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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Realisieren einer Breitband-Übertragungsleitung für integrierte photonische Anwendungen.
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BESCHREIBUNG
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Mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeitende optische Modulatoren (z. B. höher als 20 Gb/s) sind normalerweise als Wanderwellenstrukturen (TW-Strukturen für englisch „traveling wave”) realisiert. Die TW-Konfiguration versucht, den kapazitiven Widerstand (die „Kapazität”) eines langen Modulators so zu verteilen, dass er statt einer großen, in einem Punkt konzentrierten Kapazität eine angemessene Leitungswellenimpedanz (auch als „Leitungswellenwiderstand” bezeichnet) gegenüber einer Treiberschaltung bietet. Die TW-Konfiguration versucht, die Geschwindigkeit eines Mikrowellen-Modulationssignals, das an einer Elektrode entlangwandert, mit einer optischen Welle abzugleichen, die moduliert wird und sich ebenfalls entlang der Elektrode bewegt.
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Eine ideale verlustfreie Übertragungsleitung ist so gestaltet, dass sie eine Leitungswellenimpedanz (Z
OU) und eine Mikrowellengeschwindigkeit (v
pU) aufweist, die, wenn die Übertragungsleitung unbelastet ist, beide höher sind als die endgültigen Auslegungszielwerte (Z
OL, v
pL) im belasteten Zustand. Unbelastet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Übertragungsleitung nicht mit dem Wellenleiter, der das optische Signal aufweist, in Kontakt steht. Die Gleichungen einer idealen, verlustfreien Übertragungsleitung für einen unbelasteten Zustand weisen auf:
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Die Gleichungen einer idealen, verlustfreien Übertragungsleitung für einen belasteten Zustand weisen auf:
Z ist die Impedanz, v die Geschwindigkeit, L die Induktivität, C die Kapazität, c die Lichtgeschwindigkeit und n ein Brechungsindex.
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Ein Belastungsfaktor ist ein Verhältnis der Gesamtlänge der Belastungs-Kontaktelemente zu einer Gesamtlänge des Modulators. Jedes der aktiven Belastungselemente fügt Kapazität hinzu, wodurch die Leitungswellenimpedanz und Mikrowellengeschwindigkeit verringert werden. Es ist schwierig, die Impedanz und Geschwindigkeit von unbelasteten Übertragungsleitungen zu maximieren. Aktive optische Wellenleiter in typischen optischen Halbleitermodulatoren weisen eine hohe Kapazität pro Einheitslänge auf. Eine niedrige unbelastete Leitungswellenimpedanz und Geschwindigkeit in Verbindung mit hoch kapazitiven Belastungselementen ergeben sehr niedrige Belastungsfaktoren (10 bis 50%). Dies macht es schwierig, eine endgültige Leitungswellenimpedanz des TW-Modulators im belasteten Zustand zu erzielen, die in der Nähe von 50 Ohm liegt, und gleichzeitig für einen angemessenen Geschwindigkeitsabgleich mit dem optischen Signal zu sorgen. Ein niedriger Belastungsfaktor bedeutet, dass der Modulator nicht raumsparend ist, d. h. der größte Teil der realen Länge des Modulators trägt nicht zur optischen Modulation bei.
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Darüber hinaus erhöhen passive Abschnitte des Modulators, die nicht zur Modulation beitragen, den optischen Verlust. Zudem erfährt ein Mikrowellen-Modulationssignal zusätzliche ohmsche Verluste, wenn es an längeren Elektroden entlangwandern muss. Ein Standardproblem bei verlustbehafteten Übertragungsleitungen besteht darin, dass die Impedanz der Leitung eine Funktion der Frequenz ist, und dies führt zu Verzerrung.
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Des Dokument
US 2007/0 292 073 A1 offenbart demgegenüber eine Schaltungsanordnung für einen elektro-optischen Modulator auf der Grundlage der durch die freien Ladungsträger des Substrats hervorgerufenen Dispersion. Die kepazitive Komponente des Wellenleiters des Modulators ist dabei zusammen mit den Transistoren in den Schaltkreis und dessen physikalisches Layout integriert. Durch das Schalten des Modulators mittels der Transistoren ergibt sich die elektro-optische Modulation an der kapazitiven Komponente des Wellenleiters.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Gemäß einem Aspekt werden eine Übertragungsleitung und ein Verfahren zum Realisieren bereitgestellt, das eine Vielzahl von Segmenten aufweist, die einen elektrischen Pfad und einen durchgehenden, durch die Segmente verlaufenden optischen Pfad bilden. Diskrete Induktoren sind zwischen benachbarten Segmenten gebildet und verbinden diese. Die Induktoren werden in einer Vielzahl von Metallschichten einer integrierten Schaltung gebildet, um die Kapazität eines optischen Modulators auszugleichen, der die Übertragungsleitung aufweist, um eine Leitungswellenimpedanz für die Übertragungsleitung zu erzielen.
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In einem zweiten Aspekt weist eine Übertragungsleitung eine Vielzahl von Segmenten auf, die einen durchgehenden elektrischen Pfad und einen durchgehenden optischen Pfad durch die Segmente aufweisen. Diskrete Induktoren sind zwischen benachbarten Segmenten gebildet und verbinden diese. Die Induktoren werden in einer Vielzahl von Metallschichten einer integrierten Schaltung gebildet, um die Kapazität eines optischen Modulators auszugleichen, der die Übertragungsleitung aufweist, um eine Leitungswellenimpedanz für die Übertragungsleitung zu erzielen. Ein Verzögerungsmechanismus ist so angeordnet, dass die Phase zwischen einem auf dem elektrischen Pfad wandernden elektrischen Signal und einem auf dem optischen Pfad wandernden optischen Signal abgeglichen wird, um eine Betriebsbandbreite zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Realisieren einer Breitband-Übertragungsleitung weist das Ausgleichen der Kapazität eines optischen Modulators einer Breitband-Übertragungsleitung auf, um eine Leitungswellenimpedanz für die Übertragungsleitung zu erzielen, indem ein diskreter Induktor zwischen benachbarten Segmenten der Übertragungsleitung angeschlossen wird und das Abstimmen eines Regelkreises, um die Geschwindigkeit zwischen einem elektrischen Signal und einem optischen Signal abzugleichen, die auf der Übertragungsleitung wandern.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen davon hervor, die in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen zu lesen ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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(Eine) Ausführungsform(en) der Erfindung wird (werden) nun lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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1 ein Schaubild ist, das eine Übertragungsleitung zeigt, die diskrete Induktoren zwischen Segmenten gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform aufweist;
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2 eine schematische Darstellung ist, die die Heaviside-Bedingungen für eine Übertragungsleitung für eine beispielhafte Ausführungsform aufzeigt;
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3 ein Diagramm ist, das eine Übertragungsleitung zeigt, die diskrete Induktoren und zusätzliche Wellenleitersegmente für eine abgeglichene Phase gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform aufweist;
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4 ein Diagramm ist, das eine Übertragungsleitung zeigt, die diskrete Induktoren, zusätzliche Wellenleitersegmente, eine Verzögerungsregelschleife und einen Varaktor für eine abgeglichene Phase gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform aufweist;
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5 eine Querschnittsansicht einer mehrschichtigen integrierten Schaltung für einen Induktor gemäß einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform ist; und
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6 ein Blockschaubild/Ablaufdiagramm für das Betreiben einer Übertragungsleitung gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Gemäß den vorliegenden Grundsätzen werden eine optimierte Wanderwellen(TW)-Struktur und ein Regelkreis für optische Halbleitermodulatoren bereitgestellt. In einer besonders nützlichen Ausführungsform werden photonische Modulatoren in einem Prozess für integrierte Schaltkreise (z. B. in einem Prozess für komplementäre Metalloxidhalbleiter (CMOS)) mit mehreren Metallschichten hergestellt. Aspekte der vorliegenden Systeme und Verfahren weisen auf: verteilte Elektroden, die Induktoren mit mehreren Metallschichten nutzen, um den kapazitiven Widerstand eines optischen Modulators auszugleichen, um einen gewünschten Leitungswellenwiderstand zu erzielen; verlustarme optische Verzögerungsleitungen, die zwischen aktiven Modulatorsegmenten eingefügt werden, um die gerade modulierte optische Welle zu verlangsamen und ihre Geschwindigkeit mit dem elektrische Modulationssignal abzugleichen; und einen abstimmbaren Regelkreis und ein Verfahren zum Realisieren des abstimmbaren Regelkreises für den Geschwindigkeitsabgleich des elektrischen Modulationssignals und des optischen Signals, die in einer Übertragungsleitung (z. B. eines optischen Modulators) wandern.
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Aspekte der vorliegenden Erfindung werden weiter unten mit Bezug zu Ablaufplan-Veranschaulichungen und/oder Blockschaubildern von Verfahren und einer Vorrichtung (Systemen) gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Der Ablaufplan und die Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, die Funktionalität und den Betrieb von möglichen Umsetzungen von Systemen, Einheiten und Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In einigen alternativen Umsetzungen können die in den Blöcken angegebenen Funktionen in einer anderen als der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten. Beispielsweise können je nach betroffener Funktionalität zwei als aufeinander folgend dargestellte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden. Es wird auch angemerkt, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufplan-Veranschaulichung und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder der Ablaufplan-Veranschaulichung durch Hardware-Spezialsysteme umgesetzt werden können, die die festgelegten Funktionen oder Handlungen durchführen, oder durch Kombinationen von Spezial-Hardware und/oder Computerbefehlen.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung hier als bestimmte veranschaulichende Architektur beschrieben wird, die eine Siliciumtechnologie verwendet, andere Architekturen, Strukturen, Substratmaterialien (z. B. InP, GaAs, Polymere usw.) sowie Prozessmerkmale und Schritte können jedoch innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung variiert werden.
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Schaltungen, wie sie hier beschrieben werden, können Teil eines Entwurfs für einen IC-Chip sein oder einen IC-Chip oder -Chips verwenden. Der Entwurf des Chips kann in einer grafischen Computerprogrammiersprache erstellt und auf einem Computerspeichermedium (beispielsweise einer Platte, einem Band, einer Hardware-Festplatte oder einer virtuellen Festplatte, beispielsweise in einem Speicherzugriffsnetzwerk) gespeichert werden. Wenn der Entwickler die Chips oder die zur Chipherstellung genutzten photolithographischen Masken nicht herstellt, kann der Entwickler den resultierenden Entwurf durch materielle Mittel (z. B. durch Bereitstellen einer Kopie des Speichermediums, auf dem der Entwurf gespeichert ist) oder elektronisch (z. B. über das Internet) derartigen Einrichtungen direkt oder indirekt bereitstellen. Der gespeicherte Entwurf wird dann in das geeignete Format (z. B. GDSII) zur Herstellung von photolithographischen Masken umgewandelt, die normalerweise mehrere Kopien des fraglichen Chipentwurfs aufweisen, die auf einer Scheibe (wafer) zu bilden sind. Die photolithographischen Masken werden genutzt, um Bereiche des Wafers (und/oder der Schichten darauf) zu definieren, die geätzt oder anderweitig verarbeitet werden sollen.
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Das Verfahren, wie es hier beschrieben wird, kann bei der Herstellung von IC-Chips verwendet werden. Die daraus entstehenden IC-Chips können vom Hersteller in Form eines Rohwafers (das heißt als einzelner Wafer, der mehrere Chips ohne Gehäuse aufweist), als ungekapselter Einzelschaltkreis oder in einer Form mit Gehäuse vertrieben werden. Im letztgenannten Fall wird der Chip in einem Einzelchipgehäuse (beispielsweise einem Kunststoffträger mit Leitungen, die an einer Steuerplatine oder einem anderen Träger einer höheren Ebene befestigt sind) oder in einem Gehäuse mit mehreren Chips montiert werden (beispielsweise einem Keramikträger, der entweder Verbindungen an der Oberfläche oder versenkte Verbindungen oder beides aufweist). In jedem Fall ist der Chip dann als Teil entweder (a) eines Zwischenprodukts wie beispielsweise einer Steuerplatine oder (b) eines Endprodukts mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder anderen Signalverarbeitungseinheiten integriert. Das Endprodukt kann jedes Produkt sein, das IC-Chips aufweist, und von Spielzeug und anderen einfachen Anwendungen bis zu fortschrittlichen Computerprodukten reichen, die eine Anzeige, eine Tastatur oder eine andere Eingabeeinheit und einen Zentralprozessor aufweisen.
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Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen, auf denen gleiche Zahlen gleiche oder ähnlihe Elemente darstellen, und zu Anfang auf 1, zeigt ein Diagramm diskrete Spulen 102 mit niedrigem Widerstand (R) und hoher Induktivität (1), die gemäß einer Ausführungsform in eine Übertragungsleitung 104 eingefügt sind. Eine Übertragungsleitung 104 ist so gestaltet, dass sie einen Leitungswellenwiderstand (ZOU) und eine Mikrowellengeschwindigkeit (vpU) aufweist, die, wenn die Übertragungsleitung unbelastet ist, beide höher sind als die endgültigen Auslegungszielwerte (ZOL, vpL) im belasteten Zustand. Eine periodische Belastung durch aktive Belastungselemente der Übertragungsleitung 104 wird erreicht, indem ein Kontakt zu dem optischen Wellenleiter 105 unter Verwendung diskreter Elemente 102 hergestellt wird, die eine geringere Länge aufweisen als die Gesamtlänge eines Modulators. Die Übertragungsleitung 104 weist einen optischen Wellenleiter 105 und eine elektrische Leitung 103 auf (die durch die Spulen 102 verläuft). Die diskreten Spulen 102 mit hoher Induktivität L werden so eingefügt, dass sie eine effektive Impedanz Z der Leitung 104 bewirken, die näher an einem gewünschten Wert liegt. Die Anzahl diskreter L-C-Segmente 106 ist klein, z. B. gerade ausreichend, um die Abmessungen des Segments deutlich unter einer Wellenlänge eines elektrischen Signals zu halten, das die Leitung 104 hinunterwandert, sodass die Leitung 104 weiterhin wirksam als durchgehende Übertragungsleitung fungiert.
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In einer besonders nützlichen Ausführungsform werden die Spulen 102 mit mehreren, in einer integrierten Schaltung miteinander verbundenen Metallschichten gebildet. Die Spulen 102 können so hergestellt werden, dass sie einen sehr geringen Reihenwiderstand R (bei hohem L) aufweisen und dadurch die Leitung 104 nahe an das Erfüllen der Heaviside-Bedingungen bringen.
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Bezugnehmend auf
2 weisen die Heaviside-Bedingungen für eine verlustbehaftete Übertragungsleitung das Folgende auf. Eine Heaviside-Bedingung (für eine Ausbreitung ohne Verzerrung) weist auf:
R / G = L / C mit R gleich einem Widerstand, G gleich der Transkonduktanz, L gleich der Induktivität und C gleich der Kapazität. Die Impedanz einer verlustbehafteten Übertragungsleitung weist
auf. Wenn die Heaviside-Bedingung erfüllt ist, ist Z gleich wie das der idealen Leitung:
2 zeigt die Parameter δR, δG, δL und δC für ein differentielles Segment δx der Übertragungsleitung.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die Lücken in der Abdeckung des Wellenleiters möglichst gering gehalten werden (z. B. In der Gestaltung einer integrierten Schaltung nur begrenzt durch Konstruktionsregeln für Metalle). Dies erhöht den Wirkungsgrad des Modulators und verringert die Gesamtgröße des Systems. Elektroden 108 nutzen diskrete Induktoren 102, die entlang elektrischer Kontakte 110 eines aktiven optischen Modulators angebracht werden, um eine verteilte Elektrodenstruktur 114 in einem Arm des Modulators zu bilden. Die Kombination der Induktoren 102 mit einem kapazitiv aktiven optischen Wellenleiter 105 bildet eine verteilte LRC-Schaltung. Einer der Vorteile dieses Ansatzes besteht darin, dass die Induktoren 102 dahingehend optimiert werden können, dass sie zwei der drei Schaltungsparameter regeln. Hierzu gehören die Induktivität pro Einheitslänge und der Widerstand pro Einheitslänge. Die Induktivität kann unter Verwendung einer Vielzahl von Modellierungswerkzeugen (z. B. ASITICTM, HFSSTM, AGILENTTM ADSTM usw.) ausgestaltet und vorhergesagt werden, und der Widerstand der Modulatorelektroden kann minimiert werden, indem mehrere (in einem CMOS-Prozess verfügbare) Metallschichten unter Verwendung von Durchkontakten zwischen den Ebenen miteinander verbunden werden. Während die Gestaltung der Induktoren 102 in den verteilten Elektroden L und R der verteilten LRC-Schaltung bestimmt, wird die Kapazität pro Einheitslänge (C) durch die Abmessungen des aktiven optischen Wellenleiters 105 eingestellt. Die Induktivitätsspulen 102 weisen vorzugsweise eine Induktivität zwischen ungefähr 1 pH und 10 nH auf und weisen vorzugsweise einen Reihenwiderstand von weniger als 50 Ohm auf.
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In der Praxis bedeutet dies, dass ein als Ziel angestrebter Wert der Leitungswellenimpedanz im belasteten Zustand erreicht werden kann, wie durch die im Teil „Hintergrund” dargelegten Gleichungen veranschaulicht, die Mikrowellengeschwindigkeit wird jedoch wahrscheinlich wesentlich geringer sein als die Geschwindigkeit des optischen Signals. Die Leitungswellenimpedanz kann zwischen ungefähr 20 und 150 Ohm liegen, obgleich auch andere Kriterien verwendet werden können. Um gleichzeitig einen Abgleich zwischen dem optischen und elektrischen Signal zu erreichen, können diskrete verlustarme optische Verzögerungselemente 210 zwischen jedes der aktiven optischen Modulatorsegmente eingefügt werden, wie in 3 gezeigt.
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Eine Modulatorkonfiguration kann einen Verteiler (nicht gezeigt) aufweisen, der ein optisches Eingangssignal auf Verzweigungen verteilt. 1, 3 bis 4 zeigen einen einzelnen Zweig mit einer Übertragungsleitung für einen Modulator. Der Modulator würde eine oder mehrere dieser Verzweigungen aufweisen, und alle Verzweigungen können eine Übertragungsleitung aufweisen, müssen es aber nicht. Ein Verteiler (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um eine Regelung in einem oder mehreren Armen anzuwenden, um eine Phasendifferenz in dem optischen Signal zwischen den Armen zu erzeugen. Das verteilte Signal kann wieder zusammengeführt werden (z. B. unter Verwendung eines Kopplers (nicht gezeigt) am Ende der Verzweigungen). Warm daher die Phasendifferenz zwischen den Armen 180 Grad betrug, löschen sich die Signale aus, wenn sie wieder zusammengeführt werden. Wenn die Phasendifferenz 0 oder 360 Grad beträgt, wird am Ausgang wieder das gesamte Signal bereitgestellt. Auf diese Weise kann der Modulator die Funktion eines Schalters für das Ein- und Ausschalten der Übertragung der optischen Signale übernehmen. In einem Beispiel können für einen Modulator mit einem oder zwei Eingängen und zwei Ausgängen der Eingang (die Eingänge) unter Verwendung derselben Technik zu jedem der Ausgänge gelenkt werden. Weitere Konfigurationen können ebenfalls bereitgestellt werden.
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Bezugnehmend auf 3 weist eine Übertragungsleitung 204 (bei der es sich um einen Arm eines optischen Modulators handeln kann) abgeglichene optische und elektrische Verzögerungen auf. Erhöhen der Induktivität L in den Spulen 102 erhöht auch die Verzögerung pro Segment (oder Stufe) 108, was zu einer Abweichung zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten eines elektrischen Signals in einem elektrische Pfad 203 und des Lichts in einem optischen Wellenleiter 205 führt. Wenn beispielsweise L = 100 pH und C = 100 fF ist, beträgt die Verzögerung pro Stufe 3 ps. Wenn die Größe einer Stufe (106) 100 Mikron beträgt, was die Strecke ist, die das Licht in 1 ps zurücklegt, besteht pro Stufe eine Geschwindigkeitsabweichung von 2 ps. Bei 10 oder 20 Stufen entsteht eine Abweichung von 20 bis 40 ps, was für 20 Gb/s nicht annehmbar ist. Wellenleitersegmente 210 (z. B. Lichtwellenleiter) können hinzugefügt werden, um die Verzögerungen abzugleichen. Die Länge der Segmente 210 wird so gewählt, dass sie für eine geeignete Verzögerung sorgt.
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Bezugnehmend auf 4 ist eine Übertragungsleitung 304 veranschaulichend gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Das Abgleichen zwischen den elektrischen und optischen Signalen kann adaptiv durch Hinzufügen von Varaktoren 302 in die C-Lasten der elektrischen Leitung 203 erfolgen. Zusätzlich kann eine Verzögerungsregelschleife DLL (delay locked loop) 305 verwendet werden, um Phasendifferenzen zwischen den optischen und elektrischen Signalen anzupassen. Die DLL 305 gleicht automatisch optische und elektrische Verzögerungen ab. Das Abgleichen von optischen und elektrischen Verzögerungen kann in Abhängigkeit von der Veränderlichkeit des Prozesses, Temperaturänderungen usw. unterschiedlich sein. Ein unvollkommenes Abgleichen von Verzögerungen begrenzt die erreichbare Höchstgeschwindigkeit. Daher greifen die zum C-Lastteil der elektrischen Übertragungsleitung hinzugefügten Varaktoren 302 das optische Signal, das aus einem Modulatorarm (Leitung 304) kommt, unter Verwendung einer Schaltung 310 ab, um das Signal in den elektrischem Bereich umzuwandeln (optische Flanke) Ein Abgriff 311 sammelt einen kleinen Teil der optischen Energie (bevorzugt sind dies z. B. weniger als 10% und noch starker bevorzugt weniger als 5%). Die Schaltung 310 weist eine Fotodiode 312 oder dergleichen auf, um das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein Verstärker 314 oder andere Schaltungen können ebenfalls verwendet werden. Die DLL 305 vergleicht die Ankunftszeiten der elektrische Flanke und der optischen Flanke unter Verwendung eines Phasendetektors 306. Der Phasendetektorausgang (früh/spät) wird von einem Schleifenfilter 308 gefiltert, welches das Signal filtert und die Varaktoren 302 so regelt, dass die Übereinstimmung von beiden Verzögerungen sichergestellt wird. Es versteht sich, dass ein Modulator mehrere Arme aufweisen kann, wobei mindestens einer eine Übertragungsleitung gemäß den vorliegenden Grundsätzen aufweist.
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In einer Ausführungsform wird eine integrierte elektrisch-photonische Übertragungsleitung 304 mit hoher Bandbreite und geringer Verzerrung bereitgestellt, indem die Leitung in Stufen 106 unterbrochen und diskrete (beispielsweise spiralförmige) Induktorspulen 102 aus mehreren Metallen mit hoher Induktivität und geringem Widerstand zwischen den Stufen 106 eingefügt werden, um die Impedanzanforderungen für einen Breitbandbetrieb zu erfüllen (z. B. Impedanz von 50 Ohm oder weniger, vorzugsweise kleiner als ungefähr 10 Ohm und noch stärker bevorzugt zwischen 1 bis 5 Ohm, ein höherer Wert kann jedoch für kürzere Leitungen mit weniger Segmenten geeignet sein).
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Eine Ausbreitungsgeschwindigkeit (Verzögerung pro Stufe) von optischen und elektrischen Wellen wird so abgeglichen, dass eine höchstmögliche Datenrate, z. B. 1 Gb/s oder mehr und vorzugsweise höher als 10 Gb/s, erreicht wird. Die vorliegenden Grundsätze passen die Geschwindigkeit des elektrischen Signals automatisch so an, dass sie mit der Geschwindigkeit des optischen Signals übereinstimmt. Dies ermöglicht eine maximale Betriebsgeschwindigkeit unter allen Bedingungen, z. B. Verarbeitung, Temperatur usw. Es wird zwar eine DLL 305 veranschaulichend beschrieben, es können aber auch andere abstimmbare Regelkreise oder Verzögerungsmechanismen verwendet werden.
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Wenn die Übertragungsleitung 304 in einem optischen Modulator verwendet wird, kann der Modulator einen Mach-Zehnder-Hochgeschwindigkeitsmodulator aufweisen, bei dem mindestens eine Phasenmodulatorelektrode die Übertragungsleitung 304 aufweist. In einer anderen Ausführungsform verwendet ein Elektroabsorptions-Hochgeschwindigkeitsmodulator die Übertragungsleitung(en) 304 als Elektrode für die Modulation des Verstärkungsfaktors. Der Modulator kann in einer integrierten Schaltung enthalten sein, die ein Substrat aufweist, das aus einem oder mehreren von Si, GaAs, LiNbO3, InP oder irgendeiner anderen Halbleiterverbindung, einem Einkristall oder einem Polymermaterial gebildet wird.
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Es wurden Simulationen durchgeführt, um eine Struktur gemäß den vorliegenden Grundsätzen mit herkömmlichen, in einem Punkt konzentrierten Kapazitäten (ohne zusätzliche Induktorspulen) bei 20 Gb/s zu vergleichen. Das Datenauge (in einem Augendiagramm) ist wert geöffnet, wenn die vorgeschlagene Struktur einer Übertragungsleitung bei 20 Gb/s verwendet wird, während der herkömmliche Ansatz auf einen Betrieb von weniger als 5 Gb/s begrenzt war. Simulationen unter Verwendung einer praktischen Umsetzung der Entzerrungsspule in einem 90-nm-CMDS-Prozess wurden ebenfalls durchgeführt. Besondere Schritte mussten unternommen werden, um den Reihen-R der Spule niedrig zu halten (mehrere miteinander verbundene Metallschichten, um R zu minimieren). Die Simulation zeigte, dass der Betrieb mit 20 Gb/s empfindlich gegenüber dem Reihen-R der Induktorspule ist.
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Bezugnehmend auf 5 weist eine integrierte Schaltung 400 einen Abschnitt einer Übertragungsleitung 404 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform auf. Die integrierte Schaltung 400 weist vorzugsweise einen IC-Halbleiterchip auf, obwohl auch eine gedruckte Verdrahtungsplatine oder eine andere Konfiguration verwendet werden kann. Die Schaltung 400 ist veranschaulichend dargestellt, um eine beispielhafte Konfiguration aufzuzeigen. Es sollte beachtet werden, dass andere Konfigurationen, die andere Einheiten und Strukturen aufweisen, ebenfalls verwendet werden können. Beispielsweise können ein Modulator, Dioden, Varaktoren, Transistoren (z. B. zur Verwendung in einem Verstärker, einer DLL usw.) ebenfalls in die Schaltung 400 integriert oder mit der Schaltung 400 verbunden werden. Die Schaltung 400 kann einen einzelnen Chip aufweisen, der mindestens eine Übertragungsleitung 404 aufweist (siehe z. B. die Leitungen 104, 204 und 304), die einen optischen Wellenleiter 406 und einen elektrischen Pfad 408 aufweist. Der optische Wellenleiter 406 kann einen Lichtwellenleiter oder einen anderen Wellenleiter aufweisen.
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Die Schaltung 400 ist in zwei Teilen mit unterbrochenen Linien gezeigt, um zu zeigen, dass die Schaltung weitergeht. Eine einzelne Übertragungsleitung kann auf einem einzelnen Chip verwendet werden, sie kann mehrere Chips überspannen oder eine Verbindung über große Entfernungen unter Verwendung von Kabeln, Fasern und/oder Leitungen herstellen Die Schaltung 400 weist ein Substrat 410 auf, das z. B. Si, InP, GaAs, LiNbO3, ein Polymer oder andere Elemente oder Verbindungen aufweisen kann. Das Substrat 410 weist eine Vielzahl von darauf gebildeten Schichten 412 auf. Die Schichten 412 weisen Leiterbahnen 414 auf. Die Leiterbahnen 414 können für verschiedene Funktionen der Schaltung 400 verwendet werden; 5 zeigt jedoch eine Vielzahl von Leiterbahnen 414 und Verbindungen 416, um den Reihenwiderstand in den Induktorspulen 102 zu verringern. Es wird zwar keine vollständige Spule 102 dargestellt, ein veranschaulichender Teil zeigt jedoch eine Anzahl von Leiterbahnen 414, die so kombiniert werden, dass sie die Spulen 102 bilden. Der elektrische Pfad 408 stellt die Verbindung zur Spule 102 her und verläuft durch die Übertragungsleitung 404. Der optische Pfad 406 verläuft, auch durchgehend entlang oder durch die Schaltung 400. Zusätzliche Wellenleitersegmente 210 (4) können in der Schaltung 400 zwischen Chips, auf einem Chip usw. angeordnet werden.
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Bezugnehmend auf 6 ist ein Verfahren zum Realisieren einer Breitband-Übertragungsleitung veranschaulichend gemäß einer Ausführungsform dargestellt. In Block 502 wird die Kapazität eines optischen Modulators mit einer Breitband-Übertragungsleitung ausgeglichen, um eine Leitungswellenimpedanz für die Übertragungsleitung zu erzielen. In Block 504 kann der Ausgleich erreicht werden, indem ein diskreter Induktor, z. B. ein spiralförmiger Induktor, zwischen benachbarten Modulatorsegmenten der Übertragungsleitung angeschlossen wird. In Block 506 wird der Induktor in einer Vielzahl von Metallschichten einer integrierten Schaltung gebildet, um den Reihenwiderstand zu verringern und die Induktivität zu erhöhen.
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In Block 508 wird ein Regelkreis abgestimmt, um die Geschwindigkeit zwischen einem elektrischen Signal und einem optischen Signal abzugleichen, die sich auf jeweiligen Pfaden in der durchgehenden Übertragungsleitung bewegen. In Block 510 kann das Abstimmen das Einfügen einer oder mehrerer optischer Verzögerungsleitungen in den optischen Pfad aufweisen. In Block 512 kann das Abstimmen das Vergleichen der Phasen des elektrischen Signals und des optischen Signals unter Verwendung einer Verzögerungsregelschleife (DLL) aufweisen. In Block 514 kann das Abstimmen das Anpassen eines mit einer Segmentkapazität gekoppelten Varaktors aufweisen. Der Varaktor kann unter Verwendung des DLL-Ausgangs angepasst werden.
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Nachdem bevorzugte Ausführungsformen eines Systems und eines Verfahrens für eine adaptive Übertragungsleitung mit geringer Verzerrung und hoher Bandbreite für integrierte photonische Anwendungen (die als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen sind) beschrieben wurden, wird angemerkt, dass Änderungen und Varianten von einem Fachmann im Licht der obigen Lehren vorgenommen werden können. Es versteht sich daher, dass Änderungen an den offenbarten besonderen Ausführungsformen innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen dargestellt, vorgenommen werden können.
