CN108199779B

CN108199779B - 用于通信的方法和系统

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Publication number: CN108199779B
Application number: CN201810146445.9A
Authority: CN
Inventors: 彼得·德·多比拉里; 格雷格·扬; 马克·彼得森
Original assignee: Luxtera LLC
Current assignee: Luxtera LLC
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: TWI616987B; KR102012984B1; JP6227878B2; TW201537692A; JP2018010325A; TW201816946A; EP3029861B1; JP2013243649A; EP3340495B1; CN108199779A; TWI686904B; EP3029861A1; JP6404430B2; EP2639978A1; CN103312415B; TWI502689B; CN103312415A; KR20130105552A; TW201340258A; EP3340495A1

Abstract

本申请公开了用于通信的方法和系统，并且所述方法和系统可包括，从外部光源、从光源组件或者从与硅光子插入器耦合的光纤，在硅光子插入器内接收一个或多个连续波(CW)光信号。根据从电子晶片接收的电信号，可处理所接收的CW光信号。可在硅光子插入器内，从与硅光子插入器耦合的光纤中接收调制光信号。根据所接收的调制光信号，在硅光子插入器中可生成电信号，并且然后可通过铜柱将电信号传送给电子晶片。可使用光栅耦合器，将光信号传送入硅光子插入器内和/或从硅光子插入器中传送出。电子晶片可包括以下中的一个或多个：处理器芯部、开关芯部或路由器。

Description

用于通信的方法和系统

本申请是申请日2013年3月18日、申请号为201310086470.X、发明名称为“用于通信的方法和系统”的专利申请的分案申请，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明的某些实施例涉及半导体处理。更具体而言，本发明的某些实施例涉及一种用于光子插入器的方法和系统。

背景技术

由于数据网络发展为满足不断增长的带宽要求，所以铜数据信道的缺点越来越明显。由辐射电磁能量所造成的信号衰减和串扰为这种系统的设计人员所面临的主要障碍。通过均衡、编码以及屏蔽，可在某种程度上减轻这种障碍，但是这些技术需要大量功率、较为复杂并且需要大量电缆，同时提供仅仅力所能及的适度改进以及非常有限的可扩展性。由于没有这种信道限制，所以将光学通信视为铜链路的继承者。

通过比较这种系统和根据视图在本申请的剩余部分中提出的本发明，对于本领域的技术人员而言，普通和传统方法的其他限制和缺点显而易见。

发明内容

主要结合至少一幅视图显示和/或描述一种用于光子插入器的系统和/或方法，在本发明中更完整地提出了该系统和/或方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于通信的方法，所述方法包括：在集成光学通信系统内，包括耦合至硅光子插入器的一个或多个互补金属氧化物半导体(CMOS)电子晶片；从所述硅光子插入器的外部的光源，将一个或多个连续波(CW)光信号接收在所述硅光子插入器中；基于从所述一个或多个CMOS电子晶片接收的电信号，处理所接收的所述一个或多个CW光信号；从耦合至所述硅光子插入器的一个或多个光纤，将调制光信号接收在所述硅光子插入器中；根据所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通信的系统，所述系统包括：集成光学通信系统，包括耦合至硅光子插入器的一个或多个互补金属氧化物半导体(CMOS)电子晶片，所述集成光学通信系统可操作，以便：从所述硅光子插入器外部的光源，将一个或多个连续波(CW)光信号接收在所述硅光子插入器中；基于从所述一个或多个CMOS电子晶片接收的电信号，处理所接收的所述一个或多个CW光信号；从耦合至所述硅光子插入器的一个或多个光纤，将调制光信号接收在所述硅光子插入器中；基于所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

根据本发明的另一方面，提供了一种一种用于通信的系统，所述系统包括：集成光学通信系统，包括耦合至硅光子插入器的一个或多个互补金属氧化物半导体(CMOS)电子晶片，所述集成光学通信系统是可操作的，以便：从通过一个或多个光纤与所述硅光子插入器耦合的光源，将一个或多个连续波(CW)光信号接收在所述光子晶片中；基于从所述一个或多个CMOS电子晶片接收的电信号，处理所接收的所述一个或多个CW光信号；从耦合至所述硅光子插入器的一个或多个光纤，将调制光信号接收在所述硅光子插入器中；基于所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

通过以下描述和视图，更完整地了解本发明的各种优点、方面和新颖特征及其所显示的实施例的细节。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的使用光子插入器的CMOS收发器的方框图；

图2A为根据本发明的一个实施例的包括光子插入器的一个示范性光收发器的示意图；

图2B为根据本发明的一个实施例的一种混合式集成光子收发器的透视图；

图2C为根据本发明的一个实施例的具有两个耦合的电子晶片的光子插入器的透视图；

图3为根据本发明的一个实施例的示意图，示出了将电子芯片结合至光子插入器的混合式集成；

图4为根据本发明的一个实施例的示范性金属柱耦合的电气和光电装置的剖面的示意图；

图5A为根据本发明的一个实施例的具有多个开关芯部的一个示范性光子插入器的视图；

图5B为根据本发明的一个实施例的具有开关芯部和光电子晶片的示范性光子和电子插入器的视图；

图5C为根据本发明的一个实施例的具有开关芯部和光电子晶片的示范性光子插入器的视图；

图6为根据本发明的一个实施例的具有单个开关芯部的示范性光子插入器的视图；

图7为根据本发明的一个实施例的具有多芯部互连和波导的光子插入器的视图；

图8为根据本发明的一个实施例的具有多芯部互连和波导的光子插入器的视图。

具体实施方式

在用于光子插入器的方法和系统内可发现本发明的某些方面。本发明的示范性实施例可包括，从硅光子插入器外部的光源中，在硅光子插入器中接收一个或多个连续波(CW)光信号。根据从所述一个或多个CMOS电子晶片中接收的电信号，可处理所接收的CW光信号。可从与硅光子插入器耦合的一个或多个光纤中，在硅光子插入器中接收调制的光信号。可根据所接收的调制光信号，在硅光子插入器内，生成电信号。例如，通过铜柱，可将所述生成的电信号传送给一个或多个CMOS电子晶片。可从与硅光子插入器耦合的光源组件中，在硅光子插入器中接收所述一个或多个CW光信号。可从与硅光子插入器耦合的一个或多个光纤中，接收所述一个或多个CW光信号。可使用硅光子插入器中的一个或多个光调制器，处理所述一个或多个接收的CW光信号。所述一个或多个光调制器可包括马赫-策德尔(Mach-Zehnder)干涉仪调制器。可使用在硅光子插入器内整合的一个或多个光电探测器，在硅光子插入器内生成电信号。可使用光栅耦合器，将光信号传入硅光子插入器内和/或从硅光子插入器中传出。所述一个或多个电子晶片可包括以下中的一个或多个：处理器芯部、开关芯部、或路由器。集成光学通信系统包括多个收发器。

图1为根据本发明的一个实施例的使用光子插入器的CMOS收发器的方框图。参看图1，显示了收发器100内的光电子装置，其包括高速光调制器105A-105D、高速光电二极管111A-111D、监视器光电二极管113A-113H、以及包括分接头103A-103K、光端子115A-115D、以及光栅耦合器117A-117H的光学装置。也显示了电气装置和电路，其包括跨阻抗和限幅放大器(TIA/LA)107A-107E、模数控制电路109、以及控制部分112A-112D。通过在CMOS插入器芯片内制造的光波导，在光学装置和光电装置之间传送光信号，在图1中由椭圆形虚线表示光波导。光学装置和光电装置整合在硅光子插入器内，而电子装置整合在与硅光子插入器耦合的一个或多个CMOS电子芯片内。

例如，高速光调制器105A-105D包括马赫-策德尔调制器或环形调制器，并且能够调制CW激光输入信号。高速光调制器105A-105D由控制部分112A-112D控制，并且调制器的输出通过波导与光栅耦合器117E-117H光学地耦合。例如，分接头103D-103K包括四个端口光学耦合器，并且用于将高速光调制器105A-105D所生成的光信号取样，所取样的信号由监视器光电二极管113A-113H测量。分接头103D-103K中未使用的分支由光端子115A-115D终止，以便避免背向反射不需要的信号。

光栅耦合器117A-117H包括光栅，其能够将光耦合输入到硅光子插入器内和从硅光子插入器中耦合输出。光栅耦合器117A-117D可用于将从光纤中接收的光耦合输入到硅光子插入器内，并且可包括与偏振无关的光栅耦合器。光栅耦合器117E-117H可用于将来自硅光子插入器的光耦合输入到光纤内。例如，光纤可通过环氧树脂胶合到CMOS芯片中，并且可以相对于法线成一角度地对准到硅光子插入器的表面，以便将耦合效率最优化。

高速光电二极管111A-111D将从光栅耦合器117A-117D中接收的光信号转换成传送给TIA/LA 107A-107D的电信号，以便进行处理。模数控制电路109在操作TIA/LA 107A-107D时可控制增益电平或其他参数。TIA/LA 107A-107D、模数控制电路109、以及控制部分112A-112D可整合在一个或多个电子CMOS芯片上，这些芯片可通过铜柱与硅光子插入器结合。这样，可在不同的CMOS节点上单独地优化电性能和光子性能。然后，TIA/LA 107A-107D可将电信号传送给电子芯片上的其他电路。

TIA/LA 107A-107D可包括窄带非线性光电子接收器电路。因此，窄带接收器前端之后可为恢复器电路，诸如，例如，不归零(NRZ)电平恢复器电路。恢复器电路限制光接收器的带宽，以便减少综合噪音，从而提高信噪比。NRZ电平恢复器可用于将所产生的数据脉冲转换回NRZ数据。

控制部分112A-112D包括电子电路，其能够调制从分接头103A-103C中接收的CW激光信号。例如，高速光调制器105A-105D要求高速电信号以调制马赫-策德尔干涉仪(MZI)的各个分支的折射率。

在本发明的一个实施例中，将收发器所需要的所有光学装置和光电子装置整合到单个硅光子插入器内，并且在一个或多个CMOS电子芯片上整合所有需要的电子装置，能够优化所产生的单个混合封装件的性能。这样，与优化硅光子插入器内的光子装置无关，可优化电子装置性能。例如，在32nm的CMOS工艺上，可优化电子CMOS芯片，而在130nm的CMOS节点上，可优化硅光子插入器。电子装置可位于电子芯片上，从而当与硅光子插入器结合时，电子装置直接位于其相关的光子装置之上。例如，控制部分112A-112D可位于电子CMOS芯片上，从而控制部分直接位于高速光调制器105A-105B之上并且可通过低寄生铜柱耦合。

在一个示范性实施例中，混合式收发器100包括具有一个光源的四个光电子收发器，并且能够将光信号垂直地传送给硅光子插入器的表面并且从该表面中传送，从而能够使用CMOS工艺和结构，包括CMOS保护环。硅光子插入器可包括有源器件(例如，光电探测器和调制器)和无源器件(例如，波导、分裂器、组合器以及光栅耦合器)，从而能够在CMOS芯片上集成光子电路。

图2A为根据本发明的一个实施例的包括光子插入器的一个示范性光收发器的示意图。参看图2A，显示了一种光子收发器200，其包括印刷电路板(PCB)/基板201、硅光子插入器203、电子CMOS晶片205、硅通孔(TSV)206、铜柱207、光源模块209、光输入/输出(I/O)211、焊线213、光环氧树脂215、以及光纤217。

PCB/基板201可包括用于光子收发器200的一种支撑结构，并且可包括绝缘和导电材料，用于隔离装置，并且通过硅光子插入器203为硅光子插入器203上的有源器件以及电子晶片205上的装置提供电接触。此外，PCB/基板可提供导热路径，以便带走由电子晶片205和光源模块209内的器件和电路所生成的热量。

例如，硅光子插入器203可包括CMOS芯片，其具有有源和无源光学装置，例如，波导、调制器、光电探测器、光栅耦合器、分接头、以及组合器。硅光子插入器203所支持的功能可包括光电探测、光学调制、光学路由以及光学接口，用于高速I/O和光功率传输。

硅光子插入器203也可包括铜柱207以及光栅耦合器，铜柱用于将电子晶片205耦合到硅光子插入器203中，光栅耦合器用于将光从光源模块209中耦合到晶片内并且通过光学I/O 211将光耦合输入到晶片内和/或从该晶片中耦合输出。此外，硅光子插入器203可包括TSV 206，用于通过晶片进行电互连，例如，在PCB/基板201和电子晶片205之间。光学环氧树脂215也可协助光学接口，提供光透明性和机械固定。

电子晶片205可包括一个或多个电子CMOS芯片，其提供光子收发器200所需要的电子功能。电子晶片205可包括单一一个芯片或多个晶片，其通过铜柱207与硅光子插入器203耦合。电子晶片205可包括TIA、LNA、以及控制电路，用于处理光子芯片203内的光信号。例如，电子晶片205可包括驱动器电路，用于控制硅光子插入器203内的光调制器以及用于放大从硅光子插入器203内的光电探测器中接收的电信号的可变增益放大器。通过在硅光子插入器203内包含光子装置并且在电子晶片205内包含电子装置，可优化用于每个芯片的CMOS工艺，用于所包含的那种装置。

TSV 206可包括导电路径，其垂直延伸穿过硅光子插入器203，并且在电子晶片205和PCB/基板201之间提供电连接。这可用于代替焊线(例如，焊线213)或者与焊线一起使用。

铜柱207可包括线性或二维阵列的金属柱，以便在硅光子插入器203和电子晶片205之间提供电接触。例如，铜柱207可在硅光子插入器203内的光电探测器和电子晶片205内相关的接收器电路之间提供电接触。此外，铜柱207可提供电子芯片和光子晶片的机械耦合，并且可通过底部填充进行封装，以便保护金属和其他表面。

光源模块209可包括具有光源(例如，半导体激光器)的组件和相关的光学和电气元件，以便将一个或多个光信号引入硅光子插入器203内。在2009年7月9日提交的美国专利申请12/500,465中描述了光源模块的一个实例，该案之全文以引用的方式并入本文中。在另一个示范性场景中，通过固定在硅光子插入器203内的光栅耦合器之上的光纤，来自光源组件209的这个或这些光信号可耦合到硅光子插入器203内。

光学I/O 211可包括用于将光纤217耦合到硅光子插入器203的组件。因此，光学I/O 211可包括用于一个或多个光纤和一个光学表面的机械支撑件，以便与硅光子插入器203耦合，例如，通过光学环氧树脂215。在另一个示范性场景中，也可沿着硅光子插入器203的边缘固定光学I/O211，如虚线光学I/O 211所示，能够将光信号直接耦合到光波导内，其与硅光子插入器203表面上的光栅耦合器相反。

在操作过程中，可通过硅光子插入器203内的一个或多个光栅耦合器，将连续波(CW)光信号从光源模块209传送到硅光子插入器203内。硅光子插入器203内的光子装置然后可处理所接收的光信号。例如，一个或多个光调制器可根据从电子晶片205中接收的电信号调制CW信号。可通过铜柱207从电子晶片205中接收电信号。通过将硅光子插入器203内的调制器直接整合在电子晶片205内的电信号源之下，可将信号路径长度最小化，产生非常高速的性能。例如，使用电容<20fF的～20微米的铜柱时，可实现50GHz以及更高的速度。

然后，通过位于光学I/O 211之下光栅耦合器，可从硅光子插入器203中传送出调制的光信号。这样，电子晶片205内生成的高速电信号可用于调制CW光信号，并且随后通过光纤217从硅光子插入器203中传送出。

同样，可通过光纤217和光学I/O 211，在硅光子插入器203内接收调制的光信号。可通过光波导，在硅光子插入器203内将所接收的光信号传送给在硅光子插入器203内整合的一个或多个光电探测器。光电探测器可整合在硅光子插入器203内，从而当由低寄生电容铜柱207结合并且电耦合时，光电探测器直接位于电子晶片205内相关的接收器电子电路之下。

通过铜柱将CMOS电子晶片混合地整合在硅光子插入器上，从而使用CMOS工艺实现非常高速的光收发器。此外，整合单独的光子和电子晶片，能够在各个CMOS处理内独立地优化电子和光子功能的性能。通过面对面地与硅光子插入器结合，从而安装电子晶片，该电子晶片可包含电路，这些电路“驱动”插入器上的光子电路。这些电路替代普通电互连解决方法中的电子信令驱动电路。

此外，通过硅光子插入器203，能够在多个电子晶片之间进行光学互连(即，芯片到芯片互连)，其中，通过将电子晶片和插入器以及硅光子插入器203上相关的光学路由相结合，支持收发器功能。本发明不限于图2A中所示的设置。因此，能够具有各种堆叠设置。例如，光子插入器可夹在电子芯片之间，并且可配置插入器/电子芯片的堆栈，产生一种三维结构。

图2B为根据本发明的一个实施例的一种混合式集成光子收发器的透视图。参看图2B，显示了PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、铜柱207、光源组件209、光学I/O211、焊线213、光纤217、以及接触焊盘219。

在通过铜柱207与硅光子插入器203的表面结合之前，显示了电子晶片205，由每个晶片下面的虚线箭头表示。图2B中显示了两个电子晶片205的同时，应注意的是，不这样限制本发明。因此，例如，根据收发器的数量、所使用的特定的CMOS节点、导热性、空间限制，任何数量的电子晶片可与硅光子插入器203耦合。

在另一个示范性实施例中，例如，可远程定位光源组件209，并且一个或多个光纤可用于通过光栅耦合器将光源信号耦合到硅光子插入器203内。

在一个示范性实施例中，使用独立的CMOS过程，可将电子功能整合到电子晶片205内，并且可将光子电路整合到硅光子插入器203内。电子晶片205可包括与硅光子插入器203内的光子装置相关的电子装置，从而将电气路径长度最小化，同时依然允许将电子和光子装置进行单独的性能优化。例如，CMOS工艺产生最高的电子性能，例如，最快的切换速度，这些工艺可能并非CMOS光子性能的最佳工艺。同样，可在这个不同的晶片内结合不同的技术。例如，SiGe CMOS工艺可用于光子装置，例如，光电探测器，并且32nm CMOS工艺可用于电子晶片205上的电子装置。

硅光子插入器203可包括光子电路，据此可从硅光子插入器203中接收、处理和发送光信号。光源组件209可将CW光信号提供给硅光子插入器203，硅光子插入器203内的光子电路处理CW信号。例如，CW信号可通过光栅耦合器与硅光子插入器203耦合，通过光波导传送给晶片上的各种位置，由马赫-策德尔干涉仪(MZI)调制器调制，并且从硅光子插入器203中传送到光纤中。这样，在CMOS工艺中能够混合式整合多个高性能的光收发器。

在另一种示范性场景中，硅光子插入器203可在电子晶片之间提供光学路由。例如，电子晶片205可包括多个处理器和存储器晶片。例如，可通过铜柱将来自电子晶片205的电信号传输给硅光子插入器203上的调制器，并且转换成光信号，以便在使用光电探测器转换回电信号之前，通过光波导而路由给另一个电子晶片。这样，例如，多个电子晶片能够进行非常高速的耦合，降低了处理器芯片上的存储器要求。

由于不需要控制的阻抗线路，所以使用光信号将电子晶片互连时，能够进行非常密集的低功率互连。而且，由于在插入器内没有功率消耗晶片，所以在仅仅具有光子的晶片上进行整合，可降低成本，并且可通过传统方法对电子晶片进行散热。

图2C为根据本发明的一个实施例的具有两个耦合的电子晶片的光子插入器的透视图。参看图2C，显示了PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光源组件209、光学I/O 211、焊线213、以及光纤217。

显示了电子晶片205，其通过铜柱与硅光子插入器203的表面结合。在图2C中显示了两个电子晶片205的同时，再次应注意的是，不必这样限制本发明。因此，例如，根据收发器的数量、所使用的特定的CMOS节点、导热性、以及空间限制，任何数量的电子晶片可与硅光子插入器203耦合。

在一个示范性实施例中，使用独立的CMOS工艺，可将电子功能整合到电子晶片205内，并且可将光子电路整合到硅光子插入器203内。电子晶片205可包括与硅光子插入器203内的光子装置相关的电子装置，从而将电气路径长度最小化，同时依然允许对电子和光子装置进行独立的性能优化。可在不同的芯片内结合不同的技术。例如，SiGe CMOS工艺可用于硅光子插入器203内的光子装置，例如，光电探测器和调制器，并且32nm CMOS工艺可用于电子晶片205上的电子装置。

在另一个示范性场景中，一个电子晶片205可包括普通的专用集成电路(ASIC)，并且第二电子晶片205可包括驱动器晶片，其电路用于驱动硅光子插入器203内的光子装置。因此，驱动器晶片可通过硅光子插入器203从ASIC中接收电信号，并且使用所接收的信号，随后驱动硅光子插入器203内的光子装置。这样，第二晶片提供驱动器电路，该电路与ASIC内的集成驱动器电路相反。这就允许现有的ASIC设计与硅光子插入器203整合，而不对ASICI/O电路进行任何修改。在图5B和5C中进一步示出这些示范性实施例。

硅光子插入器203可包括光子电路，据此，可从硅光子插入器203中接收、处理和发送光信号。光源组件209可将CW光信号提供给硅光子插入器203，并且由通过焊线213与光源组件209耦合的电压而偏置。硅光子插入器203内的光子电路然后可处理CW信号。例如，CW信号可通过光栅耦合器与硅光子插入器203耦合，通过光波导传送给晶片上的各位各位置，由MZI调制器调制，并且通过光学I/O 211而从硅光子插入器203中传送到光纤217中。

通过PCB/基板201可以从晶片带走热量。这样，使用单独最优化的CMOS工艺时，硅光子插入器和电子晶片205可实现多个高性能的光收发器。同样，例如，硅光子插入器203能够在电子晶片205内的电子电路之间进行高速互连，例如，在处理器芯部和存储器之间。

图3为根据本发明的一个实施例的混合式整合电子晶片和光子插入器的示意图。参看图3，显示了电子晶片205、铜柱207、以及硅光子插入器203。硅光子插入器203可包括光栅耦合器301、偏振分裂光栅耦合器303、光电探测器305、光学调制器307、TSV 309以及光波导311。

铜柱207在电子晶片205和硅光子插入器203之间提供电气和机械耦合。光栅耦合器301将光耦合输入到光子晶片/插入器300内和/或从其中耦合输出。同样，偏振分裂光栅耦合器303能够将两个偏振光耦合输入到光子晶片/插入器300内和/或从其中耦合输出。

例如，调制器307可包括MZI调制器，并且可操作以便通过铜柱207，根据从电子晶片205接收的电信号而调制光信号。在一个示范性场景中，可通过一个光栅耦合器301从光源接收CW光信号，通过光波导311传送该信号，由光调制器307调制该信号，由光波导311传送回该信号，并且通过其他光栅耦合器301从硅光子插入器203中传送出该信号。

例如，光电探测器305可包括半导体光电二极管，并且可进行操作以便将所接收的光信号转换成电信号。在一个示范性场景中，可由偏振分裂光栅耦合器303接收具有垂直偏振的光信号，通过波导311传送该信号，由光电探测器305将该信号转换成电信号，通过铜柱207将所产生的电信号传送给电子晶片205。电信号可由电子晶片205内的电子设备进一步进行处理和/或通过焊线或铜柱207和TSV 309传送给其他电路。

硅光子插入器203包括CMOS光子晶片，其可为多个电子晶片提供光子电路，从而降低或消除高速电子设备之间的电互连。例如，这可用于高速存储器访问、高速处理器互连、以及耦合多个高速电子芯片。

图4为根据本发明的一个实施例的示范性金属柱耦合的电气和光电装置的剖面的示意图。参看图4，显示了混合式集成半导体结构400，其包括CMOS光子基板/芯片(chip)/晶片(die)450、CMOS电子基板/芯片/晶片460、以及用于进行基板/芯片物理和电气耦合的金属层427。CMOS光子基板/芯片/晶片450包括光学装置420以及相关的层，并且CMOS电子基板/芯片/晶片460包括晶体管410A和410B以及相关的层。例如，晶片层用于制造晶体管410A和410B和光学装置420，以便隔离该装置以及与该装置的电连接。

CMOS光子基板/芯片/晶片450包括基板401A、掩埋氧化物403、硅层405、接触层415A、第一金属层(metal 1layer)417A、以及硅通孔(TSV)443A和443B。光学装置420包括硅层405的掺杂和/或未掺杂区域、硅化金属阻止区(salicide block，自对准多晶硅化物阻止区)413、掺杂的接触区435和437、蚀刻区439、以及锗层445。硅化金属阻止区413包括一层材料，用于防止光学装置420和其他光学装置的硅在标准的CMOS工艺中形成自对准硅化物。如果光学装置内的硅形成自对准硅化物，那么会造成大的光损耗。此外，硅化金属阻止区413阻止不必要的植入物进入波导和其他光学装置内，这样的进入也会造成不必要的损耗。可将硅化金属阻止区413蚀刻至硅层405，从而可沉积锗层445。例如，锗层445可用于光电探测器装置内。此外，硅层405内的蚀刻区439可用于光学限制。例如，蚀刻区439可重新填充有低k介质，或者可包括没有再填充材料的气隙。例如，填充材料可包括二氧化硅或氮氧化物材料。

CMOS电子基板/芯片/晶片460包括硅基板401B、阱(well，电位阱)407、接触层415B、第一金属层417B、最后的金属层423、钝化层425、以及金属层427。第一金属层417B、最后的金属层423以及金属层427在层之间提供电接触，并且将电接触提供给电气和光电子装置，例如，晶体管410A和410B和光学装置420。通过在导电孔之间包含绝缘材料，接触层415也能够与这些装置进行电接触，同时在装置之间提供电隔离。

晶体管410A和410B包括大型晶体管(bulk tansistor)，源极区和漏极区分别通过掺杂物植入工艺形成在电位阱407或基板401B内，例如，也包括栅极431和钝化层433。例如，栅极431可包括金属或多晶硅，并且可通过薄氧化层(未显示)与电位阱407隔离。

在本发明的一个实施例中，单独的CMOS工艺可用于制造CMOS光子基板/芯片/晶片450和/或CMOS电子基板/芯片/晶片460，从而可针对每种装置而优化这些工艺。CMOS光子基板/芯片/晶片450可包括光子插入器，例如，硅光子插入器203，其可操作，以便与一个或多个电子晶片耦合，用于在电子晶片之间传送高速信号，无需阻抗受控的电路径。可在不同的CMOS工艺内，制造插入器和电子晶片。这样，层厚和掺杂程度可配置成，用于各个结构内的最佳电子和光子性能，无需在与同时制造电子和光子结构相关的性能方面进行权衡。

图5A为根据本发明的一个实施例的具有多个开关芯部的一个示范性光子插入器的视图。参看图5A，显示了一个多芯部光子插入器开关500，其包括PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光学I/O 211、光纤217、TSV 309、以及光源507。

光源507包括从源(例如，激光器)接收光学信号的光纤和光学I/O，从而不需要将光源组件与硅光子插入器203直接耦合，如图2A-2C中所示。光源507内的光纤可包括单模光纤，用于将单模耦合输入到硅光子插入器203内。在一个示范性实施例中，光源507将CW光信号提供给硅光子插入器。

在另一个示范性实施例中，四个电子晶片205可包括路由器、开关、和/或用于处理电信号的处理器芯部。电子晶片205可通过芯片的背面散热，其中，在图5B中，背面为电子晶片205朝上的一侧，与和硅光子插入器203耦合的侧边相反。多芯部光子插入器开关500可包括1.2兆的兆位的开关，通过硅光子插入器203在每个芯部之间的互连速度为300Gb/s，并且通过光纤217传送1.2Tb/s到多芯部光子插入器开关500内和从该开关中传送出1.2Tb/s。

图5B为根据本发明的一个实施例的具有开关芯部和光电子晶片的示范性光子和电子插入器的视图。参看图5B，显示了一个开关芯部组件520，其包括PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光学I/O 211、光纤217、以及光源507。也显示了焊接凸点521、光电子驱动器晶片523、以及电子插入器525。

电子插入器525可包括一种插入器，其用于电耦合标准的ASIC芯片和光子插入器203和光电子驱动器晶片523内的光子电路。这可允许标准的芯片与光子组件相结合，无需在电子晶片205内进行任何I/O修改。因此，电子晶片205无需从光电子装置中驱动或接收信号，例如，光子插入器203内的调制器或光电二极管。这些功能可整合到光电子驱动器晶片523内，在电子晶片205内使用标准的电接口时，允许具有完全的灵活性。

焊接凸点521可包括球形金属触点，用于将电子插入器525电气和物理地耦合至PCB/基板201。

图5C为根据本发明的一个实施例的具有开关芯部和光电子晶片的示范性光子插入器的视图。参看图5C，显示了一个开关芯部组件540，其包括PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光学I/O 211、光纤217、光源507、焊接凸点521、以及光电子驱动器晶片523。

在一个示范性场景中，硅光子插入器203可电耦合标准的ASIC芯片至光子光电子驱动器晶片523内的光子电路，将图5B的电子插入器525的功能基本上组合到图5C的硅光子插入器203内。这可允许标准的芯片与光子组件组合，无需在电子晶片205内进行任何I/O修改。因此，电子晶片205无需直接从光电子装置中驱动或接收信号，例如，光子插入器203内的调制器或光电二极管。这些功能可整合到光电子驱动器晶片523内，在电子晶片205内使用标准的电接口时，允许具有完全的灵活性。

图6为根据本发明的一个实施例的具有单个开关芯部的示范性光子插入器的视图。参看图6，显示了一个单芯部光子插入器开关600，其包括PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光学I/O 211、光纤217、TSV 309、以及光源507。

在一个示范性场景中，单个电子晶片205可包括路由器、开关、和/或用于处理电信号的处理器芯部，并且可通过芯片的背面散热。单芯部光子插入器开关600可从光源光纤507接收CW光信号。电子晶片205内所生成的电信号可用于驱动硅光子插入器203内的一个或多个调制器。一个或多个调制器可生成数字光信号，用于在整个硅光子插入器203中传送数据，通过光纤217从单芯部光子插入器开关600中传出这些信号或者将这些信号传送到电子晶片205的其他部分。

通过将所有光子装置整合在硅光子插入器203内并且将所有电子装置整合在电子晶片205内，在专用CMOS工艺内可独立地优化这些装置。这样，独立于电子晶片技术节点，CMOS插入器203可配置成，用于最佳的光子性能。同样，通过硅光子插入器203光学上传送信号时，控制的阻抗线路不需要传送电信号。此外，混合时，通过将驱动器电路直接配置在相关的光子装置之上，可大幅提高速度性能和功率效率。

图7为根据本发明的一个实施例的具有多芯部互连和波导的光子插入器的视图。参看图7，显示了一个多芯部光子插入器700，其包括PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、铜柱207、光学I/O 211、光纤217、光波导311、以及光源507。

图7显示了硅光子插入器203和电子晶片205的透明视图，用于示出波导311和铜柱207。例如，显示了几组光波导311，其耦合光学I/O 211至硅光子插入器203的特定区域，从而然后可在这些区域内，将电信号传送给电子晶片205以及从电子晶片传出电信号。同样，例如，光波导311耦合光源507至硅光子插入器203的区域，以便通过位于电子晶片205内的相关电路下面的调制器随后进行调制，从而当转换成电信号时，在整个CMOS光学插入器203上分布光源信号，以供每个电子晶片205使用，例如，光电二极管。

铜柱207可设置在电子晶片205的周围和/或该晶片的中心，如图7中所示。同样，TSV可位于整个硅光子插入器上，以便在电子晶片205和PCB/基板201内的器件之间提供电接触。因此，将TSV整合在某些铜柱207的下面。

由于单模光学通信具有非常高的带宽功能，所以多芯部插入器700能够以每秒1兆兆位的速度进行传送。例如，可使用～20微米的铜柱，其电容为<20fF，可以获得的速度为50GHz以及以上。因此，通过将多个信号整合在波导311内并且随后整合在光纤217内，能够具有兆兆位的速度。

图8为根据本发明的一个实施例的具有多芯部互连和波导的光子插入器的视图。参看图8，显示了PCB/基板201、硅光子插入器203、电子晶片205、光学I/O 211、光纤217、光电探测器305、调制器307以及光源507。

在硅光子插入器203内，光电探测器305和调制器307可成对地安排，以便在光学I/O 211处提供双向通信，从而来自光纤217的输入光信号可由一个或多个光电探测器305转换成电信号，以便通过铜柱传送给电子晶片205。同样，在硅光子插入器203内，可将电信号从电子晶片205传送到一个或多个调制器307，以便转换成光信号，通过光波导，可将光信号传送给光学I/O 211并且随后从一个或多个光纤217中传送出。

此外，可通过一个或多个光栅耦合器，将来自光源507的CW光信号传送到硅光子插入器203内，并且将该光信号分布在整个插入器上，以便随后由调制器307进行处理，由电子晶片205内的电子电路驱动调制器。

在本发明的一个实施例中，提供了一种方法和系统，用于光子插入器。在这方面，本发明的各方面可包括，从硅光子插入器203外部的光源209、507中，在硅光子插入器203中接收一个或多个连续波(CW)光信号101。根据从所述一个或多个CMOS电子晶片205中接收的电信号，可处理所接收的CW光信号101。从与硅光子插入器203耦合的一个或多个光纤217中，可在硅光子插入器203中接收调制的光信号，即，光信号In。

可根据所接收的调制光信号，即，光信号In，在硅光子插入器203内，生成电信号。可将生成的电信号传送给所述一个或多个CMOS电子晶片205。可通过铜柱207将生成的电信号传送给所述一个或多个CMOS电子晶片205。可从与硅光子插入器耦合的光源组件，在硅光子插入器中接收所述一个或多个CW光信号。可从与所述硅光子插入器203耦合的一个或多个光纤217中，接收所述一个或多个CW光信号101。

可使用硅光子插入器中的一个或多个光调制器105A-105D、307，处理一个或多个接收的CW光信号101。例如，所述一个或多个光调制器105A-105D、307可包括马赫-策德尔干涉仪调制器。可使用在硅光子插入器203内整合的一个或多个光电探测器111A-111D、305，在硅光子插入器203内生成电信号。可使用光栅耦合器117A-117H、301、303，将光信号传入硅光子插入器203的光信号In内和/或从硅光子插入器的光信号Out中传出。所述一个或多个电子晶片205包括以下中的一个或多个：处理器芯部、开关芯部、或路由器。集成光学通信系统100包括多个收发器105/112/117/107/111(A-F)。

虽然已经根据某些实施例描述本发明，但是本领域的技术人员要理解的是，在不背离本发明的范围的情况下，可进行各种变换并且可代替等同物。此外，在不背离其范围的情况下，可进行多种修改，以便使特定的情况或材料适合于本发明的教导内容。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，本发明包括所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于通信的方法，所述方法包括：

在集成光学通信系统内，包括耦合至硅光子插入器的一个或多个互补金属氧化物半导体CMOS电子晶片，其中，所述硅光子插入器设置在基板上并且所述一个或多个CMOS电子晶片设置在所述硅光子插入器上；

从所述硅光子插入器的外部的光源，将一个或多个连续波CW光信号接收在所述硅光子插入器中；

基于从所述一个或多个CMOS电子晶片接收的电信号，处理所接收的所述一个或多个CW光信号；

经由所述硅光子插入器上的一个或多个光栅耦合器，将调制光信号接收在所述硅光子插入器中；

根据所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及

将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

2.根据权利要求1所述的方法，包括通过铜柱将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

3.根据权利要求1所述的方法，包括从耦合至所述硅光子插入器的光源组件中，将所述一个或多个CW光信号接收在所述硅光子插入器中。

4.根据权利要求1所述的方法，包括从耦合至所述硅光子插入器的一个或多个光纤，接收所述一个或多个CW光信号。

5.根据权利要求1所述的方法，包括使用所述硅光子插入器中的一个或多个光调制器，处理所接收的所述一个或多个CW光信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述一个或多个光调制器包括马赫-策德尔干涉仪调制器。

7.根据权利要求1所述的方法，包括使用集成在所述硅光子插入器内的一个或多个光电探测器，在所述硅光子插入器内生成所述电信号。

8.根据权利要求1所述的方法，包括使用光栅耦合器将光信号传送至所述硅光子插入器内和/或从所述硅光子插入器传送出。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个CMOS电子晶片包括以下中的一个或多个：处理器芯部、开关芯部或路由器。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述集成光学通信系统包括多个收发器。

11.一种用于通信的系统，所述系统包括：

集成光学通信系统，包括耦合至硅光子插入器的一个或多个互补金属氧化物半导体CMOS电子晶片，其中，所述硅光子插入器设置在基板上并且所述一个或多个CMOS电子晶片设置在所述硅光子插入器上，所述集成光学通信系统可操作以：

从所述硅光子插入器外部的光源，将一个或多个连续波CW光信号接收在所述硅光子插入器中；

经由所述硅光子插入器上的光栅耦合器，将调制光信号接收在所述硅光子插入器中；

基于所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及

将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述集成光学通信系统是可操作以通过铜柱将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，混合式的所述集成光学通信系统可操作以从耦合至所述硅光子插入器的光源组件，将所述一个或多个CW光信号接收在所述硅光子插入器中。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，混合式的所述集成光学通信系统可操作以从耦合至所述硅光子插入器的一个或多个光纤接收所述一个或多个CW光信号。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，混合式的所述集成光学通信系统可操作以使用所述硅光子插入器中的一个或多个光调制器来处理所接收的所述一个或多个CW光信号。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述一个或多个光调制器包括马赫-策德尔干涉仪调制器。

17.根据权利要求11所述的系统，其中，混合式的所述集成光学通信系统可操作以使用集成在所述硅光子插入器内的一个或多个光电探测器，在所述硅光子插入器内生成所述电信号。

18.根据权利要求11所述的系统，其中，混合式的所述集成光学通信系统可操作以使用光栅耦合器，将光信号传送入所述硅光子插入器内和/或从所述硅光子插入器中传送出。

19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述一个或多个CMOS电子晶片包括以下中的一个或多个：处理器芯部、开关芯部或路由器。

20.一种用于通信的系统，所述系统包括：

从通过一个或多个光纤与所述硅光子插入器耦合的光源，将一个或多个连续波CW光信号接收在所述硅光子插入器中；

经由一个或多个光波导将所接收的所述调制光信号路由至一个或多个光电探测器；

使用所述一个或多个光电探测器基于所接收的所述调制光信号，在所述硅光子插入器内生成电信号；以及

将所生成的所述电信号传送至所述一个或多个CMOS电子晶片。