KR102212297B1 - 분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템이 개시되고, 상기 방법 및 시스템은 격자 결합기, 스플리터, 복수의 포토다이오드, 및 복수의 트랜스임피던스 증폭기(TIA)를 갖는 광전자 수신기를 포함할 수 있다. 상기 수신기는 격자 결합기를 이용하여 변조된 광학 신호를 수신하고, 수신된 신호를 복수의 광학 신호로 나누고, 복수의 포토다이오드를 이용하여 복수의 광학 신호로부터 복수의 전기 신호를 생성하고, 복수의 전기 신호를 복수의 TIA에 전달하고, 복수의 TIA를 이용하여 복수의 전기 신호를 증폭시키며, 복수의 TIA의 결합된 출력으로부터 출력 전기 신호를 생성한다. 각각의 TIA는 상이한 주파수 범위에서 신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 복수의 전기 신호 중 하나가 복수의 TIA 중 저주파 TIA에 DC 결합될 수 있다.

Description

분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR A DISTRIBUTED OPTOELECTRONIC RECEIVER}
관련 출원에 대한 상호 참조/참조에 의한 포함
본 출원은 2015년 11월 18일자 출원된 미국 가특허 출원 제62/386,159호의 이익을 주장하며, 이는 그 전체가 참조에 의해 본 출원에 포함된다.
기술분야
본 개시의 특정 실시예들은 반도체 포토닉스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 특정 실시예들은 디코더를 갖는 다중 레벨 인코딩된 데이터 경로를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
데이터 네트워크가 끊임없이 증가하는 대역폭 요구 사항을 충족시키기 위해 크기가 조정됨에 따라, 구리 데이터 채널의 결점이 명백해지고 있다. 방사된 전자기 에너지로 인한 신호 감쇄 및 혼선은 이러한 시스템의 설계자가 직면하는 주요 장애물이다. 이들은 균등화, 코딩 및 차폐로 어느 정도 완화될 수 있지만, 이러한 기술들은 상당한 전력, 복잡성 및 케이블 벌크 페널티를 요구하고, 단지 접근 가능한 보통의 향상 및 매우 제한된 확장성만을 제공한다. 이러한 채널 제한이 없는 광통신이 구리 링크의 후임으로서 인식되고 있다.
도면을 참조하여 본 출원의 나머지 부분에서 기재되는 바와 같이 본 개시를 이용하는 이러한 시스템들의 비교를 통해 종래의 방식들의 추가의 제한 및 단점이 당업자에게 명백해질 것이다.
청구 범위에서 보다 완전하게 기재되는 바와 같이, 실질적으로 도면들 중 적어도 하나의 도면과 관련하여 도시 및/또는 설명되는 바와 같이 분산형 광전자 수신기를 위한 시스템 및/또는 방법이 개시된다.
본 개시의 다양한 장점들, 양태들 및 신규한 특징들뿐만 아니라 이들의 예시된 실시예의 세부 사항이 다음의 설명 및 도면들로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
도 1a는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기를 갖는 광자 인에이블 집적 회로의 블록도이다.
도 1b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 광자 인에이블 집적 회로를 도시하는 도면이다.
도 1c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광섬유 케이블에 결합된 광자 인에이블 집적 회로의 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 피드백 트랜스임피던스 증폭기를 갖는 광전자 수신기를 도시한다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 차동 트랜스임피던스 증폭기를 갖는 광전자 수신기를 도시한다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기를 도시한다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기의 주파수 응답을 도시한다.
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기 및 참조에 대한 아이 패턴을 도시한다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광연속 시간 선형 등화 회로를 도시한다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광주파수 판별기를 도시한다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광학 유한 임펄스 응답 필터를 도시한다.
본 개시의 특정 양태들은 분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템에서 발견될 수 있다. 본 개시의 예시적인 양태들은 격자 결합기, 스플리터, 복수의 포토다이오드들, 및 복수의 트랜스임피던스 증폭기(transimpedance amplifier; TIA)들을 갖는 광전자 수신기에서, 격자 결합기를 이용하여 변조된 광신호를 수신하는 단계, 수신된 신호를 복수의 광신호들로 분할하는 단계, 복수의 포토다이오드들을 이용하여 복수의 광신호들로부터 복수의 전기 신호들을 생성하는 단계, 복수의 전기 신호들을 복수의 TIA들에 전달하는 단계, 복수의 TIA들을 이용하여 복수의 전기 신호들을 증폭시키는 단계, 및 복수의 TIA들의 결합된 출력들로부터 출력 전기 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 TIA는 상이한 주파수 범위에서 신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호가 복수의 TIA들 중 저주파 TIA에 DC 결합될 수 있다. 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호가 복수의 TIA들 중 고주파 TIA에 AC 결합될 수 있다. TIA들 각각은 각 TIA의 동작의 주파수 범위를 구성하기 위해 피드백 임피던스를 가질 수 있다. 포토다이오드들은 복수의 TIA들에 차동 결합될 수 있다. 광연속 선형 등화(continuous time linear equalization; CTLE)가 TIA들 각각의 이득 레벨을 구성함으로써 수행될 수 있다. 수신된 신호의 광주파수들은 복수의 TIA들 각각으로부터의 출력 신호의 크기에 기초하여 구별될 수 있다. 수신된 신호는 포토다이오드들, TIA들, 및 복수의 광지연 소자들을 포함하는 유한 임펄스 응답(finite impulse response; FIR) 필터에서 필터링될 수 있다. 광전자 수신기는 반도체 다이 상에 있을 수 있다. 반도체 다이는 실리콘 상보성 금속 산화물 반도체(complementary-metal oxide semiconductor; CMOS) 포토닉스 다이일 수 있다.
도 1a는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기를 갖는 광자 인에이블 집적 회로의 블록도이다. 도 1a를 참조하면, 결합기들(103A-103K), 광종단들(115A-115D), 및 격자 결합기들(117A-117H)을 포함하는 광학 디바이스, 광변조기들(105A-105D), 포토다이오드들(111A-111D), 및 모니터 포토다이오드들(113A-113H)을 포함하는 광자 인에이블 집적 회로(130) 상의 광전자 디바이스들이 도시되어 있다. 증폭기들(107A-107D), 아날로그 및 디지털 제어 회로(109), 및 제어 섹션들(112A-112D)을 포함하는 전기 디바이스들 및 회로들이 또한 도시되어 있다. 증폭기들(107A-107D)은, 예를 들어, 트랜스임피던스 및 제한 증폭기(transimpedance and limiting amplifier; TIA/LA)들을 포함할 수 있다.
예시적인 시나리오에서, 광자 인에이블 집적 회로(130)는 IC(130)의 상부 표면에 결합된 레이저 어셈블리(101)를 갖는 CMOS 포토닉스 다이를 포함한다. 레이저 어셈블리(101)는 하나 이상의 CW 광신호들을 결합기(103A)로 향하게 하는 절연체, 렌즈, 및/또는 회전자를 갖는 하나 이상의 반도체 레이저를 포함할 수 있다.
광신호들은 광자 인에이블 집적 회로(130)에 제조된 광도파관(110)을 통해 광학 디바이스와 광전자 디바이스 사이에서 전달된다. 단일 모드 또는 다중 모드 도파관이 광자 인에이블 집적 회로에 사용될 수 있다. 단일 모드 동작은 광신호 처리 및 네트워킹 요소에 대한 직접 연결을 가능하게 한다. "단일 모드"라는 용어는, 예를 들어, TE(transverse-electric) 및 TM(transverse-magnetic)와 같은 두 가지 편광의 각각에 대해 단일 모드를 지원하는 도파관에, 또는 정확히 단일 모드이고 편광이 예를 들어 도파관을 지지하는 기판에 평행한 전기장을 포함하는 TE인 하나의 모드만을 지원하는 도파관에 사용될 수 있다. 사용되는 두 개의 통상적인 도파관 단면은 스트립 도파관 및 립 도파관을 포함한다. 스트립 도파관은 통상적으로 직사각형 단면을 포함하는 반면, 립 도파관은 도파관 슬래브의 상부에 립 섹션을 포함한다. 물론, 다른 도파관 단면 타입이 또한 고려되고 본 개시의 범위 내에 있다.
예시적인 시나리오에서, 결합기들(103A-103C)은 저손실 Y-접합 전력 스플리터들을 포함할 수 있고, 여기서 결합기(103A)가 레이저 어셈블리(101)로부터 광신호를 수신하고 그 광신호를 두 개의 분기들로 분할하고, 분기들은 광신호를 결합기들(103B 및 103C)에 보내고, 결합기들(103B 및 103C)은 광신호를 다시 한 번 분할하여 네 개의 대략 동일한 전력의 광신호를 야기한다.
광변조기들(105A-105D)은, 예를 들어, 마하 젠더(Mach-Zehnder) 또는 링 변조기를 포함하고, 지속파(CW) 레이저 입력 신호의 변조를 가능하게 한다. 광변조기들(105A-105D)은 고속 및 저속 위상 변조 섹션을 포함할 수 있고, 제어 섹션들(112A-112D)에 의해 제어된다. 광변조기들(105A-105D)의 고속 위상 변조 섹션은 CW 광원 신호를 데이터 신호로 변조할 수 있다. 광변조기들(105A-105D)의 저속 위상 변조 섹션은 도파관들 간의 분일치, 도파관 온도, 또는 도파관 응력에 의해 유도되는 것과 같은 천천히 변화하는 위상 인자들을 보상할 수 있으며, MZI의 수동 바이어싱 또는 수동 위상으로 언급된다.
광변조기들(105A-105D)의 출력들은 도파관들(110)을 통해 격자 결합기들(117E-117H)에 광학적으로 결합될 수 있다. 결합기들(103D-103K)은, 예를 들어, 4 포트 광 결합기들을 포함할 수 있고, 광변조기들(105A-105D)에 의해 생성된 광신호들을 샘플링 또는 분할하기 위해 사용될 수 있으며, 샘플링된 신호들은 모니터 포토다이오드들(113A-113H)에 의해 측정된다. 방향성 결합기들(103D-103K)의 미사용된 분기는 원하지 않는 신호들의 배면 반사를 피하기 위해 광종단들(115A-115D)에 의해 종료될 수 있다.
격자 결합기들(117A-117H)은 광자 인에이블 집적 회로(130)의 내부 및 외부에서 광의 결합을 가능하게 하는 광학 격자를 포함한다. 격자 결합기들(117A-117D)은 광섬유로부터 수신된 광을 광자 인에이블 집적 회로(130)에 결합시키기 위해 사용될 수 있으며, 격자 결합기들(117E-117H)은 광자 인에이블 집적 회로(130)로부터의 광을 광섬유로 결합시키기 위해 사용될 수 있다. 격자 결합기들(117A-117H)은 단일 편광 격자 결합기(single polarization grating coupler; SPGC) 및/또는 편광 분할 격자 결합기(polarization splitting grating coupler; PSGC)를 포함할 수 있다. PSGC가 사용되는 경우, 두 개의 입력 또는 출력 도파관이 사용될 수 있다.
광섬유는 예를 들어 CMOS 칩에 에폭시 수지로 접착될 수 있고, 결합 효율성을 최적화하기 위해 광자 인에이블 집적 회로(130)의 표면에 수직한 각도로 정렬될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광섬유는 단일 모드 섬유(single-mode fiber; SMF) 및/또는 편광 유지 섬유(polarization-maintaining fiber; PMF)를 포함할 수 있다.
도 1b에 도시된 다른 예시적인 실시예에서, 광신호들은 광원 인터페이스(135) 및/또는 광섬유 인터페이스(139)와 같은 칩 내의 광결합 디바이스 상에 광원을 지향시킴으로써 광섬유를 이용하지 않고 광자 인에이블 집적 회로(130)의 표면에 직접 전달될 수 있다. 이것은 지향성 레이저 소스 및/또는 광자 인에이블 집적 회로(130)에 플립 칩 본딩된 다른 칩 상의 광원으로 달성될 수 있다.
포토다이오드들(111A-111D)은 격자 결합기들(117A-117D)로부터 수신된 광신호들을 처리를 위해 증폭기들(107A-107D)에 전달되는 전기 신호들로 변환할 수 있다. 본 개시의 다른 예시적인 실시예에서, 포토다이오드들(111A-111D)은 예를 들어 고속 헤테로 접합 포토트랜지스터들을 포함할 수 있고, 1.3-1.6 ㎛ 광 파장 범위의 흡수를 위해 컬렉터 영역 및 베이스 영역에 게르마늄(Ge)을 포함할 수 있으며, CMOS SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼 상에 집적될 수 있다. 예시적인 시나리오에서, 포토다이오드들(111A-111D) 각각은 입력에 스플리터를 갖는 한 쌍의 포토다이오드들을 포함할 수 있어, 각각이 단일 PSGC들(117A-117D)로부터 광도파관들(110)을 통해 광신호들을 수신하도록 한다.
아날로그 및 디지털 제어 회로(109)는 증폭기들(107A-107D)의 동작에서 이득 레벨들 또는 다른 파라미터들을 제어할 수 있으며, 증폭기들(107A-107D)은 광자 인에이블 집적 회로(130)에서 벗어나 전기 신호들을 전달할 수 있다. 제어 섹션들(112A-112D)은 스플리터들(103A-103C)로부터 수신된 CW 레이저 신호의 변조를 가능하게 하는 전자 회로를 포함한다. 광변조기들(105A-105D)은, 예를 들어, 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer; MZI)의 각 분기에서 굴절률을 변조하기 위해 고속 전기 신호를 요구할 수 있다. 증폭기들(107A-107D)은 개별 포토다이오드들 및 TIA들을 갖는 병렬 수신기 경로들을 포함할 수 있으며, 각각의 경로는 하나는 저주파수들을 수신하고 증폭할 수 있고 다른 하나는 고주파들을 위한 것이도록 상이한 주파수 범위로 튜닝되며, 원하는 넓은 주파수 응답을 야기하기 위해 전기 출력들과 결합된다. 기존의 광전자 수신기는 저주파 및 고주파 범위를 위해 구성된다. 주파수 스펙트럼의 특정 부분 주위에서 수신기의 각각의 경로를 최적화하는 것은 개선된 수신 감도 및 개선된 주파수 응답(심지어 DC에 이르기까지)을 야기할 수 있다. 이러한 구조는, 예를 들어, 광연속 시간 선형 등화기 또는 광주파수 판별기로서 사용될 수 있다.
동작에서, 광자 인에이블 집적 회로(130)는 광신호들을 송신 및/또는 수신 및 처리하도록 동작할 수 있다. 광신호들은 격자 결합기들(117A-117D)에 의해 광섬유로부터 수신될 수 있고, 광검출기들(111A-111D)에 의해 전기 신호들로 변환될 수 있다. 전기 신호들은, 예를 들어, 전기적으로 합산되고, 후속적으로 광자 인에이블 집적 회로(130)에 있는 다른 전자 회로(도시되지 않음)에 전달되는 병렬의 고주파 및 저주파 경로를 갖는 증폭기들(107A-107D)에서의 트랜스임피던스 증폭기들에 의해 증폭될 수 있다.
도 1b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 예시적인 광자 인에이블 집적 회로를 도시하는 도면이다. 도 1b를 참조하면, 전자 디바이스/회로(131), 광학 및 광전자 디바이스(133), 광원 인터페이스(135), 칩 전면(137), 광섬유 인터페이스(139), CMOS 가드링(141), 및 표면 조사된 모니터 포토다이오드(143)를 포함하는 광자 인에이블 집적 회로(130)가 도시되어 있다.
광원 인터페이스(135) 및 광섬유 인터페이스(139)는, 예를 들어, 종래의 에지 방출/수신 디바이스에서와 같이 칩의 에지가 아니라, CMOS 칩 표면(137)을 통한 광신호들의 결합을 가능하게 하는 격자 결합기들을 포함한다. 칩 표면(137)을 통한 광신호들의 결합은 칩을 기계적으로 보호하고 칩 에지를 통한 오염 물질의 침입을 방지하는 CMOS 가드링(141)의 사용을 가능하게 한다.
전자 디바이스/회로(131)는, 예를 들어, 도 1a와 관련하여 기술된 증폭기(107) 및 아날로그 및 디지털 제어 회로(109)와 같은 회로를 포함한다. 광학 및 광전자 디바이스(133)는 결합기들(103A-103K), 광결합기(104), 광종단들(115A-115D), 격자 결합기들(117A-117H), 광변조기들(105A-105D), 고속 헤테로 접합 포토다이오드들(111A-111D), 및 모니터 포토다이오드들(113A-113I)과 같은 디바이스들을 포함한다.
예시적인 시나리오에서, 광학 디바이스 및 전자 디바이스는 상이한 주파수 범위로 튜닝되는 병렬 경로를 갖고, 각각의 포토다이오드에 광신호들을 제공하기 위해 스플리터들에 결합된 개별 포토다이오드들을 포함하는 분산 수신기를 포함한다.
도 1c는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광섬유 케이블에 결합된 광자 인에이블 집적 회로를 도시하는 도면이다. 도 1c를 참조하면, 칩 표면(137) 및 CMOS 가드링(141)을 포함하는 광자 인에이블 집적 회로(130)가 도시되어 있다. 또한, 광섬유 대 칩 결합기(145), 광섬유 케이블(149), 및 광원 어셈블리(147)가 도시되어 있다.
전자 디바이스/회로(131), 광학 및 광전자 디바이스(133), 광원 인터페이스(135), 칩 표면(137), 및 CMOS 가드링(141)을 포함하는 광자 인에이블 집적 회로(130)는, 예를 들어, 도 1b와 관련하여 설명된 바와 같을 수 있다.
예시적인 실시예에서, 광섬유 케이블은, 예를 들어, CMOS 칩 표면(137)에 에폭시를 통해 부착될 수 있다. 광섬유 대 칩 결합기(145)는 광자 인에이블 집적 회로(130)에 광섬유 케이블(149)의 물리적 결합을 가능하게 한다.
도 2는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 피드백 트랜스임피던스 증폭기를 갖는 광전자 수신기를 도시한다. 도 2를 참조하면, 편광 분할 격자 결합기(PSGC)(201), 포토다이오드(205), 바이어스 제어부(203), 피드백 저항기(RFB)를 갖는 트랜스임피던스 증폭기(207), 및 이득 스테이지(209)를 포함하는 수신기(200)가 도시되어 있다.
또한, 입력 광신호(Light In)와 출력 전기 신호(Electrical Out)가 도시되어 있다. PSGC(201)는, 예를 들어, 광신호 파장 및 입사각에 기초하여 구성된 각도 및 간격에서의 도파관과 같은 산란 구조의 두 개의 중첩된 어레이를 포함한다. PSGC(201)는 다이의 표면에 거의 직각인 각도로 광신호를 수신하고, 광신호를 출력의 각각에 전달하며, 이 출력은 광신호를 포토다이오드(205)에 제공한다.
바이어스 제어부(203)는 포토다이오드(205)를 바이어싱하기 위한 조정된 전압/전류 소스를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 광신호를 수신하여 그것을 전기 신호로 변환하기 위해, 실리콘 또는 게르마늄, 또는 이들 사이의 합금을 포함할 수 있다. 포토다이오드는 역바이어싱되거나, 대안적으로 제로 바이어스에 가깝게 바이어싱될 수 있으며, 피드백 저항(RFB)에 의해 구성된 이득 대역폭으로 TIA(207)의 입력에 결합될 수 있다. TIA(207)로의 입력 전류는 이득 스테이지(209)에 결합될 수 있는 출력 전압을 생성하며, 이득 스테이지(209)는 신호에 추가 이득을 제공하도록 동작할 수 있고, 또한 수신된 싱글 엔드(single-ended) 입력 신호를 차동 출력 신호로 변환할 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 차동 트랜스임피던스 증폭기를 갖는 광전자 수신기를 도시한다. 도 3를 참조하면, 편광 분할 격자 결합기(PSGC)(301), 포토다이오드(305), 바이어스 제어부(303), DC 오프셋 제거부(311)를 이용하는 차동 트랜스임피던스 증폭기(307), 및 이득 스테이지(309)를 포함하는 수신기(300)가 도시되어 있다.
또한, 입력 광신호(Light In)와 출력 전기 신호(Electrical Out)가 도시되어 있다. PSGC(301)는, 예를 들어, 광신호 파장 및 입사각에 기초하여 구성된 각도 및 간격에서의 도파관과 같은 산란 구조의 두 개의 중첩된 어레이를 포함한다. PSGC(301)는 다이의 표면에 거의 직각인 각도로 광신호를 수신하고, 광신호를 출력의 각각에 전달하며, 이 출력은 광신호를 포토다이오드(305)에 제공한다.
바이어스 제어부(303)는 포토다이오드(305)를 바이어싱하기 위한 전압/전류 소스를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 광신호를 수신하여 그것을 전기 신호로 변환하기 위해, 실리콘 또는 게르마늄, 또는 이들 사이의 합금을 포함할 수 있다. 포토다이오드(305)는 역바이어싱되거나, 대안적으로 제로 바이어스에 가깝게 바이어싱될 수 있으며, 결합 커패시터들(CC)을 통해 차동 TIA(307)의 입력에 차동 방식으로 AC 결합될 수 있다. DC 오프셋 제거부(311)는 원하는 값으로, 즉 최소값으로, 이득 스테이지(309)의 출력에서의 DC 오프셋을 구성하기 위한 회로, 로직 및/또는 코드를 포함할 수 있다.
TIA(307)로의 입력 전류는 이득 스테이지(309)에 결합될 수 있는 차동 출력 전압을 생성하며, 이득 스테이지(309)는 신호에 추가 이득을 제공하도록 동작할 수 있고, 출력 전기 신호(Electrical Out)를 생성할 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기를 도시한다. 도 4를 참조하면, 편광 분리 격자 결합기(PSGC)(401), 광스플리터들(404A 및 404B), 부하 저항기들(RL1 및 RL2), 결합 캐패시터들(CC1 및 CC2), 포토다이오드들(405A 및 405B), 바이어스 제어부(403), 고주파 TIA(410), 저주파 TIA(420), 및 이득 스테이지(409)를 포함하는 수신기(400)가 도시되어 있다. 고주파 TIA(410)는 차동 트랜스임피던스 증폭기(407A) 및 피드백 저항기들(RFB1 및 RFB2)을 포함하는 반면, 저주파 TIA(420)는 차동 트랜스임피던스 증폭기(407B) 및 피드백 저항기들(RFB3 및 RFB4)을 포함한다.
또한, 입력 광신호(Light In)와 출력 전기 신호(Electrical Out)가 도시되어 있다. PSGC(401)는, 예를 들어, 광신호 파장 및 입사각에 기초하여 구성된 각도 및 간격에서의 도파관과 같은 산란 구조의 두 개의 중첩된 어레이를 포함한다. PSGC(401)는 다이의 표면에 거의 직각인 각도로 광신호를 수신하고, 광신호를 출력부의 각각에 전달할 수 있으며, 이 출력은 광신호를 스플리터들(404A 및 404B)에 제공한다.
바이어스 제어부(403)는 포토다이오드들(405A 및 405B)을 바이어싱하기 위한 전압/전류 소스를 포함할 수 있다. 포토다이오드들(405A 및 405B)은 광신호를 수신하여 그것을 전기 신호로 변환하기 위해, 실리콘 또는 게르마늄, 또는 이들 사이의 합금을 포함할 수 있다. 포토다이오드들(405A 및 405B)은 역바이어싱되거나, 대안적으로 제로 바이어스에 가깝게 바이어싱될 수 있으며, 결합 커패시터들(CC1 및 CC2)을 통해 차동 TIA(407A)의 입력에 차동 방식으로 AC 결합될 수 있다. 고주파 TIA(410)는 DC 및 저주파 신호가 아닌 고주파수 신호를 증폭하도록 동작 가능하기 때문에, 신호는 TIA(420)가 아니라 TIA(410)에 AC 결합되며, TIA(420)는 저주파수 TIA이며, 따라서 포토다이오드(405A)에 직접 결합된다.
TIA들(410 및 420)로의 입력 전류는 이득 스테이지(409)에 결합될 수 있는 차동 출력 전압을 생성하며, 이득 스테이지(409)는 신호에 추가 이득을 제공하도록 동작할 수 있고, 출력 전기 신호(Electrical Out)를 생성할 수 있다. 상이한 주파수 범위에서 동작하는 TIA들(410 및 420)의 출력들의 전기적 결합은, 각각의 TIA에서 별도로 구성 가능한 이득 레벨을 사용하여 더 넓은 주파수 범위의 처리를 가능하게 한다. 또한, 각각의 포토다이오드들(405A 및 405B)은 원하는 주파수에서 최적화된 성능을 위해 상이하게 바이어싱될 수 있다.
피드백 저항기들(RFB1-RFB4) 및 결합 커패시터들(CC1 및 CC2), 또는 저주파 TIA(420)의 DC 결합을 위한 결합 커패시터의 부재는, TIA들의 주파수 응답을 튜닝할 수 있다. 피드백 저항기들은, 예를 들어, 어드레스 가능한 저항기들의 어레이와 같은 구성 가능한 저항값들을 포함할 수 있다. 다른 예시의 시나리오에서, 피드백 저항기들은, 예를 들어, 선형 영역에서 바이어싱된 CMOS 트랜지스터와 같은 구성 가능한 임피던스 값들을 갖는 능동 디바이스들을 포함할 수 있다.
또한, 결합기들(404A 및 404B)은 포토다이오드들(405A 및 405B)에 결합된 광신호의 상대 강도를 제어하도록 구성되어, 더 높은 강도의 광신호가 다른 것에 비해 TIA들 중 하나의 TIA에 결합될 수 있으며, 결합된 하나의 TIA는 출력 전기 신호의 주파수 응답을 구성한다. 도 4의 수신기 경로의 수는 단지 예시적인 것임을 유념해야 한다. 따라서, 임의의 원하는 전체 주파수 응답을 제공하기 위해 구성 가능한 주파수를 갖는 임의의 수의 경로가 사용될 수 있다.
동작에서, 광신호는 PSGC(401)를 통해 분산형 광전자 수신기(400)를 포함하는 다이에 결합될 수 있으며, 이 경우 PSGC(401)에 의해 생성된 상이한 편광의 광신호는 광스플리터들(404A 및 404B)에 의해 분할될 수 있다. 따라서, 결합된 신호들 각각의 부분은 차동 방식으로 포토다이오드들(405A 및 405B)의 각각의 단자에 결합될 수 있다. 포토다이오드들(405A 및 405B)은 수신된 광신호들에 비례하는 전기 신호들을 생성하고, 그런 다음 그 전기 신호들은 고주파 TIA(410)에 AC 결합되고 저주파 TIA(420)에 DC 결합된다. 피드백 저항기들(RFB1-RFB4)은 TIA들(407A 및 407B)의 이득 레벨을 구성하고, 증폭된 신호들은 TIA들(407A 및 407B)의 공통 출력들에 의해 전기적으로 결합된다.
고주파 TIA(410)에 의해 고주파에서 제공되는 이득 및 저주파 TIA(420)에 의해 저주파에서 제공되는 이득으로, 평평한 형상 또는 다른 원하는 형상의 응답이 단일 스테이지 상의 과도하게 엄격한 요건 없이 넓은 주파수 범위에 걸쳐 제공될 수 있다. 이득 스테이지(409)는 출력 신호(Electrical Output)를 생성하는데 있어서 추가의 증폭을 제공할 수 있다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기의 주파수 응답을 도시한다. 도 5를 참조하면, 저주파 TIA, 고주파 TIA, 및 저주파 TIA 및 고주파 TIA를 모두 포함하는 분산형 TIA로부터의 총 응답에 대한 시뮬레이션된 응답 곡선이 도시되어 있다. 도표에서 알 수 있듯이, 저주파 TIA는 DC로부터 상향 전이 주파수까지 평탄 이득을 제공하고, 이는 피드백 회로 및 TIA의 다른 디바이스 특성에 의존한다. 유사하게, 고주파 TIA는 고주파수에서 비교적 편탕 이득을 제공하지만, 더 높은 주파수들뿐만 아니라 더 낮은 주파수들에서는 하락한다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 저주파 TIA 및 고주파 TIA를 모두 사용하는 것은 도 5에 도시된 총 응답(Aggregate Response) 곡선을 야기하며, 여기서 주파수 응답은 고주파 TIA의 주파수에 대해 DC로부터 상향 전이 주파수까지 평탄하다.
도 6은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 분산형 광전자 수신기 및 참조에 대한 아이 패턴을 도시한다. 도 6을 참조하면, 좌측 상에 분산형 광전자 수신기에 대한 잡음이 있는 아이 패턴 및 잡음이 없는 아이 패턴과 우측 상에 피드백이 없는 참조 TIA가 도시되어 있다. 패턴에서 알 수 있듯이, 분산형 OE 수신기 아이 패턴은 참조보다 훨씬 깨끗하며, 이는 분산형 수신기 아키텍처의 이점을 나타낸다. 도 6에 도시된 아이 다이어그램은 도 5의 AC 응답 곡선을 지지한다. 분산형 OE 수신기 패턴은, 참조와 비교하여 저주파 왜곡 또는 지터가 없음을 도시하고, 이는 낮은 지터가 관련 있다는 것을 나타낸다. 신호에 충분한 저주파수 성분이 있음을 나타내기 위해 60k 까지의 비트 길이가 사용되었다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광연속 시간 선형 등화 회로를 도시한다. 도 7을 참조하면, PSGC(701), 스플리터(703), 포토다이오드들(705A-705E), 분산형 TIA들(710A-710E), 및 출력 이득 스테이지(709)를 포함하는 광연속 시간 선형 등화(CTLE) 회로(700)가 도시되어 있다. 도 7은 도 1 내지 도 6의 구조의 임의의 양태 및 모든 양태들을 공유할 수 있고, 여기서 PSGC(701), 포토다이오드들(705A-705E), TIA들(710A-710E) 및 이득 스테이지(709)는 전술한 구조와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 스플리터(703)는 스플리터들(404A 및 404B)과 유사할 수 있지만, 다른 수의 출력을 갖는다.
TIA들(710A-710E)은 각각 상이한 주파수 범위로 튜닝될 수 있고, 각각의 이득은 출력 신호(Electrical Out)에 대한 원하는 주파수 응답을 생성하기 위해 개별적으로 튜닝될 수 있다. 도 4의 구조에서와 같이, CTLE(700) 내의 TIA들의 수는 원하는 주파수 응답에 따라 임의의 수의 탭이 사용될 수 있기 때문에 단지 예일뿐이다. 도 1a의 제어 회로와 같은 제어기가 TIA들(710A-710E)의 이득 및 피드백 임피던스를 구성할 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광주파수 판별기를 도시한다. 도 8을 참조하면, PSGC(801), 스플리터(803), 포토다이오드들(805A-805E), 분산형 TIA들(810A-810E), 및 프로세서(809)를 포함하는 광주파수 판별기(800)가 도시되어 있다. 도 8은 도 1 내지 도 7의 구조의 임의의 양태 및 모든 양태들을 공유할 수 있고, 여기서 PSGC(801), 포토다이오드들(805A-805E), 및 TIA들(810A-810E)은 전술한 구조와 실질적으로 유사할 수 있다.
프로세서(809)는 TIA들(810A-810E) 각각으로부터 전기 신호들을 수신하고 이들 신호들의 크기를 결정하도록 동작 가능한 적합한 회로, 로직 및/또는 코드를 포함할 수 있다. TIA들(810A-810E) 각각은 원하는 주파수 스펙트럼에 걸쳐 상이한 주파수 범위에 대해 구성될 수 있다. 따라서, 프로세서(809)는 PSGC(801)에 의해 수신된 광신호의 변조된 주파수 성분을 식별하기 위해 각각의 세그먼트를 모니터링할 수 있다. 도 8의 구조에 의해 가능한 주파수 구별 능력은, 예를 들어, 송수신기 경로의 다른 곳에서 필터를 구성하기 위해 사용될 수 있다.
도 9는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른, 광학 유한 임펄스 응답 필터를 도시한다. 도 9를 참조하면, PSGC(901), 광지연 소자들(903A-903M), 스플리터들(904A-904C), 포토다이오드들(905A-905M), 및 분산형 TIA들(907A-907M)을 포함하는 유한 임펄스 응답(FIR) 필터(900)가 도시되어 있다. 도 9는 도 1 내지 도 8의 구조의 임의의 양태 및 모든 양태들을 공유할 수 있고, 여기서 PSGC(901), 스플리터들(904A-904C), 포토다이오드들(905A-905M), 및 TIA들(907A-907M)은 전술한 구조와 실질적으로 유사할 수 있다. 또한, 다이어그램은, 예를 들어, 더 많은 스플리터들, 지연 소자들, 포토다이오드들 및 TIA들이 사용될 수 있는 경우, 원하는 필터 응답 및 허용 가능한 회로 복잡성에 따라, 스테이지의 수는 임의의 수일 수 있음을 나타낸다.
광지연 소자들은, 예를 들어, 스테이지들 사이에서 이동하는 광신호들에 대해 원하는 고정되거나 구성 가능한 시간 지연을 제공하는 광도파관 섹션들을 포함할 수 있다. 스플리터들(904A-904C)은 PSGC(901)로부터의 각각의 편광의 광신호들 부분을 각각의 포토다이오드들(905A-905M)에 결합하는데 사용될 수 있다. FIR 필터(900)는 튜닝 가능한 이득 레벨을 갖는 다수의 탭들 및 TIA들을 가질 수 있고, 합산은 다시 TIA들(907A-907M)의 출력들에 전기적으로 제공된다. 도시된 예에서, 하나의 경로가 도시되어 있지만, 더 많은 경로들이 FIR 출력(FIR OUT)과 함께 입력 소스에 따라 유사하게 통합될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 분산형 광전자 수신기를 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 이와 관련하여, 본 개시의 양태들은 격자 결합기, 스플리터, 복수의 포토다이오드들, 및 복수의 트랜스임피던스 증폭기(TIA)들을 갖는 광전자 수신기를 포함할 수 있다. 상기 광전자 수신기는 격자 결합기를 이용하여 변조된 광신호를 수신하고, 수신된 신호를 복수의 광신호들로 분할하고, 복수의 포토다이오드들을 이용하여 복수의 광신호들로부터 복수의 전기 신호들을 생성하고, 복수의 전기 신호들을 복수의 TIA들에 전달하고, 복수의 TIA들을 이용하여 복수의 전기 신호들을 증폭시키며, 복수의 TIA들의 결합된 출력들로부터 출력 전기 신호를 생성할 수 있다. 각각의 TIA는 상이한 주파수 범위에서 신호를 증폭시키도록 구성될 수 있다. 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호가 복수의 TIA들 중 저주파 TIA에 DC 결합될 수 있다. 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호가 복수의 TIA들 중 고주파 TIA에 AC 결합될 수 있다.
복수의 TIA들 각각은 각각의 TIA의 동작의 주파수 범위를 구성하기 위해 피드백 임피던스를 가질 수 있다. 복수의 포토다이오드들은 복수의 TIA들에 차동적으로 결합될 수 있다. 광전자 수신기는 TIA들 각각의 이득 레벨을 구성함으로써 광연속 선형 등화(CTLE)를 수행하도록 동작할 수 있다. 광전자 수신기는 복수의 TIA들 각각으로부터의 출력 신호들의 크기에 기초하여 수신 신호의 광주파수들을 구별하도록 동작할 수 있다. 광전자 수신기는 복수의 포토다이오드들, 복수의 TIA들, 및 복수의 광지연 소자들을 포함하는 유한 임펄스 응답(FIR) 필터에서 수신된 신호를 필터링하도록 동작할 수 있다. 광전자 수신기는 실리콘 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 다이 상에 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "회로들" 및 "회로"라는 용어는 물리적 전자 컴포넌트(즉, 하드웨어)와 임의의 소프트웨어 및/또는 펌웨어("코드")를 나타내고, 이러한 임의의 소프트웨어 및/또는 펌웨어("코드")는 하드웨어를 구성하고, 하드웨어에 의해 실행될 수 있고, 또는 다른 방식으로 이 하드웨어와 관련될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 예를 들어, 특정 프로세서 및 메모리는 제 1의 하나 이상의 코드 라인들을 실행할 때 제 1 "회로"를 포함할 수 있고, 제 2의 하나 이상의 코드 라인들을 실행할 때 제 2 "회로"를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"은 "및/또는"에 의해 결합된 목록 내의 임의의 하나 이상의 항목들을 의미한다. 예를 들어, "x 및/또는 y"는 3 요소 집합{(x),(y),(x,y)}의 임의의 요소를 의미한다. 즉, "x 및/또는 y"는 "x 및 y 중 하나 또는 둘 다"를 의미한다. 다른 예를 들어, "x, y 및/또는 z"는 7 요소 집합{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}의 임의의 요소를 의미한다. 즉, "x, y 및/또는 z"는 "x, y 및 z 중 하나 이상"을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예시적인"이라는 용어는 비제한적인 예, 사례 또는 예시로서의 역할을 하는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예컨대" 및 "예를 들어"라는 용어는 하나 이상의 비제한적 예, 사례 또는 예시의 리스트를 유발한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 회로가 기능을 수행하기 위해 필요한 하드웨어 및 코드(필요한 경우)를 포함할 때마다, 기능의 수행이(예컨대, 사용자 구성 가능 설정, 공장 트림 등에 의해) 불가능하거나 인에이블되지 않는지에 관계없이, 기능을 수행하도록 회로는 "동작 가능"하다.
본 개시는 특정 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 기술 분야의 당업자라면 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 행해지고 등가물이 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 본 개시의 교시를 특정 상황 또는 물질에 적용하도록 많은 변경을 할 수 있다. 그러므로, 본 개시는 개시된 특정한 실시예들로 제한되는 것이 아니라, 본 개시는 첨부된 특허 청구의 범위에 속하는 모든 실시예들을 포함할 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 데이터 전달 방법에 있어서,
    격자 결합기, 스플리터, 복수의 포토다이오드들, 및 복수의 트랜스임피던스 증폭기들(transimpedance amplifier; TIA)을 포함하고, 상기 격자 결합기는 상기 스플리터에 결합되고, 상기 스플리터는 상기 복수의 포토다이오드들 중 각각의 포토다이오드에 결합되고, 상기 복수의 포토다이오드들 중 각각의 포토다이오드는 상기 복수의 TIA들 중 각각의 TIA에 결합되며, 상기 복수의 TIA들의 출력들이 서로 결합되는 광전자 수신기에서,
    격자 결합기를 이용하여 변조된 광신호를 수신하는 단계;
    상기 스플리터를 이용하여, 상기 수신된 신호를 복수의 광신호들로 분할하는 단계;
    상기 복수의 포토다이오드들을 이용하여 상기 복수의 광신호들로부터 복수의 전기 신호들을 생성하는 단계;
    상기 복수의 전기 신호들을 상기 복수의 TIA들에 전달하는 단계;
    상기 복수의 TIA들을 이용하여 상기 복수의 전기 신호들을 증폭시키는 단계로서, 각각의 TIA는 상이한 주파수 범위에서 신호를 증폭시키도록 구성되는 것인, 상기 복수의 전기 신호들을 증폭시키는 단계; 및
    상기 복수의 TIA들의 결합된 출력들로부터 출력 전기 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호를 상기 복수의 TIA들 중 저주파 TIA에 DC 결합시키는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호를 상기 복수의 TIA들 중 고주파 TIA에 AC 결합시키는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 TIA들 각각은 각 TIA의 동작의 주파수 범위를 구성하기 위해 피드백 임피던스를 갖는 것인, 데이터 전달 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 포토다이오드들은 상기 복수의 TIA들에 차동 결합되는 것인, 데이터 전달 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 TIA들 각각의 이득 레벨을 구성함으로써 광연속 시간 선형 등화(continuous time linear equalization; CTLE)를 수행하는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 TIA들 각각으로부터의 출력 신호의 크기에 기초하여 상기 수신된 신호의 광주파수들을 구별하는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 포토다이오드들, 상기 복수의 TIA들, 및 복수의 광지연 소자들을 포함하는 유한 임펄스 응답(finite impulse response; FIR) 필터에서 상기 수신된 신호를 필터링하는 단계
    를 포함하는 데이터 전달 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광전자 수신기는 반도체 다이 상에 있는 것인, 데이터 전달 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반도체 다이는 실리콘 상보성 금속 산화물 반도체(complementary-metal oxide semiconductor; CMOS) 포토닉스 다이를 포함하는 것인, 데이터 전달 방법.
  11. 데이터 전달을 위한 시스템에 있어서,
    격자 결합기, 스플리터, 복수의 포토다이오드들, 및 복수의 트랜스임피던스 증폭기들(TIA)을 포함하고, 상기 격자 결합기는 상기 스플리터에 결합되고, 상기 스플리터는 상기 복수의 포토다이오드들 중 각각의 포토다이오드에 결합되고, 상기 복수의 포토다이오드들 중 각각의 포토다이오드는 상기 복수의 TIA들 중 각각의 TIA에 결합되며, 상기 복수의 TIA들의 출력들이 서로 결합되는 광전자 수신기를 포함하고,
    상기 광전자 수신기는,
    격자 결합기를 이용하여 변조된 광신호를 수신하고;
    상기 스플리터를 이용하여, 상기 수신된 신호를 복수의 광신호들로 분할하고;
    상기 복수의 포토다이오드들을 이용하여 상기 복수의 광신호들로부터 복수의 전기 신호들을 생성하고;
    상기 복수의 전기 신호들을 상기 복수의 TIA들에 전달하고;
    상기 복수의 TIA들을 이용하여 상기 복수의 전기 신호들을 증폭시키는 것으로서, 각각의 TIA는 상이한 주파수 범위에서 신호를 증폭시키도록 구성되며;
    상기 복수의 TIA들의 결합된 출력들로부터 출력 전기 신호를 생성하도록
    동작 가능한 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호는 상기 복수의 TIA들 중 저주파 TIA에 DC 결합되는 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 전기 신호들 중 하나의 전기 신호는 상기 복수의 TIA들 중 고주파 TIA에 AC 결합되는 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 복수의 TIA들 각각은 각 TIA의 동작의 주파수 범위를 구성하기 위해 피드백 임피던스를 갖는 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 복수의 포토다이오드들은 상기 복수의 TIA들에 차동 결합되는 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 수신기는 상기 TIA들 각각의 이득 레벨을 구성함으로써 광연속 시간 선형 등화(CTLE)를 수행하도록 동작 가능한 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 수신기는 상기 복수의 TIA들 각각으로부터의 출력 신호의 크기에 기초하여 상기 수신된 신호의 광주파수들을 구별하도록 동작 가능한 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 수신기는 상기 복수의 포토다이오드들, 상기 복수의 TIA들, 및 복수의 광지연 소자들을 포함하는 유한 임펄스 응답(FIR) 필터에서 상기 수신된 신호를 필터링하도록 동작 가능한 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 광전자 수신기는 실리콘 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 다이 상에 있는 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
  20. 데이터 전달을 위한 시스템에 있어서,
    격자 결합기, 스플리터, 제 1 및 제 2 포토다이오드들, 저주파수 동작을 위해 구성된 제 1 트랜스임피던스 증폭기(TIA), 및 고주파수 동작을 위해 구성된 제 2 TIA를 포함하고, 상기 격자 결합기는 상기 스플리터에 결합되고, 상기 스플리터는, 제 1 TIA에 결합된 제 1 포토다이오드 및 제 2 TIA에 결합된 제 2 포토다이오드에 결합되며, 상기 제 1 및 제 2 TIA들의 출력들이 서로 결합되는 광전자 수신기를 포함하고,
    상기 광전자 수신기는,
    격자 결합기를 이용하여 변조된 광신호를 수신하고;
    상기 스플리터를 이용하여, 상기 수신된 신호를 두 개의 광신호들로 분할하고;
    상기 두 개의 포토다이오드들을 이용하여 상기 두 개의 광신호들로부터 두 개의 전기 신호들을 생성하고;
    상기 두 개의 전기 신호들을 상기 제 1 및 제 2 TIA들에 전달하고;
    상기 제 1 및 제 2 TIA들을 이용하여 상기 두 개의 전기 신호들을 증폭시키며;
    상기 제 1 및 제 2 TIA들의 결합된 출력들로부터 출력 전기 신호를 생성하도록
    동작 가능한 것인, 데이터 전달을 위한 시스템.
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