CN113965256A - 具有内置自测功能的高通道计数光收发器 - Google Patents

Abstract

诸如光收发器等光学器件可以包括级联的内置自测结构，该级联的内置自测结构可以被配置为使用有功功率模式的测试模式，并且可以在无功功率模式下充分衰减光使其远离环回路径。该光学器件可以包括晶片顶部发射器，该晶片顶部发射器可以用于在内置自测结构处于活动模式时调谐光源以测试和校准光学组件。

Description

具有内置自测功能的高通道计数光收发器

技术领域

本公开总体上涉及光学器件，并且更具体地涉及测试光电器件。

背景技术

现代高速集成电路(IC)具有复杂的架构，具有数百万个诸如晶体管等组件，这些组件必须协同工作以便以现代通信网络所需要的数千兆位数据速率传输数据。制造这样的器件的关键步骤之一是对高速器件进行测试和校准，以确保这些器件在以后的某个时间点(例如，在集成到产品中之后)不会发生故障。通常，当前的测试系统被配置用于电子或半导体器件，而未被配置为提供对某些现代混合高速器件(诸如处理电和光二者以实现更高数据速率的光收发器)的快速测试和校准。

附图说明

以下描述包括对附图的讨论，这些附图具有通过本公开的实施例的实现的示例而给出的图示。附图应当通过示例而非限制的方式理解。如本文中使用的，对一个或多个“实施例”的引用应当理解为描述本发明主题的至少一种实现中包括的特定特征、结构或特性。因此，本文中出现的诸如“在一个实施例中”或“在替代实施例中”等短语描述本发明主题的各种实施例和实现，而不一定都是指同一实施例。但是，它们也不一定相互排斥。为了容易地识别对任何特定元素或动作的讨论，附图标记中的最高有效数字指的是首先引入该元素或动作的附图(“图”)编号。

图1A是示出根据一些示例实施例的用于发射和接收光信号的光收发器的框图；

图1B是示出根据一些示例实施例的用于发射和接收光信号的并行通道光收发器的框图；

图2示出了根据一些示例实施例的具有环回模式的光收发器的示例功能组件；

图3示出了根据一些示例实施例的内置自测架构；

图4示出了根据一些示例实施例的用于内置自测开关的示例开关架构；

图5示出了根据一些示例实施例的用于内置自测开关的示例开关架构；

图6示出了根据一些示例实施例的用于调谐内置自测开关的方法的流程图；

图7示出了根据一些示例实施例的用于使用高通道计数内置自测开关来启用内置自测开关模式的方法的流程图；以及

图8是根据一些示例实施例的包括一个或多个光学器件的光电器件的图示。

接下来是对某些细节和实现的描述，包括对附图的描述，附图可以描绘以下描述的一些或全部实施例，以及讨论本文中提出的发明构思的其他可能的实施例或实现。下面提供了本公开的实施例的概述，随后是参考附图进行的更详细的描述。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了很多具体细节以便提供对发明主题的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明主题的实施例。通常，公知的指令实例、结构和技术不一定详细示出。

如上所述，诸如光收发器等现代高速网络器件可能难以使用常规测试装置进行测试。为此，可以将内置自测光学结构集成到光电器件中，该光电器件可以在制造阶段启用晶片级测试，并且还可以在将器件从晶片分离出来并且集成到最终产品中之后启用后续测试和校准。在一些示例实施例中，光学器件包括光发射器和接收器以(例如，通过外部光网络)从器件发射和接收一个或多个通道的光学数据。发射器和接收器可以经由集成环回路径连接，该集成环回路径可以被启用以进行环回测试，以及被禁用而用于任务模式(例如，其中器件通过诸如光网络等的光学器件发射和/或接收光的任务模式或收发器模式)。光学器件可以包括开关，该开关包括一系列级联的滤波器，该级联的滤波器通过引导光离开环回路径到放弃端口(例如，耦合到光吸收器或非引导模式)来逐渐衰减。在一些示例实施例中，每个滤波器包括功率分配器，该功率分配器被配置为无源地引导由滤波器接收的光离开环回路径(例如，去往放弃端口)。每个滤波器可以包括调谐器，该调谐器可以修改滤波器中的光以将其引向光学环回路径，从而在制造期间和在现场操作之后(例如，在最终产品中)启用基于环回的测试。在一些示例实施例中，环回路径上的一个或多个滤波器被用于在光学器件(例如，光收发器)的初始化时准确地设置激光波长。

在一些示例实施例中，收发器是多通道光学器件，该多通道光学器件通过分隔的光纤(例如，并行单模)在不同的信道上传输不同通道的数据。随着通道数目的增加，每个通道可以包括集成开关，该集成开关可以在可以引导光远离波导的低功率或零功率模式下运行，并且该集成开关可以经由向每个滤波器中的调谐器供电来被配置为有源模式。以这种方式，可以增加光收发器设计的通道数目，而无需有源控制器或开关来引导光远离通道的相应环回路径。

在一些示例实施例中，集成环回开关包括晶片顶部发射器(例如，光栅)，该晶片顶部发射器可以从通道输出光，以在制造阶段启用晶片级测试和校准。例如，激光器可以生成光并且可以通过从晶片顶部发射器向光学测试器件(诸如波长仪或光谱分析仪)输出光来进行调谐。在一些示例实施例中，将给定通道的激光器调谐到特定波长，然后激活环回开关中的调谐器，以使得能够以可以缩放到高光通道数量的方法来对光学器件进行准确的内置自测。

图1A是示出根据一些示例实施例的用于发射和接收光信号的光收发器100的框图。光收发器100是示例高通道计数光收发器，其中可以实现有效的内置自测环回路径。光收发器100被配置为对接来自诸如电气硬件器件150等电气器件的电数据，将电数据转换成光学数据，并且与诸如光学器件175等的一个或多个光学器件发射和接收光学数据。为了说明的目的，在下面的描述中，电气硬件器件150是“托管”光收发器100作为可插拔器件的主机板，该可插拔器件向光交换网络发送和接收数据；其中例如，光学器件175可以是光交换网络的其他组件(例如，外部发射器177)。然而，应当理解，光收发器100可以被实现为对接其他类型的电气器件和光学器件。例如，根据一些示例实施例，光收发器100可以被实现为混合“主板”上的单个芯片，该混合“主板”使用光网络(例如，波导、光纤)作为光总线来互连板载电气芯片，该板载电气芯片在数据从光转换为二进制电数据之后处理数据。

在一些示例实施例中，硬件器件150包括用于接收光收发器100的电气接口并与该电气接口配合的电气接口。光收发器100可以是可移除前端模块，该可移除前端模块可以从在通信系统或器件中用作后端模块的硬件器件150被物理地接收和移除。

光收发器100的数据发射器105可以接收电信号，该电信号然后经由PIC 110被转换为光信号。PIC 110然后可以经由诸如与PIC 110对接的光纤或波导等光链路来输出光信号。然后，输出的光数据可以由其他组件(例如，交换机、端点服务器、单个嵌入式系统上的其他嵌入式芯片)经由网络来处理，诸如广域网(WAN)、光交换网络、嵌入式系统中的光波导网络等。尽管示出了单个数据发射器105，但是应当理解，作为光收发器100的设计的一部分，包括附加数据发射器(例如，四个个体数据发射器，PSM4系统的每个通道有一个数据发射器，如下所述)。

在接收器模式下，光收发器100可以经由到光学器件175的一个或多个光链路接收高数据速率光信号。由PIC 110将光信号从光转换为电信号以供数据接收器115进一步处理，诸如将数据解调为较低数据速率以输出到诸如电气硬件器件150等其他器件。尽管示出了单个数据接收器115，但是应当理解，作为光收发器100的设计的一部分，包括附加数据接收器(例如，四个个体数据接收器，PSM4系统的每个通道有一个数据接收器，如下所述)。

例如，光收发器100和硬件器件150可以是诸如波分复用(WDM)系统或并行单模(PSM)系统等光通信器件或系统(例如，网络器件)的组件。通常，WDM系统在单个光纤上以不同波长(例如，以不同载波波长)传输多个数据流。在WDM实施例中，个体光纤从PIC 110输出多个通道，其中每个通道对应于波长的信道(范围)。例如，在图1A中，光收发器100经由单模光纤耦合到光学器件175，该单模光纤可以包括具有不同波长的四个不同WDM光通道，由于每个通道处于不同波长，这些通道不会混合。此外，光收发器100从单模光纤接收WDM光，该单模光纤接收四个不同的WDM光通道以进行分离和处理(例如，从光数据转换为电数据，滤波并且输出到一个或多个硬件器件，诸如硬件器件150)。

在并行单模式下，每个通道被分到不同的光路或光纤，以保持每个通道分离。例如，参考图1B，光收发器100是具有四个不同通道的PSM4收发器。在一些示例实施例中，单个激光器生成载波波长的光，该光由四个不同的每个通道的接收器进行分离和调制。然后，四个调制波束在四个发射光纤上从光收发器被输出。类似地，四个PSM接收光纤耦合到光收发器100，其中每个接收光纤承载个体光数据通道，并且每个光纤上的通道使用相同的载波波长。通过设计具有附加调制路径的PIC 110，可以实现附加PSM通道。例如，光收发器100可以被设计为64通道PSM光收发器，其中一个光源生成用于64个不同光调制器的载波。64个调制器中的每个调制器通过使用来自数据发射器105(例如，具有64个调制器驱动器的数据发射器，每个通道有一个数据发射器)的数据调制光来传递数据。然后，在被分组为输出光纤的64个不同的光纤上输出64个光通道(例如，将被路由到64个不同的远程接收器或器件)。类似地，64输入PSM光通道可以经由64个输入光纤将光输入到光收发器100中，光然后可以被处理并且输出到一个或多个硬件器件，诸如以太网交换机，以进行进一步的路由。

图2示出了根据一些示例实施例的具有环回模式的光收发器100的示例功能组件。如上所述，收发器100可以被实现为WDM或PSM系统，其中在图2中为简洁起见仅示出了单个通道。具有附加环回路径的附加通道可以被包括在光收发器设计中，其中每个环回结构可以重复N次以实现高效的高通道计数，例如64个通道。

在图2的示例中，数据发射器105使用存储在发射器(TX)控制器203中的指令来管理PIC 110的接收电数据和控制组件。TX控制器203的示例包括但不限于数字信号处理(DSP)单元、通用微处理器、ASIC、现场可编程门阵列(FPGA)、其组合、或者具有存储用于执行的控制指令的随附存储器的其他等效的集成或分立的逻辑电路系统。

在一些示例实施例中，数据发射器105从诸如外部主机器件或主机板等外部器件接收电数据输入。发射器控制器203然后可以执行将电数据转换成光调制数据的指令，调制器驱动器205使用该光调制数据来控制PIC 110中的光调制器220(例如，移相器、电吸收调制器(EAM)、马赫曾德尔干涉仪(MZI)调制器)。调制器220接收来自诸如激光器213等光源的光，调制器随后根据调制指令对接收光进行调制(例如，将二进制电数据转换为PAM4调制或QPSK调制符号数据)，然后，从PIC 110输出作为输出光(例如，在光交换网络上传输的输出光)。在一些示例实施例中，为了补偿可能影响光调制器220的调制特性的环境或器件温度，发射器控制器203控制加热器210以将调制器220动态地保持在期望的工作范围。尽管图2的示例示出了发射器105的简化形式，其中为简洁起见而未包括各种组件，但是应当理解，发射器105可以包括另外的各种组件，下面根据一些示例实施例进一步讨论。

PIC 110可以接收由光检测器230检测到的光输入光(例如，来自单模光纤)，光检测器230可以使用诸如光电二极管和/或其他元件等光学元件来检测接收光中的光子并且将光转换为电，以便由数据接收器115进行解调处理，这将在下面进一步详细讨论。

在一些示例实施例中，PIC 110包括光环回路径225(例如，集成波导)，光环回路径225将来自发射组件(例如，包括调制器220和数据发射器105的发射器光学子组件)的输出光立即引导到接收组件(例如，检测器230、数据接收器115)以在设计、测试和制造阶段以及在现场(例如，在集成到最终产品中之后，作为内置自测(BIST)过程的一部分)分析和校准收发器100。

环回路径225允许光收发器100的芯片上或模块内的表征(characterization)，包括但不限于，诸如误码率(BER)的测试表征、接收功率和灵敏度表征、以及收发器100中存在的滤波器(例如，复用器、解复用器等)的校准。

在一些示例实施例中，PIC 110包括高通道计数BIST光交换架构222，高通道计数BIST光交换架构222可以接收控制信号以将发送组件(例如，调制器220)的输出引向接收组件(例如，检测器230)。在一些示例实施例中，环回路径225开关元件可以包括(但不限于)以下光学组件中的全部或子集：SOA、热光开关、pin二极管开关、或者由一个或多个多模干扰(MMI)耦合器和Mach Zehnder干涉仪(MZI)组成的开关网络。开关元件的添加允许施加电控制信号以确定来自发射器的光信号的路由。对于特定控制条件，作为内置测试模式的一部分，开关可以在PIC(或模块)内实现光信号从发射器到接收器的路由。

对于不同的控制条件，相同的开关元件可以确保光信号从发射器路由到外部光链路。在一些示例实施例中，PIC包括另一开关架构222，该另一开关架构222接收控制信号，以在环回路径225上从接收组件(例如，调制器220、开关架构222)接收光。以这种方式，光收发器100消除了到该模块的外部光链路以在收发器的发射路径与接收路径之间形成光链路的需要，从而消除了外部耦合校准操作、耦合损耗、外部光纤到交换机连接等。此外，收发器的个体发射和接收部分的校准和功能验证不限于需要在单元外部进行物理光学连接的解决方案。此外，当需要将收发器设置为“正常”操作模式时，由于可以简单地禁用集成环回路径，因此无需断开发射器与接收器之间的外部连接。

尽管图2的示例示出了PIC 110的简化版本，其中为简洁起见而未包括各种组件，但是应当理解，PIC 110可以包括用于发送和接收光的其他各种组件(例如，MZI、电吸收调制(EAM)、多路复用器、多路分解器、滤波器)。

数据接收器115通过使用接收器(RX)控制器250中执行和/或存储的指令控制接收器115的组件来管理从PIC 110接收电数据以及处理电数据(例如，放大、滤波、解调)。RX控制器250的示例包括但不限于DSP单元、通用微处理器、ASIC、FPGA、其组合、或者具有存储用于执行的控制指令的随附存储器的其他等效的集成或分立的逻辑电路系统。

由检测器230生成的电(例如，电信号、电流)可以由TIA 235转换成放大电压，该放大电压然后由前馈均衡器(FFE)240处理。FFE 240实现一个或多个延迟，以创建并且组合信号的延迟版本以过滤并且增强信号。在一些示例实施例中，FFE 240将滤波后的电信号输入到接收器眼扫描分析器253中，该接收器眼扫描分析器253可以由RX控制器250实现以分析接收到的信号(例如，通过生成一个或多个眼图)。此外，并且根据一些示例实施例，滤波后的信号然后由时钟和数据恢复(CDR)模块255处理，以处理和恢复数据的定时/时钟特性(例如，提取时钟信号并且对数据信号重新计时)，其然后被进一步处理或作为数据被输出(例如，以供诸如硬件器件150等外部器件进一步处理)。

图3示出了根据一些示例实施例的内置自测开关架构300。根据一些示例实施例，高通道计数BIST环回结构305是图2的光交换架构222的示例配置。激光器303(例如，图2的激光器213)可以被配置为用于WDM收发器(图1A)或PSM收发器(图1B)的内部或外部激光器，并且环回结构305可以针对每个附加调制路径被多次实现。例如，可以在单个WDM收发器设计的PIC设计中实现一次结构305，在该单个WDM收发器设计中，使用环回结构305的单个实例从发射器到接收器循环四个通道。替代地，收发器可以包括大量通道(诸如64通道PSM收发器)，并且环回结构305的64个实例可以被配置为在相应64个PSM通道的64个发射器与64个对应接收器之间提供BIST环回功能。结构305的一个好处是，当处于BIST模式时，它消耗BIST开关功率，并且当不在BIST模式时(例如，当光收发器处于任务模式时)，每个环回结构可以在使用有效零功率开关配置的同时强烈地衰减环回路径。此外，在BIST启用模式下，环回损耗小于任务模式使用情况或基于外部光纤的环回；而在BIST禁用模式下，环回损耗足够高，以至于不会影响接收器性能(例如，由于从Tx到Rx的光串扰而导致<0.1dB的功率损失)。

激光器303可以是生成载光的可调谐激光器，载光然后由光调制器310(例如，图2的调制器220)调制。然后，光调制器310将载光输入到可调谐滤波器315中，其然后作为发射器输出而被输出(例如，如图1A或图1B所示，用于传输到光学器件175)。可调谐滤波器315可以为光子集成电路提供参考波长。在一些示例实施例中，环回结构305包括多个可调谐滤波器，每个可调谐滤波器具有不同的自由光谱范围。多个可调谐滤波器可以协同工作，以提供期望输出波长的唯一组合传输峰值。在一些示例实施例中，功率感测电路被嵌入在每个可调谐滤波器中，以遍在可调谐滤波器的电阻随时间变化时为给定滤波器提供可重复的位置。

可调谐滤波器315耦合到功率分配器320(例如，定向耦合器、多模干扰(MMI)耦合器)，该功率分配器320将接收到的光经由抽头325耦合到波顶发射器335和监测光电二极管(MPD)330。功率分配器320还将光输入到耦合到BIST开关345和监测光电二极管(MPD)350的另一可调谐滤波器323。

在一些示例实施例中，在制造期间，可以使用晶片顶部发射器335在晶片级测试光收发器。在一些示例实施例中，晶片顶部发射器335被形成为氮化硅或硅中的蚀刻光栅。在一些示例实施例中，其中晶片顶部发射器335是氮化硅光栅，在被输入到晶片顶部发射器335的氮化硅光栅实施例中之前，使用锥体将光模式从硅波导转变为氮化硅波导。

可以针对给定通道使用晶片顶部发射器335实现晶片级测试的一种光学测试和校准过程包括该通道的激光波长测量。由于很多光学晶片尺度测量是基于激光器的，因此使用耦合到晶片顶部发射器335的外部光谱分析仪(OSA)调节波长来将可调谐激光器设置为期望波长非常有益。作为示例，激光器303可以被调谐，直到耦合到晶片顶部发射器335的外部OSA显示出1300nm的值；此后，可以在BIST启用模式下执行其他测量。例如，并且根据一些示例实施例，如果发射链上的最后一个MPD(例如，MPD 365)上的发射功率高于预设最小值，并且BIST环回模式下的接收器响应度高于预设最小值，则认为光收发器(或收发器的特定通道)已被校准并且正常工作。由于发射功率和接收器响应度根据不同激光波长而有很大变化，因此经由发射器335将激光器303设置为目标测试波长可以确保对器件的准确测试。

此外，还可以使用外部光谱分析仪，通过识别激光器调谐性能中的任何意外偏差来测量激光器303的质量。例如，如果激光器303不能达到1300nm而只能达到1298nm，则由于激光器不良，可以认为收发器器件是有故障的，而如果激光器303达到1300nm，但是从1290nm迅速跳到1300nm，则激光器303可能因调谐不稳定而失败。

在一些示例实施例中，对于高通量测试，没有实现外部光谱分析仪来直接控制激光器303，因为这会导致附加的测试时间，相反，将激光器303设置为接近目标激光波长的预定义校准设置。另外，并且根据一些示例实施例，实现一个或多个MZI和MPD，将激光器303的波长为目标。在这些示例实施例中，仍然可以实现外部光谱分析仪来记录激光波长，并且如果波长距离目标很远，则将光收发器归类为失败。值得注意的是，这种方法比经由OSA控制激光器更有效，因为它仅需要光谱分析仪的一个波长读数，不需要多个读数来将激光器与使用发射器335的控制环路对齐。

根据一些示例实施例，可以使用晶片顶部发射器335测量其他有价值的测试参数，包括使用光谱分析仪测量激光侧模抑制比(SMSR)、使用外部光电二极管和电子光谱分析仪测量激光相对强度噪声(RIN)、以及使用具有光电二极管和电频谱分析仪的外部光学延迟线干涉仪测量激光光学线宽。

功率分配器320还将光耦合到BIST开关345中，下面将参考图4和5对其进行详细描述。BIST开关345耦合到接收器开关355。接收器开关355可以被激活以在环回模式下将光从接收器循环到调制器。BIST开关345被配置为具有高衰减，该高衰减在任务模式期间(例如，在向诸如光学器件175等外部/远程器件的传输期间)阻止光耦合到接收器开关355中，而无需为BIST开关345中的每个滤波器使用电源。另外，监测光电二极管(MPD)360可以监测BIST开关345的输出，监测光电二极管365在任务和环回模式期间监测接收器开关355的输出，并且可以用于测试诸如激光器303等光学组件，如上所述。

在一些示例实施例中，为了从任务模式切换到环回模式，接收器开关355重新配置有源调谐器以将BIST开关345的输出耦合到接收器路径(例如，图2的环回路径225)。此外，BIST开关345激活一个或多个调谐器以将光从功率分配器320引导到接收器开关355，从而将光耦合到光接收器。

图4示出了根据一些示例实施例的用于BIST开关的示例开关架构400。架构400包括多个级联的无源开关或滤波器，包括BIST滤波器403、BIST滤波器423和BIST滤波器437。如这里讨论的，每个BIST滤波器包括通过两个光路或波导连接的输入耦合器(例如，2×2分配器405、2×2分配器420、2×2分配器435)和输出耦合器(例如，2×2分配器415、2×2分配器430和2×2分配器445)，其中连接输入耦合器和输出耦合器的路径之一具有调谐器，该调谐器在BIST禁用模式下以零功率工作，并且以电子方式被控制以在BIST模式下传递光以进行测试和校准。在一些示例实施例中，分配器405是利用仅一个端口来提供零偏置断开状态的2×2开关(分配器)(由于将1×2开关实现为分配器405将导致pi/2功率设置以断开开关)。

在所示的示例中，BIST滤波器403包括光功率分配器405，该光功率分配器405耦合到光调谐器410和光分配器415，光分配器415具有发射端口和放弃端口，发射端口向下一滤波器(例如，滤波器423)传输，放弃端口丢弃耦合到该端口的光(例如，将到放弃端口的光耦合到光吸收器或非引导模式)。BIST滤波器423包括：光功率分配器420，其耦合到光调谐器425；以及光分配器430，其具有向下一滤波器(例如，滤波器437)传输的发射端口和丢弃耦合到该端口的光的放弃端口(例如，将放弃端口处的光耦合到光吸收器，诸如SOA)。BIST滤波器437包括：光功率分配器435，其耦合到光调谐器440；以及光分配器445，其具有从开关架构400向外进行传输的发射端口和将光耦合到监测光电二极管的另一输出端口。在一些示例实施例中，包括一些附加BIST级，例如，根据一些示例实施例，BIST滤波器437可以输出到附加滤波器(未示出)以在零功率BIST模式期间提供更高衰减。

在一些示例实施例中，每个BIST开关包括由控制电路电控制的调谐器：调谐器410由控制器413电控制，调谐器425由控制器427电控制，并且调谐器440由控制器443电控制。每个调谐器可以被实现为电控光相位调谐器，诸如放置在靠近波导的位置的电阻加热器，该波导经由热光效应来改变光相位。替代地，在一些示例实施例中，每个调谐器是形成在波导区域中的二极管，该二极管经由电光效应(诸如活性材料的光吸收或折射率的变化)来修改传播光的光学相位。

分配器405、415、420、430、435和445可以被制造为功率分配耦合器，诸如多模干扰(MMI)或直接耦合器，该功率分配耦合器具有根据本领域普通技术人员已知的耦合模式理论而设置的预配置功率分配比。例如，分配器405、420和435可以被配置为50/50分配器，该50/50分配器将一半量的接收光耦合到每个输出端口中(例如，每个都进入给定滤波器的调谐器或输出耦合器)。根据一些示例实施例，在BIST禁用模式下，每个滤波器包含一组MZI路径，该组MZI路径将异相组合，并且发生相消干涉，以无源地阻止光沿环回路径被引导。

例如，当在BIST禁用模式下时，分配器430从上臂(从分配器420)和下臂(经由调谐器425)接收光，并且在分配器430中发生相消干涉，从而使光在滤波器423处衰减(例如，通过相消干涉而衰减)。

在BIST启用模式下，向滤波器403、423、437供电以使得光能够通过每个滤波器(例如，其中，在每个滤波器的输出分配器处不会发生完全的相消干涉)。例如，参考滤波器423，调谐器425接收功率以引起下臂上的光发生相变，其然后被耦合到分配器430中，分配器430经由分配器430的上端口将光传递到下一滤波器437。

以这种方式，级联滤波器403、423、437用作无源开关，以代替用于环回路径的单个有源控制开关。光学架构通过级联多个级来提供更高的开关衰减，而无需精细的有源控制。在一些示例实施例中，将开关对准以获取零功率下的最大衰减，使得仅在BIST模式期间，在用于校准和测试(例如，为通道校准发射器的调制器，校准加热器偏置、光源等)的环回模式期间才需要开关功率。

图5示出了根据一些示例实施例的用于BIST开关的示例开关架构500。在图5的示例中，调谐器410、425和440中的每个由单个电控制电路505电控制。在调谐过程中，电控制电路505同时调谐调谐器410、425和440中的每个以使传输到下一级(例如，下一滤波器，或者在分配器445的情况下离开架构500)的光最大化。根据一些示例实施例，架构500的一个好处是，减少了电控制电路的数目，从而减少了总功耗。

图6示出了根据一些示例实施例的用于调谐BIST开关的方法600的流程图。在操作605，激活光源。例如，在操作605，激活用于四个PSM光收发器的一个通道的激光器(例如，激光器213)以生成用于调制的载光。在一些示例实施例中，载光以未调制形式用于调谐每个滤波器(例如，滤波器403、滤波器423和滤波器437)；而在其他一些实施例中，在方法600的调谐操作期间经由光调制器对光进行调制。在一些示例实施例中，使用晶片顶部发射器335激活载波并且将其调谐到目标波长。

在操作610，调谐第一滤波器以提供到下一级的最大传输。例如，在操作610，调谐器410改变下臂上的光的相位，使得分配器415中的光从分配器415的输出端口处的相消干涉改变为通过与滤波器403的上波长臂中的光相位耦合，光的95％至100％被引导去往发射端口。在一些示例实施例中，通过使分配器415的放弃端口处的监测光电二极管(处于上图中未示出的放弃端口处的监测二极管)上的功率最小化来调谐调谐器410。在其他示例实施例中，通过使连接到功率分配器415的发射端口(例如，功率分配器415的上端口)的抽头和监测光电二极管上的功率最大化来调谐调谐器410。

在操作615，调谐一个或多个附加滤波器以在发射端口上传输最大光。例如，调谐器425被调谐以使被引向分配器430的发射端口的光的量最大化，然后该光经由分配器435耦合到下一级滤波器。另外，并且根据一些示例实施例，在操作615，调谐器440被电控制以使从分配器445的输出端口(上端口)出来的光的量最大化，其中分配器445的默认配置(不进行调谐)无源地衰减光(例如，相消干涉，和/或将大部分光引向下端口到非引导模式或光吸收器(诸如处于关闭模式的SOA)以吸收/衰减光)。在优化每个滤波器级以使到发射端口的功率最大化之后，在操作617，将滤波器设置保存为BIST启用模式。

在操作620，将滤波器的电控件的零功率保存为BIST禁用模式。在禁用模式下，每个分配器415、430和445经由相消干涉和/或将接收光引向下端口(这会将光耦合到光吸收器或非引导模式，而不是去往环回路径(例如，对准的上端口))来衰减光，。

在操作625，光收发器以任务模式工作，其中BIST开关处于其禁用配置，并且向每个开关提供零功率，并且光被衰减和/或转移到放弃端口中。

在一些示例实施例中，省略了用于设置滤波器的一个或多个操作。例如，在一些示例实施例中，省略了操作615，并且使用单个电控制电路505来调谐每个调谐器410、425和440，以使来自其相应发射端口的光的量最大化。在这些示例实施例中，电控制电路505可以同时改变调谐器，直到根据放弃端口处的MPD，分配器445下部的放弃端口处的功率被最小化为止，之后控制电路505存储用于BIST启用模式的调谐设置，并且通过将所有调谐器同时设置为零功率以进行无源高衰减来返回BIST禁用模式。

在一些示例实施例中，针对N个通道执行N次方法600，每个通道包括如上所述的零功率BIST环回结构305。在对多个BIST结构进行调谐之后，每个通道都可以在BIST禁用模式下有效衰减环回模式，其中每个通道中的所有开关处的功率设置为零。

图7示出了根据一些示例实施例的、用于使用高通道计数BIST开关来启用BIST模式的方法700的流程图。在操作705，为光收发器激活光源。在操作710，将接收器开关配置为环回模式。例如，参考图3，接收器开关355从接收器输入端口(例如，从外部源、发射器接收)切换到BIST输入端口，以从BIST开关345接收光。

在操作715，将BIST开关的滤波器设置为在图6的操作610和615处存储的其调谐后的滤波器电压。在操作715和720期间，开关处于BIST启用模式，并且接收电功率以将光耦合到滤波器403、423和437的每个发射端口中。

在操作720，当在BIST开关电源处于活动状态的环回模式下时，可以测试和校准收发器的一个或多个光学组件。在一些示例实施例中，针对光收发器的每个通道(例如，64PSM光收发器的每个通道)重复方法700。在以BIST模式校准每个通道之后，所有开关被设置为零功率，从而有效地抑制每个通道的环回路径，而不会消耗不必要的功率。

图8是根据一些示例实施例的、包括一个或多个光学器件的光电器件800(例如，光收发器100)的图示。在该实施例中，光电器件800被示出为包括印刷电路板(PCB)衬底805、有机衬底810、ASIC 815和光子集成电路(PIC)820。在该实施例中，PIC 820可以包括一个或多个上述光学结构(例如，PIC 110、具有64个通道的多通道PSM PIC)。

在一些示例实施例中，PIC 820包括绝缘体上硅(SOI)或硅基(例如，氮化硅(SiN))器件，或者可以包括由硅和非硅材料形成的器件。上述非硅材料(替代地称为“异质材料”)可以包括III-V材料、磁光材料、或晶体衬底材料中的一种。III-V半导体具有在元素周期表的III族和V族中发现的元素(例如，砷化铟镓磷化物(InGaAsP)、氮化砷化镓铟镓(GainAsN))。由于III-V半导体中的电子速度比硅中的电子速度快得多，因此基于III-V的材料的载流子弥散效应可能大大高于基于硅的材料。此外，III-V材料具有直接带隙，这可以有效地从电泵浦产生光。因此，III-V半导体材料使得光子操作比硅具有更高的效率，从而既生成光又调制光的折射率。因此，III-V半导体材料使得能够以更高的效率进行光子操作，以从电生成光以及将光转换回电。

因此，在下述异质光学器件中，低光损耗和高质量硅氧化物与III-V半导体的电光效率相结合；在本公开的实施例中，上述异质器件利用器件的异质与纯硅波导之间的低损耗异质光波导过渡。

磁光材料允许异质PIC基于磁光(MO)效应工作。这样的器件可以利用法拉第效应，其中与电信号相关联的磁场调制光束，以提供高带宽调制，并且使光学模式的电场旋转，从而实现光隔离器。上述磁光材料可以包括例如诸如铁、钴或钇铁石榴石(YIG)等材料。此外，在一些示例实施例中，晶体衬底材料提供具有高机电耦合、线性电光学系数、低传输损耗、以及稳定的物理和化学性质的异质PIC。上述晶体衬底材料可以包括例如铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)。

在所示的示例中，PIC 820经由棱镜825与光纤830交换光；根据一些示例实施例，上述棱镜825是用于将光学模式耦合到单模光纤的耐失准器件。在其他示例实施例中，实现多个光纤以从棱镜825接收光，以用于各种光学调制格式(例如，具有四个通道的平行单模(PSM4))。

在一些示例实施例中，PIC 820的光学器件至少部分由ASIC 815中包括的控制电路系统控制。ASIC 815和PIC 820均被示出为设置在铜柱814上，铜柱814用于经由有机衬底810通信地耦合IC。PCB衬底805经由球栅阵列(BGA)互连816耦合到有机衬底810，并且可以用于将有机衬底810(以及因此ASIC 815和PIC 820)互连到未示出的系统的其他组件，例如互连模块、电源等。

以下是示例实施例：

示例1.一种用于测试包括发射器和接收器的光收发器的方法，所述方法包括：在以环回模式下在所述光收发器中沿环回路径从所述发射器沿所述光收发器中的环回路径向所述接收器传输光，所述环回模式由包括滤波器的集成环回开关启用，所述集成环回开关包括所述滤波器在无功功率模式与到有功功率模式之间切换以提供沿所述环回路径的提供光的滤波器；在环回模式下使用以环回模式沿所述环回路径传播的光来测试所述光收发器中的一个或多个光学组件；通过将所述集成环回开关从所述有功功率模式设置为所述无功功率模式来将所述光收发器设置为任务模式，所述集成环回开关的所述滤波器被配置为在处于所述无功功率模式时被动无源地引导光离开所述环回路径；以及在所述光收发器处于所述任务模式并且所述集成环回开关的所述滤波器处于所述无功功率模式时，由所述发射器传输输出光。

示例2，根据示例1所述的方法，其中所述光收发器是包括多个发射器和接收器对的多通道光收发器。

示例3.根据示例1或2中任一项所述的方法，其中每个发射器和接收器对由个体环回路径耦合，其中使用以所述有功功率模式运行的个体环回路径，光能够以所述环回模式沿所述个体环回路径被引导。

示例4.根据示例1至3中任一项所述的方法，每个个体集成环回开关包括从所述无功功率模式切换到所述有功功率模式的滤波器，所述无功功率模式无源地引导光离开所述个体环回路径，所述有功功率模式沿所述个体环回路径有源地引导光。

示例5.根据示例1至4中任一项所述的方法，其中所述集成环回开关中的每个滤波器包括功率分配器，所述功率分配器被配置为：在所述无功功率模式下无源地引导光离开所述环回路径，并且在所述有功功率模式下有源地引导光去往所述环回路径。

示例6.根据示例1至5中任一项所述的方法，其中所述功率分配器是多模耦合器。

示例7.根据示例1至6中任一项所述的方法，其中所述功率分配器是直接耦合器。

示例8.根据示例1至7中任一项所述的方法，其中每个滤波器中的每个功率分配器包括电控调谐器，所述电控调谐器改变所述滤波器中的光的相位以将光引导到所述滤波器的发射端口。

示例9.根据示例1至8中任一项所述的方法，其中每个滤波器的放弃端口将光传输离开所述环回路径，并且其中每个滤波器的所述发射端口朝所述环回路径传输光。

示例10.根据示例1至9中任一项所述的方法，其中在无功率模式下，所述滤波器成序列以通过无源地引导由每个滤波器接收的光离开所述环回路径到所述滤波器的放弃端口来逐渐衰减光。

示例11.根据示例1至10中任一项所述的方法，还包括：使用光源来生成所述光；以及使用所述集成环回开关中的晶片发射器将所述光源调谐到预配置的波长。

示例12.根据示例1至11中任一项所述的方法，其中在将所述光源调谐到所述预配置的波长之后，所述一个或多个光学组件在所述环回模式下被测试。

示例13.根据示例1至12中任一项所述的方法，其中所述光源是可调谐激光器，并且其中在所述环回模式下被测试的所述一个或多个光学组件包括所述光源。

示例14.根据示例1至13中任一项所述的方法，其中光谱分析仪被耦合到所述晶片发射器，并且其中所述光源根据由所述光谱分析仪从所述集成环回开关的所述晶片发射器接收的所述光而被调谐到所述预配置的波长。

示例15.根据示例1至14中任一项所述的方法，其中所述光收发器被包括在晶片中，并且所述一个或多个光学组件使用晶片级测试而被测试，所述晶片级测试使用从所述晶片发射器发射的光。

示例16.一种光收发器，包括：光发射器，被配置为生成调制光；光接收器，用于接收光；以及集成环回开关，被耦合到所述光发射器和所述光接收器以沿环回路径将光从所述光收发器耦合到所述光接收器，所述集成环回开关包括一个或多个滤波器，所述一个或多个滤波器在处于有功功率模式下时沿所述环回路径将光从所述光发射器引导到所述光接收器，并且在处于无功功率模式下时无源地引导光离开所述环回路径。

示例17，根据示例16所述的光收发器，其中所述集成环回开关中的每个滤波器包括功率分配器，所述功率分配器被配置为在所述无功功率模式下无源地引导光离开所述环回路径，并且在所述有功功率模式下有源地引导所述光去往所述环回路径。

示例18.根据示例16或17中任一项所述的光收发器，其中在所述无功功率模式下，所述滤波器处于关闭状态并且不接收运行功率。

示例19.根据示例16至18中任一项所述的光收发器，其中每个滤波器中的每个功率分配器包括电控调谐器，所述电控调谐器改变所述滤波器中的光的相位以将光从所述滤波器的放弃端口引导到发射端口以启用所述环回模式。

示例20.根据示例16至19中任一项所述的光收发器，其中所述功率分配器是具有不均匀的功率分配比的光耦合器。

在前面的详细描述中，已经参考本发明主题的具体示例实施例描述了本发明主题的方法和装置。然而，应当清楚，在不脱离本发明主题的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，本说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于测试包括发射器和接收器的光收发器的方法，所述方法包括：

以环回模式从所述发射器沿所述光收发器中的环回路径向所述接收器传输光，所述环回模式由包括滤波器的集成环回开关启用，所述滤波器在无功功率模式到有功功率模式之间切换，以提供沿所述环回路径的光；

使用以环回模式沿所述环回路径传播的光来测试所述光收发器中的一个或多个光学组件；

通过将所述集成环回开关从所述有功功率模式设置为所述无功功率模式来将所述光收发器设置为任务模式，所述集成环回开关的所述滤波器被配置为在处于所述无功功率模式时无源地引导光离开所述环回路径；以及

在所述光收发器处于所述任务模式、并且所述集成环回开关的所述滤波器处于所述无功功率模式时，由所述发射器传输输出光。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光收发器是包括多个发射器和接收器对的多通道光收发器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中每个发射器和接收器对由个体环回路径耦合，其中使用以所述有功功率模式运行的个体环回路径，光能够以所述环回模式沿所述个体环回路径被引导。

4.根据权利要求3所述的方法，每个个体集成环回开关包括从所述无功功率模式切换到所述有功功率模式的滤波器，所述无功功率模式无源地引导光离开所述个体环回路径，所述有功功率模式沿所述个体环回路径有源地引导光。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述集成环回开关中的每个滤波器包括功率分配器，所述功率分配器被配置为：在所述无功功率模式下无源地引导光离开所述环回路径，并且在所述有功功率模式下有源地引导光去往所述环回路径。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述功率分配器是多模耦合器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述功率分配器是直接耦合器。

8.根据权利要求5所述的方法，其中每个滤波器中的每个功率分配器包括电控调谐器，所述电控调谐器改变所述滤波器中的光的相位，以将光引导到所述滤波器的发射端口。

9.根据权利要求8所述的方法，其中每个滤波器的放弃端口将光传输离开所述环回路径，并且其中每个滤波器的所述发射端口朝所述环回路径传输光。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在无功率模式下，所述滤波器成序列以通过无源地引导由每个滤波器接收的光离开所述环回路径到所述滤波器的放弃端口来逐渐衰减光。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

使用光源来生成所述光；以及

使用所述集成环回开关中的晶片发射器来将所述光源调谐到预配置的波长。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在将所述光源调谐到所述预配置的波长之后，所述一个或多个光学组件在所述环回模式下被测试。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述光源是可调谐激光器，并且其中在所述环回模式下被测试的所述一个或多个光学组件包括所述光源。

14.根据权利要求11所述的方法，其中光谱分析仪被耦合到所述晶片发射器，并且其中所述光源根据由所述光谱分析仪从所述集成环回开关的所述晶片发射器接收的所述光而被调谐到所述预配置的波长。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述光收发器被包括在晶片中，并且所述一个或多个光学组件使用晶片级测试而被测试，所述晶片级测试使用从所述晶片发射器发射的光。

16.一种光收发器，包括：

光发射器，被配置为生成调制光；

光接收器，用于接收光；以及

集成环回开关，被耦合到所述光发射器和所述光接收器，以沿环回路径将光从所述光收发器耦合到所述光接收器，所述集成环回开关包括一个或多个滤波器，所述一个或多个滤波器在处于有功功率模式下时，沿所述环回路径将光从所述光发射器引导到所述光接收器，并且在处于无功功率模式下时，无源地引导光离开所述环回路径。

17.根据权利要求16所述的光收发器，其中所述集成环回开关中的每个滤波器包括功率分配器，所述功率分配器被配置为：在所述无功功率模式下无源地衰减所述光，并且在所述有功功率模式下有源地引导所述光去往所述环回路径。

18.根据权利要求17所述的光收发器，其中在所述无功功率模式下，所述滤波器处于关闭状态并且不接收运行功率。

19.根据权利要求17所述的光收发器，其中每个滤波器中的每个功率分配器包括电控调谐器，所述电控调谐器改变所述滤波器中的光的相位，以将光从所述滤波器的放弃端口引导到发射端口以启用所述环回模式。

20.根据权利要求17所述的光收发器，其中所述功率分配器具有均匀的分配比，并且在所述无功功率模式下，在所述功率分配器中发生相消干涉。

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