CN103367355A - 一种时钟信号传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种时钟信号传输装置，该装置包括：电路芯片，其中，电路芯片具有至少一个光电转换器；发光器件，发光器件用于发出具有调制的时钟信号的光信号；调制器，用于根据时钟信号对发光器件进行调制，以产生对应的光信号；以及导光板，导光板与电路芯片接触，且导光板的进光面与发光器件接触，导光板用于将光信号导向至电路芯片中的至少一个光电转换器，以使至少一个光电转换器根据光信号生成相应的时钟信号。该时钟信号传输装置具有功耗少、信号质量高、不受干扰等优点。

Description

一种时钟信号传输装置
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种时钟信号传输装置。
背景技术
在集成电路电路芯片中，尤其是数字集成电路电路芯片中，往往需要规模很大的全局时钟分布网络来把同步的时钟信号传递到各个功能模块的子电路中，具有全局性、同步性、一致性的特点。目前的时钟分布网络通常依靠电互连来实现，如铜互连或铝互连线，该方案具有如下缺点：
1.大量复杂的金属走线所带来的的寄生电容需要不断地进行充放电，在电路芯片中占用了要额外插入大量的buffer(缓冲)电路去驱动这样的负载结构，造成了大量功耗浪费，有时候时钟网络的功耗甚至占到整个数字电路芯片总功耗的30％甚至40％以上。
2.当电路芯片的面积比较大的时候，金属互连走线的长度也会较长，从而产生延时较大，不同位置的时钟信号不均衡，同步困难，并且需要耗费大量的电路设计和仿真时间。
3.采用金属电互连线会由于寄生效应如电感和电容的存在会产生相互的干扰，一方面时钟分布网络的走线容易受到其它信号的干扰，产生随机的抖动，影响电路的功能以及性能。另一方面一般全摆幅充放电的时钟信号也会对其他电路及造成干扰。
4.时钟网络需要插入大量的buffer驱动电路和金属连线，占用了大量的电路芯片面积，增加了制造成本。
以及，近年来也出现了基于波导技术或全息技术的光互连新工艺，该方案需要利用到复杂的波导、反射镜、光子晶体结构、全息图像设备等，元件众多，设计复杂，与传统的CMOS工艺无法兼容，体积难以向微型发展，限制了其应用。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种时钟信号传输装置。
为了实现上述目的，根据本发明的实施例的时钟信号传输装置包括：电路芯片，其中，电路芯片具有至少一个光电转换器；发光器件，发光器件用于发出具有调制的时钟信号的光信号；调制器，用于根据时钟信号对发光器件进行调制，以产生对应的光信号；以及导光板，导光板与电路芯片接触，且导光板的进光面与发光器件接触，导光板用于将光信号导向至电路芯片中的至少一个光电转换器，以使至少一个光电转换器根据光信号生成相应的时钟信号。
在本发明的一个实施例中，发光器件为发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RC_LED)、激光二极管(LD)、有机发光二极管(OLED)或量子点发光器件，发光器件用于发出调制后的光信号。
在本发明的一个实施例中，光电转换器为Si、SiGe、Ge或III-V族半导体材料的光电探测器。
在本发明的一个实施例中，调制器集成在电路芯片或发光器件上。
在本发明的一个实施例中，还包括：时钟产生模块，时钟产生模块集成在电路芯片上或者为片外独立芯片。
在本发明的一个实施例中，电路芯片与发光器件通过封装的方式集成在一起。
在本发明的一个实施例中，发光器件通过外延生长方式形成在电路芯片的衬底上。
在本发明的一个实施例中，发光器件为片上异质集成的III-V族或II-VI族材料发光器件。
在本发明的一个实施例中，当电路芯片面积较小时，可以无需导光板，直接连接电路芯片到发光器件上。
在本发明的一个实施例中，光信号为不同颜色光形成的复合光信号。
在本发明的一个实施例中，还包括：至少一个解调器，每个解调器与一个光电转换器对应，用于对电信号进行解调以生成对应的时钟信号。
在本发明的一个实施例中，导光板包括：导光层，导光层分别与电路芯片和发光器件相接触；以及反光层，反光层位于导光层与电路芯片和发光器件的非接触面。
在本发明的一个实施例中，当光信号为不被Si材料吸收的远红外光时，利用电路芯片的Si衬底材料作为导光板。
在本发明的一个实施例中，电路芯片内，光电转换器与导光板之间填充有透明介质，光电转换器以外的位置与导光板之间具有遮光结构。
在本发明的一个实施例中，每个光电转换器与导光板之间具有光子晶体结构，以通过光子晶体结构以实现不同波长光的选择性通过或截止。
在本发明的一个实施例中，在垂直方向上包括多层堆叠的电路芯片，每相邻的电路芯片之间包括导光层。
根据本发明实施例的时钟信号传输装置，具有如下优点：
1.本发明的时钟信号传输装置以光作为信号传递介质来实现时钟信号的传输，与电连接相比，光信号独立传播，不会相互干扰，延时小，同步较容易，时钟信号质量较高，并且能够显著节省功耗，抗电磁等干扰的能力强，并且频率可以做得很高。
2.本发明的时钟信号传输装置利用导光板来分散光信号，使光信号能均匀地传播到各个地方，与其他方式的光连接工艺相比，装置简单，成本较低。
3.可以采用不同颜色的光来实现复用、多时钟域与复杂的逻辑，例如采用红光和蓝光的发光电路芯片，在芯片上的不同区域分别设置红光敏感的光电管和蓝光敏感的光电管就可以实现两个时钟的电路同时工作。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1a为根据本发明一个实施例的时钟信号传输装置的示意图；
图1b为图1a的实施例在A-A′截面的侧视图；
图2a为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的示意图；
图2b为图2a的实施例在B-B′截面的侧视图；
图3为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图；
图4为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图；
图5为本发明的实施例的光子晶体结构的结构示意图；
图6为本发明的实施例的导光板的结构示意图；
图7为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图，以及
图8为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明的时钟信号传输装置包括：电路芯片1、发光器件2、导光板3和调制器4。
其中，电路芯片1具有至少一个光电转换器11，光电转换器11可为Si、SiGe、Ge或III-V族半导体材料的光电探测器。发光器件2可为发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RC_LED)、激光二极管(LD)、有机发光二极管(OLED)或量子点发光器件，用于发出具有调制的时钟信号的光信号。调制器4用于根据时钟信号对发光器件2进行调制，以使发光器件2产生对应的光信号，其中调制器4中还包括驱动发光器件2所需要的驱动电路。导光板3与电路芯片1接触，且导光板3的进光面与发光器件2接触，导光板3用于将光信号导向至电路芯片1中的至少一个光电转换器11，以使至少一个光电转换器11根据光信号生成相应的时钟信号。需要指出的是，尽管本文附图中确定地绘制出了电路芯片1包括固定数目的光电转换器11，但在本发明的其他实施例中，光电转换器11可以是根据实际需要设定任意数量。
在本发明的一个实施例的时钟信号传输装置中，调制器4直接集成在电路芯片1或者发光器件2上，并不分立存在，故本文附图中调制器4的相关标记多做隐藏处理。
在本发明的一个实施例的时钟信号传输装置中，还进一步包括时钟产生模块5，时钟模块5可直接集成在电路芯片1上，也可为片外独立芯片，故本文附图中时钟模块5的相关标记多做隐藏处理。
根据本发明的时钟信号传输装置，由于导光板3能够将局部位置发出的光均匀地传到较大面积的上，例如覆盖电路芯片1的面积，从而能够覆盖各个电光转换器11，故电路芯片1和发光器件2的位置无需对应，只要通过导光板3实现光的传递即可，因此在电路芯片1中各元件的分布具有灵活性，各个电光转换器11可灵活设置，发光器件2与导光板3的相对位置也可以灵活确定。例如：
图1a为根据本发明一个实施例的时钟信号传输装置的示意图；图1b为图1a的实施例在A-A′截面的侧视图，其中带箭头曲线表示光线传播方向。如图1a和图1b所示，发光器件2位于电路芯片1和导光板3的侧面，在这种情况中，电路芯片1和发光器件2可以通过封装的方式集成在一起。
图2a为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的示意图；图2b为图2a的实施例在B-B′截面的侧视图，其中带箭头曲线表示光线传播方向。如图2a和图2b所示，发光器件2位于电路芯片1的衬底之上、导光板3之下，在这种情况中，发光器件2可以通过异质外延生长的方式形成在电路芯片1的衬底上。在本发明的一个实施例中，发光器件为片上异质集成的III-V族或II-VI族材料发光器件。
以及，当电路芯片1面积较小时，本发明的时钟信号传送装置还可以如图3所示，无需导光板3，直接连接电路芯片1到发光器件2上。
根据本发明的时钟信号传输装置的工作原理为：调制器4根据需要的时钟信号对发光器件2进行调制，随后发光器件2发出相应的光信号，该光信号经过导光板3，被导向至电路芯片1中的至少一个光电转换器11，以使至少一个光电转换器11可以根据光信号生成相应的时钟信号，从而实现时钟信号的在整个电路芯片上的同步传输。
上述实施例的时钟信号传输装置以光作为信号传递介质来实现时钟信号的传输，由于是利用光信号独立传播，故延时较小，较容易同步，时钟信号质量较高，并且抗电磁等干扰的能力强，频率可以做得很高。此外，该装置还具有功耗较小、装置简单、成本较低的优点。
图4为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图，其中带箭头曲线表示光信号传播方向。
如图4所示，该实施例的时钟信号传输装置包括电路芯片1、发光器件2、导光板3和调制器4和时钟产生模块5。电路芯片1包括至少一个光电转换器11和至少一个解调器13，其中每个光电转换器11与每个解调器13一一相连。发光器件2与调制器4位于电路芯片1与导光板3的侧边位置，且调制器4与时钟生成电路5相连。导光板3包括导光层31和反光层32，其中导光层31的进光面与发光器件2相接触，出光面与电路芯片1相接触，反光层32位于导光板3的与电路芯片1和发光器件2的非接触面上，用于减少光信号损失。
该实施例的装置的工作过程为：时钟产生模块5生成电路芯片1的时钟信号，并将该时钟信号发送至调制器4，由调制器4进行调制后发送至发光器件2转换为光信号，光信号经过导光层31的导光作用，传递到光电转换器11上，当光电转换器11接收到光信号并转换为电信号后，解调器13包括放大光电信号的跨阻放大器电路，可以对该电信号进行解调，其解调方式与调制器4的调制方式对应，并生成相应的时钟信号，从而实现了时钟信号的光媒介传输。
具体地，电路芯片1中，光电转换器11可采用基于Si、SiGe、Ge或III-V族半导体材料的半导体光电探测器，优选是现有CMOS工艺中常用的Si，SiGe材料的光电探测器结构。这类光电探测器的面积很小，灵敏度高，功耗低，且与现有的Si-CMOS工艺兼容，成本增加很低，并且可以省掉大量缓冲电路面积。此外，由于光电转换器11设置在电路芯片1之中，在光电转换器11之上会有层间电介质，在光电转换器11之下会有衬底，因此需要在光电转换器11之上或之下开口并填充上透明绝缘介质。开口位置取决于导光板3的位置。例如：如果导光板3位于电路芯片1之上，则需要在上方的层间电介质中开口；如果导光板在电路芯片1之下，则需要在下方的衬底中开口。在该开口中填充的透明介质的材料可为SiO2、Si3N4等等，对于波长比较长的远红外的光信号，也可以采用对其透明的Si材料直接作为导光板或导光介质，注意此时发光器件2和光电转换器11都需要选择适合于远红外波段的III-V族材料或Ge材料基础的器件。导光板3其他不与光电转换器11相对应的位置可以安排布线或者镀上不透光的材料形成遮光结构，或者利用各层走线及金属填充遮蔽光信号，以避免光信号到达电路芯片的衬底，以避免引起其他光电效应。
发光器件2可采用为发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RC_LED)、激光二极管(LD)、有机发光二极管(OLED)或量子点发光器件。这几种发光器件成本较低，功耗较小，调制速率足够高，现有数据LD调制速率可达10G/s，LED调制速率可达几百兆/秒。优选地，发光器件2优选为III-V族或II-VI族材料发光器件，该类器件可以通过异质外延制备器件的方式集成方式形成在片上。
调制器4用于根据时钟产生模块5的信号对发光器件2进行调制，使之按一定频率和占空比的形式亮灭。在本发明的优选实施例中，还可以通过调制器4调制出多时钟的时钟信号，该多时钟的时钟信号控制发光器件2中的不同颜色的LED或LD发出不同颜色的光(例如红光和蓝光)，在此情况下，电路芯片1中的光电转换器11也设置为与多种颜色光中的一种对应(例如采用红光光电管和蓝光光电管)，由于不同颜色的光信号的传导具有独立性，互不影响，故可以通过此方式实现多时钟信号的分布传输。
或者，在本发明另一个优选实施例中，在每个光电转换器11与导光板3之间设置光子晶体结构14，以实现不同波长光的选择性通过或截止，从而实现多时钟信号的传递。其中，如图5所示，光子晶体结构14可为一维、二维或三维的不同结构。优选地，光子晶体结构14可采用技术成熟、易于制作的一维的线形光栅结构。例如，可以利用折射率不同的金属与层间介质形成周期性的线性结构，其间距与需要通过的光的波长相近似，即形成了光栅结构，可以允许特定波长的光信号通过或截止。
在导光板3中，导光层31的进光面与发光器件2接触，出光面与电路芯片1接触。导光层31可以在电路芯片1的顶层淀积一层BeO晶体材料来实现；也可以如图6所示，通过楔形结构以及全反射特性来实现光的分散与传导。反光层32可以采用金属全反射镜层或者布拉格反射镜层以减少光的泄露。
根据本发明实施例的时钟信号传输装置，具有如下优点：
1.本发明的时钟信号传输装置以光作为信号传递介质来实现时钟信号的传输，与电连接相比，光信号独立传播，延时小，同步较容易，时钟信号质量较高，并且能够显著节省功耗，抗电磁等干扰的能力强，并且频率可以做得很高。
2.本发明的时钟信号传输装置利用导光板来分散光信号，使光信号能均匀地传播到各个地方，与其他方式的光连接工艺相比，装置简单，成本较低。
3.可以采用不同颜色的光来实现复用、多时钟域与复杂的逻辑，例如采用红光和蓝光的发光电路芯片，分别设置红光敏感的光电管和蓝光敏感的光电管或者采用不同光栅、不同光子晶体来选择通过光线，就可以实现两个时钟的电路同时工作。
图7为根据本发明另一个实施例的时钟信号传输装置的侧视图，其中带箭头曲线表示光信号传播方向。
如图7所示，该实施例与前述实施例相比，没有导光板3。该实施例中，发光器件2发出的光信号为远红外光，由于Si材料不吸收远红外光，故电路芯片1的衬底可以起到传到导光作用，无需另设导光板3。该实施例的时钟信号传输装置具有结构简单的优点。
图8为根据本发明另一个实施例的3d结构的时钟信号传输装置的侧视图，其中带箭头曲线表示光信号传播方向。
如图8所示，该时钟信号传输装置在垂直方向上包括多层堆叠的电路芯片1，其中每相邻的电路芯片1之间包括导光层3。位于侧面的发光器件2发出的具有时钟信号的光信号可以通过多层导光层3导向多层电路芯片1中的光电转换器11。该实施例的时钟信号传输装置适用于多层堆叠电路芯片的时钟传输情况。
根据本发明实施例的时钟信号传输装置，进一步具有结构简单，成本较低的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (16)

1.一种时钟信号传输装置，其特征在于，包括：
电路芯片，其中，所述电路芯片具有至少一个光电转换器；
发光器件，所述发光器件用于发出具有调制的时钟信号的光信号；
调制器，所述用于根据所述时钟信号对所述发光器件进行调制，以产生对应的光信号；以及
导光板，所述导光板与所述电路芯片接触，且所述导光板的进光面与所述发光器件接触，所述导光板用于将所述光信号导向至所述电路芯片中的至少一个光电转换器，以使所述至少一个光电转换器根据所述光信号生成相应的时钟信号。
2.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述发光器件为发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RC_LED)、激光二极管(LD)、有机发光二极管(OLED)或量子点发光器件，所述发光器件用于发出调制后的光信号。
3.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述光电转换器为Si、SiGe、Ge或III-V族半导体材料的光电探测器。
4.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述调制器集成在所述电路芯片或所述发光器件上。
5.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，还包括：时钟产生模块，所述时钟产生模块集成在所述电路芯片上或者为片外独立芯片。
6.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述电路芯片与所述发光器件通过封装的方式集成在一起。
7.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述发光器件通过外延生长方式形成在所述电路芯片的衬底上。
8.如权利要求7所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述发光器件为片上异质集成的III-V族或II-VI族材料发光器件。
9.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，当所述电路芯片面积较小时，可以无需所述导光板，直接连接所述电路芯片到所述发光器件上。
10.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述光信号为不同颜色光形成的复合光信号。
11.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，还包括：
至少一个解调器，每个解调器与一个所述光电转换器对应，用于对所述电信号进行解调以生成对应的时钟信号。
12.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述导光板包括：
导光层，所述导光层分别与所述电路芯片和发光器件相接触；以及
反光层，所述反光层位于所述导光层与所述电路芯片和所述发光器件的非接触面。
13.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，当所述光信号为不被Si材料吸收的远红外光时，利用所述电路芯片的Si衬底材料作为所述导光板。
14.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述电路芯片内，所述光电转换器与所述导光板之间填充有透明介质，所述光电转换器以外的位置与所述导光板之间具有遮光结构。
15.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，所述每个光电转换器与所述导光板之间具有光子晶体结构，以通过所述光子晶体结构以实现不同波长光的选择性通过或截止。
16.如权利要求1所述的时钟信号传输装置，其特征在于，在垂直方向上包括多层堆叠的所述电路芯片，每相邻的所述电路芯片之间包括导光层。
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