光学接收器和使用该光学接收器的收发器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于接收至少一个光学信号的光学接收器，其包括：电介质非导电基底、置于所述电介质非导电基底上的接地平面、置于所述电介质非导电基底上的至少一个光电二极管、至少一个放大器和设置在所述接地平面中的至少一个开口。所述至少一个光电二极管适于接收所述至少一个光学信号、将所接收的光学信号转换成电信号和将所述电信号输出到所述至少一个放大器的输入处。所述至少一个开口包围所述至少一个光电二极管，以及所述至少一个开口具有充分高于预定基频的谐振频率，从而将在所述放大器的输入处的串扰减小到低于预定值。本发明进一步涉及使用此光学接收器的收发器。
【专利说明】光学接收器和使用该光学接收器的收发器
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于接收光学信号、将光学信号转换成电信号并输出该电信号的光学接收器。具体地，光学接收器是用于按预定的数据率接收数据的光学数据接收器。本发明还涉及收发器，其包括本发明的光学接收器/光学数据接收器和用于接收电信号、将电信号转换成光学信号并输出光学信号的发送器。
【背景技术】
[0002]为了支持高速数据传输应用(例如，按25Gpb的比特率)的通信要求，当经由电线的链路具有过低带宽时使用光学链路。当使用光学链路用于从第一电子部件传输信号到第二电子部件时，待传输的电信号首先被转换成光学信号，然后该光学信号经由光学发送器被耦合到光纤中并且经由光纤而被传输到第二电子部件。在第二电子部件，光学信号经由光学接收器被接收并且被转换成电信号。然后，经转换的电信号在第二电子部件中被进一步处理。
[0003]图1示出了现有技术的用于将电信号转换成光学信号及反之亦然的收发器100。收发器100包括电介质非导电基底(dielectric non-conductive substrate)(图1未不出)、置于电介质非导电基底上的接地平面101、四个驱动器阵列102、连接到驱动器102的相应输出的四个激光二极管阵列103(例如，垂直空腔表面发射激光器，缩写为VCSEL)，四个光电二极管阵列104(例如，正向本征负向二极管(positive intrinsic negative d1de),缩写为PIN)、和连接到光电二极管阵列104的光电二极管的相应输出的四个跨阻抗放大器(transimpedance amplifier)阵列105 (缩写为TIA)。驱动器阵列102、激光二极管阵列103、光电二极管阵列104和TIA阵列105都置于同一电介质非导电基底上并且被接地平面101包围。另外，光电二极管阵列104被置于设置在接地平面101中的开口的内部，以便将光电二极管阵列104与接地平面101隔离。
[0004]驱动器阵列102的各驱动器在其输入处(图1未示出)接收来自例如计算机的主板(图1未示出)的电信号，将所接收的电信号转换成单端电信号，并经由输出端子110和111将其输出到VCSEL阵列103之中的VCSEL的输入处。驱动器阵列102的驱动器的输出端子111经由接地线113而连接到VCSEL阵列103的相应的VCSEL的输入处。驱动器阵列102的驱动器的输出端子110经由信号线112而连接到相应的VCSEL的另外一个输入处。VCSEL阵列103的各VCSEL把在它的输入处接收的单端电信号转换成光学信号并且将光学信号输出到光纤。
[0005]光电二极管阵列104的各光电二极管114接收来自例如光纤(图1未示出)的光学信号，将接收的光学信号转换成单端电信号，并且将单端电信号经由光电二极管的阳极117和它的阴极116输出到相应的TIA的输入处。光电二极管阵列104的光电二极管的阳极117经由信号线118而连接到相应的TIA的输入处，并且光电二极管阵列104的光电二极管的阴极116经由接地线119而连接到相应的TIA的另外一个输入处。
[0006]因为将驱动器阵列102的输出与VCSEL阵列103的相应的输入进行连接的信号线(以下记为驱动器-VCSEL通道)和将光电二极管阵列104的阳极114与TIA阵列105的相应的输入进行连接的信号线(以下记为PIN-TIA通道)是单端类型的，所以单端型串扰在这些线之间发生，即来自一条或多条信号线(侵扰线(aggressor line))的信号功率(signalpower)经由共用接地平面101而转移到另外一条信号线(受扰线(victim line))。在受扰线处，串扰与受扰线所携载的信号叠加，由此降低它的信号质量。串扰可能发生在驱动器-VCSEL通道之间、PIN-TIA通道之间，并且如果光电二极管阵列104被设置在接地平面101中的开口 115与接地隔离，还可能在驱动器-VCSEL通道与PIN-TIA通道之间发生串扰。
[0007]形成在接地平面101中且包围光电二极管阵列104的开口 115具有矩形形状和近似Imm x0.4mm的大小。开口的尺寸主要由光电二极管阵列104的尺寸确定并且不能被任意地减小。在高频情况下，开口 105作用为狭槽谐振器(slot resonator),该狭槽谐振器的基频主要由开口 105的几何尺寸确定。Imm x0.4mm大小的矩形开口具有大约38GHz的谐振频率。这大约是3x12.5GHz，其中12.5GHz是25Gbp数据传输的基频。因为开口 115作用为基频几乎是25Gbps数据传输的基频的倍数的槽型谐振器，开口 115吸引驱动器阵列102的驱动器输出的信号电流。此在近似38GHz发生的谐振效果促进了从驱动器-VCSEL通道到PIN-TIA通道的串扰。特别地，置于驱动器阵列102附近的PIN-TIA通道受来自驱动器-VCSEL通道的串扰的影响。
[0008]图2示出对应于从驱动器阵列102的驱动器输出到最接近于驱动器阵列102的TIA的输入的单端型串扰的 主要S-参数耦合系数。这通过对全部驱动器-VCSEL通道(侵扰部件)被启用的收发器100的模拟而获得。主要S-参数耦合系数201展现由于开口 115的谐振效果而产生的在38GHz下的宽谐振(broad resonance) 202。谐振202引起在最接近于驱动器阵列102的TIA输入中的串扰。此串扰在25Gbps下在EYE图表中产生大于6ps或
0.15UI的抖动(Jitter),假定误码率(bit error rate, BER) % 10-12。这从示出了对应于在25Gbps下最接近驱动器阵列102的PIN-TIA通道的EYE图表的图3来看变得明显。图3中的EYE图表已通过在收发器100已使全部四个侵扰部件通道被启用并且驱动器输出和TIA输入电流之间的比率等于对应于大约-SdBm光学接收器灵敏度的值100的条件下的模拟而获得。廓形301对应于10_12的误码率。
[0009]开口 115的谐振表现也促进了 PIN-TIA通道之间的串扰。这随光电二极管阵列104中所包括的光电二极管的数量增加而增加。当光电二极管阵列104包括8个或12个通道时，PIN-TIA通道之间的串扰水平可能达到不可容忍的值。
[0010]对于包括十二个通道的光电二极管阵列，设置在接地平面中且包围该光电二极管阵列的开口展现大约15GHZ下的谐振。此谐振接近于25Gbps数据传输的基频(其为
12.5GHz)并且因此也促进了串扰，由此降低了 PIN-TIA通道的信号质量。
[0011]PIN-TIA通道中的串扰严重降低了输入到TIA阵列105的信号质量，尤其是被输入到接近于驱动器阵列102的TIA的那些信号。
【发明内容】
[0012]因此，本发明的目的是减小光学接收器一 PIN-TIA通道中的串扰。
[0013]此目的通过权利要求1中所阐释的特征而实现。本发明的进一步有利实施例在从属权利要求中得以阐释。[0014]本发明基于的构思是光学接收器的PIN-TIA通道中的电信号的串扰通过使将光电二极管阵列与接地平面相隔离的开口的谐振频率移至充分高于串扰电信号的基频的三倍的频率，从而能够被有效地降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1示出了现有技术的收发器的示意图；
[0016]图2示出了对应于现有技术的收发器的从驱动器输出到最接近于驱动器阵列的TIA的输入的单端型串扰的主要S-参数耦合系数；
[0017]图3示出了对应于最接近现有技术的收发器中的驱动器阵列的PIN-TIA通道的25Gbps 的 EYE 图表；
[0018]图4示出了根据本发明的第一实施例的光学接收器的示意图；
[0019]图5示出了根据本发明的第二实施例的光学接收器的示意图；
[0020]图6示出了包括根据本发明的第一实施例的光学接收器的收发器的示意图；
[0021]图7示出了包括根据本发明的第二实施例的光学接收器的收发器的示意图；
[0022]图8示出了根据本发明的第二实施例的光学接收器的掩模(mask)的布局；
[0023]图9示出了对于包括根据本发明的第二实施例的光学接收器的收发器。对应于从驱动器输出到最接近驱动器阵列的TIA输入的单端型串扰的主要S-参数耦合系数；
[0024]图10示出了对于包括根据本发明的第二实施例的光学接收器的收发器中，对应于最接近驱动器阵列的PIN-TIA通道的25Gbp的EYE图表。
【具体实施方式】
[0025]现在参考图4，示出根据本发明的光学接收器的第一有利实施例。图4示出了光学接收器400，其包括电介质非导电基底(图1未示出)、置于电介质非导电基底上的接地平面401、四个光电二极管(例如PIN)阵列404、和连接到光电二极管的相应的输出的四个放大器(例如TIA)阵列405。光电二极管阵列404和放大器阵列405被置于电介质非导电基底上并且被接地平面401包围。四个开口 415设置在接地平面401中。四个开口 415中的每个开口包围一个光电二极管414，从而将相应的光电二极管与接地平面隔离。
[0026]光电二极管阵列404中的每个光电二极管414接收来自例如光纤(图4未示出)的光学信号、将所接收的光学信号转换成单端电信号并将单端电信号经由光电二极管的阳极417和阴极416输出到相应的放大器的输入处。光电二极管阵列404的光电二极管的阳极417经由信号线418而连接到相应的放大器的输入处，并且光电二极管阵列404的光电二极管的阴极416经由接地线419而连接到相应的放大器的另外一个输入处。
[0027]四个开口的每个开口 415具有矩形形状和近似0.3mm χ0.25mm的尺寸，从而它的谐振频率充分高于37.5GHz，优选为50GHz或更高。因而，针对此实施例，通过将槽型谐振器的谐振频率设定成50GHz或更高，从而实现充分更高。开口 415沿光电二极管阵列404的长度方向的最小长度由光电二极管414的尺寸确定，尤其是由沿光学孔隙(opticalaperture)的阳极与阴极之间的距离确定，并且不能被任意地减小。因为四个开口的每个开口 415的谐振频率充分高于作为25Gbps数据传输的基频的12.5GHz的三倍，所以开口不作用为具有37.5GHz的基频的狭槽谐振器。因而，如果光学接收器400和例如25Gbps数据发送器被置于同一非导电基底上，开口不经由接地平面吸引信号电流。
[0028]因为设置在根据本发明的第一实施例的光学接收器的接地平面401中的开口 415没有显示在37.5GHz的谐振效果，所以具有12.5GHz的基频的外部信号进入将光电二极管414的阳极与相应的放大器的输入进行连接的信号线(以下表示为PIN-TIA通道)中的串扰相比于现有技术的收发器100被显著地减小。
[0029]如果光电二极管阵列404的光电二极管输出的信号的基频是大约12.5GHz，设置在接地平面401中的开口 415也减小了光学接收器400的独立的PIN-TIA通道之间的串扰。
[0030]现在参考图5，示出了根据本发明的光学接收器的第二有利实施例。根据第二实施例的光学接收器500不同于根据第一实施例的光学接收器，其中根据第一实施例的光学接收器的各开口 415被分成第一开口 515和第二开口 525。第一开口 515和第二开口 525被两端连接到接地平面501的带状线(strip line)530彼此隔开。第一开口 515是包围光电二极管阵列504的光电二极管514的开口，而第二开口 525是不包围光电二极管阵列504的光电二极管514的开口。第一开口 515和它对应的第二开口 525彼此邻近地放置。优选地，第二开口 525的面积小于它对应的第一开口 514的面积。
[0031]如根据所述第一实施例的光学接收器的所述开口 415具有充分高于预定基频的三倍的谐振频率一样，根据第二实施例的光学接收器的第一开口 515和第二开口 525具有充分高于预定基频的三倍的谐振频率。实质上，根据第二实施例的光学接收器的第一开口515和第二开口 525的每一个具有充分高于预定基频的三倍的谐振频率。
[0032]虽然根据第二实施例的光学接收器的接地平面501包括针对光电二极管阵列504的每个光电二极管514的第一开口 515和第二开口 525，但是对本发明可构想的是仅对于光电二极管阵列504中的部分光电二极管而将第一开口 515和第二开口 525设置在接地平面501 中。
[0033]将第二开口 525邻近包围光电二极管阵列504的光电二极管514的第一开口 515放置更有效地减小了根据第二实施例的光学接收器的PIN-TIA通道中的串扰。
[0034]现在参考图6，示出了根据本发明的第三有利实施例。图6示出了包括根据第一实施例的光学接收器的收发器。
[0035]收发器600包括电介质非导电基底(图6未不出)、置于电介质非导电基底上的接地平面601、四个驱动器阵列602、连接到驱动器阵列602的驱动器的相应的输出的四个激光二极管(VCSEL)阵列603和光学接收器650。图6中，光学接收器650用虚线651圈出。因为光学接收器650的结构相同于根据第一实施例的光学接收器400,所以对光学接收器650的详细描述在此省略。驱动器阵列602、激光二极管阵列603和光学接收器650被置于电介质非导电基底上。
[0036]驱动器阵列602的每个驱动器在其输入处(图6未示出)接收来自例如计算机的主板(图6未示出)的电信号、将接收的电信号转换成单端电信号并将单端电信号经由输出端子610和611输出到激光二极管阵列603的激光二极管的输入处。驱动器阵列602的驱动器的输出端子611经由接地线613而连接到激光二极管阵列603的相应的激光二极管的输入处。驱动器阵列602的驱动器的输出端子610经由信号线612而连接到相应的激光二极管的另外一个输入处。激光二极管阵列603的每个激光二极管把将在输入处接收的单端电信号转换成光学信号并且将光学信号输出到光纤。[0037]因为设置在收发器600的接地平面601中的每个开口 615具有充分高于25Gbps数据通信对应的基频的3倍的谐振频率，所以开口 615皆不展现38GHz下的谐振效果，并且因而不吸引来自收发器600的驱动器-VCSEL通道的电流。因此，光学接收器615的PIN-TIA通道中的串扰被减小至可容忍的值。
[0038]现在参考图7，示出了本发明的第四有利实施例。图7示出了不同于收发器600的收发器700，其中收发器700包括了根据第二实施例的光学接收器，而不是根据第一实施例的光学接收器。第二实施例的光学接收器通过虚线751圈出。因为第二实施例的光学接收器比第一实施例的光学接收器更有效地减小PIN-TIA通道中的串扰，所以收发器700比收发器600更有效地减小从驱动器-VCSEL通道进入PIN-TIA通道的串扰。
[0039]在收发器600和700中，对应于待传输信号的基频的驱动器阵列602中的驱动器输出的单端电信号的基频，相同于在光学接收器的光电二极管处接收的光学信号的基频。在25Gbps数据通信的情况下，待传输/接收的信号的基频是12.5GHz。然而，本发明不限于
12.5GHz，而是也可应用于待传输/接收的信号的其它基频。然而，在此情况下，开口 415、515和525的尺寸需被相应地改变。
[0040]同样地，根据本发明的收发器不限于待传输的信号的基频相同于待接收的信号的基频的情况。相反地，可构想的是待传输的信号的基频不同于待接收的信号的基频。
[0041]图8示出了用于根据第二实施例的光学接收器(参见图5)的掩模的布局/设计800。附图标记814表示对应于图5的光电二极管514的PIN 二极管。附图标记816和817表示PIN 二极管814的阴极和阳极。附图标记818表示与PIN 二极管812相连接的TIA的输入处。图8未示出TI A以及与PIN 二极管的连接线。附图标记815表示对应于图5的第一开口 515的第一开口。附图标记825表示对应于图5的第二开口 525的第二开口。图8中的水平和倾斜区域表示对应于图5中的接地平面501的接地平面。
[0042]图10示出了对应于从驱动器阵列702的驱动器输出到最接近于驱动器阵列702的TIA的输入的单端型串扰的主要S-参数耦合系数。这通过对全部驱动器-VCSEL通道被启用的收发器700的模拟而获得。主要S-参数耦合系数901没有示出37.5GHz下的宽谐振。相反地，其在大约37.5GHz下的水平相比于图2被减小了 15dB。由此，最接近于驱动器阵列102的TIA输入中的串扰被显著减小。这从示出了对应于在25Gbps下最接近驱动器阵列702的PIN-TIA通道的EYE图表的图10来看变得明显。最接近于驱动器阵列702的PIN-TIA通道中的串扰在25Gbps下的EYE图表中产生小于2ps或0.05UI的抖动，假定误码率(BER)为10-12。廓形1001对应于Kr12的误码率。图10的EYE图表通过在与图2的EYE图表相似条件下的模拟而获得，即收发器100的全部四个干扰通道已被启用并且驱动器输出和TIA输入电流之间的比率等于100，其对应于大约-8dBm的光学接收器灵敏度。
[0043]虽然图4和图5所示的光学接收器具有四个PIN-TIA通道，但是本发明不限于带有四个PIN-TIA通道的光学接收器，而是也可应用于具有任意数量的PIN-TIA通道的光学接收器。
[0044]虽然图6和图7所示的收发器具有四个驱动器-VCSEL通道和四个PIN-TIA通道，但是本发明不限于带有四个驱动器-VCSEL通道和四个PIN-TIA通道的收发器，而是也可应用于具有任意数量的驱动器-VCSEL通道和任意数量的PIN-TIA通道的收发器。
[0045]虽然设置在根据第一和第二实施例的光学接收器的接地平面中的开口具有矩形形状，但是本发明不限于具有矩形形状的开口，而是也可应用于具有圆形形状、椭圆形形状、菱形形状或任何其它形状的开口。仅重要的是，开口的谐振频率充分高于引起PIN-TIA通道中串扰的信号的基频的三倍。
[0046]附图标记
[0047]
【权利要求】
1.一种用于接收至少一个光学信号的光学接收器，其包括: 电介质非导电基底， 接地平面，其被置于电介质非导电基底上， 至少一个光电二极管，其被置于所述电介质非导电基底上，其中，所述至少一个光电二极管适于接收所述至少一个光学信号、将所接收的光学信号转换成电信号和输出所述电信号， 至少一个放大器，其适于在其输入处接收由所述至少一个光电二极管输出的所述电信号，和 至少一个第一开口，其被置于所述接地平面中， 其中，所述至少一个第一开口包围所述至少一个光电二极管，并且所述至少一个第一开口具有充分高于预定基频的谐振频率，从而将所述放大器的输入处的串扰减小到低于预定值。
2.如权利要求1所述的光学接收器，其中，所述谐振频率充分高于所述预定基频的三倍。
3.如权利要求2所述的光学接收器，其中，所述谐振频率是50GHz或更高。
4.如权利要求1至3的任一项所述的光学接收器，其中，所述预定基频对应于所述至少一个光学信号的基频。
5.如权利要求1至4的任一项所述的光学接收器，其中，在所述至少一个放大器的输入处接收的所述电信号是单端的。
6.如权利要求1至5的任一项所述的光学接收器，其进一步包括设置在所述接地平面中的至少一个第二开口，其中，所述至少一个第二开口不包围光电二极管并且其被设置为邻近所述至少一个第一开口。
7.如权利要求1或2所述的光学接收器，其中，所述光学接收器适于接收相同基频的多个光学信号，所述光学接收器包括: 多个光电二极管，其被置于所述电介质非导电基底上，其中，所述多个光电二极管的各光电二极管适于接收所述多个光学信号中的光学信号、将所接收的光学信号转换成相应的电信号和输出所述相应的电信号， 多个放大器，其中，所述多个放大器中的每一个放大器适于在其输入处接收由所述多个光电二极管中的相应的光电二极管输出的电信号， 多个第一开口，其设置在所述接地平面中， 其中，所述多个第一开口的每一个开口包围所述多个光电二极管中的至少一个光电二极管，和 所述多个第一开口的每一个开口具有充分高于所述预定基频的三倍的谐振频率，从而将所述多个放大器中的每一个放大器的输入处的串扰减小到低于预定值。
8.如权利要求7所述的光学接收器，其中，所述预定基频对应于所述多个光学信号的基频。
9.如权利要求7或8所述的光学接收器，其中，所述多个光学信号包括四个光学信号，所述多个二极管包括四个二极管，所述多个放大器包括四个放大器，所述多个第一开口包括四个第一开口，以及所述预定基频是12.5GHz。
10.如权利要求9所述的光学接收器，其中，所述四个第一开口中的每一个开口具有大致矩形形状和近似0.3mm乘0.25mm的尺寸。
11.如权利要求7至10的任一项所述的光学接收器，其中，所述多个光电二极管和/或所述多个放大器线性地布置成阵列。
12.如权利要求7至11的任一项所述的光学接收器，其进一步包括设置在所述接地平面中的多个第二开口，其中，所述多个第二开口的各开口不包围光电二极管并且其被设置为邻近所述多个第一开口中的一开口。
13.如权利要求1至12的任一项所述的光学接收器，其中，所述光学接收器适于按预定比特率接收数据，并且所述预定基频对应于所述预定比特率。
14.一种收发器,其包括: 如权利要求1至6的任一项所述的光学接收器， 至少一个激光二极管， 至少一个驱动器，其适于将单端电信号输出到所述至少一个激光二极管的输入处， 其中，所述至少一个驱动器输出的所述单端电信号的基频对应于所述预定基频，所述至少一个激光二极管适于根据在它的输入处接收的所述单端电信号输出光学信号，并且 所述光学接收器、 所述至少一个驱动器和所述至少一个激光二极管设置在所述电介质非导电基底上并且被所述接地平面包围。
15.—种收发器,其包括: 如权利要求7至12的任一项所述的光学接收器， 多个激光二极管， 多个驱动器，所述多个驱动器中的每一个驱动器适于将单端电信号输出到所述多个激光二极管中的激光二极管的输入处， 其中，所述多个驱动器中的驱动器输出的所述单端电信号的基频对应于所述预定基频， 所述多个激光二极管中的每一个激光二极管适于根据在它的输入处接收的所述单端电信号输出光学信号，并且 所述光学接收器、所述多个驱动器和所述多个激光二极管设置在所述电介质非导电基底上并且被所述接地平面包围。
【文档编号】H04B10/60GK104038290SQ201410083148
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2013年3月7日
【发明者】A.凯科南, L.P.O.伦德奎斯特, L-G.斯文森, P.林德伯格 申请人:泰科电子瑞典控股有限责任公司