CN114586294A - 电压受控的电光串行器/解串器(串行解串器) - Google Patents

电压受控的电光串行器/解串器(串行解串器) Download PDF

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Abstract

公开了电压受控的电光串行器/解串器(串行解串器)。一种光电发射器(10)，包括电光调制器(12)、数字驱动电路(14)和反馈电路(30)。电光调制器被配置为响应于电驱动信号来调制光信号。数字驱动电路被耦合至电光调制器并且被配置为生成电驱动信号。反馈电路被配置为测量指示由电光调制器产生的经调制光信号的功率电平的量，并且响应于测量的量而调整至数字驱动电路的供电电压。

Description

电压受控的电光串行器/解串器(串行解串器)
技术领域
本发明总体上涉及光通信，并且具体涉及用于以高数据速率发送和接收光通信信号的装置及其控制方法。
背景技术
先前在专利文献中提出了以高数据速率运行的通信收发器的功耗的闭环控制。例如，美国专利9,467,231描述了提供通信接口的各种实施例，该通信接口被配置为通过光通信网络使用PAM格式以高带宽传送数据。提供了用于调节传输功率电平的反馈机制。在一个实施例中，一种数据通信系统包括网络接口设备，该网络接口设备包括第一光通信接口，该第一光通信接口被配置成接收在光通信链路上传输的光信号，该光信号传输的特征在于信号电平和噪声电平，其中从发射器设备接收该光信号。该系统还包括：光电二极管，其被配置为将光信号转换成电信号；TIA，其被配置为放大电信号传输；模数转换器，用于将电放大的电信号转换成数字信号；以及处理器，其被配置为至少基于信号电平和噪声电平来计算一组阈值电平，并且生成发射器设备的一组功率传输电平，其中功率传输电平基于不等间距阈值电平。该系统包括：编码器，用于编码功率传输电平；以及第二光学通信接口，用于将编码的功率传输电平发送给发射器设备。该系统另外包括用于驱动编码的功率传输电平的PAM调制驱动器以及用于驱动输出信号的激光器。发射器设备基于编码的功率传输功率电平来调节用于向网络接口发送数据的传输功率电平。噪声电平包括信号独立分量、与信号功率成比例的分量和与信号功率的平方成比例的分量。
作为另一个示例，美国专利申请公布2012/0216084描述了一种系统，该系统包括从第一集成电路(IC)到第二IC的第一串行器/解串器(Serdes，串行解串器)链路以及从第二IC到第一IC的第二链路。调节第一链路的电路中的功耗设置以控制功耗，使得第一链路的误码率维持在一定范围内，其中该范围的下限基本上大于零。调节用于第二链路的电路中的功耗设置以控制功耗，使得第二链路的误码率维持在一定范围内，其中该范围的下限基本上大于零。在一个示例中，第二IC中的电路检测第一链路中的错误并且经由第二链路报告回来。第一IC使用所报告的信息来确定第一链路的误码率。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种光电发射器，包括电光调制器、数字驱动电路和反馈电路。电光调制器被配置为响应于电驱动信号来调制光信号。该数字驱动电路被耦合到该电光调制器并且被配置为生成该电驱动信号。该反馈电路被配置为测量指示由该电光调制器产生的经调制光信号的功率电平的量，并且响应于所测量的量来调整对该数字驱动电路的供电电压。
在一些实施例中，反馈电路被配置为将对数字驱动电路的供电电压设置为与所测量的量成反比关系。
在一些实施例中，数字驱动电路包括串行器-解串器(SerDes，串行解串器)。
在一个实施例中，反馈电路包括功率检测器，该功率检测器被配置成从光调制器接收经调制的光信号的一部分，并通过测量与该部分的光功率电平的平方根成比例的光电流来测量该量。
根据本发明的实施例，还提供了一种光电发射器制作方法，该方法包括制作用于响应于电驱动信号来调制光信号的电光调制器。制作用于生成电驱动信号的数字驱动电路。制作反馈电路并将其连接在电光调制器与驱动电路之间，用于测量指示由电光调制器产生的经调制光信号的功率电平的量，并且响应于所测量的量来调整对数字驱动电路的供电电压。
在一些实施例中，制作该电光调制器包括在半导体芯片的后段制程(BEOL)层中实现该电光调制器，其中制作该数字驱动电路包括在该半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现串行器-解串器(SerDes)，并且包括经由该半导体芯片中的通孔将该SerDes耦合至该电光调制器。
在一些实施例中，制作反馈电路包括实现将光功率检测器耦合至模数转换器(ADC)。
在一个实施例中，制作光功率检测器包括在半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现光功率检测器并且使用贯穿BEOL的光学连接将光功率检测器耦合至电光调制器的输出。
在另一个实施例中，制作反馈电路包括在半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现ADC，以及在半导体芯片外部实现光功率检测器。
在又一个实施例中，制作反馈电路包括在其上制作有电光调制器的半导体芯片的外部实现ADC和光功率检测器。
根据本发明的实施例，还提供了一种光电发射器的控制方法，该方法包括使用数字驱动电路生成电驱动信号。使用电驱动信号调制光信号。测量指示经调制光信号的功率电平的量。响应于所测量的量而调整对数字驱动电路的供电电压。
从下面结合附图对实施例的详细描述，将更充分地理解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的光电发射器的示意性框图，该光电发射器包括被配置为调节发射器的电光调制器的驱动电压幅度的反馈电路；
图2是根据本发明的一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性图形等距视图；
图3是示出了根据本发明的一个实施例的图2的发射器的元件的示意性截面图；
图4是根据本发明的另一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性图形等距视图；
图5是根据本发明的又一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性框图；以及
图6是根据本发明的另一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性框图。
具体实施方式
概述
光学数据中心网络通常利用多个光电发射器和接收器来使用在光纤链路上传输的高Gb/sec经调制光信号在数据中心网络的节点之间通信。在典型的设计过程中，考虑到制作公差和现场的最坏情况，确定光通信信号的可允许的最小信噪比(SNR)并且考虑余量以确保通信信号具有足够的质量。
对于给定的光纤链路，可以例如通过调节输入的光功率、通过调节调制信号的电(例如，电压)幅度和/或通过经由调制器的输出处的衰减器调节输出光功率来改变经调制光信号的SNR。表征SNR的常用方法是从接收器处所输出的经调制光信号的波形的“眼图”对其进行估计。具体地，通过调制具有更高电压幅度的光信号(高达某一限度，高于该限度，增加的驱动电压将不会影响眼图的形状，因此不会影响SNR估计)，所生成的光波形的完整性可以在增加的光衰减条件下被维持。然而，在现场操作期间检查眼图的质量是昂贵的并且通常是不切实际的。
因此，必须包括光功率和调制电压幅度的余量，以便确保节点之间的通信即使在现场的罕见最坏情况条件下(诸如系统的异常高的光损耗)也保持完整。例如，制造商可以提供五倍标称额定光功率来减轻现场最坏情况的光损耗。然而，通常这样的损耗根据现场条件而变化，并且在许多情况下，实际损耗接近标称。然而，使用过大的电压幅度调制强光信号，就好像光功率是标称的。在这种情况下，所产生的光学SNR远高于要求，而电光芯片是用远高于实际要求的电功率来驱动的。
在下文中描述的本发明的实施例提供了优化驱动电压的幅度的技术。所公开的技术考虑了现场RMS光功率输出的变化以及制造中的变化，以提供可以处理前述最坏情况情形的发射器设计,同时在标称条件下最小化电功率消耗而无需复杂的设备(例如，诸如眼图估计所需的设备)。
在一些实施例中，提供了一种光电发射器，其包括电光调制器、驱动电路和反馈电路。驱动电路被耦合至电光调制器并提供具有可调幅度的驱动信号以驱动电光调制器输出经调制的光信号。反馈电路被校准以将经调制光信号的SNR与指示针对驱动信号幅度范围的经调制光信号的功率电平的测量量相关联。例如，所测量的量可包括经调制光信号的RMS光功率。反馈电路被耦合至电光调制器的光输出以测量该量(例如，经调制光信号的RMS输出功率)，并且使用该校准，该反馈电路被耦合至驱动电路以根据所测量的RMS输出功率来调节驱动电路所提供的驱动信号的幅度以维持经调制光信号的预先指定的SNR。在一个实施例中，反馈电路被配置为将到数字驱动电路的供电电压设置为所测量的量成反比关系。
在一些实施例中，该反馈电路包括在该光调制器的输出处耦合的光电二极管检测器。使用来自光电二极管输出的光电流读数，反馈电路根据由光电二极管输出的RMS光电流调节驱动信号的幅度，以便维持经调制输出信号的预先指定的光学SNR。光电二极管的RMS光电流输出与RMS与被分接和监测的经调制信号的部分的RMS输出光功率的成平方比例。具体地，当测量的RMS光电流(以及因此的光输出)足够高时，驱动信号的电压幅度会减小。通过考虑在光学调制特性的线性部分上相对于监测光电二极管的RMS光电流进行工厂校准的SNR预算，以这种方式使用RMS测量的光电流功率(例如，而不是检查眼图)成为可能。
上述光电发射器通常被实现为半导体芯片上的系统。发射器包括驱动电路，例如包括SerDes(串行器/解串器)组件，用于例如驱动芯片上的电光调制器以输出经调制光信号。通常，使用SerDes，发射器将来自诸如串行ATA、InfiniBand、吉比特以太网等的系统级输入源的外部串行数据多路复用成串行光纤通道数据流。
更不经常但仍可能使用直接激光调制(例如，DML、VCSEL)，其中采用激光驱动器来调节待馈送到激光器中的驱动信号。在这种情况下，SerDes供给激光驱动器模块。原则上，这种方法将需要关于SerDes输出电压如何影响激光驱动器输出的另一映射。然后，可以确定光输出功率，并且该光输出功率在某种程度上线性地取决于SerDes电压。
在高Gb/sec应用中，SerDes经常使用芯片的大部分功率预算。SerDes的电功率调制耗散与供应给SerDes的电压幅度的平方(～V2)成比例。因此，将现场所需的额定电压最小化(同时保持光信号的可接受的SNR)使功率消耗最小化，这又可节省对昂贵的多芯片解决方案的需求。作为另一个示例，SerDes功率需求的持续过高估计可导致更高的冷却成本。
因此，SerDes功率预算的准确管理对于实现最佳集成水平是必不可少的。通过使用所公开的光通信信号完整性的实时RMS功率方面的控制，所公开的技术可以使得能够更广泛地采用光学数据中心网络。
电压受控的电光串行解串器
图1是根据本发明的一个实施例的光电发射器10的示意性框图，该光电发射器包括被配置为调节发射器10的电光调制器12的驱动电压幅度的反馈电路30。驱动电压(即，调制信号)被提供给SerDes 14，SerDes 14耦合至调制器12以驱动调制器12。
在所示实施例中，电光调制器12是马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉测量调制器。调制器12被配置为对来自连续波(CW)激光源19的连续波输入光信号进行调制。经调制的光信号通过光纤链路13从调制器12输出。
如所看到的，反馈电路30的光功率检测器16经由链路15被耦合至调制器12的输出，以测量输出光信号的RMS输出功率(使用功率检测器的输出上的光电流)，其中所测量的RMS功率指示光纤链路13中的输出光信号的功率。
使用反馈电路30的模数转换器(ADC)18将功率检测器的光电流转换为数字信号。电压控制电路20接收该数字信号，并根据预定的关系(例如，下面由等式1提供)调节提供给SerDes 14的电压电平。
在一个实施例中，提供了校准程序，其中RMS输出功率在工厂中被测量并且与眼图150相关联以生成提供调制器12的实际RMS测量的光输出功率与SerDes 14提供的所需电压幅度之间的关系的校准(例如，查找表)。在现场，所公开的技术可以通过应用实际RMS光功率与提供给SerDes14的所需电压幅度之间的以下关系来维持给定水平的SNR(与测量的RMS光功率相关)：
等式1 VSerDes(P)＝α·P0-β·(P-P0),
其中，VSerDes是提供给SerDes的额定电压(例如，峰值到峰值电压幅度)，α和β是工厂校准的正系数，P0是标称RMS光功率，并且P是现场的实际RMS光功率。
使用等式1，当现场中的实际光功率被测量为高于如实现给定SNR所需的出厂确定的值时，即，P-P0>0，表明现场中的实际SNR高于要求，则电压控制电路20将所需的电压幅度VSerDes(P)从标称值VSerDes(P0)＝ α·P0降低至由等式1提供的值。
另一方面，如果现场的实际光功率被测量为低于如实现给定SNR所要求的出厂确定的值，表明现场的实际SNR低于要求，则电压控制电路20根据等式1增加SerDes 14的额定电压，以提高波形质量。
仅仅为了概念清晰起见，选择在图1中所示的方框图。为了简化呈现，从图中省略了对于理解所公开的技术而言并非强制性的元件，诸如电放大级。
图2是根据本发明的一个实施例的图1的发射器10的实现方式的示意性图形等距视图。在示出的实施例中，SerDes 141连同ADC 181和电压调节器201(即，控制电压电路201)一起被开发在片上系统的前段制程(FEOL)层110中。这些芯片与低速电传输线互连。在后段制程(BEOL)层111中开发电光调制器121(例如，马赫-曾德尔调制器121)和光功率检测器161。通常来自CW激光源(图1所示)的光信号通过BEOL中的光波导耦合至调制器。由SerDes 141生成的驱动信号使用穿过金属化层的高速电通孔202而馈送至调制器121。调制器的光输出使用光耦合器被分成两路。耦合器的其中一路连接到光纤链路131，并输出到网络，耦合器的另一路携带被分接以指示链路131中的RMS功率的信号。分接信号被馈送至光导151并且由BEOL中的功率检测器161测量。
检测器161的所得电输出信号通过低速电通孔171馈送至FEOL和ADC 181。电压调节器201接收由ADC 181输出的控制数字信号，并根据等式1的关系调节提供给SerDes 141的电压电平。
图3是示出了根据本发明的一个实施例的图2的发射器的元件的示意性截面图。如所见，发射器使用多个FEOL层和BEOL层中的处理来实现，例如，以使用光刻产生通孔和链路。在图2和图3以及随后的附图中示出的制作片上系统的实际工艺流程包含数十个半导体技术步骤，为了简化描述，不对这些步骤进行详细描述。
图4是根据本发明的另一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性图形等距视图。在图4所示的实施例中，光功率检测器416驻留在FEOL层410中。
使用穿过金属化层的高速电通孔402将由SerDes 441生成的驱动信号馈送至调制器421。调制器的光输出利用光耦合器被分成两路。调制器的光输出使用光耦合器被分成两路。耦合器的其中一路被连接到光纤链路413，并且被输出到网络，并且耦合器的另一输出路(415)携带被分接以指示链路413中的RMS功率的信号。光导415中的分接信号被馈送至光转变414，其使用通过BEOL的光学连接417将光信号引导至功率检测器416。
由功率检测器416输出的电信号通过FEOL层410中的低速电线路被直接馈送至ADC418。电压调节器401接收由ADC 418输出的控制数字信号，并根据等式1中的关系调节提供给SerDes 441的电压电平。
图5是根据本发明又一个实施例的图1的发射器的实现方式的示意性框图图形等距视图。在所示实施例中，功率检测器放置在芯片530外部。调制器输出耦合至芯片边缘处的光纤513。监测输出功率的功率检测器是可商购的在线光学分接监测器516，例如由OZ光学(加拿大渥太华)生产的。被监测信号通过PCB 529上的低速电轨从分接头的电引脚被接口至芯片(以及ADC)。
图6是根据本发明的另一个实施例的图1的发射器的实施方式的示意性框图图形等距视图。在图6所示的实施例中，在线光分接监测器616(例如图5的分接监测器516)，用于测量输出到网络的光纤链路613中的经调制信号的光功率。被监测信号通过PCB 629上的低速电通路被接口到片外630ADC 618。ADC 618和电压调节器601在芯片630外部、在PCB 629上实现，并且电压调节器-SerDes供电线路被实现为低速PCB轨道。
虽然本文所述的实施例主要解决光通信系统中高数据速率传输的控制，但是本文所述的方法和系统还可用于其他应用中，诸如用于具有不同光收发器拓扑，包括具有前面板收发器的系统，在中板卡上或板载光学器件和多芯片模块上。
因此，应当理解，上述实施例是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于在上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括在上文中描述的各种特征的组合和子组合，以及在阅读以上描述时本领域技术人员会想到的并且在现有技术中未公开的其变化和修改。通过引用结合在本专利申请中的文献被认为是本申请的组成部分，除了在这些并入的文献中以与本说明书中明确或隐含的定义相冲突的方式定义任何术语的程度上，仅应当考虑本说明书中的定义。

Claims (13)

1.一种光电发射器，包括：
电光调制器，其被配置为响应于电驱动信号来调制光信号；
数字驱动电路，其被耦合至所述电光调制器并且被配置为生成所述电驱动信号；以及
反馈电路，其被配置为测量指示由所述电光调制器产生的经调制光信号的功率电平的量，并且响应于所测量的量来调整对所述数字驱动电路的供电电压。
2.根据权利要求1所述的发射器，其中所述反馈电路被配置为将对所述数字驱动电路的所述供电电压设置为与所测量的量成反比关系。
3.根据权利要求1或2所述的发射器，其中所述数字驱动电路包括串行器-解串器(SerDes)。
4.根据权利要求1或2所述的发射器，其中所述反馈电路包括功率检测器，所述功率检测器被配置为从所述光调制器接收所述经调制光信号的一部分，并且通过测量与所述部分的光功率电平的平方根成比例的光电流来测量所述量。
5.一种光电发射器制作方法，所述方法包括：
制作电光调制器，用于响应于电驱动信号来调制光信号；
制作数字驱动电路，用于生成所述电驱动信号；以及
制作反馈电路，并且将所述反馈电路连接在所述电光调制器与所述驱动电路之间，用于测量指示由所述电光调制器产生的经调制光信号的功率电平的量，并且用于响应于所测量的量来调整对所述数字驱动电路的供电电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中制作所述电光调制器包括在半导体芯片的后段制程(BEOL)层中实现所述电光调制器，其中制作所述数字驱动电路包括在所述半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现串行器-解串器SerDes，并且包括通过所述半导体芯片中的通孔将所述SerDes耦合至所述电光调制器。
7.根据权利要求5所述的方法，其中制作所述反馈电路包括实现将光功率检测器耦合至模数转换器ADC。
8.根据权利要求7所述的方法，其中制作所述光功率检测器包括在半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现所述光功率检测器并且使用贯穿BEOL的光学连接将所述光功率检测器耦合至所述电光调制器的输出。
9.根据权利要求7所述的方法，其中制作所述反馈电路包括在半导体芯片的前段制程(FEOL)层中实现所述ADC，并且在所述半导体芯片外部实现所述光功率检测器。
10.根据权利要求7所述的方法，其中制作所述反馈电路包括在其上制作有所述电光调制器的半导体芯片的外部实现所述ADC和所述光功率检测器。
11.一种光电发射器的控制方法，所述方法包括：
使用数字驱动电路生成电驱动信号；
使用所述电驱动信号调制光信号；
测量指示经调制光信号的功率电平的量；以及
响应于所测量的量来调整对所述数字驱动电路的供电电压。
12.根据权利要求11所述的方法，其中调整所述供电电压包括将所述供电电压设置为与所测量的量成反比关系。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中测量所述量包括：接收经调制光信号的一部分并且测量与所述部分的光功率电平成比例的光电流。
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