述功率分离器装置包括嵌入在所述表面区域内的基于波导的直接耦接器。
11.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述跨阻抗放大器装置包括CMOS芯片，所述CMOS芯片被倒装安装在所述衬底构件的所述表面区域上。
12.一种紧凑型光引擎，包括：
壳体，具有与顶盖构件和被配置为底部构件的单个印刷电路板耦接的外围壁构件；
多个光电模块，分别设置在所述单个印刷电路板上，每个光电模块包括配置在硅衬底的表面区域中的发送器单元和接收器单元，所述发送器单元包括：多个激光装置，输出被分到两个复制的传输路径的多个激光；以及驱动器装置，用于驱动多个调制器以调制每个传输路径上的所述多个激光，所述传输路径与基于玻璃衬底的平面光电路中的光复用器装置耦接以输出传输光，所述接收器单元包括两个复制的接收路径，每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置，以检测从所述平面光电路中的光解复用器装置输入的多个光信号并将所述多个光信号转换为相应的电信号；
输入光纤电缆和输出光纤电缆，所述输入光纤电缆通过所述多个光电模块中的每一个光电模块的所述平面光电路中的光解复用器装置耦接到每个接收路径，所述输出光纤电缆通过所述多个光电模块中的每一个光电模块的所述平面光电路中的光复用器装置耦接到每个传输路径；
第一连接器，设置在所述外围壁构件的侧区域处，以与分别与所述多个光电模块中的两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接；
第二连接器，设置在所述外围壁构件的侧区域处，以与分别与所述多个光电模块中的另外两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接；以及
一个或多个ASIC芯片，被配置在所述印刷电路板上并且与所述多个光电模块电耦接。
13.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述多个由四个组成，并且每个光电模块包括4个光通道加上4个复制的光通道，每个光通道与由以从四个激光装置输出的1270nm、1290nm、1310nm和1330nm中的相应一个的四个激光中的一个激光确定的波长相关联。
14.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，调制器装置包括形成在所述硅衬底中的基于硅波导的两个分支的马赫曾德尔干涉仪。
15.根据权利要求14所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述调制器装置被配置为以NRZ调制协议或PAM-N调制协议来调制激光，其中，N是整数。
16.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述驱动器装置包括CMOS芯片，所述CMOS芯片被倒装安装在所述硅衬底上。
17.根据权利要求16所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为25Gbit/s的32个通道，以提供每个光电模块总计800Gbit/s的数据收发容量。
18.根据权利要求16所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为50Gbit/s的32个通道，以提供每个光电模块总计1.6Tbit/s的数据收发容量。
19.根据权利要求16所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述驱动器装置包括电输入通道速度为100Gbit/s的32个通道，以提供每个光电模块总计3.2Tbit/s的数据收发容量。
20.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述跨阻抗放大器装置包括CMOS芯片，所述CMOS芯片被倒装安装在所述硅衬底上。
21.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述一个或多个ASIC芯片包括：用于将模拟信号转换为数字信号的变速箱；用于处理所述数字信号的处理器；用于与外部电网通信的接口装置；以及用于驱动所述多个激光装置的激光驱动器。
22.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述一个或多个ASIC芯片包括安装在所述印刷电路板的前面上的一个或多个数字信号处理芯片和微控制器芯片。
23.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述一个或多个ASIC芯片安装在所述印刷电路板的背面上。
24.根据权利要求12所述的紧凑型光引擎，其特征在于，所述顶盖构件包括散热器，所述散热器与所述多个光电模块中的每一个光电模块中的激光装置形成热接触。
25.一种光学组件中的多通道光引擎，包括：
公共衬底构件，包括外围区域和中心区域；
设置在所述中心区域处的开关装置，所述开关装置具有嵌入在所述公共衬底构件中的多个电互连；
多个紧凑型光引擎，沿着所述外围区域设置以使所述多个紧凑型光引擎的公共衬底的可用空间最大化，每个紧凑型光引擎经由所述多个电互连中的一个或多个电互连与所述开关装置耦接，每个紧凑型光引擎包括：
壳体，具有与底部衬底构件和顶盖构件耦接的外围壁构件；
四个光电模块，安装在与所述底部衬底构件相关联的单个印刷电路板上，每个光电模块包括配置在硅衬底的表面区域中的如权利要求1所述的集成光收发器，所述硅衬底包括两个复制的传输路径和两个复制的接收路径，所述两个复制的传输路径包括将来自四个激光装置的四个激光分为分别携带四个CWDM波长的两组复制的四个光信号的四个分离器，所述两个复制的接收路径接收各自携带四个CWDM波长的两个独立的入射光信号，每个传输路径包括驱动器装置以驱动四个调制器以调制由基于玻璃衬底的平面光电路中的光复用器装置复用的一组四个光信号以输出传输光，每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置以检测由所述平面光电路中的光解复用器装置从一个入射光信号解复用的光信号，并且将所述光信号转换为电信号；
第一光纤和第二光纤，所述第一光纤与所述平面光电路中的光解复用器装置的输入波导耦接，所述第二光纤与所述平面光电路中的光解复用器装置的输出波导耦接；
光连接器，与所述顶盖构件集成并且位于所述外围壁构件的一侧，以与和所述四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第一光纤以及和所述四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第二光纤耦接。
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