CN117348175A - 光电共封装cpo模块 - Google Patents

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CN117348175A CN202210745191.9A CN202210745191A CN117348175A CN 117348175 A CN117348175 A CN 117348175A CN 202210745191 A CN202210745191 A CN 202210745191A CN 117348175 A CN117348175 A CN 117348175A
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Abstract

本发明实施例提供了一种光电共封装CPO模块，将外置光源和内置光源设置于CPO模块上，其中，外置光源用于在CPO模块的外部提供激光信号，内置光源用于在CPO模块的内部提供激光光源，并设置光开关实现外置光源和内置光源的切换选择。还设置了输入转换单元用于转换激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；输出转换单元用于调制CPO模块内部的光信号并输出。解决了只有外置光源在更换过程中容易造成光信号插损，系统可靠性低的问题，还解决了只有内置光源配置灵活度差的问题，达到了提高光信号传输系统可靠性和配置灵活度的效果。

Description

光电共封装CPO模块
技术领域
本发明实施例涉及通信领域，具体而言，涉及一种光电共封装CPO模块。
背景技术
网络的发展，急需解决大容量，多通道，低时延，低功耗的的高速数据传输问题。随着芯片间通信速率的不断提高，引发电信号的信号完整性和功耗之间的问题，对于拥有大量高速接口的DC交换机芯片和路由器芯片，数据中心超级计算机内部计算单元间通信，表现尤其突出。基于这样的情况，业界提出了使用光电共封装(Co-Packaged Optics，CPO)来解决这个问题。CPO中有个关键的核心器件，光调制芯片需要与外部连续波(Continuous-Wave，CW)激光器提供光源，但是CW激光器需要考虑可靠性、能耗等问题。
目前业内主要的解决方案：1、使用面板侧使用可插拔光模块的封装形式来提供CPO模块内调制器所需要的CW激光光源。这种方式方便更换易于维护，但是一旦外置光源出现问题，需要插拔替换，这段时间就会出现业务的中断或者流量丢包问题，并且需要增加一段保偏光纤，这样就增加了光信号的插损。2、使用异质集成的方式，在CPO模块内硅衬底上集成III-V族化合物来做内置CW激光光源。这种方式提升了CPO模块的集成度，减少整机盘纤的难度，但是内置光源的可维护性较差，配置的灵活度也不好。
发明内容
本发明实施例提供了一种光电共封装CPO模块，以至少解决相关技术中光信号传输系统可靠性低、配置灵活度低的问题。
根据本发明的一个实施例，提供了一种光电共封装CPO模块，包括：包括：外置光源，用于在所述CPO模块的外部提供激光信号；输入转换单元，所述输入转换单元的输入端与所述外置光源的输出端连接,用于转换所述激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；内置光源，用于在所述CPO模块的内部提供激光光源；光开关，所述光开关的第一端口与所述内置光源连接,所述光开关的第二端口与所述输入转换单元的输出端连接,用于实现所述外置光源和所述内置光源的切换选择；输出转换单元，与所述光开关的输出端口连接,用于调制所述CPO模块内部的光信号并输出。
在一个示例性实施例中，所述光开关通过电平控制实现所述外置光源和所述内置光源的切换选择。
在一个示例性实施例中，所述输入转换单元包括：输入侧模斑转换单元，设置于所述CPO模块内部；第二光功率分配单元，所述第二光功率分配单元的一端与所述输入侧模斑转换单元的输出端连接，所述第二光功率分配单元的另一端与所述光开关的所述第二端口连接。
在一个示例性实施例中，所述输入转换单元还包括：保偏光纤阵列，所述保偏光纤阵列的一端与所述外置光源连接；输入侧尾纤组件单元，所述输入侧尾纤组件单元的输入端与所述保偏光纤阵列的另一端连接，所述输入侧尾纤组件单元的输出端与所述输入侧模斑转换单元的输入端连接。
在一个示例性实施例中，所述内置光源进一步包括：内置激光器和第一光功率分配单元，其中，所述第一光功率分配单元的一端与所述内置激光器连接，所述第一光功率分配单元的另一端与所述光开关的第一端口连接。
在一个示例性实施例中，所述输出转换单元包括：内部调制器，用于将电信号调制到光信号上；输出侧模斑转换单元，用于将调制后的所述光信号由硅波导光场尺寸转换成光纤光场尺寸。
在一个示例性实施例中，所述输出转换单元还包括：电信号放大器，用于为所述内部调制器提供电信号。
在一个示例性实施例中，所述输出转换单元还包括：输出侧尾纤组件单元，所述输出侧尾纤组件单元的一端与所述输出侧模斑转换单元连接，所述输出侧尾纤组件单元的另一端连接有单模光纤。
在一个示例性实施例中，所述模块还包括：监控光电二级管MPD，用于检测所述光开关输出的光功率，并为所述光开关提供反馈信号实现对所述光开关的电压的精确控制。
在一个示例性实施例中，所述外置光源进一步包括：光连接器、电连接器和激光器，其中，所述激光器输出所述激光信号至所述光连接器上。
本发明的上述实施例，通过提供一种CPO模块，将外置光源和内置光源设置于CPO模块上，其中，外置光源用于在所述CPO模块的外部提供激光信号，内置光源用于在所述CPO模块的内部提供激光光源，并设置光开关实现外置光源和内置光源的切换选择。还设置了输入转换单元用于转换所述激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；输出转换单元用于调制所述CPO模块内部的光信号并输出。解决了只有外置光源在更换过程中容易造成光信号插损，系统可靠性低的问题，还解决了只有内置光源配置灵活度差的问题，达到了提高光信号传输系统可靠性和配置灵活度的效果。
附图说明
图1是根据本发明实施例的CPO模块的结构框图；
图2是根据本发明实施例的输入转换单元的结构框图；
图3是根据本发明实施例的输入转换单元的结构框图；
图4是根据本发明实施例的内置光源的结构框图；
图5是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图；
图6是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图；
图7是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图；
图8是根据本发明实施例的CPO模块的结构框图；
图9是根据本发明实施例的外置光源的结构框图；
图10是根据本发明场景实施例的CPO模块的结构框图；
图11是根据本发明场景实施例的CPO模块的结构框图；
图12是根据本发明的场景实施例的光开关的结构形式示意图；
图13是根据本发明的场景实施例的CPO模块的结构框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的实施例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本实施例中提供了一种光电共封装CPO模块，图1是根据本发明实施例的CPO模块的结构框图，如图1所示，该CPO模块10包括：外置光源110，用于在CPO模块10的外部提供激光信号；输入转换单元120，输入转换单元120的输入端与外置光源110的输出端连接,用于转换激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；内置光源130，用于在CPO模块10的内部提供激光光源；光开关140，光开关140的第一端口与内置光源130连接,光开关140的第二端口与输入转换单元120的输出端连接,用于实现外置光源110和内置光源130的切换选择；输出转换单元150，与光开关140的输出端口连接,用于调制CPO模块10内部的光信号并输出。
通过上述CPO模块，将外置光源110和内置光源130设置于CPO模块上，其中，外置光源110用于在CPO模块的外部提供激光信号，内置光源130用于在CPO模块的内部提供激光光源，并设置光开关140实现外置光源110和内置光源130的切换选择。还设置了输入转换单元120用于转换激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；输出转换单元150用于调制CPO模块内部的光信号并输出。解决了只有外置光源在更换过程中容易造成光信号插损，系统可靠性低的问题，还解决了只有内置光源配置灵活度差的问题，达到了提高光信号传输系统可靠性和配置灵活度的效果。
在一个示例性实施例中，光开关通过电平控制实现外置光源和内置光源的切换选择。
在一个示例性实施例中，图2是根据本发明实施例的输入转换单元的结构框图，如图2所示，输入转换单元120包括：输入侧模斑转换单元210，设置于CPO模块10内部；第二光功率分配单元220，第二光功率分配单元220的一端与输入侧模斑转换单元210的输出端连接，第二光功率分配单元220的另一端与光开关140的第二端口连接。
在一个示例性实施例中，图3是根据本发明实施例的输入转换单元的结构框图，如图3所示，输入转换单元120除了包括图2中的各个部件外，还包括：保偏光纤阵列310，保偏光纤阵列310的一端与外置光源110连接；输入侧尾纤组件单元320，输入侧尾纤组件单元320的输入端与保偏光纤阵列310的另一端连接，输入侧尾纤组件单元320的输出端与输入侧模斑转换单元210的输入端连接。
在一个示例性实施例中，图4是根据本发明实施例的内置光源的结构框图，如图4所示，内置光源130包括：内置激光器410和第一光功率分配单元420，其中，第一光功率分配单元420的一端与内置激光器410连接，第一光功率分配单元420的另一端与光开关140的第一端口连接。
在一个示例性实施例中，图5是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图，如图5所示，输出转换单元150包括：内部调制器510，用于将电信号调制到光信号上；输出侧模斑转换单元520，用于将调制后的光信号由硅波导光场尺寸转换成光纤光场尺寸。
在一个示例性实施例中，图6是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图，如图6所示，输出转换单元150除了包括图5中的各个部件外，还包括：电信号放大器610，用于为内部调制器510提供电信号
在一个示例性实施例中，图7是根据本发明实施例的输出转换单元的结构框图，如图7所示，输出转换单元150除了包括图6中的各个部件外，还包括：输出侧尾纤组件单元710，输出侧尾纤组件单元710的一端与输出侧模斑转换单元520连接，输出侧尾纤组件单元710的另一端可以连接有单模光纤。
在一个示例性实施例中，图8是根据本发明实施例的CPO模块的结构框图，如图8所示，该CPO模块80除了包括图1中的各个部件组成外，模块还包括：监控光电二级管MPD 810，用于检测光开关140输出的光功率，并为光开关140提供反馈信号实现对光开关140的电压的精确控制。
在一个示例性实施例中，图9是根据本发明实施例的外置光源的结构框图，如图9所示，外置光源110进一步包括：光连接器910、电连接器920和激光器930，其中，激光器930输出连续激光信号至光连接器910上。
本发明上述实施例提供的CPO模块可以应用于任意的通信系统中，其中，一个系统中可以包括多个CPO模块，多个CPO模块之间可以通过光纤连接，完成光信号的传输，也可以通过内部波导进行连接，其中，在系统对CPO模块的使用条件是系统内信号互联情况下，系统空间受限，需要芯片与芯片间直接互联，光源优先选择内置激光器光源，这种情况下芯片即CPO模块之可以间通过内部波导直接光互联。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的CPO模块可借助硬件平台加必需的软件以通用的方式来实现，当然也可以通过软件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。
上述实施例所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以所描述的装置较佳地以硬件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过硬件来实现的，具体地，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
为了使得本领域的技术人员能够更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体的场景实施例对本发明的技术方案进行阐述。
场景实施例一
图10是根据本发明场景实施例的CPO模块的结构框图，如图10所示，该CPO模块包括：可插拔光源101、尾纤组件单元102、输入侧模斑转换单元103、1：N光功率分配单元104、光开关107，其中，光开关107的第一输入端口105和第二输入端口106、光功率检测单元108、光调制器109、输出侧模斑转换单元110、电信号驱动器111、光功率分配单元112、包含m根保偏光纤的保偏光纤阵列201、光纤阵列301、内置III-V族化合物激光器401。
其中，本领域的普通技术人员应该知道，保偏光纤阵列201中的保偏光纤的数量m为正整数，且m的具体取值与调制器输出的信号集成度等有关，需要结合具体的应用环境和应用需求确定。
其中，可插拔光源101，设置在CPO模块的面板侧，输出CW激光信号并通过保偏光纤阵列201将CW激光信号传递到尾纤组件单元102。
尾纤组件单元102是一组或多组光纤整列连接器，用于CPO模块连接外部光纤。并且将保偏光纤阵201的CW激光信号通过输入侧模斑转换单元103由保偏光纤阵201内的光场转换成CPO模块内硅波导光场。如图10所示，尾纤组件单元102位于CPO模块的两侧，输入侧和输出侧都有尾纤组件单元102。
输入侧模斑转换单元103将光纤内的光场尺寸转换成CPO模块内波导光场尺寸，从而提高了光信号的耦合效率。
1：N光功率分配单元104，实现了将CW激光信号按特定比例1：N进行光功率分配。
光开关107，通过特殊的电平控制，实现内置激光器或者外置激光光源的二选一。光开关107的第一输入端口105，连接内置III-V族化合物激光器401。其中，本领域的普通技术人员应该知道，内置激光器的具体类型可以根据实际需求进行调整，这里不做限制。光开关107的第二输入端口106，连接1：N光功率分配单元104的输出端口。光功率检测单元MPD108，用于监测光开关107输出的CW激光信号的光功率。
光调制器109，实现将电信号调制到激光信号上。输出侧模斑转换器110，实现光芯片波导与光纤的高效耦合。电信号驱动器111，实现将高速串行总线上电信号进行放大。以满足光调制器109对电信号幅度的要求。光功率分配单元112连接内置III-V族化合物激光器单元401。
本发明提出了一种CPO模块，可以灵活的选择内置光源及外置光源的方案，并且巧妙的解决了光源可靠性的问题，提升了系统设计灵活度。本发明主要的原理：可插拔光源101安装在设备的面板侧，输出CW激光信号通过连接器传输到了保偏光纤阵列201，保偏光纤阵列201通过输入侧模斑转换单元103将CW激光信号耦合进光芯片内部硅波导，1：N光功率分配单元104将光信号的功率平均分配到不同的通道上，光开关107通过特殊的电压控制来实现激光光源从内置III-V族激光器和外置激光器光源中二选一。
当系统正常工作情况下，通过控制光开关107上的控制电平电压值(高电平)，光开关107的输出端口连接到外置激光器光源输入，当系统需要更换可插拔光源101的时候，控制光开关107上控制电平电压值(低电平)，光开关107的输出端口连接到内置激光器光源。这样光源切换后，更换可插拔光源101时，可以减少业务中断时间。
另外在系统对CPO的使用条件是系统内信号互联情况下，系统空间受限，需要芯片与芯片间直接互联，光源优先选择内置激光器光源，这种情况下芯片间通过内部波导直接光互联。
场景实施例二
图11是根据本发明场景实施例的CPO模块的结构框图，如图11所示，该CPO模块包括：可插拔光源101、尾纤组件单元102、输入侧模斑转换单元103、1：N光功率分配单元104、光开关107，其中，光开关107的第一输入端口105和第二输入端口106、光功率检测单元108、光调制器109、输出侧模斑转换单元110、电信号驱动器111、光功率分配单元112、包含m根保偏光纤的保偏光纤阵列201、光纤阵列301、内置III-V族化合物激光器401。
插拔光源101，采用光连接器和电连接器在同侧的插拔光模块的结构形式，插拔光源101内有8个独立的激光器，这8个激光器输出连续激光(CW激光)到光连接器上，通过连接器与保偏光纤阵列201连接。其中，本领域的普通技术人员应该知道，连接器的具体实现形式可以根据实际需求做出调整，这里来了不作具体限制。
保偏光纤阵列201的另外一端与CPO模块的尾纤组件单元102通过连接器连接，通过CPO模块内部的输入侧模斑转换单元103将光场较大的光纤光斑转换成光场较小的硅波导的光斑。1:4的光功率分配器104将输入侧模斑转换单元103输出的硅波导上的光功率按照1分4的等比例分光。将光功率分配到每个独立的通道的内，并且与每个独立通道的光开关107的一个输入端连接106。
CPO模块的内置光源401，采用异质集成的方式将III-V族化合物的材料键合到硅基板上，形成激光光源。内置光源401通过CPO内部硅波导与光功率分配单元112连接，光功率分配单元112将内置光源401的输出光功率进行1:4比例分配光功率，光功率分配单元112与光开关107的第一输入端口105连接。
图12是根据本发明的场景实施例的光开关的结构形式示意图，如图12所示，MZI型2X2光开关107，通过控制光开关107上控制电平的电压，来控制两个MZI臂上的相位差，从而灵活控制光开关107的输出端光信号来自第一输入端口105或者第二输入端口106。
监控光电二级管MPD 108，检测光开关107输出的光功率。通过读取监控光电二级管MPD108采集的信号作为反馈信号来精确控制光开关107的控制电压。
CPO模块部的光调制器109，在本场景实施例中光调制器109采用硅基马赫曾德调制器，光调制器109将电信号驱动器111传输过来的电信号调制到光信号上。经过光调制器109调制后的光信号输出到输出侧模斑转换单元110，输出侧模斑转换单元110将光场较小的硅波导的光斑转换成光场较大的光纤光斑。电信号驱动器111，将高速串行总线上的差分电信号的电平幅度放大，以满足光调制器109马赫曾德光调制器的要求。输出侧模斑转换单元110的输出侧的尾纤组件单元102连接。如图12所示，输出侧的尾纤组件单元102还连接有单模光纤，其中，单模光纤是通过光纤适配器与输出侧的尾纤组件单元102连接，从而可以将CPO模块内的光信号输出至其他的模块或者系统。
场景实施例三
图13是根据本发明的场景实施例的CPO模块的结构框图，如图13所示，在本场景实施例中，系统对CPO模块的使用条件是系统内信号互联情况下，系统空间受限，需要芯片与芯片间直接互联，光源优先选择内置激光器光源，这种情况下芯片即CPO模块之间可以通过内部波导直接光互联。
如图13所示，该CPO模块包括：光开关107，其中，光开关107的第一输入端口105和第二输入端口106、光功率检测单元108、光调制器109、输出侧模斑转换单元110、电信号驱动器111、光功率分配单元112、内置III-V族化合物激光器401。
CPO模块的内置光源401采用的激光器是通过异质集成的方式将III-V族化合物的材料键合到硅基板上，形成激光光源。内置光源401通过CPO内部硅波导与光功率分配单元112连接，光功率分配单元112将内置光源401的输出光功率进行1:2比例分配光功率，光功率分配单元112与光开关107的第一输入端口105连接。
在本场景实施例中，光开关107是MZI型2X2光开关，通过控制107上控制电平的电压，来控制两个MZI臂上的相位差，控制107的输出端光信号来自105。
监控光电二级管MPD 108，检测光开关107输出的光功率。通过读取监控光电二级管MPD108采集的信号作为反馈信号来精确控制光开关107的控制电压。
CPO模块内部的光调制器109，光调制器109采用硅基微环调制器，通过光调制器109将电信号驱动器111传输过来的电信号调制到光信号上。经过109调制后的光信号输出到输出侧模斑转换单元110，输出侧模斑转换单元110将光场较小的硅波导的光斑转换成光场较大的外部光波导光斑。电信号驱动器111，将高速串行总线上的差分电信号的电平幅度放大，以满足光调制器109的要求。输出侧模斑转换单元110的输出与外部波导器件连接。实现了芯片间的光互联。
本发明提供的一种CPO模块，内部集成III-V族材料，用于内部激光光源，并且集成光开关器件和多模干涉仪及灵活的波导设计，来实现CPO模块可根据具体的设备配置和能耗要来选择不同类型的光源，并且还实现了内置光源与外置光源的1：1保护。避免了CPO模块里某一个光源失效从而造成系统业务中断的问题。能够非常灵活的使用CPO模块应用于各种系统配置场景，给系统设计者提供了非常大的灵活度。并且解决CPO模块单一只配置内置光源或者只配置外置光源的各种的问题，提升了整机的系统可靠性，并且降低了系统功耗。在CPO系统方案中具有很大的竞争力，尤其适合国内CPO产业链并不成熟的情况。该CPO模块通过特殊设计实现了内置光源和外置光源可以根据系统设计来任选其一使用，增加了系统设计的灵活性，降低了整机的功耗，并且还可以提升整机的可靠性。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，它们中的部分功能或者模块可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电共封装CPO模块，其特征在于，包括：
外置光源，用于在所述CPO模块的外部提供激光信号；
输入转换单元，所述输入转换单元的输入端与所述外置光源的输出端连接,用于转换所述激光信号的光场尺寸，并进行光功率分配；
内置光源，用于在所述CPO模块的内部提供激光光源；
光开关，所述光开关的第一端口与所述内置光源连接,所述光开关的第二端口与所述输入转换单元的输出端连接,用于实现所述外置光源和所述内置光源的切换选择；
输出转换单元，与所述光开关的输出端口连接,用于调制所述CPO模块内部的光信号并输出。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述光开关通过电平控制实现所述外置光源和所述内置光源的切换选择。
3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述输入转换单元包括：
输入侧模斑转换单元，设置于所述CPO模块内部；
第二光功率分配单元，所述第二光功率分配单元的一端与所述输入侧模斑转换单元的输出端连接，所述第二光功率分配单元的另一端与所述光开关的所述第二端口连接。
4.根据权利要求3所述的模块，其特征在于，所述输入转换单元还包括：
保偏光纤阵列，所述保偏光纤阵列的一端与所述外置光源连接；
输入侧尾纤组件单元，所述输入侧尾纤组件单元的输入端与所述保偏光纤阵列的另一端连接，所述输入侧尾纤组件单元的输出端与所述输入侧模斑转换单元的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述内置光源进一步包括：内置激光器和第一光功率分配单元，其中，所述第一光功率分配单元的一端与所述内置激光器连接，所述第一光功率分配单元的另一端与所述光开关的第一端口连接。
6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述输出转换单元包括：
内部调制器，用于将电信号调制到光信号上；
输出侧模斑转换单元，用于将调制后的所述光信号由硅波导光场尺寸转换成光纤光场尺寸。
7.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，所述输出转换单元还包括：
电信号放大器，用于为所述内部调制器提供电信号。
8.根据权利要求6所述的模块，其特征在于，所述输出转换单元还包括：
输出侧尾纤组件单元，所述输出侧尾纤组件单元的一端与所述输出侧模斑转换单元连接，所述输出侧尾纤组件单元的另一端连接有单模光纤。
9.根据权利要求2所述的模块，其特征在于，所述模块还包括：
监控光电二级管MPD，用于检测所述光开关输出的光功率，并为所述光开关提供反馈信号实现对所述光开关的电压的精确控制。
10.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述外置光源进一步包括：光连接器、电连接器和激光器，其中，所述激光器输出所述激光信号至所述光连接器上。
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