CN115166913B - 一种基于微环的波分复用共封装光互连架构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光互连架构与封装方式，具体涉及一种基于微环的波分复用共封装光互连方法及架构，目的是解决现有的共封装光互连架构功耗高、集成度低的技术问题。本发明提供一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，包括依次连接的激光阵列、无源光波导单元及光调制单元，以及集成电路芯片和处理单元，无源光波导单元、光调制单元、集成电路芯片和处理单元均集成封装在基板上，激光阵列、无源光波导单元与基板间有多种封装形式。激光阵列用于输出N路不同波长的激光信号，N路激光信号经过无源光波导单元后输出为K路待调制光信号，并经过光调制单元调制后输出传输光信号，其中处理单元和集成电路芯片能够向光调制单元施加模拟驱动信号。
Description
技术领域
本发明涉及光互连架构与封装方式，具体涉及一种基于微环的波分复用共封装光互连架构。
背景技术
随着互联网技术的发展和经济水平的提高，人工智能、云计算、云储存等新兴技术蓬勃发展，个人终端设备普及，用户对通信容量的需求也越来越大。现有技术中，作为一种新的互连方式，光互连架构拥有极高的通信带宽与极小的损耗，通信设备间、电路板间、芯片与电路板间或芯片间通常用光的形式进行互连，其中光通过波导或者光纤传输。但随着***规模的扩大，光互连架构中散热与封装的问题日益突出，导致现有的共封装光互连架构功耗高、集成度低，传输效率下降。
发明内容
本发明的目的是解决现有的光互连架构的功耗高、集成度低的技术问题，提供一种基于微环的波分复用共封装光互连架构。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，其特殊之处在于：包括依次连接的激光阵列、无源光波导单元及光调制单元，以及集成电路芯片和处理单元，且所述无源光波导单元、光调制单元、处理单元和集成电路芯片均集成封装在基板上；
所述激光阵列包括N个具有不同中心波长的激光器，用于输出N路波长不同的激光信号，其中，N为正整数；
所述无源光波导单元用于将N路所述激光信号经过无源波导后输出为K路待调制光信号，其中，K为正整数；
所述待调制光信号包括N路不同波长的激光信号，或者，包括具有N种不同波长的混合光信号；
所述光调制单元包括K路级联的微环调制器组，用于对K路所述待调制光信号进行调制，并输出传输光信号；
所述处理单元用于接收外部的数字电信号，并将所述数字电信号处理后发送至所述集成电路芯片；
所述集成电路芯片用于将所述数字电信号转换为模拟驱动信号，并将所述模拟驱动信号传送至所述光调制单元。
进一步地，所述无源光波导单元和光调制单元均集成在硅基底芯片上，所述激光阵列异质键合或异质外延生长在所述硅基底芯片上，所述硅基底芯片集成在所述基板上。
进一步地，所述无源光波导单元和光调制单元均集成在硅基底芯片上，所述硅基底芯片集成在所述基板上，所述激光阵列置于所述基板外侧。
进一步地，所述激光阵列和无源光波导单元均集成在Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片上，所述Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片集成在所述基板上。
进一步地，所述无源光波导单元包括波导功率分束器；所述波导功率分束器用于将N路所述激光信号波导后分为N路第一激光信号组，N路所述第一激光信号组经交叉波导后输出为K路第二激光信号组，其中，所述第一激光信号组包括K路波长相同的激光信号，所述第二激光信号组包括N路不同波长的激光信号。
进一步地，每路所述微环调制器组均包括两条平行设置的耦合波导，以及沿所述耦合波导延伸方向排布的N个微环结构，两条所述耦合波导均与所述微环结构耦合；两条耦合波导包括输入耦合波导和输出耦合波导，所述输入耦合波导包括N个耦合区域，N个所述耦合区域均独立设置，且分别与N个所述微环结构一一对应。
进一步地，所述无源光波导单元包括波导功率分束器和波导功率合束器；所述波导功率分束器用于将N路所述激光信号分路为N路第一激光信号组，N路所述第一激光信号组经交叉波导后输出为K路第二激光信号组，所述波导功率合束器用于将K路所述第二激光信号组合为K路所述混合光信号，其中，所述第一激光信号组包括K路波长相同的所述激光信号，所述第二激光信号组包括N路不同波长的所述激光信号。
进一步地，每路所述微环调制器组均包括一条耦合波导，以及与之耦合的N个微环结构，N个所述微环结构沿所述耦合波导延伸的方向排布。
本发明相比现有技术具有的有益效果：
1、本发明提供的一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，通过激光阵列、无源光波导单元、光调制单元依次连接，并将无源光波导单元、光调制单元、处理单元和集成电路芯片集成封装在基板上，不仅缩短了包括激光阵列、无源光波导单元和光调制单元的光模块与集成电路芯片之间的距离，实现了最短的光电互连，而且还缩小了整个共封装光互连架构的尺寸，使集成度更高，功耗更低，结构更紧凑，应用场景广泛。
2、本发明提供的一种基于微环的波分复用共封装光互连架构中的无源光波导单元，一方面可以通过将N路不同波长的激光信号转换为K路功率相同的第一激光信号组，避免激光器功率过大对光信号传输与调制造成不良影响；另一方面可以通过将N路不同波长的激光信号转换为K路具有N种不同波长的混合光信号，实现光信号的波分复用，提高光信号携带信息的效率。
3、本发明提供的一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，通过激光阵列、无源光波导单元与基板的多种封装形式，为本领域技术人员在实际应用中提供了多种实施方式，拓宽了应用场景。
附图说明
图1为本发明一种基于微环的波分复用共封装光互连架构实施例一的示意图；
图2为本发明图1实施例一中无源光波导单元一种实施方式的示意图；
图3为本发明图1实施例一中无源光波导单元另一种实施方式的示意图；
图4为本发明一种基于微环的波分复用共封装光互连架构实施例二的示意图；
图5为本发明一种基于微环的波分复用共封装光互连架构实施例三的示意图；
附图标记说明：
1-激光阵列，11-激光器，12-激光信号，2-无源光波导单元，21-第一激光信号组，22-第二激光信号组，3-光调制单元，31-微环结构，32-微环调制器组，4-处理单元，5-集成电路芯片，6-基板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
实施例一
参照图1，本发明提供了一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，包括依次连接的激光阵列1、无源光波导单元2及光调制单元3，以及集成电路芯片5和处理单元4，无源光波导单元2、光调制单元3、处理单元4和集成电路芯片5均集成封装在基板6上，其中，无源光波导单元2和光调制单元3均集成在硅基底芯片上，激光阵列1异质键合或异质外延生长在硅基底芯片上，该硅基底芯片集成在基板6上。
在实施例一中，激光器11为分布式反馈激光器，且由Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料制成，其输出波长在1260-1360nm或1530-1625nm波段。激光阵列1包括N个具有不同中心波长的激光器11，能够输出N路不同波长的激光信号12，其中N为正整数。在本实施例中，该激光器11选用分布式反馈激光器，其输出功率与激光阵列1的数量及光互连架构的***损耗有关，激光阵列1的数量越大，光互连架构的***损耗越大，其输出功率越高。
无源光波导单元2用于将N路激光信号12经过无源波导后输出为K路待调制光信号，其中，K为正整数。该待调制光信号包括N路不同波长的激光信号12，或者，包括具有N种不同波长的混合光信号。
如图2所示，在实施例一中，无源光波导单元2包括波导功率分束器，波导功率分束器能够用于将N路激光信号12波导后分为第一激光信号组21，N路第一激光信号组21经交叉波导后输出为K路第二激光信号组22，其中，第一激光信号组21包括K路波长相同的激光信号12，第二激光信号组22包括N路不同波长的激光信号12，且K为正整数。在本实施例中，波导功率分束器包括N*(K-1)个首尾相接的Y型波导分束器，若Y型波导分束器的数量为K-1个，则每K-1个Y型波导分束器首尾相连，就能够将一路单波长的激光信号12分成K路波长相同的激光信号12。光调制单元3包括K路级联的微环调制器组32，每路微环调制器组32均包括两条平行设置的耦合波导，以及沿耦合波导延伸方向排布的N个微环结构31，两条耦合波导均与该微环结构31耦合，两条耦合波导包括输入耦合波导和输出耦合波导，输入耦合波导包括N个耦合区域，N个耦合区域均独立设置，且分别与N个微环结构31一一对应。对于微环调制器而言，需要满足微环调制器的谐振条件，光信号才会被耦合至微环结构31内，并在该微环结构31中形成谐振。无源光波导单元2输出K路第二激光信号组22后，K路第二激光信号组22分别输入至K路级联的微环调制器组32中，第二激光信号组22中N路不同波长的激光信号12分别进入微环调制器组32中N个级联的微环调制器中。该微环调制器的波导为硅材质，波导的厚度为200-1000nm，用于实现对1260nm-1360nm波段或1530nm-1625nm波段的波分复用。
如图3所示，在其它实施例中，无源光波导单元2包括波导功率分束器和波导功率合束器，波导功率分束器能够将N路激光信号12波导后分为第一激光信号组21，N路第一激光信号组21经交叉波导后输出为K路第二激光信号组22，波导功率合束器能够将K路第二激光信号组22合为K路混合光信号，混合光信号具有N种不同波长，其中，第一激光信号组21包括K路波长相同的激光信号12，第二激光信号组22包括N路不同波长的激光信号12，且K为正整数。在本实施例中，波导功率分束器包括N*(K-1)个首尾相接的Y型波导分束器，波导功率合束器包括K*(N-1)个首尾相接的Y型波导分束器。若Y型波导分束器的数量为N-1个，则每N-1个Y型波导分束器首尾相连，就能够将N路不同波长的激光信号12合为一路具有N种波长的混合光信号。光调制单元3包括K路级联的微环调制器组32，每路微环调制器组32均包括一条耦合波导，以及与之耦合的多个微环结构31，N个微环结构31沿耦合波导延伸的方向排布。K路混合光信号分别输入至K路级联的微环调制器组32后，若混合光信号中的某一波长符合某个微环结构31的谐振条件时，该波长就从耦合波导中被耦合到该微环结构31中，并在该微环结构31中形成谐振。
微环调制器的环形波导包括紧靠环形波导内外设置的P型掺杂区和N型掺杂区，P型掺杂区和N型掺杂区形成反向偏压PN结。处理单元4将接收到的外部的数字电信号，处理后通过基板6发送至集成电路芯片5，集成电路芯片5能够将数字电信号转换为模拟驱动信号，并将模拟驱动信号传送至光调制单元3中以实现调制：在模拟驱动信号的作用下，光调制单元3中的微环结构31对从耦合波导的一端输入并且耦合至该微环结构31中的待调制光信号进行调制，并输出传输光信号。
实施例二
参照图4，实施例二与实施例一的区别在于，无源光波导单元2和光调制单元3均集成在硅基底芯片上，硅基底芯片集成在基板6上，激光阵列1置于基板6外侧。此外，实施例二的其它部分与实施例一相同。
实施例三
参照图5，实施例三与实施例一的区别在于，激光阵列1与无源光波导单元2均集成在Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片上，Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片集成在基板6上。此外，实施例三的其它部分与实施例一相同。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (1)
1.一种基于微环的波分复用共封装光互连架构，其特征在于：包括依次连接的激光阵列(1)、无源光波导单元(2)及光调制单元(3)，以及集成电路芯片(5)和处理单元(4)，且所述无源光波导单元(2)、光调制单元(3)、处理单元(4)和集成电路芯片(5)均集成封装在基板(6)上；
所述激光阵列(1)包括N个具有不同中心波长的激光器(11)，用于输出N路波长不同的激光信号(12)，其中，N为正整数；
所述无源光波导单元(2)用于将N路所述激光信号(12)经过无源波导后输出为K路待调制光信号，其中，K为正整数；
所述待调制光信号包括N路不同波长的激光信号(12)，或者，包括具有N种不同波长的混合光信号；
所述光调制单元(3)包括K路级联的微环调制器组(32)，用于对K路所述待调制光信号进行调制，并输出传输光信号；所述微环调制器组(32)的波导为硅材质，波导的厚度为200-1000nm，用于实现对1260nm-1360nm波段或1530nm-1625nm波段的波分复用；
所述处理单元(4)用于接收外部的数字电信号，并将所述数字电信号处理后发送至所述集成电路芯片(5)；
所述集成电路芯片(5)用于将所述数字电信号转换为模拟驱动信号，并将所述模拟驱动信号传送至所述光调制单元(3)；
所述激光阵列(1)和无源光波导单元(2)均集成在Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片上，所述Ⅲ-Ⅴ化合物半导体材料基底芯片集成在所述基板(6)上；
所述无源光波导单元(2)包括波导功率分束器；所述波导功率分束器用于将N路所述激光信号(12)波导后分为N路第一激光信号组(21)，N路所述第一激光信号组(21)经交叉波导后输出为K路第二激光信号组(22)，其中，所述第一激光信号组(21)包括K路波长相同的激光信号(12)，所述第二激光信号组(22)包括N路不同波长的激光信号(12)；每路所述微环调制器组(32)均包括两条平行设置的耦合波导，以及沿所述耦合波导延伸方向排布的N个微环结构(31)，两条所述耦合波导均与所述微环结构(31)耦合；两条耦合波导包括输入耦合波导和输出耦合波导，所述输入耦合波导包括N个耦合区域，N个所述耦合区域均独立设置，且分别与N个所述微环结构(31)一一对应；
或者，所述无源光波导单元(2)包括波导功率分束器和波导功率合束器；所述波导功率分束器用于将N路所述激光信号(12)分路为N路第一激光信号组(21)，N路所述第一激光信号组(21)经交叉波导后输出为K路第二激光信号组(22)，所述波导功率合束器用于将K路所述第二激光信号组(22)合为K路所述混合光信号，其中，所述第一激光信号组(21)包括K路波长相同的所述激光信号(12)，所述第二激光信号组(22)包括N路不同波长的所述激光信号(12)；每路所述微环调制器组(32)均包括一条耦合波导，以及与之耦合的N个微环结构(31)，N个所述微环结构(31)沿所述耦合波导延伸的方向排布。
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