具有高頻預補償的集成化光晶片及高速光通信器件的製作方法

2023-09-22 12:34:30 5

專利名稱：具有高頻預補償的集成化光晶片及高速光通信器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有高頻預補償的具有低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴展和高可靠性的集成化光晶片及具有該光晶片的高速光通信器件，屬於光通信領域。
背景技術：
隨著雲計算、移動網際網路、數據中心等的大力建設，全球市場對帶寬和寬帶網絡具有迫切和直接的需求。目前光通信網絡正向著集成化、低功耗、智能化和大容量的方向發展，而高速光晶片及其相應光器件具有功能上和尺寸上的高度集成，以及低成本、低功耗和大帶寬等的優點，能夠滿足不斷增長的數據業務、網絡資源等的要求。在高速寬帶光通信系統和光網絡中，，信號數據在傳輸過程中受到高頻衰減或其·他高頻信號失真，作為其應用系統和網絡中的關鍵器件，光晶片/光器件需要滿足保持或改善信號品質、集成化/小尺寸、低功耗、低成本等的市場要求。然而，為了實現光晶片的速度/帶寬的提高，要求極大降低晶片的容抗，包括減小寄生電容等，但這直接導致了光晶片的尺寸減小，進而其對相應的工藝設備要求變高，同時由於光晶片的尺寸變小，散熱和串擾也成為了技術難題，當前業界所採用的解決方案是利用昂貴的工藝設備去製作高速光晶片/光器件，由於其高昂的生產成本，直接限制了其生產規模的擴大，導致產品量率不高。基於這些迫切需求和巨大的市場需求，以及目前業界遇到的技術困難，如何找到一種低成本解決方案已成為目前光晶片/光器件製造供應商的當務之急。

實用新型內容本實用新型的目的解決上述技術問題，提出一種具有高頻預補償的集成化光晶片及一種具有該集成化光晶片的高速光通信器件。本實用新型的目的，將通過以下技術方案得以實現具有高頻預補償的集成化光晶片，包括一襯底，所述襯底上集成設置有光晶片及具有高頻預補償功能的高頻預補償器，所述高頻預補償器的輸出端與光晶片輸入端連接。優選地，所述集成化光晶片還包括有一光晶片驅動器，所述光晶片驅動器的輸出端與高頻預補償器的輸入端連接，所述光晶片驅動器與光晶片及高頻預補償器選擇性的集成設置在同一襯底上。優選地，所述高頻預補償功能通過有源高頻預補償器或無源高頻預補償器實現。優選地，所述有源高頻預補償器包括時域延遲器及與時域延遲器通過電信號連接的運算器，所述無源高頻預補償器包括採用實現高頻預補償功能等效電路的感抗-阻抗電路或具有實現高頻預補償功能等效電路的容抗-阻抗電路。優選地，所述有源高頻預補償器包括第一時域延遲器及第二時域延遲器，所述運算器包括加法器和減法器，原始信號的第一輸出端與所述第一時域延遲器的輸入端連接，所述原始信號的第二輸出端與減法器的第一輸入端連接，所述第一時域延遲器的第一輸出端與減法器的第二輸入端連接，所述第一時域延遲器的第二輸出端與第二時域延遲器的輸入端連接，所述第二時域延遲器的輸出端與加法器的第一輸入端連接，所述減法器的輸出端與加法器的第二輸入端連接。優選地，所述無源高頻預補償器包括串聯並接地連接的電感與電阻形成的感抗-阻抗電路，所述感抗-阻抗電路與一交流耦合電容並聯連接。優選地，所述光晶片為一個或一個以上或陣列形式。優選地，所述光晶片包括但不限於半導體雷射器、調製器、光放大器或探測器。 一種高速光通信器件，由以上光晶片單個或陣列組成。本實用新型的有益效果主要體現在提出了一種低功耗集成化的高頻預補償方法，將其應用到高速光晶片/光器件設計生產中，可降低對光晶片高速特性的要求，通過增加高頻預補償器達到實現光晶片高速工作的目的，具有尺寸緊湊、成本低、易於批量生產等優點，採用標準設備，也直接降低了生產成本。

圖I是本實用新型具有高頻預補償的集成化光晶片概念框圖。圖2是圖I的相應一部分時域仿真結果示意圖。圖3是本實用新型採用有源方法實現高頻預補償的工作原理。圖4是本實用新型採用有源方法實現高頻預補償的時序框圖。圖5是本實用新型採用無源方法實現高頻預補償的等效電路工作原理。圖6為本實用新型採用無源方法實現高頻預補償等效電路的仿真結果。圖7為本實用新型採用無源方法實現高頻預補償的集成化光晶片。
具體實施方式
本實用新型揭示了一種具有高頻預補償的集成化光晶片，包括光晶片、高頻預補償器、光晶片驅動器，採用該集成化光晶片可以制的高速光通信器件。圖I中以雷射器應用為例，具有高頻預補償的集成化光晶片100，單片集成或混合集成在同一襯底106上，襯底106可以是矽基片、磷化銦基片、陶瓷基片或其它基於不同應用需要的基片。雷射器105可以是分布式布拉格反射半導體雷射器(DFB-LD)、電吸收調製雷射器(EML)或其它雷射器，這些雷射器的帶寬可以是足夠高的，也可以是相對受限制的。其信號傳輸過程是，當電信號數據進入雷射器驅動102並被雷射器驅動102放大後，輸入高頻預補償器107進行整形和對電信號數據高頻分量進行補償，最後加載到雷射器105上,形成調製後的光數據信號輸出。在實際應用中，針對不同市場需求，雷射器驅動部分103和帶高頻預補償的雷射器部分104可以是合併的，或者是只將帶高頻預補償的雷射器部分104做進光器件中。結合圖2理解，受到雷射器105帶寬的限制，如果不採用高頻預補償方法，當進入雷射器105的數據信號在傳輸過程中受到高頻衰減或其它高頻信號失真，雷射器105輸出的光調製數據信號會達不到高電平就掉下來，相應仿真出來的眼圖明顯看出來帶寬不夠(高頻分量衰減過大)；當加入高頻預補償的雷射器部分104，增強輸入雷射器105數據信號的高頻部分，仿真結果顯示雷射器105輸出光調製數據信號的眼圖質量很好。[0030]圖3解釋了採用有源方法實現高頻預補償器107的工作原理。原始數據輸入時，一部分進入到第一時域延遲器200，另外一部分進入到減法器203 ;從第一時域延遲器200輸出的數據信號有一部分進入到第二時域延遲器201，另外一部分進入到減法器203進行計算，減法器203輸出的信號進入到加法器204，與第二時域延遲器201的輸出信號進行加法運算，最後加法器204的輸出作為高頻預補償的信號輸出。圖4為針對圖3採用有源方法實現高頻預補償器107的時序框圖。原始數據輸入後，第一時域延遲器200的輸出信號為輸入原始數據的具有一定延遲的反相信號，第二時域延遲器201的輸出信號為輸入原始數據的具有一定延遲的同相信號，經過運算後的加法器204高頻預補償輸出信號在時域上具有在上升沿、下降沿過衝的特性，頻域上對應為高頻增強的特性。當然，以上只是列舉出了有源高頻預補償器的一種有源方法實現高頻預補償，本實用新型不僅僅局限於此方法，還可以有例如採用低品質因子Q值的有源感抗器件、採用自適應預加重和均衡等形式。·[0033]圖5解釋了採用無源方法實現高頻預補償器107的等效電路工作原理。無源方法實現高頻預補償器107可以等效為感抗-阻抗(L-R)電路，在該等效電路仿真中，採用了一個電感301和一個電阻304從高速線上下拉到地，其作用就是旁路低頻分量進行衰減，而高頻分量通過一個交流耦合電容302進入負載。實際應用中負載和接入端輸入/輸出阻抗通常為單端50歐姆或差分100歐姆，因此仿真過程中我們採用了 50歐姆的接入端匹配電阻300和負載端匹配電阻303作為接入端和負載端的匹配電阻。當然，圖5中僅僅是舉例了一種方法，本實用新型不包括但不限於以上方法，還可以採用等效容抗-阻抗電路，或其他形式。圖6為基於圖5等效電路的仿真結果。通過採用本實用新型的高頻預補償技術，通過調整和優化感抗和阻抗，高頻分量明顯增強，低頻分量仍可保持平坦。另外，基於不同應用背景，通過改變感抗，可實現不同程度的高頻增強；通過改變感抗和阻抗，也可根據需要針對不同高頻分量進行增強和預補償。由於該實現方法是無源的，具有小尺寸、低功耗、低成本、集成化程度高等優點。本實用新型專利以半導體EML雷射器為例，提供了一個高頻預補償的實現方案，該高頻預補償採用了無源方法，可實現小尺寸、低功耗、集成化程度高，類似的方案也可應用於半導體調製器、半導體探測器、半導體光放大器等。為了使本實用新型專利的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型專利再進行進一步詳細說明。圖7中的整個集成光晶片400，包括一個雷射器驅動401、一個高頻預補償器402、一個雷射器404，全部集成在同一個矽襯底上。雷射器驅動401是EML雷射器驅動IC晶片，通過焊錫固結在矽襯底上；高頻預補償器402採用了基於陶瓷基片的補償電路，通過膠固結在矽襯底上；雷射器404及其外圍支持電路通過焊錫固結在陶瓷基片上，最後用膠固結在矽襯底上。其中，雷射器驅動部分405、高頻預補償部分406和雷射器部分407，根據具體實際應用需要，可以在集成時選擇將其全部或者只有高頻預補償部分406和雷射器部分407，做進光器件中，通過打金線將它們互聯起來，實現信號的互通。當然，實現信號的互通不僅局限於打金線連接，還可以採用其他連接方法實現信號互通。本實用新型尚有多種實施方式，凡採用等同變換或者等效變換而形成的所有技術方案，均落在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於包括一襯底，所述襯底上集成設置有光晶片及具有高頻預補償功能的高頻預補償器，所述高頻預補償器的輸出端與光晶片輸入端連接。
2.根據權利要求I所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述集成化光晶片還包括有一光晶片驅動器，所述光晶片驅動器的輸出端與高頻預補償器的輸入端連接，所述光晶片驅動器與光晶片及高頻預補償器選擇性的集成設置在同一襯底上。
3.根據權利要求I所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述高頻預補償功能通過有源高頻預補償器或無源高頻預補償器實現。
4.根據權利要求3所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述有源高頻預補償器包括時域延遲器及與時域延遲器通過電信號連接的運算器，所述無源高頻預補償器包括採用具有高頻預補償等效電路的感抗-阻抗電路或具有高頻預補償等效電路的容抗-阻抗電路。
5.根據權利要求4所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述有源高頻預補償器包括第一時域延遲器及第二時域延遲器，所述運算器包括加法器和減法器，原始信號的第一輸出端與所述第一時域延遲器的輸入端連接，所述原始信號的第二輸出端與減法器的第一輸入端連接，所述第一時域延遲器的第一輸出端與減法器的第二輸入端連接，所述第一時域延遲器的第二輸出端與第二時域延遲器的輸入端連接，所述第二時域延遲器的輸出端與加法器的第一輸入端連接，所述減法器的輸出端與加法器的第二輸入端連接。
6.根據權利要求4所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述無源高頻預補償器包括串聯並接地連接的電感與電阻形成的感抗-阻抗電路，所述感抗-阻抗電路與一交流耦合電容並聯連接。
7.根據權利要求I所述的具有高頻預補償的集成化光晶片，其特徵在於所述光晶片包括但不限於半導體雷射器、調製器、光放大器或探測器。
8.一種高速光通信器件，其特徵在於由權利要求I至7所述的任意一種光晶片單個或陣列組成。
專利摘要本實用新型揭示了一種具有高頻預補償的集成化光晶片，將有源器件(例如雷射器、光放大器、探測器和調製器等)、集成電路(IC)單片或混合集成到同一個襯底上(例如矽基片、磷化銦基片或陶瓷基片)。基於不同的應用背景，該可集成化的高頻預補償辦法可以通過有源方法實現，也可以通過無源方法實現，從而可達到類似大規模集成電路的優點低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴展和高可靠性等。
文檔編號H04B10/00GK202798720SQ20122039839
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者胡朝陽, 鄭曉鋒, 劉俊 申請人:蘇州海光芯創光電科技有限公司