CN102906632B - 集成光子应用的具有电感负载的传输线 - Google Patents

Abstract

一种传输线（304），包括形成电路径（203）的多个区段以及通过所述区段的连续光学波导（205）。多个分离电感器（102）被形成在相邻区段之间并连接所述相邻区段。所述电感器（102）被形成在集成电路的多个金属层中，以便平衡包含在所述光学波导（205）上形成的所述传输线（304）的光学调制器的电容，由此获得所述传输线的预定特征阻抗。使用延迟锁定回路（305）控制变容器（302）以匹配光学信号和电信号的延迟。可以使用光学波导区段（210）来匹配所述延迟。

Description

集成光子应用的具有电感负载的传输线

技术领域

本发明一般地涉及用于集成光子应用的传输线。

背景技术

超高速光学调制器(例如，大于20千兆字节/秒)经常被实施为行进波(Traveling Wave，TW)结构。TW配置试图分散长调制器的电容，以便其将合理的特征阻抗（而非庞大的集总电容）提供给驱动器电路。TW配置试图使沿着电极行进的微波调制信号的速度匹配同样沿着所述电极行进的被调制的光波。

理想的无损耗传输线被设计成具有特征阻抗(Z_0U)及微波速度(V_pU)，两者皆高于传输线无负载时的最终有负载设计目标(Z_0L，V_pL)。本文中，无负载意味着传输线并未接触包含光学信号的波导。无负载条件的理想无损耗传输线公式包括：

$Z_{0U}=\sqrt{\frac{L}{C_U}},$ $v_{\mathrm{pU}}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{LC}}_U}},$ $n_{\mathrm{pU}}=\frac{c}{v_p}=c\sqrt{{\mathrm{LC}}_U}$

有负载条件的理想无损耗传输线公式包括：

$Z_{0L}=\sqrt{\frac{L}{C_U+C_L}},$ $v_{\mathrm{pL}}=\frac{1}{\sqrt{L(C_U+C_L}},$ $n_{\mathrm{pL}}=\frac{c}{v_p}=c\sqrt{L(C_U+C_L}$

其中Z为阻抗，v为速度，L为电感，C为电容，c为光速，而n为折射率。

负载因数是负载接触元件的总长度与总调制器长度的比例。有源负载元件中的每一个都会增加电容，其会降低特征阻抗和微波速度。要最大化无负载传输线的阻抗与速度很困难。典型半导体光学调制器中的有源光学波导的每个单位长度具有高电容。低无负载特征阻抗和速度结合以高容性负载元件会转变成超低负载因数(10-50%)。这使得难以既要使TW调制器的最终有负载特征阻抗达到50欧姆，同时又与光学信号产生合理的速度匹配。低负载因数意味着调制器的空间效率不佳，也就是说，大部分的调制器物理长度并未用于光学调制。

此外，调制器中没有用于调制的无源部分会增加光学损耗。进而，微波调制信号在其必须沿着较长电极行进时会产生额外的欧姆损耗。有损耗传输线的常见问题是线路的阻抗为频率的函数，并且这会造成失真。

发明内容

根据一个方面，提供了一种传输线及其实施方法，所述传输线包括形成电路径的多个区段以及通过所述区段的连续光学路径。分离电感器被形成在相邻区段之间并连接所述相邻区段。所述电感器被形成在集成电路的多个金属层的中，用以平衡包含所述传输线的光学调制器的电容，以便获得所述传输线的特征阻抗。

在第二方面中，提供了一种传输线，其包括具有连续电路径的多个区段以及通过所述区段的连续光学路径。分离电感器被形成在相邻区段之间并连接所述相邻区段。所述电感器被形成在集成电路的多个金属层中，用以平衡包括所述传输线的光学调制器的电容，以便获得所述传输线的特征阻抗。延迟机构被配置为匹配在电路径上行进的电信号和在光学路径上行进的光学信号之间的相位，以便实现工作带宽。

提供了一种用于实施宽带传输线的方法，所述方法包括：通过在宽带传输线的相邻区段之间连接分离电感器来平衡所述传输线的光学调制器的电容，以获得所述传输线的特征阻抗；以及调谐控制电路以匹配在所述传输线中行进的电信号与光学信号之间的速度。

从下面对本发明的示例性实施例的详细说明中，配合附图来阅读，这些与其他特征及优点将是显而易见的。

附图说明

现在将仅通过实例的方式参考附图描述本发明的一个或多个实施例，这些附图是：

图1是示出根据一个示例性实施例的在区段之间具有分离电感器的传输线的示意图；

图2是展示一个示例性实施例的传输线的黑维塞（Heaviside）条件的示意图；

图3是根据另一示例性实施例的具有用于匹配相位的分离电感器和额外波导区段的传输线的示意图；

图4是根据另一示例性实施例的具有用于匹配相位的分离电感器、额外波导区段、延迟锁定回路以及变容器的传输线的示意图；

图5是根据另一示例性实施例的电感器的多层集成电路的截面图；以及

图6是根据一个示例性实施例的用于操作传输线的方块/流程图。

具体实施方式

根据本发明原理，提供一种用于半导体光学调制器的优化的行进波(TW)结构与控制电路。在一个特别实用的实施例中，在具有多个金属层的集成电路工艺(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺)中制造光子调制器(photonic modulator)。本发明的系统与方法的各方面包括：分布式电极，它们利用多金属层电感器来平衡光学调制器电容，以便获得所希望的特征阻抗；低损耗光学延迟线，它们被插入有源调制器区段之间，以减慢被调制的光波并将其速度匹配于电调制信号；以及可调谐控制电路与用以实施该可调谐控制电路的方法，用于将在(例如，光学调制器的)传输线中行进的电调制信号和光学信号进行速度匹配。

下面参考根据本发明各实施例的方法、装置(系统)的流程图和/或方块图描述本发明的各方面。附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、设备和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

应理解，本文虽然利用硅技术以给定的示例性架构来说明本发明；然而，在本发明的范围内，亦可改变其他架构、结构、衬底材料(例如，InP、GaAs、聚合物等)以及工艺特征与步骤。

本文所述的电路可以是集成电路芯片设计的一部分或采用一个或多个集成电路芯片。芯片设计可以使用图形计算机编程语言创建并存储于计算机存储介质（例如，盘、磁带、物理硬驱动器或诸如存储存取网络中的虚拟硬驱动器）中。如果设计者未制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，则设计者通过物理方法（例如，提供存储设计的存储介质的副本）或电子方法（例如，通过互联网）直接或间接地将结果设计传输到此类实体。然后将存储的设计转换为适当的格式（例如，GDSII）以便制造光刻掩模，它通常包括要在晶片上形成的所述芯片设计的多个副本。所述光刻掩模用于限定要蚀刻或要以其他方式处理的晶片（和/或其上的层）的区域。

本文所述的方法可以用来制造集成电路芯片。制造者可以以原始晶片形式（即，作为具有多个未封装芯片的单晶片）、作为裸小片或以封装的形式分发所得到的集成电路芯片。在后者的情况中，以单芯片封装（例如，引线固定到母板的塑料载体或其他更高级别的载体）或多芯片封装（例如，具有一个或两个表面互连或掩埋互连的陶瓷载体）来安装芯片。在任何情况下，所述芯片然后都作为（a）中间产品（如母板）或（b）最终产品的一部分与其他芯片、分离电路元件和/或其他信号处理设备集成。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品，范围从玩具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其他输入设备及中央处理器的高级计算机产品。

现在参考附图，其中相同的数字代表相同或类似的组件，初始参考图1，图中显示出，根据一个实施例，分离低电阻(R)、高电感(L)线圈102被插入传输线104中。传输线104被设计成特征阻抗(Z_0U)及微波速度(V_pU)两者皆高于所述传输线无负载时的最终有负载设计目标(Z_0L，V_pL)。使用长度小于总调制器长度的分离元件102来接触光学波导105，将通过传输线104的有源负载组件达到周期性负载。传输线104包含光学波导105以及电线路103(其通过线圈102)。插入具有高电感L的分离线圈102，以使线104的有效阻抗Z更接近期望值。分离L-C区段106的数量很少，例如，仅足以使所述区段的物理大小保持低于在线104中行进的电信号的波长，使得线104仍有效充当连续传输线。

在一个特别有用的实施例中，线圈102连同多个捆缚在一起的金属层被形成在集成电路中。线圈102可以具有超低串联R值(在高L处)，从而使得线104接近满足黑维塞条件。

参考图2，有损耗传输线的黑维塞条件如下。黑维塞条件(在无失真的传播中)包括：其中R为电阻，G为跨导，L为电感，而C为电容。有损耗传输线的阻抗包括当符合黑维塞条件时，Z和理想线的阻抗相同：图3示出了传输线的微分区段δx的参数δR、δG、δL及δC。

再次参考图1，波导覆盖区中的间隙可保持最小(例如，仅在集成电路设计中受限于金属设计规则)。这会提高调制器效率并减小系统的整体尺寸。电极108利用沿着有源光学调制器的电接点110铺设的分离电感器102在调制器的一个臂中形成分布式电极结构114。电感器102与容性有源光学波导105的组合形成分布式LRC电路。此方式的优点之一在于，电感器102被优化以便控制三个电路参数中的两个，它们包括单位长度的电感及单位长度的电阻。可使用各种建模工具(例如，ASITIC^TM、HFSS^TM、AGILENT^TM、ADS^TM等)来设计和预测电感，并且可利用各层之间的通孔使用捆缚在一起的多层金属层(可在CMOS工艺中提供)来最小化调制器电极的电阻。虽然所述分布式电极中的电感器102的设计将决定所述分布式LRC电路的L与R；但是，单位长度的电容(C)由有源光学波导105的物理大小来设置。电感线圈102优选地包括介于约1皮亨与10纳亨之间的电感而且优选地包括小于50欧姆的串联电阻。

在实际中，这意味着可藉由背景技术段落中提出的等式来达到有负载特征阻抗的目标值，但是，微波速度可能显著慢于光学信号的速度。所述特征阻抗可介于约20与150欧姆之间；然而，亦可采用其他准则。为同步地达到光学信号与电信号之间的匹配，可以在有源光学调制器区段中的每一个区段之间插入分离低损耗光学延迟元件210，如图3中所示。

调制器配置可包含分路器(splitter，未显示)，其将光学输入信号分成多个分支。图1、图3至图4所示的是调制器中具有传输线的单一分支。所述调制器将包含这些分支中的一个或多个，并且所有所述分支皆可能包含或不包含传输线。分路器(未显示)可用于控制一个或多个臂，以便在所述臂之间的光学信号中产生相位差。所述分路信号可被再次合并(例如，利用分支末端处的耦合器(未显示))。因此，如果各臂之间的相位差为180度，则当信号合并在一起时信号会被抵消。如果相位差为0或360度，则在输出处再次提供整个信号。依此方式，调制器可充当光学信号的导通-不导通传输的开关。在一个实例中，对于具有一个或两个输入及两个输出的调制器，可以使用相同的技术使一个或多个输入导向任一输出。还可提供其他配置。

参考图3，传输线204(其可能是光学调制器的一个臂)包含匹配的光学与电延迟。提高线圈102的电感L也会提高每一区段(或级)106的延迟，从而导致电路径203中的电信号传播速度与光学波导205中的光的传播速度之间的失配(mismatch)。例如，如果L=100皮亨且C=100飞法（fF），每一级的延迟便是3皮秒。如果一级(106)的尺寸为100微米(其为光在1皮秒中行进的距离)，那么，每一级便存在2皮秒的速度失配。对于10或20级来说，失配会变成20至40皮秒，这对于20千兆字节/秒是无法接受的。可以增加波导区段210(例如，光纤)，以便匹配所述延迟。区段210的长度经过选择，以便提供合适的延迟。

参考图4，图中所示的是根据另一实施例的传输线304。可通过在电线路203的C负载中加入变容器302而使电信号和光学信号之间的匹配具有适应性。此外，可采用DLL(延迟锁定回路)305调整光学信号和电信号之间的相位差。DLL 305将自动匹配光学延迟与电延迟。光学延迟与电延迟的匹配可根据工艺可变性、温度变化等而改变。不完美的延迟匹配会限制可达到的最大速度。因此，添加到电传输线的C负载部分的变容器302使用电路310分接来自调制器臂(线路304)的光学信号，以将该信号转换到电气域(光学边缘)。分接头(tap)311收集光学能量的一小部分(例如，优选地小于10%，更优选地，小于5%)。电路310包含光电二极管312或类似物，以便将光学信号转换成电信号。还可采用放大器314或其他电路。DLL 305使用相位检测器306来比较电信号边缘及光学信号边缘抵达时间。相位检测器输出(提前/滞后)被回路滤波器308过滤，回路滤波器308将过滤信号并控制变容器302以确保两个延迟的匹配。应理解，调制器可具有多个臂，并且至少一个臂包含根据本发明原理的传输线。

在一个实施例中，提供高带宽、低失真积分式电-光子传输线304，其藉由将所述线分成多级(stage)106并在所述级106之间插入分离(例如，螺旋线)多金属高电感、低电阻电感器线圈102，以符合宽带操作的阻抗要求(例如，50欧姆阻抗或更小，优选地小于约10欧姆，更优选地介于1至5欧姆之间；但是，较高的数值可适合具有较少区段的较短线路)。

匹配光波与电波的传播速度(每一级的延迟)以达到可能的最高数据速率，例如，1千兆字节/秒或更大，优选地超过10千兆字节/秒。根据本发明原理，将自动适配电信号的速度，使其匹配光学信号的速度。这将在任何条件期间(例如，工艺、温度等)实现最大操作速度。本发明虽然例示了DLL 305，但是亦可采用其他可调谐控制电路或延迟机构。

如果在光学调制器中采用传输线304，所述调制器可包含高速马赫-詹德(Mach-Zehnder)调制器，其中至少一个相位调制器电极包含传输线304。在另一实施例中，高速电吸收调制器将采用一个或多个传输线304作为增益调制器电极。所述调制器可包括在集成电路中，所述集成电路具有由下面一个或多个所形成的衬底：Si、GaAs、LiNbO₃、InP、或任何其他半导体化合物、单晶或聚合材料。

运行仿真以在20千兆字节/秒处比较根据本发明原理的结构和常规集总结构(没有额外电感器线圈)。当在20千兆字节/秒处使用本文建议的传输线结构时，(眼状图中的)数据眼是宽阔的；而常规方式限于工作在小于5千兆字节/秒处。还执行了在90纳米CMOS工艺中使用峰化线圈的实际实施方式的仿真。已经采取特殊的步骤来保持线圈的低串联R值(将数个金属层捆缚在一起以最小化R值)。所述仿真表明，20千兆字节/秒操作容易受到电感器线圈的串联R值的影响。

参考图5，集成电路400包含根据一个示例性实施例的传输线404的一部分。集成电路400优选地包含半导体集成电路芯片；然而，亦可采用印刷布线板或其他配置。图中所示的电路400用于显示一种示意性配置。应指出的是，亦可采用包含其他设备与结构的其他配置。例如，调制器、二极管、变容器、晶体管(例如以便在放大器、DLL等中使用)亦可集成至电路400中或被连接至电路400。电路400可包含单个芯片，其包含至少一个传输线404(例如，参见线104、204及304)，所述至少一个传输线404包含光学波导406及电路径408。所述光学波导406可包含光纤或其他波导。

图中所示的电路400具有两个部分，虚线显示所述电路可继续。单个传输线可用在单个芯片上，可跨越多个芯片，或者可以利用缆线、光纤、和/或导线在较大的距离上进行连接。电路400包含衬底410，例如，其可包括Si、InP、GaAs、LiNbO₃、聚合物或其他元素或化合物。衬底410具有在其上形成的多个层412。层412包含导体线414。导体线414可用于电路400的各项功能；但是，图5显示多个线414与连接416以便降低电感器线圈102中的串联电阻。图中虽未描绘完整线圈102，然而，示例性部分显示组合多个导体线414以形成线圈102。电路径408连接至线圈102并通过传输线404。光学路径406同样沿着电路400连续行进或通过电路400。额外的波导区段210(图4)可被放置在电路400上、芯片之间、芯片上，等等。

参考图6，图中示例性地示出根据一个实施例的一种用于实施宽带传输线的方法。在方块502中，利用宽带传输线来平衡光学调制器的电容，以便获得传输线的特征阻抗。在方块504中，可通过在所述传输线的相邻调制器区段之间连接分离电感器(例如，螺旋电感器)达到平衡。在方块506中，所述电感器被形成在集成电路的多个金属层中，以便降低串联电阻并提高电感。

在方块508中，调谐控制电路以便匹配在连续传输线中的相应路径中行进的电信号和光学信号之间的速度。在方块510中，调谐可包括在光学路径中插入一条或多条光学延迟线。在方块512中，调谐可包括使用延迟锁定回路(DLL)来比较所述电信号的相位与所述光学信号的相位。在方块514中，调谐可包括调整耦合到区段电容的变容器。可以使用DLL输出来调整所述变容器。

已描述一种用于积分式光子应用的低失真高带宽自适应传输线的系统和方法的优选实施例(其旨在是示例性而非限制性的)，要指出的是，根据上述教导，本领域技术人员可以做出修改和变化。因此，将理解，可在所附权利要求概述的本发明范围内对所披露的特定实施例做出更改。

Claims (16)

1.一种传输线，包括：

多个区段，其形成一电路径；

连续光学路径，其通过所述区段；以及

分离的电感器，所述分离的电感器被形成在相邻区段之间并连接所述相邻区段，所述电感器被形成在集成电路的多个金属层中，用以平衡包含所述传输线的光学调制器的电容，以便获得所述传输线的特征阻抗。

2.如权利要求1中所述的传输线，其中所述集成电路包括衬底，所述衬底包括半导体材料和聚合材料中的至少一个。

3.如权利要求1或2中所述的传输线，其中所述多个区段包含用于保持物理尺寸在所述传输线中行进的电信号的波长以下的区段数。

4.如权利要求1或2中所述的传输线，其中电感器包括在1皮亨与10纳亨之间的电感。

5.如权利要求1或2中所述的传输线，其中电感器包括小于50欧姆的串联电阻。

6.如权利要求1或2中所述的传输线，其中所述传输线包括至少1千兆字节/秒的带宽。

7.如权利要求1或2中所述的传输线，还包括延迟机构，其被配置为匹配在所述电路径上行进的电信号与在所述光学路径上行进的光学信号之间的相位。

8.如权利要求7中所述的传输线，其中所述延迟机构包括插入所述光学路径中的光学延迟线。

9.如权利要求7中所述的传输线，其中所述延迟机构包括用于比较所述电信号和所述光学信号的相位的延迟锁定回路。

10.如权利要求9中所述的传输线，还包括耦合到区段电容的变容器，其中由所述延迟锁定回路控制所述变容器。

11.一种用于实施宽带传输线的方法，所述方法包括：

通过在宽带传输线的相邻区段之间连接分离的电感器来平衡所述传输线的光学调制器的电容，以获得所述传输线的特征阻抗；以及

调谐控制电路以匹配在所述传输线中行进的电信号与光学信号之间的速度。

12.如权利要求11中所述的方法，还包括在集成电路的多个金属层中形成所述电感器以便减小串联电阻并增大电感。

13.如权利要求11或12中所述的方法，其中调谐包括在所述光学路径中插入光学延迟线。

14.如权利要求11或12中所述的方法，其中调谐包括使用延迟锁定回路来比较所述电信号与所述光学信号的相位。

15.如权利要求11或12中所述的方法，其中调谐包括调整耦合到区段电容的变容器。

16.如权利要求11中所述的方法，还包括使用光学分接电路监视所述光学路径中的光学信号。