CN115698803A - 用于互连收发器的光调制器控制系统 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于发送和接收光信号的互连收发器，包括具有收发器引擎的电子模块和具有激光源的光子模块、调制器、用于监控激光的光电探测器、用于接收外部光信号的光电探测器、用于操作所述激光源和所述激光源调制器的控制器，以及具有两种状态的电子开关。第一状态允许所述收发器引擎监控调制后的激光源，以便采集操作参数的参考集，第二状态是其中来自所述调制后的激光源的信号被引导至所述控制器，从而例如允许所述控制器实时控制发射激光源和调制器。

Description

用于互连收发器的光调制器控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年6月19日提交的序列号为63/041,575、发明名称为“用于下一代互连收发器的光调制器控制系统(Optical Modulator Control System for NextGeneration Interconnect Transceivers)”的美国临时专利申请和于2021年6月7日提交的序列号为17/340,479、发明名称为“用于互连收发器的光调制器控制系统(OpticalModulator Control System for Interconnect Transceivers)”的美国非临时专利申请的优先权的权益。

技术领域

本发明大体上涉及信号发送和接收设备领域，具体涉及硅-光子互连。

背景技术

大规模数据中心(data center，DC)和高性能计算(high-performancecomputing，HPC)系统需要更高的计算能力和更高的能效。此类运算消耗的大量电力是下一代互连技术所考虑的主要问题，也是决定因素。因此，互连的每个候选者的每比特能量是其用于这些应用的可行性和资格的关键指标。在过去的十年里，IEEE 802.3标准中光互连技术的传输速率已经从10Gbps发展到200Gbps和400Gbps，并且目前正在考虑800Gbps及更高速率的行业标准。

因此，为满足即将到来的需求，提出了各种方案和架构，重点关注高密度、小占地空间、低功耗和支持可扩展性。特别地，互连收发器(transceiver，TRX)模块的每比特能量，以每比特焦耳(J/b)表示，是一个关键指标。这些技术是支持非制冷环境下的操作的理想选择，在非制冷环境中，温度通常在20℃与70℃之间变化，这使得可靠性、功耗和占地空间的优化更加具有挑战性。

为了满足互连设计的需要，提出了各种调制器技术和架构，包括基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)的调制器、垂直发射激光调制器(verticallyemitting laser modulator，VECSEL)、电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)等。在现有技术中讨论了这种新兴技术的定量和定性比较(例如C.A.Thraskias等人，“用于数据中心内和高性能计算通信的光子和等离子体互连技术综述(Survey ofPhotonic and Plasmonic Interconnect Technologies for Intra-Datacenter andHigh-Performance Computing Communications)”，IEEE通信调查与教程，第20卷，第4期，第2757-2783页，2018年第四季度)。

微环谐振器是调制应用中广泛研究和评估的可能选择之一。基于微环谐振器(microring resonator，MRR)的调制器体积小，功耗低。它可以支持下一代互连技术所需的高数据速率。此外，它还可以支持波分复用(wavelength-division multiplexing，WDM)架构的易可扩展性，其中，太比特的数据在单股光纤上传输，这可以支持高密度，以及简单而廉价的走线管理。

虽然基于MRR的调制器满足了互连技术的大部分要求，但这类基于MRR的调制器也带来了一些严峻的技术挑战，其中一个重大的挑战是这类基于MRR的调制器的控制。换句话说，一个持续存在的技术挑战是为基于MRR的调制器提供高效可靠的控制。由于MRR是一种基于谐振的调制器(顾名思义)，其性能对谐振点和激光波长的调谐能力高度敏感。MRR调制器应保持在优化的操作点。然后，控制器用于保持MRR调制器调谐到合适的操作点，即使该MRR调制器的温度、激光功率、激光波长、DC偏置等发生变化。

文献中描述的许多控制方案主要使用先进的电光系统和架构，这些电光系统和架构控制电路，以测量启动阶段发送器电路的操作，从而寻找控制指标(例如功率、加热器、驱动电压、射频(radio-frequency，RF)摆幅等)的最佳调整。

控制电路预计将以较低的速度运行，并且比以100Gbps左右的数据速率运行的互补金属-氧化物-半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)TRX引擎便宜得多。控制带宽通常比数据速率带宽低数个数量级。这归因于成本、复杂性、功耗和尺寸限制。这些较低的控制带宽固有地限制了控制系统以较高速率正确评估和估计调制数据质量的能力。下文将解释的其它因素使控制系统寻找最佳操作点的任务进一步复杂化。

制造错误和不确定性增加了控制系统的混乱，例如选择什么作为锁定控制器的参考点。因此，各种方法尝试尽可能可靠地执行度量测量(OMA、功率等)，以便评估调制的质量。提前知道参考点存在困难，因为由于各种原因，测试的芯片特性可能与其设计目标有显著差异。例如，可以观察到环的标称谐振波长、Q因子、加热效率等发生显著变化。特别地，电光电路的最佳调整，例如电DC偏置、RF电平以及激光和环形谐振器的最佳相对位置将是至关重要的，需要在每个模块的基础上进行调整。因此，最佳调整通常因模块而异。通用参考点预计作用不大，特别是对于考虑到所有制造风险的产品。

鉴于基于硅光子的结构在其谐振的标称位置上具有显著的不确定性，控制复杂性变得非常重要。激光器(支持廉价方案)的初始功率和波长未知，在实现之前，并未完全获知线路的电损耗。因此，不可能或几乎不可能知道发送器的最佳操作条件。

特别是在以较大的输入光功率工作时，控制器的挑战变得突出。进入每个MRR的功率受到为具有可靠的系统工程而产生的“链路预算”要求的影响。由于MRR的插入损耗成本、与芯片的耦合损耗(例如在硅光子中)、电缆和连接器损耗等，非常希望MRR以比文献中介绍的光功率高得多的光功率工作。高功率会产生许多称为光学非线性的现象，这些现象有效地改变了微环的损耗(从而改变其调制效率)。这表明发生双光子吸收(two-photonabsorption，TPA)，这增加了自热效应。这些效应在M.De Sea等人最近的论文“硅微环调制器的功率处理(Power handling of silicon microring modulators)”(光学快报，第27卷，第17期，2019年8月19日)中进行了研究。高功率状态操作还会产生不稳定性问题，以及模式依赖(在子数据速率下)，这意味着MRR调制器可能会在任何扰动后在状态之间摆动。这进一步表明了控制机制在这种架构中的重要性。

现有技术中的许多提议在其背景下是高效的，但面临着主要与寻找初始最佳操作点有关的各种问题，而寻找初始最佳操作点是产品实现和商业化所必需的。这些架构中的大多数架构是针对MRR的输入功率非常小(低于0dBm)的条件提出的，因此调制器处于线性状态，使控制在根本上简单直接。此外，增加昂贵的电光硬件和对应的控制软件以寻找OMA(或相关指标)所产生的成本对于生产和商业化来说是不可忽略的。大多数方案侧重于不归零(non-return-to-zero，NRZ)应用(当信号只有两个电平“0”和“1”时)，很难扩展到其它星座方案，例如脉冲幅度调制(PAM-4或PAM-8)及其它方案。控制方案通常需要高带宽(非常快)光电探测器、数模转换器(digital-to-analog convertor，DAC)和控制具有死区的非平凡算法。

在“基于OMA和平均功率监控的马赫-曾德尔调制器偏置控制器(A Mach-ZehnderModulator Bias Controller Based on OMA and Average Power Monitoring)”(Kim等人，IEEE光子学技术快报，第29卷，第23期，2017年12月)中，描述并证明了一种用于马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)偏置控制的集成电路。该电路包括数模转换器、模数转换器、跨阻放大器、功率探测器、采样保持电路、比较器和数字控制器。据称，该电路确定最佳MZM偏置电压，并通过监控平均调制功率来维持该偏置电压。但是，该出版物中提出的OMA监控电路(例如图2的上部)给控制器增加了显著的复杂性，并且必须专门针对所使用的发送器进行设计。

美国专利号10,110,302描述了一种光学设备，包括发送器模块、接收器模块和耦合到发送器模块、接收器模块的开关以及发送器光纤和接收器光纤。监控模式可用于监控发送器光纤或接收器光纤。但是，这种设备可能存在进一步的创新、添加和变化。

总之，控制器要么需要提前知道要调谐的点，考虑到制造工艺和每个模块行为的不确定性，这具有很大的挑战性，要么需要复杂的电光电路来正确测量最佳调准下的性能，然后锁定该最佳调谐点。但是，当技术、波特率、调制格式、信号功率或其它指标发生变化时，必须重新评估控制系统的设计和电路，以便进一步迭代互连产品，这是不可取的。各种现有方案缺乏与这些参数无关的有保证的方案。

因此，需要一种用于光互连收发器控制的方法和装置，能够消除或减轻现有技术中的一个或多个限制。

该背景信息旨在提供可能与本发明相关的信息。没有必要承认也不应解释任何上述信息构成与本发明相对的现有技术。

发明内容

理想情况下，光调制器的控制系统应保持简单，且不受其设计影响，因为它应与各种调制器和收发器架构兼容。本发明涉及一种互连架构，其可以改进现有技术中的设计。对于组合CMOS TRX引擎与发送器和接收器的(例如硅光子)模块的架构，本发明的实施例结合了双态开关，该双态开关使TRX引擎可以用于在发送器启动期间采集发送器参数，以及用于在操作期间向发送器的控制器提供(例如实时)反馈。

根据本发明的实施例，提供了一种用于发送和接收光信号的互连收发器设备。该设备至少包括收发器引擎、调制器、光电探测器、控制器和开关。调制器用于可控地调制光载波以产生光信号。光电探测器用于监控由调制器输出的光信号。控制器可以与收发器引擎分开，并用于控制调制器。开关可在第一状态与第二状态之间切换，其中，在第一状态下，开关将光电探测器的输出信号引导至收发器引擎；在第二状态下，开关将光电探测器的输出信号引导至控制器。

收发器引擎和相关的电子器件(例如开关)可以使用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)制造工艺来实现。调制器和相关光子组件可以使用硅基制造工艺或其它工艺来实现，例如但不一定限于硅氮化物(Si₃N₄)工艺或磷化铟(InP)工艺。调制器可以是微环谐振调制器或其它类型的调制器。光电探测器可以是带宽等于或大于光信号的带宽的快速光电探测器。

互连收发器还可以包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收外部光信号。在这种情况下，在一些实施例中，开关可以在第一状态下用于将光电探测器的输出信号引导至收发器引擎的第一输入，并且在第二状态下用于替代地将第二光电探测器的输出引导至收发器引擎的第一输入。

根据本发明的另一实施例，提供了一种用于发送和接收光信号的互连收发器。该设备包括调制器、光电探测器、控制器和收发器引擎。调制器用于提供调制光信号。光电探测器可操作地耦合到调制器的输出，并用于生成指示调制光信号的电信号。控制器用于可控地调整调制器的一个或多个操作条件。收发器引擎用于在生成调制光信号时操作调制器，并且还用于处理在转换为对应的电信号之后由互连收发器接收的光信号。收发器引擎还用于在第一模式下操作，以接收和处理指示调制光信号的电信号，并向控制器提供指示调制光信号的参数。控制器用于基于指示调制光信号的参数可控地调整调制器的所述一个或多个操作条件。

在上述另一或任何实施例中，所述设备还可在不同于第一模式的第二模式下操作。在第二模式下，控制器用于直接接收和处理指示调制光信号的电信号，并基于电信号可控地调整调制器的所述一个或多个操作条件。

在上述另一或任何实施例中，所述设备还包括可选择地在第一状态与第二状态之间操作的开关。在第一模式下，开关用于在第一状态下操作，以向收发器引擎提供电信号。在第二模式下，开关用于在第二状态下工作，以向控制器提供电信号。

在上述另一或任何实施例中，所述设备(如上所述)可在不同于第一模式的第二模式下操作，并且还包括可操作地耦合到调制器的输出的第二光电探测器。第二光电探测器用于生成指示调制光信号的第二电信号。在第二模式下，控制器用于接收和处理第二电信号，并基于第二电信号可控地调整调制器的所述一个或多个操作条件。在一些其它实施例中，所述设备还包括可选择地在第一状态与第二状态之间操作的开关。光开关用于接收调制器的输出的一部分。在第一模式下，开关用于在第一状态下操作，以向光电探测器提供调制器的输出的所述部分。在第二模式下，开关用于在第二状态下操作，以向第二光电探测器提供调制器的输出的所述部分。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种在用于发送和接收光信号的光互连收发器中实现的方法。光互连收发器包括：调制器，用于提供用于传输的调制光信号；以及收发器引擎，用于在生成调制光信号时操作调制器。收发器引擎还可以用于处理在转换为对应的电信号之后由光互连收发器接收的光信号。所述方法包括：收发器引擎接收可操作地耦合到调制器的光电探测器的输出。光电探测器用于生成指示调制光信号的电信号作为所述输出。所述方法包括：(例如在一种操作模式下)收发器引擎向控制器提供指示调制光信号的参数，所述控制器用于可控地调整调制器的一个或多个操作条件。所述方法包括：控制器基于指示调制光信号的参数调整调制器的一个或多个操作条件。

在上述另一或任何实施例中，所述方法还包括：在另一种操作模式下，直接向控制器提供指示调制光信号的电信号，并由控制器基于电信号调整调制器的操作条件。

在上述另一或任何实施例中，所述方法还包括操作开关，以可控地将光电探测器的输出引导至收发器引擎或控制器。具体而言，在另一种操作模式期间，开关将光电探测器的输出引导至控制器。

在上述另一或任何实施例中，所述设备还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收外部光信号。在这些实施例中，开关还在另一操作模式期间将第二光电探测器的输出引导至收发器引擎的第一输入。当不处于所述另一操作模式时，该第一输入还接收光电探测器的输出。

在上述另一或任何实施例中，所述方法还包括在不同于上述一种模式的操作模式下，向控制器提供指示调制光信号的另一电信号，并由控制器基于该另一电信号调整调制器的操作条件。另一电信号由第二光电探测器提供，该第二光电探测器可操作地耦合到调制器，并用于生成指示调制光信号的第二电信号。在一些其它实施例中，所述方法还包括操作可选择地在第一状态与第二状态之间操作的开关。光开关用于接收调制器的输出的一部分。在第一(采集)模式下，开关用于在第一状态下操作，以向光电探测器提供调制器的输出的所述部分。在另一(跟踪)模式下，开关用于在第二状态下操作，以向第二光电探测器提供调制器的输出的所述部分。

使用MRR作为光调制器的发送器是本文档的主要重点。但是，本发明的实施例可以直接应用于采用对应的各种技术或架构的各种方案。例如，本发明的实施例可以用于其它调制器技术，包括但不一定限于MZI、微盘、VECSEL和基于EAM的调制器。

附图说明

图1示出了可以应用本发明的实施例的典型互连架构的实施例。

图2示出了本发明的实施例提供的互连系统，其中，双态开关集成在收发器引擎与硅光子组件之间。

图3示出了本发明的实施例提供的互连系统，其中，双态开关被配置为采集模式。

图4示出了本发明的实施例提供的互连系统，其中，双态开关被配置为正常模式。

图5示出了本发明的实施例提供的用于操作互连收发器的方法。

图6示出了本发明的另一实施例提供的互连收发器的操作方法。

图7示出了本发明的另一实施例提供的具有双态光开关的互连系统。

具体实施方式

根据本发明的实施例，CMOS收发器(TRX)引擎的能力不仅用于接收和发送互连数据，而且另外或可替换地，用于采集光发送器自身的操作参数。CMOS TRX引擎可以与本领域中已知的CMOS TRX引擎相媲美，并类似于其操作。

通常，光调制器控制器有两个基本和重要的任务，即：(1)为对应发送器寻找最佳调谐频率，以及(2)在其操作期间锁定和跟踪调谐频率。如果操作条件，主要是激光的温度、功率和波长，随着时间的推移而变化或漂移，后者尤其重要。调制器控制的第一个挑战是寻找最佳的操作条件。第二个挑战，即一旦发现，跟踪或锁定最佳操作条件，更简单。这是因为参考点(例如，通常是环输入或输出处的功率读数)在此时是已知的，可以被监控。控制单元的第一项任务可能是最困难的任务，因为在没有先验知识的情况下寻找最佳操作点通常是非平凡的。本文所使用的术语“最佳”意指涵盖满足一个或多个预定性能标准的操作点。这些性能标准可以是任意复杂的，可以包括各种因素。例如，操作点可以相对于信号质量、计算时间和计算复杂性的组合而言是“最佳”的。因此，操作点不一定会产生最高的信号质量，而是在硬件上的其它限制下，可能会产生足够的信号质量。

当CMOS TRX引擎基本上具有数据恢复和采集的全部能力时，与信号的发起或起源位置无关，有利于实现本发明的实施例。因此，在这种典型情况下，CMOS TRX引擎可用于监控收发器自身的调制器输出，并搜索参数的最佳调整，所述参数例如但不一定限于环形谐振波长、激光波长和RF信号的DC偏置。CMOS TRX引擎用于处理互连收发器接收的光信号(在光电探测器转换之后)，因此预计固有地具有监控收发器自身调制器输出的能力。处理光信号可以包括确定光信号的特性，例如光调制幅度(optical modulation amplitude，OMA)、平均输出功率、眼图特性、前向纠错之前或之后的误码率等，或其组合。例如，光电探测器可以是光电二极管。更一般地，光电探测器可以是将光信号转换为代表性电信号的换能器设备。

在本发明的实施例中，低成本电光探测器可用于光发送器的控制器，并且几乎不需要或不需要用于控制初始化的额外电路。而是，控制器利用TRX引擎，该TRX引擎已经存在于底层收发器设计中。然后，控制器的任务得以显著简化。这是因为可以使用收发器自身的电路可靠地读取发送器实际的行为，控制器可以使用相对简单的控制机制锁定发送器。由于控制器的初始化几乎不需要或不需要额外的硬件、软件或固件，本发明的实施例相比现有技术的实施例可以显著节省成本。需要说明的是，控制器可以与收发器引擎分开，因为控制器在功能上是自包含的，尽管它可以利用来自收发器模块的输入。控制器可以与收发器模块分开，因为控制器主要由单独的组件构造，尽管可能集成到同一整体设备中。

在本发明的实施例中，在控制器启动时，可以用低成本的控制硬件找到最佳调谐点。控制器不一定需要确定或适应调制格式等因素的全部能力。这是因为TRX引擎能力用于测量每个操作点的性能。

由于仅在启动过程中需要锁定光调制器控制器的初始参考点，因此，一旦已知这些点，控制器的任务通常只在操作条件发生变化时参考这些设置点。

本发明的实施例的其它潜在益处包括：

-可以搜索所有电路组件(电源、DC偏置、加热器等)的基本保证的最佳调谐，直到获得找到最佳操作点的支持能力；

-与波特率、星座格式和技术环境无关；

-波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)兼容性和可扩展性；

-简单性、成本效益和基于已经成熟的技术的可实现性。

此外，在发明人考虑的各种现有技术中，一个主要的共同特征是存在专门用于测量发送器性能并调谐发送器性能的电光电路。本发明的实施例可以代表对该设计的更经济和高效的改进。

图1示出了传统设计中使用的一般方案，其可以作为与本发明的实施例比较的基础。该架构包括互连模块105，该互连模块105具有用于光互连的共集成CMOS电子器件和硅光子器件。CMOS电子器件用于TRX引擎110，而硅光子器件115用于可以包括MRR调制器165和激光器170的光发送器的一部分120，以及可以包括光电探测器(photodetector，PD)125的光接收器的一部分。模块105通常可以用作内部或外部有效载荷集成电路(integratedcircuit，IC)175与发送和接收的光信号之间的互连。

在图1中，MRR调制器165输入处的探测器130和MRR调制器165输出处的探测器135可以与控制器145协调使用。探测器可用于监控MRR调制器的操作。探测器和控制器可以一起用于确定光发送器的部分120的静态和动态性能指标。通常，这将包括光调制幅度(optical modulation amplitude，OMA)或平均输出功率。其它性能指标可以是眼图特征、前向纠错前的误码率、前向纠错后的误码率等。在采集模式、跟踪模式或两者期间，控制器、收发器引擎或两者都可以使用此类性能指标，以便调整调制器的操作。

光电探测器可以根据其能力分为“快速”或“慢速”。本文使用的术语快速光电探测器具有足够的频率带宽来将光信号转换为电子形式，使得光信号中的基本上所有信息内容都保存在电子形式中，并可以从电子形式中恢复。因此，快速光电探测器的带宽通常等于或大于光信号的带宽。因此，例如，快速光电探测器可以具有GHz范围内的频率带宽。相比之下，慢速光电探测器的频率带宽不足以将光信号完全转换为电子形式。但是，光信号的某些方面(例如平均值、趋势或其它特征)仍然可以通过慢速光电探测器的处理输出来确定。例如，当光信号具有GHz范围内的带宽时，慢速光电探测器可以具有kHz或MHz范围内的频率带宽。用于测量和调谐发送器的相关电光电路也可以是慢速或快的，但是，传统的系统依赖于慢速探测器。

传统上，快速光电探测器用于将接收到的外部光信号转换为电子形式，以便该信号可以由TRX引擎处理，从而从中恢复信息。但是，传统上控制器145使用慢速光电探测器，因为控制器本身传统上没有足够的带宽或能力来利用可从快速光电探测器获得的全带宽信号。但是，根据本发明的实施例，当TRX引擎与控制器合作使用以执行采集模式的操作时，提供指示光调制器输出的电子信号的光电探测器可以是快速光电探测器。这为TRX引擎提供了比从慢速光电探测器获得的信息更多的信息，同时认识到，TRX引擎固有地完全有能力处理光调制器输出的信号的全频谱。因此，向TRX引擎发送光调制器输出的光电探测器可以具有与和光互连收发器通信耦合的远侧接收器的光电探测器基本相同的带宽，并且因此可以具有等于或大于光信号带宽的带宽。

在本发明的一些实施例中，向TRX引擎发送光调制器输出的光电探测器的带宽小于光信号带宽。例如，当TRX引擎配置有内置功能时，可能是这种情况，TRX引擎可以使用这些内置功能来基于来自光电探测器的带限反馈充分实现其在采集阶段的作用。例如，TRX引擎可以用于搜索光调制器输出中的特定模式，并基于这些模式启动调整。模式在小于全光信号带宽的情况下可以是可识别的，因此在这种情况下，可以使用带宽小于全光信号带宽的光电探测器。为了便于实现这一目标，TRX引擎可能具有特定的模式发送到调制器，该调制器具有考虑到监控探测器影响的预调整(预失真等)。

本文还认识到，慢速光电探测器通常可以被快速光电探测器所取代，仅产生有限的额外费用。这可以减少互连收发器中的光电探测器的数量，因为单个快速光电探测器可以在一种操作模式下代替慢速光电探测器操作，并且可以在必要时在另一种操作模式下作为快速光电探测器操作。例如，尽管控制器145输入仅需要慢速光电探测器，但当快速光电探测器也可操作地耦合到TRX引擎时，该快速光电探测器可用于向控制器提供信息。

调制器165可以是MRR以外的类型，例如马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehndermodulator，MZI)、垂直发射激光调制器(vertically emitting laser modulator，VECSEL)、电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)、微盘调制器或其它类型。这也适用于本文其它地方描述的本发明的实施例。

TRX引擎110可以具有用于实现所需性能的模拟能力、数字能力或其组合。TRX引擎可以用于使用与链路无关的已知指标操作。MRR调制器165输入处的低速探测器130和MRR调制器输出处的低速探测器135可用于执行最佳调整。

在图1和本发明的实施例中，TRX引擎110可以包括模块150，该模块150包括前馈均衡器(feed-forward equalizer，FFE)、决策反馈均衡器(decision feedback equalizer，DFE)、重定时器和串行器/解串器(serializer/deserializer，SerDes)、驱动器155、跨阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)160，以及测量用于评估和最优调谐发送器性能的指标所需的所有组件。

如图1所示的TRX引擎110在设计上通常与控制器145具有很少或根本没有通信。在现有技术的大部分中，控制器145被认为是单独的模块，将单独设计和提供。即，电光调制器的控制传统上是在没有TRX引擎支持的情况下实现的。

控制器145可以使用光调制幅度(optical modulation amplitude，OMA)测量，这对电子器件和控制算法的复杂性施加了重大的硬件成本挑战。与激光器170、驱动器155等的协调可能是十分重要的。快速(高速)PD相对简单，用硅光子器件制造成本较低。但是，操作高速PD所需的控制电路明显更昂贵、更复杂，并且相对于操作慢速PD系统所需的控制电路需要更多的功率。

在本发明的实施例中，基于电子器件的双态开关可以包括在收发器模块105中，该收发器模块105集成基于CMOS的电子收发器引擎110和包括发送器和接收器的(例如硅基)光模块115。例如，开关可以由控制器操作。收发器引擎在本文也称为TRX引擎，或CMOS TRX引擎。

图2示出了本发明的实施例，其包括开关210。例如，开关210可以使用CMOS电子器件来实现。开关可以使用晶体管、微机电组件或其它技术实现，前提是开关性能充分。开关210用于从PD 125接收信号，该PD 125用于检测外部光信号作为接收器操作的一部分，并且还从光调制器165的输出230处的PD 220接收信号。如图所示，光调制器165可以包括MRR，尽管可以使用其它类型的调制器。PD 220用于监控光调制器165输出的光信号。例如，这可以通过分开或划分光调制器输出以将其输出的有限部分路由到PD 220来实现。在一些实施例中，PD 220与PD 125分开。开关210可以在第一状态与第二状态之间可控地切换。在第一状态下，开关接收发送器的光调制器165的输出信号230(在PD 220转换之后)并反馈回收发器模块的TRX引擎110的输入TIA 160。这可以用于支持调制器数据的采集，以确定用于后续控制的最佳操作点。在第二状态下，开关接收输出信号230并将输出信号230传递到控制器的输入(在PD 220转换之后)，用于MRR调制器165的实时、基于反馈的控制。在第二状态下，反馈输出信号230用于控制目的，但绕过TRX引擎110。

电开关210可以在具有CMOS晶体管的互连105上高效地实现。开关可以是低速的，因为它可以在切换频率范围在千赫(kHz)到兆赫(MHz)的情况下操作。根据开关状态，开关可以具有将发送器120的输出镜像到TIA 160处的TRX引擎110的输入或控制系统145的功能。

更具体地，在采集模式(也称为第一模式)下，开关在第一状态下操作，以将输出从发送器部分120引导至TIA 160处的TRX引擎110，以便可以识别最佳发送器操作点，并随后在正常模式期间使用。在正常模式(也称为第二模式)下，开关在第二状态下操作，以实时地将输出从发送器部分120引导至控制器145，使得控制器145也可以使用在先前采集模式下采集的最佳操作点，保持发送器120的最佳操作状态。

图3示出了图2的配置，其中，开关210根据采集模式配置为第一状态。在这种模式下，开关可以通过光电探测器220将发送器部分120输出的监控信号230发送(映射)到TRX引擎110。即，开关接收来自光电探测器220的输出，并将该输出提供给TRX引擎110。此模式允许采集控制器数据，以便TRX引擎(具有采集数据和评估调制信号性能的完全能力，如在其对应的远端接收器中类似地看到的那样)可以确定控制器的最佳操作点。换句话说，在采集模式下，监控(例如MRR)调制器的输出，将该输出转换为电信号，并提供给TRX引擎进行处理。MRR调制器的输出可以以其基本上全调制带宽提供给TRX引擎。该处理的结果被传递到控制器145并用于其调整。TRX引擎110接收并处理光电探测器220的输出，并通过通信路径320向控制器提供信息。控制器至少部分地基于通过通信路径320提供的信息调整MRR 165、激光器或两者。

图4示出了图2的配置，其中，开关210根据跟踪或正常操作模式配置为第二状态。在一些实施例中，只有在TRX引擎110已经在图3所示的先前采集模式期间建立了最佳操作点之后，开关才被配置为该状态。在正常操作模式下，在采集模式下采集的操作数据用作参考点和目标点，并且控制器145通过输入路径420读取光电探测器数据。光电探测器220通过路径420实时地向控制器145发送电子信号，该光电探测器220接收并转换发送器部分120输出的监控部分230。电子信号420使用开关210路由到控制器。基于此，控制器145可以操作以跟踪和锁定先前确定的、充分的或最佳的操作条件。在这种模式下，以及在所示的实施例中，开关还支持通过PD 125将接收器的输入410映射到TRX引擎110。因此，CMOS TRX引擎可以支持光发送和接收。使用开关还将接收器输入410映射到TRX引擎可以支持将TRX引擎的相同输入用于多种目的，从而更高效地使用电子元件。但是，这不是必需的，在其它实施例中，这种TRX引擎输入的共享不会发生。

需要说明的是，控制器通常不具有与CMOS TRX引擎相同的能力来处理电子信号420。例如，控制器通常没有足够的带宽来监控电子信号420的所有方面，也没有足够的能力来解码或执行电子信号420的高级处理。而是，控制器可能仅具有确定电子信号420中的某些趋势或平均值的有限能力。这不一定是本发明的严格要求，而是陈述事实，因为设计人员通常更喜欢将控制器能力与实际要求相匹配。但是，根据本发明的实施例，控制器被配置有足够的能力，从而在给定这些有限的能力下调整调制器以跟踪预定操作点，这些有限的能力小于在采集模式下执行所有必要操作所需的能力。在采集模式下，控制器依赖于CMOSTRX引擎的功能。控制器可以包括本领域技术人员容易理解的各种电子组件，例如数字电路、模拟电路、专用集成电路或其组合。

在本发明的实施例中，包括开关210的互连模块可以用于分类为采集模式和跟踪模式的一系列步骤。

图5示出了根据本发明的实施例提供的方法。该方法使用包括开关210的互连模块，以优化发送器120的操作。首先，可以将电开关210配置(510)为与采集模式对应的第一状态，例如如图3所示。其次，调谐(520)控制器145以寻找由收发器引擎报告的最优(例如最佳)操作。一旦找到了最佳调整，将该最佳调整保持(530)作为锁定控制器的参考。然后，可以将开关配置为第二状态540，该第二状态与发送器跟踪模式对应，在本文也称为正常状态和模式，例如如图4所示。在这种状态和模式下，控制器读取发射信号的属性(550)，确定是否需要调整(560)，并根据需要执行调整(570)。控制器对调制器执行调整，以保持调制器在确定的最佳调谐下操作。

图6示出了根据本发明的另一实施例提供的方法。该方法用于在用于发送和接收光信号的光互连收发器中实现。从上文可以理解，光互连收发器包括：调制器，用于提供用于传输的调制光信号；以及收发器引擎，用于在生成调制光信号时操作调制器。收发器引擎还可以用于处理在转换为对应的电信号之后由光互连收发器接收的光信号。该方法包括：例如在操作的采集模式下，收发器引擎接收(610)可操作地耦合到调制器的光电探测器的输出。光电探测器用于生成指示调制光信号的电信号作为所述输出。该方法包括：收发器引擎向控制器提供(620)指示调制光信号的参数。该方法包括：控制器基于指示调制光信号的参数调整(630)调制器的一个或多个操作条件。

在一些实施例中，该方法还包括：在另一种(例如跟踪)操作模式下，直接向控制器提供(650)指示调制光信号的电信号。在这些实施例中，该方法还包括：控制器基于电信号调整(660)调制器的操作条件。

需要说明的是，在各种实施例中，采集模式可以从跟踪模式重新进入。例如，如果控制器由于与参考点显著偏离而不能再充分执行跟踪操作，则可以通过从跟踪模式转换回采集模式来执行重新采集。例如，这由图5和图6中的双向箭头指示。

虽然上文主要关于接收光电探测器输出的电开关描述了本发明的实施例，但应当认识到，可以使用光开关代替(或补充)电开关而采用其它实施例。图7示出了本发明的另一实施例提供的具有多态光开关715的互连收发器系统。收发器系统包括调制器165、收发器引擎110和控制器145，它们基本上如本文其它地方所述地配置。通过使用耦合到一个或多个光电探测器125、725(或720)的一个或多个输入的光开关715，调制器输出信号可以选择性地提供给TRX引擎或控制器，与使用耦合到光电探测器输出的电开关的方式大致相同。

图7的收发器系统包括第一光电探测器125，该第一光电探测器125用于接收调制器165输出的一部分，并生成指示调制器输出的这一部分的电信号，该电信号被传递到收发器引擎110。收发器系统还包括不同于第一光电探测器的第二光电探测器725。第二光电探测器725用于接收调制器165输出的所述部分，并生成指示调制器输出的这一部分的第二电信号，该第二电信号被传递到控制器145。第一光电探测器125和第二光电探测器725可以具有相同的操作特性或不同的操作特性。例如，第二光电探测器725可以具有与第一光电探测器125不同的带宽。另外或替代地，第二光电探测器725可以在与第一光电探测器125不同的频率范围内操作。

第一光电探测器125和第二光电探测器725可以监控调制器165输出的不同部分，例如通过使用不同的抽头或通过在抽头之后使用分光器。但是，在本文所示的实施例中，收发器系统还包括光开关715。光开关用于例如使用光抽头710接收调制器输出的一部分。光开关715也可在第一状态与第二状态之间选择性地操作(例如由控制器)。在第一(例如采集)模式下，开关715被配置为在第一状态下操作，以将调制器输出的所述部分提供给第一光电探测器125。在第二(例如跟踪)模式下，开关715被配置为在第二状态下操作，以将调制器输出的所述部分提供给第二光电探测器725。因此，调制器输出在合适的时间被反馈到适当的电路(即TRX引擎或控制器)。例如，光开关715可以是基于马赫-曾德尔干涉仪的开关，或另一种类型的光开关。

在图7的实施例中，第一光电探测器125也用作用于从外部接收器接收光信号的光电探测器。当采集模式(预计是典型的操作模式)期间不需要信号接收时，这是有可能的。但是，在其它实施例中，第一光电探测器可以作为与用于从外部接收器接收光信号的光电探测器分开的光电探测器提供，并且不同光电探测器的输出可以路由到TRX引擎的不同输入，或通过使用另一个电子开关路由到相同输入。光电探测器720被示出以演示这种选项。当光电探测器720存在时，光开关715可切换地将光提供给光电探测器720或725，并且不一定可切换地将光提供给光电探测器125。当光电探测器720不存在时，光开关可切换地将光提供给光电探测器125或725。

在本发明的实施例中，发送器的调制器可以是以下中的一个：微环谐振(microring resonance，MRR)调制器、马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZI)、垂直发射激光调制器(vertically emitting laser modulator，VECSEL)、电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)、直接调制(direct modulation，DML)调制器、微盘调制器、可以调制激光输出的设备，或其它合适类型的调制器。在各种实施例中，调制器可以被描述为用于可控地调制光载波以产生光信号。光载波可以由其它设备(例如激光器)生成。

根据本发明的实施例，TRX引擎可以用附加的特征或功能来增强，以使其能够充分读取或向控制器发送调谐调制器所需的信息。例如，TRX引擎可以配置为包括将由控制器实现、用于至少在采集模式下调整光调制器的功能。在这种情况下，TRX引擎可以向控制器提供直接指令，甚至绕过控制器，并直接调整调制器或相关组件(例如激光器、加热器、电源电压或电流)。在其它实施例中，TRX引擎向控制器提供信息，控制器基于该信息执行采集模式的部分或全部必要的控制操作。

根据各种实施例，提供并配置控制器以可控地调整光调制器的一个或多个操作条件。控制器可以在正常或跟踪模式下独立操作，以将光调制器的操作保持在预定设定点条件或接近预定设定点条件。例如，控制器可以调整耦合到MRR调制器的电子加热元件，该电子加热元件用于调谐MRR调制器。可以认为，作为操作条件调整的一部分，控制器还可以调整相关组件(例如向调制器提供输入的激光器)的操作条件。当处于采集模式时，控制器还可以与收发器引擎协调操作。在采集模式和跟踪模式下，收发器引擎操作调制器以生成调制光信号，并接收和处理从另一个远程设备接收并由光电探测器转换为对应电信号的光信号。在采集模式下，控制器和收发器引擎一起操作，以确定在跟踪模式下要遵循的设定点条件。在采集模式下，收发器引擎通过内部环回接收并处理指示调制光信号的电信号。收发器引擎还向控制器提供指示调制光信号的反馈。此外，在采集模式下，控制器用于基于来自收发器引擎的指示调制光信号的反馈来调整调制器的操作条件。

控制器可以采用其可采用的各种不同手段，以在采集模式期间实现适当或最佳的操作条件。例如，控制器可以监控、调整或监控并调整以下中的一项或多项：激光功率、激光发射波长、调制器的温度、例如电偏置(DC偏置)的驱动器条件、电流、电压和RF功率条件、一个或多个加热元件的操作、一个或多个温度传感器的监控等。

虽然图2的实施例包括物理开关，但其它实施例可以包括不同数量或配置的开关，或者它们可以不包括物理开关。例如，在一个实施例中，可以将光电探测器的输出(不可切换地)同时路由到控制器和收发器引擎，在所述控制器和收发器引擎，例如使用高阻抗输入端口来监控所述输出，而不是使用开关将光电探测器220的输出可控地路由到控制器或收发器引擎中。当在采集模式下操作时，收发器引擎可以采样和利用光电探测器220的输出，否则忽略光电探测器的输出。类似地，当在跟踪模式下操作时，控制器可以采样和利用光电探测器220的输出，否则忽略光电探测器的输出。作为另一个示例，可以使用两个通断物理开关来代替图2的单刀双掷开关。作为又一个示例，可以使用两个光电探测器代替单个光电探测器220，两个光电探测器中的一个可切换或不可切换地连接到控制器，两个光电探测器中的另一个可切换或不可切换地连接到收发器引擎。也可能存在其它配置。

此外，在一些实施例中，接收器甚至可以在采集模式期间操作。这可以通过将光电探测器125的输出(例如不可切换地)路由到收发器引擎的一个输入，以及将光电探测器220的输出(例如可切换地)路由到收发器引擎的另一个不同输入来促进。但是，已经认识到，在各种实施例中，将光电探测器125和220的输出路由到相同的输入(但在不同的时间)可以通过减少收发器引擎所需输入的数量来提高效率。

鉴于上述描述，本发明的实施例提供了一种用于发送和接收光信号的互连收发器，一般描述如下。收发器至少包括调制器、光电探测器、控制器和可以与控制器分开的收发器引擎。收发器可以包括多个光电探测器。收发器可以包括一个或多个电开关。调制器用于提供用于传输的调制光信号。收发器可以包括一个或多个光开关。在第一(例如采集)模式下，收发器引擎用于操作以接收和处理调制器的输出。基于此处理，收发器引擎向控制器提供参数或信息。基于这些参数或信息，控制器控制调制器，例如通过调整调制器的操作条件。因此，收发器引擎包括在反馈环路中，用于执行某些调制器控制任务。

在各种实施例中，收发器引擎被从用于其它控制任务的反馈环路中省略。例如，在第二(例如跟踪)模式下，调制器输出直接发送到控制器，绕过收发器引擎。在跟踪模式下，控制器仍然控制调制器，例如通过调整调制器的操作条件。但是，在执行此任务时，控制器可能不一定具有(或需要)与收发器引擎相同的功能和带宽。因此，收发器引擎在不同的时间和基于电流控制或模式要求可选择和可控地包括在反馈环路中和排除在反馈环路之外。

一般来说，收发器引擎和控制器在电域中工作。因此，提供了至少一个光电探测器，以便将调制器的光输出转换为电信号，用于反馈目的。提供并操作反馈电路(可以包括光电探测器、光或电开关或其组合)，以在第一模式下将适当转换为电信号的调制器输出提供给收发器引擎，并在适用的情况下，在第二模式下将该调制器输出提供给控制器。开关可以用于避免在不需要的地方提供信号。这可以避免在不需要时不必要地从调制器输出中提取。但是，在某些情况下，开关可以被省略，并且当不需要反馈信号时，收发器引擎或控制器可以直接屏蔽或忽略这些反馈信号(指示调制器输出)。反馈电路的开关可以由控制器控制。

在图2的实施例中，反馈电路包括光电探测器230和开关210。光电探测器230将来自调制器165的输出的一部分转换为电信号，并将该输出提供给开关210。开关根据需要向收发器引擎或控制器提供信号，如图3和图4所示。在图7的实施例中，反馈电路包括光开关715和光电探测器125(或720)和725。可由控制器控制的光开关向光电探测器中的任何一个光电探测器提供调制器输出的一部分，该光电探测器继而向收发器引擎或控制器提供指示调制器输出的电信号。可以使用反馈电路的其它实现方式。例如，开关210或715可以用信号分离器代替，信号分离器同时提供两个开关输出。反馈电路还可以包括放大器、信号调节器、模拟或数字信号处理组件等。

尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是明显可以在不脱离本发明的情况下制定本发明的各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为所附权利要求书限定的对本发明的说明，并且预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (21)

1.一种用于发送和接收光信号的互连收发器，其特征在于，包括：

收发器引擎；

调制器，用于可控地调制光载波以产生光信号；

光电探测器，用于监控由所述调制器输出的所述光信号；

控制器，用于控制所述调制器；

开关，可在第一状态与第二状态之间切换，其中：

在所述第一状态下，所述开关将所述光电探测器的输出信号引导至所述收发器引擎；

在所述第二状态下，所述开关将所述光电探测器的所述输出信号引导至所述控制器。

2.根据权利要求1所述的互连收发器，其特征在于，所述收发器引擎是使用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)制造工艺实现的。

3.根据权利要求1或2所述的互连收发器，其特征在于，所述调制器是使用硅基制造工艺、氮化硅制造工艺或磷化铟制造工艺实现的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的互连收发器，其特征在于，所述开关是使用互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)制造工艺实现的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的互连收发器，其特征在于，所述调制器是微环谐振调制器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的互连收发器，其特征在于，所述光电探测器的带宽等于或大于所述光信号的带宽。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的互连收发器，其特征在于，所述光电探测器的带宽小于所述光信号的带宽。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的互连收发器，其特征在于，还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收外部光信号，其中，所述开关在所述第一状态下用于将所述光电探测器的所述输出信号引导至所述收发器引擎的第一输入，并且其中，所述开关在所述第二状态下用于替代地将所述第二光电探测器的输出引导至所述收发器引擎的所述第一输入。

9.一种用于发送和接收光信号的互连收发器，其特征在于，包括：

调制器，用于提供调制光信号；

光电探测器，可操作地耦合到所述调制器的输出，所述光电探测器用于生成指示所述调制光信号的电信号；

控制器，用于可控地调整所述调制器的一个或多个操作条件；

收发器引擎，用于在生成所述调制光信号时操作所述调制器，并且还用于处理在转换为对应的电信号之后由所述互连收发器接收的光信号；

所述收发器引擎还用于在第一模式下操作，以接收和处理指示所述调制光信号的所述电信号，并向所述控制器提供指示所述调制光信号的参数，

所述控制器用于基于指示所述调制光信号的所述参数可控地调整所述调制器的所述一个或多个操作条件。

10.根据权利要求9所述的互连收发器，其特征在于，还可在不同于所述第一模式的第二模式下操作，其中，在所述第二模式下，所述控制器用于直接接收和处理指示所述调制光信号的所述电信号，并基于所述电信号可控地调整所述调制器的所述一个或多个操作条件。

11.根据权利要求9或10所述的互连收发器，其特征在于，还包括可选择地在第一状态与第二状态之间操作的开关，其中，在所述第一模式下，所述开关用于在所述第一状态下操作以向所述收发器引擎提供所述电信号，并且其中，在所述第二模式下，所述开关用于在所述第二状态下操作以向所述控制器提供所述电信号。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的互连收发器，其特征在于，还可在不同于所述第一模式的第二模式下操作，并且还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器可操作地耦合到所述调制器的所述输出，并用于生成指示所述调制光信号的第二电信号，其中，在所述第二模式下，所述控制器用于接收和处理所述第二电信号，并且基于所述第二电信号可控地调整所述调制器的所述一个或多个操作条件。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的互连收发器，其特征在于，还包括可选择地在第一状态与第二状态之间操作的光开关，所述光开关用于接收所述调制器的所述输出的一部分，其中，在所述第一模式下，所述开关用于在所述第一状态下操作，以向所述光电探测器提供所述调制器的所述输出的所述部分，并且其中，在所述第二模式下，所述开关用于在所述第二状态下操作，以向所述第二光电探测器提供所述调制器的所述输出的所述部分。

14.一种在用于发送和接收光信号的光互连收发器中的方法，其特征在于，所述光互连收发器包括用于提供用于传输的调制光信号的调制器和用于在生成所述调制光信号时操作所述调制器的收发器引擎，并且还用于处理在转换为对应电信号之后由所述光互连收发器接收的光信号，所述方法包括：

所述收发器引擎接收可操作地耦合到所述调制器的光电探测器的输出，所述光电探测器用于生成指示所述调制光信号的电信号作为所述输出；

所述收发器引擎向控制器提供指示所述调制光信号的参数，所述控制器用于可控地调整所述调制器的一个或多个操作条件；

所述控制器基于指示所述调制光信号的所述参数调整所述调制器的所述一个或多个操作条件。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括在另一种操作模式下，直接向所述控制器提供指示所述调制光信号的所述电信号，并由所述控制器基于所述电信号调整所述调制器的所述一个或多个操作条件。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，还包括操作开关，以可控地将所述光电探测器的所述输出引导至所述收发器引擎或所述控制器，其中，所述开关在所述其它操作模式期间将所述光电探测器的所述输出引导至所述控制器。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，还包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于接收外部光信号，其中，所述开关还在所述其它操作模式期间将所述第二光电探测器的所述输出引导至所述收发器引擎的第一输入，其中，所述第一输入在不处于所述其它操作模式时也接收所述光电探测器的输出。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，还包括在另一种操作模式下，向所述控制器提供指示所述调制光信号的其它电信号，并由所述控制器基于所述其它电信号调整所述调制器的所述一个或多个操作条件，其中，所述其它电信号由第二光电探测器提供，所述第二光电探测器可操作地耦合到所述调制器，并用于生成指示所述调制光信号的所述第二电信号。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括可选择地在第一状态与第二状态之间操作的光开关，所述光开关用于接收所述调制器的所述输出的一部分，其中，在第一模式下，所述开关用于在所述第一状态下操作，以向所述光电探测器提供所述调制器的所述输出的所述部分，并且其中，在所述其它模式下，所述开关用于在所述第二状态下操作，以向所述第二光电探测器提供所述调制器的所述输出的所述部分。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，所述调制器是微环谐振调制器。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，所述光电探测器是带宽等于或大于所述光信号的带宽的快速光电探测器。

Images