CN101995616B - 全硅基材料多通道光收发模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光互连技术领域，公开了一种全硅基材料多通道光收发模块，包括光发射部分和光接收部分，其中光发射部分包括多个光发射单元、波分复用器和第二光耦合器，每个光发射单元包括光调制器、光调制器匹配网络、第一光耦合器和第一光波导；光接收部分包括多个光接收单元、波分解复用器及光耦合器。每个光接收单元由光电探测器、光电探测器匹配网络和第二光波导构成。本发明的优点是所有元件均采用硅基材料制备，可高度集成化，小型化，适合于片间及片内光互连的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光互连技术领域，尤其是一种全硅基材料多通道光收发模块。
背景技术
伴随着数字化的进程，数据的处理、存储和传输得到了飞速的发展。高带宽的需求使得短距互联成了系统发展的瓶颈。受损耗和串扰等因素的影响，基于铜线的电互联的高带宽情况下的传输距离受到了限制，成本也随之上升。而且过多的电缆也会增加系统的重量和布线的复杂度。与电互连相比，光互连具有高带宽、低损耗、无串扰和匹配及电磁兼容等问题，而开始广泛地应用于机柜间、框架间和板间的高速互连。光互连是一种利用各种光传输介质把计算机系统内各部件或各子系统连接起来并通过光来高速传递信息的技术。从光互连所用的传输介质来看，主要有光纤互连、波导互连及自由空间光互连的技术，从光互连在计算机系统结构中所处的层次来看.它可以在计算机与计算机、背板与背板、芯片与芯片之间等不同层次实现光互连。光作为信息载波，具有独立传播、无接触连接、极高时空带宽积、极高密度(或体积小、重量轻).等光程、低延迟、低功耗、I/O能力强及抗电磁场干扰等诸多优点。目前的光互连模块基本上都应用于中远距离互连及板-板通信，采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光电探测器构成。然而，随着集成电路之间及集成电路内部对互连需求的增长，上述方案的缺点也十分明显，主要在于VCSEL在集成电路内部的高温环境下的热稳定性极差，同时所使用的材料也与硅集成电路的材料不兼容，不能采用微电子工艺批量生产，成本居高不下。本发明全硅基材料多通道光收发模块，具有与微电子工艺兼容，可以批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，尤其适合于集成电路间及集成电路内部的光互连。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提出一种全硅基材料多通道光收发模块，具有与微电子工艺兼容，可以批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，尤其适合于集成电路间及集成电路内部的光互连。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种全硅基材料多通道光收发模块，该模块包括：
一光发射部分1，该光发射部分1包括：
多个光发射单元11，每个光发射单元11包括：
一光调制器101；
一光调制器匹配网络102；
一第一光耦合器103；以及
一第一光波导(105、106)；
一波分复用器12；以及
一第二光耦合器13；
一光接收部分2，该光接收部分2包括：
多个光接收单元21，每个光接收单元21包括：
一光电探测器201；
一光电探测器匹配网络203；
一第二光波导204；
一波分解复用器22；以及
一第三光耦合器23；
其中，在光发射部分1，每个发射单元11的第一光耦合器103将外界光信号耦合进入第一光波导105，第一光波导105与光调制器101相连，电信息通过光调制器匹配网络102加载至光调制器101，光调制器101将电信息转化为光信息，多个光发射单元并通过第一光波导106输入波分复用器12，复用后的光信号通过第二光耦合器13耦合入光纤进行传输，在光接收部分，第三光耦合器23将光纤中的光信息耦合入波分解复用器22，波分解复用器22与每个光接收单元21的第二光波导204相连，光电探测器201将第二光波导204输入的光进行光电转换，转换后的电信号经光电探测器匹配网络203输出。
上述方案中，所述硅基材料是绝缘体上的硅SOI材料，或者是体硅材料，或者是硅衬底上的化合物半导体材料。
上述方案中，所述光调制器101是电光调制器，或者是热光调制器，或者是微机械调制器，用于完成电信息与光信息的转换，将在电信息的作用下对经由第一光波导105输入的光进行调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调制器101的输出端通过第一光波导106输入至波分复用器12。
上述方案中，所述光调制器匹配网络102用于作为光调制器101与电学驱动信号的接口，完成光调制器101与外界电传输网络的阻抗匹配及输入信号整形。
上述方案中，所述第一光耦合器103、第二光耦合器13和第三光耦合器23是光栅耦合器，或者是锥形耦合器，或者是微镜耦合器。
上述方案中，所述第一光耦合器103用于将光纤中的光高效耦合进入第一光波导105中进行传输。
上述方案中，所述第一光波导(105、106)和第二光波导204是硅光波导，或者是硅衬底上的化合物光波导，或者是硅衬底上的聚合物光波导。
上述方案中，所述的光电探测器201是硅探测器，或者是化合物半导体探测器。
上述方案中，所述波分复用器12是硅波分复用器，或者是硅衬底上的化合物波分复用器，或者是聚合物波分复用器。
上述方案中，所述波分解复用器22是硅波分解复用器，或者是硅衬底上的化合物波分解复用器，或者是聚合物波分解复用器。
(三)有益效果
本发明提供的这种全硅基材料多通道光收发模块，在硅平台上充分发挥微电子工艺技术成熟、可以批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，在硅基平台上，采用CMOS集成工艺，一次性制备波分复用器、波分解复用器、光耦合器、光调制器、光波导、光调制器与光电探测器匹配网络、光探测器等元件，集成度高，适合于集成电路间及集成电路内部的光互连。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明提供的全硅基材料多通道光收发模块的方框图。
图2是本发明提供的全硅基材料多通道光收发模块光发射单元和光接收单元的原理示意图。
图3是本发明应用于集成电路间互连的原理示意图。
图4是本发明应用于集成电路内部互连的示意图。
附图标记说明
光发射部分 1
光接收部分 2
光发射单元 11
波分复用器 12
第二光耦合器 13
光调制器 101
光调制器匹配网络 102
第一光耦合器 103
第一光波导 105、106
光接收单元 21
波分解复用器 22
第三光耦合器 23
光电探测器 201
光电探测器匹配网络 203
第二光波导 204
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的这种全硅基材料多通道光收发模块包括光发射部分1和光接收部分2，光发射部分1包括多个光发射单元11及波分复用器12和第二光耦合器13；光接收部分2包括多个光接收单元21、波分解复用器22及第三光耦合器23。
图2是本发明全硅基材料多通道光收发模块光发射单元和光接收单元的原理示意图。每个光发射单元11包括光调制器101、光调制器匹配网络102、第一光耦合器103和光波导(105、106)；每个光接收单元21由光电探测器201、光电探测器匹配网络203和第二光波导204构成。在光发射单元11，利用一恒定的激光器或发光二级光器件作为外界光信号，此信号光通过光纤通路连接到每个发射单元11的光耦合器103，光耦合器103是光栅耦合器、锥形耦合器或微镜耦合器，其作用是将光纤中的光高效耦合进入第一光波导105中传输，第一光波导105与光调制器101相连，电信息通过光调制器匹配网络102加载至光调制器101，匹配网络102的主要作用是作为光调制器101与电学驱动信号的接口，完成光调制器101与外界电传输网络的阻抗匹配及输入信号整形；光调制器101可以是硅或硅基材料的电光、热光、微机械调制器，其主要作用是完成电信息与光信息的转换；光调制器101将在电信息的作用下对经由第一光波导105输入的光进行调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调制器101的输出端通过光波导106输入波分复用器12；在光接收单元，光电探测器201将第二光波导204输入的光进行光电转换，光电探测器201可以是硅PIN结构光电探测器或是硅基结构上其他材料如SiGe、Ge、InP、GaAS等化合物半导体材料探测器；光转换后的电信号经光电探测器匹配网络203输出。
图3是本发明应用于集成电路间互连的原理示意图。集成电路的多路输出数据作为每个光发射单元光调制器的驱动信号，多路数据经复用后通过两光纤传输到另一集成电路的接收部分，波分解复用后经接收单元转换为另一集成可接收的电信号。
图4是本发明应用于集成电路内部互连的示意图。集成电路内部两个不同模块之间，分别集成硅基多通道光收发模块，通过波导实现光路通路，两个多通道光收发模块可以集成在一起，制成光收发芯片，同理，可以将更多功能的多通道收发模块集成在一起制备光收发芯片。
综上所述，本发明全硅基材料多通道光收发模块至少具有以下优点：
1、本发明全硅基材料多通道光收发模块所采用器件的工艺均简单且易于实现，成本低廉，合格率高。
2、本发明全硅基材料多通道光收发模块均采用了硅基材料或与硅基工艺兼容的材料，集成度高，适合于短距离及甚短距离光互连。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种全硅基材料多通道光收发模块，该模块包括：
一光发射部分(1)，该光发射部分(1)包括：
多个光发射单元(11)，每个光发射单元(11)包括：
一光调制器(101)；
一光调制器匹配网络(102)；
一第一光耦合器(103)；以及
一第一光波导(105)和一第一′光波导(106)；
一波分复用器(12)；以及
一第二光耦合器(13)；
一光接收部分(2)，该光接收部分(2)包括：
多个光接收单元(21)，每个光接收单元(21)包括：
一光电探测器(201)；
一光电探测器匹配网络(203)；
一第二光波导(204)；
一波分解复用器(22)；以及
一第三光耦合器(23)；
其中，在光发射部分(1)，每个发射单元(11)的第一光耦合器(103)将外界光信号耦合进入第一光波导(105)，第一光波导(105)与光调制器(101)相连，电信息通过光调制器匹配网络(102)加载至光调制器(101)，光调制器(101)将电信息转化为光信息，多个光发射单元并通过第一′光波导(106)输入波分复用器(12)，复用后的光信号通过第二光耦合器(13)耦合入光纤进行传输，在光接收部分，第三光耦合器(23)将光纤中的光信息耦合入波分解复用器(22)，波分解复用器(22)与每个光接收单元(21)的第二光波导(204)相连，光电探测器(201)将第二光波导(204)输入的光进行光电转换，转换后的电信号经光电探测器匹配网络(203)输出；
所述光调制器(101)用于完成电信息与光信息的转换，将在电信息的作用下对经由第一光波导(105)输入的光进行调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调制器(101)的输出端通过第一′光波导(106)输入至波分复用器(12)；
所述光调制器匹配网络(102)用于作为光调制器(101)与电学驱动信号的接口，完成光调制器(101)与外界电传输网络的阻抗匹配及输入信号整形。
2.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述硅基材料是绝缘体上的硅SOI材料，或者是体硅材料，或者是硅衬底上的化合物半导体材料。
3.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述光调制器(101)是电光调制器，或者是热光调制器，或者是微机械调制器。
4.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述第一光耦合器(103)、第二光耦合器(13)和第三光耦合器(23)是光栅耦合器，或者是锥形耦合器，或者是微镜耦合器。
5.根据权利要求4所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述第一光耦合器(103)用于将光纤中的光耦合进入第一光波导(105)中进行传输。
6.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述第一光波导(105)、第一′光波导(106)和第二光波导(204)是硅光波导，或者是硅衬底上的化合物光波导，或者是硅衬底上的聚合物光波导。
7.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述的光电探测器(201)是硅探测器，或者是化合物半导体探测器。
8.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述波分复用器(12)是硅波分复用器，或者是硅衬底上的化合物波分复用器，或者是聚合物波分复用器。
9.根据权利要求1所述的全硅基材料多通道光收发模块，其特征是，所述波分解复用器(22)是硅波分解复用器，或者是硅衬底上的化合物波分解复用器，或者是聚合物波分解复用器。
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