CN113141549A - 一种光电混合共封装交换芯片架构 - Google Patents

一种光电混合共封装交换芯片架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，具体公开了一种光电混合共封装交换芯片架构，包括电模块，电模块包括电交换矩阵和交换控制单元；还包括若干光模块，光模块包括光交换单元和光引擎单元；光引擎单元和交换控制单元均与光交换单元和电交换矩阵连接；光交换单元接收光信号，处理后输出光交换信号；电交换矩阵接收电信号，处理后输出电信号；光引擎单元用于将光信号或光交换信号转换为电信号，将电信号转换为光信号；交换控制单元用于控制光交换单元和电交换矩阵。采用本发明的技术方案能够有效降低大容量交换芯片的功耗。

Description

一种光电混合共封装交换芯片架构
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种光电混合共封装交换芯片架构。
背景技术
第五代移动通信(5G)技术致力于应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，5G在带来革命性业务体验、新型商业应用模式的同时，对承载网络提出新的需求。对于其中的交换网络来说，主要是由于网络流量的迅猛增长所带来的更大容量的交换需求。
当前的通信设备中，同时应用了光交换技术和电交换技术。比如，在OTN设备中应用了ROADM光交换技术，实现波长级别的大颗粒度交换；在OTN设备中应用的OTN电交叉技术则主要是用于实现子波长级别的各种小颗粒度数据交换；光电交换技术的同时使用，可以结合两种交换技术的优势，既利用光交换的大容量低功耗的交换优势实现大容量交换时的绿色节能，同时又可以利用电交换的交换颗粒度灵活可调的优势满足各种应用的多种不同交换颗粒度需求。但上述光电交换的联合使用为设备层面，具体实现较为复杂。
随着通信网络传输速率不断提高，业界使用的分组交换芯片最大容量已达到25.6Tb/s，同时，在原有芯片架构下，交换容量进一步提升遇到了电互联瓶颈。为了解决这一问题，业界考虑采用光互联技术，提出了CPO(Co-Packaged Optics,光电混合共封装)方案，即通过先进的CPO芯片封装技术，将交换芯片与光引擎集成在同一个封装基板上，实现基于CPO技术的光电混合共封装交换芯片，在交换机中应用时替代之前的交换芯片加可插拔光模块。CPO交换芯片与传统的交换芯片加可插拔光模块方案相比，大大缩短了光接口到交换芯片之间的互连距离，从而达到简化光引擎与交换芯片之间电互联接口电路，提高高速电互联信号的信号质量，降低总体功耗的目的。
但是，采用CPO技术的交换芯片，在进一步扩大交换容量到51.2Tb/s，乃至102.4Tb/s后，芯片的总体功耗仍然非常大，根据OIF组织的估算，在达到51.2Tb/s容量时预计功耗将达到将近2000W，需要考虑液冷等散热方式。因此，在不久的将来，CPO交换芯片方案仍然会遇到芯片功耗大、散热困难的问题，需要考虑进一步降低大容量交换芯片功耗的措施。
发明内容
本发明提供了一种光电混合共封装交换芯片架构，能够有效降低大容量交换芯片的功耗。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种光电混合共封装交换芯片架构，包括电模块，电模块包括电交换矩阵和交换控制单元；
还包括若干光模块，光模块包括光交换单元和光引擎单元；
光引擎单元和交换控制单元均与光交换单元和电交换矩阵连接；
光交换单元接收光信号，处理后输出光交换信号；电交换矩阵接收电信号，处理后输出电信号；
光引擎单元用于将光信号或光交换信号转换为电信号，将电信号转换为光信号；
交换控制单元用于控制光交换单元和电交换矩阵。
基础方案原理及有益效果如下：
在此之前，电交换芯片容量还不是很高，基于电交换技术可以满足使用要求，但是随着通信网络传输速率不断提高，交换芯片最大容量已达到25.6Tb/s，进一步提高交换容量遇到瓶颈。本方案的光电混合交换的芯片架构，在如图1所示当前CPO交换芯片方案的基础上，增加高集成度的光交换单元和交换控制单元，形成一个带有光交换功能的新型CPO交换芯片，详见图2。通过交换控制单元实现光交换单元和电交换矩阵的统一控制，在交换容量确定的情况下，通过增加的光交换单元，便于实现大容量交换，可以资源简化原有电交换部分的设计并降低芯片功耗，将光交换的大容量低功耗交换的优势，与电交换的大容量小颗粒度灵活交换优势结合起来，弥补单纯光交换的交换颗粒度粗的劣势并解决原有电交换功耗大的问题，使得光电混合共封装交换芯片在交换容量提升的同时实现芯片低功耗。
进一步，所述光交换单元包括若干光交换矩阵，光引擎单元包括若干光引擎。
便于将光交换矩阵和光引擎集成在同一个硅基光芯片中，可以提高芯片集成度，同时减少光耦合环节，降低光耦合插损，降低耦合封装成本。
进一步，所述光模块还包括光纤耦合阵列。
进一步，所述光引擎和光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接；
光纤耦合阵列用于将光信号输入光引擎，光引擎用于将光信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号，光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入光交换矩阵；光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
与传统交换芯片不同的是，交换控制部分计算路由的时候，可供选择的交换资源不仅包括电模块中的电交换矩阵，也包括光模块中的光交换矩阵，由于引入了光交换矩阵，因此可以在满足交换功能实现的前提下，简化电交换矩阵的设计，降低芯片总体功耗。
进一步，所述至少两个光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接；
光纤耦合阵列用于将光信号输入一光交换矩阵，一光交换矩阵用于输出光交换信号至光引擎，光引擎用于将光交换信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号至光引擎，光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入另一光交换矩阵；另一光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
由于引入了至少两个光交换矩阵，因此可以在满足交换功能实现的前提下，简化电交换矩阵的设计，降低芯片总体功耗。
进一步，所述光模块数量、每个光模块中光引擎数量、光交换矩阵输入/输出的端口数量满足关系：光引擎的速率*光模块的数量*光引擎的数量＝光电混合共封装交换芯片的交换容量；光模块中光交换矩阵输入/输出的端口数量与光引擎的数量相等。
进一步，所述光交换矩阵由硅基光开关阵列组成。
进一步，所述硅基光开关阵列由多个2*2硅基微环光开关级联组成或由多个2*2硅基MZ光开关级联组成。
进一步，所述光交换矩阵为8*8的光交换矩阵，光引擎的数量为8个。
采用8*8的光交换矩阵可以降低对应电交换矩阵的复杂度和功耗。
进一步，所述光交换矩阵的数量为2个。
进一步，所述光模块的数量为16个。
例如采用400G光引擎，根据光引擎的速率*光模块的数量*光引擎的数量＝光电混合共封装交换芯片的交换容量，可以得到光电混合共封装交换芯片的交换容量为400*16*8＝51.2T。
附图说明
图1为现有CPO交换芯片架构图；
图2为本发明光电混合共封装交换架构图；
图3为实施例一中的光电混合共封装交换芯片架构图；
图4为实施例一中的光交换单元和光引擎单元架构图；
图5为实施例一中的光电混合共封装交换芯片结构框图；
图6为实施例二中的光交换单元和光引擎单元架构图；
图7为实施例二中的光电混合共封装交换芯片结构框图；
图8为实施例二中的光电混合交换架构图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
如图3所示，本实施例的51.2Tb/s的光电混合共封装交换芯片架构，包括电模块和若干个光模块。
电模块包括电交换矩阵(SF，Switch Fabric)和交换控制(SC，Switch Control)单元。
本实施例中，光模块的数量为16个。光模块包括光交换(OS，Optical Switch)单元、光引擎(OE，Optical Engine)单元和光纤耦合阵列。
光交换单元包括若干光交换矩阵，光引擎单元包括若干光引擎，具体的，光模块数量、每个光模块中光引擎数量、光交换矩阵输入/输出的端口数量需满足关系：光引擎的速率*光模块的数量*光引擎的数量＝光电混合共封装交换芯片的交换容量；光模块中光交换矩阵输入/输出的端口数量与光引擎的数量相等。如图4所示，本实施例中，每个光模块中采用400G光引擎，则计算可得每个光模块中光引擎数量为8个，光交换矩阵的输入和输出端口数均为8个，即8*8的光交换矩阵。
每个400G光引擎采用4*100G的波分复用方式，以便减少输入输出光接口数量，便于进行光电混合共封装交换芯片的光纤耦合封装。即，每个3.2T b/s的光模块有8个输入信号光纤和8个输出信号光纤。
本实施例中，8*8光交换矩阵由硅基光开关阵列组成，具体的，例如多个2*2硅基微环光开关级联组成，或者可由多个2*2硅基MZ(Mach-Zehnder马赫曾德)光开关级联组成，均为现有技术，在此不再详述。
光引擎和8*8光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接；光引擎还与电交换矩阵连接。
交换控制单元均与8*8光交换矩阵和电交换矩阵连接，交换控制单元用于控制8*8光交换矩阵和电交换矩阵的工作。
光纤耦合阵列用于将光信号输入400G光引擎，400G光引擎用于将光信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号，400G光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入8*8光交换矩阵；8*8光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
基于光电混合共封装交换芯片架构，本实施例还提供一种光电混合共封装交换芯片结构，电芯片设置在中心，本实施例中，电芯片采用ASIC(Application-specificintegrated circuit，专用集成芯片)电芯片，其包含了电交换矩阵和交换控制两部分功能，位于电芯片四周的是与其共封装的16个光芯片，每个光芯片包含了光交换单元和光引擎单元。采用16个光芯片而不是一个大的光芯片，是为了便于进行光电混合共封装的电连接和光纤耦合。现有的光交换矩阵和光引擎阵列的尺寸和集成度达不到与电交换矩阵集成的要求，并且传统的光芯片基于III-V材料，不方便和电芯片进行集成。本实施中，光芯片基于硅光技术可以达到高集成度，便于和电芯片集成。
每个光芯片内部包含一个8*8的光交换矩阵和8个400G光引擎。每个400G光引擎采用4*100G的波分复用方式，以便减少输入输出光接口数量，便于进行光电混合共封装交换芯片的光纤耦合封装。即，每个3.2T b/s的光芯片有8个输入信号光纤和8个输出信号光纤。本实施例中，400G光引擎包括硅基光探测器阵列和硅基光发射器阵列。
8*8光交换矩阵由硅基光开关阵列组成，具体的，例如多个2*2硅基微环光开关级联组成，或者可由多个2*2硅基MZ(Mach-Zehnder马赫曾德)光开关级联组成，均为现在技术，在此不再详述。由于400G光引擎芯片也有较为成熟的硅基光电子技术方案，因此可以将2*2硅基微环光开关级联组成的8*8硅基微环光开关矩阵和400G硅基光引擎芯片集成在同一个硅基光芯片中，提高芯片集成度，同时减少光耦合环节，降低光耦合插损，降低耦合封装成本。
如图5所示，本实施例中，驱动器阵列和TIA(Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器)阵列与硅基光芯片中的硅基光发射器阵列和硅基光探测器阵列一起完成电光和光电接口转换功能。
与现有的CPO交换芯片相比，本实施例在芯片架构中增加了光交换单元及相应的交换控制单元，实现光电混合共封装交换芯片中的光交换功能和交换控制功能。
交换控制部分，与传统交换芯片不同的是，计算路由的时候，可供选择的交换资源不仅包括电模块中的电交换矩阵，也包括光模块中的光交换矩阵，由于引入了光交换矩阵，因此可以在满足交换功能实现的前提下，简化电交换矩阵的设计，降低芯片总体功耗。
实施例二
本实施例的51.2Tb/s光电混合共封装交换芯片架构，与实施例一类似，芯片总体架构参见图3。
实施例二与实施例一的不同之处在于，每个光模块内部架构中，光交换单元包含2个8*8光交换矩阵，光引擎单元包括8个400G光引擎，具体参见图6。
2个8*8光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接。
光纤耦合阵列用于将光信号输入一8*8光交换矩阵，一8*8光交换矩阵用于输出光交换信号至400G光引擎，400G光引擎用于将光交换信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号至400G光引擎，400G光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入另一8*8光交换矩阵；另一8*8光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
8*8光交换单元由多个2*2硅基微环光开关级联组成，为现有技术，在此不再详述。
本实施例的光电混合共封装交换芯片结构中，由于400G光引擎芯片也有较为成熟的硅基光电子技术方案，如图7所示，因此可以将2个8*8硅基微环光开关矩阵和400G硅基光引擎芯片集成在同一个硅基光芯片中，提高芯片集成度，同时减少光耦合环节，降低光耦合插损，降低耦合封装成本。
与实施例一类似，与传统交换芯片不同的是，在交换控制部分，计算路由的时候，可供选择的交换资源不仅包括电芯片中的交换矩阵，也包括光芯片中的2个光交换矩阵，如图8所示。由于引入了2个光交换矩阵，因此可以在满足交换功能实现的前提下，简化电交换矩阵的设计，降低芯片总体功耗。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (11)

1.一种光电混合共封装交换芯片架构，包括电模块，电模块包括电交换矩阵和交换控制单元；
其特征在于，还包括若干光模块，光模块包括光交换单元和光引擎单元；
光引擎单元和交换控制单元均与光交换单元和电交换矩阵连接；
光交换单元接收光信号，处理后输出光交换信号；电交换矩阵接收电信号，处理后输出电信号；
光引擎单元用于将光信号或光交换信号转换为电信号，将电信号转换为光信号；
交换控制单元用于控制光交换单元和电交换矩阵。
2.根据权利要求1所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光交换单元包括若干光交换矩阵，光引擎单元包括若干光引擎。
3.根据权利要求2所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光模块还包括光纤耦合阵列。
4.根据权利要求3所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光引擎和光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接；
光纤耦合阵列用于将光信号输入光引擎，光引擎用于将光信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号，光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入光交换矩阵；光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
5.根据权利要求3所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述至少两个光交换矩阵均与光纤耦合阵列连接；
光纤耦合阵列用于将光信号输入一光交换矩阵，一光交换矩阵用于输出光交换信号至光引擎，光引擎用于将光交换信号转换为电信号，输入电交换矩阵；电交换矩阵用于输出电信号至光引擎，光引擎还用于将电交换矩阵输出的电信号转换为光信号，输入另一光交换矩阵；另一光交换矩阵用于输出光交换信号至光纤耦合阵列。
6.根据权利要求4所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光模块数量、每个光模块中光引擎数量、光交换矩阵输入/输出的端口数量满足关系：光引擎的速率*光模块的数量*光引擎的数量＝光电混合共封装交换芯片的交换容量；光模块中光交换矩阵输入/输出的端口数量与光引擎的数量相等。
7.根据权利要求6所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光交换矩阵由硅基光开关阵列组成。
8.根据权利要求7所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述硅基光开关阵列由多个2*2硅基微环光开关级联组成或由多个2*2硅基MZ光开关级联组成。
9.根据权利要求8所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光交换矩阵为8*8的光交换矩阵，光引擎的数量为8个。
10.根据权利要求9所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光交换矩阵的数量为2个。
11.根据权利要求6所述的光电混合共封装交换芯片架构，其特征在于：所述光模块的数量为16个。
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