CN100594397C - 使用超级透镜元件光学耦合的集成电路层 - Google Patents

使用超级透镜元件光学耦合的集成电路层 Download PDF

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Abstract

在包含集成电路层的垂直布置的光电集成电路装置(102)中，其第一集成电路层(104)和其第二集成电路层(106)之间的光学信号被耦合。该光学信号投射穿过置于第一集成电路层(104)和第二集成电路层(106)之间的超级透镜元件(110)。又称为完美透镜、负折射透镜、复合材料透镜、平透镜以及超材料透镜的超级透镜元件，在恰当条件下通常不遭受与正折射率光学透镜相关联的衍射限制，且因此能够以比波长精细很多的分辨率对光成像。发射窗口(108)和接收窗口(112)之间的垂直距离小于发射光的一个波长，且相对于超级透镜元件(110)均位于近场。该超级透镜元件(110)可包括诸如银的高导电性金属的薄板。

Description

使用超级透镜元件光学耦合的集成电路层
技术领域
本专利说明书涉及耦合集成电路装置的不同集成电路层之间的信号。
背景技术
集成电路装置已经成为在从计算机和机器人装置到家用电器和汽车控制系统的许许多多产品中的基本元件。随着集成电路装置的能力和速度日益提高同时物理尺寸和功耗持续减小，集成电路装置不断发现新的应用。如本文中所使用，集成电路装置泛指具有一个或多个执行至少一个电学与/或光学功能的集成电路芯片的装置，既包括单芯片装置又包括多芯片装置。在多芯片装置中，各个集成电路芯片通常分别制造或者从基板“构建”，且得到的芯片结合在一起或者以其他方式耦合成共同的物理布置。
集成电路技术的发展继续朝着将电路的尺寸减小至越来越小的尺寸，使得整个局部电路(例如，一组存储单元、移位寄存器、加法器等)的线尺寸可以减小至约几百纳米，且最终甚至减小至几十纳米或以下。在这些物理尺度下并鉴于不断增大的时钟速率，在集成电路装置的不同部分之间可达到的数据速率出现限制，局部电路难以通过长度仅为几百或几千微米的电学互联线与“远的”电路相通信。
为了解决这些问题，已经有光学互联集成电路装置中的不同电路的提议。例如，在共同转让的U.S.2005/0078902A1中描述了一种光子互联系统，其使用光学信号在装置之间进行数据通信以避免高的电容性电学互联。
这些及其他电光装置中产生的一个问题涉及不同集成电路层之间的光学信号的垂直传输。例如，在多芯片光子互联系统中，经常期望在第一芯片的顶面集成电路层和位于该第一芯片顶上的第二芯片的底部集成电路层之间光学地传输信息。例如，该第一芯片可包含致密的电路；而该第二芯片可包含用于将信息传输到“远的”元件的波导、光学耦合器等。在另一例子中，期望在相同集成电路芯片的两层不同集成电路层之间光学地传输信息。
随着装置尺寸持续减小，当多个相邻光学信号需要第一集成电路层和第二集成电路层之间耦合时，这些光学信号在间距小的位置发射，这产生问题。例如，期望小间距地布置发射位置，以与为其光学传送信号的间距小的局部电路相对应。对于从第一集成电路层上的单个位置发射单个光学信号的情形，也会产生问题，包括水平信号泄露问题(这会增加系统内的环境光“噪声”)与/或耦合效率问题。还会发生本领域技术人员在阅读本公开内容之后显而易见的其他问题。
发明内容
在一个实施例中，在包含集成电路层的垂直布置的光电子集成电路装置中，提供了一种用于在其第一集成电路层和其第二集成电路层之间耦合光学信号的方法。该光学信号投射穿过置于该第一和第二集成电路层之间的超级透镜元件。
还提供了一种包括第一集成电路层和第二集成电路层的集成电路装置。该第一集成电路层具有包括发射窗口的第一表面，该第二集成电路层具有面向该第一表面的第二表面，该第二表面包括接收窗口。超级透镜元件置于该第一和第二表面之间，使得在该发射窗口发射的光学信号成像在该接收窗口上。
还提供了一种包括第一集成电路层的设备，该第一集成电路层具有包括第一发射窗口的第一表面，第一光学信号从该第一发射窗口发射。该设备还包括第二集成电路层，该第二集成电路层具有面向该第一表面的第二表面，该第二表面包括第一接收窗口。该设备还包括用于将该第一发射窗口亚波长成像在该第一接收窗口上使得该第一光学信号在该第一接收窗口被接收的装置。
附图说明
图1示出根据一实施例的集成电路装置的剖面图；
图2示出根据一实施例的第一集成电路层的透视图；
图3示出根据一实施例的第二集成电路层的透视图；
图4示出根据一实施例的集成电路装置的剖面图；以及
图5示出根据一实施例的集成电路装置的剖面图。
具体实施方式
图1示出根据一实施例的集成电路装置102的剖面图。集成电路装置102包括第一集成电路层104和第二集成电路层106。集成电路层104和106可以来自已经胶粘或结合在一起的两个不同的集成电路芯片，或者可以位于同一集成电路芯片上。如本文所述，集成电路层是指集成电路芯片的垂直邻接的板。可以理解，本文所使用的术语集成电路层本身可包括多个此处称为子层的独立材料层。因此，例如，集成电路层104和106可分别包括多个相邻的不同材料的子层，这些子层形成、加工、图案化或以其他方式制造成实现各种电学、电光与/或光学功能。
集成电路层104包括一个或多个光学发射器108，每个光学发射器108具有发射窗口109，光学信号在该发射窗口109发射。在图1的实施例中，发射窗口109一般与集成电路层104的上表面105共面，上表面105由此成为发送表面。在一个实施例中，光学发射器108包括垂直投射光学信号的电学驱动光源。电学驱动是指编码成光学信号的信息在一些点从电路产生，而与所使用的具体调制方法无关。依据一个或多个实施例的优点，光学发射器108可制成非常小且非常靠近在一起，尺寸以及中心之间间隔例如约为λ/4或以下，其中λ为发射光的波长。合适的电学驱动光源的示例包括但不限于近场激光器、硅纳米线激光器、以及氧化锌纳米线激光器。发射波长λ(很大程度上取决于光源)的合适值的范围为约300nm至1600nm。如果允许较宽的光谱，则可以使用纳米级的发光二极管(LED)。然而，可以理解的是，可以使用各种其他已知的或今后发展的光源而不背离本发明的范围。
在其他实施例中，一个或多个光学发射器108可以是光学驱动的。合适的光学驱动光源的示例包括但不限于光子晶体缺陷激光器。在另外其他实施例中，一个或多个光学发射器108可包括沿图1的x-y平面传播光的无源横向光学波导(未示出)，发射窗口109对应于沿其的垂直微耦合位置。垂直微耦合位置是指这样的位置，即，特定类型的光栅、45度反射结构等于此形成于该光学波导内，使至少部分光学信号从传播平面垂直地向外投射。在耦合到该光学波导的光源，光学信号可以被电学或光学调制。备选地，传播的光学信号可以是未调制载波信号，例如通过在垂直微耦合位置电学改变一种或多种材料特性而在垂直投射时被调制。
集成电路层106包括一个或多个光学接收器112，每个光学接收器112具有接收窗口113，光学信号可以在接收窗口113被接收。在图1的实施例中，接收窗口113一般与集成电路层106的下表面107共面，该下表面107由此为接收表面。在一个实施例中，光学接收器112包括诸如硅光电二极管的光电转换装置。在其他实施例中，光学接收器112包括无源波导，该无源波导耦合成将接收的光引导至集成电路装置102内的其他位置。放大、光-电-光(O-E-O)再生与/或多路复用可用于将接收的信号传送到集成电路装置102内的其他位置。依据一个或多个实施例的优点，光学接收器112可制成非常小且非常密集，尺寸以及中心之间间隔类似于光学发射器108。优选地，光学接收器112分别与光学发射器108垂直对准。
尽管本文所描述的诸多实施例对于光学发射器108和光学接收器112是致密阵列的情形尤为有利，但本发明的范围不限于此。例如，在其他实施例中，可能存在单个光学发射器108和单个光学接收器112，而在另外其他实施例中，可能存在光学发射器108和光学接收器112的稀疏阵列，每个这种实施例提供诸如耦合效率或者减小的光学泄露的一个或多个优点。
集成电路装置102还包括置于第一集成电路层104的上表面105和第二集成电路层106的下表面107之间的超级透镜元件110。如本文所述，超级透镜元件是指能够以亚波长分辨率来成像入射光的成像装置。超级透镜元件经常具有各种其他名称，例如完美透镜、负折射透镜、复合材料透镜、平透镜以及超材料(metamaterial)透镜，在恰当条件下通常不遭受与正折射率光学透镜相关联的衍射限制，且因此能够以比波长λ精细很多的分辨率对光成像。一般而言，可以实现小至λ/10的分辨率或者更精细的分辨率。
集成电路装置102还包括分别置于超级透镜元件110与表面107及105之间的隔离层114和116。取决于光学发射器108和光学接收器112的具体几何和性质，隔离层114和116之一或二者可能省略。优选地，隔离层114和116包括低折射率材料，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或者在物理上允许的情况下，为空气或低折射率液体。
根据一实施例，超级透镜元件110连同隔离层114和116配置并调整尺寸，以将各个发射窗口109成像在其关联的接收窗口113上，如图1中虚线和箭头所示。提供了一个或多个优点。例如，避免了各光学信号之间的串扰。此外，由于超级透镜元件110不受衍射限制，光学发射器108和光学接收器112的尺寸以及二者间横向距离可以制成非常小，例如显著小于一个波长，仍避免了串扰。超级透镜元件110有利于发射窗口109在接收窗口113上形成“完美”实像。因此，光学发射器108和光学接收器112可以组装(pack)成非常致密的阵列，从而对应于集成电路装置上局部电路日益缩小的布置。此外，由于超级透镜元件通常没有光轴，因此通常不关心透镜元件110的对准，且仅光学发射器108和光学接收器112需要在x-y平面内光学对准。
在一个实施例中，发射窗口108和接收窗口112之间的垂直距离小于发射光的一个波长，且相对于超级透镜元件110均位于近场。对于该实施例，超级透镜元件110可包括诸如银的高导电性金属的薄板。如本领域中所已知，在近场情形中，材料的电学和磁学响应被去耦，因此对于横磁(TM)波仅需考虑电容率。这使得诸如银的金属成为光学超级透镜的良好候选，这是因为，由于导电电子的集体激发，容易得到负电容率。有利地，银板超级透镜元件的制造通常是简单的。示例性而非限制性地，银板厚35nm，且上隔离层114和下隔离层116每一个包含40nm的PMMA层。
集成电路装置102的制造可以使用已知的集成电路制造方法来达成，所述制造方法包括但不限于：诸如化学气相沉积(CVD)、金属有机物CVD(MOCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、化学溶液沉积(CSD)、基于溶胶-凝胶的CSD、金属有机物分解(MOD)、朗缪尔-布洛节塔(Langmuir-Blodgett，LB)技术、热蒸镀/分子束外延(MBE)、(直流、磁控管、射频)溅镀、以及脉冲激光沉积(PLD)的沉积方法；诸如光学光刻、极紫外(EUV)光刻、X射线光刻、电子束光刻、聚焦离子束(FIB)光刻以及纳米压印光刻的光刻方法；诸如(各向同性、各向异性)的湿法蚀刻、干法蚀刻、反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻(IBE)、反应IBE(RIBE)、化学辅助IBE(CAIBE)以及化学机械抛光(CMP)的移除方法；诸如辐射处理、热退火、离子束处理和机械改性(modification)的改性方法；以及诸如晶片结合、表面安装和其他布线与结合方法的装配方法。
显然，本发明不限于所有发射器位于一层集成电路层上且所有接收器位于另一集成电路层上的单向情形。相反，如图5的示例所示，在下文中，通过将发射器和接收器置于每个集成电路层上，在其他实施例中实现了集成电路层之间的双向通信。在一个优选实施例中，致密组装的第一集成电路层上的每个局部电路与该第一集成电路层上的附近的发射器-接收器(发射-接收)对相关联，相应的接收器-发射器(接收-发射)对直接在其上方置于第二集成电路层上。第二集成电路层可包括光学互联系统，该光学互联系统耦合到每个对应的接收器-发射器(接收-发射)对以用作第一集成电路层上各局部电路之间的“光学局域网”。许多其他有利的配置也是可行的，并落在本实施例的范围内。
图2示出根据一实施例的第一集成电路层104的透视图。第一集成电路层104包括多个局部电路202，每个局部电路202耦合到驱动相应的光学发射器108的电一光(E-O)转换电路204。每个局部电路202还耦合到光-电(O-E)转换电路206，该光-电转换电路206提供了在光学接收器208接收到的光学编码信息信号的电学版本。因此，每个局部电路202与附近的发射器-接收器(发射-接收)对108/208相关联，以便于与“外部世界”的光学通信，该“外部世界”即该装置上的其它局部电路，其可能位于几百微米或者甚至几毫米或厘米之外。有利地，局部电路202之间的间隔可以制成非常小，而不受到将相关光学信号耦合到第二集成电路层104内的问题的困扰。
图3示出第二集成电路层106的透视图，该第二集成电路层106在一个实施例中用作第一集成电路层104上各种局部电路之间的“光学局域网”。出于说明目的而非限制性地，假设光学互联元件位于集成电路层106的“顶”上，且光学接收器112(和光学发射器310)从面向第一集成电路层104的底层贯穿到顶层。每个光学接收器112与O-E-O再生电路302相关联，O-E-O再生电路302通过波导304耦合到分出复用器(add multiplexer)306。承载由第一集成电路层104上的局部电路202提供的信息的不同光学信号T1、T2和T3被复用在公共信号T上，该公共信号T由光学总线308传输到该集成电路装置的“远的”部件。
设有多个光学发射器312用于将光学信号发送到第一集成电路层104上的光学接收器208(见上文图2)。这些光学发射器由O-E-O再生电路312驱动，该O-E-O再生电路312通过波导314耦合到插入复用器(drop multiplexer)316。从光学总线318解复用不同光学信号R1、R2和R3，该光学总线318承载从“远的”电-光电路提供的复用信息信号R。在其他实施例中，光学总线308和318组合到公共光学总线上，且分出复用器306和插入复用器316组合成公共分插复用器。在距离和信号强度允许时，O-E-O再生电路302/312之一或二者可以省略。更一般而言，可以使用任意各种不同的装置内光学通信方案而不背离本发明的范围。在一个实施例中，上文的U.S.2005/0078902 A1中描述的光学通信方案用于集成电路装置102上局部电路的不同区域之间的信息交换。
图4示出根据一实施例的集成电路装置402的剖面图，该集成电路装置402与上文图1类似地包括第一集成电路层404、第二集成电路层406、多个具有发射窗口409的光学发射器408、多个具有接收窗口413的光学接收器412、以及超级透镜元件410。然而，集成电路装置402还包括第二超级透镜元件418、更宽的隔离层414、以及附加的隔离层420。当集成电路层404和406的面对表面相隔超过一个波长，多个超级透镜元件可以用于保护近场成像情形，使得比较容易制造的银超级透镜可被使用。在工作中，第一超级透镜元件410形成各个发射窗口409的实像422，且随后实像422通过第二超级透镜元件418再次成像在相应接收窗口413上。在其他实施例中，根据需要使用三个或更多银超级透镜来桥接发送窗口409和接收窗口413之间的间隙。因此，提供了一系列超级透镜元件，这些超级透镜元件配置并定位成使得由每个在先超级透镜元件形成的发射窗口的实像通过每个在后超级透镜元件而再次形成在接收窗口上。
图5示出根据一实施例的集成电路装置502的剖面图，该集成电路装置502包括第一集成电路层504、第二集成电路层506、第一多个(afirst plurality of)光学发射器508、第一多个光学接收器512、超级透镜元件510、以及隔离层514和516。集成电路装置502类似于上文图1的集成电路装置，不同之处为，第二多个光学发射器548设于第二集成电路层506上且第二多个光学接收器552设于第一集成电路层504上。光学发射器548与光学接收器512在空间上交错，且光学接收器552和光学发射器508在空间上交错。除了在集成电路层504和506之间提供双向通信之外，通过有效地使接收窗口之间的距离加倍而提供了抗串扰的进一步的鲁棒性。
光学发射器508和548分别包括发送窗口509和553，而光学接收器512和552分别包括接收窗口513和553。在图5的实施例中，作为第一集成电路层504的部件的光学发射器508和光学接收器552从该第一集成电路层504的本体向外延伸，这在使用基于纳米线的装置时是需要或方便的。关联的发送和接收窗口509和553延伸到隔离层516内，在平面505形成用于第一集成电路层504的发送和接收表面。作为第二集成电路层506的部件的光学发射器548和光学接收器512具有关联的发送和接收窗口549和513，其向外延伸到隔离层514内，在平面507形成用于第二集成电路层506的发送和接收表面。因此，如图5所示，集成电路层的发送与/或接收表面无需如上文图1的实施例那样与该集成电路层的“体”表面为同一平面。
尽管各实施例的诸多变更和改进对于阅读前述说明书之后的本领域普通技术人员而言必定是显而易见的，但是应该理解，示例性示出和描述的特定实施例不应被示为是限制性的。例如，尽管在一个或多个上述实施例中，假设光学发射器阵列发射相同波长的光，但在其他实施例中其可以发射介于下限波长和上限波长之间的不同波长的光。这种情况下，光学发射器阵列的间距可以小于该下限波长，且接收窗口阵列的间距可以小于该下限波长，由于发射窗口通过超级透镜元件而“完美”成像在接收窗口上而实现最小串扰。此外例如，尽管在一个或多个上述实施例中描述了发射和接收窗口的致密一维阵列，但是在其他实施例中提供了发射和接收窗口的致密二维阵列。因此，对于所述实施例的细节的引用并非旨在限制其范围。

Claims (10)

1.一种集成电路装置(102)，包括：
第一集成电路层(104)，具有包括发射窗口(109)的第一表面(105)；
第二集成电路层(106)，具有面向所述第一表面(105)的第二表面(107)，所述第二表面(107)包括接收窗口(113)；以及
超级透镜元件(110)，置于所述第一表面和第二表面之间，使得在所述发射窗口(109)发射的光学信号成像在所述接收窗口(113)上，
其中所述第一集成电路层包括一个或多个光学发射器，所述第二集成电路层包括一个或多个光学接收器。
2.如权利要求1所述的集成电路装置，其中所述超级透镜元件(110)包括下述之一：(a)在所述光学信号的波长呈现负电容率的高导电性金属膜，以及(b)在所述波长呈现至少负有效磁导率和负有效电容率之一的超材料。
3.如权利要求1或2所述的集成电路装置，其中所述第一表面和第二表面(105，107)分隔的距离小于所述光学信号的波长。
4.如权利要求1或2所述的集成电路装置，其中所述发射窗口(109)与下述之一相关联：(a)与所述第一集成电路层相关联的电学驱动光源，以及(b)在所述第一集成电路层内的无源横向光学波导的垂直微耦合位置。
5.如权利要求1或2所述的集成电路装置，所述发射窗口(109)为第一发射窗口，所述接收窗口(113)为第一接收窗口，所述集成电路装置还包括：
包括所述第一发射窗口的所述第一表面上的第一多个发射窗口(109)，所述第一多个发射窗口发射第一多个光学信号，所述第一多个发射窗口的间距小于所述光学信号的最小波长；以及
包括所述第一接收窗口的所述第二表面上的相应的第一多个接收窗口(113)，所述多个第一接收窗口的间距小于所述最小波长，
其中由于所述第一多个发射窗口通过所述超级透镜元件(110)成像在所述第一多个接收窗口上，所述第一多个接收窗口以最小串扰来接收所述第一多个光学信号。
6.一种设备(502)，包括：
第一集成电路层(504)，具有包括第一发射窗口(509)的第一表面(505)，第一光学信号从所述第一发射窗口(509)发射；
第二集成电路层(506)，具有面向所述第一表面的第二表面(507)，所述第二表面包括第一接收窗口(513)；以及
用于将所述第一发射窗口(509)亚波长成像在所述第一接收窗口(513)上使得所述第一光学信号在所述第一接收窗口(513)被接收的装置，
其中所述第一集成电路层包括一个或多个光学发射器，所述第二集成电路层包括一个或多个光学接收器。
7.如权利要求6所述的设备，所述第一发射窗口(509)和所述第一接收窗口(513)均小于所述第一光学信号的波长，其中用于亚波长成像的所述装置包括置于所述第一和第二表面之间的超级透镜元件(510)。
8.如权利要求6或7所述的设备，其中所述超级透镜元件(110)包括下述之一：(a)在所述光学信号的波长呈现负电容率的高导电性金属膜，以及(b)在所述波长呈现至少负有效磁导率和负有效电容率之一的超材料。
9.一种方法，用于在包含集成电路层的垂直布置的光电集成电路装置(102)中，在其第一集成电路层(104，404)和其第二集成电路层(106，406)之间耦合光学信号，该方法包括将所述光学信号投射穿过置于所述第一集成电路层和第二集成电路层之间的超级透镜元件(110，410)，其中所述第一集成电路层包括一个或多个光学发射器，所述第二集成电路层包括一个或多个光学接收器。
10.如权利要求9所述的方法，所述光学信号从所述第一集成电路层(404)的发送表面上的发射窗口(409)发射并在所述第二集成电路层(406)的接收表面上的接收窗口(413)被接收，所述方法还包括将所述光学信号投射穿过至少一个附加超级透镜元件(416)，所述至少一个附加超级透镜元件(416)定位成使得由每个超级透镜元件形成的发射窗口的实像(422)通过在后超级透镜元件再次形成并形成于所述接收表面的所述接收窗口(413)上。
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