TW202204952A - 內建自我檢測之高通道計數光學收發器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種諸如一光學收發器之光學裝置，其可包含一級聯內建自我檢測結構，該結構可在檢測模式中使用一主動功率模式組態且可在一非主動功率模式中遠離一回送路徑充分衰減光。該光學裝置可包含一晶圓上射極，其可用於在該內建自我檢測結構處於主動模式中時調諧一光源用於光學組件之檢測及校準。

Description

內建自我檢測之高通道計數光學收發器
本發明大體上係關於光學裝置，且更特定言之，本發明係關於檢測光電裝置。
現代高速積體電路(IC)具有複雜架構，其中數百萬個諸如電晶體之組件必須協同操作以依現代通信網路所需之數十億位元資料率傳輸資料。製造此等裝置之一關鍵步驟係檢測及校準高速裝置以確保裝置不會在一稍後時間點(例如，在整合至一產品中之後)失效。當前檢測系統一般經組態用於電子或半導體裝置，未經組態以提供一些現代混合高速裝置(諸如處理電及光兩者以達成較高資料率之光學收發器)之快速檢測及校準。
在以下描述中，為了解釋而闡述諸多具體細節以提供本發明之各種實施例之一理解。然而，熟習技術者應明白，可在無此等具體細節之情况下實踐本發明之實施例。一般而言，未必詳細展示熟知指令例項、結構及技術。
如所討論，諸如光學收發器之現代高速網路裝置可能難以使用習知檢測設備來檢測。為此，可將一內建自我檢測光學結構整合至一光電裝置中，其能够在製造階段進行晶圓級檢測且能夠在裝置自晶圓單粒化且整合至一最終產品中之後進一步進行稍後檢測及校準。在一些實例性實施例中，光學裝置包含一光學傳輸器及接收器以發送及接收來自裝置之一或多個光學資料通道(例如，通過外部光學網路)。傳輸器及接收器可經由可被啟用用於回送檢測及可被停用用於任務模式(例如其中裝置使用諸如一光學網路之光學裝置傳輸及/或接收光之任務模式或收發器模式)之一積體回送路徑來連接。光學裝置可包含一開關，其包括藉由導引光遠離回送路徑而至一丟棄埠(例如，耦合至一光學吸收器或非導波模式)來逐漸衰減之一級聯濾波器序列。在一些實例性實施例中，濾波器之各者包括經組態以被動導引由濾波器接收之光遠離回送路徑(例如，朝向丟棄埠)之一功率分配器。濾波器之各者可包含一調諧器，其可修改濾波器中之光以導引其朝向光學回送路徑以藉此能夠在製造期間及在現場(例如，在一最終產品中)操作之後進行基於回送之檢測。在一些實例性實施例中，利用回送路徑上之濾波器之一或多者來準確設定初始化光學裝置(例如光學收發器)時之雷射波長。
在一些實例性實施例中，收發器係一多通道(multilane)光學裝置，其在不同頻道上通過單獨光纖傳輸不同資料通道(例如並行單模)。隨著通道之數目增加，各通道可包含一積體開關，其可在導引光遠離波導之一低或零功率模式中操作且可經由將功率提供至各濾波器中之調諧器來組態至一主動模式。以此方式，可增加一光學收發器設計之通道之數目且無需主動控制或開關來導引光遠離通道之各自回送路徑。
在一些實例性實施例中，積體回送開關包含一晶圓上射極(例如光柵)，其可自通道輸出光以能夠在製造階段期間進行晶圓級檢測及校準。例如，一雷射可產生光且可藉由將光自晶圓上射極輸出至一光學檢測裝置(諸如波長計或光譜分析儀)來調諧。在一些實例性實施例中，將一給定通道之雷射調諧至某一波長，接著啟動回送開關中之調諧器以能夠在可根據大量光學通道擴充規模之一方法中準確內建自我檢測光學裝置。
圖1A係繪示根據一些實例性實施例之用於傳輸及接收光學信號之一光學收發器100的一方塊圖。光學收發器100係其中可實施一高效內建自我檢測回送路徑之一實例性高通道計數光學收發器。光學收發器100經組態以介接來自諸如電硬體裝置150之電裝置之電資料、將電資料轉換為光學資料及使用諸如光學裝置175之一或多個光學裝置發送及接收光學資料。為了解釋，在以下描述中，電硬體裝置150係將光學收發器100「代管」為發送及接收資料至一光學交換網路之一插拔式裝置之一主機板；其中(例如)光學裝置175可為一光學交換網路之其他組件(例如外部傳輸器177)。然而，應暸解，光學收發器100可經實施以與其他類型之電裝置及光學裝置介接。例如，根據一些實例性實施例，光學收發器100可經實施為一混合「主板」上之一單一晶片，其使用一光學網路(例如波導、光纖)作為一光學匯流排以使在將資料自光轉換為二進位電資料之後處理資料之板上電晶片互連。
在一些實例性實施例中，硬體裝置150包含用於接收光學收發器100之一電介面且與該電介面配合之一電介面。光學收發器100可為一可移除前端模組，其可由操作為一通信系統或裝置內之一後端模組之硬體裝置150實際接收及自該硬體裝置移除。
光學收發器100之資料傳輸器105可接收電信號，電信號接著經由PIC 110轉換為光學信號。接著，PIC 110可經由光學鏈路(諸如與PIC 110介接之光纖或波導)輸出光學信號。接著，輸出光資料可由其他組件(例如交換器、端點伺服器、一單一嵌入式系統上之其他嵌入式晶片)經由一網路(諸如一廣域網路(WAN)、光學交換網路、一嵌入式系統中之光學波導網路及其他)處理。儘管已繪示一單一資料傳輸器105，但應瞭解，包含額外資料傳輸器作為光學收發器100之設計之部分(例如四個個別資料傳輸器，一PSM4系統之各通道一個，如下文將討論)。
在接收器模式中，光學收發器100可經由至光學裝置175之一或多個光學鏈路接收高資料率光學信號。光學信號由PIC 110自光轉換為電信號以供資料接收器115進一步處理，諸如將資料解調變為一較低資料率用於輸出至諸如電硬體裝置150之其他裝置。儘管已繪示一單一資料接收器115，但應瞭解，包含額外資料接收器作為光學收發器100之設計之部分(例如四個個別資料接收器，一PSM4系統之各通道一個，如下文將討論)。
例如，光學收發器100及硬體裝置150可為諸如一分波多工(WDM)系統或並行單模(PSM)系統之一光學通信裝置或系統(例如一網路裝置)之組件。一般而言，WDM系統通過一個別光纖在不同波長上(例如，在不同載波波長上)傳輸多個資料串流。在WDM實施例中，一個別光纖自PIC 110輸出多個通道，其中各通道對應於波長之一頻道(範圍)。例如，在圖1A中，光學收發器100經由單模光纖耦合至光學裝置175，單模光纖可包含具有歸因於各通道處於一不同波長而不混合之不同波長之四個不同WDM光通道。此外，光學收發器100自一單模光纖接收WDM光，單模光纖接收四個不同WDM光通道用於分離及處理(例如自光學資料轉換為電資料、濾波及輸出至諸如硬體裝置150之一或多個硬體裝置)。
在並行單模中，將各通道分配至使各通道保持分離之不同光路或光纖上。例如，參考圖1B，光學收發器100係具有四個不同通道之一PSM4收發器。在一些實例性實施例中，一單一雷射以載波波長產生光，其由用於各通道之四個不同接收器分配及調變。接著，四個經調變光束自光學收發器輸出至四個傳輸光纖上。類似地，四個PSM接收光纖耦合至光學收發器100，其中各接收光纖攜載光學資料之一個別通道且各光纖上之通道使用相同載波波長。可藉由設計具有額外調變路徑之PIC 110來實施額外PSM通道。例如，光學收發器100可經設計為一64通道PSM光學收發器，其中一個光源產生64個不同光學調變器之載波。64個調變器之各者藉由使用來自資料傳輸器105之資料調變光來給予資料(例如，一資料傳輸器具有64個調變器驅動器，各到達通道一個)。接著，64個光通道在一起群組為輸出光纖之64個不同光纖上輸出(例如，選路至64個不同遠端接收器或裝置)。類似地，PSM光之64個輸入通道可經由64個輸入光纖將光輸入至光學收發器100中，光可接著經處理而輸出至諸如一乙太網路交換器之一或多個硬體裝置用於進一步選路。
圖2展示根據一些實例性實施例之具有一回送模式之光學收發器100之實例功能組件。如所討論，收發器100可經實施為一WDM或PSM系統，其中為簡潔起見，圖2中僅繪示一單一通道。具有額外回送路徑之額外通道可包含於光學收發器設計中，其中各回送結構可重複N次以實現高效高通道計數，例如64個通道。
在圖2之實例中，資料傳輸器105使用儲存於傳輸器(TX)控制器203中之指令來管理接收電資料及控制PIC 110之組件。TX控制器203之實例包含(但不限於)一數位信號處理(DSP)單元、一通用微處理器、一ASIC、一場可程式化閘陣列(FPGA)、其等之一組合或其他等效積體或離散邏輯電路系統及儲存用於執行之控制指令之伴隨記憶體。
在一些實例性實施例中，資料傳輸器105接收自一外部裝置(諸如一外部主機裝置或主機板)輸入之電資料。接著，傳輸器控制器203可執行將電資料轉換為光學調變資料之指令，調變器驅動器205使用光學調變資料來控制PIC 110中之一光學調變器220 (例如相移器、電吸收調變器(EAM)、馬赫-岑得干涉儀(MZI)調變器)。調變器220自諸如雷射213之一光源接收光，其接著根據調變指令來調變接收光(例如，將二進位電資料轉換為PAM4調變或QPSK調變符號資料)，光接著作為輸出光自PIC 110輸出(例如通過一光學交換網路傳輸之輸出光)。在一些實例性實施例中，為補償可能影響光學調變器220之調變特性之環境或裝置溫度，傳輸器控制器203控制一加熱器210以使調變器220動態保持一所要操作範圍。儘管圖2之實例為了簡潔而繪示不包含各種組件之傳輸器105之一簡化版本，但應瞭解，傳輸器105可包含下文將進一步討論且根據一些實例性實施例之額外各種組件。
PIC 110可接收由光學偵測器230偵測之光學輸入光(例如，來自一單模光纖)，光學偵測器230可使用諸如一光二極體及/或其他元件之一光學元件來偵測接收光中之光子且將光轉換為電以供資料接收器115解調變處理，如下文將進一步詳細討論。
在一些實例性實施例中，PIC 110包含一光學回送路徑225 (例如積體波導)，其將輸出光自傳輸組件(例如包括調變器220及資料傳輸器105之傳輸器光學子總成)直接導引至接收組件(例如偵測器230、資料接收器115)以在設計、檢測及製造階段期間及在現場(例如，作為整合至一最終產品之後的一內建自我檢測(BIST)程序之部分)分析及校準收發器100。
回送路徑225允許光學收發器100之晶片上或模組內特性化，其包含(但不限於)檢測諸如位元錯誤率(BER)特性化、接收功率及敏感度特性化及存在於收發器100中之濾波器(例如多工器、解多工器等等)之校準。
在一些實例性實施例中，PIC 110包含可接收一控制信號來導引一傳輸組件(例如調變器220)之輸出朝向接收組件(例如偵測器230)之一高通道計數BIST光學開關架構222。在一些實例性實施例中，回送路徑225切換元件可包括(但不限於)以下光學組件之全部或一子集：一SOA、一熱光開關、一p-i-n二極體開關或由一或多個多模干涉(MMI)耦合器及馬赫-岑得干涉儀(MZI)組成之一交換網路。切換元件之新增允許施加一電控制信號來判定來自傳輸器之光學信號之選路。針對一特定控制條件，開關可實現在PIC (或模組)內使光學信號自傳輸器選路至接收器，作為一內建檢測模式之部分。
針對一不同控制條件，相同切換元件可確保光學信號自傳輸器選路至外部光學鏈路。在一些實例性實施例中，PIC包含接收一控制信號來自接收組件(例如調變器220、開關架構222)接收回送路徑225上之光之另一開關架構222。以此方式，光學收發器100無需至模組之一外部光學鏈路來形成一收發器之傳輸路徑與接收路徑之間的一光學鏈路以藉此消除外部耦合校準操作、耦合損耗、外部光纖至開關連接等等。此外，一收發器之個別傳輸及接收區段之校準及功能驗證不受限於需要在單元外部形成一實體光學連接之解決方案。此外，當收發器需要被設定為「正常」操作模式時，無需斷接傳輸器與接收器之間的外部連接，因為可僅停用積體回送路徑。
儘管圖2之實例為了簡潔而繪示不包含各種組件之PIC 110之一簡化版本，但應瞭解，PIC 110可包含用於發送及接收光之額外各種組件(例如MZI、電吸收調變器(EAM)、多工器、解多工器、濾波器)。
資料接收器115藉由使用在接收器(RX)控制器250中執行及/或儲存之指令控制接收器115之組件來管理自PIC 110接收電資料及處理電資料(例如放大濾波、解調變)。RX控制器250之實例包含(但不限於)一DSP單元、一通用微處理器、一ASIC、一FPGA、其等之一組合或其他等效積體或離散邏輯電路系統及儲存用於執行之控制指令之伴隨記憶體。
由偵測器230產生之電(例如電信號、電流)可由TIA 235轉換為一放大電壓，其接著由一前饋等化器(FFE) 240處理。FFE 240實施一或多個延遲以產生及組合信號之一延遲版本以過濾及增强信號。在一些實例性實施例中，FFE 240將經過濾電信號輸入至一接收器眼掃描分析儀253中，其可由RX控制器250實施以分析接收信號(例如，藉由產生一或多個眼圖)。此外且根據一些實例性實施例，經過濾信號接著由一時脈與資料回復(CDR)模組255處理以處理及回復資料之計時/時脈特性(例如，提取時脈信號且對資料信號重新計時)，其接著經進一步處理或輸出為資料(例如，供諸如硬體裝置150之一外部裝置進一步處理)。
圖3展示根據一些實例性實施例之一內建自我檢測開關架構300。根據一些實例性實施例，高通道計數BIST回送結構305係圖2之光學開關架構222之一實例性組態。雷射303 (例如圖2之雷射213)可經組態為一WDM收發器(圖1A)或一PSM收發器(圖1B)之一內部或外部雷射，且回送結構305可針對各額外調變路徑實施多次。例如，結構305可在一單一WDM收發器設計之一PIC設計中實施一次，其中四個通道使用回送結構305之一單一例項自傳輸器循環至接收器。替代地，收發器可包含大量通道(諸如一64通道PSM收發器)，且回送結構305之64個例項可經組態以在各自64個PSM通道之64個傳輸器至64個對應接收器之間提供BIST回送功能。結構305之一益處在於：其在處於BIST模式中時消耗BIST開關功率，及在不處於BIST模式中時(例如，在光學收發器處於任務模式中時)，各回送結構可在使用一高效零功率開關組態時强烈衰減回送路徑。另外，在BIST啟用模式中，回送損耗小於任務模式使用或基於外部光纖之回送，及在BIST停用模式中，回送損耗足够高以致不影響接收器效能(例如，歸因於自Tx至Rx之光學串擾，＜0.1 dB功率損失)。
雷射303可為產生載波光之一可調諧雷射，載波光接著由一光學調變器310 (例如圖2之調變器220)調變。接著，光學調變器310將載波光輸入至可調諧濾波器315中，其接著輸出為傳輸器輸出(例如，用於傳輸至圖1A或圖1B中之一光學裝置175)。可調諧濾波器315可提供光子積體電路之一參考波長。在一些實例性實施例中，回送結構305包含多個可調諧濾波器，其等之各者具有一不同自由光譜範圍。多個可調諧濾波器可協同操作以提供一所要輸出波長之一唯一組合傳輸峰值。在一些實例性實施例中，一功率感測電路嵌入於各可調諧濾波器中以在可調諧濾波器之電阻隨時間變化時提供給定濾波器之一可重複位置。
可調諧濾波器315耦合至一功率分配器320 (例如定向耦合器、多模干涉(MMI)耦合器)，功率分配器320經由分接頭325將接收光耦合至一波上射極335及監測光二極體(MPD) 330。功率分配器320進一步將光輸入至另一可調諧濾波器323，另一可調諧濾波器323耦合至一BIST開關345及一監測光二極體(MPD) 350。
在一些實例性實施例中，在製造時間期間，可在晶圓級處使用晶圓上射極335檢測光學收發器。在一些實例性實施例中，晶圓上射極335以氮化矽或矽形成為一蝕刻光栅。在其中晶圓上射極335係氮化矽光栅之一些實例性實施例中，一光錐用於使光模在輸入至晶圓上射極335之氮化矽光栅實施例中之前自矽波導過渡至氮化矽波導。
可針對給定通道使用晶圓上射極335來實施晶圓級檢測之一光學檢測及校準程序包含針對通道之雷射波長量測。由於諸多光學晶圓尺度量測係基於雷射，因此使用耦合至晶圓上射極335之一外部光譜分析儀(OSA)來將可調諧雷射設定為所要波長以調整波長係非常有益的。作為一實例，可調諧雷射303直至耦合至晶圓上射極335之一外部OSA顯示1300 nm之一值；此後，可在BIST啟用模式中執行額外量測。例如且根據一些實例性實施例，若傳輸鏈上最後MPD (例如MPD 365)上之傳輸功率高於一預設最小值且BIST回送模式中之接收器回應度高於一預設最小值，則光學收發器(或收發器之特定通道)被視為經校準及運行正常。歸因於傳輸功率及接收器回應度隨不同雷射波長強烈變動，經由射極335將雷射303設定為一目標檢測波長可確保準確檢測裝置。
此外，一外部光譜分析儀亦可用於藉由識別雷射調諧效能之任何意外偏差來量測雷射303之品質。例如，若雷射303無法達到1300 nm且僅可達到1298 nm，則收發器裝置可歸因於一壞雷射而被視為不合格，而若雷射303達到1300 nm但自1290 nm快速跳至1300 nm，則雷射303可能因調諧不穩定而失效。
在一些實例性實施例中，為了高產量檢測，不實施一外部光譜分析儀來直接控制雷射303，因為此招致額外檢測時間，而是會將雷射303設定為接近目標雷射波長之預界定校準設定。另外且根據一些實例性實施例，實施一或多個MZI及MPD以將雷射303之波長作為目標。在此等實例性實施例中，仍可實施外部光譜分析儀來記錄雷射波長，且若波長遠離目標，則光學收發器將被分級為失效。明顯地，此方法比經由OSA控制之雷射更高效，因為其僅需來自光譜分析儀之一個波長讀出，而非需要多個讀出以使用射極335使雷射與控制迴路對準。
根據一些實例性實施例，可使用晶圓上射極335量測額外有價值檢測參數，其包含使用光譜分析儀之雷射側模抑制比(SMSR)、使用一外部光二極體及電譜分析儀之雷射相對强度雜訊(RIN)及使用具有一光二極體及電譜分析儀之一外部光學延遲線干涉儀之雷射光學線寬。
功率分配器320進一步將光耦合至BIST開關345中，如下文將參考圖4及圖5進一步詳述。BIST開關345耦合至一接收器開關355，接收器開關355可經啟動以在回送模式中使光自接收器循環至調變器。BIST開關345經組態以具有一高衰減，其在任務模式期間(例如，在傳輸至諸如光學裝置175之外部/遠端裝置期間)阻止光耦合至接收器開關355中而使BIST開關345中之各濾波器不使用功率。另外，監測光二極體(MPD) 360可監測BIST開關345之輸出，且監測光二極體365在任務及回送模式期間監測接收器開關355之輸出且可用於檢測諸如雷射303之光學組件，如上文所討論。
在一些實例性實施例中，為自任務模式切換至回送模式，接收器開關355重組態一主動調諧器以將BIST開關345之輸出耦合至接收器路徑(例如圖2之回送路徑225)。此外，BIST開關345啟動一或多個調諧器以將光自功率分配器320導引至接收器開關355以藉此將光耦合至光學接收器。
圖4展示根據一些實例性實施例之用於一BIST開關之一實例開關架構400。架構400包含多個級聯被動開關或濾波器，其包含BIST濾波器403、BIST濾波器423及BIST濾波器437。如此處所討論，各BIST濾波器包括一輸入耦合器(例如2x2分配器405、2x2分配器420、2x2分配器435)及一輸出耦合器(例如2x2分配器415、2x2分配器430及2x2分配器445)，其等由兩個光學路徑或波導連接，其中連接輸入及輸出耦合器之路徑之一者具有在BIST停用模式中以零功率操作且在BIST模式中經電控制以傳遞光進行檢測及校準之一調諧器。在一些實例性實施例中，分配器405係一2x2開關(分配器)以提供其中僅利用一個埠之一零偏壓切斷狀態(因為將一1x2開關實施為分配器405將導致一pi/2功率設定以切斷開關)。
在所繪示之實例中，BIST濾波器403包含一光學功率分配器405，其耦合至一光學調諧器410及一光學分配器415，光學分配器415具有傳輸至下一濾波器(例如濾波器423)之一傳輸埠及捨棄耦合至該埠之光之一丟棄埠(例如，將光耦合至丟棄埠而至一光學吸收器或一非導波模式)。BIST濾波器423包含一光學功率分配器420，其耦合至一光學調諧器425及一光學分配器430，光學分配器430具有傳輸至下一濾波器(例如濾波器437)之一傳輸埠及捨棄耦合至該埠之光之一丟棄埠(例如，在丟棄埠處將光耦合至一光學吸收器(諸如一SOA))。BIST濾波器437包含一光學功率分配器435，其耦合至一光學調諧器440及一光學分配器445，光學分配器445具有自開關架構400向外傳輸之一傳輸埠及將光耦合至一監測光二極體之另一輸出埠。在一些實例性實施例中，根據一些實例性實施例，包含額外BIST級，例如，BIST濾波器437可輸出至一額外濾波器(未描繪)以在一零功率BIST模式期間提供較高衰減。
在一些實例性實施例中，BIST開關之各者包含由一控制電路電控制之一調諧器：調諧器410由控制413電控制，調諧器425由控制427電控制，且調諧器440由控制443電控制。調諧器之各者可經實施為一電控光學相位調諧器，諸如靠近波導放置之一電阻加熱器，其經由一熱光效應來修改光學相位。替代地，在一些實例性實施例中，各調諧器係形成於波導區域中之二極體，其經由一電光效應(諸如主動資料之光學吸收或折射率之一變化)來修改傳播光之光學相位。
分配器405、415、420、430、435及445可經製作為功率分配耦合器，諸如具有根據一般技術者已知之耦合模式理論所設定之一預組態功率分配比之一多模干涉(MMI)或定向耦合器。例如，分配器405、420及435可經組態為將接收光量之一半耦合至各輸出埠之50/50分配器(例如，其等之各者轉至給定濾波器之一調諧器或一輸出耦合器)。在BIST停用模式中，根據一些實例性實施例，各濾波器含有異相組合之一組MZI路徑且解構介面發生以被動阻止光沿回送路徑導引。
例如，當處於BIST停用模式中時，分配器430自上分支(自分配器420)及下分支(經由調諧器425)接收光，且在分配器430中發生解構干涉，藉此在濾波器423處衰減光(例如，藉由解構干涉來衰減)。
在BIST啟用模式中，對濾波器403、423、437提供功率以使光能够通過各濾波器(例如，其中在各濾波器之輸出分配器處未發生全解構干涉)。例如，參考濾波器423，調諧器425接收功率以引起下分支上之光相變，其接著在分配器430中耦合，分配器430經由分配器430之上埠將光傳遞至下一濾波器437。
以此方式，級聯濾波器403、423及437用作一被動開關以替換回送路徑之一單一主動控制開關。光學架構藉由級聯多個級且無需精細主動控制來提供一較高開關衰減。在一些實例性實施例中，對準開關以最大化零功率處之衰減，使得僅在BIST模式期間、在用於校準及檢測之回送模式(例如校準通道之傳輸器之調變器、校準加熱器偏壓、光源等等)期間需要開關功率。
圖5展示根據一些實例性實施例之用於一BIST開關之一實例性開關架構500。在圖5之實例中，調諧器410、425及440之各者由一單一電控制電路505電控制。在調諧程序中，電控制電路505同時調諧調諧器410、425及440之各者以最大化傳輸至下一級(例如下一濾波器或就分配器445而言，在架構500外)之光。根據一些實例性實施例，架構500之一益處在於减少電控制電路之數目以藉此減少總功耗。
圖6展示根據一些實例性實施例之用於調諧一BIST開關之一方法600之一流程圖。在操作605，啟動一光源。例如，在操作605，啟動用於一4 PSM光學收發器之一通道之一雷射(例如雷射213)以產生載波光用於調變。在一些實例性實施例中，載波光依未調變形式用於調諧濾波器(例如濾波器403、濾波器423及濾波器437)之各者；而在一些其他實施例中，在方法600之調諧操作期間經由一光學調變器來調變光。在一些實例性實施例中，使用一晶圓上射極335啟動載波光且將其調諧至一目標波長。
在操作610，調諧第一濾波器以將最大傳輸提供至下一級。例如，在操作610，調諧器410改變下分支上之光之相位，使得光在分配器415中自分配器415之輸出埠處之解構干涉改變為經由與濾波器403之上波長分支中之光相位耦合來導向傳輸埠之光之95%至100%。在一些實例性實施例中，藉由最小化分配器415之丟棄埠處之一監測光二極體(上圖中未描繪之丟棄埠處之監測二極體)上之功率來調諧調諧器410。在其他實例性實施例中，藉由最大化連接至功率分配器415之傳輸埠(例如功率分配器415之上埠)之一分接頭及監測光二極體上之功率來調諧調諧器410。
在操作615，調諧一或多個額外濾波器以在傳輸埠上傳輸一最大光。例如，調諧調諧器425以最大化導向分配器430之傳輸埠之光量，分配器430接著經由分配器435耦合至下一級濾波器。另外且根據一些實例性實施例，在操作615，電控制調諧器440以最大化自分配器445之輸出埠(上埠)輸出之光量，其中分配器445之預設組態(未調諧)被動衰減光(例如，解構干涉及/或使大部分光朝向下埠導引至一非導波模式或一光學吸收器(諸如其切斷模式中之一SOA)以吸收/衰減光)。在針對至傳輸埠之最大功率來最佳化各濾波器級之後，在操作617將濾波器設定保存為BIST啟用模式。
在操作620，使零功率作為BIST停用模式保存至濾波器之電控制。當處於停用模式中時，分配器415、430及445之各者經由解構干涉及/或將所接收之光導引至下埠(其將光耦合至一光學吸收器或非導波模式中)而非導向回送路徑(例如所對準上埠)來衰減光。
在操作625，光學收發器在任務模式中操作，其中BIST開關處於其停用組態中且將零功率提供至開關之各者，且使光衰減及/或使其轉向丟棄埠。
在一些實例性實施例中，省略用於設定濾波器之一或多個操作。例如，在一些實例性實施例中，省略操作615且使用單一電控制電路505來調諧調諧器410、425及440之各者最大化自其各自傳輸埠輸出之光量。在此等實例性實施例中，電控制電路505可同時變動調諧器，直至根據丟棄埠處之一MPD來最小化分配器445之下丟棄埠處之功率，此後，控制電路505儲存用於BIST啟用模式之調諧設定且藉由將所有調諧器同時設定為零功率用於被動高衰減來返回至BIST停用模式。
在一些實例性實施例中，對N個通道執行方法600 N次，通道各包括上文所討論之一零功率BIST回送結構305。在調諧多個BIST結構之後，通道之各者可在一BIST停用模式中使用通道之各者中之所有開關處之零功率設定來高效衰減回送模式。
圖7展示根據一些實例性實施例之用於使用一高通道計數BIST開關來啟用BIST模式之一方法700之一流程圖。在操作705，啟動光源用於光學收發器。在操作710，在回送模式中組態接收器開關。例如，參考圖3，接收器開關355自接收器輸入埠(例如，自外部源、傳輸器接收)切換至BIST輸入埠以接收來自BIST開關345之光。
在操作715，將BIST開關之濾波器設定為在圖6之操作610及615儲存之其調諧濾波器電壓。在操作715及720期間，開關處於BIST啟用模式中且接收電功率以將光耦合至濾波器403、423及437之傳輸埠之各者中。
在操作720，當處於BIST開關功率有效之回送模式中時，可檢測及校準收發器之一或多個光學組件。在一些實例性實施例中，對光學收發器之各通道(例如一64 PSM光學收發器之各通道)重複方法700。在BIST模式中校準通道之各者之後，將所有開關設定為零功率以藉此高效抑制各通道之回送路徑而不消耗非必要功率。
圖8係根據一些實例性實施例之包含一或多個光學裝置之一光電裝置800 (例如光學收發器100)之一說明圖。在此實施例中，光電裝置800經展示為包含印刷電路板(PCB)基板805、有機基板810、ASIC 815及光子積體電路(PIC) 820。在此實施例中，PIC 820可包含一或多個上述光學結構(例如PIC 110、具有64個通道之一多通道PSM PIC)。
在一些實例性實施例中，PIC 820包含絕緣體上矽(SOI)或矽基(例如氮化矽(SiN))裝置，或可包括由矽及非矽材料兩者形成之裝置。該非矽材料(或指稱「異質材料」)可包括III-V族材料、磁光材料或晶體基板材料之一者。III-V族半導體具有見於週期表之III族至V族中之元素(例如磷化砷鎵銦(InGaAsP)、氮化砷銦鎵(GaInAsN))。基於III-V族之材料之載子消散效應可顯著高於矽基材料，因為III-V族半導體中之電子速度明顯快於矽中之電子速度。另外，III-V族材料具有能夠自電泵浦高效產生光之一直接能隙。因此，III-V族半導體材料能夠以比矽提高之一效率進行光子操作以產生光及調變光之折射率。因此，III-V族半導體材料能夠以一提高效率進行光子操作以自電產生光及將光轉換回電。
因此，低光學損耗及高品質之矽氧化物與下文將描述之異質光學裝置中之III-V族半導體之電光效率組合；在本發明之實施例中，該等異質裝置利用裝置之異質波導與僅矽波導之間的低損耗異質光學波導轉變。
磁光材料允許異質PIC基於磁光(MO)效應來操作。此等裝置可利用法拉第效應(Faraday Effect)，其中與一電信號相關聯之磁場調變一光束以提供高頻寬調變，且旋轉光模之電場以啟用光學隔離器。該等磁光材料可包括(例如)諸如鐵、鈷或釔鐵石榴石(YIG)之材料。此外，在一些實例性實施例中，晶體基板材料提供具有一高機電耦合、線性電光係數、低傳輸損耗及穩定物理及化學性質之異質PIC。該等晶體基板材料可包括(例如)鈮酸鋰(LiNbO3 )或鉭酸鋰(LiTaO3 )。
在所繪示之實例中，PIC 820經由稜鏡825與光纖830交換光；根據一些實例性實施例，該稜鏡825係用於將一光模耦合至一單模光纖之一容許未對準裝置。在其他實例性實施例中，實施多個光纖以自稜鏡825接收光用於各種光學調變格式(例如具有四個通道之並行單模(PSM4))。
在一些實例性實施例中，PIC 820之光學裝置至少部分由包含於ASIC 815中之控制電路系統控制。ASIC 815及PIC 820兩者經展示為安置於銅柱814上，銅柱814用於經由有機基板810來通信地耦合IC。PCB基板805經由球柵陣列(BGA)互連件816耦合至有機基板810，且可用於將有機基板810 (及因此ASIC 815及PIC 820)互連至系統之其他未展示組件(例如互連模組、電源供應器等等)。
以下係實例性實施例：
實例1. 一種用於檢測一光學收發器之方法，該光學收發器包括一傳輸器及一接收器，該方法包括：在一回送模式中沿該光學收發器中之一回送路徑將光自該傳輸器傳輸至該接收器，該回送模式由一積體回送開關啟用，該積體回送開關包括自一非主動功率模式切換至一主動功率模式以沿該回送路徑提供光之濾波器；使用在回送模式中沿該回送路徑傳播之光來檢測該光學收發器中之一或多個光學組件；藉由將該積體回送開關自該主動功率模式設定為該非主動功率模式來將該光學收發器設定為任務模式，該積體回送開關之該等濾波器經組態以在處於該非主動功率模式中被動導引光遠離該回送路徑；及在該光學收發器處於任務模式中且該積體回送開關之該等濾波器處於該非主動功率模式中時由該傳輸器傳輸輸出光。
實例2. 如實例1之方法，其中該光學收發器係包括複數個傳輸器及接收器對之一多通道光學收發器。
實例3. 如實例1或2中任一例之方法，其中各傳輸器及接收器對由一個別回送路徑耦合，光可在該回送模式中使用在該主動功率模式中操作之一個別積體回送開關來沿該個別回送路徑導引。
實例4. 如實例1至3中任一例之方法，各個別積體回送開關包括自被動導引光遠離該個別回送路徑之該非主動功率模式切換至主動導引光沿該個別回送路徑之該主動功率模式之濾波器。
實例5. 如實例1至4中任一例之方法，其中該積體回送開關中之各濾波器包括經組態以在該非主動功率模式中被動導引光遠離該回送路徑及在該主動功率模式中主動導引光朝向該回送路徑之一功率分配器。
實例6. 如實例1至5中任一例之方法，其中該功率分配器係一多模耦合器。
實例7. 如實例1至6中任一例之方法，其中該功率分配器係一定向耦合器。
實例8. 如實例1至7中任一例之方法，其中各濾波器中之各功率分配器包括改變該濾波器中之光之一相位以將光自各濾波器之一丟棄埠導引至該濾波器之一傳輸埠之一電控調諧器。
實例9. 如實例1至8中任一例之方法，其中各濾波器之該丟棄埠傳輸光遠離該回送路徑，且其中各濾波器之該傳輸埠傳輸光朝向該回送路徑。
實例10. 如實例1至9中任一例之方法，其中該等濾波器依一序列在該非主動功率模式中藉由被動導引由各濾波器接收之光遠離該回送路徑而至該濾波器之一丟棄埠來逐漸衰減光。
實例11. 如實例1至10中任一例之方法，其進一步包括：使用一光源產生該光；及使用該積體回送開關中之一晶圓射極來將該光源調諧至一預組態波長。
實例12. 如實例1至11中任一例之方法，其中在將該光源調諧至該預組態波長之後，在該回送模式中檢測該一或多個光學組件。
實例13. 如實例1至12中任一例之方法，其中該光源係一可調諧雷射，且其中在該回送模式中檢測之該一或多個光學組件包含該光源。
實例14. 如實例1至13中任一例之方法，其中一光譜分析儀耦合至該晶圓射極，且其中該光源根據由該光譜分析儀自該積體回送開關之該晶圓射極接收之該光來調諧至該預組態波長。
實例15. 如實例1至14中任一例之方法，其中該光學收發器包含於一晶圓中，且使用自該晶圓射極發射之光，使用晶圓級檢測來檢測該一或多個光學組件。
實例16. 一種光學收發器，其包括：一光學傳輸器，其經組態以產生調變光；一光學接收器，其用於接收光；及一積體回送開關，其耦合至該光學傳輸器及該光學接收器以沿一回送路徑將光自該光學收發器耦合至該光學接收器，該積體回送開關包括在處於一主動功率模式中時沿該回送路徑導引光自該光學傳輸器至該光學接收器及在處於一非主動功率模式中時被動導引光遠離該回送路徑之一或多個濾波器。
實例17. 如實例16之光學收發器，其中該積體回送開關中之各濾波器包括經組態以在該非主動功率模式中被動導引該光遠離該回送路徑及在該主動功率模式中主動導引該光朝向該回送路徑之一功率分配器。
實例18. 如實例16或17中任一例之光學收發器，其中在該非主動功率模式中，該等濾波器處於一切斷狀態中且不接收操作功率。
實例19. 如實例16至18中任一例之光學收發器，其中各濾波器中之各功率分配器包括改變該濾波器中之光之一相位以導引光自該濾波器之一丟棄埠至一傳輸埠以啟用該回送模式之一電控調諧器。
實例20. 如實例16至19中任一例之光學收發器，其中該功率分配器係具有一不均勻功率分配比之一光學耦合器。
在以上詳細描述中，已參考本發明之具體例示性實施例描述本發明之方法及設備。然而，應明白，可在不背離本發明之較廣精神及範疇之情況下對本發明進行各種修改及改變。因此，本說明書及附圖應被視為具繪示性而非限制性。
100:光學收發器 105:資料傳輸器 110:光子積體電路(PIC) 115:資料接收器 150:硬體裝置 175:光學裝置 177:外部傳輸器 203:傳輸器(TX)控制器 205:調變器驅動器 210:加熱器 213:雷射 220:光學調變器 222:光學開關架構 225:光學回送路徑 230:光學偵測器 235:TIA 240:前饋等化器(FFE) 250:接收器(RX)控制器 253:接收器眼掃描分析儀 255:時脈與資料回復(CDR)模組 300:內建自我檢測(BIST)開關架構 303:雷射 305:回送結構 310:光學調變器 315:可調諧濾波器 320:功率分配器 323:另一可調諧濾波器 325:分接頭 330:監測光二極體(MPD) 335:晶圓上射極/波上射極 345:BIST開關 350:MPD 355:接收器開關 360:MPD 365:MPD 400:開關架構 403:BIST濾波器 405:分配器 410:調諧器 413:控制 415:分配器 420:分配器 423:BIST濾波器 425:調諧器 427:控制 430:分配器 435:分配器 437:BIST濾波器 440:調諧器 443:控制 445:分配器 500:開關架構 505:電控制電路 600:方法 605:操作 610:操作 615:操作 617:操作 620:操作 625:操作 700:方法 705:操作 710:操作 715:操作 720:操作 800:光電裝置 805:印刷電路板(PCB)基板 810:有機基板 814:銅柱 815:ASIC 816:球柵陣列(BGA)互連件 820:PIC 825:稜鏡 830:光纖
以下描述包含討論具有藉由實施本發明之實施例之實例所給出之繪示之圖。圖式應藉由實例而非限制來理解。如本文中所使用，參考一或多個「實施例」應被理解為描述包含於本發明之至少一實施方案中之一特定特徵、結構或特性。因此，本文中出現之諸如「在一實施例中」或「在一替代實施例中」之片語描述本發明之各種實施例及實施方案，且未必全部係指相同實施例。然而，其等亦必需不相互排斥。為易於識別任何特定元件或動作之討論，一元件符號中之首位或前幾位數字係指其中首先引入該元件或動作之圖(「FIG.」)號。
圖1A係繪示根據一些實例性實施例之用於傳輸及接收光學信號之一光學收發器的一方塊圖。
圖1B係繪示根據一些實例性實施例之用於傳輸及接收光學信號之一並行通道光學收發器的一方塊圖。
圖2展示根據一些實例性實施例之具有一回送模式之光學收發器之實例性功能組件。
圖3展示根據一些實例性實施例之一內建自我檢測架構。
圖4展示根據一些實例性實施例之用於一內建自我檢測開關之一實例性開關架構。
圖5展示根據一些實例性實施例之用於一內建自我檢測開關之一實例性開關架構。
圖6展示根據一些實例性實施例之用於調諧一內建自我檢測開關之一方法之一流程圖。
圖7展示根據一些實例性實施例之用於使用一高通道計數內建自我檢測開關來啟用內建自我檢測開關模式之一方法之一流程圖。
圖8係根據一些實例性實施例之包含一或多個光學裝置之一光電裝置之一說明圖。
以下描述某些細節及實施方案，其包含描述可描繪下文將描述之一些或所有實施例之圖及討論本發明之其他可能實施例或實施方案。下文將提供本發明之實施例之一綜述，接著參考圖式進行一更詳細描述。
300:內建自我檢測(BIST)開關架構
303:雷射
305:回送結構
310:光學調變器
315:可調諧濾波器
320:功率分配器
323:另一可調諧濾波器
325:分接頭
330:監測光二極體(MPD)
335:晶圓上射極/波上射極
345:BIST開關
350:監測光二極體(MPD)
355:接收器開關
360:MPD
365:MPD

Claims (20)

  1. 一種用於檢測一光學收發器之方法，該光學收發器包括一傳輸器及一接收器，該方法包括： 在一回送模式中沿該光學收發器中之一回送路徑將光自該傳輸器傳輸至該接收器，該回送模式由一積體回送開關啟用，該積體回送開關包括在一非主動功率模式至一主動功率模式之間切換以沿該回送路徑提供光之濾波器； 在回送模式中使用沿該回送路徑傳播之光來檢測該光學收發器中之一或多個光學組件； 藉由將該積體回送開關自該主動功率模式設定為該非主動功率模式來將該光學收發器設定為任務模式，該積體回送開關之該等濾波器經組態以在該非主動功率模式中被動導引光遠離該回送路徑；及 在該光學收發器處於該任務模式中且該積體回送開關之該等濾波器處於該非主動功率模式中時由該傳輸器傳輸輸出光。
  2. 如請求項1之方法，其中該光學收發器係包括複數個傳輸器及接收器對之一多通道光學收發器。
  3. 如請求項2之方法，其中各傳輸器及接收器對由一個別回送路徑耦合，光可在該回送模式中使用在該主動功率模式中操作之一個別積體回送開關來沿該個別回送路徑導引。
  4. 如請求項3之方法，各個別積體回送開關包括自被動導引光遠離該個別回送路徑之該非主動功率模式切換至主動導引光沿該個別回送路徑之該主動功率模式之濾波器。
  5. 如請求項1之方法，其中該積體回送開關中之各濾波器包括經組態以在該非主動功率模式中被動導引光遠離該回送路徑及在該主動功率模式中主動導引光朝向該回送路徑之一功率分配器。
  6. 如請求項5之方法，其中該功率分配器係一多模耦合器。
  7. 如請求項6之方法，其中該功率分配器係一定向耦合器。
  8. 如請求項5之方法，其中各濾波器中之各功率分配器包括改變該濾波器中之光之一相位以導引光至該濾波器之一傳輸埠之一電控調諧器。
  9. 如請求項8之方法，其中各濾波器之一丟棄埠傳輸光遠離該回送路徑，且其中各濾波器之該傳輸埠傳輸光朝向該回送路徑。
  10. 如請求項1之方法，其中該等濾波器依一序列在該非主動功率模式中藉由被動導引由各濾波器接收之光遠離該回送路徑而至該濾波器之一丟棄埠來逐漸衰減光。
  11. 如請求項1之方法，其進一步包括： 使用一光源產生該光；及 使用該積體回送開關中之一晶圓射極來將該光源調諧至一預組態波長。
  12. 如請求項11之方法，其中在將該光源調諧至該預組態波長之後，在該回送模式中檢測該一或多個光學組件。
  13. 如請求項11之方法，其中該光源係一可調諧雷射，且其中在該回送模式中檢測之該一或多個光學組件包含該光源。
  14. 如請求項11之方法，其中一光譜分析儀耦合至該晶圓射極，且其中該光源根據由該光譜分析儀自該積體回送開關之該晶圓射極接收之該光來調諧至該預組態波長。
  15. 如請求項11之方法，其中該光學收發器包含於一晶圓中，且使用自該晶圓射極發射之光，使用晶圓級檢測來檢測該一或多個光學組件。
  16. 一種光學收發器，其包括： 一光學傳輸器，其經組態以產生調變光； 一光學接收器，其用於接收光；及 一積體回送開關，其耦合至該光學傳輸器及該光學接收器以沿一回送路徑將光自該光學收發器耦合至該光學接收器，該積體回送開關包括在處於一主動功率模式中時沿該回送路徑導引光自該光學傳輸器至該光學接收器及在處於一非主動功率模式中時被動導引光遠離該回送路徑之一或多個濾波器。
  17. 如請求項16之光學收發器，其中該積體回送開關中之各濾波器包括經組態以在該非主動功率模式中被動衰減該光及在該主動功率模式中主動導引該光朝向該回送路徑之一功率分配器。
  18. 如請求項17之光學收發器，其中在該非主動功率模式中，該等濾波器處於一切斷狀態中且不接收操作功率。
  19. 如請求項17之光學收發器，其中各濾波器中之各功率分配器包括改變該濾波器中之光之一相位以導引光自該濾波器之一丟棄埠至一傳輸埠以啟用該回送模式之一電控調諧器。
  20. 如請求項17之光學收發器，其中該功率分配器具有一均勻分配比且解構干涉在該非主動功率模式中發生於該功率分配器中。
TW109135101A 2020-07-21 2020-10-12 內建自我檢測之高通道計數光學收發器及用於檢測其之方法 TWI843905B (zh)

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