DE102015002386A1

DE102015002386A1 - Optisches Modul

Info

Publication number: DE102015002386A1
Application number: DE102015002386.1A
Authority: DE
Inventors: Radhakrishnan L. Nagarajan
Original assignee: Inphi Corp
Current assignee: MARVELL ASIA PTE LTD., SG
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2015-09-17
Also published as: CN104901745A; US11483089B2; US20190288786A1; US20150249501A1; US20170093513A1; US20200213025A1; CN104901745B; US10749622B2; US20180013510A1; US20180337745A1; US10630414B2; US20210159997A1; US9787423B2; US20200343990A1; US10050736B2; US9553670B2; US10951343B2; US10355804B2; US20230032160A1

Abstract

Integrierte Vorrichtung mit optischen/elektrischen Schnittstellen und einem Protokollkonverter auf einem einzelnen Siliziumsubstrat, wobei die Vorrichtung ein optisches Modul mit einem oder mehreren Modulatoren aufweist, die jeweils mit einer oder mehreren Lasereinrichtungen zum Erzeugen eines ersten optischen Signals an eine optische Schnittstelle gekoppelt sind, und einen oder mehrere Fotodetektoren zum Erkennen eines zweiten optischen Signals von der optischen Schnittstelle, um ein Stromsignal zu generieren. Außerdem weist die Vorrichtung ein zwischen das optische Modul und eine elektrische Schnittstelle geschaltetes Sendespurmodul zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals von der elektrischen Schnittstelle und zum Bereitstellen eines Framing-Protokolls zum Ansteuern des einen oder der mehreren Modulatoren auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung ein zwischen das optische Modul und die elektrische Schnittstelle geschaltetes Empfangsspurmodul zum Verarbeiten des Stromsignals auf, um ein zweites elektrisches Signal an die elektrische Schnittstelle zu senden.

Description

QUERVERWEISE AUF MIT DIESER ANMELDUNG IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der am 3. März 2014 eingereichten, vorläufigen US-Anmeldung 61/947,374, die für alle Zwecke per Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Laufe der letzten Jahrzehnte ist die Nutzung von Kommunikationsnetzwerken explosionsartig angestiegen. In den Anfängen des Internet waren populäre Anwendungen auf E-Mails, Foren und das Surfen nach mehrheitlich informativen und textgestützten Web-Seiten beschränkt, und die übertragene Datenmenge war üblicherweise relativ gering. Heutzutage erfordern das Internet und Mobilanwendungen eine enorme Menge an Bandbreite zur Übertragung von Foto-, Video-, Musikdateien und anderen Multimedia-Dateien. Zum Beispiel verarbeitet ein soziales Netzwerk wie Facebook täglich über 500 Terabyte Daten. Bei derart hohen Anforderungen an die Daten und die Datenübertragung müssen die vorhandenen Kommunikationssysteme verbessert werden, um diesen Erfordernissen gerecht zu werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das die Verbindungslandschaft eines Campus für ein Cloud-Rechenzentrum gemäß einem Stand der Technik veranschaulicht.
2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Tabelle, welche das Verbindungsvolumen pro Abschnitt für verschiedene Entfernungen zwischen 3 Metern und 80 Kilometern in der oben genannten Cloud-Rechenzentrumsarchitektur veranschaulicht.
3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer mit elektrischen/optischen Schnittstellen für die Telekommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit konfigurierten, integrierten Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4A zeigt vereinfachte Diagramme einer optischen Architektur der integrierten Vorrichtung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
4B zeigt vereinfachte Diagramme einer optischen Architektur der integrierten Vorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer optischen Architektur der integrierten Vorrichtung gemäß einem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm der Verwendung eines Leistungsverbinders zum Koppeln zweier 100-GHz-Raster für die Erzeugung eines 50-GHz-Rasters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Beispiel für eine in die integrierte Vorrichtung implementierte PAM4-Codierung mit 40 Gbit/s gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
8 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Beispiel für eine in die integrierte Vorrichtung implementierte PAM4-Codierung mit 100 Gbit/s gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
9 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Einbaukonfiguration der integrierten Vorrichtung für die Telekommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, welches das Chip-Layout eines optischen Siliziumphotonik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
11 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Modulationstreibereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Steuerungsschema für einen MZ-Modulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das eine bevorzugte Auswahltabelle für einen Modulationstreiber gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
14 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein PAM4-Codierungsschema gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, das eine PAM4-Codiererlogik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Telekommunikationstechniken. Genauer gesagt sehen verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Kommunikationsschnittstelle vor, die so konfiguriert ist, dass sie Daten mit einer hohen Bandbreite über optische Kommunikationsnetzwerke überträgt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird die Kommunikationsschnittstelle von verschiedenen Einrichtungen, wie Spine-Switches und Leaf-Switches innerhalb einer Spine-Leaf-Netzwerkarchitektur verwendet, welche die gemeinsame Nutzung einer großen Datenmenge durch Server erlaubt.
In modernen elektrischen Verbindungssystemen haben serielle Hochgeschwindigkeitsverbindungen parallele Datenbusse ersetzt, und die Geschwindigkeit der seriellen Verbindungen erhöht sich aufgrund der Entwicklung der CMOS-Technologie rasch. Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Internet-Bandbreite nahezu alle zwei Jahre. Aber das Mooresche Gesetz wird in dem nächsten Jahrzehnt seine Gültigkeit verlieren. Die Skalierung von CMOS-Standardtransistoren auf Siliziumbasis wird bei etwa 5 nm beendet sein. Und die Erhöhung der Internet-Bandbreite aufgrund der Skalierung von Prozessen wird sich auf einem bestimmten Niveau einpendeln. Aber das Internet und Mobilanwendungen erfordern ständig eine enorme Menge an Bandbreite zur Übertragung von Foto-, Video-, Musikdateien und anderen Multimedia-Dateien. Diese Offenbarung beschreibt Techniken und Verfahren zum Verbessern der Kommunikationsbandbreite über das Mooresche Gesetz hinaus.
Die Leistungsfähigkeit serieller Verbindungen ist durch die Bandbreite der elektrischen Kanäle und die elektronischen Komponenten begrenzt. Damit die durch Bandbreitenbeschränkungen verursachten Probleme der Intersymbolinterferenz (ISI) gelöst werden, müssen alle elektrischen Komponenten so nahe wie möglich zueinander angeordnet werden, um den Abstand bzw. die Kanallänge zwischen ihnen zu verringern. Das Stapeln von Chips zu so genannten 3D-ICs verspricht einen einmaligen Anstieg ihrer Leistungsfähigkeit, ist aber sehr kostspielig. Eine weitere Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels in dieser Offenbarung besteht darin, eine Multi-Chip-Modultechnologie zu nutzen.
Bei einem Beispiel besteht ein alternatives Verfahren zum Erhöhen der Bandbreite darin, die optischen Einrichtungen nahe an die elektrische Einrichtung heranzubringen. Siliziumphotonik ist eine wichtige Technologie, um optische Elemente näher an das Silizium heranzubringen. In dieser Patentanmeldung wird eine Multi-Chip-Moduleinrichtung für Hochgeschwindigkeits-Elektrooptik offenbart, um Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Terabit pro Sekunde zu erreichen, sowie Variationen davon.
Bei einem Beispiel sieht die vorliegende Erfindung eine integrierte Vorrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Telekommunikation vor. Die integrierte Vorrichtung umfasst ein auf Siliziumphotonik basierendes optisches Modul, das so konfiguriert ist, dass es elektrische Signale für eine Hochgeschwindigkeitskommunikation mit 100 Gbit/s bzw. 400 Gbit/s in optische Signale umwandelt. Das optische Modul ist so konfiguriert, dass es ein oder mehrere optische Signale mit Wellenlängen in einem CWDM-Raster (Coarse Wave Length Division Multiplex, Grobe Wellenlängen-Multiplex) mit 20 nm Kanalabstand ausgibt, zum Beispiel ein erstes Lasersignal mit einer ersten Wellenlänge mit einem Spitzenwert von 1.270 nm, ein zweites Lasersignal mit einer zweiten Wellenlänge mit einem Spitzenwert bei 1.290 nm, ein drittes Lasersignal mit einer dritten Wellenlänge mit einem Spitzenwert bei 1.310 nm und ein viertes Lasersignal mit einer vierten Wellenlänge mit einem Spitzenwert bei 1.330 nm. Das optische Modul ist alternativ so konfiguriert, dass es eine oder mehrere Kanal-Wellenlängen in einem DWDM-Raster (Dense Wave Length Division Multiplex, Dichte Wellenlängen-Multiplex) mit Wellenlängen-Spitzenwerten in einem C-Band zwischen 1.525 und 1.565 nm ausgibt.
Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischen Modul zum Generieren von Lasersignal-Wellenlängen entweder in einem CWDM-Raster oder einem DWDM-Raster enthaltenen Lasereinrichtungen durch Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB, Distributed Feedback Laser) mit ausreichend geringem Rauschen gekennzeichnet, um einer PAM N-Übertragung über 100 km zu genügen, wobei N in dem Bereich zwischen 2 und 8 liegt (typischerweise N = 2ⁿ, das heißt 2, 4, 8, usw.). Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischen Modul enthaltenen Lasereinrichtungen durch einen Wert für RIN (CNR) < –140 dB/Hz oder besser gekennzeichnet. Bei einem Beispiel ist jeder der Laser ungekühlt oder wird einer Kühlung unterzogen. Ohne Kühlung wird die Stromaufnahme verringert, während die Wellenlänge „gleitend” bleibt, was zu einer niedrigeren Spektraldichte führt. Bei einem weiteren Beispiel umfasst das optische Modul ferner einen thermoelektrischen Kühler (TEC), um eine Temperaturstabilisierung für jeden der Laser vorzusehen. Bei einem Beispiel wird jedes der Lasersignale unter Verwendung eines Silizium-basierten Mach-Zehnder-Modulators, der in einem Trägerverarmungsmodus betrieben wird, extern moduliert.
Bei einem Beispiel umfasst das optische Modul ferner einen oder mehrere Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, die aus Germanium bestehen und auf einem Siliziumsubstrat integriert und mit einem optischen Eingangsanschluss zum Erkennen eines oder mehrerer eingehender optischer Signale in dem CWDM-Raster oder dem DWDM-Raster gekoppelt sind. Das Siliziumsubstrat weist eine Glasfaserschnittstelle auf, die eine Vielzahl von v-Nuten umfasst, von denen jede mit einem Modusadapter gekoppelt ist. Die Fotodetektoren sind so konfiguriert, dass sie optische Signale in dem CWDM- oder DWDM-Raster in digitalisierbare elektrische Ströme umwandeln.
Bei einem Beispiel umfasst das Siliziumsubstrat eine gesonderte Bahn für einen Sender und einen Empfänger. Bei einem Beispiel umfasst das Siliziumsubstrat eine Schnittstelle, die mit einem Einzelmodus-Glasfaserkabel konfiguriert ist. Bei einem Beispiel wird das Laserlichtsignal mit jeder Wellenlänge des CWDM- oder DWDM-Rasters mit Daten moduliert und so verarbeitet, dass es einen einzelnen Informationsstrom bildet. Bei einem Beispiel umfasst das optische Modul ferner einen Modulator, der sowohl für das NRZ- als auch für das PAM4-Modulationsschema konfiguriert ist. Bei einem weiteren Beispiel weist das optische Modul einen verteilten Modulator auf, der eine Vielzahl von Segmenten umfasst, und eine PAM4-Codierung wird über eine Thermometercodierung erreicht. Bei noch einem weiteren Beispiel wird die NRZ-Modulation dadurch erreicht, dass alle Segmente zusammen angesteuert werden. Bei einem noch weiteren Beispiel ist der verteilte bzw. segmentierte Modulator mit einem in CMOS konfigurierten, begrenzenden Treiber gekoppelt. Bei einem immer noch weiteren Beispiel ist der segmentierte Modulator mit einer Segmentlänge zwischen 250 μm und 450 μm für minimale parasitäre Effekte der Einrichtung konfiguriert und für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet.
Außerdem umfasst die integrierte Vorrichtung ferner einen Treiber, der einen Steuerblock, einen Codierer und eine verteilte MZM-Konfiguration aufweist. Der Treiber weist eine parallele Anordnung aus einer Vielzahl von Verstärkern auf, von denen jeder so optimiert ist, dass er ein einzelnes Segment einer Modulatoreinrichtung in dem optischen Modul ansteuert. Bei einem Beispiel ist die Modulatoreinrichtung über eine Flip-Chip-Konfiguration mit dem CWDM-Raster bzw. dem DWDM-Raster des Lasers gekoppelt. Bei einem Beispiel weist das optische Modul einen optischen Eingang und einen optischen Ausgang auf. Bei einem Beispiel weist die integrierte Vorrichtung eine Stromversorgung, einen Mikrocontroller, und eine Sendespur und eine Empfangsspur auf, wobei die Empfangsspur eine Taktdaten-Wiederherstellungseinrichtung (CDR), eine Vorwärtsfehlerkorrektureinrichtung (FEC), eine Digitalsignalverarbeitungseinrichtung (DSP) und einen Transimpedanzverstärker (TIA) umfasst. Bei einem Beispiel weist die Sendespur eine CDR, eine FEC, eine Codiereinrichtung (ENC) und einen Treiber (DRV) auf. Ferner weist die integrierte Vorrichtung eine elektrische Eingangsschnittstelle und eine elektrische Ausgangsschnittstelle auf, von denen jede entweder für 4 × 10 Gbit/s oder 4 × 25 Gbit/s konfiguriert ist. Bei einem weiteren Beispiel weist das optische Modul einen ersten, auf der Empfangsspur konfigurierten Multiplexer und einen zweiten, auf der Sendespur konfigurierten Multiplexer auf. Bei einem Beispiel ist die integrierte Vorrichtung innerhalb eines QSFP-28-Gehäuses vorgesehen, das eine metallische Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung aufweist.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung eine integrierte Vorrichtung mit optischen/elektrischen Schnittstellen und einem Protokollkonverter auf einem einzelnen Siliziumsubstrat vor. Die Vorrichtung weist ein optisches Modul auf, das einen oder mehrere Modulatoren umfasst, die jeweils mit einer oder mehreren Lasereinrichtungen zum Erzeugen eines ersten optischen Signals an eine optische Schnittstelle gekoppelt sind. Das optische Modul weist ferner einen oder mehrere Fotodetektoren zum Erkennen eines zweiten optischen Signals aus der optischen Schnittstelle zum Generieren eines Stromsignals auf. Zusätzlich weist die Vorrichtung ein zwischen das optische Modul und eine elektrische Schnittstelle geschaltetes Sendespurmodul auf. Das Sendespurmodul weist wenigstens einen zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals von der elektrischen Schnittstelle und zum Vorsehen eines Framing-Protokolls zum Ansteuern des einen oder der mehreren Modulatoren konfigurierten Modulationstreiber auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung ein zwischen das optische Modul und die elektrische Schnittstelle geschaltetes Empfangsspurmodul auf. Das Empfangsspurmodul weist wenigstens einen Transimpedanzverstärker auf, der so konfiguriert ist, dass er das Stromsignal verarbeitet, um ein zweites elektrisches Signal an die elektrische Schnittstelle zu senden. Das erste oder zweite optische Signal ist mit einer oder mehreren Wellenlängen verbunden, die in einem CWDM-Raster (Coarse Wavelength Division Multiplex, Grobe Wellenlängen-Multiplex) oder einem DWDM-Raster (Dense Wavelength Division Multiplex, Dichte Wellenlängen-Multiplex) konfiguriert sind.
Mit der vorliegenden Erfindung werden diese und weitere Leistungen in dem Rahmen bekannter Speichertechnologie erreicht. Ein tieferes Verständnis für die Beschaffenheit und die Vorteile der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch Bezugnahme auf die hinteren Abschnitte dieser Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen erzielt werden.
In den letzten Jahrzehnten hat sich mit dem Aufkommen von Cloud Computing und Rechenzentren der Bedarf an Netzwerk-Servern weiterentwickelt. So ist zum Beispiel die Konfiguration mit drei Ebenen, die lange Zeit verwendet wurde, nicht mehr angemessen oder geeignet, da verteilte Anwendungen flachere Netzwerkarchitekturen erfordern, bei denen eine Server-Virtualisierung es Server erlaubt, parallel betrieben zu werden. Zum Beispiel können mehrere Server zusammen verwendet werden, um eine angeforderte Aufgabe durchzuführen. Damit mehrere Server parallel arbeiten können, ist es oft zwingend erforderlich, dass sie eine große Menge von Informationen schnell gemeinsam nutzen, im Gegensatz dazu, dass veranlasst wird, dass Daten durch mehrere Schichten einer Netzwerkarchitektur (z. B. Netzwerk-Switches, usw.) hin und her übertragen werden.
Es wird eine Leaf-Spine-Netzwerkarchitektur vorgesehen, um Servern ein besseres paralleles Arbeiten zu erlauben und Daten schnell zwischen Servern zu verschieben, was eine große Bandbreite und niedrige Latenzzeiten bietet. Typischerweise nutzt eine Leaf-Spine-Netzwerkarchitektur einen Top-of-Rack-Switch, der direkten Zugriff auf Server-Knoten hat und eine Verbindung zurück zu einem Satz von Non-Blocking-Spine-Switches herstellt, die über ausreichend Bandbreite verfügen, um es zu ermöglichen, dass Server-Cluster miteinander verbunden werden und eine große Datenmenge gemeinsam nutzen.
In einem typischen heutigen Leaf-Spine-Netzwerk nutzen Server Daten im Gigabit-Bereich gemeinsam. In bestimmten Netzwerkarchitekturen weisen Netzwerk-Server auf derselben Ebene bestimmte Peer-to-Peer-Verbindungen zur gemeinsamen Nutzung von Daten auf. Leider ist die Bandbreite für diese Art von Konfiguration oftmals unzureichend. Es versteht sich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung PAM (zum Beispiel PAM4, PAM8, PAM12, PAM16, usw.) in Leaf-Spine-Architekturen nutzen, was eine Übertragung von großen Datenmengen (auf der Spine-Ebene bis in den Terabyte-Bereich) über ein optisches Netzwerk erlaubt.
Die folgende Beschreibung wird vorgestellt, um es einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden und sie in den Kontext bestimmter Anwendungen zu integrieren. Verschiedene Modifikationen sowie eine Vielzahl von Verwendungen in verschiedenen Anwendungen sind für den Fachmann ohne Weiteres offensichtlich, und die in dem vorliegenden Dokument definierten allgemeinen Grundsätze können auf eine breite Palette von Ausführungsbeispielen angewendet werden. Somit soll die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern es soll ihnen der breiteste Schutzumfang zugebilligt werden, der mit den in dem vorliegenden Dokument offenbarten Grundsätzen und neuartigen Merkmalen vereinbar ist.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung sind zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zahlreiche spezifische Details dargelegt. Für den Fachmann auf diesem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auch ausgeführt werden kann, ohne notwendigerweise auf diese spezifischen Details beschränkt zu sein. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Einrichtungen anstatt im Detail in Form von Blockdiagrammen gezeigt, um zu vermeiden, dass die Erfindung unklar wird.
Die Aufmerksamkeit des Lesers wird auf alle Schriften und Dokumente gerichtet, die gleichzeitig mit dieser Patentschrift eingereicht werden und die zusammen mit dieser Patentschrift zur öffentlichen Einsichtnahme verfügbar sind, und die Inhalte derartiger Schriften und Dokumente sind per Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen. Alle in dieser Patentschrift offenbarten Merkmale (einschließlich der begleitenden Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen) können durch alternative Merkmale ersetzt werden, die demselben, einem gleichwertigen oder einem ähnlichen Zweck dienen, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben. Somit ist jedes offenbarte Merkmal ein Beispiel einer generischen Reihe von gleichwertigen oder ähnlichen Merkmalen, es sei denn, es ist etwas anders angegeben.
Des Weiteren ist ein beliebiges Element in einem Anspruch, der nicht ausdrücklich ein Mittel zum Ausführen einer angegebenen Funktion („Means for”) oder einen Schritt für das Ausführen einer angegebenen Funktion („Step for”) angibt, nicht als „Means”-Klausel oder „Step”-Klausel im Sinne des U.S.C. Title 35, Section 112, Paragraph 6 auszulegen. Insbesondere soll die Verwendung von „Step of” (Schritt von) oder „Act of” (Vorgang des) in den Ansprüchen keine Berufung auf die Bestimmungen des U.S.C. Title 35, Section 112, Paragraph 6 darstellen.
Es sei angemerkt, dass die Verwendung der Bezeichnungen „links”, „rechts”, „vorne”, „hinten”, „oben”, „unten”, „vorwärts”, „rückwärts”, „im Uhrzeigersinn” und „gegen den Uhrzeigersinn” nur aus praktischen Zwecken erfolgt ist und damit keine bestimmte feste Richtung impliziert werden soll. Sie werden vielmehr dazu verwendet, relative Positionen und/oder Richtungen zwischen verschiedenen Teilen eines Objekts wiederzugeben.
1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das die Verbindungslandschaft eines Campus für ein Cloud-Rechenzentrum gemäß einem Stand der Technik veranschaulicht. Bekanntermaßen gibt es keinen allgemein gültigen Entwurf bzw. keine allgemein gültige Gestaltung oder Größe für ein Cloud-Rechenzentrum. Die Topologien zum Konstruieren eines derartigen Rechenzentrums entwickeln sich zusammen mit dem technologischen Fortschritten und den Kostenstrukturen immer weiter. Unterschiede bei dem Entwurf einer Rechenzentrumsarchitektur werden durch unterschiedliche Generationen von Entwürfen, Standorten und Maßstäben vorangetrieben. Während sich der gesamte Datenverkehrsfluss innerhalb verschiedener Rechenzentren ähnelt, sorgen die Entwurfsunterschiede für unterschiedliche Verbindungsanforderungen. Die Entwicklung und das Wachstum von Rechenzentren erfahren typischerweise drei Phasen, nämlich Entwurfs-, Aufbau- und Betriebsphase. Üblicherweise erfolgen sie in der Betriebsphase und in der Aufbauphase oft gleichzeitig.
Eine neue Co-Lokation eines Rechenzentrums kann zu einem Zeitpunkt den Online-Betrieb aufnehmen, während eine alte gerade in einem Dreijahreszyklus überholt wird. Eine Infrastruktur sollte für wenigstens 4–6 Überholungsgenerationen Bestand haben. Neue Rechenzentren und damit verbundene Co-Lokationen können hinzugefügt werden, um dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden. Bei einem auf optischem Ethernet basierenden Rechenzentrum kann dieses innerhalb des Rechenzentrums bis zu 2 Kilometer abdecken. Für die Datenkommunikation wird Multimodefaser (MMF) mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 40 Gigabit verwendet, obwohl auch die Übertragung mit Monomodefaser (SMF) mit 100 bis 4.000 Gigabit möglich ist. Außerhalb des Rechenzentrums ist SMF-Ethernet von 1 bis 400 Gigabit für einen Bereich von 2 bis 10 km einsetzbar. Über die Rechenzentrumstopologie hinausgehend, handelt es sich, wie in 1 gezeigt, um eine Campus-Ebene, in der mehrere Co-Lokationen des Rechenzentrums in einer Leaf-Spine-Netzwerkarchitektur miteinander verbunden sind, die mittels Metro-DWDM für den Bereich zwischen 10 und 80 km und mittels Kern-DWDM für den Bereich > 100 km verbunden ist. Für den Bereich von unter 1.000 m verbindet jedes Rechenzentrum jeden Knoten aus vier Abschnitten über eine von mehreren Co-Lokationen über ein Spine-Netzwerk in einem Bereich von bis zu 2 km. Jeder Co-Lokation-Knoten verbindet pro Abschnitt ferner eine Vielzahl von Anschlüssen über ein Leaf-Netzwerk in einem Bereich unter 20 m, das von mehreren Servern in einem Bereich von 3 m unterstützte TOR-Anschlüsse verbindet. Die Infrastruktur ist so ausgelegt, dass sie eine einzelne Datenübertragungsgeschwindigkeit (X) nutzt, und die Server-Verbindungen bilden eine Untermenge von X. Zum Beispiel beträgt X 100 Gbit/s, 400 Gbit/s oder mehr.
2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Tabelle, welche das Verbindungsvolumen pro Abschnitt für verschiedene Entfernungen zwischen 3 Meter und 80 Kilometer in der oben genannten Verbindungsarchitektur für den Campus eines Cloud-Rechenzentrums veranschaulicht. Jedes Rechenzentrum weist mehrere Co-Lokationen auf, und jede Co-Lokation weist vier Abschnitte auf. Die Tabelle in 2 zeigt das Verbindungsvolumen von der TOR-Ebene zu dem Rechenzentrum in dem Spine-Leaf-Glasfasernetzwerk, in dem der Marktraum mit hoher Kostensensibilität für eine Telekommunikationsvorrichtung auf der Basis von Glasfaser mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit abgebildet ist. Insbesondere sind Vorrichtungen für 100 Gbit/s bis 400 Gbit/s mit integrierten optischen und elektrischen Schnittstellen für die LR-Kommunikation (Long Reach, große Reichweite) auf den Ebenen Leaf-zu-Spine, Spine-zu-DCR und DCR-zu-Metro unter Verwendung von Monomodefaserverbindungen sehr wünschenswert und werden nachfolgend noch ausführlicher beschrieben.
3 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer mit elektrischen/optischen Schnittstellen und einem Protokollkonverter für die Telekommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit konfigurierten, integrierten Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, ist die integrierte Vorrichtung 100 auf einem System auf einem Chip ausgebildet, das dafür konfiguriert ist, für eine digitale Kommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit ein elektrisches Signal in ein optisches Signal umzuwandeln oder umgekehrt. Die Vorrichtung 100 weist ein optisches Siliziumphotonikmodul 101 mit einer optischen Schnittstelle mit einem Eingangsanschluss 105 und einem Ausgangsanschluss 106, ein Steuermodul 102 mit einer Stromversorgung und einem Mikrocontroller oder weiteren ASIC-Schaltungen und ein Sendespurmodul 104 und ein Empfangsspurmodul 103 auf. Das optische Modul 101 weist einen ersten Multiplexer 1001 auf, der auf der Empfangsspur so konfiguriert ist, dass er ein durch Multiplexen gebündeltes optisches Signal von dem Eingangsanschluss 105 empfängt, und dass er mehrere Fotodetektoren (FDs) 1003 aufweist, um die durch Demultiplexen entbündelten Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen in entsprechende elektrische Stromsignale umzuwandeln, bevor sie diese an das Empfangsspurmodul 103 senden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der erste Multiplexer 1001 ein Verzögerungsleitungs-Interferometer (Delay-Line Interferometer, DLI) auf Siliziumbasis. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das DLI so konfiguriert, dass es durch Multiplexen gebündelte Lichtsignale von einer Glasfaser in zwei Wellenleitern verschachtelt, wobei jeder ein Lichtsignal mit einer anderen Wellenlänge leitet. Das optische Modul 101 weist ferner einen zweiten Multiplexer 1002 auf, der auf der Sendespur so konfiguriert ist, dass er auf der Basis von elektrischen Signalen, die von dem Sendespurmodul 104 empfangen und von diesem vorverarbeitet wurden, mehrere mittels MZ-Modulatoren (MZM) 1005 modulierte Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) 1004 koppelt. Der zweite Multiplexer 1002 ist in der Lage, alle optischen Signale zusammenzuführen und über den Ausgangsanschluss 106 in ein Spine-Leaf-Glasfasernetzwerk auszugeben. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der zweite Multiplexer 1002 ebenfalls ein DLI, das als 2-zu-1-Leistungsverbinder dient, um zwei Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen (zum Beispiel zwei Kanäle in einem CWDM- oder DWDM-Raster mit einem Abstand von 50 GHz oder 100 GHz) zur Übertragung über eine einzelne Glasfaser in durch Multiplexen gebündelte Lichtsignale zusammenzuführen. Das Empfangsspurmodul 103 umfasst eine Taktdaten-Wiederherstellungseinrichtung (CDR), eine Vorwärtsfehlerkorrektureinrichtung (FEC), eine Digitalsignalverarbeitungseinrichtung (DSP) und einen Transimpedanzverstärker (TIA). Das Sendespurmodul 104 umfasst eine CDR, eine FEC, eine Codiereinrichtung (ENC) und einen Treiber (DRV). Ferner ist die integrierte Vorrichtung 100 mit einer elektrischen Schnittstelle 200 mit einem Eingang und mit einem Ausgang gekoppelt, der zum Empfangen oder Senden von Ethernet-Daten mit entweder 4 × 10 Gbit/s oder 4 × 25 Gbit/s oder einer höheren Datenübertragungsgeschwindigkeit konfiguriert ist. Auf der Grundlage der empfangenen elektrischen Daten steuert der Treiber DRV den Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) 1004, um Lichtsignale mit einer bestimmten Wellenlänge zu generieren und den Modulator 1005 zum Modulieren der Lichtsignale von dem Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) 1004 so zu steuern, dass er die Daten befördert.
4A zeigt vereinfachte Diagramme der integrierten Vorrichtung gemäß einem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, werden zwei integrierte Vorrichtungen 100A und 100B jeweils an zwei Endstandorten, dem so genannten A-Endpunkt und dem so genannten Z-Endpunkt, die einem Leaf-zu-Spine-Netzwerk (< 400 m) bzw. einem Spine-zu-DCR-Glasfasernetzwerk (< 1.000 m) entsprechen, vorgesehen. Bei dem Beispiel ist jede integrierte Vorrichtung 100A bzw. 100B im Wesentlichen, abhängig von spezifischen Konfigurationen zum Einhalten einer bestimmten Datenübertragungsgeschwindigkeit und eines Framing-Protokollformats, gleich mit der Vorrichtung 100. Bei einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht 4A eine optische Architektur, in der ein Ausgangsanschluss 106A der integrierten Vorrichtung 100A an dem A-Endpunkt direkt mit einem Eingangsanschluss 105B einer weiteren integrierten Vorrichtung 100B an dem Z-Endpunkt verbunden ist, ohne dass die Notwendigkeit für einen optischen Verstärker (OA) besteht. Die elektrischen Eingangssignale mit einer Geschwindigkeit von 40 Gbit/s (oder 100 Gbit/s) können unter Verwendung der integrierten Vorrichtung (100A oder 100B) in 4 × 10 Gbit/s (oder 4 × 25 Gbit/s) eingestuft werden, um die elektrischen Signale in einem NRZ- oder PAM4-Codierungsschema in optische Signale mit 4λ oder 2λ umzuwandeln. Dementsprechend werden die optischen Signal als entweder 2λ × 22,5 GBaud (oder 1λ × 22,5 GBaud) für eine Geschwindigkeit von 4 × 10 Gbit/s und 4λ × 28,125 GBaud (oder 2λ × 28,125 GBaud) für eine Geschwindigkeit von 4 × 25 Gbit/s eingestuft.
Die integrierte Vorrichtung 100A oder 100B weist 1 bis zu 4 Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) auf (obwohl in 4A nur zwei Wellenlängen gezeigt sind), die mit einem optischen Modul auf der Grundlage von Siliziumphotonik verbunden sind, um optische Signale zu generieren, die bis zu vier Wellenlängen in einem CWDM-Raster in dem Bereich von 1.300 nm mit einem Kanalabstand von 20 nm befördern. Die optischen Signale werden lediglich zum Überwinden einer Entfernung unter 2 km benötigt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist, in Verbindung mit der Empfangsspur des optischen Moduls, ein erster Multiplexer enthalten, um Lichtsignale von einer einzigen Glasfaser auf zwei Bahnen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu verschachteln. Ein zweiter Multiplexer ist, während er mit der Sendespur des optischen Moduls verbunden ist, so konfiguriert, dass er als 2-zu-1-Leistungsverbinder dient, um von zwei Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) auf zwei Wellenlängen generierte Lichtsignale in einer Glasfaser zusammenzufassen. Jeder von dem ersten Multiplexer und dem zweiten Multiplexer kann aus einem Verzögerungsleitungs-Interferometer bestehen, während er mit Lichtsignalen betrieben wird, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen.
Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischen Modul zum Generieren von Lasersignal-Wellenlängen entweder in einem CWDM-Raster oder einem DWDM-Raster enthaltenen Lasereinrichtungen durch Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB, Distributed Feedback Laser) mit ausreichend geringem Rauschen gekennzeichnet, um einer PAM N-Übertragung über 100 km zu genügen, wobei N in dem Bereich zwischen 2 und 8 liegt (typischerweise N = 2ⁿ, das heißt 2, 4, 8, usw.). Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischem Modul enthaltenen Lasereinrichtungen durch einen Wert für RIN (CNR) < –140 dB/Hz gekennzeichnet. Bei einem Beispiel ist jeder der Laser ungekühlt oder wird einer Kühlung unterzogen. Wenn er ungekühlt ist, wird die Stromaufnahme verringert, während die Wellenlänge in Verbindung mit einer niedrigeren Spektraldichte „gleitend” bleibt. Bei einem weiteren Beispiel umfasst das optische Modul ferner einen thermoelektrischen Kühler (TEC), um eine Temperaturstabilisierung für jeden der Laser vorzusehen. Bei einem Beispiel wird jedes der Lasersignale unter Verwendung eines Silizium-basierten Mach-Zehrader-Modulators, der in einem Trägerverarmungsmodus betrieben wird, extern moduliert.
4B zeigt vereinfachte Diagramme der integrierten Vorrichtung gemäß einem zweiten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, werden bei einem zweiten Beispiel einer optischen Architektur zwei integrierte Vorrichtungen 200A und 200Z paarweise an einem A-Endpunkt und an einem Z-Endpunkt eines DCR-zu-Metro-Glasfasernetzwerk bereitgestellt, um eine Datenkommunikation mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s unter Verwendung einer einzelnen, mittels eines Lasers mit verteilter Rückkopplung (DFB) generierten Wellenlänge bei einem DWDM-Raster vorzusehen. Die Vorrichtung 200A/200Z weist an dem A/Z-Endpunkt des DCR-zu-Metro-Glasfasernetzwerks ein optisches Modul mit einem Ausgangs-/Eingangsanschluss 206A/205Z zum Senden/Empfangen von Lichtsignalen mit einzelner Wellenlänge (1λ) auf, die Daten zu/von einem Eingangs-/Ausgangsanschluss 205Z/206A befördern, wobei die gepaarte Vorrichtung 200Z/200A sich an dem Z/A-Endpunkt des Netzwerks befindet. Innerhalb des optischen Moduls der integrierten Vorrichtung 200A oder 200Z wird kein Multiplexer benötigt.
Von einem Rechenzentrum aus können mehrere Bahnen von diesem Rechenzentrum aus an mehrere Ziele in dem DCR-zu-Metro-Netzwerk bereitgestellt werden. Folglich können mehrere integrierte Vorrichtungen, alle paarweise wie 200A und 200Z, an entsprechenden A-Endpunkten und Z-Endpunkten der jeweiligen Bahnen bereitgestellt werden. Ein optisches Modul jeder integrierten Vorrichtung ist entweder an dem A-Endpunkt oder dem Z-Endpunkt mit einem einzelnen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) zum Generieren einer jeweiligen Kanalwellenlänge in dem DWDM-Raster ausgestattet. Zum Beispiel kann es sich bei der Kanalwellenlänge um eine aus allen C-Band-Wellenlängen mit einem Kanalabstand von 50 GHz ausgewählte Wellenlänge handeln.
Von einem Sendeendpunkt des DCR-zu-Metro-Netzwerks aus werden die Laserlichtsignale auf jeder Kanalwellenlänge mittels eines MZ-Modulators in ein spezifisches optisches Signal auf der Grundlage eines elektrischen Eingangssignals moduliert. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine PAM4-Codierung zum Umwandeln des elektrischen 40-Gbit/s-Signals in ein optisches Signal mit 20 GBaud bei 1λ verwendet, das mittels Lichtsignalen mit einer einzelnen Wellenlänge befördert wird. Der MZ-Modulator (MZM) ist in das optische Modul jeder integrierten Vorrichtung (200A oder 200Z) eingebaut, und seine Ausgabe erfolgt unabhängig davon, ob die integrierte Vorrichtung an dem A-Endpunkt oder dem Z-Endpunkt bereitgestellt ist, über den entsprechenden Ausgangsanschluss (zum Beispiel 206A oder 206Z). Bei jedem MZ-Modulator handelt es sich um einen Silizium-basierten Mach-Zehnder-Modulator, der in einem Trägerverarmungsmodus betrieben wird. Alle diese einzelnen Lichtsignale mit einzelner Wellenlänge werden mittels einer DWDM-MUX-Einrichtung 300 mit einem Kanalabstand von 50 GHz in einer einzelnen Glasfaser zusammengeführt, bevor sie über das Netzwerk über Entfernungen von mehr als 10 km übertragen werden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die DWDM-MUX-Einrichtung 300 in der Lage, bis zu 96 Kanäle mit Wellenlängen in einem DWDM-Raster mit einem Kanalabstand von 50 GHz zu multiplexen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen können ein optischer Verstärker (OA) und ein Dispersionsausgleichsmodul (DCM) zur Aufrechterhaltung der Datenintegrität benötigt werden. Weitere Funktionalitäten jeder mit der Sendespur integrierten Vorrichtung sind im Wesentlichen ähnlich denen, die für die integrierte Vorrichtung 100 beschrieben wurden.
Von einem Empfangsendpunkt des DCR-zu-Metro-Netzwerks aus ist eine DEMUX-Einrichtung 300 mit einem Kanalabstand von 50 GHz konfiguriert, um ein von dem Sendeendpunkt empfangenes, ankommendes optisches Signal bei einem DWDM-Raster mit einem Kanalabstand von 50 GHz in mehrere einzelne Lichtsignale mit jeweils einer einzelnen Wellenlänge (1λ) zu demultiplexen. Dann wird jedes Lichtsignal mit einzelner Wellenlänge, das entsprechende modulierte Daten befördert, über einen entsprechenden Eingangsanschluss (205A oder 205Z) des optischen Moduls (wobei kein Empfänger mit einem Multiplexer ausgestattet ist) der entsprechenden integrierten Vorrichtung (200A oder 200Z) empfangen. Die mittels Lichtsignalen mit einzelner Wellenlänge beförderten Daten werden dort mittels eines Fotodetektors (PD) erkannt und ferner in ein elektrisches Signal umgewandelt. Weitere Funktionalitäten jeder mit der Empfangsspur verbundenen integrierten Vorrichtung zum Verarbeiten des oben umgewandelten Signals sind im Wesentlichen ähnlich denen, die für die integrierte Vorrichtung 100 beschrieben wurden.
Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischen Modul enthaltenen Lasereinrichtungen mit ausreichend geringem Rauschen gekennzeichnet, um einer PAM N-Übertragung über 100 km zu genügen, wobei N in dem Bereich zwischen 2 und 8 liegt (typischerweise N = 2ⁿ, das heißt 2, 4, 8, usw.). Bei einem Beispiel ist jede der in dem optischem Modul enthaltenen Lasereinrichtungen durch einen Wert für RIN (CNR) < –140 dB/Hz gekennzeichnet. Bei einem Beispiel ist jeder der Laser ungekühlt oder wird einer Kühlung unterzogen. Ohne Kühlung wird die Stromaufnahme verringert, während die Wellenlänge in Verbindung mit einer niedrigeren Spektraldichte „gleitend” bleibt. Bei einem weiteren Beispiel umfasst das optische Modul ferner einen thermoelektrischen Kühler (TEC), um eine Temperaturstabilisierung für jeden der Laser vorzusehen. Bei einem Beispiel wird jedes der Lasersignale unter Verwendung eines Silizium-basierten Mach-Zehnder-Modulators, der in einem Trägerverarmungsmodus betrieben wird, extern moduliert.
5 ist ein vereinfachtes Diagramm der integrierten Vorrichtung gemäß einem dritten Beispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, handelt es sich um ein Szenario zum Übertragen eines optischen 100-Gbit/s-DWDM-Signals über eine PAM 4-Codierung mit dualer Wellenlänge (2λ) in einem DCR-zu-Metro-Netzwerk mit 28,125 GBaud. Ähnlich wie in dem in 4B gezeigten Szenario werden zwei integrierte Vorrichtungen 400A und 400Z sowohl an dem A-Endpunkt als auch an dem Z-Endpunkt einer Bahn des DCR-zu-Metro-Netzwerks bereitgestellt.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist jede Vorrichtung 400A oder 400Z, anders als in 4B, wo nur ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) in jeder Vorrichtung enthalten ist, aber eine 50-GHz-DWDM-MUX-Einrichtung 300 erforderlich sein muss, um mehrere Kanäle mit einem Abstand von 50 GHz zusammenzuführen, so konfiguriert, dass sie zwei Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) aufweist, die jeweils auf zwei Wellenlängen (2λ) mit einem Abstand von 50 GHz eingestellt sind, aber jeweils um 25 GHz von einem DWDM-Standardraster mit einem Abstand von 100 GHz verschoben sind. Ein Multiplexer auf DLI-Basis in dem optischen Modul der integrierten Vorrichtung 400A oder 400B führt zunächst die von zwei Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) generierten, modulierten Lichtsignale in einem Ausgangsanschluss als optisches Signal mit 2λ zusammen. Wenn mehrere integrierte Vorrichtungen ähnlich 400A oder 400B zum Bereitstellen zusätzlicher optischer Signale mit einer Wellenlänge von 2λ hinzugefügt werden, kann jede dieser zusätzlichen Kanalwellenlängen ordnungsgemäß aus dem DWDM-Raster mit einem Abstand von 50 GHz ausgewählt und so konfiguriert werden, dass sie eine Mittenwellenlänge jedes optischen Signals mit 2λ, das von einem integrierten Modul ausgegeben wird, aufweist, die 100 GHz von der eines nächsten benachbarten optischen Signals mit 2λ entfernt ist, das von einem weiteren integrierten Modul derselben Art ausgegeben wird. Wenn alle diese optischen Signale mit 2λ zusammengeführt werden, ist die Vorrichtung in der Lage, alle Kanäle (bis zu 96) mit einem Abstand von 50 GHz bereitzustellen. Bei einer derartigen optischen Architektur genügt eine übliche 100-GHz-MUX-Einrichtung 400 anstelle eines kostspieligeren 50 GHz-Multiplexers, um alle erforderlichen Kanäle mit 50-GHz Abstand zum Übertragen von Daten über das DCR-zu-Metro-Netzwerk für ein 40-Gbit/s- oder ein 100-Gbit/s-System bereitzustellen.
6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm der Verwendung eines Leistungsverbinders zum Koppeln zweier 100-GHz-Raster für die Erzeugung eines 50-GHz-Rasters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Im Allgemeinen wird bei den in vorherigen Figuren (4A, 4B und 5) gezeigten Ausführungsbeispielen ein 50-GHz-Multiplexer für das 40-Gbit/s-System und ein 100-GHz-Multiplexer für das 100-Gbit/s-System benötigt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird, wie in 6 gezeigt, zum Erzeugen eines 50-GHz-Rasters 609 (für das 40-Gbit/s-System) aus zwei 100-GHz-Rastern 601 und 602 ein 2-zu-1-Leistungsverbinder 605, zum Beispiel das DLI in dem optischen Modul, um zwei Sätze von Kanälen von zwei 100-GHz-Multiplexem in einer Verschachtelung zusammenzuführen. Jeder 100-GHz-Multiplexer (601 oder 602) führt einen Satz von Kanälen mit 100 GHz Abstand zusammen, und jeder Kanal eines Satzes weist einen Abstand von 50 GHz von einem entsprechenden Kanal in einem anderen Satz auf. Der Nachteil bei einem Ersetzen des 50-GHz-Multiplexers durch einen 100-GHz-Multiplexer besteht darin, dass ein zusätzlicher Gewinn von 3 dB von dem optischen Verstärker auf derselben optischen Bahn erforderlich ist.
7 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Beispiel für eine in die integrierte Vorrichtung implementierte PAM4-Codierung mit 40 Gbit/s gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, wird eine 40-Gbit/s-PAM4-Codierung in dem Sendespurmodul durch Verwendung eines PAM-Codierers mit Kopplung mit einem FEC-Codierer implementiert, um ein über eine Empfangs-CDR von einer elektrischen Schnittstelle empfangenes elektrisches Signal zum Beispiel über ein kompaktes 4 × 10-G-QSFP-Hot-Plug-Format (Quad Small Form-factor Pluggable) handzuhaben. Der PAM-Codierer ist des Weiteren in dem Sendespurmodul mit einem PAM-Treiber gekoppelt, um eine Steuerung eines mit einem einzelnen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) in dem optischen Modul verbundenen PAM-basierten MZ-Modulators vorzusehen. Die PAM4-Codierung wird implementiert, um den Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) zu veranlassen, ein mittels des MZ-Modulators moduliertes Laserlichtsignal derart zu generieren, dass ein elektrisches Signal mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 4 × 10 Gbit/s an dem Ausgangsanschluss des optischen Moduls in ein optisches Signal mit 22,5 GBaud umgewandelt werden kann, wodurch eine Übertragung mit 40 Gbit/s über einen von vier CWDM-Kanälen oder von bis zu 96 DWDM-Rasterkanälen mit einem Abstand von 50 GHz ermöglicht wird.
Bei dem gleichen integrierten Modul wird, wie in 7 gezeigt, die PAM-Codierung auch in Verbindung mit dem Empfangsspurmodul implementiert. Wenn der PIN-Fotodetektor das optische Signal von einer Monomodefaser (nach einer Übertragung < 80 km) empfängt, wird das optische Signal in einen elektrischen Strom umgewandelt, der mittels eines Transimpedanzverstärkers (TIA) verstärkt wird. Dann wandelt der PAM-fähige Analog/Digital-Wandler (ADW) das analoge Stromsignal in ein Digitalsignal um, das mittels einer Digitalsignalverarbeitungseinheit (DSP) mit einem PAM-fähigen Codierungsalgorithmus verarbeitet wird. In der Folge wird das Digitalsignal mittels einer Taktdaten-Wiederherstellungseinrichtung (CDR) weiter verarbeitet, um das von dem System mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit übernommene Taktzittern zu entfernen. Ein FEC-Decoder mit einem Codierungsgewinn von 7,5 dB wird zum Decodieren des mit dem Signal verbundenen Vorwärtsfehlerkorrekturcodes angewendet. Dann wird eine Sende-CDR zum Verarbeiten des Signals verwendet, bevor es über die elektrische Schnittstelle in dem Format QSFP ausgesendet wird.
8 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Beispiel für eine in die integrierte Vorrichtung implementierte PAM4-Codierung mit 100 Gbit/s gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, benötigt die Implementierung einer PAM4-Codierung bei einem System mit 100-Gbit/s Übertragungsgeschwindigkeit zwei Wellenlängen (2λ) in dem optischen Modus zum Übertragen eines 28,125-GBaud-Signals mit 50 Gbit/s pro Wellenlänge. Demgemäß wird ein dualer PAM-Treiber in dem Sendespurmodul verwendet, um zwei Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) in dem optischen Modul zu veranlassen, zwei Lichtsignale zu generieren, die jeweils auf der Grundlage eines PAM4-Codierungsprotokolls mittels eines dualen MZ-Modulators moduliert werden, um die entsprechenden, von einer elektrischen Schnittstelle in dem 4 × 25-G-CAUI-4-Format empfangenen elektrischen Signale umzuwandeln. Die elektrischen Signale werden vor der Umwandlung in optische Signale auch mittels eines FEC-Codierers oder eines PAM-fähigen Codierers verarbeitet. Außerdem wird zur Handhabung der optischen Signale mit 2λ eine MUX-Einrichtung zu dem optischen Modul hinzugefügt, um zwei Lichtsignale in einem zusammenzuführen und an eine einzelne Glasfaser auszugeben. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ermöglicht eine in die integrierte Vorrichtung implementierte PAM4-Codierung mit 28,125 GBaud die optische Übertragung mit einer Datenübertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbit/s über einen von 4 CWDM-Kanälen oder von 40 DWDM-Kanälen mit einem Abstand von 100 GHz.
Auf ähnliche Weise wird in der Empfangsspur zunächst eine DEMUX-Einrichtung benötigt, um das optische Signal von der einzelnen Glasfaser zurück in zwei gesonderte Lichtsignale mit entsprechenden Kanalwellenlängen zu verschachteln, die das Signal in dem PAM4-Modus befördern. Demgemäß wird ein dualer PIN-Fotodetektor verwendet, um die beiden Lichtsignale mit unterschiedlichen Wellenlängen gesondert zu erkennen und jeweils in zwei Stromsignale umzuwandeln. In dem Empfangsspurmodul sind eine duale Linear-TIA- und eine duale PAM-fähige ADW/DSP-Einrichtung implementiert, um das Stromsignal zu verarbeiten und ein entsprechendes digitales Signal zu generieren. Anschließend ist eine FEC-Einrichtung so konfiguriert, dass sie das Signal decodiert und eine Vorwärtsfehlerkorrektur durchführt. Abschließend wird ein ordnungsgemäß formatiertes elektrisches Signal mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 4 × 25 Gbit/s über die elektrische Schnittstelle ausgesendet.
9 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Einbaukonfiguration der integrierten Vorrichtung mit einer Siliziumphotonik-Chip-Entwicklung in dem Bereich zwischen 100 G und 400 G für die Telekommunikation mit hoher Datenübertragungsgeschwindigkeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, ist die integrierte Vorrichtung so konfiguriert, dass sie auf einem einzelnen Substrat oder einem Zwischenträger mit einem optischen Siliziumphotonik-Modul und einem Empfangsspurmodul plus einem Sendespurmodul gepackt werden kann. Das optische Siliziumphotonik-Modul ist in einem SiPho-Rohchip mit eingebauten Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) gepackt, um bis zu 4 Laserlichtsignale mit entsprechenden Kanalwellenlängen bereitzustellen, die zum Implementieren einer elektrisch-optischen Signalumwandlung entweder mit NRZ- oder mit PAM4-Codierungsprotokoll ausgewählt wurden. Die optischen Signale werden mittels internen, aus mehreren Segmenten bestehenden MZMs zur Übertragung an einen optischen Ausgangsanschluss über eine Glasfaserschnittstelle moduliert. Umgekehrt ist ein mit der Glasfaserschnittstelle verbundener Eingangsanschluss so konfiguriert, dass er das optische Signal empfängt und dieses pro Wellenlänge mittels eines eingebauten Fotodetektors (PD) erkannt wird. Die Fotodetektoren bestehen aus Germanium und sind direkt auf dem SiPho-Rohchip integriert. Die Glasfaserschnittstelle umfasst eine Vielzahl von v-Nuten, von denen jede mit einem Modusadapter gekoppelt ist. Das Empfangsspurmodul weist innerhalb des optischen Moduls wenigstens einen zum Ansteuern des Lasers mit verteilter Rückkopplung (DFB) konfigurierten PAM-Treiber auf. Das Sendespurmodul weist wenigstens einen PAM-fähigen TIA zum Verarbeiten des empfangenen analogen, mittels des Fotodetektors pro Wellenlänge umgewandelten Stromsignals auf.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die integrierte Vorrichtung mit einer Schnittstelle für das QSFP-Format mit 28 Kontaktstiften gepackt, die eine Übertragung optischer Signale mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 28 GBaud mit 4 Wellenlängen für ein 100-G-System handhaben kann. Sie kann ferner so aufgerüstet werden, dass sie eine optische Übertragung mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 56 GBaud mit 4 Wellenlängen für ein 400-G-System handhaben kann. Die MZMs in dem optischen Modul und der PAM-Treiber in dem Sendespurmodul können sowohl mit dem NRZ- als auch mit dem PAM4-Codierungsprotokoll zum Umwandeln elektrischer Signale in optische Signale mit einer beliebigen ausgewählten Wellenlänge sowohl in einem CWDM-Kanal als auch in einem DWDM-Rasterkanal mit einem Raster von 50 GHz betrieben werden. Der Treiber und der TIA sind in 28-nm-CMOS-Technologie ausgeführt und können noch aufgerüstet werden.
10 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, welches das Chip-Layout eines optischen Siliziumphotonik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, sind in dem mittleren Bereich, der den Hauptanteil des Moduls in Anspruch nimmt, bis zu 4 Lasereinrichtungen angeordnet, um vier Lichtsignale mit entsprechenden Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 zu generieren. Jedes Lichtsignal mit entsprechender Wellenlänge wird durch gesonderte Wellenleiter auf Siliziumbasis zu einem entsprechenden linear segmentierten MZ-Modulator auf Siliziumbasis geleitet. Das modulierte Lichtsignal wird dann mittels einer MUX-Einrichtung durch Multiplexen gebündelt und an einen einzelnen Sende-Wellenleiter mit allen vier Wellenlängen gesendet. Der Sende-Wellenleiter ist so konfiguriert, dass er zur optischen Übertragung mit einer einzelnen Glasfaser gekoppelt ist. Gesondert davon ist ein Empfangs-Wellenleiter so konfiguriert, dass er mit einer einzelnen Glasfaser gekoppelt ist, um ein optisches Signal zu empfangen, das die vier Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 befördert. Eine DEMUX-Einrichtung ist implementiert, um das empfangene optische Signal in vier einzelne Lichtsignale mit entsprechenden Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4, die jeweils mittels vier Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren (PDs) erkannt werden, zu demultiplexen.
11 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Modulationstreibereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, weist eine Modulationstreibereinrichtung 1100 einen Steuerblock 1110, einen Codierer 1120, einen PRBS-Signalgenerator (Pseudo Random Binary Sequence) 1130 und eine verteilte MZM-Konfiguration 1140 auf. Insbesondere ist der Steuerblock 1110 so konfiguriert, dass er ein Paar aus einem Code PAM_En und einem Code PRBS_EN aus einer binären Auswahltabelle empfängt, um jeweils den (PAM- oder NRZ)-Codierer 1120 und den PRBS-Signalgenerator 1130 in einem entsprechenden Modus zu betreiben. Der PAM-Codierer 1120 ist so konfiguriert, dass er direkt mit der verteilten MZM-Konfiguration 1140 zum Steuern eines MZ-Modulators innerhalb des optischen Moduls der integrierten Vorrichtung gekoppelt ist, um auf der Grundlage eines empfangenen, von einer CDR verarbeiteten, elektrischen 28-Gbit/s-Signals unter Verwendung einer PAM4-Codierung (oder NRZ-Codierung) für ein mittels eines Lasers mit verteilter Rückkopplung (DFB) generiertes Laserlichtsignal eine Modulation bereitzustellen. Der MZ-Modulator ist im Wesentlichen ähnlich einem in 10 als segmentierter Modulator gezeigten Modulator. Der PRBS-Generator 1130 soll eine bekannte Binärfolge liefern, die als Testsignal für ein Taktsignal mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird, wenn Messungen der Bitfehlerrate durchgeführt werden. Bei der verteilten MZM-Konfiguration 1140 ist die Treibereinrichtung 1100 ein verteilter Treiber, der eine parallele Anordnung aus eine Vielzahl von Verstärkereinheiten 1141/1142 mit einer gemeinsamen Vorspannung Vbias umfasst, von denen jede zum Ansteuern eines einzelnen Segments eines Modulators in dem optischen Modul optimiert ist. Bei einer Implementierung unterliegt jedes Segment aufgrund von etwa 10 μm~20μm Zwischenraumabstand einer elektrischen Isolierung 1143 von etwa 0,5 MΩ–1,0 MΩ gegenüber dem ihm benachbarten Segment. Jedes Segment weist selbst aufgrund der Segmentlänge, die von 350 μm~450 μm reicht, einen Reihenwiderstand 1144 von etwa 3 Ω~4 Ω oder eine Induktion von 120 fF~160 fF auf. Bei einem Beispiel weist, wenn davon ausgegangen wird, dass 9 Segmente in einem MZ-Modulator enthalten sind, die verteilte MZM-Treiberkonfiguration 1140 dementsprechend 9 Verstärkereinheiten 1141/1142 mit einer Isolierung 1143 pro Zwischenraum und einem Reihenwiderstand 1144 auf, die korrekt eingestellt sind, um jeweils die einzelnen Segmente des MZ-Modulators anzusteuern.
12 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein Steuerungsschema für einen MZ-Modulator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, handelt es sich bei dem MZ-Modulator um einen aus mehreren Segmenten bestehenden Modulator, sodass eine verteilte MZM-Steuerkonfiguration verwendet wird, um die Vorspannung des MZ-Modulators an einer idealen Position auf einer Kennlinie der Quadratur-Übertragungsfunktion einzustellen. Insbesondere wird eine mittlere Elektrode mit der Vorspannung Vbias mit einem Ausgleichsmodulationssignal mit kleiner Amplitude und niedriger Frequenz beaufschlagt, und zwei Seitenelektroden (pro Segment) werden jeweils als positive und negative Elektrode für ein Paar von p-n-Übergängen so eingestellt, dass die Phasen an den beiden Zweigen (pro Segment) des MZ-Modulators gerade entgegengesetzt sind, um eine korrekte Signalmodulation zu erzeugen. Ein Abschnitt in Durchlassrichtung mit Itrim1 und Itrim2 auf beiden Zweigen wird verwendet, um einen Basiswert der Vorspannung Vbias für den MZM zu bestimmen. Das Ausgleichsmodulationssignal wird zusammen mit der Vorspannung Vbias derart zur Einstellung der Modulation verwendet, dass bei Erkennung des Ausgleichsmodulationssignals unter Verwendung eines in einem der Zweige integrierten Fotodetektors die Vorspannung Vbias so eingestellt wird, dass sie das Ausgleichsmodulationssignal an dem Ausgang minimiert, um die Vorspannung Vbias anhand eines Schemas der Kennlinie einer Quadratur-Übertragungsfunktion fest einzustellen.
13 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das eine bevorzugte Auswahltabelle für einen Modulationstreiber gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, wird eine Auswahltabelle für die beiden Binärcodes von PAM-En und PRBS_En dargestellt. Jeder der Codes PAM_En und PRBS_En wird aus den Werten „0” und „1” ausgewählt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird für PAM_En = PRBS_En = 0 ein Schema mit einem CDR-Tiefpassausgang für eine elektrisch-optische Signalumwandlung mit NRZ-Codierung für 10 bis 28 GBaud/s ausgewählt. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird für PAM_En = 0, PRBS_En = 1 ein Schema mit einem Taktsignal mit hoher Geschwindigkeit ausgewählt, das eine elektrisch-optische Signalumwandlung mit NRZ-Codierung für < 50 GBaud/s begleitet. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird für PAM_En = 1, PRBS_En = 0 ein Schema mit einem CDR-Tiefpassausgang für eine elektrisch-optische Signalumwandlung mittels Protokoll mit PAM4-Codierung für 10 bis 28 GBaud/s ausgewählt. Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel wird für PAM_En = PRBS_En = 1 ein Schema mit einem Taktsignal mit hoher Geschwindigkeit ausgewählt, das eine elektrisch-optische Signalumwandlung mit PAM4-Codierung für < 50 GBaud/s begleitet.
14 zeigt ein vereinfachtes Diagramm, das ein PAM4-Codierungsschema gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, wird ein PAM4-Codierungsschema zum Abbilden von binär codierten Bits auf einen Gray-/Thermometer-Code über die segmentierten MZM-Abschnitte vorgeschlagen. Ausgehend von 9 gleichen MZM-Abschnitten in Thermometer-Code steuert das Thermometer gleich gewichtete segmentierte MZ-Interferometer-Treiber an. Für die PAM4-Signalisierung in dem MZ-Interferometer-Treiber gibt es vier Stufen der optischen Ausgabe, die zwei binär codierte Bits darstellen: ein niedrigstwertiges Bit (LSB) und ein höchstwertiges Bit (MSB), die 2² = 4 Kombinationszustände von 0 und 1, zum Beispiel 00, 01, 11 und 10 vorsehen. Die Gray-/Thermometer-Codierung stellt eine bessere Leistung bereit als die binäre Gewichtung. Wie gezeigt, werden mindestens 3 MZM-Abschnitte zum Abbilden der beiden binären Bits mit vier Zuständen auf entsprechende vier Thermometer-Codes 000, 001, 011 und 111 benötigt. Aber die 9 gleichen MZM-Abschnitte in Thermometer-Code können zu drei Abschnitten gruppiert werden, um die parasitäre Effekte in der Einrichtung so gering wie möglich zu halten.
15 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm, das eine PAM4-Codiererlogik gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Dieses Diagramm ist lediglich ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht auf unangemessene Art und Weise beschränken soll. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet würde viele Abweichungen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Wie gezeigt, fasst die Tabelle das Schema der Codierung von Binärwerten in Gray-/Thermometer-Codes zusammen. Die Binärstellen umfassen 0 und 1. Für die zweistellige Bits A und B gibt es die vier Kombinationen 00, 01, 11 und 10, die den vier PAM-Symbolen 1, 2, 3 und 4 entsprechen. Bei Codierung in Thermometer-Code werden sie durch die 3 als 000, 001, 110 und 111 codierten Elemente X, Y, Z dargestellt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Wert von X entweder der gleiche Wert wie A oder B sein, der Wert von Y kann nur der gleiche Wert wie A sein, und der Wert von Z kann entweder der gleiche Wert wie A oder der Umkehrwert von B sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist eine Logikschaltung des Codierers zum Codieren von PAM4-Codes in Thermometercode veranschaulicht.
Bei einem alternativen Beispiel weist die vorliegende Erfindung eine integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip auf. Die Einrichtung ist auf einem einzelnen Siliziumsubstratelement konfiguriert. Die Einrichtung weist eine auf dem Substratelement bereitgestellte und für eine vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit und ein vordefiniertes Protokoll konfigurierte Daten-E/A-Schnittstelle auf. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit der Daten-E/A-Schnittstelle gekoppelten E/A-Block auf. Bei einem Beispiel umfasst der E/A-Block unter anderem einen SerDes-Block (Serialisierer/Deserialisierer), einen Taktdaten-Wiederherstellungsblock (CDR), einen Ausgleichsblock und einen Entzerrer-Block. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block gekoppelten Signalverarbeitungsblock auf. Bei einem Beispiel ist der Signalverarbeitungsblock so konfiguriert, dass der E/A-Block einen bidirektionalen Bus mit einem Zwischenprotokoll verwendet. Die Einrichtung weist ein auf dem Substratelement bereitgestelltes und mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppeltes Treibermodul auf. Bei einem Beispiel ist das Treibermodul unter Verwendung eines unidirektionalen Mehrspur-Busses mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine auf dem Substratelement bereitgestellte und mit dem Treibermodul gekoppelte und zur Kopplung mit einer Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierte Treiberschnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Treiberschnittstelle so konfiguriert, dass sie Ausgabedaten entweder in einem Amplitudenmodulationsformat oder in einer Kombination aus Phasen-/Amplitudenmodulationsformat oder in einem Phasenmodulationsformat überträgt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein Empfängermodul auf, das einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter Verwendung eines vordefinierten Modulationsformats mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu koppelnden Transimpedanzverstärkerblock (TIA) umfasst, und sie ist so konfiguriert, dass der Digitalsignalverarbeitungsblock Informationen zur Übertragung über die Daten-E/A-Schnittstelle an den E/A-Block übermittelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter anderem mit dem E/A-Block, dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treiberblock und dem Empfängerblock wirkverbundenen Kommunikationsblock auf. Die Einrichtung weist eine mit dem Kommunikationsblock gekoppelte Kommunikationsschnittstelle auf. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem Kommunikationsblock gekoppelten Steuerblock auf.
Bei einem Beispiel umfasst der Signalverarbeitungsblock unter anderem einen Vorwärtsfehlerkorrekturblock (FEC), einen Digitalsignalverarbeitungsblock, einen Rahmenbildungsblock, einen Protokollblock und einen Redundanzblock. Das Treibermodul wird bei einem Beispiel aus einem Stromtreiber oder einem Spannungstreiber ausgewählt. Bei einem Beispiel handelt es sich bei dem Treibermodul um einen differenziellen Treiber oder dergleichen. Bei einem Beispiel wird die Siliziumphotonikeinrichtung aus einem Elektroabsorptionsmodulator, einem elektrooptischen Modulator oder einem Mach-Zehrader-Modulator ausgewählt. Bei einem Beispiel wird das verstärkte Modulationsformat aus einem NRZ-Format (Non-Return to Zero, kein Rücksetzen auf null) oder einem PAM-Format (Pulse Amplitude Modulation, Pulsamplitudenmodulation) ausgewählt. Bei einem Beispiel wird das Phasenmodulationsformat aus BPSK (Binary Phase Shift Keying, binäre Phasenverschiebung) oder nPSK (n-Fold Phase Shift Keying, n-fache Phasenverschiebung) ausgewählt. Bei einem Beispiel handelt es sich bei der Phasen-/Amplitudenmodulation um eine Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM). Bei einem Beispiel ist die Siliziumphotonikeinrichtung so konfiguriert, dass sie die Ausgabedaten in Ausgabetransportdaten in einem Wellenlängen-Multiplexsignal (WDM) umwandelt. Bei einem Beispiel ist der Steuerblock so konfiguriert, dass er einen Lasersignal-Bias oder Modulator-Bias einleitet. Bei einem Beispiel ist der Steuerblock für Lasersignal-Bias und Leistungssteuerung der Siliziumphotonikeinrichtung konfiguriert. Bei einem Beispiel ist der Steuerblock mit einer Einrichtung für thermische Abstimmung oder Trägerabstimmung konfiguriert, von denen die jeweilige auf der Siliziumphotonikeinrichtung konfiguriert ist. Bei einem Beispiel ist der SerDes-Block so konfiguriert, dass er einen ersten Datenstrom N in einen zweiten Datenstrom M umwandelt.
Bei einem Beispiel sieht die Erfindung eine integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip vor. Die Einrichtung weist ein einzelnes Siliziumsubstratelement und eine auf dem Substratelement bereitgestellte und für eine vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit und ein vordefiniertes Protokoll konfigurierte Daten-E/A-Schnittstelle auf. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit der Daten-E/A-Schnittstelle gekoppelten E/A-Block auf. Der E/A-Block umfasst unter anderem einen SerDes-Block, einen CDR-Block, einen Ausgleichsblock und einen Entzerrer-Block. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block gekoppelten Signalverarbeitungsblock auf. Bei einem Beispiel ist der Signalverarbeitungsblock so konfiguriert, dass der E/A-Block einen bidirektionalen Bus mit einem Zwischenprotokoll verwendet. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein auf dem Substratelement bereitgestelltes und mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppeltes Treibermodul auf. Das Treibermodul ist unter Verwendung eines unidirektionalen Mehrspur-Busses mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine auf dem Substratelement bereitgestellte und mit dem Treibermodul gekoppelte und zur Kopplung mit einer Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierte Treiberschnittstelle auf. Die Treiberschnittstelle ist so konfiguriert, dass sie bei einem Beispiel Ausgabedaten entweder in einem Amplitudenmodulationsformat oder in einer Kombination aus Phasen-/Amplitudenmodulationsformat oder in einem Phasenmodulationsformat überträgt. Die Einrichtung weist ein Empfängermodul auf, das einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter Verwendung eines vordefinierten Modulationsformats mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu koppelnden TIA-Block umfasst, und sie ist so konfiguriert, dass der Digitalsignalverarbeitungsblock Informationen zur Übertragung über die Daten-E/A-Schnittstelle an den E/A-Block übermittelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block und dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treiberblock und dem Empfängerblock und weiteren wirkverbundenen Kommunikationsblock auf, obwohl es Varianten geben kann. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine mit dem Kommunikationsblock gekoppelte Kommunikationsschnittstelle und einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem Kommunikationsblock gekoppelten Steuerblock auf. Bei einem Beispiel ist der Steuerblock so konfiguriert, dass er eine oder mehrere Anweisungen in einem digitalen Format von dem Kommunikationsblock empfingt und an diesen sendet, und er ist so konfiguriert, dass er Signale in einem analogen Format empfängt und sendet, um mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu kommunizieren.
Bei einem Beispiel sieht die Erfindung eine monolithisch integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip vor, die für eine Mehrfach-Übertragungsgeschwindigkeit und ein ausgewähltes Format der Datenkommunikation konfiguriert ist. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein einzelnes Siliziumsubstratelement auf. Die Einrichtung weist eine auf dem Substratelement bereitgestellte und für eine vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit und ein vordefiniertes Protokoll konfigurierte Daten-E/A-Schnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Daten-E/A-Schnittstelle für eine Anzahl von Spuren konfiguriert, die von vier bis einhundertundfünfzig nummeriert sind. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit der Daten-E/A-Schnittstelle gekoppelten E/A-Block auf, der einen SerDes-Block, einen CDR-Block, einen Ausgleichsblock und einen Entzerrer-Block aufweist. Bei einem Beispiel ist der SerDes-Block so konfiguriert, dass er einen ersten Datenstrom N in einen zweiten Datenstrom M umwandelt. Bei einem Beispiel weist der jeweilige erste Datenstrom eine erste vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit bei einer ersten Taktfrequenz auf und der jeweilige zweite Datenstrom eine zweite vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit bei einer zweiten Taktfrequenz. Wie in dem vorliegenden Dokument verwendet, geben die Begriffe „erster/erste/erstes” und „zweiter/zweite/zweites” nicht notwendigerweise eine implizite Reihenfolge an und sollen gemäß einer gewöhnlichen Bedeutung in einem breiten Sinne ausgelegt werden. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block gekoppelten Signalverarbeitungsblock auf. Der Signalverarbeitungsblock ist bei einem Beispiel so konfiguriert, dass der E/A-Block einen bidirektionalen Bus mit einem Zwischenprotokoll verwendet. Die Einrichtung weist ein auf dem Substratelement bereitgestelltes und mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppeltes Treibermodul auf. Bei einem Beispiel ist das Treibermodul unter Verwendung eines unidirektionalen Mehrspur-Busses mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine auf dem Substratelement bereitgestellte und mit dem Treibermodul gekoppelte und zur Kopplung mit einer Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierte Treiberschnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Treiberschnittstelle so konfiguriert, dass sie Ausgabedaten entweder in einem Amplitudenmodulationsformat oder in einer Kombination aus Phasen-/Amplitudenmodulationsformat oder in einem Phasenmodulationsformat überträgt. Die Einrichtung weist ein Empfängermodul auf, das einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter Verwendung eines vordefinierten Modulationsformats mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu koppelnden TIA-Block umfasst, und sie ist so konfiguriert, dass der Digitalsignalverarbeitungsblock Informationen zur Übertragung über die Daten-E/A-Schnittstelle an den E/A-Block übermittelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block, dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treiberblock und dem Empfängerblock und weiteren Elementen wirkverbundenen Kommunikationsblock auf, obwohl es Varianten geben kann. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine mit dem Kommunikationsblock gekoppelte Kommunikationsschnittstelle und einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem Kommunikationsblock gekoppelten Steuerblock auf.
Bei einem Beispiel sieht die Erfindung eine monolithisch integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip vor, die für eine Mehrfach-Übertragungsgeschwindigkeit und ein ausgewähltes Format der Datenkommunikation konfiguriert ist. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein einzelnes Siliziumsubstratelement auf. Die Einrichtung weist eine auf dem Substratelement bereitgestellte und für eine vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit und ein vordefiniertes Protokoll konfigurierte Daten-E/A-Schnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Daten-E/A-Schnittstelle für eine Anzahl von Spuren konfiguriert, die von vier bis einhundertundfünfzig nummeriert sind, obwohl es Varianten geben kann. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit der Daten-E/A-Schnittstelle gekoppelten E/A-Block auf. Bei einem Beispiel umfasst der E/A-Block unter anderem einen SerDes-Block, einen CDR-Block, einen Ausgleichsblock und einen Entzerrer-Block. Bei einem Beispiel ist der SerDes-Block so konfiguriert, dass er einen ersten Datenstrom X in einen zweiten Datenstrom Y umwandelt, wobei X und Y unterschiedliche ganze Zahlen sind. Bei einem Beispiel weist der jeweilige erste Datenstrom eine erste vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit bei einer ersten Taktfrequenz auf und der jeweilige zweite Datenstrom eine zweite vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit bei einer zweiten Taktfrequenz. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block gekoppelten Signalverarbeitungsblock auf. Bei einem Beispiel ist der Signalverarbeitungsblock so konfiguriert, dass der E/A-Block einen bidirektionalen Bus mit einem Zwischenprotokoll verwendet. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein auf dem Substratelement bereitgestelltes und mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppeltes Treibermodul auf. Bei einem Beispiel ist das Treibermodul unter Verwendung eines unidirektionalen, mit N Spuren konfigurierten Mehrspur-Busses mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppelt, wobei N größer als M ist, sodass eine Differenz zwischen N und M eine redundante Spur bzw. redundante Spuren darstellt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen Abbildungsblock auf, der so konfiguriert ist, dass er die M Spuren mit einer Vielzahl ausgewählter Lasereinrichtungen für eine Siliziumphotonikeinrichtung verbindet. Die Einrichtung weist außerdem eine auf dem Substratelement bereitgestellte und mit dem Treibermodul gekoppelte und zur Kopplung mit der Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierte Treiberschnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Treiberschnittstelle so konfiguriert, dass sie Ausgabedaten entweder in einem Amplitudenmodulationsformat oder in einer Kombination aus Phasen-/Amplitudenmodulationsformat oder in einem Phasenmodulationsformat überträgt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein Empfängermodul auf, das einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter Verwendung eines vordefinierten Modulationsformats mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu koppelnden TIA-Block umfasst, und sie ist so konfiguriert, dass der Digitalsignalverarbeitungsblock Informationen zur Übertragung über die Daten-E/A-Schnittstelle an den E/A-Block übermittelt. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter anderem mit dem E/A-Block, dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treiberblock und dem Empfängerblock wirkverbundenen Kommunikationsblock auf. Die Einrichtung weist eine mit dem Kommunikationsblock gekoppelte Kommunikationsschnittstelle und einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem Kommunikationsblock gekoppelten Steuerblock auf.
Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip auf. Die Einrichtung weist ein einzelnes Siliziumsubstratelement und eine auf dem Substratelement bereitgestellte und für eine vordefinierte Datenübertragungsgeschwindigkeit und ein vordefiniertes Protokoll konfigurierte Daten-E/A-Schnittstelle auf. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit der Daten-E/A-Schnittstelle gekoppelten E/A-Block auf. Bei einem Beispiel umfasst der E/A-Block unter anderem einen SerDes-Block, einen CDR-Block, einen Ausgleichsblock und einen Entzerrer-Block. Die Einrichtung weist einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem E/A-Block gekoppelten Signalverarbeitungsblock auf. Der Signalverarbeitungsblock ist so konfiguriert, dass der E/A-Block einen bidirektionalen Bus mit einem Zwischenprotokoll verwendet. Die Einrichtung weist ein auf dem Substratelement bereitgestelltes und mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppeltes Treibermodul auf. Bei einem Beispiel ist das Treibermodul unter Verwendung eines unidirektionalen Mehrspur-Busses mit dem Signalverarbeitungsblock gekoppelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine auf dem Substratelement bereitgestellte und mit dem Treibermodul gekoppelte und zur Kopplung mit einer Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierte Treiberschnittstelle auf. Bei einem Beispiel ist die Treiberschnittstelle so konfiguriert, dass sie Ausgabedaten entweder in einem Amplitudenmodulationsformat oder in einer Kombination aus Phasen-/Amplitudenmodulationsformat oder in einem Phasenmodulationsformat überträgt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung ein Empfängermodul auf, das einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter Verwendung eines vordefinierten Modulationsformats mit der Siliziumphotonikeinrichtung zu koppelnden TIA-Block umfasst, und sie ist so konfiguriert, dass der Digitalsignalverarbeitungsblock Informationen zur Übertragung über die Daten-E/A-Schnittstelle an den E/A-Block übermittelt. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substratelement bereitgestellten und unter anderem mit dem E/A-Block, dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treiberblock und dem Empfängerblock wirkverbundenen Kommunikationsblock auf. Die Einrichtung weist eine mit dem Kommunikationsblock gekoppelte Kommunikationsschnittstelle und einen auf dem Substratelement bereitgestellten und mit dem Kommunikationsblock gekoppelten Steuerblock auf. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen mit dem Steuerblock konfigurierten, veränderlichen Bias-Block auf. Bei einem Beispiel ist der veränderliche Bias-Block so konfiguriert, dass er jede der Vielzahl von auf der Siliziumphotonikeinrichtung bereitgestellten Lasereinrichtungen selektiv abstimmt, um wenigstens eine Betriebswellenlänge, eine Fertigungstoleranz und ein Extinktionsverhältnis zu berücksichtigen.
Bei einem Beispiel sieht die vorliegende Erfindung eine integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip mit einem Selbsttest unter Verwendung einer Prüfschleifentechnik vor. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung einen auf dem Substrat bereitgestellten Selbsttestblock auf, wobei der Selbsttestblock so konfiguriert ist, dass er ein Prüfschleifensignal von wenigstens einem bzw. einer von dem Digitalsignalverarbeitungsblock, dem Treibermodul oder der Siliziumphotonikeinrichtung empfängt. Bei einem Beispiel umfasst der Selbsttestblock einen veränderlichen Ausgangsleistungsschalter, der so konfiguriert ist, dass er einen Stresstest des Empfängers aus dem Prüfschleifensignal bereitstellt.
Bei einem Beispiel sieht die Erfindung eine integrierte Einrichtung mit einem System auf einem Chip vor, die ein redundantes Lasersignal bzw. redundante Lasersignale für jeden Kanal aufweist. Bei einem Beispiel weist die Einrichtung eine Vielzahl von auf der Siliziumphotonikeinrichtung konfigurierten Lasereinrichtungen auf. Wenigstens ein Paar von Lasereinrichtungen ist mit einem Kanal verbunden und mit einem Schalter gekoppelt, um von dem Paar von Lasereinrichtungen eine zur Kopplung mit einem optischen Multiplexer auszuwählen, um eine redundante Lasereinrichtung vorzusehen.
Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel sieht die vorliegende Erfindung eine Einrichtung mit einem integrierten System auf einem Chip vor, die eine eingebaute Selbsttesttechnik aufweist. Bei einem Beispiel weist die integrierte Vorrichtung einen über eine ASIC-Schnittstelle auf dem Sendespurmodul konfigurierten Selbsttestblock auf, der mit einem optischen Siliziumphotonikmodul gekoppelt ist und während eines Testbetriebs betriebsfähig sein soll. Bei einem Beispiel umfasst der Selbsttestblock eine Breitbandquelle, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von 1.200 nm bis 1.400 nm oder von 1.500 nm bis 1.600 nm an eine Multiplexer-Einrichtung abstrahlt. Bei einem Beispiel kann es sich bei der Breitbandquelle um eine LED oder um eine andere geeignete Einrichtung handeln. Der Selbsttestblock ist so konfiguriert, dass er die Leistung des Sendespurmoduls digital überwacht und innerhalb der integrierten Vorrichtung über die ASIC-Schnittstelle digitale Diagnosedaten generiert. Die Diagnoseinformationen enthalten Daten zur Temperatur des Moduls, zur optischen Leistung des Senders, zur optischen Leistung des Empfängers, zur Fehlerrate des empfangenen Signals über die FEC, zu dem Verzerrungspegel in dem empfangenen Signal über die digitale Signalbearbeitung (DSP), usw. Der Selbsttestblock weist außerdem außerhalb des optischen Siliziumphotonikmoduls einen für eine Spektrumanalyseeinheit konfigurierten Selbsttestausgang auf.
Während es sich bei den obigen Ausführungen um eine vollständige Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele handelt, können verschiedene Modifikationen, Alternativkonstruktionen und Äquivalente verwendet werden. Daher sollte die obige Beschreibung und die Veranschaulichungen nicht als den Schutzumfang der vorliegenden, durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindung einschränkend aufgefasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

U.S.C. Title 35, Section 112, Paragraph 6 [0036]

Claims

Integrierte Vorrichtung mit optischen/elektrischen Schnittstellen und einem Protokollkonverter auf einem einzelnen Siliziumsubstrat, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein optisches Modul mit einem oder mehreren Modulatoren, die jeweils zum Erzeugen eines ersten optischen Signals an eine optische Schnittstelle mit einer oder mehreren Lasereinrichtungen gekoppelt sind, und mit einem oder mehreren Fotodetektoren zum Erkennen eines zweiten optischen Signals von der optischen Schnittstelle, um ein Stromsignal zu generieren; ein zwischen das optische Modul und eine elektrische Schnittstelle geschaltetes Sendespurmodul, wobei das Sendespurmodul wenigstens einen zum Empfangen eines ersten elektrischen Signals von der elektrischen Schnittstelle und zum Vorsehen eines Framing-Protokolls zum Ansteuern des einen oder der mehreren Modulatoren konfigurierten Modulationstreiber aufweist; ein zwischen das optische Modul und die elektrische Schnittstelle geschaltetes Empfangsspurmodul, wobei das Empfangsspurmodul wenigstens einen Transimpedanzverstärker aufweist, der so konfiguriert ist, dass er das Stromsignal verarbeitet, um ein zweites elektrisches Signal an die elektrische Schnittstelle zu senden; wobei das erste oder das zweite optische Signal mit einer oder mehreren Wellenlängen verbunden ist, die in einem CWDM-Raster (Coarse Wavelength Division Multiplex, Grobe Wellenlängen-Multiplex) oder einem DWDM-Raster (Dense Wavelength Division Multiplex, Dichte Wellenlängen-Multiplex) konfiguriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der einen oder mehreren Lasereinrichtungen durch Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) mit ausreichend geringem Rauschen gekennzeichnet ist, um einer PAM N-Übertragung über 100 km zu genügen, wobei N in dem Bereich zwischen 2 bis 8 liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste optische Signal durch einen Wert für RIN (CNR) < –140 dB/Hz gekennzeichnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Lasereinrichtungen ungekühlt ist und ein temperaturabhängiges Gleiten von Wellenlängen erlaubt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Lasereinrichtungen des Weiteren einen thermoelektrischen Kühler (TEC) umfasst, um eine Temperaturstabilisierung für Wellenlängen vorzusehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Modul des Weiteren einen ersten zwischen den einen oder den mehreren Modulatoren und die optische Schnittstelle geschalteten Multiplexer aufweist, um eine feste Einstellung von temperaturstabilisierten Wellenlängen zum Multiplexen der einen oder mehreren Wellenlängen von der einen oder den mehreren Lasereinrichtungen in das erste optische Signal vorzusehen, und einen mit der optischen Schnittstelle geschalteten zweiten Multiplexer zum Demultiplexen des zweiten optischen Signals in mehrere Wellenlängen, die jeweils mittels des einen oder der mehreren Fotodetektoren erkannt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem zweiten Multiplexer um ein Verzögerungsleitungs-Interferometer auf der Basis von Silizium oder Siliziumnitrid handelt, der so konfiguriert ist, dass er das zweite optische Signal in wenigstens zwei Wellenlängen in einem 50-GHz-DWDM-Raster oder mit einem anderen Frequenzabstand verschachtelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei jedem von dem einen oder den mehreren Modulatoren um einen Silizium-basierten Mach-Zehrader-Modulator handelt, der in einem Trägerverarmungsmodus betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei jedem von dem einen oder den mehreren Fotodetektoren um einen Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor aus Germaniummaterial handelt, der auf demselben einzelnen Siliziumsubstrat zur Ausbildung des einen oder der mehreren Modulatoren integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Schnittstelle einen optischen Eingang und einen optischen Ausgang umfasst, die jeweils mit einer Vielzahl von v-Nuten konfiguriert sind, wobei jede der v-Nuten mit einem mit einer Monomodefaser konfigurierten Modusadapter gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das CWDM-Raster vier Wellenlängen mit jeweiligen Spitzenwerten bei 1.270 nm, 1.290 nm, 1.310 nm und 1.330 nm umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das DWDM-Raster bis zu 96 Wellenlängen mit einem Kanalabstand von 50 GHz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Multiplexer so konfiguriert ist, dass er vier CWDM-Wellenlängen mit einem Abstand von 20 nm oder wenigstens zwei DWDM-Wellenlängen mit einem Abstand von 50 GHz zusammenführt, die jeweils mit Daten moduliert wurden, die in einen einzigen, mittels des ersten optischen Signals beförderten Strom von Informationen zusammengeführt wurden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Framing-Protokoll zum Umwandeln des ersten elektrischen Signals in das erste optische Signal für die Modulation sowohl bei NRZ- als auch bei PAM-Signalcodierung mittels des Silizium-basieren Mach-Zehnder-Modulators in dem optischen Modul konfiguriert wird, das mittels des Modulationstreibers in dem Sendespurmodul angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem Silizium-basierten Mach-Zehnder-Modulator um einen segmentierten Modulator mit einer Vielzahl von Segmenten handelt und die PAM-Signalcodierung in eine Thermometer-Codierung codiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Modulation mit NRZ-Signalcodierung durch Ansteuern aller Segmente zusammen erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Modulation mit PAM-Signalcodierung ein PAM4-Codierungsschema unter Verwendung von 3 als Gruppe zusammengefassten Abschnitten aus 9 Segmenten des segmentierten Modulators aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der segmentierte Modulator so konfiguriert ist, dass eine Segmentlänge zwischen 350 μm und 450 μm und ein Segmentzwischenraum zwischen 10 μm und 50 μm vorliegen, damit möglichst wenig parasitäre Effekte entstehen, und dass er für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Modulationstreiber in dem Sendespurmodul einen in einer 28-nm-CMOS-Architektur konfigurierten, begrenzenden Treiber umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sendespurmodul ferner eine Taktdaten-Wiederherstellungseinrichtung (CDR), eine Vorwärtsfehlerkorrektureinrichtung (FEC), eine mit dem Modulationstreiber in einer verteilten MZM-Konfiguration gekoppelte, digitale Codiereinrichtung (ENC) umfasst, um den einen oder die mehreren Modulatoren in dem optischen Modul so anzusteuern, dass sie auf der Grundlage des ersten elektrischen Signals jedes mittels der einen oder der mehreren Lasereinheiten generierte Lasersignal mit einer Wellenlänge entweder in einem CWDM-Raster oder einem DWDM-Raster mit einem Abstand von 50 GHz oder 100 GHz codieren.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Modulationstreiber eine parallele Anordnung aus einer Vielzahl von Verstärkern umfasst, wobei jeder so optimiert ist, dass er ein einzelnes Segment des einen oder der mehreren Modulatoren ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine unter Verwendung einer Flip-Chip-Konfiguration mit dem CWDM- oder DWDM-Raster gekoppelte Modulatoreinrichtung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Empfangsspurmodul ferner eine Taktdaten-Wiederherstellungseinrichtung (CDR), eine Vorwärtsfehlerkorrektureinrichtung (FEC) und eine zum Digitalisieren des Stromsignals mit dem Transimpedanzverstärker (TIA) gekoppelte Digitalsignalverarbeitungseinheit (DSP) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der TIA in einer 28-nm-CMOS-Architektur konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, die ferner eine Stromversorgung, einen Mikrocontroller, einen Selbsttestblock in Schaltungen mit einer mit der elektrischen Schnittstelle gekoppelten ASIC-Schnittstelle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Selbsttestblock so konfiguriert ist, dass er die Leistung des Sendespurmoduls digital überwacht und über die ASIC-Schnittstelle Diagnoseinformationen generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Diagnoseinformationen wenigstens Daten zur Temperatur, zur optischen Leistung, zur optischen Leistung, zur Fehlerrate des elektrischen Signals über die FEC, zu dem Verzerrungspegel in dem Signal umfassen, das über die digitale Signalbearbeitung (DSP) aus dem mittels des TIA digitalisierten Stromsignal empfangen wurde.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Selbsttestblock eine Breitbandquelle mit LED umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von 1.200 nm bis 1.400 nm oder von 1.500 nm bis 1.600 nm abstrahlt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Schnittstelle für eine Datenkommunikation über Ethernet mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von entweder 4 × 10 Gbit/s oder 4 × 25 Gbit/s konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Schnittstelle für eine optische Kommunikation mit entweder 20 GBaud oder 28 GBaud in PAM4-Codierung über eine Monomodefaser über Kanäle in einem CWDM-Raster mit einem Kanalabstand von 20 nm oder über Kanäle in einem DWDM-Raster mit einem Kanalabstand von 50 GHz/100 GHz konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die innerhalb eines QSFP-28-Gehäuses konfiguriert ist, das eine metallische Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung aufweist.