TWI514789B - 用於建立及改良一通訊鏈路之方法及用於高速通訊之方法 - Google Patents

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Description

用於建立及改良一通訊鏈路之方法及用於高速通訊之方法
本發明係關於資料通訊鏈路之領域，且亦係關於既有所謂的銅通訊鏈路之改良，且關於改良式電光學通訊鏈路及技術，且亦關於改良式電光學差動發信號技術。
電纜鏈路通常伺服傳輸電力及傳輸電信號之功能。當用以傳輸信號時，將該等電纜鏈路稱為資料互連。當電纜鏈路媒體係由一電氣導電材料所製成時，不管該金屬僅僅係銅或另一導體(諸如鋁或一合金)，按照慣例將該電纜鏈路媒體稱為一銅資料互連或銅鏈路。本文將使用此慣例。
用於銅鏈路之銅電纜係固有損耗媒體，其中相比於低頻率分量，信號之較高頻率分量係以較高速率(dB/m)衰減。藉由使用較大線規電線可降低衰減，但不可消除衰減。因此，由於資料速率之速度增加至當前所使用的每通道3.4 Gbit/s(HDMI)或甚至4.8 Gbit/s(用於USB 3.0)，所以銅電纜電線已變得日益笨重及昂貴，且甚至對於小於5米的傳輸距離，總電纜封裝係不具吸引力的。為了補償電線中之損失，銅傳輸器晶片已內建預加強電路，預加強電路在銅線上驅動數位信號之前放大該數位信號之高頻率分量。在銅接收器側，一電纜等化器大體上係內建的以重新放大該數位信號之高頻率分量(或衰減該數位信號之低頻率分量)。一完整的銅鏈路可包含使用預加強及等化器之任一者或兩者。
圖1中展示一實例，其中由方塊110表示一傳輸器晶片組，由方塊120表示一接收器晶片組，且一銅電纜150連接傳輸器位置及接收器位置。在該傳輸器處，由驅動器電路112接收輸入資料，驅動器電路112結合預加強電路114操作以產生在電纜150上所傳輸的信號。在該接收器處，該經接收的信號係與等化器122以及產生輸出資料之限制放大器及驅動器124耦合。
除已提及的限制及缺點之外，該銅鏈路亦消耗相對高的電力，可需要昂貴的EMI屏蔽體，且涉及使用相當大的數量之不可回收利用材料。
一光學鏈路可消除某些銅鏈路缺點，但為一較高的初始成本及較高的電力消耗。使用光纖電纜以直接替代一銅通道需要添加一E-O(電轉光學)變換器及一O-E(光學轉電)變換器，該等變換器之各者必須使用來自銅傳輸器晶片組及銅接收器晶片組之既有電源及控制電路而供電及管理。傳統上已透過使用直接調變的雷射二極體器件或用外部調變技術(諸如電吸收調變器或光子開關)而實現經由光纖之十億位元資料傳輸之電轉光學功能。然而，此等技術需要消耗相當大的電力之額外回饋控制積體電路(IC)及額外驅動器(光學驅動器)且明顯添加成本。對於固定銅電纜等化器傳送功能之接收器晶片組，可能需要重新塑形自該光學轉電變換器離開之信號(即，高頻率分量信號之衰減)以匹配該等銅電纜等化器。
圖2展示圖1資料鏈路之一實例，其中已由具有典型的進一步所需電路之一光纖電纜250替代銅電纜。傳輸器晶片組及接收器晶片組對應圖1中的相同參考符號之組件。在圖2中，在232處表示一電轉光學變換器，且在262處表示一光學轉電變換器。當該電轉光學變換器包括一雷射二極體或雷射二極體及調變器之一組合時，需要在235處所表示的額外控制及驅動器電路。此外，因為接收器晶片組之內建等化器具有一特定傳送功能(若針對銅電纜損失進行最佳化)，所以可能需要在265處所表示的額外信號重新塑形電路(例如，包含一限制放大器及/或跨阻抗放大器)以將OE輸出特性匹配至該內建等化器。如以上所指示，此額外電路係昂貴的且消耗相對高的電力。因此，對於短距離(例如，小於30米)，由於銅媒體之相對較低的實施成本，所以銅媒體上傳送信號大體上仍係較佳的。
提供一種與將一銅資料鏈路轉換為使用一光學電纜之一資料鏈路相關聯之問題及限制之解決方案係本發明之一第一態樣之目的中的一者。
基於銅資料鏈路或互連之大多數高速傳輸利用差動發信號方法。在差動發信號中，使用量值相同但恰好180°異相之兩個信號以維持信號完整性。由於所有資料處理及資料產生在積體電路中具有其之根源，該等積體電路係電器件且因此產生電信號，所以對於電系統而言利用差動發信號之基於銅的傳輸係資料傳送之主導方法。在圖3之簡圖中圖解說明既有差動發信號。在銅驅動器330處，該差動信號包括資料信號V+及資料信號V-，且於在此實例中亦攜載接地參考電位之銅傳輸線或鏈路350上耦合此等資料信號。
當嘗試在相對長的距離建立或延伸一高速資料互連時，利用二極體發射器(諸如一雷射、VCSEL、發光二極體)之一基於光纖的互連可用以延伸該銅互連之傳輸線。如先前所指示，光學高速資料互連以一銅驅動器開始且最終以一銅接收器結束，因為所有當前資料系統起源自電程序且在電程序中終止。
在圖4中，圖解說明一既有光學互連鏈路延伸器之一示意圖。在該圖中展示銅驅動器430、等化器435、光學驅動器440、二極體發射器445、光纖光學波導450、二極體偵測器455、跨阻抗放大器460、限制放大器470及銅接收器480。該圖示範因為二極體光發射器係單端器件，所以在此實例中，僅使用該等資料信號之一者(V1+)，同時經由50歐姆電阻器439而終止(浪費)另一信號。來自銅驅動器430之該信號V1+通過等化器435，產生被饋送入光學驅動器440中之一經調節的輸出V2+。該光學驅動器將輸入電壓信號轉換成一等效電流信號(I1+)。此步驟係必須的，因為當前最先進的VCSEL、雷射及LED係作為電流驅動器件而操作。將電流信號饋送入二極體發射器中，產生光子信號。接著經發射的光子信號可被耦合入光學波導450(即，光纖)或僅經由自由空間。該光學波導之輸出端係將光子轉換成光電流(I2+)之二極體偵測器455。將該光電流耦合至跨阻抗放大器(TIA)460，該跨阻抗放大器將該光電流轉換成一經放大的電壓信號且亦將單端信號轉換成一差動信號(V3+及V3-)。將該差動信號饋送入限制放大器470中以進一步放大該信號(V4+及V4-)。最終，將經放大的差動信號耦合入一銅接收器中，完成資料傳輸。
提供剛所描述的類型之高速電光學資料互連之改良係本發明之一進一步態樣之目的中的一者，包含使其等更有效及更不昂貴。
本發明之一形式具有用於在一第一位置與一第二位置之間建立一通訊鏈路中使用之應用，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一電驅動器電路，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一電接收器電路。闡明一種方法之一實施例，該方法包含以下步驟：提供在該第一位置處且與該驅動器電路耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件的光耦合入該光纖中；及在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器電路耦合之一光偵測器；藉此自該接收器電路輸出表示該輸入資料之電信號。
本發明之此形式之另一實施例具有用於在一第一位置與一第二位置之間建立一通訊鏈路中使用之應用，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一傳輸器晶片組，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一接收器晶片組。闡明一種方法，該方法包含以下步驟：提供在該第一位置處且與該傳輸器晶片組耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件的光耦合入該光纖中；及在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器耦合之一光偵測器；藉此自該接收器晶片組輸出表示該輸入資料之電信號。在本發明之此形式之一實施例中，該傳輸器晶片組包含一驅動器電路，且提供與該傳輸器晶片組耦合之一傾斜電荷發光器件之步驟包括直接耦合該傾斜電荷發光器件與該驅動器電路。在此實施例之一形式中，該驅動器電路包含一開路集極電晶體，且提供與該驅動器電路耦合之該傾斜電荷發光器件之該步驟包括耦合該電晶體之該集極與該傾斜電荷發光器件。
本發明之此形式之另一實施例具有用於改良一第一位置與一第二位置之間的一通訊鏈路中使用之應用，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一電驅動器電路，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一電接收器電路，調適該鏈路以具有在該電驅動器電路與該電接收器電路之間所耦合的一電氣導電電纜。闡明一種方法，該方法包括以下步驟：移除該電氣導電電纜；提供在該第一位置處且與該驅動器電路耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件之光耦合入該光纖中；及在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器電路耦合之一光偵測器；藉此自該接收器電路輸出表示該輸入資料之電信號。
根據本發明之一進一步形式，闡明一種用於輸入資訊之高速通訊之技術，該技術包含以下步驟：產生表示該輸入資訊之一對相位相反電信號；以一共同集極組態提供一個三終端傾斜電荷發光器件；將該等相位相反信號之一者應用於該傾斜電荷發光器件之一基極集極輸入且將該等相位相反信號之另一者應用於該傾斜電荷發光器件之一射極集極輸入，以依據該等相位相反信號之兩者而產生一光學信號；將該光學信號傳達至一接收位置；及在該接收位置接收該光學信號及將該光學信號轉換為表示該輸入資訊之一輸出電信號。依據該等相位相反信號之兩者之該光學信號係與該等相位相反信號之絕對值之總和成比例。
本發明之此形式之一實施例進一步包括以下步驟：在將該等相位相反信號應用於該傾斜電荷發光器件之前，將第一等化器功能及第二等化器功能應用於該對相位相反電信號之各自的一者。在此實施例中，應用該第一等化器功能之步驟包含應用一第一類型的頻率濾波，且應用該第二等化器功能之該步驟包含應用不同於該第一類型的頻率濾波之一第二類型的頻率濾波。該第一類型的頻率濾波可包括低通濾波，且該第二類型的頻率濾波可包括高通濾波，且可因此實現頻寬增強。
從以下詳細描述，當結合隨附圖式加以採用時，本發明之進一步的特徵及優點將變得更顯而易見。
圖5係用於圖1中所圖解說明的銅鏈路之一傳輸器晶片組110(如圖1中)與一接收器晶片組120(亦如圖1中)之間的連接之一理想化光纖鏈路之一圖示，但以由光纖鏈路550、一電轉光學(EO)轉換器532及一光學轉電(OE)轉換器562替代銅電纜。例如，如結合圖2所描述，然而，當前需要結合自一銅電纜至一光纖鏈路之轉換之實質額外電路。本文之一挑戰係消除一些或所有額外電路之需要，且亦係具有由既有銅傳輸器晶片組及銅接收器晶片組(且非外部供電)所供電的電轉光學轉換器及光學轉電轉換器，且在不添加當前需要之昂貴的介面電路之情況下直接匹配至既有晶片組中的既有內建預加強及銅等化器。理想地，EO-光纖電纜-OE鏈路應複製銅電纜之傳送功能(以看起來可媲美銅驅動器及接收器信號調節器)、消耗較少的或可媲美電力，且係成本可媲美或少於銅解決方案。
本發明之實施例使用所謂的「傾斜電荷」發光器件。有時將最近幾年期間所開發的發光電晶體、電晶體雷射及某些兩終端光發射器及雷射稱為「傾斜電荷」器件，這是因為在與反向偏壓集極或汲極接面處之電荷「收集」之競爭中鎖定基極電子-電洞復合之「傾斜」基極電荷分佈(如可見於器件能帶圖)，因此選擇(「濾波」)且僅允許在大約微微秒之一有效壽命的基極中之「快速」復合(由一或多個量子大小區域所協助)。如本文所使用，術語「傾斜電荷光射極」或「傾斜電荷發光器件」或類似術語係傾向於包含具有所描述的「傾斜」基極電荷分佈之此等發光電晶體、電晶體雷射及某些兩終端光射極及雷射。可參考美國專利案第7,091,082、7,286,583、7,354,780、7,535,034及7,693,195號；美國專利申請公開案第US2005/0040432、US2005/0054172、US2008/0240173、US2009/0134939、US2010/0034228、US2010/0202483及US2010/0202484號；及參考PCT國際專利公開案第WO/2005/020287及WO/2006/093883號。亦可參考以下公開案：《Appl. Phys. Lett. 84，151(2004)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.及W. Hafez「Light-Emitting Transistor: Light Emission From InGaP/GaAs Heterojunction Bipolar Transistors」，；《Appl. Phys. Lett. 84，1952(2004)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.及R. Chan「Quantum-Well-Base Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor」；《Appl. Phys. Lett. 84，4792(2004)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、B. Chu-Kung、G. Walter及R. Chan「Type-II GaAsSb/InP Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor」；《Appl. Phys. Lett. 85，4768(2004)》G. Walter、N. Holonyak、Jr.、M. Feng及R. Chan「Laser Operation Of A Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor」；《Appl. Phys. Lett. 86，131114(2005)》R. Chan、M. Feng、N. Holonyak、Jr.及G. Walter「Microwave Operation And Modulation Of A Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 87，131103(2005)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、G. Walter及R. Chan「Room Temperature Continuous Wave Operation Of A Heterojunction Bipolar Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 88，012108(2006)》F. Dixon、R. Chan、G. Walter、N. Holonyak、Jr.、M. Feng、X. B. Zhang、J. H. Ryou及R. D. Dupuis「Visible Spectrum Light-Emitting Transistors」；於2006年2月《Spectrum，IEEE第43卷，第2期》N. Holonyak及M Feng「The Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 88，063509(2006)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、R. Chan、A. James及G. Walter「Signal Mixing In A Multiple Input Transistor Laser Near Threshold」；及《Appl. Phys. Lett. 88，14508(2006)》R. Chan、N. Holonyak、Jr.、A. James及G. Walter「Collector Current Map Of Gain And Stimulated Recombination On The Base Quantum Well Transitions Of A Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 88，232105(2006)》G. Walter、A. James、N. Holonyak、Jr.、M. Feng及R. Chan「Collector Breakdown In The Heterojunction Bipolar Transistor Laser」；《Photonics Technology Letters，IEEE第18卷第11期(2006)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、R. Chan、A. James及G. Walte「High-Speed(/spl ges/1 GHz) Electrical And Optical Adding,Mixing,And Processing Of Square-Wave Signals With A Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 89，082108(2006)》B. F. Chu-Kung等人「Graded-Base InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistors」；《Appl. Phys. Lett. 89，113504(2006)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、A. James、K. Cimino、G. Walter及R. Chan「Carrier Lifetime And Modulation Bandwidth Of A Quantum Well AlGaAs/InGaP/GaAs/InGaAs Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 90，091109(2007)》G. Walter、A. James、N. Holonyak、Jr.及M. Feng「Chirp In A Transistor Laser,Franz-Keldysh Reduction of The Linewidth Enhancement」；《Appl. Phys. Lett. 90，152109(2007)》A. James、G. Walter、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Photon-Assisted Breakdown,Negative Resistance,And Switching In A Quantum-Well Transistor Laser」；《Photonics Technology Letters，IEEE卷：19第9期(2007)》A. James、N. Holonyak、M. Feng及G. Walter「Franz-Keldysh Photon-Assisted Voltage-Operated Switching of a Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 91，033505(2007)》H.W. Then、M. Feng、N. Holonyak、Jr.及C. H. Wu「Experimental Determination Of The Effective Minority Carrier Lifetime In The Operation Of A Quantum-Well n-p-n Heterojunction Bipolar Light-Emitting Transistor Of Varying Base Quantum-Well Design And Doping」；《Appl. Phys. Lett. 91，053501(2007)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、H. W. Then及G. Walter「Charge Control Analysis Of Transistor Laser Operation」；《Appl. Phys. Lett. 91，183505(2007)》H. W. Then、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Optical Bandwidth Enhancement By Operation And Modulation Of The First Excited State Of A Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 91，232114(2007)》B. F. Chu-Kung、C. H. Wu、G. Walter、M. Feng、N. Holonyak、Jr.、T. Chung、J.-H. Ryou及R. D. Dupuis 「Modulation Of High Current Gain(β>49) Light-Emitting InGaN/GaN Heterojunction Bipolar Transistors」；《Appl. Phys. Lett. 91，243508(2007)》H. W. Then、G. Walter、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Collector Characteristics And The Differential Optical Gain Of A Quantum-Well Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 93，021111(2008)》F. Dixon、M. Feng、N. Holonyak、Jr.、Yong Huang、X. B. Zhang、J. H. Ryou及R. D. Dupuis「Transistor Laser With Emission Wavelength at 1544 nm」；《Appl. Phys. Lett. 93，163504(2008)》H.W. Then、G. Walter、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Optical Bandwidth Enhancement Of Heterojunction Bipolar Transistor Laser Operation With An Auxiliary Base Signal」；《Appl. Phys. Lett. 94，013509(2009)》H. W. Then、M. Feng及N. Holonyak、Jr. 「Bandwidth Extension By Trade-Off Of Electrical And Otical Gain In A Transistor Laser: Three-Terminal Control」；《Appl. Phys. Lett. 94，041118(2009)》M. Feng、N. Holonyak、Jr.、H. W. Then、C. H. Wu及G. Walter「Tunnel Junction Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett.94，101114(2009)》H. W. Then、C. H. Wu、G. Walter、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Electrical-Optical Signal Mixing And Multiplication(2→22 GHz) With A Tunnel Junction Transistor Laser」；《Appl. Phys. Lett. 94,171101(2009)》C. H. Wu、G. Walter、H. W. Then、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Scaling Of Light Emitting Transistor For Multigigahertz Optical Bandwidth」。2009年《Indium Phosphide ＆ Related Materials》Huang、Y.、Ryou、J.-H.、Dupuis、R.D.、Dixon、F.、Holonyak、N.、Feng、M.「Device Performance Of Light Emitting Transistors With C-Doped And Zn-Doped Base Layers」；於2009年5月10至14日之IPRM '09 IEEE國際會議第387至390頁；《Appl. Phys. Lett. 94，231125(2009)》G. Walter、C. H. Wu、H. W. Then、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「Tilted-Charge High Speed(7 GHz) Light Emitting Diode」；《Appl. Phys. Lett. 94，241101(2009)》G. Walter、C. H. Wu、H. W. Then、M. Feng及N. Holonyak、Jr.「4.3 GHz Optical Bandwidth Light Emitting Transistor,G. Walter」；及《Appl. Phys. Lett. 95，033509(2009)》M. Feng、H. W. Then、N. Holonyak、Jr. 、G. Walter及A. James「Resonance-Free Frequency Response Of A Semiconductor Laser」。
在本發明之一實施例之以下實例中，如結合圖7及圖8所描述，一商業HDMI 1.3a銅鏈路15係用作為一開始點。開路集極驅動器係跨一銅鏈路驅動信號之最普遍方法之一者。該方法廣泛用在既有銅互連標準(諸如HDMI、DVI及PCIe)中。該方法亦係在晶片對晶片互連中的最普遍驅動方法。圖6中，展示一先前技術單端連接以示範如何按照慣例將信號從該驅動器端傳送至該接收器端。圖6中，該驅動器包含電晶體615及其之發射器電路中的一電流源620。資料信號(「1」或「0」)係應用於該電晶體基極，且該電晶體集極係與該銅電纜耦合。在該接收器處，使用由R所表示的一電阻組件而將該信號轉換為表示「0」(=Vcc )或「1」(=Vcc -IR)之一電壓。一對此等單端連接係用以形成用於一習知銅通道之一差動對(本文以下進一步所描述)。對於HDMI標準，Vcc 大體上係3.3伏特。HDMI包含四個高速銅通道。
圖7圖解說明一傾斜電荷發光電晶體及一光接收器(諸如一光電晶體)可如何用以直接替代基於一開路集極銅驅動器之一銅通道(如在一HDMI 1.3a標準中所使用)。圖7中，驅動器及接收器係與對於圖6之該銅通道所展示的驅動器及接收器係相同的。此實例之該電晶體615係一NPN電晶體。有利地使用一傾斜電荷發光器件640作為一電光學轉換器。在所圖解說明的實施例中，該傾斜電荷發光器件640係(例如)具有G. Walter等人之美國專利第7,535,034號中所揭示的類型。驅動器輸入係與該發光電晶體640之基極終端耦合。用電壓Vs 加偏壓於本文之發射器，且將經發射出的光耦合入替代該銅電纜之光纖鏈路650中。供電給該傾斜電荷器件所需的該電壓(Vs )可係直接連接至由該HDMI傳輸器晶片組所提供的+5V電力供應器。在該接收器端，在此實施例中，一PNP光電晶體660操作以將該光學信號轉換為一電信號。由供電給該銅鏈路之相同Vcc 直接供電給該光電晶體。在此實例中，該光學鏈路僅利用形成一銅通道之兩個可用銅連接之一者。另一銅連接可係保留未連接或用以供電給該傾斜電荷發光電晶體。
在圖8之實施例中，用於電光學轉換之該傾斜電荷發光器件可係(例如)具有G. Walter等人之美國專利申請公開案第US2010/0202483號中所揭示的類型之一傾斜電荷發光二極體。如前文，該傾斜電荷器件、光纖及一光接收器(諸如一光電晶體)可用以直接替代基於一開路集極銅驅動器之一銅通道(如一HDMI 1.3a標準中所使用)。亦如前文，供電給該傾斜電荷器件所需的該電壓(Vs )可直接連接至由該HDMI傳輸器晶片組所提供的該+5V電力供應器。
所描述的高速光學資料鏈路可用於單工(單向)及雙工(雙向)資料鏈路兩者。單向資料鏈路應用標準之實例係HDMI、DVI及Displayport。雙向資料鏈路應用標準之實例係無限頻寬(Infiniband)、光纖通道、十億位元乙太網路、USB、XAUI、PCI-e、SAS、SATA。對於雙向通訊，在各端將存在一對或複數對傳輸器及接收器。
本發明之一進一步態樣涉及利用一電轉光學電壓微分器之一唯一的電光學通訊技術。圖9係以一NPN發光電晶體形式之一傾斜電荷發光器件之一圖(參見以上所參考的專利及公開案文獻)。如該圖中所示，該器件係以一共同集極組態，具有應用於基極集極輸入埠之一射頻(RF)源V1 及應用於該射極集極輸入埠之一RF源V2 。經由電容器C1 而應用該RF信號V1 ，且經由電容器C2 而應用該RF信號V2 。經由電感器L1 而用電壓VB 加偏壓於該基極，且經由電感器L2 而用電壓VE 加偏壓於該射極。
當用各自的RF信號饋送一共同集極傾斜電荷器件之電埠之兩者(BC埠及EC埠)時，輸出光學信號(Phv )係與兩個輸入信號電壓之差成比例。當如所示般加偏壓時，該共同集極傾斜電荷器件作為一電轉光學電壓微分器而操作。若特性化V2 使得其係與V1成180°異相，則所得之Phv |V1 |+|V2 |。在圖9之組態中，加偏壓於該NPN傾斜電荷器件，其中VB -VE (VBE )大於接面接通電壓，且其中VB -VC (VBC )小於VBC 接面之接通電壓。
如結合圖10所進一步描述，如圖9中所示般組態之一共同集極傾斜電荷器件簡化及改良基於光學的互連之傳輸側。在圖10之實施例中，銅驅動器1030係類似於圖4之該銅驅動器430。在此情況下，使用等化器1035而等化差動信號V1+及V1-兩者(不同於圖4之先前技術，其中丟棄該等差動信號之一者)。分別將經等化的信號V2-及V2+耦合至發光電晶體910之基極及射極(即，作為如圖9描述中組態及偏壓的器件之輸入V1 及V2 )以獲得一光學輸出信號。在此階段之後，系統係類似於圖4之先前技術系統；即，包含二極體偵測器455、跨阻抗放大器460、限制放大器470及銅接收器480。圖10之實施例存在重要的優點。首先，其允許在該傾斜電荷器件中之電壓擺動大於可用於圖4之先前技術之發光二極體445之電壓擺動多達兩倍。當固定該輸入信號(V1+)且操作該器件單端未提供所需的電壓擺動時此係有利的，且當驅動一低阻抗器件(諸如一電晶體雷射)時尤其有用。(三終端傾斜電荷器件可或者為一電晶體雷射。)其次，具有獨立特性之兩個分離的等化器可視情況應用於V1+及V1-，導致進入該傾斜電荷器件之一可自訂電壓差。例如，對於一通道，可將等化器特性化為一低通濾波器，且將第二等化器特性化為一高通濾波器。(如在此上下文中所使用，濾波可意謂著所選擇的頻帶之衰減及/或放大。)所得光學輸出將展示更高的頻寬。同樣，當與一高通等化器耦合以實現折衷RF光學輸出效率與光學頻寬之效率頻寬折衷時，具有一20 dB/decade斜率之一自發器件傾斜電荷器件可為有利的。
圖11展示可如何使用本文之技術而修改由兩個半雙工鏈路所組成的USB 3.0之一所謂的超高速組件以替代在一主機與一器件之連接器之間耦合的通常的銅電纜組件。該主機1110包含傳輸器放大器1102及接收器放大器1104，且該器件包含傳輸器放大器1182及接收器放大器1184。各自的傳輸器輸出係與連接器1125及1165電容耦合(方塊1115及1175)，該等連接器1125及1165亦將經接收的信號耦合至各自的接收器放大器。然而，替代通常銅電纜組件，使用與利用傾斜電荷器件相關聯的傳輸器之本文所描述的類型之兩個光纖光學主動電纜子系統之優點。如以上已描述的操作效率及長期成本節省之所得的改良對此及其他應用而言將顯而易見。
已參考特定較佳實施例而描述本發明，但熟習此項技術者將想到本發明之精神及範疇內的變動。例如，雖然所圖解說明的實施例主要已描述傾斜電荷發光二極體及發光電晶體之使用，但在適當情況下或者可使用此等器件之雷射版本(傾斜電荷雷射二極體及電晶體雷射)。
110．．．傳輸器晶片組
112．．．驅動器
114．．．預加強電路
120．．．接收器晶片組
122．．．等化器
124．．．限制放大器及驅動器
150．．．銅電纜
232．．．電轉光學變換器
235．．．控制驅動器
250．．．光纖鏈路
262．．．光學轉電變換器
265．．．額外信號重新塑形電路
330．．．銅驅動器
350．．．銅傳輸線
380．．．銅接收器
430．．．銅驅動器
435．．．等化器
439．．．50歐姆電阻器
440．．．光學驅動器
445．．．二極體發射器
450．．．光纖/光學波導
455．．．二極體偵測器
460．．．跨阻抗放大器
470．．．限制放大器
480．．．銅接收器
532．．．電轉光學轉換器
550．．．光纖鏈路
562．．．光學轉電轉換器
615．．．電晶體
620．．．電流源
640．．．傾斜電荷發光器件
650．．．光纖鏈路
660．．．光電晶體
910．．．發光電晶體
1030．．．銅驅動器
1035．．．等化器
1050．．．光纖光學波導
1102．．．傳輸器放大器
1104．．．接收器放大器
1110．．．主機
1115．．．AC電容器
1125．．．連接器
1141．．．光纖
1142．．．光纖
1165．．．連接器
1175．．．AC電容器
1180．．．器件
1182．．．傳輸器放大器
1184．．．接收器放大器
圖1係使用一銅電纜之一習知通訊鏈路之一簡化方塊圖。
圖2係由具有典型進一步所需電路之一光纖光學鏈路對於圖1系統之該銅鏈路之一習知替代之一方塊圖。
圖3係具有一銅傳輸線(其利用差動發信號)之一通訊系統之一簡化方塊圖。
圖4係使用差動信號之一習知光纖光學通訊系統之一實例之一方塊圖。
圖5係用於替代一銅通訊鏈路之一理想化光纖鏈路之一簡化方塊圖。
圖6係用於一銅通訊鏈路之一習知驅動器及接收器之一簡化方塊圖。
圖7係根據本發明之一實施例之一光纖光學通訊鏈路之一示意圖。
圖8係根據本發明之另一實施例之一光纖光學通訊鏈路之一示意圖。
圖9係經組態用於本發明之一實施例之一發光電晶體及相關聯的電路之一示意圖。
圖10係根據本發明之一實施例之使用差動發信號之一光纖光學通訊系統之部分以方塊形式之一示意圖。
圖11係使用本發明之一實施例之一雙工光纖光學通訊鏈路之部分以方塊形式之一示意圖。
455．．．二極體偵測器
460．．．跨阻抗放大器
470．．．限制放大器
480．．．銅接收器
910．．．發光電晶體
1030．．．銅驅動器
1035．．．等化器
1050．．．光纖/光學波導

Claims (39)

  1. 一種用於在一第一位置與一第二位置之間建立一通訊鏈路中使用之方法，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一電驅動器電路，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一電接收器電路；該方法包括以下步驟：提供在該第一位置處且與該驅動器電路耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件之光耦合入該光纖中；在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器電路耦合之一光偵測器；藉此自該接收器電路輸出表示該輸入資料之電信號。
  2. 如請求項1之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷發光二極體。
  3. 如請求項1之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷二極體雷射。
  4. 如請求項1之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷發光電晶體。
  5. 如請求項1之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷電晶體雷射。
  6. 如請求項1之方法，其中提供一光偵測器之該步驟包括：提供一光二極體。
  7. 如請求項1之方法，其中提供一光偵測器之該步驟包括：提供一光二極體及一放大器。
  8. 如請求項1之方法，其中提供一光偵測器之該步驟包括：提供一光電晶體。
  9. 如請求項1之方法，其中提供一光纖之該步驟包括：提供一光纖電纜。
  10. 如請求項1之方法，其中該電驅動器電路係經設計用於一導電銅電纜鏈路之一電路，且進一步包括自該電驅動器電路供電給該傾斜電荷發光器件。
  11. 如請求項10之方法，其中自該電驅動器電路供電給該傾斜電荷發光器件之該步驟包括：用來自該電驅動器電路之一部分之一晶片組之一電源供電給該傾斜電荷發光器件。
  12. 如請求項1之方法，其進一步包括用於在該第二位置與一第一位置之間建立一通訊鏈路中使用之步驟，該第二位置具有接收待傳達之進一步輸入資料之一進一步電驅動器電路，且該第一位置具有用於產生表示該進一步輸入資料之輸出資料之一進一步電接收器電路；該等進一步步驟係：提供在該第二位置處且與該進一步驅動器電路耦合之一進一步傾斜電荷發光器件，使得由該進一步傾斜電荷發光器件所產生的該光係依據該進一步輸入資料；在該第二位置與該第一位置之間提供一進一步光纖；將來自該進一步傾斜電荷發光器件之該光耦合入該進 一步光纖中；在該第一位置處提供與該進一步光纖且與該進一步接收器電路耦合之一進一步光偵測器；藉此自該進一步接收器電路輸出表示該進一步輸入資料之進一步電信號。
  13. 一種用於在一第一位置與一第二位置之間建立一通訊鏈路中使用之方法，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一傳輸器晶片組，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一接收器晶片組；該方法包括以下步驟：提供在該第一位置處且與該傳輸器晶片組耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件之光耦合入該光纖中；在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器耦合之一光偵測器；藉此自該接收器晶片組輸出表示該輸入資料之電信號。
  14. 如請求項13之方法，其中該傳輸器晶片組包含一驅動器電路，且其中提供與該傳輸器晶片組耦合之一傾斜電荷發光器件之該步驟包括直接耦合該傾斜電荷發光器件與該驅動器電路。
  15. 如請求項14之方法，其中該驅動器電路包含一開路集極 電晶體，且提供與該驅動器電路耦合之該傾斜電荷發光器件之該步驟包括耦合該電晶體之該集極與該傾斜電荷發光器件。
  16. 如請求項13之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷發光二極體。
  17. 如請求項13之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷二極體雷射。
  18. 如請求項13之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷發光電晶體。
  19. 如請求項13之方法，其中提供一傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一傾斜電荷電晶體雷射。
  20. 一種用於改良在一第一位置與一第二位置之間的一通訊鏈路中使用之方法，該第一位置具有接收待傳達之輸入資料之一電驅動器電路，且該第二位置具有用於產生表示該輸入資料之輸出資料之一電接收器電路，調適該鏈路以具有在該電驅動器電路與該電接收器電路之間所耦合的一電氣導電電纜，該方法包括以下步驟：移除該電氣導電電纜；提供在該第一位置處且與該驅動器電路耦合之一傾斜電荷發光器件，使得由該傾斜電荷發光器件所產生的光係依據該輸入資料；在該第一位置與該第二位置之間提供一光纖；將來自該傾斜電荷發光器件之光耦合入該光纖中；在該第二位置處提供與該光纖耦合且與該接收器電路 耦合之一光偵測器；藉此自該接收器電路輸出表示該輸入資料之電信號。
  21. 如請求項20之方法，其進一步包括自該電驅動器電路供電給該傾斜電荷發光器件。
  22. 如請求項21之方法，其中自該電驅動器電路供電給該傾斜電荷發光器件之該步驟包括：用來自該電驅動器電路之一部分之一晶片組之一電源供電給該傾斜電荷發光器件。
  23. 如請求項20之方法，其中該電氣導電電纜包括一雙絞線電纜，且移除該電纜之該步驟包括移除該雙絞線電纜。
  24. 如請求項20之方法，其中該電氣導電電纜包括一同軸電纜，且移除該電纜之該步驟包括移除該同軸電纜。
  25. 一種用於輸入資訊之高速通訊之方法，該方法包括以下步驟：產生表示該輸入資訊之一對相位相反信號；以一共同集極組態提供一個三終端傾斜電荷發光器件；將該等相位相反信號之一者應用於該傾斜電荷發光器件之一基極集極輸入，且將該等相位相反信號之另一者應用於該傾斜電荷發光器件之一射極集極輸入，以依據該等相位相反信號之兩者而產生一光學信號；將該光學信號傳達至一接收位置；及在該接收位置處接收該光學信號及將該光學信號轉換為表示該輸入資訊之一輸出電信號。
  26. 如請求項25之方法，其中依據該等相位相反信號之兩者之該光學信號係與該等相位相反信號之絕對值之總和成比例。
  27. 如請求項25之方法，其中提供一個三終端傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一發光電晶體。
  28. 如請求項25之方法，其中提供一個三終端傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一電晶體雷射。
  29. 如請求項25之方法，其中將該光學信號傳達至一接收位置之該步驟包括：在一光纖光學波導上傳達該光學信號。
  30. 如請求項25之方法，其進一步包括在將該等相位相反信號應用於該傾斜電荷發光器件之前將第一等化器功能及第二等化器功能應用於該對相位相反電信號之各自一者之步驟。
  31. 如請求項30之方法，其中應用該第一等化器功能之該步驟包括應用一第一類型的頻率濾波，且應用該第二等化器功能之該步驟包含應用不同於該第一類型的頻率濾波之一第二類型的頻率濾波。
  32. 如請求項31之方法，其中該第一類型的頻率濾波包括低通濾波，且該第二類型的頻率濾波包括高通濾波。
  33. 一種在高速通訊之一系統中使用之用於將一輸入電信號轉換成一光學信號之方法，其中表示輸入資訊之該輸入電信號係被轉換為待傳達至一接收位置之該光學信號，且被轉換為表示該輸入資訊之一輸出電信號；該方法包 括以下步驟：以一共同集極組態提供一個三終端傾斜電荷發光器件；及將一對相位相反信號之一者應用於該傾斜電荷發光器件之一基極集極輸入，且將該對相位相反信號之另一者應用於該傾斜電荷發光器件之一射極集極輸入，以依據該等相位相反信號之兩者而產生一光學信號。
  34. 如請求項33之方法，其中依據該等相位相反信號之兩者之該光學信號係與該等相位相反信號之絕對值之總和成比例。
  35. 如請求項33之方法，其中提供一個三終端傾斜電荷發光器件之該步驟包括：提供一發光電晶體。
  36. 如請求項33之方法，其中提供一個三終端傾斜電荷發光器件之該步驟包括提供一電晶體雷射。
  37. 如請求項33之方法，其進一步包括在將該等相位相反信號應用於該傾斜電荷發光器件之前將第一等化器功能及第二等化器功能應用於該對相位相反電信號之各自一者之步驟。
  38. 如請求項37之方法，其中應用該第一等化器功能之該步驟包含應用一第一類型的頻率濾波，且應用該第二等化器功能之該步驟包含應用不同於該第一類型的頻率濾波之一第二類型的頻率濾波。
  39. 如請求項38之方法，其中該第一類型的頻率濾波包括低通濾波，且該第二類型的頻率濾波包括高通濾波。
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