集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎的制作方法

本发明涉及光通信技术，更具体地，涉及集成光收发器、紧凑型光引擎以及多通道光引擎。

背景技术：

1、随着科学技术的快速更新，计算机的处理速度和容量也相应增加。使用传统电缆的通信传输或接收受限于传统电缆的带宽和传输速度，并且现代生活中所需的大量信息传输导致传统通信传输过载。为了适应这样的需求，光纤传输系统逐渐取代了传统的通信传输系统。选择光纤通信用于需要电力电缆无法容纳的更高带宽和更长距离的系统。目前的电子工业对光传输进行研究，即使对于短距离通信，光传输也将成为未来的主流。所述光通信是一种技术，其中，光波用作信号载体并经由光纤在两个节点之间传输。光通信系统包括光发送器和光接收器。通过光收发器，可以将所接收的光信号转换为能够由ic处理的电信号，或者可以将处理后的电信号转换为要经由光纤传输的光信号。因此，可以实现通信的目的。

2、在过去的几十年中，通信网络的使用激增。在早期的因特网中，流行的应用限于电子邮件、公告板以及大部分的基于信息和文本的网页浏览，并且传输的数据量通常相对较小。如今，因特网和移动应用需要大量的带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像facebook的社交网络每天处理超过500tb的数据。随着对数据和数据传输的这种高需求，需要改进现有的数据通信系统以解决这些需求。

3、现有单模光纤上的40gbit/s和100gbit/s的数据速率的宽带wdm(波分复用)光传输是下一代光纤通信网络的目标。芯片级可广泛调谐的激光器对于诸如宽带dwdm或cwdm通信以及波长控制的光检测的许多应用已经受到关注。最近，光学组件被集成在硅(si)衬底上以制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。大部分在绝缘体上硅(soi)平台中已经演示了整个范围的光子组件，包括滤波器、(解)复用器、分离器、调制器和光电检测器。soi平台尤其适用于1550nm左右的标准dwdm通信频段或1310nm左右的cwdm通信频段，因为硅(n＝3.48)及其氧化物sio2(n＝1.44)两者都是透明的，并且形成理想地适用于中到高集成平面集成电路(pic)的高折射率对比度、高约束波导。

4、随着由市场推动的光通信技术和应用的进步，对增加光通信带宽和减小光收发器的封装面积的需求变得更强。将所有必要的组件集成到越来越小的模块封装内越来越具有挑战性。对于最先进的光收发器产品，所有关键组件(包括时钟数据恢复(cdr)、调制器驱动器、跨阻抗放大器(tia)和具有光无源元件、调制器和光电检测器的plc光子芯片)以2d方式并排组装在pcb上。该方法对于开发数据速率大于400g的任何未来的光收发器具有至少两个缺点。首先，组件的并排放置消耗了作为可插拔产品的光收发器的大部分板区域或板载光学产品的主要衬底区域，使得难以进一步缩小产品尺寸。其次，在pcb上并排放置产生更长的电传输长度，并且通常需要电芯片与光子芯片之间的引线键合(wirebonds)，从而引入更多的电损耗，这损害了非常高数据速率收发器产品(例如，＞56gbaud符号速率)的信号完整性。具体地，由于大电感，引线键合导致阻抗失配，从而使较高频率下的信号劣化。因此，对于传输高频(例如，＞40ghz)模拟信号的应用，将引线键合用作芯片之间或芯片与板之间的电互连是不实际的。引线键合的大电感已成为高速信号传输的瓶颈。

5、为了缩短电子装置(例如，从ld驱动器/tia到数字信号处理器dsp)之间或电子装置(驱动器/tia)与光子(例如，cdr和pam4asic)之间的常规引线键合的互连长度，人们已经开始在si光子芯片中使用硅通孔(tsv)工艺来取代引线键合并进行互连。然而，制造工艺的复杂性、低产量、低效的晶圆面积使用以及按比例缩放到先进的电子装置非常昂贵，使得tsv工艺对于制造si光子领域产品不切实际。

技术实现思路

1、本发明涉及光通信技术。更具体，本发明提供了一种基于硅光子平台的集成光收发器。仅作为示例，本发明公开了一种基于四个集成光收发器的板载封装内光学光引擎，每个集成光收发器配置有4个cwdm通道加上4个复制的cwdm通道；集成多个光电模块的紧凑型光引擎；以及具有一个开关装置的多通道光引擎，该开关装置与多个紧凑型光电模块集成在共同封装的光学组件中，用于高达总计51.2tbit/s的高速光电数据通信，但是其他应用也是可能的。

2、在现代电互连系统中，高速串行链路已经取代了并行数据总线，并且串行链路速度由于cmos技术的演进而迅速提高。根据摩尔定律，因特网带宽几乎每两年翻倍。但是摩尔定律将在接下来的十年内结束。标准的cmos硅晶体管将在3nm左右停止缩放。并且由于过程缩放而导致的因特网带宽增加将达到稳定状态。但是因特网和移动应用不断地需要大量的带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了改进超过摩尔定律的通信带宽的技术和方法。

3、在实施方式中，本发明提供一种集成光收发器。该集成光收发器包括具有表面区域的衬底构件、光输入端口和光输出端口。另外，集成光收发器包括设置在表面区域上的发送器单元。发送器单元包括一组四个激光装置，该一组四个激光装置包括四个激光二极管芯片，该四个激光二极管芯片倒装安装在表面区域上并且被配置为分别输出以1270nm、1290nm、1310nm和1330nm为中心的四个波长的四个激光。发送器单元进一步包括一组四个功率分离器装置，该一组四个功率分离器装置耦接到四个激光以将四个激光中的每一个分为通向两个复制的传输路径的两个部分。每个传输路径包括一组四个调制器装置，其形成在表面区域中并且分别接收四个激光的两个部分中的相应一个部分。每个传输路径进一步包括驱动器装置，其耦接到该组四个调制器装置并且被配置为驱动每一个调制器装置以调制四个激光中的相应一个激光。另外，每个传输路径包括平面光电路中的复用器装置，该复用器装置被设置为邻近衬底构件并且被配置为耦接四个激光并且复用到被递送到光输出端口的携带四个波长的一个输出光。此外，集成光收发器包括接收器单元，其在表面区域上设置有两个复制的接收路径。每个接收路径包括所述平面光电路中的解复用器装置，其被配置为接收来自光输入端口的输入光，并且解复用为具有四个波长的四个输入光信号。每个接收路径进一步包括形成在表面区域中的四个输入波导，其耦接到解复用器装置以分别接收四个输入光信号。另外，每个接收路径包括：光电检测器装置，其将四个输入光信号转换为相应的电信号；以及跨阻抗放大器装置，其耦接到光电检测器装置以处理将作为电输出传输的电信号。此外，集成光收发器包括异构集成，其使用衬底构件、发送器单元和接收器单元配置以形成单个硅光子装置。

4、在具体实施方式中，本发明提供一种紧凑型光引擎。该紧凑型光引擎包括壳体，该壳体具有与顶盖构件和被配置为底部构件的单个印刷电路板耦接的外围壁构件。该紧凑型光引擎进一步包括分别设置在单个印刷电路板上的多个光电模块。每个光电模块包括本文所述的集成光收发器。该集成光收发器包括配置在硅衬底的表面区域中的发送器单元和接收器单元。该发送器单元包括：多个激光装置，输出被分到两个复制的传输路径的多个激光；以及驱动器装置，用于驱动多个调制器以调制每个传输路径上的多个激光，该传输路径与基于玻璃衬底的平面光电路(plc)中的光复用器装置耦接以输出传输光。接收器单元包括两个复制的接收路径。每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置，以检测从plc中的光解复用器装置输入的多个光信号并将该多个光信号转换为相应的电信号。另外，紧凑型光引擎包括输入光纤电缆和输出光纤电缆，该输入光纤电缆通过多个光电模块中的每一个光电模块的plc中的光解复用器装置耦接到每个接收路径，该输出光纤电缆通过多个光电模块中的每一个光电模块的plc中的光复用器装置耦接到每个传输路径。紧凑型光引擎进一步包括第一连接器，其设置在外围壁构件的侧区域处，以与分别与多个光电模块中的两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接。此外，紧凑型光引擎包括第二连接器，其设置在外围壁构件的侧区域处，以与分别与多个光电模块中的另外两个光电模块相关联的两对输入光纤电缆和输出光纤电缆耦接。此外，紧凑型光引擎包括一个或多个asic芯片，其被配置在印刷电路板上并且与多个光电模块电耦接。

5、在另一具体实施方式中，本发明提供一种光学组件中的多通道光引擎。该多通道光引擎包括具有外围区域和中心区域的公共衬底构件。该多通道光引擎进一步包括设置在中心区域处的开关装置，该开关装置具有嵌入在公共衬底构件中的多个电互连。另外，该多通道光引擎包括多个紧凑型光引擎，沿着外围区域设置以使多个紧凑型光引擎的公共衬底的可用空间最大化。每个紧凑型光引擎经由多个电互连中的一个或多个电互连与开关装置耦接。每个紧凑型光引擎包括壳体，该壳体具有与底部衬底构件和顶盖构件耦接的外围壁构件。每个紧凑型光引擎进一步包括四个光电模块，该四个光电模块安装在与底部衬底构件相关联的单个印刷电路板上，每个光电模块包括本文所述的集成光收发器。该集成光收发器被配置在硅衬底的表面区域中，该硅衬底包括两个复制的传输路径，该两个复制的传输路径包括将来自四个激光装置的四个激光分为分别携带四个cwdm波长的两组复制的四个光信号的四个分离器。该集成光收发器被配置在硅衬底的表面区域中，该硅衬底还包括两个复制的接收路径，该两个复制的接收路径接收各自携带四个cwdm波长的两个独立的入射光信号。每个传输路径包括驱动器装置以驱动四个调制器以调制由基于玻璃衬底的平面光电路(plc)中的光复用器装置复用的一组四个光信号以输出传输光。每个接收路径包括光电检测器装置和跨阻抗放大器装置以检测由plc中的光解复用器装置从一个入射光信号解复用的光信号，并且将光信号转换为电信号。另外，每个紧凑型光引擎包括第一光纤和第二光纤，该第一光纤与plc中的光解复用器装置的输入波导耦接，该第二光纤与plc中的光解复用器装置的输出波导耦接。此外，每个紧凑型光引擎包括光连接器，其与顶盖构件集成并且位于外围壁构件的一侧，以与和四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第一光纤以及和四个光电模块中的每一个光电模块相关联的每个第二光纤耦接。