CN114488398A - 一种冗余式硅基光电集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冗余式硅基光电集成芯片，该硅基光电集成芯片的各个通道内均设置有光功率监测模块，且光功率监测模块由至少两个并行的监控探测器单元组成。通过采用冗余MPD的方式，即设计至少一个并行的MPD作为冗余设备，大幅提升光电集成芯片的良率，且此方式带来的额外影响很小，无需额外的控制电路或其他的实时监测系统，具有结构简洁，尺寸小，成本低廉的优势。
Description
技术领域
本发明属于光通信和光电集成芯片技术领域，尤其涉及一种冗余式硅基光电集成芯片。
背景技术
光通信因其具有高带宽、大容量、体积小、重量轻、抗干扰性好以及传输距离远等优点已成为通信领域的关键通信技术。近些年，随着流量的爆发式增长，互联网公司不断新建数据中心来满足日益增加的流量需求，其中，硅光集成技术因其材料特性以及与CMOS工艺兼容的优势，能够较好的满足低成本、高集成度、低功耗、大容量的通信要求，在骨干网、数据中心以及5G建设等方面起到重要作用。
硅光集成技术可以借助大规模集成电路的规模优势，单颗芯片集成多个光信号通道或者多路组合以支持更为复杂的调制格式，单颗芯片可以既有发射端也有接收端，而且由于其集成度高，其尺寸优势也更为凸显。除此之外，由于硅基光电集成芯片高度集成了高速调制器，高速探测器，热相移器，可调光衰减器以及各种无源光波导器件，其具备非常高的成本优势。
然而随着单颗芯片集成度的增加，芯片内部往往包含几十颗单元器件或部件，这些单元器件的良率会对集成芯片的良率产生较大的影响。以八通道硅光集成MZI调制器芯片为例，单颗芯片中需要16个监控探测器单元(MPD，MonitorPhoto detector)分别监控8个通道调制器的光信号输入输出功率，按每个MPD的良率为95％计算，单单是MPD的良率就会导致该芯片的良率降到44％。如再考虑到电光调制器、热相移器、光耦合器等部件，则集成芯片的良率会更低，光电集成芯片的成本受到很大挑战。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种冗余式硅基光电集成芯片。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种冗余式硅基光电集成芯片，该硅基光电集成芯片的各个通道内均设置有光功率监测模块，且所述光功率监测模块由至少两个并行的监控探测器单元组成。
进一步的，所述光功率监测模块使用其中一个所述监控探测器单元作为主设备以监测通道内光信号，其他所述监控探测器单元作为冗余设备。
进一步的，该硅基光电集成芯片的各个通道内还设置有调制器，所述调制器的输入侧与输出侧均设置有所述光功率监测模块。
进一步的，各个通道内的所述调制器的输入光信号能量和输出光信号能量均由作为主设备的所述监控探测器单元进行监控。
进一步的，所述监控探测器单元通过在主光路中分出一部分的光作为自身的输入信号光。
进一步的，位于所述调制器输出侧的所述监控探测器单元使用双向耦合器将主光路中的一部分光分出以作为自身的输入信号光。
进一步的，所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，还包括：第一光分束器，所述第一光分束器通过在主光路中分出若干束光作为所述光功率监测模块内各个所述监控探测器单元的输入信号光。
进一步的，作为冗余设备的所述监控探测器单元利用击穿方式使自身呈断路状态，或者采用不打线的方式将自身隔离，或者采用不将电极引出的方式将自身隔离。
进一步的，所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，还包括：若干第一耦合器以及第二光分束器，所述第一耦合器将外部信号光耦合进芯片内部，所述第二光分束器将所述第一耦合器输出的信号光等分成两份后分配至各个通道内的所述调制器中。
进一步的，所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，还包括：若干第二耦合器，所述第二耦合器将所述调制器输出的信号光输送至芯片外部。
本发明所带来的有益效果：通过采用冗余MPD的方式，即设计至少一个并行的MPD作为冗余设备，大幅提升光电集成芯片的良率，且此方式带来的额外影响很小，无需额外的控制电路或其他的实时监测系统，具有结构简洁，尺寸小，成本低廉的优势。
附图说明
图1是本发明一种冗余式硅基光电集成芯片采用定向耦合器将主光路的光束分出时的结构示意图；
图2是本发明一种冗余式硅基光电集成芯片采用光分束器将主光路的光束分出时的结构示意图；
图3是本发明一种冗余式硅基光电集成芯片采用双向耦合器将主光路的光束分出时的结构示意图；
图4是本发明一种冗余式硅基光电集成芯片采用双排或多排电极引出方式时的结构示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
考虑到MPD良率对高集成度的硅基光电集成芯片的良率影响较为显著，在一些说明性的实施例中，本发明提供一种冗余式硅基光电集成芯片，尤其是多通道硅基光电集成芯片，该硅基光电集成芯片的各个通道内均设置有光功率监测模块，且光功率监测模块由至少两个并行的MPD组成。
其中，并行是指各个MPD独立运行，互不影响，投入使用时完成的功能以及监控的方式均是一致的。
光功率监测模块使用其中一个MPD作为主设备以监测通道内的光信号，其他MPD作为冗余设备。本发明通过采用冗余MPD的方式，在芯片内部每个需要布置MPD的位置均设计有一个并行的MPD，某些使用场景可能需要2个以上的并行MPD。因此，对应位置上的所有MPD只需要有一个能正常工作便可确保硅基光电集成芯片的正常工作。按每个MPD的良率为95％进行计算，对于包含有16个MPD的硅基光电集成芯片而言，采用只增加一个冗余MPD的方式，即可将MPD对整体芯片良率的限制从44％提升到良率96％以上，如果采用多备份的MPD，则芯片的良率可进一步提升。
如图1-4所示，本发明以单冗余MPD且芯片以八通道硅基光电集成芯片为例进行进一步说明。
该硅基光电集成芯片的各个通道内还设置有调制器，调制器的输入侧与输出侧均设置有光功率监测模块，即芯片上包含8路调制器，每路调制器有2个光功率监测模块分别监控调制器的输入光功率和输出光功率。每个光功率监测模块被设计成两个并行的MPD，分别为MPDA和MPDB，MPDA和MPDB都独立正常工作，只要MPDA和MPDB有一个能正常工作便可确保该光功率监测模块正常工作，这一设计可以极大地提高硅基光电集成芯片的良率。
各个通道内的调制器的输入光信号能量和输出光信号能量均由作为主设备的MPD进行监控，即MPDA和MPDB两者中其中一个作为主设备进行实时监控，另外一个作为冗余设备不投入使用。
本发明还包括：若干第一耦合器、第二光分束器、第二耦合器。相应的，对应于8路调制器，第一耦合器的数量为4个，一个第一耦合器对应两路的调制器，每路的第一耦合器后连接第二光分束器，具体为3dB光分束器。第一耦合器将外部信号光耦合进芯片内部，第二光分束器将第一耦合器输出的信号光等分成两份后分配至相应的两个通道内的调制器中。第二耦合器的数量为8个，分别对应于8路调制器，每个第二耦合器将与其对应的调制器输出的信号光输送至芯片外部。各个MPDA与MPDB设置在调制器与第二光分束器连接的主光路1中，以及调制器与第二耦合器连接的主光路1中。
MPD的分光形式有三种，下面进行举例说明：
第一种分光形式：如图1所示，MPDA与MPDB通过在主光路1中分出一部分的光作为自身的输入信号光，实现此功能的非均匀分束器一般是定向耦合器，也可以为其他具备此功能的结构。本发明采用双MPD的方式，即MPDA+MPDB的方式，每个需要布置MPD的地方都有一个备份MPD，只要MPDA和MPDB有一个能正常工作便可确保芯片的正常工作。
第二种分光形式：如图2所示，本发明还包括：第一光分束器，第一光分束器通过在主光路1中分出若干束光作为光功率监测模块内各个MPD的输入信号光，即MPDA和MPDB的分光形式还可以是将主光路1分出的监控光信号进行3dB分束，然后再分别进入到MPDA和MPDB。其中，第一光分束器可采用定向耦合器，Y分支波导，多模干涉器或其他具备光路分束功能的器件。
第三种分光形式：如图3所示，由于在某些使用场景下，希望监控调制器输出光的MPD可支持反向进光监控，因此本发明位于调制器输出侧的MPD使用双向耦合器将主光路1中的一部分光分出以作为自身的输入信号光，分出的光均接入到MPD中。
在硅基光电集成芯片工作时，对于每一组MPD，通常只需要使用作为主设备的MPD，对于另外多个冗余的MPD，可以采用各种方式将其隔离在正常工作回路外，例如，作为冗余设备的MPD利用击穿方式使自身呈断路状态，或者采用不打线的方式将其隔离，或者采用不将电极引出的方式将其隔离。其中，采用多排电极引出的方式如图4所示，作为冗余设备的MPD的电极2引出，测试时标定好每一路使用MPDA还是MPDB，封装中，选择对应的pad进行金丝引线即可。
本发明针对硅基光电集成芯片中有多个MPD的情况，通过采用冗余MPD的方式，每个需要布置MPD的位置都具备一个或多个备份MPD，在这一组MPD中，只要有一个MPD能正常工作便可确保芯片的正常工作。本发明对于所有需要多路MPD的集成芯片都适用，按每个MPD的良率为95％计算，单单是MPD的良率问题就导致集成芯片的良率降到44％。如再考虑到调制器、热相移器、光耦合器等部件，则集成芯片的良率会更低，光电集成芯片的良率受到很大影响。本发明采用备份MPD的方式，MPD对芯片良率的限制从良率44％改善到良率96％以上。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，该硅基光电集成芯片的各个通道内均设置有光功率监测模块，且所述光功率监测模块由至少两个并行的监控探测器单元组成。
2.根据权利要求1所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，所述光功率监测模块使用其中一个所述监控探测器单元作为主设备以监测通道内光信号，其他所述监控探测器单元作为冗余设备。
3.根据权利要求2所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，该硅基光电集成芯片的各个通道内还设置有调制器，所述调制器的输入侧与输出侧均设置有所述光功率监测模块。
4.根据权利要求3所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，各个通道内的所述调制器的输入光信号能量和输出光信号能量均由作为主设备的所述监控探测器单元进行监控。
5.根据权利要求4所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，所述监控探测器单元通过在主光路中分出一部分的光作为自身的输入信号光。
6.根据权利要求5所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，位于所述调制器输出侧的所述监控探测器单元使用双向耦合器将主光路中的一部分光分出以作为自身的输入信号光。
7.根据权利要求4所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，还包括：第一光分束器，所述第一光分束器通过在主光路中分出若干束光作为所述光功率监测模块内各个所述监控探测器单元的输入信号光。
8.根据权利要求3-7任一项所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，作为冗余设备的所述监控探测器单元利用击穿方式使自身呈断路状态，或者采用不打线的方式将自身隔离，或者采用不将电极引出的方式将自身隔离。
9.根据权利要求8所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，还包括：若干第一耦合器以及第二光分束器，所述第一耦合器将外部信号光耦合进芯片内部，所述第二光分束器将所述第一耦合器输出的信号光等分成两份后分配至各个通道内的所述调制器中。
10.根据权利要求9所述的一种冗余式硅基光电集成芯片，其特征在于，还包括：若干第二耦合器，所述第二耦合器将所述调制器输出的信号光输送至芯片外部。
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