BR112012016161A2 - arquitetura de receptor óptico integrado para aplicações de i/o ópticas de alta velocidade - Google Patents

Abstract

  ARQUITETURA DE RECEPTOR ÓPTICO INTEGRADO PARA APLICAÇÕES DE I/O ÓPTICAS DE ALTA VELOCIDADE. A presente invenção trata de uma arquitetura de receptor óptico integrado que pode ser usada para acoplar luz entre uma fibra de múltiplos modos (MMF) e um chip de silício que inclui integração de um demultiplexador de silício e um fotodetector de Ge de alta velocidade. A arquitetura proposta pode ser usada para ambos os links ópticos com base em multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e paralela com uma taxa de dados de 25 Gb/s e maior.

Description

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CAMPO DA INVENÇÃO Modalidaàes da presente invenção são dirigidas a 5 receptores ópticos e, mais particularmente, a receptores ópticos integrados com afuniladores (tapers) incorporados para tolerâncias de alinhamento de fibras aperfeiçoadas.

INFORMAÇÃO HISTÓRICA Acoplamento de luz e£iciente entre uma fibra 10 óptica e uma guia de ondas de silício é altamente desejado para o dispositivo íotÔnico com base de silício e aplicações de circ'jito.

Devido ao alto contraste de índice de refração de sistemas de guia de onda de silício, a obtenção de um bom acoplamento de guia de' onda de fibra de silício pode ser um desafio. 15 Em comunicação óptica, a informação é transmitida por meio de uma portadora óptica, cuja frequência é tipicamente na região do visível ou prÓximo do infravermelho do espectro eletromagnético. Uma portadora com uma tal frequência elevaàa é por vezes referida como um sinal óptico, urna portadora Óptica, ou 20 urti sinal de onãa leve. Urna rede de comunicação Óptica típica inclui várias fibras ópticas, cada una das quais pode incluir vários canais. Um canal é uma banda de frequência específica de um sinal eletromagnético, e é por vezes referido como um comprimento de onda. 25 Os avanços tecnológicos hoje incluern cornunicação óptica no nível de circuito integrado (ou de chip). Isto ocorre porque os circuitos integrados apresentam diversas vantagens que' são atraentes em sistemas de cornputador. Às vezes projetistas acoplam urn sinal óptico (luz) entre dois chips, entre urn. chip e 30 uma matriz (die) no sistema, ou entre duas matrizes. Isto é tradicionalmente realizado utilizando uma fibra Óptica para acoplar luz entre guias de onda nas matrizes ou chips.

Uma limitação do uso da fibra óptica para acoplar luz entre guias de onda nas matrizes ou chips é que este método de 35 acoplamento tende a ser ineficiente. Uma razão é por causa da diferença de tamanho físico entre a fibra óptica e uma guia de

2 /7 ?.

onda típica em um chip ou matriz. A fibra óptica tende a ser muito r' maior do que a guia de ondas. Por causa da diferença de tamanho a eficiência de acoplamento de sinal óptico é pobre. ísto é, a iuz da fibra óptica de maior diâmetro não se encaixa bem dentro da 5 guia de onda pequena. O resultado pode ser que os níveis de luz recebidos sejam tão baixos que os bits individuais no fluxo de dados no sinal óptico tornam-se indistinguíveis. Quando isto ocorre, o componente de recepção pode não ser capaz de recuperâr a informação a partir do fluxo de dados. lO A eficiência de acoplamento pode ser aperfeiçoada através da fixação de lentes para a fibra Óptica ou por colocação de uma lente entre a fibra óptica e a guia de ondas para focar o sinal óptico numa guia de ondas. No entanto, a eficiência de acoplamento é apenas regular usando lentes. Outros métodos de i5 acoplamento resultam em eftciências que são tarríbém regulares na melhor das hipóteses.

Esta limitação tambérn vem com um outro desafio, tais como acoplamento eficiente do modo óptico suportado pela maior fibra Óptica para o menor modo óptico suportado pela guia de 20 ondas. O modo é a distribuição de seção transversal Óptica de energia {distribuição Gaussiana) e é definido pelo tamanho de sua guia de ondas (fibra óptica, guia de ondas planar) e o comprimento de onda da luz. Existe um mado óptico grande na fibra óptica íaaior e um modo óptico menor na guia de ondas menor. 25 Também o acoplamento de uma fibra óptica com pequenos guias de ondas na matriz requer um alinhamento muito preciso. Isto é tipicamente realizado com procedimentos de alinhamento manuais de precisão especializados. Tais Procedimentos de alinhamento especializados tipicamente são muito caros e 30 Limitam volumes práticos.

Hoje eúi dia, há um problema Eundamental existente para uín receptor óptico baseado em fibras de múltiplos modos (FMF) de baixo custo para aplicações de alta velocidade. Para atinçir alta velocidade, por exemplo, 25 Gb/s e maior na operação de uirt 35 fotodetector (PD), a área ativa do detector geraímente precisa ser pequena. Nd entanto, para acoplar de forma eficiente a luz de mqF errí um chíp com base em guia de ondas de sewicondutores que à contenha fotodetectores e, eventualmente, um dernultipiexador óptico, um tamanho de guia de onda grande é usado para a grande tolerância de desalinhamento necessária para o alinhamento passivo de baixo custo.

5 BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS O antecedente e uma rrtelhor compreensão da presente invenção pode tornar-se evidente a partir da seguinte descrição detalhada de arranjos e modalidades exemplares e das reivindicações, quando lida em conexão corn os desenhos artexos, 10 todos formando uma parte da descrição da presente invenção.

Enquanto ç} precedente e a seguinte descrição escrita e ilustrada concentram-se em descrever arranjos e modalidades exemplares ãa invenção, deve ser claramente entendido que os mesrnos são como forma de ilustração e exemplo apenas, e a invenção não está 15 limitada aos mesmos.

A Figura 1 é uma vista lateral erri corte ãe um receptor óptico integrado de acordo com uma modalidaãe da invenção; A Figura 2 é uma vista do substrato de silício 20 sobre isolador {SOI) para formar o receptor óptico mostrado na Figura 1; A Figura 3 é uma vista lateral do wafer SOI ilustrando a gravação (etching) do afunilador; A Figura Ll é uma vista lateral do wafer SOI 25 ilustrando a gravação da ranhura em V para o espelho; A Figura 5 é uma vista lateral do wafer SOI ilustrando deposição de uma camada de odile para o espelho de reflexão interna total; A Figura 6 é urna vista laterai do wafer SOI tenão 30 um wafer de silício ligado na parte de topo; A Figura 7 é uma vista lateral do SOI wostraào na Figura 6 virado para o processamento fotônico de silício adicional do fotodetector (PD) e rede (grating) opcional, corao mostraão na Figura 1; 35 A Figura 8 é um gráfico que ilustra a perda de modelagem óptica para a estrutura de espelho de ranhura em V do receptor óptico integrado sob condições de modo único; e

. Q A Figura 9 é um gráfico que ilustra a perda de : W modelagem óptica para a estrutura de espelho de ranhura ern V do receptor óptico integrado sob condições de múltiplos modos.

DESCRIÇÃO DETALFLADA 5 É ãescrita uma arquitetura de receptor óptico integrado direcionada ao acoplamento de luz entre uma fibra de míiltiplos modos (MMF) e chip de silício, bem como à integração de demultiplexador de silício e urn fotodetector de alta velocidade. A arquitetura proposta pode ser utilizada tanto para links ópticos 10 com base em multiplexação por divisão de comprirrtento de onda (WDM) e paralelo com urna taxa de dados de 25 Gb/s, e maior.

Referência ãc) longo cíestg relatório descritivo a "uma modalidade" ou "modalidade" significa que uma determinada característica, estrutura, ou particularidade descrita em conexão 15 com a modalidade é incluída em pelo menos uma modalidade da presente invenção. Dessa forma, as aparências das frases "em uma modalidade" ou "na modalidade" em vários lugares ao longo deste relatÓrio descritivo não são necessariamente todos referentes à mesma modalidade. Aderaais, as características particulares, 20 estruturas ou particularidades podem ser combinadas de qualquer maneira adequada, em uma ou mais rnodalidades.

Referindo-nos agora à Figura 1, é mostrado o receptor óptico de acordo corrí uma modaiidade da invenção. O receptor Óptico l00 compreende uma porção de wafer de silício 102 25 em que uma estrutura de espelho de reflexão interna total (TIR) 104 está localizada. Uma porção de guia de ondas 106 compreende uma extremidade larga para a qual a luz de uma fibra, tal Coino uma Eibra Óptica de múltiplos modos 108, pode ser alimentada. A luz pode ser Eocada através de uma lente 110. A guia de ortdas 106 30 compreende um afunilador 112, onãe a guia de ondas estreita a partir da parte inferior. A estrutura TIR corrtpreende uma cunha 114 que tern uma superfície refletora para direcionar a luz, movendo-se paralelamente ao substrato 102, é refletida para cima para um fotodetector de alta velocidade 116 como indicado pelas setas. Um 35 demultiplexador de silício 118, opcionalaente, também pode ser fabricado na guia de ondas 106, corao mostrado. Por exemplo, o demultiplexador pode compreender uma rede de difração, tal cojno a rede Echelle gravada ilustrada. A rede Echelle gravada pode ser capaz ãe demultiplexação tanto dos feíxes monowodo como ãos feixes de múltiplos modos.

Este chip de silício integrado mostrado na 5 Figura 1 pode ser fabricado em um substrato cie siíício sobre isolador (SOI). Para aplicações de link paralelo, o demultiplexador pode não ser incluído. A entrada do afunilador de silício 112 tem uma altura de 20 a 30 µin na extremidade larga para o acoplamento eficiente entre a MMF 108 e o chip com uma iente de plástico 110. A altura final da guia de onda 106 apÓs o afunilador é de —lO µrri. O afunilador pode ser 'fabricado, por exemplo, utilizando uma tecnologia de escala de cinza tal como descrito em "Optics Express", vol. 11, n'. 26, 3555-3561 (2003), neste ato incorporado por referência.

Observe que o tamanho da guia de onda final provavelmente não deve ser pequeno, devido acj possível efeito de filtragem modal (perda óptica} para um feixe de múltiplos modos emitido a partir da IIMF 108. A porção de espelho de reflexão TIR 104 é usada para acoplar a luz a partir da guia de ondas verticalmente para um detector de germânio (Ge) de alta velocidade 116 crescido no topo dci silício. a técnica de fabricação de urn tal PD de Ge 116 está bem estabelecida. Como a luz a partir da guia de onda afunilada incidente no PD de Ge pode ser retletida a partir" do contato de metal no topo da camada de Ge no detector, o caminho óptico duplo é alcançado na região de Ge ativo. Isto conduz a uma waior eficiência quântica com uma película de Ge reduttjra (thinner) para uma velocidade mais elevada. A velocidade estimada do detector com uma espessura Ge de ~1,5 µm é > 20 Ghz, bom para aplicações de 25 Gb/s.

As Figuras 2 a 7 ilustram as etapas de fabricação do chip de receptor integrado de silício. proposto de acordo com uma modalidade. Referindo-se agora à Figura 2, Lútl wafer de silício sobre isolador (SOI) compreende uw substrato de silício, uma camada ãe óxido enterrado (BOX) 202 e uma camada de tratamento de silício 204 na camada BOX 202. Em uma rríodalidade, a carnada Si 204 pode ter aproximadamente 20 a 30 µm de espessura. Esta espessura do curso pode ser diferente para diferentes aplicações. Uma camada

€ de máscara rígida (HM) de óxido de proteção 206 pode estar no topo da cainada de Si 204. Na Figura 3, a porção de afunilador da guia-de ondas da Figura 1 é gravada através da camada de EM 206 e até a 5 rnetade pela camada de Si 204 a uma profundidade de gravação de aproximadamente 10 µrn. A porção gravada pode ser geralmente retangular em uma extreinidade e afunilada na outra. Na Figura 4, urna ranhura errt V 400 pode ser ainda mais gravada a partir da camada de Si 204 para posterior formação do espelho em cunha 114 10 rnostrado na Figura 1_ A ranhura em V 400 pode ser gravada, por exemplo, ccm uma técnica de gravação à úmido de hidrÓxido de potássio (KOH). A gravação de ranhura ern V 400 pode, em algumas modalidades, atingir o óxido enterrado (BOX) 202 ou sair de uma fina camada de silício (0,5 a 1 µrn) para o crescimento posterior 15 de Ge.

Na Figura 5, as trincheiras gravadas são preenchidas com óxido 500 seguido por pIanarização mecânica química (CMP). O óxido compreende o espelho de reflexão interno total {TIR) mostrado na Figura 1. 20 Na Figura 6 c) wafer planarizado será wafer ligado com uín wafer de silício separado 102. ApÓs a ligação do wafer, o wafer de tratamento original 200 do wafer SOI vai ser removido. Como mostrado na Figura 7, todo o equipamento pode ser virado. A remoção do wafer de tratamento 200 cria um wafer novo com BOX 202 25 como uma máscara rígida. A camada de BOX de Ãáscara rígida (HM} 202 pode ser utilizada para o processo adicional de rede de Echelle 118 e fotodetector (PD) de Ge como mostrado na Figura 1, cujas técnicas de processamento são bem conhecidas na técnica. Referinão-nos agora às Figuras 8 e 9, a perda 30 Óptica da estrutura de espelho de ranhura erri V é modelada sob condições de emissão (launching) de modo único e de rnúltiplos modos, respectivamente. Cow um ângulo ãe ranhura em V de 54,7°, o cãsc) de modo único da Figura 8 mostra que não há quase nenhuma perda óptica. Como mostrado na Figura 9, para o caso de múltiplos 35 modos com 0 a 5 modos de emissão há uma baixa de apenas -0,36 d8. Também deve ser observado que mesmo corrt uma camada de siiício de í µm não-gravada para o espelho de ranhura em V, a perda óptica ainda é pequena. Assirn a maior parte da luz é refletida no plano de espelho e dirigida para o DP 116.

A descrição acima das modalidades ilustradas da invenção, incluindo o que é descrito no Resumo, não se destina a 5 ser exaustiva ou a limitar a invenção às forrrtas precisas descritas. Ernbora modalidades específicas e exempíos da invenção tenham sido descritas para fins ilustrati.vos, várias ínodificações equivalentes são possíveis dentro do escopo da invenção, como os versados na técnica relevante reconhecerão. Tais modificações podem ser executadas na invenção, à luz da descrição acirria detalhada. Os termos usados nas reivíndicações seguintes não devem ser interpretaãos para liínitar a invenção às modalidades específicas descritas no relatÓrio e nas reivindicações. Pelo contrário, o escopo da invenção deve ser determinado inteiramente pelas seguintes reivindicações, que deverrt ser interpretadas de acorào com as doutrinas estabelecidas da interpretação de reivindicações.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES

1. Equipamento caracterizado por compreender: um svbstrato de silício; uma estrutura de espelho de reflexão interna 5 total {TIR) sobre o substrato de silício, a estrutura de espelho TIR compreendendo uma prirneira porção e uma segunda porção mais espessa do que a primeira porção; urna porção afuniladora transitanão entre 'a primeira porção e a segunda porção da estrutura de espelho TIR; uma cunha de ranhura em V integrante da segunda porção da estrutura de espelho TIR; um guia de onãas na parte superior da estrutura de espelho TIR; e urn fotodetector (PD) fabricado na guia de onda prÓxiíno da cunha de ranhura erri V.

2. Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um demultiplexador formado na guia de ondas em frente da cunha de ranhura em V.

3. Equipamento, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fatodetector compreende urn fotodetector de Germânio de alta velocidade.

4. Equiparnento, de acordo coKí a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o demultiplexador compreende uma rede de difração.

5. Equipamento, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a rede de difração compreende uuta rede Echelle gravada que seja capaz de demultiplexação de ambos os feixes de rnodo único e de múltiplos modos.

6. Equipamento, de acordo corn a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a guia de ondas compreende uma extremidade de entrada de aproximadamente 20 a 30 µm de espessura.

7. Equipamento, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a espessura após o afunilador é de cerca de 10 µm de espessura.

8. Método para fabricar um receptor óptico integrado caracterizado por compreender:

Eornecer uui wafer de silício sobre isolador (SOI) - cornpreendendo uma camada de tratamento de silício, urría camada de óxido enterrado (BOX), uma camada de guia de ondas de silício e uma camada de óxido de máscara rígida (HM); 5 gravar um afunilador na camada de HM e na camada de guia de ondas de silício; gravar uma ranhura em V erri tuna porção da camada de silício; preencher o afunilador e a ranhura ern V com óxido 10 para formar uma estrutura de espelho de reflexão interna total (TIR); planarizar a estrutura de espelho TIR; colar um wafer de silício na estrutura ãe espelho TIR; 15 virar o wafer de SOT; remover a camada de tratamento de silício; e fabricar uíri fotodetector (PD) de alta velocídade sobre a ranhura em V.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, 20 caracterizado pelo fato de que cornpreende adicionalmente fabricar um demultiplexador na camada de guia de ondas de silício.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o fotodetector compreende um fotodetector de gerrniÍnio (Ge).

25 11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o demultiplexador compreende uma rede de difração.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a rede de difração compreende uma 30 rede Echelle gravada capaz de demultiplexar ambos os feixes de modo único e de múltiplos modos.

13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o afunilador compreende uma extremidade larga de aproximadamente 20 a 30 µin de espessura e uma 35 extremidade rnais estreita de aproximadamente de 10 µm de espessura.

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3/3 %,

14. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a ranhura em V é gravada para a camada BOX.

15. Método, de acordo com a reivindicação 8, ·5 caracterizado pelo fato de que a ranhura em V é gravada de forma curta na camada BOX.

16. Sisterna receptor óptico integrado caracterizado por compreender: um substrato de silício; 10 uma estrutura de espelho de reflexão interna total (TIR) sobre o substrato de silício; um guia de ondas de silício sobre a estrutura de espelho TIR, a guia de ondas de silício tendo uma extrernidade de entrada larga que afunila para urria extremidade rrtais estreita, a 15 extremidade de entrada para receber luz a partir de uma fibra de múltiplos modos; um fotodetector fabricado sobre uma porção da extremidade mais estreita da guia de ondas; e uma porção de cunha sobre a estrutura de espelho 20 TIR sob o fotodetector para refletir a iuz até o fotodetector.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma lente entre a fibra de múltiplos modos e a extreinidade de entrada de guia de ondas de silício. 25 i8.

Sistema, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que compreenãe adicionalmente um demultiplexador formado na guia de ondas antes da cunha.

19. Sistema, de acordo com a reivinãicação 16, caracterizado pelo Eato de que o fotodetector é urn fotodetector de 30 germânio.

20. SisteRa, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que q ãemultiplexador é uma rede Echelle.