CN114402241A - 芯片到芯片光学数据通信系统 - Google Patents

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Abstract

光学输入/输出小芯片设置在第一封装基板上。光学输入/输出小芯片包括用于接收连续波光的一个或多个供应光学端口。光学输入/输出小芯片包括一个或多个发送光学端口，调制光通过该一个或多个发送光学端口发送。光学输入/输出小芯片包括一个或多个接收光学端口，光学输入/输出小芯片通过该一个或多个接收光学端口接收调制光。光学功率供应模块设置在第二封装基板上。第二封装基板与第一封装基板分开。光学功率供应模块包括一个或多个输出光学端口，通过该一个或多个输出光学端口发送连续波激光。一组光纤将光学功率供应模块的一个或多个输出光学端口光学地连接到光学输入/输出小芯片的一个或多个供应光学端口。

Description

芯片到芯片光学数据通信系统
背景技术
几十年来，光学通信已经用于因特网网络（例如以太网）中的数据通信。在这样的实现中，光学收发器是由多个组件构成的，并且封装在连接器壳体（例如小型可插拔（SFP）和四通道小型可插拔（QSFP28）壳体）中。这些壳体包含对于光学数据发送和接收所需的组件，例如光产生、光学调制、光电检测和电控制电路。光学数据在光纤上输出，所述光纤将数据发送几米或几千米到达目的地。
迄今为止，光学数据通信系统已经利用了上述可插拔和离散形状因子，例如SFP和QSFP28，以用于印刷电路板（PCB）级输入/输出（I/O）应用。然而，这些可插拔和离散形状因子实在太大，以至于不能实现芯片级输入/输出（I/O）应用所需的密度。尽管使光学器件更靠近所连接的主机芯片（例如COBO（板上光学器件协会）探索的板上形状因子）的最近尝试已经激发了更紧密的形状因子，但是在当前的光学收发器中使用的光学器件的类型和集成方法从尺寸角度和功率角度都不适合于芯片级I/O应用。本发明正是在这种背景下出现的。
发明内容
在一个示例性实施例中，公开了一种光学数据通信系统。该光学数据通信系统包括第一封装基板。光学数据通信系统还包括设置在第一封装基板上的光学输入/输出小芯片（chiplet）。光学输入/输出小芯片包括用于接收连续波光的一个或多个供应光学端口。光学输入/输出小芯片包括一个或多个发送光学端口，光学输入/输出小芯片通过所述一个或多个发送光学端口来发送调制光。光学输入/输出小芯片包括一个或多个接收光学端口，光学输入/输出小芯片通过所述一个或多个接收光学端口来接收调制光。光学数据通信系统还包括设置在第一封装基板上的片上系统。片上系统通过形成在第一封装基板内的电迹线的布线而电连接到光学输入/输出小芯片。光学数据通信系统还包括与第一封装基板分开的第二封装基板。光学数据通信系统还包括设置在第二封装基板上的光学功率供应模块。光学功率供应模块包括一个或多个输出光学端口，通过该一个或多个输出光学端口来发送连续波激光。光学数据通信系统还包括一组光纤，其将光学功率供应模块的一个或多个输出光学端口光学地连接到光学输入/输出小芯片的一个或多个供应光学端口。
在一个示例性实施例中，公开了一种用于光学数据通信的方法。所述方法包括操作设置在第一封装基板上的光学输入/输出小芯片，以通过第一光纤来接收输入调制光流。所述方法还包括操作光学输入/输出小芯片以接收输入调制光流，从而产生输入电数据信号。所述方法还包括操作设置在第二封装基板上的光学功率供应模块以产生连续波激光。第二封装基板与第一封装基板分开。所述方法还包括通过第二光纤将连续波激光发送到光学输入/输出小芯片。所述方法还包括操作光学输入/输出小芯片以根据输出电数据信号对连续波激光进行调制，从而产生输出调制光流。所述方法还包括操作光学输入/输出小芯片以通过第三光纤将输出调制光流发送到网络链路。所述方法还包括操作光学输入/输出小芯片以通过在第一封装基板内布线的电迹线从设置在第一封装基板上的片上系统接收电数据信号。所述方法还包括操作光学输入/输出小芯片以通过在第一封装基板内布线的电迹线将电数据信号发送到设置在第一封装基板上的片上系统。
附图说明
图1A描述根据一些实施例的用于计算设备内部的芯片到芯片数据通信的光学数据通信系统。
图1B示出根据一些实施例的图1A的多芯片封装的垂直截面图。
图2示出根据一些实施例的光学I/O小芯片的示意图。
图3示出根据一些实施例的光学功率供应模块的示意图。
图4示出根据一些实施例的用于光学数据通信的方法的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然，在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下也可以实现本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊本发明。
图1A描述了根据一些实施例的用于计算设备内部的芯片到芯片数据通信的光学数据通信系统10。图1A的光学数据通信系统10可以在任何类型的计算设备内部实现，诸如在服务器计算机系统内部、在数据中心内部、在客户端计算系统内部、或者在消费电子设备内部，诸如台式计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、平板计算机、虚拟现实设备和增强现实设备等等。在一些实施例中，在数据中心中的单个机架内，在单个刀片/盒中或跨越多个刀片/盒来实现图1A的光学数据通信系统10。在一些实施例中，图1A的光学数据通信系统10在数据中心中的多个机架上实现。图1A的光学通信系统10也可以用于连接多个服务器或消费电子设备。图1A的光学通信系统10包括两个主要组件，即光学输入/输出（I/O）小芯片105-1-1和光学功率供应模块117，它们通过光纤111-1-1以芯片到芯片的方式彼此光学地连接。
光学I/O小芯片105-1-1设置在多芯片封装100-1内的封装基板101-1上。在一些实施例中，多芯片封装100-1包括多个（N个）光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N，其中，数量（N）大于一。然而，在一些实施例中，多芯片封装100-1可以包括单个光学I/O小芯片105-1-1。多芯片封装100-1还包括主机片上系统（SOC）103-1或类似类型的计算机芯片设备。以这种方式，光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N被封装在与主机SOC 103-1相同的多芯片封装100-1上。在各种实施例中，主机SOC 103-1可以是中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、开关、加速器或另一类型的计算机芯片设备。光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N中的每一个都是半导体（计算机）光电子芯片，其包括光学调制器、光电检测器、光学波长复用器和解复用器、用于光学设备的电控制器和驱动器、以及用于从主机SOC 103-1以及向主机SOC 103-1进行数据通信的电输入和输出。
在各种实施例中，封装基板101-1可以是有机基板或陶瓷基板、或本质上是电子器件和/或光电子器件和/或光学波导和/或（一个或多个）光纤/光纤带可安装于其上的任何其他类型的基板。例如，在一些实施例中，封装基板101-1可以是磷化铟（III-V）基板。或者，在另一示例中，封装基板101-1可以是Al2O3基板。应当理解，在各种实施例中，光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N和主机SOC 103-1可以使用基本上任何已知的电子封装工艺（诸如倒装芯片接合）来附接/安装到封装基板101-1，所述工艺可以可选地包括在光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N与封装基板101-1之间以及在主机SOC 103-1与封装基板101-1之间布置球栅阵列（BGA）、凸块、焊料、底部填充和/或（一个或多个）其他组件，并且可以包括接合技术，诸如质量回流、热压接合（TCB）或基本上任何其他合适的接合技术。
在一些实施例中，光学数据通信系统10包括一个多芯片封装100-1。然而，在一些实施例中，光学数据通信系统10包括多个（X个）多芯片封装100-1至100-X，其中，数量（X）大于一。在一些实施例中，多个（X个）多芯片封装100-1至100-X被设置在同一印刷电路板（PCB）上。然而，在一些实施例中，多个（X个）多芯片封装100-1至100-X跨多个单独的PCB而设置。在一些实施例中，多芯片封装100-1至100-X中的每一个都以相同的方式配置，使得多芯片封装100-1至100-X中的每一个都包括对应的封装基板101-1至101-X、对应的主机SOC103-1至103-X、以及对应的一组（N个）光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N到105-X-1至105-X-N。然而，在一些实施例中，多芯片封装100-1至100-X中的不同封装具有不同的配置，诸如通过具有设置在其上的不同数量的光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N。
为了描述的方便，参考所有光学I/O小芯片105-1-1至105-1-N到105-X-1至105-X-N使用附图标记105。同样，为了描述的方便，参考所有主机SOC的103-1至103-X使用附图标记103。在各种实施例中，使用适合于对应主机SOC 103的电I/O接口的各种技术（包括有机基板、2.5D集成Si中介层、嵌入式互连桥接器、高密度构建扇出等）将光学I/O小芯片105与对应的主机SOC 103共同封装。在一些实施例中，光学I/O小芯片105被设计为适应于主机SOC 103的电I/O接口，以便针对给定应用来优化I/O带宽密度、能量效率和封装成本。光学I/O小芯片105通过形成在封装基板101-1至101-X中的金属迹线（例如，铜迹线）来往于主机SOC 103电气地路由数据。封装基板101-1至101-X还将功率和接地传送到光学I/O小芯片105和主机SOC 103。
光学I/O小芯片105通过光纤以调制光流的形式发送数据，并且通过光纤以调制光流的形式接收数据。光学I/O小芯片105中的每一个都包括一个或多个接收光学端口108，光学I/O小芯片105通过所述接收光学端口接收调制光。每个光学I/O小芯片105的一个或多个接收光学端口108光学地耦合至对应数量的接收光纤109-1-1至109-1-N。光学I/O小芯片105中的每一个还包括一个或多个供应光学端口110，光学I/O小芯片105通过该供应光学端口110接收连续波激光。每个光学I/O小芯片105的一个或多个供应光学端口110光学地耦合至对应数量的供应光纤111-1-1至111-1-N。供应光纤111-1-1至111-1-N光学地耦合至光学功率供应模块117的光学输出端口309。光学I/O小芯片105中的每一个还包括一个或多个发送光学端口106，光学I/O小芯片105通过该一个或多个发送光学端口发送调制光。每个光学I/O小芯片105的一个或多个发送光学端口106光学地耦合至对应数量的发送光纤107-1-1至107-1-N。
光学功率供应模块117设置在芯片封装113内的第二封装基板115上。应当理解，第二封装基板115与多芯片封装100-1至100-X的第一封装基板101-1至101-X物理分开。在一些实施例中，光学功率供应模块117被实现为在第二封装基板115上的单个芯片。然而，在一些实施例中，光学功率供应模块117被实现为在第二封装基板115上的多个芯片。在这些实施例中，芯片封装113是多芯片封装113。
光学功率供应模块117被配置为产生一个或多个波长的连续波激光，并通过供应光纤111-1-1至111-1-N到111-X-1至111-X-N输出所产生的连续波激光，所述供应光纤跨多芯片封装100-1至100-X将连续波激光路由到各个光学I/O小芯片105。再次，应当理解，光学功率供应模块117包括在第二封装基板115上的一个或多个芯片，所述第二封装基板115与包括光学I/O小芯片105和主机SOC 103的多芯片封装100-1至100-X的封装基板101-1至101-X分开。光学功率供应模块117通过形成在封装基板115内的导电（例如，铜）迹线的布线来接收电功率和电接地。
图2示出了根据一些实施例的光学I/O小芯片105-1-1的示意图。光学I/O小芯片105-1-1代表其他光学I/O小芯片105。光学I/O小芯片105-1-1包括多个（Y个）接收宏201-1至201-Y。每个接收宏201-1至201-Y包括对应的接收光学波导207-1至207-Y，其光学耦合到接收光学端口108-1-1-1至108-1-1-Y中的对应的一个，其光学耦合到接收光纤109-1-1-1至109-1-1-1-Y中的对应的一个。以这种方式，调制光流行进通过接收光纤109-1-1-1至109-1-1-Y，并进入对应的接收光学波导207-1至207-Y。接收光学波导207-1至207-Y将接收到的调制光流传送通过对应的光学电路205-1至205-Y。光学电路205-1至205-Y由对应的电路203-1至203-Y操作。光学电路205-1至205-Y和对应的电路203-1至203-Y被配置成检测调制光流，并将调制光流转换为对应的电数据信号。在各种实施例中，光学电路205-1至205-Y包括光学检测器，其可以是微环检测器、线性检测器、光电检测器、或者吸收调制光信号并产生可由电路203-1至203-Y内的电子接收器电路检测到的对应电流的任何光学设备。在一些实施例中，光学电路205-1至205-Y包括沿着并邻近对应的接收光学波导207-1至207-Y（足够接近以将光从接收光学波导207-1至207-Y耦合到光学组件中）设置的不同光学组件。在一些实施例中，光学电路205-1至205-Y的不同光学组件被配置成检测特定波长的光。以这种方式，不同波长的多个调制光信号可以同时接收到接收光学波导207-1至207-Y中，并且可以同时被光学电路205-1至205-Y和电路203-1至203-Y的组合进行检测和接收。
光学I/O小芯片105-1-1还包括多个（Y个）发送宏209-1至209-Z。每个发送宏209-1至209-Z都包括对应的发送光学波导215-1到215-Z，其光学地耦合到供应光学端口110-1-1-1至110-1-1-Z中的对应的一个，其光学耦合到供应光纤111-1-1-1至111-1-1-Z中的对应的一个。在一些实施例中，发送光学波导215-1到215-Z基本上是U形的。连续波激光行进通过供应光纤111-1-1至111-1-1-Z，并进入对应的发送光学波导215-1至215-Z。发送光学波导215-1至215-Z将接收到的连续波激光传送经过对应的光学电路213-1至213-Z。光学电路213-1至213-Z由对应的电路211-1至211-Z来操作。光学电路213-1至213-Z和对应的电路211-1至211-Z的组合被配置为对发送光学波导215-1至215-Z内的连续波激光进行调制（对数据进行编码），以在发送光学波导215-1至215-Z内产生输出调制光流。所产生的输出调制光流从发送光学波导215-1至215-Z通过发送光学端口106-1-1至106-1-Z被发送，并进入发送光纤107-1-1至107-1-1-Z，并出现在网络链路上。在各种实施例中，光学电路213-1至213-Z包括光学调制器，其可以是微环谐振器调制器、马赫-曾德尔调制器、或者被设计为在光学信号中编码数据的任何电光学器件。此外，在一些实施例中，光学电路213-1至213-Z包括沿着并邻近对应的发送光学波导215-1至215-Z（足够接近以将光从发送光学波导215-1至215-Z耦合到光学组件中）设置的不同光学组件。在一些实施例中，光学电路213-1至213-Z的不同光学组件被配置成对特定波长的光进行操作。以这种方式，不同波长的多个调制光信号可以同时被产生，并且通过每个发送光学波导215-1至215-Z并继而通过每个发送光纤107-1-1-1至107-1-1-Z发送。
光学I/O小芯片105-1-1还包括电路217，该电路进行操作以将数据从光学I/O小芯片105-1电发送到主机SOC 103-1，并且进行操作以从主机SOC 103-1电接收数据。光学I/O小芯片105-1-1的电路217通过形成在封装基板101-1中的导电迹线而电连接到主机SOC103-1。电路217被配置为处理光学I/O小芯片105-1-1的所有电I/O。在一些实施例中，电路217设置在光学I/O小芯片105-1-1的一侧上，并且用于与光纤（107-1-1-1至107-1-1-Z、109-1-1-1至109-1-1-Y、以及111-1-1至111-1-1-Z）进行光学耦合的光子接口沿着光学I/O小芯片105-1-1的相对侧布局。在一些实施例中，光学I/O小芯片105-1-1的光子接口包括用于接收光学端口108、供应光学端口110和发送输出端口106中的每一个的相应光栅耦合器。在各种实施例中，光学I/O小芯片105-1-1的光子接口可以包括垂直光栅耦合器、边缘光学耦合器或者基本上任何其他类型的光学耦合器件或者其组合，以使得光纤（107-1-1-1至107-1-1-Z、109-1-1-1至109-1-1-Y和111-1-1-1至111-1-1-Z）能够与光学I/O小芯片105-1-1光学耦合。
图3示出了根据一些实施例的光学功率供应模块117的示意图。光学功率供应模块117包括激光源302和光学编组（marshalling）模块307。激光源302被配置成产生和输出多个激光束，即，（N个）激光束。多个激光束具有相对于彼此不同的波长（λ1-λN），其中，不同波长（λ1-λN）对于光学数据通信系统是可区分的。在一些实施例中，激光源302包括多个激光器303-1至303-N，用于分别产生多个（N个）激光束，其中，每个激光器303-1至303-N产生并输出不同波长（λ1-λN）中的相应一个处的激光束。由多个激光器303-1至303-N产生的每个激光束被提供给激光源302的相应光学输出端口304-1至304-N，以从激光源302进行发送。在一些实施例中，多个激光器303-1至303-N中的每一个都是分布式反馈激光器，其被配置成产生不同波长（λ1-λN）中的特定波长处的激光。在一些实施例中，激光源302可以被定义为单独的组件，例如单独的芯片。然而，在其他实施例中，激光源302可以集成在除激光源302之外还包括其他组件的芯片上的平面光波电路（PLC）内。
在图3的示例性实施例中，激光源302被定义为附接到诸如电子封装基板的封装基板115上的单独组件。在各种实施例中，基板115可以是有机基板或陶瓷基板、或者基本上是电子器件和/或光电器件和/或光学波导和/或（一个或多个）光纤/光纤带安装在其上的任何其他类型的基板。例如，在一些实施例中，基板115可以是磷化铟（III-V）基板。或者，在另一示例中，基板115可以是Al2O3基板。应当理解，在各种实施例中，激光源302可以使用基本上任何已知的电子封装工艺（例如倒装芯片接合）来附接/安装到基板115上，所述工艺可以可选地包括在激光源302和基板115之间布置球栅阵列（BGA）、凸块、焊料、底部填充和/或（一个或多个）其他组件，并且包括接合技术，例如质量回流、热压接合（TCB）或基本上任何其他合适的接合技术。
光学编组模块307配置成在光学编组模块307的对应多个光学输入端口308-1至308-N处接收来自激光源302的不同波长（λ1-λN）的多个激光束。光学编组模块307还被配置成将多个激光束中的每个激光束的一部分分配到光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M中的每个光学输出端口，其中，（M）是光学编组模块307的光学输出端口的数量。光学编组模块307操作以分配多个激光束，使得所有不同波长（λ1-λN）的多个激光束被提供到光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M中的每一个上。因此，应当理解，光学编组模块307操作以将所有不同波长（λ1-λN）的多个激光束处的光提供到光学编组模块307的光学输出端口309-1至309-M中的每一个上，如图3中所指示的。以此方式，对于光学功率供应模块117，光学编组模块307的光学输出端口309-1至309-M中的每一个都将多个多波长激光输出MWL-1至MWL-M中的对应一个提供到供应光纤111中的对应一个上，其中，附图标记111表示所有供应光纤111-1-1至111-1-N到111-X-1至111-X-N。
在一些实施例中，光学编组模块307被配置成在光学编组模块307的多个光学输入端口308-1至308-N与光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M之间保持多个激光束中的每一个的偏振。此外，在一些实施例中，光学编组模块307被配置成使光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M中的每一个都接收在五倍内的多个激光束中的任何给定一个的类似量的光学功率。换句话说，在一些实施例中，由光学编组模块307提供到光学输出端口309-1至309-M中的特定一个的给定波长（即，不同波长（λ1-λN）中的一个）的光的量与由光学编组模块307提供到光学输出端口309-1至309-M中的其他光学输出端口的给定波长的光的量相差五倍以内。应当理解，上面提到的5倍是一个示例性实施例。在其他实施例中，上述的五倍可被改变为另一值的倍数，诸如被改变为二倍、或三倍、或四倍、或六倍等，或者被改变为在其之间或小于或大于的任何其他值。要理解的一点是，光学编组模块307可以被配置成控制提供给光学编组模块307的光学输出端口309-1至309-M中的每一个的给定波长的光的量，并且又可以被配置成控制提供给光学编组模块307的光学输出端口309-1至309-M中的每一个的给定波长的光的量的均匀性。
在图3的示例性实施例中，光学编组模块307被定义为附接到封装基板115的单独组件。因此，应当理解，在光学功率供应模块117的示例性实施例中，激光源302和光学编组模块307是物理上分开的组件。应当理解，在各种实施例中，光学编组模块307可以使用基本上任何已知的电子封装工艺来附接/安装到封装基板115上。此外，在一些实施例中，光学编组模块307被配置为非电组件，即，被配置为无源组件，并且可以使用不涉及在光学编组模块307和封装基板115之间建立电连接的技术，诸如通过使用环氧树脂或其他类型的粘合材料，来附接/安装到封装基板115上。在一些实施例中，光学编组模块307可集成在包括除了光学编组模块307之外的其他组件的芯片上的平面光波电路（PLC）内，而不是定义为单独的组件。在一些实施例中，光学编组模块307和激光源302两者在同一PLC内一起实现。
激光源302与光学编组模块307对准，以将从激光源302的光学输出304-1至304-N发送的多个激光束引导到光学编组模块307的光学输入端口308-1至308-N中的相应光学输入端口中。在一些实施例中，光学编组模块307与激光源302分隔开定位。在一些实施例中，光学编组模块307被定位成与激光源302接触。并且，在一些实施例中，光学编组模块307的一部分被定位成与激光源302的一部分重叠。在如图3所示的光学功率供应模块117的示例性实施例中，光学编组模块307与激光源302分隔开定位，并且光学波导305定位在激光源302和光学编组模块307之间。光学波导305被配置成将来自激光源302的多个连续波激光束引导到光学编组模块307的多个光学输入端口308-1至308-N中的相应光学输入端口上，如线306-1至306-N所指示的。
在各种实施例中，光学波导305可以由基本上任何材料来形成，光可以通过该材料从光学波导305上的进入位置被引导到光学波导305上的出口位置。例如，在各种实施例中，光学波导305可以由玻璃、SiN、SiO2、氧化锗和/或二氧化硅等材料形成。在一些实施例中，光学波导305被配置成维持激光源302与光学编组模块307之间的多个激光束的偏振。在一些实施例中，光学波导305包含（N个）光学输送通道，其中，每一光学输送通道都从激光源302的光学输出端口304-1至304-N中的相应一个延伸到光学编组模块307的光学输入端口308-1至308-N中的相应一个。在一些实施例中，光学波导305的（N个）光学输送通道中的每一个在垂直于激光束传播方向即垂直于图3所示的x方向的平面中具有基本上矩形的截面，其用于在激光束从激光源302传播到光学编组模块307时保持激光束的偏振。
在图3的示例性实施例中，光学波导305被定义为附接到封装基板115的单独组件。因此，应当理解，在光学功率供应模块117的示例性实施例中，激光源302、光学波导305和光学编组模块307是物理上分开的组件。应当理解，在各种实施例中，光学波导305可以使用基本上任何已知的电子封装工艺来附接/安装到封装基板115上。此外，在一些实施例中，光学波导305被配置为非电气组件，即，配置为无源组件，并且可以使用不涉及在光学波导305和封装基板115之间建立电连接的技术，诸如通过使用环氧树脂或其他类型的粘合材料，来附接/安装到封装基板115上。在一些实施例中，光学波导305可以集成在包括除了光学波导305之外的其他组件的芯片上的PLC内，而不是被定义为单独的组件。在一些实施例中，激光源302、光学波导305和光学编组模块307在同一PLC内一起实现。
在一些实施例中，光学功率供应模块117包括靠近激光源302设置的散热器组件351。散热器组件351被配置成将多个激光器303-1至303-N的热输出散出，以在多个激光器303-1至303-N之间提供基本上均匀的温度相关的波长漂移。在一些实施例中，散热器组件351被包括在激光源302内。在一些实施例中，散热器组件351被包括在封装基板115内。在一些实施例中，散热器组件351被限定为与激光源302、光学编组模块307和封装基板115中的每一个分开。在一些实施例中，散热器组件351被包括在光学编组模块307内，其中，光学编组模块307的散热器组件351部分与激光源302物理地重叠。在一些实施例中，散热器组件351包括在光学波导305内，其中光学波导305的散热器组件351部分与激光源302物理重叠。在各种实施例中，散热器组件351是由导热材料形成的，例如金属材料。在一些实施例中，散热器组件351可以包含被配置为主动地将热从多个激光器303-1至303-N转移的元件，例如热电冷却器。而且，在一些实施例中，散热器组件351被形成为具有足够的大块质量，以便用作从激光源302的多个激光器303-1至303-N发出的热的热沉。
鉴于上述，光学功率供应模块117包括激光源302和光学编组模块307。激光源302被配置成产生和输出多个激光束。多个激光束具有相对于彼此不同的波长。不同的波长对于光学数据通信系统是可区分的。光学编组模块307被配置成从激光源302接收多个激光束，并且将多个激光束中的每个激光束的一部分分配到光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M中的每个光学输出端口，使得所有不同波长的多个激光束被提供给光学编组模块307的多个光学输出端口309-1至309-M中的每个光学输出端口。此外，在一些实施例中，可以包括一个或多个光学放大模块（例如半导体光学放大器（SOA））以放大从光学编组模块307的光学输出端口309-1至309-M输出的激光，并提供经放大的激光作为来自光学功率供应模块117的输出。
鉴于上述内容，在一些实施例中，公开了一种光学数据通信系统10，其包括第一封装基板101-1和设置在第一封装基板101-1上的光学输入/输出小芯片105-1-1。光学输入/输出小芯片105-1-1包括用于接收连续波光的一个或多个供应光学端口110，例如通过供应光纤111-1-1。光学输入/输出小芯片105-1-1包括一个或多个发送光学端口106，光学输入/输出小芯片105-1-1通过该一个或多个发送光学端口发送调制光，例如通过发送光纤107-1-1。光学输入/输出小芯片105-1-1还包括一个或多个接收光学端口108，光学输入/输出小芯片105-1-1通过该一个或多个接收光学端口接收调制光，例如通过接收光纤109-1-1。
光学数据通信系统10还包括与第一封装基板101-1分开的第二封装基板115。在一些实施例中，第一封装基板101-1和第二封装基板115都设置在单个计算设备的内部。光学数据通信系统10包括设置在第二封装基板115上的光学功率供应模块117。光学功率供应模块117包括一个或多个输出光学端口309-1至309-M，通过所述输出光学端口来发送连续波激光，诸如通过供应光纤111-1-1。光学数据通信系统10还包括一组光纤111-1-1，该组光纤将光学功率供应模块117的一个或多个输出光学端口309-1至309-M光学地连接到光学输入/输出小芯片105-1-1的一个或多个供应光学端口110。
在一些实施例中，光学输入/输出小芯片105-1-1包括一个或多个接收光学波导207-1至207-Y，其分别光学耦合至与接收光纤109-1-1-1至109-1-1-Y光学耦合的一个或多个接收光学端口108。此外，光学输入/输出小芯片105-1-1包括一个或多个接收光学环谐振器205-1至205-Y，这些接收光学环谐振器被设置成与一个或多个接收光学波导207-1至207-Y中的每一个相邻，以将光从一个或多个接收光学波导207-1至207-Y耦合到接收光学环谐振器205-1至205-Y中。在一些实施例中，一个或多个接收光学环谐振器205-1至205-Y中的每一个被配置成耦入特定波长的光。在一些实施例中，光学输入/输出小芯片105-1-1包括分别光学耦合至一个或多个接收光学环谐振器205-1至205-Y的一个或多个光电检测器206-1至206-Y。一个或多个光电检测器206-1至206-Y中的每一个被配置成产生光电流，所述光电流与耦合到对应接收光学环谐振器205-1至205-Y中的特定波长的光的量成比例。
在一些实施例中，光学输入/输出小芯片105-1-1包括一个或多个发送光学波导215-1至215-Z。一个或多个发送光学波导215-1至215-Z中的每一个都具有光学耦合到一个或多个供应光学端口110中的对应一个的第一端，供应光纤111-1-1-1至111-1-1-Z光学耦合到其。一个或多个发送光学波导215-1至215-Z中的每一个都具有光学耦合到一个或多个发送光学端口106中的对应一个的第二端，发送光纤107-1-1-1至107-1-1-Z光学耦合到其。在一些实施例中，一个或多个发送光学波导215-1至215-Z中的每一个都具有基本上U形的配置。在一些实施例中，光学输入/输出小芯片105-1-1包括设置在一个或多个发送光学波导215-1至215-Z中的每一个附近的一个或多个发送光学环调制器213-1至213-Z。一个或多个发送光学环调制器213-1至213-Z被配置成在对应的发送光学波导215-1至215-Z中产生输出调制光流。
在一些实施例中，第一封装基板101-1包括被配置为承载用于光学输入/输出小芯片105-1-1的电力、电接地、电数据输入信号和电数据输出信号的电迹线的布线。在一些实施例中，在第一封装基板101-1上设置主机片上系统103-1。主机片上系统103-1通过形成在第一封装基板101-1内的电迹线的布线而电连接至光学输入/输出小芯片105-1-1。图1B示出了根据一些实施例的图1A的多芯片封装100-1的垂直截面示意图。在一些实施例中，电迹线的布线形成在第一封装基板101-1的多级171中。在一些实施例中，第一封装基板101-1的不同级171中的电迹线通过导电通孔结构电连接，如图1B中不同级171之间的垂直线所表示的。应当理解，在各种实施例中，以在主机片上系统103-1与光学输入/输出小芯片105-1-1之间提供所需的电连接所需的基本上任何方式来配置各个级171中的电迹线和各个级171之间的导电通孔结构。
在一些实施例中，光学功率供应模块117包括激光源302和编组模块307。激光源302被配置为产生并输出连续波光的多个激光束。多个激光束具有彼此不同的波长（λ1-λN）。光学编组模块307配置成将多个激光束分配到光学功率供应模块117的一个或多个输出光学端口309-1至309-M中的每一个，使得所有不同波长（λ1-λN）的多个激光束被提供到光学功率供应模块117的一个或多个输出光学端口309-1至309-M中的每一个。
图4示出了根据一些实施例的用于光学数据通信的方法的流程图。所述方法包括操作401，用于操作设置在第一封装基板101-1上的光学输入/输出小芯片105-1-1，以通过第一光纤109-1-1-1从网络链路接收输入调制光流。所述方法还包括操作403，用于操作光学输入/输出小芯片105-1-1以接收输入调制光流，从而产生输入电数据信号。所述方法还包括操作405，用于操作设置在第二封装基板115上的光学功率供应模块117以产生连续波激光。第二封装基板115与第一封装基板101-1分开。在一些实施例中，第一封装基板101-1和第二封装基板115都设置在单个计算设备的内部。所述方法还包括操作407，用于通过第二光纤111-1-1-1将连续波激光发送到光学输入/输出小芯片105-1-1。所述方法还包括操作409，用于操作光学输入/输出小芯片105-1-1以根据输出电数据信号来调制连续波激光从而产生输出调制光流。所述方法还包括操作411，用于操作光学输入/输出小芯片105-1-1以通过第三光纤107-1-1-1将输出调制光流发送到网络链路。
在一些实施例中，所述方法还包括操作413，用于操作光学输入/输出小芯片105-1-1以通过在第一封装基板101-1内布线的电迹线从设置在第一封装基板101-1上的主机片上系统103-1接收电数据信号。另外，所述方法包括操作415，用于操作光学输入/输出小芯片105-1-1以通过在第一封装基板101-1内布线的电迹线向设置在第一封装基板101-1上的主机片上系统103-1发送电数据信号。在一些实施例中，所述方法包括通过在第一封装基板101-1内布线的电迹线来传送用于光学输入/输出小芯片105-1-1的电力、电接地、电数据输入信号和电数据输出信号。
在一些实施例中，操作光学输入/输出小芯片105-1-1以接收输入调制光流从而产生输入电数据信号包括了将输入调制光流光学耦合到接收光学波导207-1中，以及将输入调制光流从接收光学波导207-1光学耦合到接收光学环谐振器205-1中。在一些实施例中，接收光学环谐振器205-1被配置成耦入特定波长的光，该特定波长等于输入调制光流的波长。在一些实施例中，所述方法包括操作光学输入/输出小芯片105-1-1以接收输入调制光流从而产生输入电数据信号还包括操作光电检测器206-1以产生光电流，所述光电流与耦合到接收光学环谐振器205-1中的特定波长的光的量成比例。
在一些实施例中，操作光学输入/输出小芯片105-1-1以调制连续波激光包括通过发送光学波导215-1发送连续波激光，该发送光学波导具有光学耦合到光学输入/输出小芯片105-1-1的供应光学端口的第一端、和光学耦合到光学输入/输出小芯片105-1-1的发送光学端口的第二端。在一些实施例中，操作光学输入/输出小芯片105-1-1以调制连续波激光还包括将一些连续波激光光学耦合到发送光学环调制器213-1中以在发送光学波导215-1中产生输出调制光流。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施例的上述描述。其不是穷举的或限制本发明。特定实施例的各个要素或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使没有具体示出或描述，也可以用于（一个或多个）其他实施例。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是脱离本发明，并且所有这样的修改都旨在包括在本发明的范围内。
尽管为了清楚理解的目的已经相当详细地描述了前述发明，但是显然在所附权利要求的范围内可以实施某些改变和修改。因此，本发明的实施例应被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节，而是可以在所描述的实施例的范围和等同物内进行修改。

Claims (20)

1.一种光学数据通信系统，包括：
第一封装基板；
光学输入/输出小芯片，其设置在所述第一封装基板上，所述光学输入/输出小芯片包括用于接收连续波光的一个或多个供应光学端口，所述光学输入/输出小芯片包括一个或多个发送光学端口，所述光学输入/输出小芯片通过所述一个或多个发送光学端口发送调制光，所述光学输入/输出小芯片包括一个或多个接收光学端口，所述光学输入/输出小芯片通过所述一个或多个接收光学端口接收调制光；
片上系统，其设置在所述第一封装基板上，所述片上系统通过形成在所述第一封装基板内的电迹线的布线而电连接到所述光学输入/输出小芯片；
第二封装基板，其与所述第一封装基板分开；
光学功率供应模块，其设置在所述第二封装基板上，所述光学功率供应模块包括一个或多个输出光学端口，连续波激光通过所述一个或多个输出光学端口发送；以及
一组光纤，其将所述光学功率供应模块的一个或多个输出光学端口光学地连接至所述光学输入/输出小芯片的一个或多个供应光学端口。
2.根据权利要求1所述的光学数据通信系统，其中，所述第一封装基板和所述第二封装基板两者都被设置在单个计算设备的内部。
3.根据权利要求1所述的光学数据通信系统，其中，所述光学输入/输出小芯片包括分别光学耦合至所述一个或多个接收光学端口的一个或多个接收光学波导，并且其中，所述光学输入/输出小芯片包括一个或多个接收光学环谐振器，所述一个或多个接收光学环谐振器设置成接近所述一个或多个接收光学波导中的每一个，以便从所述一个或多个接收光学波导耦入光。
4.根据权利要求3所述的光学数据通信系统，其中，所述一个或多个接收光学环谐振器中的每一个被配置成耦入特定波长的光。
5.根据权利要求4所述的光学数据通信系统，其中，所述光学输入/输出小芯片包括分别光学耦合至所述一个或多个接收光学环谐振器的一个或多个光电检测器，所述一个或多个光电检测器中的每一个被配置成产生光电流，所述光电流与耦合至对应的接收光学环谐振器中的所述特定波长的光的量成比例。
6.根据权利要求1所述的光学数据通信系统，其中，所述光学输入/输出小芯片包括一个或多个发送光学波导，其中，所述一个或多个发送光学波导中的每一个具有光学耦合到所述一个或多个供应光学端口中的对应一个的第一端、和光学耦合到所述一个或多个发送光学端口中的对应一个的第二端。
7.根据权利要求6所述的光学数据通信系统，其中，所述一个或多个发送光学波导中的每一个具有基本上U形的配置。
8.根据权利要求6所述的光学数据通信系统，其中，所述光学输入/输出小芯片包括设置在所述一个或多个发送光学波导中的每一个附近的一个或多个发送光学环调制器，所述一个或多个发送光学环调制器被配置成在所述发送光学波导中产生输出调制光流。
9.根据权利要求1所述的光学数据通信系统，其中，所述第一封装基板包括电迹线的布线，所述电迹线的布线被配置为承载用于所述光学输入/输出小芯片的电力、电接地、电数据输入信号和电数据输出信号。
10.根据权利要求9所述的光学数据通信系统，其中，所述电迹线的布线形成在所述第一封装基板的多个级中，并且其中，所述第一封装基板的不同级中的电迹线通过导电通孔结构而电连接。
11.根据权利要求1所述的光学数据通信系统，其中，所述光学功率供应模块包括激光源和编组模块，所述激光源被配置成产生并输出连续波光的多个激光束，所述多个激光束具有相对于彼此不同的波长，光学编组模块被配置成将所述多个激光束分配到所述光学功率供应模块的一个或多个输出光学端口中的每一个，使得所有不同波长的所述多个激光束被提供给所述光学功率供应模块的所述一个或多个输出光学端口中的每一个。
12.一种用于光学数据通信的方法，包括：
操作设置在第一封装基板上的光学输入/输出小芯片以通过第一光纤接收输入调制光流；
操作所述光学输入/输出小芯片以接收所述输入调制光流，从而产生输入电数据信号；
操作设置在第二封装基板上的光学功率供应模块以产生连续波激光，其中，所述第二封装基板与所述第一封装基板分开；
通过第二光纤将所述连续波激光发送到所述光学输入/输出小芯片；
操作所述光学输入/输出小芯片以根据输出电数据信号对所述连续波激光进行调制，从而产生输出调制光流；
操作所述光学输入/输出小芯片以通过第三光纤将所述输出调制光流发送到网络链路；
操作所述光学输入/输出小芯片以通过在所述第一封装基板内布线的电迹线从设置在所述第一封装基板上的片上系统接收电数据信号；以及
操作所述光学输入/输出小芯片以通过在所述第一封装基板内布线的电迹线将电数据信号发送到设置在所述第一封装基板上的片上系统。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电迹线形成在所述第一封装基板的多个级中，并且其中，所述第一封装基板的不同级中的电迹线通过导电通孔结构而电连接。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一封装基板和所述第二封装基板两者都被设置在单个计算设备的内部。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述光学输入/输出小芯片以接收所述输入调制光流从而产生所述输入电数据信号包括将所述输入调制光流光学耦合到接收光学波导中以及将所述输入调制光流从所述接收光学波导光学耦合到接收光学环谐振器中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述接收光学环谐振器被配置成耦入特定波长的光，所述特定波长等于所述输入调制光流的波长。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，操作所述光学输入/输出小芯片以接收所述输入调制光流从而产生所述输入电数据信号还包括操作光电检测器以产生光电流，所述光电流与耦合到所述接收光学环谐振器中的特定波长的光的量成比例。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述光学输入/输出小芯片以对所述连续波激光进行调制包括通过发送光学波导发送所述连续波激光，所述发送光学波导具有光学耦合到所述光学输入/输出小芯片的供应光学端口的第一端、和光学耦合到所述光学输入/输出小芯片的发送光学端口的第二端。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，操作所述光学输入/输出小芯片以对所述连续波激光进行调制还包括将所述连续波激光中的一些光学地耦合到发送光学环调制器中，以在所述发送光学波导中产生所述输出调制光流。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括：
通过在所述第一封装基板内布线的电迹线来传送用于所述光学输入/输出小芯片的电力、电接地、电数据输入信号和电数据输出信号。
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