网络交换机ASIC与光收发器的组装

摘要

本发明涉及一种交换机系统，该交换机系统包括连接到交换机ASIC(29)的一个或多个光收发器组件(14)。

说明书

发明内容

本发明的示例性实施例涉及网络服务器中的高带宽交换机ASIC。交换机ASIC和光收发器组件被放置在一个高速基板上，使得电连接非常短以用于最小信号失真。收发器芯片中的TSV使光接口与电接口分开，以便避免线结合并且提供高效散热概念。TSV和可插拔光连接器允许实现收发器插座的可回流焊接组装。由于收发器插座和可插拔光连接器的紧凑性，光纤从收发器组件水平地延伸，这允许将散热器放置在收发器组件之上。可插拔光连接器包含硅片的堆叠，使得热量能够非常高效地从收发器芯片消散掉。激光器能够从高速基板外部的外部源外部连接到收发器芯片。交换机ASIC能够被连接到同一散热器。

术语的定义

·网络交换机，这是由本领域的技术人员使用来描述计算机联网设备的术语，该计算机联网设备通过使用分组交换来接收、处理数据并且将数据转发到目的地设备而将计算机网络上的设备连接在一起。

·交换机ASIC(专用集成电路)，这是由本领域的技术人员使用来描述通常部署在网络交换机中的半导体芯片的术语，该网络交换机通过使用分组交换来接收、处理数据并且将数据转发到目的地设备而将计算机网络上的设备连接在一起。

·高速基板，这是由本领域的技术人员使用来描述信号承载材料和设计的术语，其中信号的完整性不受电路板的如布局、封装、层堆叠、互连等的物理特性严重地影响。

·交换机共封装，这是由本领域的技术人员使用来描述将交换机ASIC和附加半导体芯片放置在公共高速基板上以便以高信号完整性和低功耗实现芯片到芯片通信的组装的术语。

·光收发器组件，这是用于描述用于将如光纤的光信号路径中的一个或阵列与光子集成电路中的光耦合元件连接的系统的术语。

·EPIC：电子光子集成电路(EPIC)

·光收发器，这是由本领域的技术人员使用来用作将电数据信号转换成光信号并且反之亦然的发送器和接收器的术语。

·具有金属焊盘的TSV，这是由本领域的技术人员使用来描述硅通孔、到位于收发器芯片基板底面下方的导体迹线连接或金属焊盘的连接线路的术语，其中连接线路通过基板中的通孔从电子或光电部件延伸到位于基板背面下方的导体迹线连接或金属焊盘。

·光波长复用器，这是由本领域的技术人员使用来描述通过使用不同波长来将许多光载波信号复用到如光纤或波导的单个光信号路径上的设备的术语。

·光波长解复用器，这是由本领域的技术人员使用来描述将来自包含使用不同波长的多个光载波信号的如光纤或波导的单个光信号路径的光输入信号解复用到各自包含一个光载波信号的多个光信号路径中的器件的术语。

·波分复用(WDM)，这是由本领域的技术人员使用来描述通过使用不同波长来将许多光载波信号复用到如光纤或波导的公共信号路径上的技术的术语。

·时分复用(TDM)，这是由本领域的技术人员使用来描述在公共信号路径之上发送和接收独立信号使得每个信号在线路上按照交替图案出现时间的仅一小部分的方法的术语。

·偏分复用(PDM)，这是由本领域的技术人员使用来描述用于复用在电磁波上承载的信号，允许两个通道的信息通过使用两个正交偏振状态的波在同一载波频率上发送的方法的术语。

·光纤阵列，这是由本领域的技术人员使用来描述通过使用包覆线缆涂层被分组成并行束或带的光纤的阵列的术语。

·多芯光纤，这是由本领域的技术人员使用来描述包含不止一条光纤芯的光纤的术语。

·热界面材料，这是本领域的技术人员使用来描述用在组装部件的界面中以便实现良好导热性的材料的术语。

·球栅阵列，这是由本领域的技术人员使用来描述用于集成电路的一种类型的表面安装封装的术语。焊球的规则阵列在PCB的底面上创建可焊接连接。

·转移模具，这是由本领域的技术人员使用来描述将铸造材料压迫到模具中以便实现部件在共封装中的密封的制造工艺的术语。

·透镜阵列芯片，这是由本领域的技术人员使用来描述在硅基板上蚀刻的透镜的阵列的术语。

·通孔，这是由本领域的技术人员使用来描述穿过基板的蚀刻孔的术语。

·主板，这是由本领域的技术人员使用来描述较大印刷电路板的术语，该印刷电路板保持并且允许系统的许多关键电子部件之间的通信并且为其他外围设备提供连接器。

·可插拔光连接器，这是用于描述光接口组件的术语，该光接口组件包括用于固定光纤的光纤安装件、在光纤终止侧的镜刻面。

·光收发器芯片，包括用于将电信号转换成光信号并且反之亦然的收发器功能性的电子光子集成电路(EPIC)。

本发明的示例性实施例涉及一种交换机封装配置，该交换机封装配置包括以下特征中的一个或多个(例如全部)：

-16个光收发器组件被连接到一个51.2Tbit/s交换机ASIC，在交换机ASIC的每侧有4个光收发器组件(参见图片)。在这种情况下：

-在一个光收发器组件与交换机ASIC之间有32个发送器和32个接收器输入和输出通道，其中每通道净数据速率为100Gbit/s。一个光收发器组件的聚合数据吞吐量为3.2Tbit/s。

以上实施例的以下变体A-C被认为是有利的：

-A)在并行布置(所有通道耦合在不同光纤中)中：16个光收发器组件包含16个可插拔光连接器(每个各一个)。每个可插拔光连接器包含优选的72条光纤(32条接收器光纤、32条发送器光纤以及用于输入到EPIC的外部激光的8条光纤)。交换机封装的聚合光纤计数为1152条光纤。这种布置支持像IEEE400GBASE-DR4(每通道一条光纤)一样的标准

-B)具有光复用器(例如4:1)和光解复用器(例如1:4)的布置，例如集成在可插拔光连接器中(图)。每个可插拔光连接器包含优选的24条光纤(8条接收器光纤、8条发送器光纤以及用于输入到EPIC的外部激光的8条光纤)。交换机封装的聚合光纤计数为384条光纤。这种布置支持像IEEE400GBASE-FR4一样的标准。

-布置A)和B)能够被以它们能够与收发器组件的同一收发器插座一起使用的形式布置。在这种情况下，需要交换可插拔光连接器。->对能够通过仅交换光连接器、光纤线缆组件和外部激光源来在两种布置之间改变的可配置交换机封装和/或交换机系统来说是有利的。

-C)具有附连到可插拔光连接器的多芯光纤的布置。可插拔光连接器利用波束形成布置(镜、透镜、…)将多芯光纤的N个光束耦合到收发器芯片中。利用这样的多芯光纤布置，每个可插拔光连接器的光纤的数目以及交换机封装的聚合光纤计数减少了例如1/N。来自至少一条多芯光纤的N个光束由可插拔光连接器中的镜刻面偏转并且指向透镜阵列芯片1和透镜阵列芯片2中的透镜阵列或透镜阵列的阵列。作为一个透镜阵列的一部分的单个透镜被布置成与多芯光纤内部的多个芯的图案匹配。在穿过透镜阵列芯片2之后，来自每个芯的光被导向EPIC芯片中的单独的光栅耦合器。

本发明的另一示例性实施例涉及一种具有光输入和输出接口以及电交换机功能性的交换机系统并且可以包括以下特征中的一个或多个：

·具有一个(或多个)光收发器组件阵列的一个(或多个)交换机ASIC。

·在底部上具有球栅阵列或平面栅格阵列的高速基板上的共封装。

·交换机ASIC与收发器组件之间的RF高速线路被布线在高速基板内。

·DC和控件经由球栅阵列或平面栅格阵列接口被连接到主板。

·交换机ASIC以倒装芯片配置被焊接在高速基板的顶面上。

·收发器芯片上的电接口通过硅通孔(TSV)布线到收发器芯片的底面上的金属焊盘。

·透镜阵列芯片2被放置在收发器芯片的顶面上。

·光纤阵列被安装在可插拔光连接器内部并且远离收发器组件水平地延伸。

·可插拔光连接器。

·当可插拔光连接器被拔掉时收发器组件可回流焊接以接触电接口。

·可插拔光连接器和收发器插座主要由硅构成。用于堆叠的片的优选材料是块状硅、绝缘体上硅(SOI)或SiO

·一个或多个散热器被安装在收发器组件上以将可插拔光连接器保持到位并且使热量消散。

·激光辐射由可插拔光连接器中的附加光纤供应到收发器组件中。

·用于外部激光辐射进入收发器芯片的输入接口是偏振无关的。

·光耦合元件是在收发器芯片中以相对于收发器芯片的表面3°-25°的角度接受激光的光栅耦合器。

·收发器芯片中的光耦合元件是光栅耦合器。

·解复用/复用功能性被集成在可插拔光连接器中。这能够由在使用硅、SOI或玻璃的平面光导电路中实现的阵列波导光栅实现。

·导向销用于在水平平面中将可插拔光连接器对准到收发器插座并且提供机械稳定性。

·可插拔光连接器的解复用/复用功能性还能够被集成在光纤组件中(与可插拔光连接器的堆叠分开)。

·高速电连接是差分线路。

·波分复用(WDM)、时分复用(TDM)和偏分复用(PDM)能够被用于复用。WDM、TDM和PDM不互斥。

·具有高聚合数据吞吐量(数据速率)例如51.2Tbit/s的一个或若干交换机ASIC(硅芯片)

·交换机ASIC是具有电输入和输出接口的电交换机

·例如512个发送器输出通道和512个接收器输出通道

·例如使用PAM-4调制格式每通道净数据速率为100Gbit/s。

·一个或多个散热器是交换机共封装的一部分并且使来自交换机共封装的热量消散。

·多芯光纤用于在一条光纤中组合多个传输通道。

·能够在收发器组件中实现不同的调制格式，诸如NRZ、PAM-N，尤其是PAM-4、QPSK或DP-QPSK。

·借助于奈奎斯特脉冲将许多电输入信号组合到一条光纤中。一个奈奎斯特通道的调制边带被时间上布置为使得每个发送的符号的中心位于其他奈奎斯特通道的交叉点处。在接收器侧，本地振荡器与平衡接收器系统相结合地用于检索每个奈奎斯特通道。

本发明的另外的示例性实施例涉及：

1)包括一个或多个收发器组件的布置，收发器组件将来自一个或多个交换机ASIC的电高速数据信号转换成光高速数据信号并且将这些光信号耦合到光波导(例如光纤)中并且反之亦然。收发器组件可以包括层系统。该层系统可以包括以下特征中的一个或多个：

ο光收发器芯片被优选地实现为包括TSV的电子光子集成电路(EPIC)，其在EPIC芯片的底面上具有作为电接口的焊盘并且在EPIC芯片的顶面上具有作为到收发器组件的其他层的光接口的光栅耦合器。

ο光束形成层，这些层可以包含被蚀刻到层材料中的透镜或透镜阵列，

ο在层组件内部包括机械导向销的可插拔接口，

ο被设计为使得光束被扩大和准直以便在可插拔光连接器与收发器插座之间实现宽松的对准公差的光成像，

ο可插拔光连接器中的光纤接口层：V形凹槽用于对准和固定光纤；各向异性蚀刻的镜刻面将光束朝向收发器芯片反射。

布置和/或层系统优选地包括以下特征中的一个或多个：

-收发器组件的所有层都优选地基于硅基板作为基底材料。这导致相同的热膨胀系数和高导热性。由于EPIC中的高功率耗散和交换机共封装中的高温度，两者都是有利的，

-收发器组件被优选地焊接到高速基板上，

-可插拔光连接器有利于使收发器组件的下部即收发器插座可焊接(可插拔光连接器中的光纤不抵抗焊接温度)，

-例如每收发器组件的32个发送器和32个接收器输入和输出通道，

-收发器组件优选地具有经由光纤接口的外部激光输入

ο通过EPIC收发器芯片中的特殊布置外部激光输入优选地是偏振无关的。

和/或

2)包含光纤束的光纤线缆组件，该光纤束将收发器组件的可插拔光连接器光学上连接到外界，例如通过网络交换机系统的壳体中的连接器。

在并行布置中，光纤线缆组件优选地包含72条光纤。在连接到可插拔光连接器的侧，所有光纤都被布置在一排中。线缆的光纤具有例如80μm的直径并且以例如82μm的间距固定在可插拔光连接器中。在连接到光纤线缆的侧，线缆中的光纤束被布置在例如4行18列中。这有助于在两个轴上提供合理的弯曲半径。在连接到网络交换机系统的前板的侧，线缆的四条线路被分成由例如网络交换机系统的壳体中的4个连接器终止的四条扇出线缆。四条扇出线缆中的每一条将800Gbit/s光数据流以及附加地一个或若干外部激光器(在18条光纤中的2条中)的光传输到网络交换机系统的壳体中的连接器。

本发明的另一示例性实施例涉及一种交换机系统，其中在ASIC芯片的四侧布置了16个收发器块片(tile)，在每侧有四个以处理传入和传出数据业务。

光收发器具有光输入和输出接口以及电输入和输出接口并且可以包括以下特征中的一个或多个：

·具有一个(或多个)光收发器组件阵列的一个(或多个)交换机ASIC。

·光收发器组件位于主高速基板上，该主高速基板机械地且电力地连接到承载ASIC芯片的高速基板。

·光收发器芯片位于同一主高速基板上的数字信号处理芯片旁边。

·主高速基板经由球栅阵列或平面栅格阵列接口被连接到承载ASIC的高速基板。

·包括光收发器封装(“块片”)的主高速基板具有7-10mm的宽度和20-40mm的长度

·收发器芯片持有以下特征中的一个或多个(例如全部)：

调制器驱动器和调制器，

光电检测器和跨阻抗放大器

光监视和控制功能性，

到DSP芯片、到外部激光源、到主机板和/或到中央通信单元的SPI或I

·收发器芯片涵盖典型监视和诊断功能性中的一个或多种(例如全部)，这些功能性是：

-在线路和网络侧的环回。

-根据IEEE标准1149.1到DSP的连接。

-检测并且用信号通知接收器光输入端处的LOS事件。

-监视光信号和调制器输出的平均功率和频率响应。

-检查发送器和接收器上的DSP的锁定状态。

-内部电压监视器。

-内部温度传感器。

-中断信号的生成。

·可插拔光连接器由对准特征的两个单独的结构实现，一个结构用于粗略对准且另一结构用于精细对准。

·精细对准特征被实现在硅层堆叠中。粗略对准特征由收发器芯片的外壳和光连接器周围的封装中的结构实现。

·可插拔光连接器的两个精细对准特征包括自对准特征。这样的自对准特征可以是在芯片的表面中保持球的凹穴(pocket)，使得球的一半是凹部。

·光纤带或光纤阵列被永久地附连到收发器封装(“尾纤(pigtail)”)。

·光纤阵列或光纤带从收发器封装水平地扩展

·光纤阵列或光纤带具有80μm至255μm之间的间距。

·波分复用由像膜滤光片一样的分立光元件实现以将波长选择性地传递到不同通道中。

·波分复用由平面光导电路(PLC)实现以将波长选择性地传递到不同通道中。

·波分复用被实现在从收发器芯片到设备的前板的光纤连接中。

·光纤阵列在交换机设备的前板处终止。

·光纤阵列由两个不同的光纤带构成，一条光纤带用于输入和输出业务，而另一光纤带用于向收发器芯片提供激光的外部激光器。

·外部激光源与收发器芯片之间的光纤连接由保偏(PM)光纤实现。

·收发器封装具有两个不同的光纤连接，一个被连接到信号流，另一个被连接到外部激光源。

发送器的功能构件和接收器的功能构件被编制以形成矩形子单元。然后使子单元线性地或二维地图案化在收发器芯片之上。这允许芯片的非常模块化的设计。

优选地，在交换机ASIC的平面中的每侧布置相等和偶数量的光收发器组件，并且在每侧的每组光收发器组件电力地且机械地连接到公共第二高速基板。第二高速基板中的每一个到高速基板的电连接和机械连接由柔性高速基板实现。这种布置减小高速基板的整体大小，并且因此帮助松弛由于结合到主机板或散热器的放置以及相关热膨胀而在相应的基板上导致的机械应力。此外，承载交换机ASIC的高速基板和承载收发器组件的相应的第二高速基板彼此更有效地热解耦，从而降低收发器组件的温度。柔性高速基板被优选地实现为柔性扁平线缆。

当数字信号处理芯片(DSP)位于同一主高速基板上的收发器芯片旁边时，DSP到交换机ASIC的距离优选地小于收发器芯片到交换机ASIC的距离，以便降低交换机ASIC对收发器芯片的热影响，并且这在收发器芯片中实现较低的温度。另一优点是交换机ASIC与DSP之间的电连接长度较短以便改进信号完整性。

以上在上下文中与任何示例性实施例或变体一起提及的特征中的每一个能够与同一示例性实施例或变体的任何其他特征组合。此外，以上在上下文中与任何示例性实施例或变体一起提及的特征中的每一个能够与任何其他示例性实施例或任何其他变体的任何其他特征组合。

附图说明

为了将容易地理解获得本发明的上述和其他优点的方式，本发明的具体实施例被图示在附图1-16中。绘图以示例性方式仅描绘本发明的典型实施例，因此不应被认为限制其范围。

在图1-16中，附图标记指以下元件：

1： 光收发器芯片(2层)

2： 主高速基板

3： 数字信号处理芯片

4： 粗略对准特征(馈送孔)

5： 粗略对准特征(导向销)

6： 精细对准特征(馈送孔)

7： 精细对准特征(导向销)

8： 光纤安装件

9： 散热器

10： 光纤带

11： 球栅阵列(在光收发器芯片与主高速基板之间)

12： 球栅阵列(在高速基板的底部上)

13： 光收发器芯片上的透镜

14： 收发器组件

15： 波长复用器

16： 第二光纤带

17： 用于输入和输出信号的连接器(以在前板处连接)

18： 保偏光纤带(用于激光辐射)

19： 用于外部激光源的输入的连接器

20a： 导向销

20b： 通孔

21： 抗反射涂层

22： 热界面材料

23： 可插拔光连接器

24： 交换机主板

25： 收发器插座

26： 镜刻面

27： UV固化胶

28： 具有收发器芯片的层堆叠

29： 交换机ASIC(专用集成电路)

30： 第二高速基板

31： 球形顶部转移模具

32： 光连接器中的透镜

33： 用于光纤安装件的盖

34： 高速基板

35： 前板

36： 柔性高速基板

37： 透镜阵列芯片1

38： 透镜阵列芯片2

39： 收发器组件转移模具

具体实施方式

在本发明的示例性实施例中，收发器芯片1经由球栅阵列11(例如参见图12和图13)被安装在主高速基板2上。在收发器芯片1旁边，数字信号处理芯片3被安装在同一主高速基板2上。主高速基板2经由第二球栅阵列12被连接到高速基板34(参见图10)。高速基板34(参见图10)也承载交换机ASIC 29。

图12中的上部形成光连接器，该光连接器包括光纤安装件8，该光纤安装件8保持光纤带10、粗略对准特征(在这里示出为导向销5)和精细对准特征(在这里示出为导向销7)。它们的对应物是在收发器芯片1和数字信号处理芯片3的外壳中提供粗略对准特征的馈送孔4以及在收发器芯片1的层堆叠中提供精细对准特征的馈送孔6。

图12中的底部——即收发器芯片1、数字信号处理芯片3、收发器芯片1和数字信号处理芯片3的外壳以及主高速基板2——形成插座，该插座被配置成接收上部光连接器的粗略对准特征(导向销5)和精细对准特征(导向销7)。

馈送孔4可以如图13所示延伸到主高速基板2中。

图13还描绘位于收发器芯片1的顶面上的用于波束整形的透镜13。替换地，用于光束整形的透镜13可以如图1和图2所示位于收发器芯片1的外壳中。图1和图2描绘可插拔光连接器23和插座25的另一示例性实施例。

在图1和图2的实施例中，收发器芯片1被直接安装在还承载交换机ASIC 29的高速基板34上。

交换机ASIC 29优选地被连接到多个光收发器组件14，优选地如图所示的四个光收发器组件14。每个收发器组件14优选地包括一个收发器芯片1、主高速基板2、分别在插座5和7上并且分别在插座侧4和6的粗略和精细对准特征的集合、DSP芯片3以及光纤安装件8，其中光纤带10被永久地附连到光纤安装件。

在n(n>l)个光收发器组件14的情况下，收发器组件14优选地按照相对于交换机ASIC29阶数n的旋转对称性，也称作n重旋转对称性或第n阶的分立旋转对称性，布置。在十六个光收发器组件14的情况下，光收发器组件14优选地如图所示按照四重旋转对称性布置(参见例如图10)。

在以上附图和说明书中，公开了本发明的多个实施例。申请人想要强调的是，每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例组合或者添加到任何其他实施例，以便修改相应的实施例并且创建附加实施例。这些附加实施例形成本公开的一部分，并且因此，申请人可以在审查的以后阶段就这些附加实施例提交另外的专利权利要求。

另外，申请人想要强调的是，以下从属权利要求中的每一个的每个特征可以与目前独立权利要求中的任一个以及与目前从属权利要求中的任何其他(一个或多个)从属权利要求组合(而不管目前权利要求结构如何)。因此，申请人可以在审查的以后阶段将另外的专利权利要求指向其他权利要求组合。