CN103955034B - 用于高速光i/o应用的集成光接收器结构 - Google Patents

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Abstract

一种集成光接收器结构，可以用于耦合多模光纤(MMF)和硅芯片之间的光线，其中所述硅芯片包括硅多路分配器和高速锗光检测器的集成。所提出的结构可以用于基于并行和波分复用(WDM)的数据速率到达或超过25Gb/s的光链路。

Description

用于高速光I/O应用的集成光接收器结构
本申请是申请日为2010年12月24日，名称为“用于高速光I/O应用的集成光接收器结构”，申请号为201010625059.1的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明实施例涉及光接收器，更具体地，涉及具有用于改善光纤的对准容限的嵌入式锥形的集成光接收器。
背景技术
光纤与硅波导之间的有效的光耦合是基于硅的光设备和电路应用所非常期望的。由于硅波导系统的高折射率反差，获得好的光纤-硅波导耦合可能是一个挑战。
在光通信中，通过其频率通常位于电磁波频谱的可见光或者近红外区域的光载波发送信息。具有这种高频率的载波有时被称为光信号、光载波或者光波信号。典型的光通信网络包括若干光纤，每一个都可以包括多个信道。信道是电磁信号的特定频带，有时被称为波长。
当今技术的改进包括集成电路(或芯片)级的光通信。这是因为集成电路具有在计算机系统中有吸引力的尺寸优势。有时设计者在两个芯片之间、芯片和系统中的管芯之间或者两个管芯之间耦合光信号(光线)。这传统地利用光纤耦合管芯或者芯片上的波导之间的光线来实现。
利用光纤耦合管芯或者芯片上的波导之间的光线的一个局限是该耦合方法趋向于效率低。一个原因就是因为光纤和芯片或者管芯上的典型波导之间的物理尺寸差异。光纤趋向于比波导大得多。因为尺寸差异，光信号耦合效率很低。亦即，来自于更大直径光纤的光线不能很好地适合于小波导。结果可能是接收到的光线强级(light level)如此之低以至于光信号中的数据流中的单个比特变得不可分辨。当发生这种情况时，接收部件就不能从数据流中恢复信息。
可以通过将透镜耦合到光纤或者在光线和波导之间设置透镜将光信号聚焦到波导中来提高耦合效率。然而，利用了透镜的耦合效率很普通。其他耦合方法最多得到也很普通的效率。
该限制还伴随着另一个挑战，例如从较大光纤所支持的光模式到波导所支持的较小光模式的有效耦合。模式是光代表性的(cross-sectional)能量分布(高斯分布)，由波导(光纤，二维波导)和光线波长的尺寸来定义。在较大光纤中具有大的光模式，在较小波导中具有较小光模式。
此外，从光纤到小的管芯上的波导的耦合要求非常精准的对准。这通常是通过专门的精准人工对准过程实现的。这种专门的对准过程通常很昂贵并限制了实际体积(volume)。
目前，对于用于高速应用的基于低成本多模式光纤(MMF)的光接收器而言，存在一个基本问题。为了实现光检测器(PD)的高速，例如25Gb/s或更高的操作，通常要求检测器的有源区域很小。然而，为了有效地将光线从MMF耦合到包含光检测器和潜在的光多路分配器的基于半导体波导的芯片中，将大波导尺寸用于低成本无源对准所需的大的未对准容限。
附图说明
当结合附图阅读下面的装置的详细说明和示意性实施例以及权利要求(这些都形成为本发明的公开内容的一部分)时，本发明的前述以及更好的理解将变得清楚。虽然前述部分和下面成文的和详细说明的公开内容集中于公开本发明的装置和示意性实施例，应当清楚地理解这仅仅是作为说明和举例，本发明并不局限于此。
图1是根据本发明一个实施例的集成光接收器的剖面侧视图；
图2是用于形成图1中所示的光接收器的绝缘体上硅(SOI)衬底的图示；
图3是示出锥形的蚀刻的SOI晶片的侧视图；
图4是示出用于镜的V槽的蚀刻的SOI晶片的侧视图；
图5是示出全内反射镜的奥迪尔层(odile layer)的沉积的SOI晶片的侧视图；
图6是其上结合有硅晶片的SOI晶片的侧视图；
图7是图6中所示的SOI翻转后的侧视图，将其翻转以便对如图1所示的光检测器(PD)和可选光栅进行进一步的硅光子学处理；
图8是示出单模式条件下集成光接收器的V槽镜结构的模型(modeling)光损失的图表；以及
图9是示出多模式条件下集成光接收器的V槽镜结构的模型光损失的图表。
具体实施方式
所述的是集成接收器光接收器结构，用以解决多模式光纤(MMF)和硅芯片之间的光耦合以及硅多路分配器和高速光检测器的集成的问题。提出的结构可以用于数据速率为25Gb/s或更高的基于并行和波分复用(WDM)二者的光链路。
本说明书全文中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例说明的特定特征、结构或特点包括在本发明至少一个实施例中。因此，在本说明书全文中不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”未必指向相同的实施例。此外，特定特征、结构或特点可以以任何合适的方式结合于一个或者多个实施例中。
现在参考图1，其示出根据本发明一个实施例的光接收器。光接收器100包括硅晶片部分102，其上设置有全内反射(TIR)镜结构104。波导部分106包括宽端，来自于光纤，例如多模式光纤108的光线可以输入该宽端。光线可以通过透镜110聚焦。波导106包括锥形112，波导在此处从底部变窄。TIR结构包括具有反射表面的楔形物114，以引导平行于衬底102传播的光线向上反射到高速光检测器116，如箭头所示。如图所示，还可以可选地将硅多路分配器118制备到波导106中。例如，多路分配器可以包括衍射光栅，例如所示的蚀刻中阶梯光栅。蚀刻中阶梯光栅能够对单模和多模光束进行多路分解。
图1中所示的集成硅芯片可以制备在绝缘体上硅(SOI)衬底上。对于平行链路应用，可以不包括多路分配器。硅锥形112输入端在宽端上具有20－30μm的高度，用于在MMF108与具有塑料透镜110的芯片之间进行有效的耦合。在锥形之后的末段波导106的高度是大约10μm；例如，在锥形之后的末段波导106的高度比硅锥形112输入端的宽端的高度薄大约10μm。锥形可以例如通过使用Optics Express vol.11,no.26,3555-3561(2003)(在此通过参考将其结合到本文中)中所述的灰度技术来制备。
注意到，由于从MMF108入射的多模光束的可能的模态滤波效应(光损失)，末端波导的尺寸应当很可能不小。TIR反射镜部分104用于将来自波导的光线垂直地耦合到生长于硅之上的高速锗(Ge)检测器116。这样的Ge PD116的制备技术已经被广为接受。因为来自于锥形波导的入射到Ge PD的光线可以从检测器中的Ge层之上的金属触点反射，在Ge有源区域实现了双光通路。这导致用于较高速度的较薄的Ge膜的较高的量子效率。Ge厚度为大约1.5μm的检测器的估计速度为>20GHz，这对于25Gb/s的应用是有利的。
图2-7示出了根据一个实施例的所提出的集成硅接收器芯片的制备步骤。现在参考图2，绝缘体上硅(SOI)晶片包括硅衬底、埋氧(BOX)层202和BOX层202上的硅处理层(silicon handle layer)204。在一个实施例中，Si层204可以大约为20-30μm厚。这个厚度当然可以随应用的不同而不同。牺牲氧化硬掩模(HM)层206可以位于Si层204之上。
在图3中，图1的波导的锥形部分被蚀刻穿过HM层206并且部分穿过Si层204，达到大约10μm的蚀刻深度。蚀刻部分通常可以在一端是矩形的，在另一端是锥形的。在图4中，可以进一步从Si层204蚀刻出V槽400，用于之后形成图1中所示的锲形镜114。例如，可以利用氢氧化钾(KOH)湿法蚀刻技术蚀刻V槽400。在一些实施例中V槽400蚀刻可以达到埋氧(BOX)层202或留下薄的硅层(0.5-1μm)用于之后的Ge生长。
在图5中，用氧化物500填充蚀刻沟槽，随后对其进行化学机械平坦化(CMP)。氧化物包括图1所示的全内反射(TIR)镜。
在图6中，将使平坦化的晶片与单独的硅晶片102晶片结合。在晶片结合之后，SOI晶片的初始处理晶片200将被去除。如图7所示，可以将整个装置翻转。处理晶片200的去除产生了利用BOX202作为硬掩模的新晶片。硬掩模(HM)BOX层202可以用于如图1所示的中阶梯光栅118和Ge光检测器(PD)的进一步的处理，其处理技术是本领域公知的。
现在参考图8和图9，分别在单模式和多模式入射(launching)条件下对V槽镜结构的光损失进行建模。V槽角度为54.7度时，图8的单模式情况显示了几乎没有光损失。如图9所示，对于具有0-5个模式入射的多模式情况而言，光损失很小，只有-0.36dB。还注意到，即使对于V槽镜具有1μm未蚀刻的硅层的情况，光损失仍然很小。也就是说，大部分光线在镜面上反射了，且被引导到PD116。
本发明的示例性实施例的上述说明，包括摘要中所述内容，并不试图穷举或者将本发明限制在所公开的精确形式。如本领域技术人员将认识到的，虽然这里所描述的本发明的特定实施例和实例是为了举例说明的目的，在本发明的范围之内的各种等同变化都是可能的。
可以根据上述详细说明对本发明进行这些修改。下面的权利要求中所使用的术语不应当被解释为将本发明限制在说明书和权利要求书中所公开的特定实施例。相反，本发明的范围完全由后面的权利要求来确定，而权利要求将根据权利要求解释的已有原则来理解。

Claims (25)

1.一种集成光接收器系统，包括：
硅衬底；
全内反射镜结构，设置于所述硅衬底上；
硅波导，设置于所述全内反射镜结构之上，所述硅波导具有宽的输入端,所述输入端逐渐锥化到较窄端，所述输入端用于接收来自光纤的光线；以及
多路分配器，形成于所述硅波导中以有助于多路分解单模式光束和多模式光束。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：
光纤，光耦合至所述硅波导的所述输入端，
其中，所述硅波导还包括蚀刻的槽，所述蚀刻的槽填充有氧化物，所述氧化物包括所述全内反射镜结构，并且
其中，对所述全内反射镜结构进行平坦化并且将硅晶片结合到所述全内反射镜结构，使得在翻转时，所述硅晶片切换至相反端并且其中去除所述硅衬底的初始处理晶片。
3.如权利要求1所述的系统，还包括：
光检测器，制备在所述硅波导上方，紧邻所述全内反射镜结构的V槽楔形物，其中，从所述光纤进入所述硅波导的光线能够沿所述硅波导的长度的第一方向以及沿垂直于所述第一方向的第二方向传播至所述光检测器，并且紧邻所述V槽楔形物发生传播方向的改变。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述光纤包括多模光纤，其中，所述光检测器包括锗光检测器，并且其中，所述硅衬底包括绝缘体上硅衬底。
5.如权利要求1所述的系统，还包括所述光纤与所述输入端之间的透镜。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述硅波导包括硅处理层。
7.如权利要求3所述的系统，其中所述光检测器能够由埋氧层处理。
8.如权利要求3所述的系统，其中，所述多路分配器形成于所述V槽楔形物前面的波导中。
9.如权利要求3所述的系统，还包括：
锥形部分，在所述全内反射镜结构的第一部分和第二部分之间过渡，其中，所述锥形和所述V槽楔形物填充有氧化物，以形成所述全内反射镜结构，所述全内反射镜结构被平坦化并且与被翻转的硅晶片结合。
10.一种集成光接收器装置，包括：
硅衬底；
全内反射镜结构，设置于所述硅衬底上；
硅波导，设置于所述全内反射镜结构之上，所述硅波导具有宽的输入端，所述输入端逐渐锥化到较窄端，所述输入端用于接收来自光纤的光线；以及
多路分配器，形成于所述硅波导中以有助于多路分解单模式光束和多模式光束。
11.如权利要求10所述的装置，还包括：
光纤，光耦合至所述硅波导的所述输入端，
其中，所述硅波导还包括蚀刻的槽，所述蚀刻的槽填充有氧化物，所述氧化物包括所述全内反射镜结构，并且
其中，对所述全内反射镜结构进行平坦化并且将硅晶片结合到所述全内反射镜结构，使得在翻转时，所述硅晶片切换至相反端并且其中去除所述硅衬底的初始处理晶片。
12.如权利要求10所述的装置，还包括：
光检测器，制备在所述硅波导上方，紧邻所述全内反射镜结构的V槽楔形物，其中，从所述光纤进入所述硅波导的光线能够沿所述硅波导的长度的第一方向以及沿垂直于所述第一方向的第二方向传播至所述光检测器，并且紧邻所述V槽楔形物发生传播方向的改变。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述光纤包括多模光纤，其中，所述光检测器包括锗光检测器，并且其中，所述硅衬底包括绝缘体上硅衬底。
14.如权利要求10所述的装置，还包括所述光纤与所述输入端之间的透镜。
15.如权利要求10所述的装置，其中所述硅波导包括硅处理层。
16.如权利要求12所述的装置，其中所述光检测器能够由埋氧层处理。
17.如权利要求12所述的装置，其中，所述多路分配器形成于所述V槽楔形物前面的波导中。
18.如权利要求12所述的装置，还包括：
锥形部分，在所述全内反射镜结构的第一部分和第二部分之间过渡，其中，所述锥形和所述V槽楔形物填充有氧化物，以形成所述全内反射镜结构，所述全内反射镜结构被平坦化并且与被翻转的硅晶片结合。
19.一种制备集成光接收器的方法，包括：
在硅衬底上设置全内反射镜结构；
在所述全内反射镜结构之上设置硅波导，其中所述硅波导具有宽的输入端，所述输入端逐渐锥化到较窄端，所述输入端用于接收来自光纤的光线；以及
在所述硅波导中形成多路分配器以有助于多路分解单模式光束和多模式光束。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：
将光纤光耦合至所述硅波导的所述输入端，
其中，所述硅波导还包括蚀刻的槽，所述蚀刻的槽填充有氧化物，所述氧化物包括所述全内反射镜结构，并且
其中，对所述全内反射镜结构进行平坦化并且将硅晶片结合到所述全内反射镜结构，使得在翻转时，所述硅晶片切换至相反端并且其中去除所述硅衬底的初始处理晶片。
21.如权利要求19所述的方法，还包括：
将光检测器制备在所述硅波导上方且紧邻所述全内反射镜结构的V槽楔形物，其中，从所述光纤进入所述硅波导的光线能够沿所述硅波导的长度的第一方向以及沿垂直于所述第一方向的第二方向传播至所述光检测器，并且紧邻所述V槽楔形物发生传播方向的改变。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述光纤包括多模光纤，其中，所述光检测器包括锗光检测器，并且其中，所述硅衬底包括绝缘体上硅衬底。
23.如权利要求19所述的方法，其中，还使用硅处理层、埋氧层、硬掩模氧化物层、以及所述光纤与所述输入端之间的透镜来执行所述方法的一个或多个操作。
24.如权利要求21所述的方法，其中，所述多路分配器形成于所述V槽楔形物前面的波导中。
25.如权利要求21所述的方法，还包括：
在所述全内反射镜结构的第一部分和第二部分之间过渡锥形部分，其中，所述锥形和所述V槽楔形物填充有氧化物，以形成所述全内反射镜结构，所述全内反射镜结构被平坦化并且与被翻转的硅晶片结合。
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