CN107209335B - 电子/光子芯片集成和接合 - Google Patents

Abstract

一种光学波导装置包括：一个或多个光子芯片，所述一个或多个光子芯片包括：包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有光学输入和电输出；以及包括第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；所述光学波导装置进一步包括：集成电路；所述集成电路形成在所述第一部件的所述电输出与所述第二部件的相应电输入之间的电桥；其中所述集成电路被直接安装到所述一个或多个光子芯片上；且/或其中所述集成电路定位在光子芯片的所述第一部分与光子芯片的所述第二部分之间。

Description

电子/光子芯片集成和接合

发明领域

本发明涉及光学波导装置，具体来说涉及包括电连接到第二类型的部件的阵列的第一类型的部件的阵列的光学波导装置。

发明背景

对于例如光学调制器芯片等电驱动的光学装置，需要使电力消耗最少化。从驱动器到光学调制器的电连接和轨道的长度的减小将会减少信号损耗并且导致较低的电力消耗。为了使电力消耗最少化，必须使整个装置中的电连接和轨道的长度最小化。

处于例如微波频率等高频率下的光学调制器通常具有阻抗为50欧姆的行波传输线。所述传输线需要50欧姆的端接电阻器以针对阻抗匹配进行有效地操作，且此导致过多的电力消耗。在此情况下，为了使电力消耗最少化，光学调制器应为没有传输线的集总元件。此外，必须使电连接和轨道的长度最小化。

以芯片形式制成的光学波导装置较小，并且可以快速操作。还可以低成本大量地制造它们。它们正在变得越来越复杂和多功能，并且已知在单个光子芯片上(例如，在SOI芯片上)组合若干特征。相对于可能需要并入的电子芯片，此类光子芯片的尺寸(例如，在所谓的3微米硅平台上)较大，并且所得的电轨道长度可能会引起不可接受的损耗。

在一些复杂平面光子装置中，需要产生通常处于90度的波导交叉点，光学路径在所述波导交叉点处相交。替代性解决方案是将光引导到另一(平行)平面中。如果(例如)使用镜将光从芯片引导到邻近芯片上的光电二极管，那么存在不可避免的插入损耗，且例如波导交叉点等芯片特征上的特定损耗引起较高的损耗和低良率。而且，引入波导弯头以允许有效低损耗的交叉点可能会消耗芯片的不动产。在光子芯片包括包含多个检测器和多个调制器的多个检测器重调制器的情况下，至每个检测器和每个调制器的输入波导会导致不合意的波导交叉点。在图1-图3中示出实例。

本发明旨在克服这些问题，并且实现具有较低电力消耗的更快和更紧凑的装置。

可以通过将电子芯片(例如，用于调制器的驱动器芯片)放置在光学芯片正上方来减少电连接。在US7,522,783中公开了此类装置。

倒装芯片是用于安装电子芯片的技术，且已经用于光电装置制造中。US7,978,030公开了一种高速光学变换器，其中高速电路的信号平面相对于共面光学封装中的信号平面而穿过非共面的互连件翻转；US6,614,949公开了倒装芯片安装到光学通信接口中的ASIC的VCSEL的阵列；US8,373,259公开了用于在将光学波导装置倒装到衬底上时使用的光学对准方法；US8,798,409公开了倒装芯片结构，其涉及光学传输器中的激光器芯片；以及US2012/0207426示出光电子芯片与IC之间的倒装芯片布置。

发明概述

本发明旨在通过根据第一方面提供一种光学波导装置来解决上文论述的问题，所述光学波导装置包括：一个或多个光子芯片，所述一个或多个光子芯片包括：包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有光学输入和电输出；包括第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；所述光学波导装置进一步包括：集成电路；所述集成电路形成在所述第一部件的所述电输出与所述第二部件的相应电输入之间的电桥；其中所述集成电路被倒装芯片地安装到所述一个或多个光子芯片上，且/或其中所述集成电路定位在光子芯片的所述第一部分与光子芯片的所述第二部分之间。

以此方式，使得具有较小电力消耗的更快且更紧凑的光学波导装置成为可能。

用于接触第一部件的电接触可以定位在集成电路的一端处，且用于接触第二部件的电接触定位在集成电路的相对端处。这意味着光子芯片上的第一部件可以布置成使得至第一部件中的每一者的输入波导与至第二部件中的每一者的输入波导不交叉。

现在将陈述本发明的任选的特征。这些单独地适用于或以任何组合适用于本发明的任何方面。

可以将集成电路直接安装到光子芯片的第一部分和/或光子芯片的第二部分上。

包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分可以是第一光子芯片，且包括第二部件阵列的光子芯片的第二部分可以是与所述第一光子芯片分开的第二光子芯片，使得集成电路形成在第一光子芯片上的部件与第二光子芯片上的部件之间的电桥。

在集成电路定位在光子芯片的第一部分与光子芯片的第二部分之间的情况下，所述第一部分可以是与所述第二部分分开的光子芯片。在光子芯片的第一部分是与光子芯片的第二部分分开的芯片(即，一个或多个光子芯片中的另一者)时，集成电路可以在与第一部件和第二部件相同的平面或大体上相同的平面中位于所述第一部分和所述第二部分之间。

在集成芯片直接定位到所述第一部分和/或所述第二部分上的情况下，所述第一部分和第二部分可以是同一光子芯片的部分，或者它们可以是分开的光子芯片。通过将集成芯片直接定位到含有第一/第二部件的光子芯片的部分上，可以在所述部件中的每一者与集成电路上的对应的电连接器之间在竖直方向上形成直接电连接。

替代地，包括第一部件阵列的光子芯片的部分可以是与包括第二部件阵列的光子芯片的部分相同的光子芯片的部分，使得集成电路形成所述相同光子芯片的两个部分之间的电桥。

所述第一部件中的每一者可以是光电检测器。每个光电检测器被配置成将其接收的光学信号转换为电信号。检测器因此将具有呈波导的形式的光学输入，和被配置成可以连接到所述集成电路的电输出。

第二部件中的每一者可以是调制器。每个调制器被配置成：从可调谐激光器接收经过波长调谐的激光；从检测器中的一者(经由集成电路)接收电信号；以及以经过调谐的波长产生已调制光学信号，所述已调制光学信号含有来自集成电路的电信号的信息。每个调制器因此将具有呈波导的形式的光学输入，以用于从可调谐激光器接收经过调谐的未调制光学输入。其还将具有被配置成从集成电路接收电信号的电输入。最后，每个调制器还将包括呈波导的形式的光学输出，以用于传输已调制的光学输出。

在第一部件中的每一者是光电检测器且第二部件中的每一者是调制器的情况下，集成电路形成在每个光电检测器与相应调制器之间的电子桥。每个所得的检测器-调制器对充当检测器重调制器。

可以将集成电路倒装芯片地安装到光子芯片的第一部分和光子芯片的第二部分中的至少一者上。可以将集成电路倒装芯片地安装到光子芯片的第一部分和光子芯片的第二部分两者上。

作为将集成电路芯片倒装芯片地接合到光子芯片的替代方案，集成电路可以在其基底上包括提供电接触点的通孔，使得不需要倒装集成电路芯片。

替代地，集成电路可以定位在光子芯片的第一部分与光子芯片的第二部分之间；其中集成电路通过相应的线接合而电连接到所述第一部件和所述第二部件中的每一者。

任选地，光子芯片的第一部分是第一光子芯片的一部分，且光子芯片的第二部分是第二光子芯片的一部分，第二光子芯片与第一光子芯片分开。

任选地，光子芯片的第一部分是第一光子芯片的一部分，且光子芯片的第二部分是同一光子芯片的一部分。

任选地，将集成电路直接定位在光子芯片上，但不与第一部件或第二部件中的任一者竖直地重叠。

第一部件阵列中的每个部件可以相对于邻近的第一部件横向地移位，使得第一部件和波导的阵列具有间隔开或台阶式布置。

第一部件阵列中的部件可以全部位于光子芯片的同一平面内。“台阶式布置”是一种布置，其中部件相对于彼此移位，使得它们沿着一个方向对准，所述方向与输入波导的方向成对角线和/或与任何输出电连接成对角线。将基于芯片上可用的不动产来选择邻近部件的移位(即，台阶式布置的台阶大小)。举例来说，其可以不多于200μm，其可以不多于100μm。替代地，其可以多于或等于100μm或多于或等于200μm。

在不存在横向移位的情况下(即，在存在0μm的台阶大小的情况下)，部件在垂直于输入波导的线性阵列中并排安放。

第二部件阵列中的每个部件可以相对于邻近的第二部件横向地移位，使得第二部件阵列具有台阶式布置。再次地，邻近部件的移位(即，台阶大小)可以(例如)不多于200μm，其可以不多于100μm。替代地，其可以多于或等于100μm或多于或等于200μm。

第一部件阵列的台阶式布置将引起给定第一部件与其在阵列内的相邻者之间的间隔关系。优选的是，电连接到给定第一部件的第二部件将与其在第二部件阵列中的相邻部件展现相同的间隔关系。

每个第一部件与其相应第二部件之间的电连接的长度可以等于其他第一部件中的每一者与它们的相应第二部件之间的电连接的长度。

第一部件与第二部件之间的电连接可以横向于第一部件的输入波导的方向。

在第一部件阵列中可能存在四个或更多第一部件，且在第二部件阵列中可能存在四个或更多第二部件。

集成电路优选为单个芯片，并且可以是至少含有跨阻抗放大器(TIA)、限幅放大器和调制器驱动器的专用集成电路(ASIC)。

任选地，第一部件是光电检测器，第二部件是调制器，且集成电路是使光电检测器与调制器电连接以形成多个检测器重调制器的ASIC。

任选地，由光电二极管(一般为光电检测器)接收的光学信号是来自光学分组交换机，且所述ASIC包括分组处理器，所述分组处理器用于在将电信号发送到调制器之前，处理其从光电检测器接收的分组信息。

任选地，所述集成电路包括波长调谐器，其控制调制器中的一者或多者的经过波长调谐的激光的波长。

根据第二方面，提供一种光学波导交换机，其包括：阵列波导光栅(AWG)；以及根据第一方面的光学波导装置；所述光学波导装置光学连接到所述AWG的输入以用于控制AWG的输入处的光学信号的波长，且因此用于控制光学信号穿过AWG所采取的路径。

任选地，所述光学波导进一步包括根据第一方面的额外的光学波导装置，所述额外的光学波导装置的输入被配置成光学连接到所述AWG的输出。

根据本发明的另一方面，提供一种光学波导装置，其包括：一个或多个光子芯片，所述一个或多个光子芯片包括：包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有光学输入和电输出；以及包括第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；所述光学波导装置进一步包括：集成电路；所述集成电路形成第一部件的电输出与第二部件的相应电输入之间的电桥；其中所述集成电路被直接安装到一个或多个光子芯片上；且/或其中所述集成电路定位在光子芯片的第一部分与光子芯片的第二部分之间。

在下文陈述本发明的其他任选的特征。

附图简述

现在将参考附图通过实例描述本发明的实施例，在附图中：

图1是光学波导装置的示意图；

图2是替代性光学波导装置的示意图；

图3是光学波导交换机的示意图；

图4a示出具有布置在台阶式配置中的检测器和调制器的光学波导装置的实例的示意图；

图4b示出具有布置在另一台阶式配置中的检测器和调制器的光学波导装置的实例的示意图；

图4c示出具有布置在线性配置中的检测器和调制器的光学波导装置的实例的示意图；

图4d示出具有布置在另一线性配置中的检测器和调制器的光学波导装置的实例的示意图；

图5示出形成光学波导装置的部分的集成电路的实例的示意图；

图6是形成光学波导装置的部分的集成电路的替代性实例的示意图；

图7是包括根据本发明的光学波导装置的光学波导交换机；

图8是检测器重调制器(DRM)光学波导装置的集成电路的实例的示意图，所述光学波导装置形成光电分组交换机的部分；

图9是检测器重调制器(DRM)光学波导装置的集成电路的替代性实例的示意图，所述光学波导装置形成光电分组交换机的部分；

图10是检测器重调制器(DRM)光学波导装置的集成电路的实例的示意图，所述光学波导装置形成光电电路交换机的部分；

图11是替代性光学波导装置的示意图；

图12是另一替代性光学波导装置的示意图；

图13是另一替代性光学波导装置的示意图；

图14是另一替代性光学波导装置的示意图；

图15是示出倒装芯片的横截面的倒装芯片接合的示意图；以及

图16a和16b示出将光子芯片和CMOS芯片组合在一起的倒装芯片制造过程。

具体实施方式和本发明的其他任选特征

图1、2和3描绘用于光学交换的绝缘体上硅芯片上的光学波导装置。所示出的光学部件被配置成将光学信号从第一通道或波长的第一光学信号变换为第二通道或波长的第二光学信号。

如图1和2中所示，可以使用多个检测器重调制器(DRM1-4)，每个检测器重调制器被配置成将第一光学信号(具有第一波长)转换为第二光学信号(载运相同信息，但具有第二波长)。每个检测器重调制器涉及检测第一信号，其中将第一(已调制)信号转换为电信号，接着通过所述(已调制)电信号来调制第二(未调制)波长/通道的光。

通过可调谐激光器(TL1-4)提供馈给DRM中的每一者的(未调制)第一光学信号。在图1中示出的实例中，多个可调谐激光器(TL1-4)各自将未调制、经过波长调谐的输入提供给相应的DRM。图2中示出的实例的不同之处在于，单个可调谐激光器(TL5)通过波导分路器将输入提供给多个DRM(DRM1-4)中的每一者。所述波导分路器可以包括第一1x2分路器，和后继的两个其他1x2分路器。

当在DRM的电域中时，可以例如通过放大、再整形、再定时和滤波来有利地处理信号，以便提供将应用于第二波长/通道的干净信号。

含有检测器重调制器的光子芯片可以包括绝缘体上硅(SOI)波导平台，所述绝缘体上硅波导平台包括：检测器，其耦合到第一输入波导；调制器，其耦合到第二输入波导和输出波导；以及电路，其将检测器连接到调制器；其中所述检测器、调制器、第二输入波导和输出波导布置在彼此相同的水平平面内；所述调制器包括调制波导区。所述调制区可以是相位调制区或振幅调制区，在所述调制区处跨波导设定半导体结(PN或PIN)。

应将半导体结理解为对应于具有不同半导体费米能级的不同区之间的任何一个结或任何数目的结，进而形成光电子-电子区。所述半导体结可以包括或可以不包括本征区。

光学检测器和调制器的紧密接近较为重要。

图3描绘进一步的开发，其中将DRM用作光学交换机、尤其是光电分组交换机的部分。在此交换机开发中，电子电路将光学检测器和调制器连接起来。

为了制造成本和简易性，常常需要将光子芯片制造成使部件定位在彼此相同的平面内。然而，如可以在图1和图2中看到，在此类装置中，如果所有光学波导将共面，那么波导交叉点将必不可少。

参考图4a、4b、4c、4d、图5和图6来描述被设计成避免不合意的波导交叉点的根据本发明的光学波导装置的第一实施例。图4a、4b、4c和4d各自示出波导布局的实例。图5和图6示出倒装芯片的两个实例。

光学波导装置1包括光子芯片2，所述光子芯片包括具有第一部件阵列的第一部分，所述第一部件是多个光电检测器D1、D2、D3、D4。所述光电检测器中的每一者具有呈波导输入11、12、13、14的形式的光学输入。如所示，每个输入波导可以在光子芯片的边缘到光电检测器的输入之间运行。替代地(未示出)，每个输入波导可以从光纤接口延伸到光电检测器。

光子芯片2还包括另一部分，其包括第二部件阵列M1、M2、M3、M4。所述第二部件中的每一者是调制器，其具有呈输入波导21、22、23、24的形式的光学输入，以用于接收未调制、经过波长调谐的光学输入。每个调制器还被配置成接收电信号。另外，每个调制器连接到呈输出波导31、32、33、34的形式的光学输出，以用于传输由调制器产生的已调制、经过波长调谐的光学信号。

将集成电路(IC)3倒装芯片地安装到光子芯片上，以形成在第一部件中的每一者与第二部件中的相应一者之间的电桥。在此实施例中，在第一部件是光电检测器且第二部件是调制器的情况下，集成电路经由电连接41、42、43、44使每个光电检测器与相应调制器匹配，以产生检测器-调制器对，即，检测器重调制器。

在图5中示出的实施例中，电连接各自在垂直于(或至少大体上垂直于)光电检测器和调制器的输入和输出波导的方向的方向上安放。

所述部件(光电检测器和调制器)全部位于光子芯片的同一平面内。在图4a和4b中示出的实施例中，部件定位在“台阶式布置”中，每个光电检测器部件具有相对于阵列中的邻近光电检测器横向地移位的位置。在此类台阶式布置中，台阶大小可以是任何数目，例如100μm、200μm或更多。在从上方观看时，光电检测器沿着一个方向对准，所述方向与输入波导11、12、13、14的方向成对角线，且还与IC的电连接41、42、43、44成对角线。

再次参看图4a和4b中示出的实施例，第二部件阵列中的每个部件相对于邻近的第二部件横向地移位，使得第二部件阵列具有台阶式布置。再次地，台阶大小可以是任何数目，例如100μm、200μm或更多。

在图4a的实施例中，第一部分(其含有第一部件)和第二部分(其含有第二部件)是同一光子芯片2的部分。通过将集成芯片3直接定位到含有第一/第二部件的光子芯片的部分上，在所述部件中的每一者与集成电路上的对应的电连接器之间在竖直方向上形成直接电连接。

图4b的实施例与4a的实施例的不同之处仅在于，第一部分2a是与第二部分2b分开的光子芯片。

部件可以替代地以非台阶式布置定位，如图4c和4d中所示(即，“台阶大小”是0μm)。在这些布置中，光电检测器和调制器两者并排地定位在一条线中，所述线垂直于输入波导。在图4b中，每个光电检测器和每个调制器的定向使得其纵轴与倒装芯片的纵轴对准。在图4c中，每个光电检测器和每个调制器的定向垂直于倒装芯片的纵轴而安放。

图4a和4b中的第一部件阵列的台阶式布置引起给定第一部件与其在阵列内的相邻者之间的间隔关系。优选的是，电连接到给定第一部件的第二部件将与其在第二部件阵列中的相邻部件展现相同的间隔关系。

台阶式布置使得电连接的长度最小化，同时增加阵列中的检测器相对于彼此的间隔距离，并且还增加调制器在阵列内相对于彼此或相对于调制器的间隔距离。通过增加部件间的间距，使得在光子芯片上制造部件更容易，并且使得串扰的风险最小化。

如图5中所示，每个第一部件与其相应第二部件之间的电连接的长度可以等于其他第一部件中的每一者与它们的相应第二部件之间的电连接的长度。第一部件与第二部件之间的电连接可以横向于第一部件的输入波导的方向。

检测器与其相应的调制器之间的距离优选小于1cm，更优选小于1mm，且更优选小于100μm。

可以使用通孔或线接合使IC以任何定向和对光子芯片进行的电连接接合到光子芯片，但优选将把IC倒装芯片地接合到光子芯片。

图6中示出的实施例与图5的实施例的不同之处在于，经由中央交换机机构SW进行检测器与调制器之间的电连接。交换布置引起额外的灵活性，并且交换机本身可以被配置成具有适合于装置设置或重新配置的相对慢的速度。替代地或另外，交换机可以被配置成执行对分组的快速交换以用于数据交换/路由。

在图7中示出并入有光学波导装置的光学波导交换机。所述光学波导交换机包括阵列波导光栅AWG，其中光学波导装置(例如，关于图4a-图6描述的光学波导装置)定位在AWG的输入处，且另一光学波导装置定位在AWG的出口处。

第一光学波导装置的调制器的输出光学连接到AWG的输入。以此方式，光学波导装置的DRM能够控制AWG的输入处的光学信号的波长，并且因此用于控制光学信号穿过AWG所采取的路径。

另一光学波导装置的检测器的输入光学连接到AWG的输出。以此方式，另一光学波导装置的DRM能够控制AWG的输入处的光学信号的波长，且因此用于在数据信号已经到达所要的端位置(即，AWG的所要的输出端口)时调整所述数据信号的波长。

在图7中示出的实施例中，存在能够并行地处理四个端口的信号的AWG的四个层。

输入波导将已调制光学信号提供给第一光子芯片上的4个检测器D1、D2、D3、D4中的每一者。这些信号在检测器处被转换为电信号，且集成的倒装芯片电路FC将此电信号连接到第二光子芯片上的调制器M1、M2、M3、M4的电输入。一个可调谐激光器经由波导分路器将未调制的光学信号提供给所有四个调制器。

将从每个调制器输出的已调制、经过波长调谐的光学信号发送到四个AWG中的相应一者，且穿过那个AWG的路径将取决于所选择的波长。

对这四个信号进行并行地处理，且它们在被传输穿过AWG之后经过重组。

可以通过将图7与图3进行比较来了解此方法的简化性质。在图3中示出其中在芯片边缘处存在用于光学信号输入和光学信号输出(引导到AWG)的光纤连接器的实例。可以仅沿着一个边缘连接图7中示出的装置，且到所述装置的输入和输出得到极大简化。

上文描述的光学波导装置的实施例全部含有四个检测器、四个调制器和四个AWG。然而，应理解，可以将部件的数目按比例放大或按比例缩小到任何其他合适的数目。

如在下文更详细地描述，图8和图9示出可以在光电分组交换机中使用的DRM的背景下通过倒装芯片IC执行的一些功能。图10示出可以在光电电路交换机中使用的DRM的背景下通过倒装芯片IC执行的功能的示意图。

在图8中示出用于光电分组交换机的DRM的示意图。DRM2500包括：检测器2501；调制器2502；以及电子电路2503，其经由若干额外部件形成在检测器与调制器之间的电连接。可调谐激光器2504定位在所述电路的外部以作为与调制器2502分开的部件，并且向调制器提供经过波长调谐但未调制的激光信号。

所述电子电路包括激光波长调谐器模块2511，其被配置成将调谐信号发送到可调谐激光器。所述可调谐激光器被配置成产生经过波长调谐(但未调制)的激光光信号，其充当调制器2502的光学输入，通过电子电路的激光波长调谐器模块2511来选择所述信号的波长。包括波长调谐器的模块2511可以包括如图8和图9中所示的激光驱动器，但还设想激光驱动器可以定位在所述电子电路的外部(未示出)。

电子电路2503从检测器2501接收电输入，所述电输入首先被可以采取跨阻抗放大器(TIA)的形式的放大单元2505放大，并且用于向由检测器产生的电分组信号提供增益，和从电流到电压的转换。

一旦已经提供增益，通过物理译码子层(PCS)和负责传入数据的序列化的物理媒体附接(PMA)2506对所述电信号进行解码。PMA有效地重新产生所述信号。

PCS/PMA2506的输出连接到成帧器2507的输入，所述成帧器识别信号中的帧。将帧的第一副本发送到分组处理器2508，所述分组处理器确定用于所述分组的所要的输出端口，且将此信息发送到外部交换机控制单元2510。

交换机控制单元包括调度器(未示出)，其构建分组如何横越无源光学路由器的时间表。调度器将此时间表发送到有限状态机(FSM)2509。基于所述时间表，FSM产生控制信号，所述控制信号指令激光波长调谐器2511设定可调谐激光器2504的适当波长。所述适当波长是已调制光学信号穿过无源光学路由器以在所要的输出端口处退出无源光学路由器的路径所需的波长。从调度器发送到FSM的时间表将同时考虑到其他分组穿过无源光学路由器的路径。

将由成帧器2507产生的帧的第二副本发送到SRAM分组队列2512，其中对帧进行缓冲，直到来自FSM2509的控制信号指示将传输所述帧为止。缓冲器的添加通过解决以下问题而允许穿过交换机的更高的处理量(位或字节/秒)：允许对去往同一输出端口的分组进行延迟，直到输出端口不再在使用中为止。

一旦从SRAM分组队列2512传输，便将帧发送到第二成帧器2513、在第二PCS/PMA2514处重新译码为所要的格式并序列化，且随后经由调制器驱动器2516发送到调制器2502。

在图9中示出替代性DRM2600，其中相同的参考数字对应于上文关于图8描述的那些特征。图9中的实施例与图8的实施例的不同之处在于，分组处理器定位在交换机控制单元内，且因此定位在电子电路2603的外部。在此实施例中，将帧的副本从第一成帧器2607直接发送到交换机控制单元2610，使得对分组的标头处理和调度两者都在交换机控制单元内进行，即，在DRM的外部进行。

在图10中示出在此情况下适合于在光电电路交换机中使用的DRM的另一实例。相同的参考数字对应于上文关于图8和图9描述的那些特征。

DRM2700包括：检测器2701、调制器2702，和电子电路2703，所述电子电路仅主要经由模拟/混合信号电路而形成在检测器与调制器之间的电连接，而没有进入数字域。可调谐激光器2704定位在所述电子电路的外部以作为与调制器2702分开的部件，并且向调制器提供经过波长调谐但未调制的激光信号。

所述电子电路包括激光波长调谐器模块2711，其被配置成将调谐信号发送到可调谐激光器。所述可调谐激光器被配置成产生经过波长调谐(但未调制)的激光光信号，其充当调制器2702的光学输入，通过电子电路的激光波长调谐器模块2711来选择所述信号的波长。包括波长调谐器的模块2711可以包括如图8中所示的激光驱动器，但还设想激光驱动器可以定位在所述电路的外部(未示出)。

电子电路2703从检测器2701接收电输入，且所述电输入首先被可以采取跨阻抗放大器(TIA)的形式的放大单元2705放大，并且用于向由检测器产生的电分组信号提供增益，和从电流到电压的转换。

一旦已经提供增益和电压转换，随后任选地将电信号发送到重新产生器2706，其向所述信号提供额外的再整形和再定时，并且将所述信号制备成具有充分的量值和质量以输入到调制器驱动器，并且产生所要质量的光学信号。

交换机控制单元2710使用外部输入来直接控制所述调制器驱动器和所述波长调谐器模块。

随后经由调制器驱动器2716将信号发送到调制器2702。

上文关于图8至图10描述的电子电路可以形成关于图4a至图7描述的实施例中的任一者的集成电路。

关于图11描述光学波导装置的替代性实施例。光电检测器(1122)在与调制器分开的芯片上布置在阵列中。CMOS芯片3是用于通过RF传输线1140将调制器连接到PCB1130的倒装芯片。将调制器和RF传输线两者集成在硅光子芯片1120中。此实施例与图4a-图4d中示出的实施例的不同之处在于，来自光电检测器的输出电线是线接合到邻近于IC(CMOS芯片3)且因此连接到所述IC的硅光子芯片(1120)上的衬垫。在此布置中，将在其输入衬垫是线接合到RF互连传输线(1140)(其连接到IC(CMOS芯片3))的邻近PCB(1130)上执行电子功能(除了在IC上执行的电子功能之外)。应注意，针对每对接合衬垫仅使用一条接合线来用于说明目的，但针对每对接合衬垫可以存在两条接合线(接地-信号)或三条接合线(接地-信号-接地)。存在图11的光电检测器阵列(1122)中示出的4个光电检测器以用于说明目的，但设想可以存在多于4个光电检测器。类似地，对于RF互连传输线，仅使用4条线和4个衬垫以用于说明目的。再次地，设想可以存在多于4个。线和衬垫的总数将取决于将CMOS芯片3连接到PCB1130将需要多少条线和衬垫。另外，存在连接CMOS芯片3和PCB1130的其他DC线(图11中未示出)以用于DC电力供应。

图12示出其中CMOS芯片3倒装芯片地接合到光子芯片1120以连接调制器、光电检测器和RF传输线1140的另一实施例。传输线通过线接合而连接到PCB板1130。仅针对每对接合衬垫使用一条接合线来用于说明目的，但针对每对接合衬垫，可以有两条接合线(接地-信号)或三条接合线(接地-信号-接地)。仅存在用于说明目的的4个光电检测器和4个调制器，但可以存在多个光电检测器和调制器。检测器和调制器竖直地安放在集成电路下方。

可以关于图13来理解另一实施例。与图13的实施例一样，检测器和调制器彼此定位在同一光子芯片上。图14的实施例与图13的实施例的不同之处在于，虽然集成电路3仍然定位在光子芯片1120的顶部上，但其不与检测器D1或调制器M1竖直地重叠。而是，集成电路3定位在光子芯片的位于检测器与调制器之间的区域的顶部上。

图14示出另一实施例，其中检测器D1定位在第一光子芯片1122上，调制器定位在第二光子芯片1123上，且集成电路3定位在第一光子芯片与第二光子芯片之间。集成电路芯片邻近于第一和第二光子芯片而定位，但不定位在它们上方。集成电路芯片3线接合到光电检测器1122、调制器1123和PCB板1130。仅针对每对接合衬垫使用一条接合线来用于说明目的，但针对每对接合衬垫，可以有两条接合线(接地-信号)或三条接合线(接地-信号-接地)。仅存在用于说明目的的4个光电检测器和4个调制器，但光电检测器和调制器可以有更多。图15示出倒装芯片地接合到由调制器1123、光电检测器1122和RF传输线组成的光子芯片的CMOS芯片的横截面。光子芯片与BOX(埋入氧化物)层和SOI(绝缘体上硅)层一起建置在Si衬底上。在CMOS芯片与光子芯片之间存在SiO2层，其中形成铜柱和接合衬垫以实现高速互连。铜支柱和接合衬垫1402共面地布置。

在11个步骤中说明倒装芯片制造过程的实例。图16a描绘前五个步骤(步骤A到E)，且图16b描绘接下来的11个步骤(步骤F到K)。在步骤A中，由光电检测器1122、EAM1123和RF传输线(未示出)组成的光子芯片准备好进行倒装芯片接合制备处理。在步骤B中，沉积SiO2层。SiO2层的厚度是大约1～1.5微米。在步骤C中，形成通孔以暴露EAM、光电检测器和传输线的接触衬垫。所述通孔通常具有直径为2μm-3μm的圆形形状。所述通孔还可以是正方形、六边形或任何形状，只要其可以通过光刻形成。在步骤D中，通过使用所要的金属填充所述通孔而形成接触金属支柱1401。所述金属可以是铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)，或任何其他传导金属。在步骤E中，制造接合衬垫1402。用于接合衬垫的金属是钛(Ti)，但其可以是Ni、Cu、W或任何其他传导金属。接合衬垫通常具有直径为5μm-6μm的圆形形状。所述接合衬垫还可以是正方形、六边形或任何形状，只要其可以通过光刻形成。到步骤E，光子芯片准备好进行倒装芯片接合。

在步骤F中，CMOS芯片准备好进行倒装芯片接合制备处理。在步骤G中，沉积SiO2层。SiO2层的厚度是大约1-1.5微米。在步骤H中，形成通孔以暴露CMOS芯片上的接触衬垫。所述通孔通常具有直径为2μm-3μm的圆形形状。所述通孔还可以是正方形、六边形或任何形状，只要其可以通过光刻形成。在步骤I中，通过使用所要的金属填充所述通孔而形成接触金属支柱。所述金属可以是铜(Cu)、钨(W)、镍(Ni)，或任何其他传导金属。在步骤J中，制造接合衬垫。用于接合衬垫的金属是钛(Ti)，但其可以是Ni、Cu、W或任何其他传导金属。接合衬垫通常具有直径为5μm-6μm的圆形形状。所述接合衬垫还可以是正方形、六边形或任何形状，只要其可以通过光刻形成。到步骤J，CMOS芯片准备好进行倒装芯片接合。

在步骤K中，通过对准接合衬垫且将所述接合衬垫连接在一起(即，使CMOS芯片的接合衬垫与光子芯片的相应接合衬垫对准)，所制备的CMOS芯片倒装并且接合到光子芯片。所有支柱都布置在共面配置中，且接合衬垫布置在共面配置中。

虽然已经结合上文描述的示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员在考虑到本公开时将明白许多等效的修改和变化。因此，上文陈述的本发明的示例性实施例被视为说明性而不是限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出对所描述的实施例的各种改变。

上文提及的所有参考在此以引用的方式并入。

Claims (26)

1.一种光学波导装置，所述光学波导装置包括：

一个或多个光子芯片，所述一个或多个光子芯片包括：

包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有第一波长的光学输入和电输出；以及

包括具有第二波长的光学输出的第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；所述光学波导装置进一步包括：

集成电路；所述集成电路形成在所述第一部件的所述电输出与所述第二部件的相应电输入之间的电桥；

其中所述集成电路被直接安装到所述一个或多个光子芯片上；且/或

其中所述集成电路定位在光子芯片的所述第一部分与光子芯片的所述第二部分之间，其中所述第一部件中的每一者是光电检测器且所述第二部件中的每一者是调制器。

2.根据权利要求1所述的光学波导装置，其中所述集成电路被直接安装到光子芯片的所述第一部分和/或光子芯片的所述第二部分上。

3.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中所述集成电路被倒装芯片地安装到光子芯片的所述第一部分和光子芯片的所述第二部分两者上。

4.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中所述集成电路定位在光子芯片的所述第一部分与光子芯片的所述第二部分之间；且其中所述集成电路通过相应的线接合而电连接到所述第一部件和所述第二部件中的每一者。

5.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中光子芯片的所述第一部分是第一光子芯片的一部分，且光子芯片的所述第二部分是第二光子芯片的一部分，所述第二光子芯片与所述第一光子芯片分开。

6.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中光子芯片的所述第一部分是第一光子芯片的一部分，且光子芯片的所述第二部分是同一光子芯片的一部分。

7.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中所述集成电路直接定位在所述光子芯片上，但不与所述第一部件或所述第二部件中的任一者竖直地重叠。

8.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中所述第一部件阵列中的每个部件相对于邻近的第一部件横向地移位，使得所述第一部件阵列具有台阶式布置。

9.根据权利要求8所述的光学波导装置，其中所述第二部件阵列中的每个部件相对于邻近的第二部件横向地移位，使得所述第二部件阵列具有台阶式布置。

10.根据权利要求9所述的光学波导装置，其中每个第一部件与其相应第二部件之间的电连接的长度等于其他第一部件中的每一者与它们的相应第二部件之间的所述电连接的长度。

11.根据权利要求1或2所述的光学波导装置，其中所述集成电路是专用集成电路。

12.根据权利要求11所述的光学波导装置，其中所述集成电路是将所述光电检测器与所述调制器电连接以形成多个检测器重调制器的专用集成电路。

13.根据权利要求12所述的光学波导装置，其中由所述光电检测器接收的光学信号是光学分组，且其中所述专用集成电路包括分组处理器，以用于在将电信号发送到调制器之前，处理其从所述光电检测器接收的分组信息。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的光学波导装置，其中所述集成电路包括波长调谐器，所述波长调谐器控制所述调制器中的一者或多者的经过波长调谐的激光的波长。

15.一种光学波导装置，所述光学波导装置包括：

包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有第一波长的光学输入和电输出；

包括具有第二波长的光学输出的第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；以及

集成电路；所述集成电路形成在所述第一部件的所述电输出中的每一者与所述第二部件中的相应一者的电输入之间的电桥；

其中所述集成电路被倒装芯片地安装到光子芯片的第一和第二部分上；且

其中所述第一部件中的每一者是光电检测器，且所述第二部件中的每一者是调制器。

16.一种光学波导交换机，所述光学波导交换机包括：

阵列波导光栅AWG；以及

根据前述权利要求中任一项所述的光学波导装置；

所述光学波导装置光学连接到所述AWG的输入以用于控制所述AWG的输入处的光学信号的波长，且因此用于控制所述光学信号穿过所述AWG所采取的路径。

17.根据权利要求16所述的光学波导交换机，包括额外的根据权利要求1至15中任一项所述的光学波导装置，所述额外的光学波导装置光学连接到所述AWG的输出。

18.一种用于与一个或多个硅光子芯片一起使用的集成电路，所述集成电路包括：

具有电输入阵列的第一部分，每个电输入被配置成从所述光子芯片中的一者上的光电检测器阵列的相应光电检测器接收电信号；以及

具有电输出阵列的第二部分，每个电输出被配置成将电信号传输到所述光子芯片中的一者上的调制器阵列的相应调制器；

其中所述第一部分定位在所述集成电路的第一侧处，且所述第二部分定位在所述集成电路的第二侧处，所述第一侧不同于所述第二侧。

19.根据权利要求18所述的集成电路，其中所述第一侧与所述第二侧相对。

20.根据权利要求19所述的集成电路，其中所述集成电路是专用集成电路。

21.根据权利要求20所述的集成电路，其中所述专用集成电路是CMOS芯片。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的集成电路，其中所述电输入阵列中的电输入的数目与所述电输出阵列中的电输出的数目相同。

23.根据权利要求22所述的集成电路，其中在所述电输入阵列中存在四个电输入，且在所述电输出阵列中存在四个电输出。

24.根据权利要求18至21中任一项所述的集成电路，进一步包括一个或多个接合衬垫阵列，每个阵列用于连接到RF传输线，所述RF传输线被布置成将所述集成电路连接到一个或多个印刷电路板(PCB)。

25.一种光学波导装置，所述光学波导装置包括：

一个或多个光子芯片，所述一个或多个光子芯片包括：

包括第一部件阵列的光子芯片的第一部分，所述第一部件中的每一者具有光学输入和电输出；以及

包括第二部件阵列的光子芯片的第二部分，所述第二部件中的每一者被配置成接收电输入；

所述光学波导装置进一步包括：

根据权利要求18至24中任一项所述的集成电路，所述集成电路形成在所述第一部件的所述电输出与所述第二部件的相应电输入之间的电桥；

其中所述集成电路被直接安装到所述一个或多个光子芯片上；且/或

其中所述集成电路定位在光子芯片的所述第一部分与光子芯片的所述第二部分之间，其中所述第一部件中的每一者是光电检测器且所述第二部件中的每一者是调制器。

26.根据权利要求25所述的光学波导装置，其中所述集成电路被倒装芯片地安装到光子芯片的所述第一部分和光子芯片的所述第二部分中的至少一者上。

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