CN102820918B - 具有高频预补偿的集成化光芯片及高速光通信器件 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种具有高频预补偿的集成化光芯片，将有源器件（例如激光器、光放大器、探测器和调制器等）、集成电路（IC）单片或混合集成到同一个衬底上（例如硅基片、磷化铟基片或陶瓷基片）。基于不同的应用背景，该可集成化的高频预补偿办法可以通过有源方法实现，也可以通过无源方法实现，从而可达到类似大规模集成电路的优点：低成本、小尺寸、低功耗、灵活扩展和高可靠性等。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高频预补偿的具有低成本、小尺寸、低功耗、灵活扩展和高可靠性的集成化光芯片及具有该光芯片的高速光通信器件，属于光通信领域。
背景技术
随着云计算、移动互联网、数据中心等的大力建设，全球市场对带宽和宽带网络具有迫切和直接的需求。目前光通信网络正向着集成化、低功耗、智能化和大容量的方向发展，而高速光芯片及其相应光器件具有功能上和尺寸上的高度集成，以及低成本、低功耗和大带宽等的优点，能够满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求。
在高速宽带光通信系统和光网络中，，信号数据在传输过程中受到高频衰减或其他高频信号失真，作为其应用系统和网络中的关键器件，光芯片/光器件需要满足保持或改善信号品质、集成化/小尺寸、低功耗、低成本等的市场要求。然而，为了实现光芯片的速度/带宽的提高，要求极大降低芯片的容抗，包括减小寄生电容等，但这直接导致了光芯片的尺寸减小，进而其对相应的工艺设备要求变高，同时由于光芯片的尺寸变小，散热和串扰也成为了技术难题，
当前业界所采用的解决方案是利用昂贵的工艺设备去制作高速光芯片/光器件，由于其高昂的生产成本，直接限制了其生产规模的扩大，导致产品量率不高。
基于这些迫切需求和巨大的市场需求，以及目前业界遇到的技术困难，如何找到一种低成本解决方案已成为目前光芯片/光器件制造供应商的当务之急。
发明内容
本发明的目的解决上述技术问题，提出一种具有高频预补偿的集成化光芯片及一种具有该集成化光芯片的高速光通信器件。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
具有高频预补偿的集成化光芯片，包括一衬底，所述衬底上集成设置有光芯片及具有高频预补偿功能的高频预补偿器，所述高频预补偿器的输出端与光芯片输入端连接。
优选地，所述集成化光芯片还包括有一光芯片驱动器，所述光芯片驱动器的输出端与高频预补偿器的输入端连接，所述光芯片驱动器与光芯片及高频预补偿器选择性的集成设置在同一衬底上。
优选地，所述高频预补偿功能通过有源高频预补偿器或无源高频预补偿器实现。
优选地，所述有源高频预补偿器包括时域延迟器及与时域延迟器通过电信号连接的运算器，所述无源高频预补偿器包括采用实现高频预补偿功能等效电路的感抗-阻抗电路或具有实现高频预补偿功能等效电路的容抗-阻抗电路。
优选地，所述有源高频预补偿器包括第一时域延迟器及第二时域延迟器，所述运算器包括加法器和减法器，原始信号的第一输出端与所述第一时域延迟器的输入端连接，所述原始信号的第二输出端与减法器的第一输入端连接，所述第一时域延迟器的第一输出端与减法器的第二输入端连接，所述第一时域延迟器的第二输出端与第二时域延迟器的输入端连接，所述第二时域延迟器的输出端与加法器的第一输入端连接，所述减法器的输出端与加法器的第二输入端连接。
优选地，所述无源高频预补偿器包括串联并接地连接的电感与电阻形成的感抗-阻抗电路，所述感抗-阻抗电路与一交流耦合电容并联连接。
优选地，所述光芯片为一个或一个以上或阵列形式。
优选地，所述光芯片包括但不限于半导体激光器、调制器、光放大器或探测器。
一种高速光通信器件，由以上光芯片单个或阵列组成。
本发明的有益效果主要体现在：提出了一种低功耗集成化的高频预补偿方法，将其应用到高速光芯片/光器件设计生产中，可降低对光芯片高速特性的要求，通过增加高频预补偿器达到实现光芯片高速工作的目的，具有尺寸紧凑、成本低、易于批量生产等优点，采用标准设备，也直接降低了生产成本。
附图说明
图1是本发明具有高频预补偿的集成化光芯片概念框图。
图2是图1的相应一部分时域仿真结果示意图。
图3是本发明采用有源方法实现高频预补偿的工作原理。
图4是本发明采用有源方法实现高频预补偿的时序框图。
图5是本发明采用无源方法实现高频预补偿的等效电路工作原理。
图6为本发明采用无源方法实现高频预补偿等效电路的仿真结果。
图7为本发明采用无源方法实现高频预补偿的集成化光芯片。
具体实施方式
本发明揭示了一种具有高频预补偿的集成化光芯片，包括光芯片、高频预补偿器、光芯片驱动器，采用该集成化光芯片可以制的高速光通信器件。
图1中以激光器应用为例，具有高频预补偿的集成化光芯片100，单片集成或混合集成在同一衬底106上，衬底106可以是硅基片、磷化铟基片、陶瓷基片或其它基于不同应用需要的基片。激光器105可以是分布式布拉格反射半导体激光器（DFB-LD）、电吸收调制激光器（EML）或其它激光器，这些激光器的带宽可以是足够高的，也可以是相对受限制的。
其信号传输过程是，当电信号数据进入激光器驱动102并被激光器驱动102放大后，输入高频预补偿器107进行整形和对电信号数据高频分量进行补偿，最后加载到激光器105上，形成调制后的光数据信号输出。
在实际应用中，针对不同市场需求，激光器驱动部分103和带高频预补偿的激光器部分104 可以是合并的，或者是只将带高频预补偿的激光器部分104做进光器件中。
结合图2理解，受到激光器105带宽的限制，如果不采用高频预补偿方法，当进入激光器105的数据信号在传输过程中受到高频衰减或其它高频信号失真，激光器105输出的光调制数据信号会达不到高电平就掉下来，相应仿真出来的眼图明显看出来带宽不够（高频分量衰减过大）；当加入高频预补偿的激光器部分104，增强输入激光器105数据信号的高频部分，仿真结果显示激光器105输出光调制数据信号的眼图质量很好。
图3 解释了采用有源方法实现高频预补偿器107的工作原理。原始数据输入时，一部分进入到第一时域延迟器200，另外一部分进入到减法器203；从第一时域延迟器200输出的数据信号有一部分进入到第二时域延迟器201，另外一部分进入到减法器203进行计算，减法器203输出的信号进入到加法器204，与第二时域延迟器201的输出信号进行加法运算，最后加法器204的输出作为高频预补偿的信号输出。
图4为针对图3采用有源方法实现高频预补偿器107的时序框图。原始数据输入后，第一时域延迟器200的输出信号为输入原始数据的具有一定延迟的反相信号，第二时域延迟器201的输出信号为输入原始数据的具有一定延迟的同相信号，经过运算后的加法器204高频预补偿输出信号在时域上具有在上升沿、下降沿过冲的特性，频域上对应为高频增强的特性。
当然，以上只是列举出了有源高频预补偿器的一种有源方法实现高频预补偿，本发明不仅仅局限于此方法，还可以有例如采用低品质因子Q值的有源感抗器件、采用自适应预加重和均衡等形式。
图5解释了采用无源方法实现高频预补偿器107的等效电路工作原理。无源方法实现高频预补偿器107可以等效为感抗-阻抗（L-R）电路，在该等效电路仿真中，采用了一个电感301和一个电阻304从高速线上下拉到地，其作用就是旁路低频分量进行衰减，而高频分量通过一个交流耦合电容302进入负载。实际应用中负载和接入端输入/输出阻抗通常为单端50欧姆或差分100欧姆，因此仿真过程中我们采用了50欧姆的接入端匹配电阻300和负载端匹配电阻303作为接入端和负载端的匹配电阻。
当然，图5中仅仅是举例了一种方法，本发明不包括但不限于以上方法，还可以采用等效容抗-阻抗电路，或其他形式。
图6为基于图5等效电路的仿真结果。通过采用本发明的高频预补偿技术，通过调整和优化感抗和阻抗，高频分量明显增强，低频分量仍可保持平坦。另外，基于不同应用背景，通过改变感抗，可实现不同程度的高频增强；通过改变感抗和阻抗，也可根据需要针对不同高频分量进行增强和预补偿。由于该实现方法是无源的，具有小尺寸、低功耗、低成本、集成化程度高等优点。
本发明专利以半导体EML激光器为例，提供了一个高频预补偿的实现方案，该高频预补偿采用了无源方法，可实现小尺寸、低功耗、集成化程度高，类似的方案也可应用于半导体调制器、半导体探测器、半导体光放大器等。为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利再进行进一步详细说明。
图7中的整个集成光芯片400，包括一个激光器驱动401、一个高频预补偿器402、一个激光器404，全部集成在同一个硅衬底上。激光器驱动401是EML激光器驱动IC芯片，通过焊锡固结在硅衬底上；高频预补偿器402采用了基于陶瓷基片的补偿电路，通过胶固结在硅衬底上；激光器404及其外围支持电路通过焊锡固结在陶瓷基片上，最后用胶固结在硅衬底上。其中，激光器驱动部分405、高频预补偿部分406和激光器部分407，根据具体实际应用需要，可以在集成时选择将其全部或者只有高频预补偿部分406和激光器部分407，做进光器件中，通过打金线将它们互联起来，实现信号的互通。
当然，实现信号的互通不仅局限于打金线连接，还可以采用其他连接方法实现信号互通。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1. 具有高频预补偿的集成化光芯片，其特征在于：包括一衬底，所述衬底上集成设置有光芯片及具有高频预补偿功能的高频预补偿器，所述高频预补偿器的输出端与光芯片输入端连接；
所述集成化光芯片还包括有一光芯片驱动器，所述光芯片驱动器的输出端与高频预补偿器的输入端连接，所述光芯片驱动器与光芯片及高频预补偿器选择性的集成设置在同一衬底上。
2.根据权利要求1所述的具有高频预补偿的集成化光芯片，其特征在于：所述高频预补偿功能通过有源高频预补偿器或无源高频预补偿器实现。
3. 根据权利要求2所述的具有高频预补偿的集成化光芯片，其特征在于：所述有源高频预补偿器包括时域延迟器及与时域延迟器通过电信号连接的运算器，所述无源高频预补偿器包括采用具有高频预补偿等效电路的感抗-阻抗电路或具有高频预补偿等效电路的容抗-阻抗电路。
4. 一种高速光通信器件，其特征在于：由权利要求1至3所述的任意一种光芯片单个或阵列组成。
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