CN101868745A - 用于集成在cmos芯片上的光电子收发器的方法和系统 - Google Patents

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CN101868745A CN200880116716A CN200880116716A CN101868745A CN 101868745 A CN101868745 A CN 101868745A CN 200880116716 A CN200880116716 A CN 200880116716A CN 200880116716 A CN200880116716 A CN 200880116716A CN 101868745 A CN101868745 A CN 101868745A
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Abstract

本发明揭示用于集成在CMOS芯片上的光电子收发器的方法和系统，且所述方法和系统可包含经由CMOS芯片的顶部表面上的光栅耦合器从光纤接收光学信号，所述CMOS芯片可包含保护环。光电检测器可集成在所述CMOS芯片中。可经由光栅耦合器从激光源接收CW光学信号，且可使用光学调制器对所述CW光学信号进行调制，所述光学调制器可以是马赫曾德尔和/或环形调制器。所述CMOS芯片中的电路可驱动所述光学调制器。所述经调制的光学信号可经由光栅耦合器传送出所述CMOS芯片的所述顶部表面而进入光纤。所述接收的光学信号可经由波导在装置之间传送。所述光电检测器可包含锗波导光电二极管、雪崩光电二极管和/或异质结二极管。所述CW光学信号可使用边缘发射和/或垂直腔表面发射半导体激光器产生。

Description

用于集成在CMOS芯片上的光电子收发器的方法和系统
相关申请案的交叉参考/以引用的方式并入
本申请案参考2008年5月29日申请的第61/057,127号美国临时申请案以及2007年10月2日申请的第60/997,298号临时申请案且主张其优先权，所述临时申请案全文以引用的方式并入本文中。
本申请案还是2006年12月14日申请的第11/611,084号美国专利申请案的部分接续申请案。
本申请案还参考第6,895,148、7,039,258、7,245,803和7,366,380号美国专利。
以上所陈述的申请案和专利的每一者全文以引用的方式并入本文中。
联邦政府资助的研究或发展
[不适用]
[缩微胶片/版权参考]
[不适用]
技术领域
本发明的某些实施例涉及集成电路功率控制。更明确地说，本发明的某些实施例涉及用于集成在CMOS芯片上的光电子收发器的方法和系统。
背景技术
随着数据网络缩放以满足不断增长的带宽要求，铜数据信道的缺点变得明显。由于辐射的电磁能量引起的信号衰减和串扰是此类系统的设计者遭遇的主要障碍。其在某种程度上可以均衡、译码和屏蔽而减轻，但这些技术需要相当大的功率、复杂性和电缆体积代价，同时仅提供可达到的普通的改进和非常有限的可缩放性。由于没有此类信道限制，光学通信已被视作铜链路的继承者。
所属领域的技术人员通过将此类系统与本申请案的余下部分中参看图式陈述的本发明进行比较，将了解常规和传统方法的更多限制和缺点。
发明内容
大体如结合图式的至少一者展示和/或描述的用于集成在CMOS芯片上的光电子收发器的系统和/或方法，如权利要求书中更完整陈述。
从以下描述内容和图式将更充分理解本发明的各种优点、方面和新颖特征以及其所说明的实施例的细节。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的光子启用的CMOS芯片的框图。
图1B是说明根据本发明的实施例的示范性光子启用的CMOS芯片的斜视图的图。
图1C是说明根据本发明的实施例的耦合到光纤电缆的示范性CMOS芯片的图。
图2A是根据本发明的实施例的示范性分离域马赫曾德尔调制器的框图。
图2B是根据本发明的实施例的示范性相位调制器的横截面示意图。
图3是根据本发明的实施例的示范性光子启用的工艺流程的框图。
图4是根据本发明的实施例的示范性集成的电和光电子装置的横截面。
图5是说明根据本发明的实施例的示范性锗光电二极管的横截面的图。
图6是说明根据本发明的实施例的示范性光栅耦合器的图。
图7是说明根据本发明的实施例的示范性光学装置的图。
图8是说明根据本发明的实施例的示范性波导雪崩光电二极管的图。
图9是说明根据本发明的实施例的示范性光源组合件的图。
具体实施方式
本发明的某些方面可在用于集成在CMOS芯片上的光电子收发器的方法和系统中找到。本发明的示范性方面可包括经由CMOS芯片的顶部表面上的光栅耦合器从一个或一个以上光纤接收光学信号。光学信号可经由集成在CMOS芯片中或上的一个或一个以上光电检测器而转换为电信号。电信号可经由CMOS芯片中的电路来处理。可经由CMOS芯片的顶部表面上的光栅耦合器从激光源接收连续波(CW)光学信号，且可经由集成在CMOS芯片中或上的一个或一个以上光学调制器对所述CW光学信号进行调制。可经由CMOS芯片中的电路来接收电信号，且所述电信号可驱动所述一个或一个以上光学调制器。经调制的光学信号可经由集成在CMOS芯片中或上的一个或一个以上光栅耦合器传送出CMOS芯片的顶部表面而进入一个或一个以上光纤。所接收的CW光学信号可经由例如马赫曾德尔调制器和/或环形调制器来调制。CMOS芯片可包括CMOS保护环。所接收的光学信号可经由波导在CMOS芯片上的装置之间传送。所述一个或一个以上光电检测器可包括例如锗波导光电二极管、锗波导雪崩光电二极管和/或异质结二极管。所述CW光学信号可使用例如可结合到CMOS芯片的顶部表面的边缘发射半导体激光器和/或垂直腔表面发射半导体激光器来产生。所述一个或一个以上调制器可使用CMOS芯片上的电路来驱动。
图1A是根据本发明的实施例的光子启用的CMOS芯片的框图。参看图1A，展示CMOS芯片130上的光电子装置，包括高速光学调制器105A-105D、高速光电二极管111A-111D、监视器光电二极管113A-113H，以及包括分接头103A-103K、光学终端115A-115D和光栅耦合器117A-117H的光学装置。还展示电装置和电路，包括互阻抗和限幅放大器(TIA/LA)107A-107E、模拟和数字控制电路109，以及控制区段112A-112D。光学信号经由制造于CMOS芯片130中的光学波导在光学与光电子装置之间传送。另外，光学波导在图1A中由虚线椭圆形指示。
高速光学调制器105A-105D包括例如马赫曾德尔或环形调制器，且启用对CW激光输入信号的调制。高速光学调制器105A-105D由控制区段112A-112D控制，且调制器的输出经由波导光学耦合到光栅耦合器117E-117H。分接头103D-103K包括例如四端口光学耦合器，且用于对高速光学调制器105A-105D产生的光学信号进行取样，其中经取样的信号由监视器光电二极管113A-113H测量。分接头103D-103K的未使用的分支由光学终端115A-115D终止以避免不想要的信号的背面反射。
光栅耦合器117A-117H包括使光能够耦合到CMOS芯片130中和离开CMOS芯片130的光栅。光栅耦合器117A-117D用于将从光纤接收的光耦合到CMOS芯片130中，且可包括偏振无关光栅耦合器。光栅耦合器117E-117H用于将来自CMOS芯片130的光耦合到光纤中。光纤可以环氧树脂接合(例如)到CMOS芯片，且可以从法线到CMOS芯片130的表面的角度对准以优化耦合效率。
高速光电二极管111A-111D将从光栅耦合器117A-117D接收的光学信号转换为电信号，所述电信号传送到TIA/LA 107A-107D以进行处理。模拟和数字控制电路109可控制增益级或TIA/LA 107A-107D的操作中的其它参数。TIA/LA 107A-107D可接着将电信号传送到CMOS芯片130上的其它电路和/或芯片外的电路/装置。
TIA/LA 107A-107D可包括窄带、非线性光电子接收器电路。因此，窄带接收器前端可跟随有非归零(NRZ)电平恢复器电路。此电路限制光学接收器的带宽以便减少集成噪声，借此增加信噪比。NRZ电平恢复器可用于将所得的数据脉冲转换回NRZ数据。
控制区段112A-112D包括启用对从分接头103A-103C接收的CW激光信号的调制的电子电路。高速光学调制器105A-105D需要高速电信号来调制例如马赫曾德尔干涉器(MZI)的相应分支中的折射率。驱动MZI所需的电压摆动是CMOS芯片130中的显著功率耗用。因此，如果用于驱动调制器的电信号可分为若干域，其中每一域穿越较低电压摆动，那么功率效率增加。
在本发明的实施例中，收发器所需的所有光学、电和光电子装置连同耦合的激光源的集成启用单一芯片上多个光电子收发器的集成。在示范性实施例中，CMOS芯片130包括四个光电子收发器以及一个光源，且启用垂直地到达和来自芯片表面的光学信号的传送，因此使得能够使用CMOS工艺，包含CMOS保护环，如参看图1B和1C所论述。
图1B是说明根据本发明的实施例的示范性光子启用的CMOS芯片的斜视图的图。参看图1B，展示CMOS芯片130，其包括电子装置/电路131、光学和光电子装置133、光源接口135、CMOS芯片表面137、光纤接口139和CMOS保护环141。
光源接口135和光纤接口139包括与如同常规边缘发射装置的芯片的边缘相反，启用经由CMOS芯片表面137的光信号的耦合的光栅耦合器。经由CMOS芯片表面137耦合光信号使得能够使用CMOS保护环141，所述CMOS保护环141机械上保护芯片且防止污染物经由芯片边缘进入。
电子装置/电路131包括例如参看图1A描述的TIA/LA 107A-107D以及模拟和数字控制电路109等电路。光学和光电子装置133包括例如分接头103A-103K、光学终端115A-115D、光栅耦合器117A-117H、高速光学调制器105A-105D、高速光电二极管111A-111D以及监视器光电二极管113A-113H等装置。
图1C是说明根据本发明的实施例的耦合到光纤电缆的示范性CMOS芯片的图。参看图1C，展示CMOS芯片130，其包括电子装置/电路131、光学和光电子装置133、CMOS芯片表面137和CMOS保护环141。还展示光纤到芯片耦合器143、光纤电缆145和光源模块147。
包括电子装置/电路131、光学和光电子装置133、CMOS芯片表面137和CMOS保护环141的CMOS芯片130可如参看图1B所描述。
在本发明的实施例中，光纤电缆可经由例如环氧树脂而附着到CMOS芯片表面137。光纤芯片耦合器143启用光纤电缆145到CMOS芯片130的物理耦合。
光源模块147可经由例如环氧树脂或焊料附着到CMOS芯片表面137。以此方式，高功率光源可与单一CMOS芯片上的一个或一个以上高速光电子收发器的光电子和电子功能性集成。
图2A是根据本发明的实施例的示范性分离域马赫曾德尔调制器的框图。参看图2A，展示分离域马赫曾德尔调制器(MZM)250，其包括发射线驱动器209、波导211、发射线213A-213D、二极管驱动器215A-215H、二极管219A-219D，以及发射线终端电阻器RTL1-RTL4。还展示电压电平Vdd、Vd和Gnd。在本发明的实施例中，Vd等于电压Vdd/2，因此由于堆叠电路的对称性质的缘故而产生两个电压域。然而，本发明不限于两个电压域。因此，可依据每一域的所需的电压摆动和总电压范围(此处定义为Vdd到接地)而利用任何数目的电压域。类似地，每一电压域中的电压范围的量值可以是与其它域不同的值。
发射线(T线)驱动器209包括用于在偶数耦合模式中驱动发射线的电路，其中除了DC偏移外，每一对发射线上的信号相等。以此方式，两个或两个以上电压域可用于驱动产生MZM 250的相应分支中的指数变化的二极管。在本发明的另一实施例中，T线驱动器209可在奇数耦合模式中驱动发射线。偶数耦合模式可导致发射线中较高的阻抗，而奇数耦合可导致较低的阻抗。
波导211包括MZM 250的光学组件且启用围绕CMOS芯片130的光学信号的路由。波导211包括通过CMOS制造工艺形成的硅和二氧化硅，其利用Si与SiO2之间的折射率差来限制波导211中的光学模式。发射线终端电阻器RTL1-RTL4启用到T线213A-213D的阻抗匹配和因此减少的反射。
二极管驱动器215A-215H包括用于驱动二极管219A-219D的电路，借此在波导211中局部地改变折射率。此指数改变又改变波导211中的光学模式的速率，使得当波导在驱动器电路之后再次合并时，光学信号相长或相消地干涉，因此调制激光输入信号。通过以差动信号驱动二极管219A-219D，其中在二极管的每一端子处驱动信号(与一个端子连接到AC接地相反)，可由于每一域中需要的减少的电压摆动而增加功率效率和带宽两者。
在操作中，CW光学信号耦合到“激光输入”中，且调制差动电信号传送到T线驱动器209。T线驱动器209产生互补电信号以在T线213A-213D上传送，其中每一对信号偏移一DC电平以使每一二极管驱动器215A-215H的电压摆动最小化，同时仍启用跨越二极管219A-219D的完全电压摆动。
使二极管219A-219D反向偏压修改了耗尽区的宽度，从而调制与光学模式的载流子密度重叠，以及因此传播穿过波导213A-213D的光学信号的速度。光学信号接着相长或相消地干涉，从而导致“经调制光”信号。
在本发明的实施例中，MZM 250集成在芯片130上，从而启用单一CMOS芯片上一个或一个以上收发器的集成，而常规收发器利用离散的光学、电和光电子装置及芯片。通过将光电子收发器集成在单一芯片上，可大大减少功率和空间要求。
图2B是根据本发明的实施例的示范性相位调制器的横截面示意图。参看图2B，展示PIN相位调制器260和热相位调制器(TPM)270。PIN相位调制器260包括n区251、本征区253、p区255、n+区257、p+区259，以及触点261A和261B。TPM 270包括n区251A和251B、n-区263、n+区257A和257B，以及接触层261A和261B。
n区251包括n型硅区以界定PIN结的n侧。本征区253包括无意掺杂硅区，其形成PIN结的i区。p区255包括p掺杂硅，其形成PIN结的p区。n+区257和p+区259包括低电阻率掺杂硅以启用与包括p区255、本征区253和n区251的PIN二极管的欧姆接触。接触层261A和261B包括金属或其它低电阻率材料以启用与下伏半导体材料的欧姆接触。
n区251A和251B包括n型硅区以界定n/n-/n电阻性装置的n侧。n-区263可包括低n掺杂硅区以提供电阻性结构。n+区257A和257B包括高掺杂n型硅以启用与较低n掺杂材料的欧姆接触。接触层261A和261B包括金属或其它低电阻率材料以启用与下伏半导体材料的欧姆接触。
在操作中，PIN相位调制器260性能可由施加到触点261A和261B的电信号控制。在高速应用中，PIN相位调制器260可被反向偏压，其修改耗尽区的宽度，从而调制与光学模式的载流子密度重叠，以及因此传播穿过PIN相位调制器260的光学模式的速度。或者，对于较低速度应用，PIN相位调制器260可针对载流子注入模式而正向偏压，从而再次影响传播穿过PIN相位调制器260的模式的折射率。此模式可展现出非常高的效率，但还展现出高动态损失。
在本发明的另一实施例中，PIN相位调制器260可通过使所述结构正向偏压而用作可变光学衰减器，从而导致增加的光学模式损失。
TPM 270可通过使电流流动穿过n区251A和251B以及n-区263界定的电阻器而调制光学信号、光学模式，借此提供电损失以及因此局部加热。此加热改变基本上由TPM270的n-区界定的波导的折射率。此结构可展现出相对低的效率，但还展现出低动态损失。
图3是根据本发明的实施例的示范性光子启用的工艺流程的框图。参看图3，展示光子启用的工艺流程300，其包括初始CMOS工艺320、浅沟槽模块303、定制植入模块307、源极/漏极植入模块313、阻塞硅化模块315、锗模块317，以及数据处理模块323。
初始CMOS工艺包括工艺流程步骤的开始301、深沟槽模块305、阱模块309、栅极模块311、后端金属模块319，以及晶片产出(wafers out)步骤321。
光子启用的工艺流程以具有对于光学工艺的适当氧化物厚度的定制SOI衬底被插入到工艺流程步骤的开始301中而开始，所述工艺可包括适宜的晶片制备工艺，例如分类、清洁或质量控制。晶片接着前进到浅沟槽模块303，用于界定并蚀刻浅沟槽。浅沟槽模块303可包括例如光刻、蚀刻、填充和化学-机械抛光(CMP)，之后是深沟槽模块305，其包括常规CMOS沟槽模块。
阱模块309包括光刻步骤和掺杂剂离子植入以界定用于CMOS装置的阱。定制植入模块307可插入到阱模块309中，以界定例如特定针对光电子装置的掺杂区。晶片接着前进到栅极模块311以经由例如光刻、蚀刻、修整、间隔件和植入物来界定CMOS栅极。源极和漏极植入可在前进到阻塞硅化模块315之前由源极/漏极植入模块313执行。
硅化模块315在用于金属触点的硅表面中产生自对准硅化物层，其后是锗模块317，所述锗模块317可在SOI硅晶片上为集成的光电检测器沉积锗。在本发明的实施例中，锗工艺可为完全CMOS兼容的。晶片接着前进到后端金属模块319，其包括例如6金属低k铜工艺，之后是晶片产出步骤321。
在本发明的示范性实施例中，CMOS工艺流程包括用于集成导向波光学元件的0.13微米CMOS SOI技术平台。光刻工艺包括深UV技术以实现近IR光学元件能力，且高电阻率衬底可实现电路中的低微波损失。定制步骤可用于标准工具中，且包括硅蚀刻和注入、锗外延生长，且可利用标准触点模块。这些工艺可以是遵从热预算的，且不需要后处理。
图4是根据本发明的实施例的示范性集成的电和光电子装置的横截面。参看图4，展示集成的半导体结构400，其包括晶体管410和调制器420以及相关联的层。所述层用于制造晶体管410和调制器420以例如隔离装置和提供到装置的电连接。
集成的半导体结构400包括硅衬底401、掩埋氧化物403、场氧化物405、接触层415、金属1层417、通路1层419、金属2层421、最终金属层423、钝化层425，以及金属盖427。金属1层417、金属2层421、最终金属层和金属盖427提供层之间以及到电和光电子装置(例如，晶体管410和调制器420)的电触点。通路1层419和接触层415也启用到装置的电触点，同时通过在传导通路之间并入绝缘材料而提供装置之间的电隔离。
晶体管410包括阱407、分别漏极和源极植入层429A和429B、栅极431，以及钝化层433。阱区407是通过形成具有与阱外部的区的掺杂相反的掺杂的层而使互补装置能够集成在相同衬底上的掺杂硅层。以此方式，在其中阱为n掺杂的例子中，源极和漏极植入层429A和429B可包括例如p掺杂硅。
栅极431可包括例如金属或多晶硅，其可通过薄氧化物层(未图示)与阱407隔离。栅极可由钝化层433钝化，所述钝化层433可提供例如与其它金属层的电隔离。
调制器420包括p区409、n区411、硅化物阻塞区(salicide block)413和经蚀刻区439。硅化物阻塞区413包括一材料层以防止调制器420和其它光学装置的硅在标准CMOS工艺期间硅化。如果光学装置中的硅硅化，那么将导致较大光学损失。另外，硅化物阻塞区413阻塞不想要的植入物进入波导和其它光学装置中(其也将导致不想要的损失)。
图5是说明根据本发明的实施例的示范性锗光电二极管的横截面的图。参看图5，展示锗同质结光电二极管500和锗单异质结(SH)波导光电二极管520。锗同质结波导光电二极管500包括硅衬底501A、Ge层503A、p掺杂Ge(p-Ge)层505、n掺杂Ge(n-Ge)层507、阳极触点513A，以及阴极触点515A。阳极触点513A以及阴极触点515A可包括启用到同质结波导光电二极管500的电触点的金属或其它传导材料。p-Ge层505、Ge层503A和n-Ge层507包括可经启用以检测光学信号并产生电输出信号的同质结二极管。
SH光电二极管520包括硅衬底501B、Ge层503B、p-Ge层509、n掺杂硅(n-Si)层511、阳极触点513B，以及阴极触点515B。p-Ge层509、Ge层503B、Si衬底501B和n-Si层511包括可经启用以检测光学信号并产生电输出信号的单异质结二极管。异质结光电二极管可展示出比同质结装置低的暗电流，且波导检测器可由于与垂直光电二极管相比在横向方向上增加的吸收长度而实现较高的量子效率。在本发明的另一实施例中，光电二极管可包括由两个Si-Ge结界定的双异质结光电二极管。在本发明的实施例中，一个或一个以上Ge波导光电二极管可集成在例如参看图1A-1C描述的CMOS芯片130的CMOS芯片中，从而启用所述芯片上一个或一个以上光电子收发器的集成。
图6是说明根据本发明的实施例的示范性光栅耦合器的图。参看图6，展示光栅耦合器600，其包括Si衬底601、掩埋氧化物603、波导层605、电介质堆叠607、光栅609、光学模式611、发射光学模式613和反射光学模式615。例如光栅耦合器600等多个光栅耦合器可集成在参看图1A-1C描述的芯片130中。
波导层605包括例如硅层，其支持可从芯片130中的其它光学和/或光电子装置传送的光学模式611。光栅609包括交替电介质常数材料的图案，其经配置以将光学模式613经由电介质堆叠607发射出芯片130的表面。电介质堆叠607可经配置以启用经散射光学信号以与垂线所成的角度离开顶部表面的发射。
在操作中，光学模式611可经由光栅耦合器600散射出芯片130的顶部表面。在示范性实施例中，损失耦合可为例如1.5dB或更低，且可启用晶片级测试。在本发明的实施例中，光栅耦合器可启用横向和纵向20倍模式大小转换。
图7是说明根据本发明的实施例的示范性光学装置的图。参看图7，展示光栅耦合器700、波导弯头710、Y结720、波导终端730、定向耦合器740、偏振分离光栅耦合器750、波导760，以及波导锥形770。光栅耦合器700可大体类似于参看图6描述的光栅耦合器600。
波导760包括硅波导，其可经启用以以最小光学损失传送光学模式。波导760可包括单一模式波导或多模式波导。单一模式波导可具有较高传播损失，但可启用具有20微米半径的紧密弯头(例如，波导弯头710)或圆环。多模式波导可具有较低损失，且因此可用于在较大距离上传送光学信号。
Y结720可包括分为两个单独波导的波导，因此启用信号分离和/或信号组合。Y结720可为波长和制造不敏感的。定向耦合器740可包括两个光学波导，其会聚为分开较小距离，且接着再次发散，因此启用光学信号的耦合和/或分离。波导之间的最小间隔可确定定向耦合器的耦合效率。
波导终端730包括包含光栅/金属/Ge结构的吸收光栅结构，其制造于邻近于波导锥形(例如，波导锥形770)的波导上。制造于锥形波导上的光栅可吸收行进到波导终端730中的光学模式，因此减弱经反射的光学信号(其可使性能降级)。
偏振分离光栅耦合器(PSGC)750可启用传入光信号的耦合并产生传送到芯片上的其它光学组件的两个输出信号。PSGC 750可将传入光学信号分离为相同TE波导模式中的两个正交输出信号。输入/输出包括任何偏振，且可启用简单的偏振-分集方案。
图8是说明根据本发明的实施例的示范性波导雪崩光电二极管的图。参看图8，展示集成在CMOS芯片(例如，参看图1A-1C描述的CMOS芯片130)上的锗波导雪崩光电二极管(Ge WG-APD)800。Ge WGAPD 800可制造于硅衬底801和掩埋氧化物层803上。Ge WG-APD 800包括Si层805、Ge层807、p掺杂Ge(p-Ge)层809、n掺杂硅(n-Si)层811A和811B、硅化Si层813A和813B、阳极815、阴极817A和817B、光学模式819，以及雪崩区821。
硅化Si层813A和813B包括已硅化以启用到下伏较低或未掺杂Si层805的良好电接触的硅层。雪崩区821包括由Ge层807以及n-Si层811A和811B界定的高电区。
在操作中，光学模式819可大体限于Ge层807且可被吸收从而形成电子-空穴对。通过越过阳极和阴极施加较大反向偏压而产生的电场使载流子分离。在适当偏压的情况下，雪崩区821中的电场可足够高以启始雪崩过程，从而将光生载流子的数目乘以乘数M，其可导致比PIN光电二极管高的响应率。
图9是说明根据本发明的实施例的示范性光源组合件的图。参看图9，展示光源组合件900，其包括光具座901、激光器装配台903、激光器二极管905、球透镜907、光学隔离器909、镜面元件911、底部结合垫913、顶部接触垫915、硼硅酸玻璃/石英罩917，以及支撑环919。
在本发明的实施例中，硼硅酸玻璃/石英罩917包括可在任一方向上定向的硼硅酸玻璃/石英堆叠，其中硼硅酸玻璃或石英在顶部上，且启用光学组件的气密封以改进装置寿命。光学隔离器909可启用回到激光器二极管905的经反射信号的减少。在本发明的替代实施例中，光学隔离器包括法拉弟旋转器。
光具座901包括例如硅光具座，且经显微机械加工和/或蚀刻以包括凹进特征来附着例如隔离器909和球透镜907等装置。包括例如经蚀刻硅的支撑环919提供结合硼硅酸玻璃/石英罩917和光具座910的气密封。镜面元件911可包括沉积在支撑环919上的反射表面。在本发明的另一实施例中，镜面元件911可通过蚀刻和/或抛光支撑环919的表面来制造。在本发明的实施例中，支撑环包括硅，其可例如通过各向异性蚀刻而经显微机械加工以形成镜面元件911的光学反射表面。
激光器二极管905包括例如边缘发射半导体激光器，且可经启用以发射具有所需波长的光学信号。激光器装配台903为激光器二极管905提供机械支撑和散热能力。球透镜907将激光器二极管905产生的光学信号聚焦到隔离器909上。
在本发明的实施例中，通过将电和光学接口集成在晶片的相同侧上，可启用激光器封装的晶片级光纤耦合测试。底部侧垫促进附接到CMOS裸片之后的线结合，所述CMOS裸片可耦合到光输出(Light Out)光学信号出现的一侧。隔膜可并入到硅座中，或者一个或一个以上热敏电阻可作为密封性传感器制造于封装中。
在操作中，光学信号可由激光器二极管905产生，其由球透镜907聚焦和/或准直到隔离器909上。光信号接着经由镜面元件911反射出光源组合件900，从而产生光输出。
在本发明的实施例中，揭示用于经由CMOS芯片130的顶部表面上的光栅耦合器从一个或一个以上光纤接收光学信号的方法和系统。光学信号可经由集成在CMOS芯片130中或上的一个或一个以上光电检测器111A-111D而转换为电信号。可使用CMOS芯片中的电路107A-107D/109来处理电信号。可经由CMOS芯片130的顶部表面137上的光栅耦合器从激光源147接收连续波(CW)光学信号，且可经由集成在CMOS芯片130中或上的一个或一个以上光学调制器105A-105D对所述CW光学信号进行调制。可经由CMOS芯片130中的电路来接收电信号，且所述电信号可驱动所述一个或一个以上光学调制器105A-105D。经调制的光学信号可经由集成在CMOS芯片130中或上的一个或一个以上光栅耦合器117E-117H传送出CMOS芯片130的顶部表面137而进入一个或一个以上光纤。所接收的CW光学信号可使用马赫曾德尔调制器和/或环形调制器来调制。CMOS芯片130可包括CMOS保护环141。所接收的光学信号可经由波导在CMOS芯片上的装置之间传送。所述一个或一个以上光电检测器111A-111D/113A-113H可包括例如锗波导光电二极管、锗波导雪崩光电二极管和/或异质结二极管。所述CW光学信号可经由例如可结合到CMOS芯片130的顶部表面137的边缘发射半导体激光器和/或垂直腔表面发射半导体激光器产生。所述一个或一个以上调制器105A-105D可使用CMOS芯片130上的电路来驱动。
虽然已参考某些实施例描述本发明，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的范围的情况下可作出各种变化且等效物可进行替代。另外，根据本发明的教示在不脱离其范围的情况下，可作出许多修改以适应特定情形或材料。因此，希望本发明不限于所揭示的特定实施例，而是本发明将包含落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种处理信号的方法，所述方法包括：
在CMOS芯片中，
经由所述CMOS芯片的顶部表面上的光栅耦合器从一个或一个以上光纤接收光学信号；
经由集成在所述CMOS芯片中的一个或一个以上光电检测器将所述光学信号转换为电信号；
使用所述CMOS芯片中的电路来处理所述电信号；
经由所述CMOS芯片的所述顶部表面上的光栅耦合器从激光源接收连续波(CW)光学信号；
使用集成在所述CMOS芯片中的一个或一个以上光学调制器对所接收的CW光学信号进行调制；
从所述CMOS芯片中的电路接收电信号；
使用所述接收的电信号驱动所述一个或一个以上光学调制器；以及
经由集成在所述CMOS芯片中的一个或一个以上光栅耦合器将所述经调制的光学信号传送出所述CMOS芯片的所述顶部表面而进入一个或一个以上光纤中。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括使用马赫曾德尔调制器对所述所接收的CW光学信号进行调制。
3.根据权利要求1所述的方法，其包括使用环形调制器对所述所接收的CW光学信号进行调制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述CMOS芯片包括CMOS保护环。
5.根据权利要求1所述的方法，其包括经由波导在所述CMOS芯片上的装置之间传送所述接收的光学信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或一个以上光电检测器包括锗波导光电二极管。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述其中所述一个或一个以上光电检测器包括锗波导雪崩光电二极管。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述其中所述一个或一个以上光电检测器包括异质结二极管。
9.根据权利要求1所述的方法，其包括使用边缘发射半导体激光器产生所述CW光学信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其包括使用垂直腔表面发射半导体激光器产生所述CW光学信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光源结合到所述CMOS芯片的所述顶部表面。
12.一种用于处理信号的系统，所述系统包括：
CMOS芯片，其包括：
一个或一个以上光栅耦合器，其在所述CMOS芯片的顶部表面上且经启用以从一个或一个以上光纤接收光学信号；
一个或一个以上光电检测器，其集成在所述CMOS芯片中且经启用以将所述接收的光学信号转换为电信号；
一个或一个以上电路，其集成在所述CMOS芯片中且经启用以处理所述电信号；
一个或一个以上光栅耦合器，其在所述CMOS芯片的所述顶部表面上且经启用以从激光源接收连续波(CW)光学信号；
一个或一个以上光学调制器，其集成在所述CMOS芯片中且经启用以对所接收的CW光学信号进行调制；
一个或一个以上电路，其集成在所述CMOS芯片中且经启用以接收电信号并使用所述接收的电信号驱动所述一个或一个以上光学调制器；以及
一个或一个以上光栅耦合器，其集成在所述CMOS芯片中且经启用以将所述经调制的光学信号传送出所述CMOS芯片的所述顶部表面而进入一个或一个以上光纤中。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述光学调制器包括马赫曾德尔调制器。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述光学调制器包括环形调制器。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述CMOS芯片包括CMOS保护环。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述接收的光学信号使用波导在所述CMOS芯片上的装置之间传送。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述一个或一个以上光电检测器包括锗波导光电二极管。
18.根据权利要求12所述的系统，其中所述其中所述一个或一个以上光电检测器包括锗波导雪崩光电二极管。
19.根据权利要求12所述的系统，其中所述其中所述一个或一个以上光电检测器包括异质结二极管。
20.根据权利要求12所述的系统，其中所述激光源是边缘发射半导体激光器。
21.根据权利要求12所述的系统，其中所述激光源是垂直腔表面发射半导体激光器。
22.根据权利要求12所述的系统，其中所述激光源结合到所述CMOS芯片的所述顶部表面。
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