具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合图1，相关技术中，数字芯片的电互连装置包括以下模块：数字Die模块、数字Die基板模块、高速电连接器模块。下面，以现有的数字芯片在线卡上的电互连的应用场景为例，作进一步的阐述：

数字Die模块设置于数字Die基板模块之上，数字Die模块通过数字Die基板模块与线卡上的印刷电路板(PCB)连接。对于数字芯片而言，芯片的数字功能是由数字Die模块来完成的，该数字Die模块带有高密高速的电接口IO，通过高密高速的IO和其他设备进行数据交换。而数字Die基板模块，一般是由有机材料制作而成的，可将数字Die上的信号传送至线卡上，还可为数字Die模块提供电源和时钟信号等。数字Die的高密高速的IO也可通过数字Die基板模块和其他数字芯片实现互连。

其中，数字Die模块中的高速输出信号的输出过程为：数字Die模块中的高速输出信号通过球栅阵列(BGA)传输到数字Die基板模块，再由数字Die基板模块将高速输出信号传输到线卡上的PCB，通过PCB上的铜线，将高速输出信号传送到高速电连接器模块上，这个高速电连接器模块再与其它数字芯片中的高速电连接器相连，从而实现了将一个数字芯片的高速输出信号传输到其他数字芯片上。

对于上述数字芯片之间采用的电互连方式，存在传输距离受限制的问题。对此，本申请提供一种数字芯片的光互连装置及方法，拓展了大型数字芯片之间的可互连距离。下面通过具体实施方式结合附图对本发明中的数字芯片的光IO装置及方法作进一步详细说明。

实施例一：

为了解决相关技术中数字芯片之间的电互连存在传输距离受限制的问题，本发明提供一种数字芯片的光IO装置，如图2-图3所示，该装置包括如下模块：光电转换模块、光纤耦合阵列模块、光纤连接模块；所述光电转换模块通过所述光纤耦合阵列模块与所述光纤连接模块连接；

所述光电转换模块包括第一电芯片单元、第一光芯片单元、转接单元；

所述转接单元用于将所述数字芯片中数字Die的第一输出电信号传送至所述第一电芯片单元；

所述第一电芯片单元用于根据第一光芯片单元中调制器的类型，对所述第一输出电信号进行参数处理后得到第二输出电信号，并将所述第二输出电信号发送至所述第一光芯片单元；

所述第一光芯片单元用于根据所述第二输出电信号进行调制处理后得到输出光信号，并将所述输出光信号通过所述光纤耦合阵列模块传送至所述光纤连接模块；

所述光电转换模块还包括第二电芯片单元、第二光芯片单元；

所述第二光芯片单元用于接收所述光纤连接器模块通过所述耦合阵列模块传送的第二数字芯片的输入光信号，并对所述输入光信号进行光检测处理得到第一输入电信号，并将所述第一输入电信号发送至所述第二电芯片单元；

所述第二电芯片单元用于对所述第一输入电信号进行放大处理后得到第二输入电信号，并将所述第二输入电信号发送至所述数字Die。

通过上述装置，可实现的有益效果有：在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能；通过在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。上述数字芯片之间的光互连方式，拓展了数字芯片之间的可互连距离。

在一些发明实施例中，所述调制器的类型包括硅光微环谐振型调制器MRM、马赫曾德尔调制器MZM。

需要说明的是，可以根据不同的需求来选用不同的调制方式。MRM相对MZM具有如下优势：1)尺寸小：相比于MZM动辄2-3mm的长度，它的尺寸很小，微环直径可为6-10um；2)好驱动：相比于MZM等效50-ohm的阻抗，MRM仅相当于焊盘(PAD)大小的一个电容负载。

在一些发明实施例中，所述调制器的类型为MRM时，所述第一光芯片单元、第二光芯片单元和所述转接单元集成一体；

所述第一电芯片通过球栅阵列BGA固定于所述第一光芯片单元以及所述转接单元；

所述第二电芯片通过BGA固定于所述第二光芯片单元以及所述转接单元。

需要说明的是，对于上述光电转换模块的实现方式，采用的是硅通孔转接板(throughsiliconinterpsoer，TSI)和光子集成电路(PhotonicIntegratedCircuit，PIC)合一的集成方式，也就是说，将第一光芯片(发送侧的光芯片)、第二光芯片(接收侧的光芯片)、转接单元(interposer)集成在同一个硅片上。此时，选用面积更小的MRM，利用突显TSI和PIC集成度高的优势。

在一些发明实施例中，所述调制器的类型为MZM时，所述第一电芯片单元、所述第二电芯片单元、所述第一光芯片单元、第二光芯片单元均通过BGA固定于所述转接单元。

需要说明的是，对于上述光电转换模块的实现方式，采用的是TSI和PIC相分立的方式。这种方式适应于对集成度要求低，对速率和温度稳定性要求高的情形。另外，其工艺难度比较低，价格便宜。

在一些发明实施例中，所述输出光信号、所述输入光信号包括双波长的光信号。可以理解的是，输出光信号、输入光信号包括但不限于单波长光信号、双波长光信号。

在一些发明实施例中，所述第二光芯片单元还用于在接收到所述第二数字芯片的所述输入光信号后，通过两个微环分离出所述输入光信号中两个不同波长的光信号；所述两个微环对应的两个谐振波长分别与所述输入光信号中的两个波长一致。

通过本实施例提供的数字芯片的光IO装置，可实现包括但不限于如下的有益效果：在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能；通过在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。上述数字芯片之间的光互连方式，拓展了数字芯片之间的可互连距离。

实施例二：

为了解决相关技术中数字芯片之间的电互连存在传输距离受限制的问题，本发明提供一种数字芯片的光IO方法，如图4所示，该方法包括如下步骤：

S201：光输出时；

S202：通过转接单元接收所述数字芯片中数字Die的第一输出电信号；

S203：通过第一电芯片单元根据第一光芯片单元中调制器的类型，对所述第一输出电信号进行参数处理后得到第二输出电信号，并将所述第二输出信号发送至所述第一光芯片单元；

S204：通过所述第一光芯片单元根据所述第二输出信号进行调制处理后得到输出光信号，并将所述输出光信号通过所述光纤传送至光连接器；

通过上述步骤，在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能，拓展了数字芯片之间的可互连距离。

S301：光输入时；

S302：通过第二光芯片单元接收所述光连接器通过所述光纤传送的第二数字芯片的输入光信号，并对所述输入光信号进行光检测处理得到第一输入电信号，并将所述第一输入电信号发送至所述第二电芯片单元；

S303：通过所述第二电芯片单元对所述输入电信号进行放大处理后得到第二输入电信号，并将所述第二输入电信号发送至所述数字Die。

通过上述步骤，在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。

在一些实施例中，所述调制器的类型包括硅光微环谐振型调制器MRM、马赫曾德尔调制器MZM。

需要说明的是，可以根据不同的需求来选用不同的调制方式。MRM相对MZM具有如下优势：1)尺寸小：相比于MZM动辄2-3mm的长度，它的尺寸很小，微环直径可为6-10um；2)好驱动：相比于MZM等效50-ohm的阻抗，MRM仅相当于焊盘(PAD)大小的一个电容负载。

在一些实施例中，所述调制器的类型为所述MRM时，所述将所述第二输出信号发送至所述第一光芯片单元包括：

通过BGA直接将所述第二输出信号发送至所述MRM。

需要说明的是，此时采用的是电容触摸感应模块(TouchSensingInterface，TSI)和光子集成电路(PhotonicIntegratedCircuit，PIC)合一的集成方式，也就是说，将第一光芯片(发送侧的光芯片)、第二光芯片(接收侧的光芯片)、转接单元(interposer)集成在同一个硅片上。上述第二输出信号可直接通过BGA发送至所述MRM的焊盘(PAD)。

在一些实施例中，所述调制器的类型为所述MZM时，所述将所述第二输出信号发送至所述第一光芯片单元包括：

通过所述转接单元将所述第二输出信号发送至所述MZM。

需要说明的是，此时采用的是TSI和PIC相分立的方式。这种方式适应于对集成度要求低，对速率和温度稳定性要求高的情形。另外，其工艺难度比较低，价格便宜。上述第二输出信号需通过硅中介层、BGA发送至所述MZM的PAD。

通过本实施例提供的数字芯片的光IO方法，可实现包括但不限于如下的有益效果：在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能；通过在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。上述数字芯片之间的光互连方式，拓展了数字芯片之间的可互连距离。

实施例三：

为了便于理解本发明实施例提供的数字芯片的光IO装置及方法，下面结合一种数字芯片在线卡上的光互连的应用场景，作进一步的阐述：

如图5所示，本发明实施例中的装置包括相关技术中的数字Die模块、数字Die基板模块，还包括光电转换模块、光纤耦合阵列模块和光纤连接模块。

光电转换模块，又可称为光引擎。以功能的角度来说，光引擎的组成部分可分为：电芯片、光芯片和转接板或硅中介层(interposer)。其中，电芯片包括具备接收功能的电芯片(接收侧的电芯片)和具备发送功能的电芯片(发送侧的电芯片)；光芯片包括具备接收功能的光芯片(接收侧的光芯片)和具备发送功能的光芯片(发送侧的光芯片)。

上述光引擎的可采用不同的实现方式，具体可结合成本、光IO的密度，功耗、速率和调制方式等需求来选用。

本实施例中光引擎采用TSI和PIC合一的集成方式。如图4所示，光引擎中各组成部分之间的连接关系为：

发送侧的电芯片的的输入PAD，焊接在interposer的TSV上，和数字Die进行信息传递，实现硅的最小化；

发送侧的电芯片的输出PAD，直接通过BGA焊接在MRM的输入PAD上；

接收侧的电芯片的输入PAD，直接通过BGA焊接在PD的反向偏置信号的PAD上；

接收侧的电芯片的输出PAD，直接通过BGA焊接到interposer的TSV上。

结合TSI和PIC集成度高的特点，选用在硅基上面积较小的MRM。由于微环的直径越小，光学带宽越大，同时导致的最大损耗也越大。为了平衡直径、光学带宽和损耗等之间的关系，本发明实施例中微环的直径为6-10μm。

光纤耦合阵列模块用于连接光纤和光芯片，实现光路的输入和输出。

光纤连接模块，用于将其他数字芯片输入的光信号和外置光源输入的光信号传送至光芯片，以及将调制后的光信号传送至其他数字芯片。

下面，对该装置实现的输出功能和接收功能作进一步描述：

(1)输出功能的实现过程如下：

1)interposer从数字Die接收到高速SerDes信号发送至发送侧的电芯片；

2)发送侧的电芯片接收到高速SerDes信号，根据MRM结构的电性能特性，对该高速SerDes信号进行非线性预处理和电压、电流的调整，并将经调整后的高速SerDes信号通过BGA传送至MRM的PAD。

3)通过将调整后的高速SerDes信号施加在MRM结构中，此时发送侧的光芯片中波导上的光包含了从数字Die上输出的SerDes的信息，从而完成了数字Die信号的调制。

4)发送侧的光芯片将经调制后的光信号经光纤耦合后，输出到光纤束中，最终达到需要互连的数字芯片中。

结合图6，对MRM调制原理作进一步阐述：

本发明实施例中采用双波长的外置光源，经过偏振控制器(PC)实现输入光电偏振控制，参见图7。

外置光源的光依次经过光纤连接模块、光纤耦合模块进入发送侧的光芯片中，在发送侧的光芯片中通过分光器分为不限于4路光源。这4路光源沿波导进入发送侧的光芯片的功能区，该功能区包括8个微环，微环的直径分为两种长度，分别对应光源中的两个波长。每条波导经过2个微环，当微环和波导中的光发生谐振的时候，波导中的光被截止，实现调制功能。因此，波导中的光经过微环后，即包含有数字Die中的高速输出SerDes的信息。

可选的，为了解决微环的谐振和对温度敏感度问题，可在发送侧的电芯片中增加一个波长自动调节单元。譬如，从波导中经过微环旁边的调制后的光里分出5-10％的功率，旁路到电压互感器(PT)上，再把预设的偏置电流信号输入到光引擎中，测试出平均光强，若平均光电强度大于预设阀值，则启动加热电阻，之后平均光强低于预设阀值时，停止加热电阻。该预设阀值可由加热算法确定，并保证波长稳定。

(2)接收功能的实现过程如下：

1)接收侧的光芯片通过光纤连接模块、光纤耦合模块接收其他数字芯片输入的光信号，该光信号为双波长光信号。结合图8，对本发明实施例所采用的双波长光信号微环检测原理作进一步阐释：

在加载了双波长光信号的波导旁设有两个微环，这两个微环对应两个不同的谐振波长，这两个谐振波长和上述双波长光信号中的两个波长一致。加载了双波长光信号的波导中在谐振波长的光，经过对应的微环时，就会被耦合进对应的微环。与此类似，耦合进微环的这个波长的光同样也会耦合进该微环另一侧的波导中。因此，通过两个微环，将输入光信号中的两个波长分别传送至两个波导中。

2)由接收侧的光芯片中光电二极管(PD)从波导中检测出电信号，并将该电信号通过BGA发送至接收侧的电芯片；

3)接收侧的电芯片对该电信号经跨阻放大器(TIA)处理，通过将电流变为电压信号，并经过多级的放大，变成为数字Die可识别的高速SerDes信号。

4)接收侧的电芯片将经TIA处理后的电信号通过interposer和BGA连接到数字Die基板，再通过数字Die基板上的铜线连接到数字Die的BGA，最后进入数字Die的高速SerDes的输入口。

为了满足高集成度的要求，如图9所示，本发明实施例中在一个光电转换模块中设置了多套收发电芯片，每套支持多路的输入和输出。另外，电芯片之间需保持一定的距离。

通过本实施例提供的数字芯片的光IO装置及方法，可实现包括但不限于如下的有益效果：一方面，在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能；通过在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。上述数字芯片之间的光互连方式，拓展了数字芯片之间的可互连距离。另一方面，光电转换模块采用TSI和PIC合一的集成方式，以实现高集成度；光电转换模块还包括多套收发电芯片，大大扩展了系统的容量。

实施例四：

为了便于理解本发明实施例提供的数字芯片的光IO装置及方法，下面结合一种数字芯片在线卡上的光互连的应用场景，作进一步的阐述：

本发明实施例四中与本发明实施例三中装置的区别仅在于光电转换模块，其他模块均相同，对于其他模块的结构就不再赘述。

本发明实施例四中光电转换模块(即光引擎)采用的是TSI和PIC相分立的方式，这种方式适应于对集成度要求低，对速率和温度稳定性要求高的情形。另外，其工艺难度比较低，价格便宜。

如图10所示，光引擎中各组成部分之间的连接关系为：

发送侧的电芯片的的输入PAD，直接通过BGA焊接在硅中介层的TSV上；

发送侧的电芯片的输出PAD，直接通过BGA焊接于硅中介层；

光芯片的输入PAD、输出PAD，均直接通过BGA焊接于硅中介层；

接收侧的电芯片的输入PAD，直接通过BGA焊接于硅中介层；

接收侧的电芯片的输出PAD，直接通过BGA焊接到硅中介层的TSV上。

对于上述结构，发送侧的电芯片与发送侧的电芯片需通过BGA、硅中介层进行连接；接收侧的电芯片与接收侧的电芯片也需通过BGA、硅中介层进行连接。

下面，对该装置实现的输出功能和接收功能作进一步描述：

(1)输出功能的实现过程如下：

1)interposer从数字Die接收到高速SerDes信号发送至发送侧的电芯片；

2)发送侧的电芯片接收到高速SerDes信号，根据MZM结构的电性能特性，对该高速SerDes信号进行非线性预处理和电压、电流的调整，并将经调整后的高速SerDes信号通过硅中介层、BGA传送至MZM的PAD。

3)通过将调整后的高速SerDes信号施加在MRM结构中，此时发送侧的光芯片中波导上的光包含了从数字Die上输出的SerDes的信息，从而完成了数字Die信号的调制。

4)发送侧的光芯片将经调制后的光信号经光纤耦合后，输出到光纤束中，最终达到需要互连的数字芯片中。

结合图11，对MZM调制原理作进一步阐述：

本发明实施例中采用单波长的外置光源，经过PC实现偏振控制，参见图7。

外置光源的光依次经过光纤连接模块、光纤耦合模块进入发送侧的光芯片中，在发送侧的光芯片中通过分光器分为不限于8路光源。这8路光源沿波导分别进入发送侧的光芯片中8个MZM；对于每个MZM中的两条臂分别加载经调整后的高速SerDes信号、光源信号；由于高速SerDes信号与光源信号存在相位差，高速SerDes信号会对波导中的光源信号产生一定的影响，则对MZM结构施加了高速SerDes信号后，波导上的光就包含有数字Die中的高速输出SerDes的信息。

(2)接收功能的实现过程如下：

1)接收侧的光芯片通过光纤连接模块、光纤耦合模块接收其他数字芯片输入的光信号，该光信号为单波长光信号。

2)由接收侧的光芯片中光电二极管(PD)从波导中检测出电信号，并将该电信号通过硅中介层、BGA发送至接收侧的电芯片；

3)接收侧的电芯片对该电信号经跨阻放大器(TIA)处理，通过将电流变为电压信号，并经过多级的放大，变成为数字Die可识别的高速SerDes信号。

4)接收侧的电芯片将经TIA处理后的电信号通过interposer和BGA连接到数字Die基板，再通过数字Die基板上的铜线连接到数字Die的BGA，最后进入数字Die的高速SerDes的输入口。

如图12所示，本发明实施例中在一个光电转换模块中设置了多套收发电芯片，每套支持多路的输入和输出。

通过本实施例提供的数字芯片的光IO装置及方法，可实现包括但不限于如下的有益效果：一方面，在发送侧，将数字芯片的电信号通过光路的形式对外输出，以实现数字芯片的长距离输出功能；通过在接收侧，识别出其他数字芯片发送的光路中的信息，并以电信号的形式进入数字Die，从而实现数字芯片的接收功能。上述数字芯片之间的光互连方式，拓展了数字芯片之间的可互连距离。另一方面，光电转换模块采用TSI和PIC相分立的方式，以满足对速率和温度稳定性的高要求；光电转换模块还包括多套收发电芯片，大大扩展了系统的容量。

实施例五：

本发明实施例提供一种数字芯片的光IO装置在线卡上的光电混合互连的应用场景，主要针对单引擎的应用，数字芯片中部分IO采用光互连的情形；如图13所示：

数字Die模块主要实现对数据进行处理的功能，这个数字Die模块带有高密高速的IO；考虑到成本和应用场景，可将数字Die模块中的一部分高速IO接口配置为光路的输入输出，其它的高速IO接口依然使用电互连的方式。光互连时，光引擎放置在数字Die的基板上，通过光纤和外部实现互连；电互连时，其它的高速IO接口依然通过基板和PCB相连，再通过铜线和高速电连接器相连，实现了光电混合IO的模式。对于光电混合互连的应用场景，可采用单光引擎，也可采用两个及以上的光引擎。

对于整个芯片的封装，数字Die和光引擎使用一个完整的散热器的方式，光纤通过芯片的侧面连出。图14为单光引擎共装(Co-Packaged)大型数字芯片高速高密光互连封装外壳俯视图。

本发明实施例还提供一种数字芯片的光IO装置在线卡上的光互连的应用场景，主要针对多引擎的应用，数字芯片中全部IO采用光互连的情形；如图15所示：

对于整个数字芯片的封装，光纤位置设于Co-Packaged的顶部边缘，即在芯片的正面，为设有出纤位置的散热封装外壳。这个外壳和数字Die模块及光引擎接触的面是采用3D接触的方式，也就是说，外壳内部不是一个平面结构，而是根据数字Die模块和光引擎的高度差别而设置的立体结构。图16为8光引擎Co-Packaged数字芯片高速高密光互连封装外壳俯视图。

考虑到整个数字芯片的制造和数字芯片之间互连的方便，对于光纤的输出连接器而言，为每个光引擎配置相同的子连接器，再将子连接器组合起来，变成一个完整的数字芯片的对外连接接口，图17为8光引擎系统光纤连接器装配示意图。

可见，本领域的技术人员应该明白，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件(可以用计算装置可执行的计算机程序代码来实现)、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。

此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明实施例所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。