CN215646796U - 一种低成本光电集成通信芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种低成本光电集成通信芯片，EPIC芯片包括电信号输入口和光信号发射口，所述电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的线性度调整电路、峰化电路、驱动器以及光电发射器件，其中，电信号从电信号输入口输入，经过线性度调整电路和峰化电路对输入的电信号进行线性度调整和预补偿，经过补偿后的电信号通过驱动器驱动光电发射器件，光电发射器件通过光信号发射口输出经过性能优化的光信号。通过在集成电路侧集成峰化电路和线性度调整电路，在原NRZ调制格式所使用光电器件的条件下，实现更高速率的PAM4或者PAM‑N信号传输，从而达到传输速率成倍增长的目的。

Description

一种低成本光电集成通信芯片

技术领域

本实用新型涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种低成本光电集成通信芯片。

背景技术

目前光通信网络正向着集成化、低功耗、智能化和大容量的方向发展，硅光技术具有功能上和尺寸上的高度集成特性，能够满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求。相比于传统的基于InP材料或者其他光电器件技术，硅光技术的优势之一是在于其加工工艺与现有电子集成电路加工工艺兼容，理论上在单颗芯片上可以集成各类集成电路和光子元件，用以实现全功能的光电集成芯片（EPIC），来应对未来通信、消费者等市场对光电通信产品的成本、尺寸和传输速率的不断增长的需求。然而，由于对加工工艺线程需求的不同，目前硅光芯片的光学元件，如波导、调制器、PD以及无源器件等，普遍采用130nm以上的CMOS生产工艺来加工生产；而电学元件，如Serdes、Driver、TIA等则采用45nm以下的CMOS生产工艺来实现高速信号处理和传输。因此为了实现全功能的高速EPIC通信芯片，需要采用45nm以下的生产工艺来制备，来满足芯片内电学元件对加工工艺线程的要求。但是在这种方案中，由于EPIC芯片中光学元件的尺寸远大于电子元件，在使用高端的生产工艺时，较大的面积会浪费在光学元件区域，因此该方案在成本上相比现在分立器件上优势并不明显。如何利用低端芯片生产工艺实现较高速率的EPIC芯片的加工和生产，是目前业界普遍遇到的一个问题。普遍的做法是将分立的集成电路芯片与光芯片分别使用不同加工设备制备后，进行2.5D或3D的混合封装。这种技术本质上仍不属于单片集成技术，封装复杂度和成本都比较高，无法满足市场对低成本、高集成度的需求。本实用新型专利的目的是提出一种在芯片生产工艺不变的条件下，即光电器件带宽/速率不变的情况下，通过EPIC芯片内部集成特殊功能单元，来实现传输速率的成倍增长。

为了实现传输速率的成倍增长，目前普遍技术方案有两种：

1、提升光电器件带宽/速率

此方案是目前业内普遍采用的做法，但是由于提升光电器件的带宽需要降低芯片本身的容抗，包括减少寄生电容等参数，这就要求使用更小尺寸的芯片生产工艺来减少光电器件的尺寸，因此造成芯片本身成本的成倍增长。

2、改变传输格式，提升电平数量

在传统的NRZ调制格式中，一共包含“0”和“1”两个电平。而“0”和“1”的转变速度对应的就是对系统带宽的需求。当传输速率要求加倍后，所需要的带宽需求也加倍。还有一种做法是在“0”和“1”电平中增加另外两级甚至多级电平信号，即在相同的转变速率情况下，同时传输4个或更多电平的信号来实现传输速率的加倍，就是目前经常使用的PAM4或者PAM-N调制格式。在PAM4或者PAM-N调制格式中，需要对光电器件的带宽和线性度上有一定要求。带宽需要一定程度上的增加，以满足PAM4或者PAM-N格式中SNR的劣化。同时，在各电平的作用下，光信号输出功率要线性变化，以满足各电平间的辨识度满足需求。如果采用较的光电器件生产工艺，在进行PAM4或者PAM-N信号调制时，发射的光信号会出现线性度不佳和带宽不足的问题，无法满足系统传输要求。在现有的方案中，目前PAM4传输格式是采用分立器件的方式，即利用较高带宽且线性度较好的电、光芯片来实现NRZ调制格式到PAM4或者PAM-N调制格式的演进。

由此可见，第二种方案在对芯片加工工艺要求上低于第一种方案，因为其对光电器件的增长要求较低，但是对线性度提出一定的要求。在此分析基础上，本实用新型提出一种在不改变芯片加工工艺平台的基础上，通过EPIC芯片内部结构优化，实现整体传输速率的提升。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种低成本光电集成通信芯片。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种低成本光电集成通信芯片，EPIC芯片包括电信号输入口和光信号发射口，所述电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的线性度调整电路、峰化电路、驱动器以及光电发射器件，其中，电信号从电信号输入口输入，经过线性度调整电路和峰化电路对输入的电信号进行线性度调整和预补偿，经过补偿后的电信号通过驱动器驱动光电发射器件，该光电发射器件通过光信号发射口输出经过性能优化的光信号。

本实用新型采用更小线程的芯片工艺来实现更高速率的传输，在原有的基础上增加两个元件，来用现有线程的工艺实现更高速率的传输。

具体的，所述线性度调整电路和峰化电路均能够通过模拟IC电路实现。

具体的，所述电信号的传输格式为PAM4、PAM-N或者NRZ。

进一步，在电信号的传输格式为NRZ的低速率多通道的并行传输系统中，电信号至少为两路，所述EPIC芯片内部在电信号输入口和线性度调整电路之间还集成有PAM-N合并器结构。

进一步，所述PAM-N合并器结构包括合成器和至少一个射频衰减器，一路电信号经过电信号输入口直接输入至合成器，其余的每一路电信号由电信号输入口输入后，经过射频衰减器后再输入至合成器，将NRZ格式的电信号转化为PAM-N格式的电信号提供给线性度调整电路。

进一步，EPIC芯片还包括光信号接收口和电信号输出口，所述光信号接收口和电信号输出口之间的EPIC芯片内部还集成有依次信号连接的接收器、跨阻放大器、峰化电路和线性度调整电路，其中，光信号由光信号接收口输入至接收器，接收器输出的是电流信号，然后经过跨阻放大器转为电压信号并放大，再经过峰化电路和线性度调整电路对接收电信号进行波形和线性度调整后后，由电信号输出口输出。

本实用新型的关键点在于：

利用高阶电平转换（某些场景不需要集成，在可插拔模块应用中，电I/O可能已经是高阶调制格式）、峰化和线性度调整的功能，使用原芯片加工工艺设备，在光电器件带宽不变的前提下，来实现传输速率提升的一种架构；该实用新型方案增加功能单元均可以集成于数字芯片或者模拟芯片中，尺寸可以保持不变、成本降低明显。

本实用新型的有益效果是：通过在集成电路侧集成峰化电路和线性度调整电路，在原NRZ调制格式所使用光电器件的条件下，可以实现更高速率的PAM4或者PAM-N信号传输，从而达到传输速率成倍增长的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是本实用新型信号调整原理示意图。

图3是本实用新型实施例二的结构示意图。

图4是本实用新型实施例三的结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

实施例一：单通道通信中EPIC芯片

如图1所示，本实用新型的一种低成本光电集成通信芯片，EPIC芯片包括电信号输入口和光信号发射口，所述电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的线性度调整电路、峰化电路、驱动器以及光电发射器件，该技术方案通过峰化电路和线性度调整电路，在原工艺平台的基础上，将原采用NRZ传输格式的电光器件实现更高速率的PAM4信号传输。解决了采用较低带宽器件来实现更高速率的PAM4格式传输时，存在的光电带宽不足和调制线性度的问题。这两个问题会分别通过峰化电路和线性度调整功能来解决，而增加的各功能可以集成于EPIC芯片中，整体尺寸不会有影响，但是传输速率可以实现倍数增加。光电发射器件包括调制器和激光器，图1中未示出。

如图2所示，具体的信号处理流程为：

1、电信号输入口输入的电信号为标准的PAM4电平信号；

2、该PAM4电平信号经过线性度调整电路，会对该输入电信号进行线性度调整；

3、经过线性度调整后的电信号经过峰化电路峰化处理，对输入的电信号进行预补偿；

4、经过补偿后的电信号驱动光电发射器件后，光电发射器件通过光信号发射口输出的光信号的性能得到优化。

该线性度调整电路和峰化电路可以通过模拟IC电路实现，由于不需要使用价格昂贵且与EPIC芯片工艺不兼容的oDSP，在成本上具有极大的优势。需要根据具体的器件和系统选择采用方式，本实用新型不做这方面的约束。

实施例二：多通道通信中EPIC芯片

值得注意的是，在目前可插拔光模块的应用中，一般电I/O的信号已经是PAM4或者PAM-N格式，因此不需要在EPIC芯片内部集成合并器结构。在某些应用中，如低速率多通道的并行传输系统中，可能电I/O还是使用NRZ的传输格式，这就需要在EPIC芯片内部集成PAM-N合并器结构。

因此，本实施例如图3所示，在电信号的传输格式为NRZ的低速率多通道的并行传输系统中，电信号至少为两路，如：发射电信号1、发射电信号2、发射电信号3……发射电信号N；此时，EPIC芯片包括用于输入多路发射电信号的电信号输入口以及用于输出一路光信号的光信号发射口，并且电信号输入口的数量要大于等于电信号输入的数量，以满足信号输入的要求；电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的PAM-N合并器结构、线性度调整电路、峰化电路、驱动器以及光电发射器件，其中，光电发射器件包括调制器和激光器，电信号从电信号输入口输入，经过PAM-N合并器结构进行传输格式的转化，将NRZ格式信号转化为PAM-N格式的信号，转化后的信号再由线性度调整电路和峰化电路进行线性度调整和预补偿，经过补偿后的电信号通过驱动器驱动光电发射器件，光电发射器件通过光信号发射口输出经过性能优化的光信号。

PAM-N合并器结构包括合成器和至少一个射频衰减器，一路电信号经过电信号输入口直接输入至合成器，其余的每一路电信号由电信号输入口输入后，经过射频衰减器后再输入至合成器，将NRZ格式的电信号转化为PAM-N格式的电信号提供给线性度调整电路。

该实施例可应用在多通道低速传输系统中，如硅光AOC、下一代HDMI传输线等应用中。现有技术中的方案是采用低成本VCSEL激光器，进行分立的封装，多路信号进行电光转换后传输。利用本实用新型的方案，可以将多路电信号在硅光芯片内部进行PAM-N转换，之后通过峰化电路和线性度调整电路，在光口侧进行单通道的传输。该方案仅需使用一颗激光器和一颗使用较低加工工艺的硅光EPIC芯片即可完成多通道的收发功能，在成本上具有较大的优势。

实施例三：收发一体的高速硅光集成EPIC芯片

一般来说，接收侧对于带宽和线性度的需求要低于发射侧，因此一般不需要对接收侧光电系统进行优化。但在某些场景下，可能对于信号质量要求较高，也需要对接收侧信号进行线性度调整和波形调整。如图4所示， EPIC芯片中集成双向的信号传输，包括电信号到光信号的转化，也包括光信号到电信号的转化。

其中，实现电信号到光信号的转化的结构包括电信号输入口和光信号发射口，所述电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的第一线性度调整电路、第一峰化电路、线性驱动器、调制器以及激光器，其中，电信号从电信号输入口输入，经过第一线性度调整电路和第一峰化电路对输入的电信号进行线性度调整和预补偿，经过补偿后的电信号通过发射口输出。

实现光信号到电信号的转化的结构包括光信号接收口和电信号输出口，所述光信号接收口和电信号输出口之间的EPIC芯片内部还集成有依次信号连接的接收器、跨阻放大器、第二峰化电路和第二线性度调整电路，其中，光信号由光信号接收口输入至接收器，接收器输出的是电流信号，然后经过跨阻放大器转换为电压信号并放大，再经过第二峰化电路和第二线性度调整电路对该电压信号进行波形调整后，由电信号输出口输出经过优化后的电信号。

本实施例同样适用于下一代硅光EPIC芯片，在1.6T的Co-packeged Optics（CPO）应用中，其光信号处理器有可能集成在交换网片中，而硅光EPIC需要具备低功耗的模拟电路高频补偿和线性度调整单元来对硅光收发信号进行调整，而该部分集成电路可以与硅光调制器、接收器、线性驱动器、跨阻放大器等单片集成，从而大大减少CPO的尺寸，并可以实现单通道100G甚至200G的传输性能。

与现有技术相比，本实用新型在不改变芯片加工工艺的前提下，通过在EPIC芯片内部集成高阶电平转换（某些场景不需要集成，在可插拔模块应用中，电I/O可能已经是高阶调制格式）、峰化和线性度调整功能，实现传输速率的增加。整体成本相比于传统的通过加工工艺的改进提升光电器件带宽的方案大幅降低，同时由于增加的功能单元是采用模拟电路方案，在整体功耗上提升不明显，可以满足标准光模块对于功耗的要求。

具有以下特点：

1、通信系统整体结构，增加特殊的功能单元，利用原低带宽或者NRZ光电器件，实现高带宽或者PAM4调制需求，使成本大幅降低；

2、新增的功能单元：高阶电平转换、峰化和线性度调整不局限于具体实现形式和使用顺序。

3、在某些使用场景中，该功能单元也可以通过数字信号处理的方式实现，即这些功能可以集成于oDSP（光信号处理器）芯片中。本实用新型的创新点在于通信系统整体架构，对具体的实现方式不做限制。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种低成本光电集成通信芯片，其特征在于：EPIC芯片包括电信号输入口和光信号发射口，所述电信号输入口和光信号发射口之间的EPIC芯片内部集成依次信号连接的线性度调整电路、峰化电路、驱动器以及光电发射器件，其中，电信号从电信号输入口输入，经过线性度调整电路和峰化电路对输入的电信号进行线性度调整和预补偿，经过补偿后的电信号通过驱动器驱动光电发射器件，光电发射器件通过光信号发射口输出经过性能优化的光信号。

2.如权利要求1所述的低成本光电集成通信芯片，其特征在于：所述线性度调整电路和峰化电路均能够通过模拟IC电路实现。

3.如权利要求1所述的低成本光电集成通信芯片，其特征在于：所述电信号的传输格式为PAM4、PAM-N或者NRZ。

4.如权利要求1所述的低成本光电集成通信芯片，其特征在于：在电信号的传输格式为NRZ的低速率多通道的并行传输系统中，电信号至少为两路，所述EPIC芯片内部在电信号输入口和线性度调整电路之间还集成有PAM-N合并器结构。

5.如权利要求4所述的低成本光电集成通信芯片，其特征在于：所述PAM-N合并器结构包括合成器和至少一个射频衰减器，一路电信号经过电信号输入口直接输入至合成器，其余的每一路电信号由电信号输入口输入后，经过射频衰减器后再输入至合成器，将NRZ格式的电信号转化为PAM-N格式的电信号提供给线性度调整电路。

6.如权利要求1所述的低成本光电集成通信芯片，其特征在于：所述EPIC芯片还包括光信号接收口和电信号输出口，所述光信号接收口和电信号输出口之间的EPIC芯片内部还集成有依次信号连接的接收器、跨阻放大器、峰化电路和线性度调整电路，其中，光信号由光信号接收口输入至接收器，接收器输出的是电流信号，然后经过跨阻放大器转为电压信号并放大，再经过峰化电路和线性度调整电路对接收电信号进行波形和线性度调整后，由电信号输出口输出。

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