一種高速低功耗光收發芯片的制作方法

本發明主要涉及在光通信中使用的光收發芯片。

背景技術：

在光學通信網絡中，經由光學波導發射及接收的光學信號的形式傳遞數據。更具體地，在通信設備上使用雙向光學鏈路供在所述鏈路中使用的雙向并行光學收發器模塊。光學收發器產生表示數據的經振幅及/或相位及/或偏振調制的光學信號，接著在耦合到所述收發器的光纖上發射所述光學信號。每一收發器包含發射器側及接收器側。在所述發射器側上，激光光源產生激光且光學耦合系統接收所述激光并將所述光光學耦合或成像到光纖的一端上。所述激光光源通常由產生特定波長或波長范圍的光的一個或一個以上激光二極管制成。光學耦合系統通常包含一個或一個以上反射元件、一個或一個以上折射元件及/或一個或一個以上衍射元件。在所述接收器側上，光電二極管檢測在光纖上發射的光學數據信號并將所述光學數據信號轉換成電信號，所述電信號接著由接收器側的電路放大及處理以恢復數據。在光纖的每一端上連接的光學收發器與光纖本身的組合通常稱為光纖鏈路。

在現有的光通信領域中使用的光收發芯片，往往是通過分立的激光驅動器、跨導放大器和時鐘數據恢復器，制作成單獨的芯片，然后通過芯片間信號的耦合傳送來實現整體的光收發功能。然而，隨著光通信領域速度的越來越快，特別是在像高速光纖鏈路(例如，10千兆位/秒(Gb/s)及更高)中使用的光收發芯片中，這種分立的芯片設計已經遠遠不能滿足需求，其功耗高、通信速度慢、抗干擾能力差。

因此，需要一種能夠以相對高的數據速率操作同時實現相對低的功耗的光收發芯片來解決現有技術中的問題。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提供了一種四通道高速低功耗光收發芯片，其中，每個通道都包括光發射模塊、光接收模塊以及共用模塊，其中：

所述光發射模塊包括數據緩沖器、第一時鐘數據恢復器、第一數據選擇器、激光驅動器、功率控制器、第一時鐘緩沖器以及發光二極管和第一光電二極管，其中：所述數據緩沖器將輸入數據通過所述第一時鐘數據恢復器傳輸至所述第一數據選擇器；所述第一時鐘緩沖器與所述第一時鐘數據恢復器連接，用于時鐘的輸出；輸入數據通過所述第一數據選擇器選擇后傳輸至所述激光驅動器進行數據輸出，所述激光驅動器將數字信號轉化為電壓信號；所述電壓信號通過所述發光二極管轉化為光信號，并且由監測輸入端的所述第一光電二極管接收，將光信號轉化為電壓信號，輸入至所述功率控制器；所述功率控制器與所述激光驅動器相連接，用于反饋并調整所述激光驅動器輸出的電壓信號；

所述光接收模塊包括第二光電二極管、直流偏置模塊、跨導放大器、反饋電阻、第二時鐘數據恢復器、第二時鐘緩存器、第二數據選擇器、輸出驅動器，其中：所述第二光電二極管將接收的光信號轉化成電信號并導通，所述直流偏置模塊用于向所述光接收模塊供電；所述跨導放大器將接收端的電流信號轉化為電壓信號傳輸至所述第二時鐘數據恢復器；所述跨導放大器并聯所述反饋電阻，用于調節所述跨導放大器中的電信號；所述第二時鐘數據恢復器連接所述第二時鐘緩沖器，用于輸出時鐘；通過所述第二數據選擇器將電壓信號輸入至所述輸出驅動器；所述輸出驅動器將電壓信號轉化為數字信號進行輸出；

所述共用模塊包括電源控制器、直流偏置、邏輯控制器、串行接口、存儲器以及偽隨機數據發生器和校驗器；所述共用模塊同時為所述光發射模塊和所述光接收模塊提供通信回路。

本發明還提供了一種單通道高速低功耗光收發芯片，包括光發射模塊、光接收模塊以及共用模塊，其中：

所述光發射模塊包括數據緩沖器、第一時鐘數據恢復器、第一數據選擇器、激光驅動器、功率控制器、第一時鐘緩沖器以及發光二極管和第一光電二極管，其中：所述數據緩沖器將輸入數據通過所述第一時鐘數據恢復器傳輸至所述第一數據選擇器；所述第一時鐘緩沖器與所述第一時鐘數據恢復器連接，用于時鐘的輸出；輸入數據通過所述第一數據選擇器選擇后傳輸至所述激光驅動器進行數據輸出，所述激光驅動器將數字信號轉化為電壓信號；所述電壓信號通過所述發光二極管轉化為光信號，并且由監測輸入端的所述第一光電二極管接收，將光信號轉化為電壓信號，輸入至所述功率控制器；所述功率控制器與所述激光驅動器相連接，用于反饋并調整所述激光驅動器輸出的電壓信號；所述光發射模塊設置為單通道；

所述光接收模塊包括第二光電二極管、直流偏置模塊、跨導放大器、反饋電阻、第二時鐘數據恢復器、第二時鐘緩存器、第二數據選擇器、輸出驅動器，其中：所述第二光電二極管將接收的光信號轉化成電信號并導通，所述直流偏置模塊用于向所述光接收模塊供電；所述跨導放大器將接收端的電流信號轉化為電壓信號傳輸至所述第二時鐘數據恢復器；所述跨導放大器并聯所述反饋電阻，用于調節所述跨導放大器中的電信號；所述第二時鐘數據恢復器連接所述第二時鐘緩沖器，用于輸出時鐘；通過所述第二數據選擇器將電壓信號輸入至所述輸出驅動器；所述輸出驅動器將電壓信號轉化為數字信號進行輸出；所述光接收模塊設置為單通道；

所述共用模塊包括電源控制器、直流偏置、邏輯控制器、串行接口、存儲器以及偽隨機數據發生器和校驗器；所述共用模塊同時為所述光發射模塊和所述光接收模塊提供通信回路。

優選地，所述功率控制器包括電流電壓轉換電路以及10位時鐘數據恢復電路。

優選地，所述激光驅動器的基極電流Ibase范圍為0-80mA；驅動/調制電流Imod范圍為0-80mA。

優選地，所述數據緩沖器最大增益值為30db，最大boost值為20db。

優選地，所述第一時鐘緩沖器的接口采用CML結構，負載50Ω。

優選地，所述第一時鐘數據恢復器的帶寬范圍為1KHZ-200MHZ。

優選地，所述跨阻放大器增益范圍為0-100db。

優選地，所述第二光電二極管最大輸入共模電流為10mA。

優選地，所述第二時鐘緩存器的差分輸出阻抗為100Ω。

優選地，所述輸出驅動器的差分輸出阻抗為100Ω，差分輸出電壓幅度范圍為0-3.3V。

優選地，所述第二時鐘數據恢復器的帶寬范圍為1KHZ-200MHZ。

應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出根據本發明的單通道高速低功耗光收發芯片的邏輯圖；

圖2示意性示出根據本發明的四通道高速低功耗光收發芯片的邏輯圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件。

如圖1所示，為本發明的單通道高速低功耗光收發芯片的邏輯圖。所述光收發芯片包括：光發射模塊、光接收模塊以及共用模塊，其中：

所述光發射模塊包括數據緩沖器、第一時鐘數據恢復器、第一數據選擇器、激光驅動器、功率控制器、第一時鐘緩沖器以及發光二極管和第一光電二極管，其中：

所述數據緩沖器將輸入數據通過所述第一時鐘數據恢復器傳輸至所述第一數據選擇器；根據本發明的一個實施例，所述數據緩沖器最大增益值為30db，最大boost值為20db。

所述第一時鐘緩沖器與所述第一時鐘數據恢復器連接，用于時鐘的輸出；根據本發明的一個實施例，所述第一時鐘緩沖器的接口采用CML結構，負載50Ω，所述第一時鐘數據恢復器的帶寬范圍為1KHZ-200MHZ。

輸入數據通過所述第一數據選擇器選擇后傳輸至所述激光驅動器進行數據輸出，所述激光驅動器將數字信號轉化為電壓信號；根據本發明的一個實施例，所述激光驅動器的基極電流Ibase范圍為0-80mA；驅動/調制電流Imod范圍為0-80mA。

所述電壓信號通過所述發光二極管轉化為光信號，并且由監測輸入端的所述第一光電二極管接收，將光信號轉化為電壓信號，輸入至所述功率控制器；

所述功率控制器與所述激光驅動器相連接，用于反饋并調整所述激光驅動器輸出的電壓信號；根據本發明的一個實施例，所述功率控制器包括電流電壓轉換電路以及10位時鐘數據恢復電路；

所述光發射模塊設置為單通道。

所述光接收模塊包括第二光電二極管、直流偏置模塊、跨導放大器、反饋電阻、第二時鐘數據恢復器、第二時鐘緩存器、第二數據選擇器、輸出驅動器，其中：

所述第二光電二極管將接收的光信號轉化成電信號并導通，所述直流偏置模塊用于向所述光接收模塊供電；根據本發明的一個實施例，所述第二光電二極管最大輸入共模電流為10mA。

所述跨導放大器將接收端的電流信號轉化為電壓信號傳輸至所述第二時鐘數據恢復器；根據本發明的一個實施例，所述第二時鐘數據恢復器的帶寬范圍為1KHZ-200MHZ。

跨導放大器是電流模式電路中最為通用的標準模塊之一,將輸入差分電壓轉換為輸出電流的放大器，因而它是一種電壓控制電流源(VCCS)。跨導放大器通常會有一個額外的電流輸入端，用以控制放大器的跨導。高阻的差分輸入級、可配合負反饋回路進行工作的特性，使得跨導放大器類似于常規運算放大器。

所述跨導放大器并聯所述反饋電阻，用于調節所述跨導放大器中的電信號；根據本發明的一個實施例，所述跨阻放大器增益范圍為0-100db。

所述第二時鐘數據恢復器連接所述第二時鐘緩沖器，用于輸出時鐘；根據本發明的一個實施例，所述第二時鐘緩存器的差分輸出阻抗為100Ω。

通過所述第二數據選擇器將電壓信號輸入至所述輸出驅動器；

所述輸出驅動器將電壓信號轉化為數字信號進行輸出；根據本發明的一個實施例，所述輸出驅動器的差分輸出阻抗為100Ω，差分輸出電壓幅度范圍為0V-3.3V。

本發明的時鐘數據恢復器首先串行發送數據，然后將數據轉換成8b/10b編碼方案。編碼處理獲得8位數據并將其轉換成10位符號。8b/10b編碼方式可以在數據線上傳送相等數目的0和1，從而減少碼間干擾，并提供足夠多的數據邊沿，以便接收器在收到的數據流上鎖定相位。發送器將系統時鐘倍頻至傳送比特率，并以該速率在TX差分對上發送8b/10b數據。

時鐘數據恢復器的任務首先是在RX差分位流上鎖定相位，然后接收器按照恢復的時鐘進行數據位對齊，接著用接收器的參考時鐘進行字對齊。最后，將數據進行8b/10b解碼，供系統使用。

在時鐘數據恢復器系統中，發送和接收系統通常擁有完全獨立的系統時鐘。這兩個時鐘在一個特定的變化范圍內非常關鍵，這個范圍大約是數百個PPM。

所述光接收模塊設置為單通道。

所述共用模塊包括電源控制器、直流偏置、邏輯控制器、串行接口、存儲器以及偽隨機數據發生器和校驗器；所述共用模塊同時為所述光發射模塊和所述光接收模塊提供通信回路；

其中，電源控制器為光發射模塊和光接收模塊供電；

直流偏置應用于光接收模塊中，調節信號輸出的直流分量，也就是說將整個輸出信號上移或者下移。

邏輯控制器的應用例如第一/二數據選擇器，通過相應的規則選擇數字信號；

串行接口為光收發芯片內部或與外部連接的接口，可提高傳輸速度；

存儲器用于存儲光發射模塊和光接收模塊中的數據；

偽隨機數據發生器和校驗器用于檢測模塊的狀態并對其校驗，加強了各模塊電路工作的穩定性和準確性。

圖2示意性示出根據本發明的四通道高速低功耗光收發芯片的邏輯圖：光發射模塊和光接收模塊的邏輯原理與圖1所示的單通道高速低功耗光收發芯片相同。如圖2所示的四通道高速低功耗光收發芯片的每個通道都設置有光發射模塊、光接收模塊以及共用模塊，可以同時通過多個光發射通道和多個光接收通道進行數據傳輸，提高了數據傳輸效率。

所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經結合優選實施例對本發明進行了描述，但應當理解本發明的保護范圍并不局限于這里所描述的實施例。

結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。