CN115144983A - 用于光学互联的设备 - Google Patents

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CN115144983A CN202210529951.2A CN202210529951A CN115144983A CN 115144983 A CN115144983 A CN 115144983A CN 202210529951 A CN202210529951 A CN 202210529951A CN 115144983 A CN115144983 A CN 115144983A
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赖比尔·伊斯兰
宋巍巍
石志聪
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Abstract

一种用于光学互联的设备，包括包含基座层的光子裸片(pDie)及电子裸片(eDie)、波导、光纤连接件的整合，以达成高带宽通信。在一实施例中，一种范例的光学互联装置包括耦接至一光子裸片的一电子裸片，且与一基板、一基座、一板件、一对微镜片及一镜面整合，上述镜面耦接至一波导，上述波导可嵌设在板件中。在另一实施例中，波导嵌设在一基座层中且耦接至一光纤连接件。在此等实施例中，范例的光学界面装置可经由一波导阵列及/或一光纤阵列而耦接另一其他的光学互联装置。

Description

用于光学互联的设备
技术领域
本公开实施例涉及一种用于光学互联装置的设备，尤其涉及一种包括光子裸片(pDie)及电子裸片的光学互联装置。
背景技术
云端计算、商业网络以及数据中心网络持续驱使带宽的需求增加。举例来说，对于数据中心内架对架电线(rack-to-rack wires)的需求已成长到100每秒十亿位元(Gbps)以上，还有对于数据传送通道(lane)的需求的相关增加。增加的带宽需求推动系统与构件之间光学互联技术的应用，且包含数种不同的距离。光学互联已变成重要的工具，用以提升光子及电子板层次系统的性能。用于板层次光学互联的一重要应用是在服务器系统内数个板件或数个芯片之间的耦接。
目前用于板层次光学互联的实践可运用组装在印刷电路板(printed circuitboard，PCB)上的离散的电子裸片及离散的光子裸片。在服务器系统中，对于每个单独的通道，板层次光学互联可运用离散的电子裸片及离散的光子裸片，且运用用于耦接至另一系统的离散的光纤电缆。举例来说，对于支持32至64个通道的切换器特殊应用集成电路(switch ASIC)，一种解决方案可以包括将切换器特殊应用集成电路上的离散的电子裸片和一组光子裸片整合到几个多通道集群中。替代地，如果电子裸片未与切换器特殊应用集成电路整合，则可能需要大型串列器/解串列器(Serializer/Deserializer，SERDES)块来驱动服务器系统中的数据。这种解决方案在面积和功率方面效率低下。因此，需要更有效的方法将电子裸片和光子裸片与印刷电路板整合，以支持整合的波导形成和波导或光纤连接。
在此背景段落所公开的信息仅意欲为提供以下所描述的各式公开实施例的相关脉络，故此背景段落可包含不一定是现有技术的信息(即，本领域技术人员已知的信息)。因此，在此具名的发明人的产品至在此背景段落描述的产品，以及在申请时无法作为现有技术的本叙述内容的数种型态，皆非明示性地或暗示性地承认为抵触本公开实施例的现有技术。
发明内容
在一实施例中，公开一种用于一光学互联的设备。上述设备包括：一基板、一电子裸片、一光子裸片、一基座、一板件、至少一波导、至少一第一微镜片、至少一第二微镜片以及至少一镜面。电子裸片的一第一部分设置于光子裸片的顶部，且电子裸片的一第二部分设置于基板的顶部。光子裸片位于电子裸片的第一部分与基板之间且配置以产生一光信号。基座设置于基板下方。板件设置于基座下方。至少一波导形成在基座或板件中。至少一第一微镜片形成在光子裸片下方。至少一第二微镜片形成在板件的顶部。至少一第一微镜片及至少一第二微镜片经由形成在基板及基座中的至少一孔洞而光学地耦合。至少一镜面安装在板件的顶部，且光学地对齐至少一第二微镜片，且光学地对齐至少一波导。分别地，至少一第一微镜片光学地耦合至至少一第二微镜片，而至少一第二微镜片光学地耦合至至少一镜面，而至少一镜面光学地耦合至至少一波导。
在另一实施例中，一种设备包括：一第一光学互联结构、一第二光学互联结构以及一光纤阵列。光纤阵列将第一光学互联结构光学地耦合至第二光学互联结构。第一光学互联结构及第二光学互联结构的每一者包括：一基板、一电子裸片、一光子裸片、一基座、一板件、至少一波导、至少一第一微镜片、至少一第二微镜片以及至少一镜面。电子裸片的一第一部分设置于光子裸片的顶部，且电子裸片的一第二部分设置于基板的顶部。光子裸片位于电子裸片的第一部分与基板之间。基座设置于基板下方。板件设置于基座下方。至少一波导形成在基座或板件中。至少一第一微镜片形成在光子裸片下方。至少一第二微镜片形成在基座的顶部。至少一第一微镜片及至少一第二微镜片经由形成在基板中的至少一孔洞而光学地耦合。至少一镜面安装在基座的顶部，且光学地对齐至少一第二微镜片，且光学地对齐至少一波导。
在又另一实施例中，一种实现光学互联的方法可包括以下操作：将一电子裸片附接至一光子裸片；将至少一波导嵌设在一基座或一印刷电路板(PCB)中；安装一镜面，邻接波导的一内端部；将一基板附接至基座；形成一开口，至少通过基板；形成一第一镜片，邻接开口的一第一端部；形成一第二镜片，邻接开口相对于第一端部的一第二端部；将光子裸片光学地对齐第一镜片及第二镜片；将附接的电子裸片及光子裸片附接在基板的顶部；将第一镜片及第二镜片光学地对齐镜面及嵌设的波导；以及将基座附接至印刷电路板。
附图说明
根据以下的详细说明并配合所附附图做完整公开。应被强调的是，图示并未必按照比例绘制。事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸及几何形状，以做清楚的说明。
图1示出根据一些实施例，光学互联系统的方块图。
图2示出根据本公开的一些实施例，示例性光学互联装置的侧视图，光学互联装置包括一光子裸片(photonics die，pDie)及一电子裸片(electronic die，eDie)，与一基板、一基座、一板件及一对微镜片整合，微镜片与嵌设在板件中的一波导耦接。
图3示出根据本公开的一些实施例，图2中示例性光学互联装置的顶视图。
图4示出根据本公开的一些实施例，示例性系统的顶视图，包括图2及图3中两个示例性光学互联装置，且经由一波导阵列耦接在一起。
图5示出根据本公开的一些实施例，示例性方法的流程图，用于制作图2及图3中的示例性光学互联装置。
图6示出根据本公开的一些实施例，示例性光学互联装置的侧视图，光学互联装置包括一光子裸片(pDie)及一电子裸片(eDie)，与一基板、一基座、一板件及一对微镜片整合，微镜片与嵌设在基座中的一波导及一光纤连接件耦接。
图7示出根据本公开的一些实施例，图6中示例性光学互联装置的顶视图。
图8示出根据本公开的一些实施例，示例性系统的顶视图，包括图6及图7中两个示例性光学互联装置，且经由一波导阵列耦接在一起。
图9示出根据本公开的一些实施例，示例性方法的流程图，用于制作图6及图7中的示例性光学互联装置。
附图标记如下：
100:光学互联系统
101:光学互联装置
102:电子裸片
103:信号线
104:光子裸片
106:光学互联组件
108:外部系统
109:光信号
110:波导/光纤连接件
112:基板
114:基座
116:板件
200:光学互联装置
202:电子裸片
203A:第一部分
203B:第二部分
204:光子裸片
205:部分
206:第一微镜片
207:第二微镜片
208:镜面
210:波导
212:基板
214:基座
216:板件
218:混合连结件
220:热传播件
222:可控塌陷芯片连接凸块
224A:封装凸块
224B:封装凸块
225:光路径
226:光信号
300:光学互联装置
306:微镜片
308:镜面结构
310:波导阵列
400:系统
401A:光学互联装置
401B:光学互联装置
410:波导阵列
412A:基板
412B:基板
414A:基座
414B:基座
416:板件
420A:热传播件
420B:热传播件
500:流程图
502,504,506,508,510,512,514,516,518,520,522:操作
600:光学互联装置
602:电子裸片
603A:第一部分
603B:第二部分
604:光子裸片
605:部分
606:第一微镜片
607:第二微镜片
608:镜面
610:波导
611:光纤连接件
612:基板
614:基座
616:板件
618:混合连结件
620:热传播件
622:可控塌陷芯片连接凸块
624A:封装凸块
624B:封装凸块
625:光路径
626:光信号
700:光学互联装置
706:微镜片
708:镜面结构
710:波导阵列
711:光纤连接件
800:系统
801A:光学互联装置
801B:光学互联装置
811:光纤连接件
812A:基板
812B:基板
813:光纤阵列
814A:基座
814B:基座
816:板件
820A:热传播件
820B:热传播件
900:流程图
902,904,906,910,912,914,916,918,920,922:操作
具体实施方式
本公开的各式示例性实施例在以下参照随附图示叙述，以使本领域技术人员能够制造及使用本公开。在阅读本公开之后，本领域中技术人员将能明白，可对本文所述的范例进行各式改变或调整，而不超出本公开的范畴。因此，本公开不限于所描述或示出的示例性实施例及应用。此外，本文公开的方法中步骤的特定顺序及/或阶级仅为示例性的方式。基于设计偏好，所公开方法或工艺的步骤的特定顺序或阶级可重新排列，而仍维持在本公开的范畴内。因此，本领域中技术人员将理解到，本文公开的方法及技术代表各式步骤或动作的范本顺序，且除非特别指明，本公开不限于所呈现的特定顺序或阶级。另外，本公开可能在不同范例中重复使用参考符号及/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
以下公开描述了用于实施本标的的不同特征的各式示例性实施例。在以下叙述特定的构件及配置的范例以简化本公开。当然，这些仅为范例而非意欲为限制。举例来说，应了解的是，当一元件被称为“连接至”或“耦接至”另一元件时，此元件可直接地连接或耦接至其他元件，或者可能有一或多个介于中间的元件。此外，与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“底部”、“下面”、“上方”、“较高的”及类似的用词，为了便于描述附图中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中示出的方位外，这些空间相关用词意欲包含使用中或操作中的装置的不同方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。
本文描述的实施例公开了一种光学互联装置，将基座层与一封装与一母板整合，以使波导信息及光纤连接成为可能。光学互联装置可包括一电子裸片(eDie)、一光子裸片(pDie)以及一基板。本文描述的方法可促进光子裸片、电子裸片及光学互联组件的整合，例如：可耦接至一服务器系统。根据一些实施例，光子裸片与电子裸片的整合及附加的基座层可使通过光学互联的高带宽通信成为可能，且同时减少面积及功率，光学互联例如为硅波导。根据一些实施例，这些解决方案可提供大于每秒100十亿位元组(Gb)的带宽支持的数据传输。
本文描述的示例性光学互联装置包括数个微镜片、数个波导及数个基座。这些元件在下文简略地讨论。
微镜片可用以将光线光学地耦合在半导体装置内。在一些实施例中，可在晶片的等级制造微镜片阵列，可使微镜片的成本降低且高度精确。举例来说，微镜片可用硅或二氧化硅制造，且涂布有抗反射层。根据一些实施例，上述微镜片可在绝缘层上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶片或块体硅(Si)的硅基板上制造，且用抗反射层涂布以减少反射散失。当光线从一芯片耦合至另一芯片时，微镜片可用以降低反射散失。在一些实施例中，一第一镜片用以对准(collimate)光线，且一第二镜片用以集中光线。
波导可用以导引波，例如光信号，通过在一方向上限制能量传递的最小能量散失。在一些实施例中，利用各式材料例如：硅、氮化硅或聚合物例如：SU-8，布线波导可形成在板件或基座上。相较于包含光纤的光学布线，此种波导可具有紧密、低成本及高密度的优点。视材料而定，波导的通常长度可从次微米至10微米。
基座可用以耦接电子系统或装置内的数个电子构件或元件。在一些实施例中，光学布线结构可以与它们被制造或添加至板件类似的方式而被制造或添加至基座。上述制造可基于一嵌设的光子芯片或基于在制造基座时制造的聚合物布线结构。
图1示出根据本公开的一些实施例，示例性光学互联系统100的方块图，包括耦接至一外部系统108的一光学互联装置101。应注意的是，光学互联装置101仅为一范例，并非意欲为限制本公开实施例。因此，应了解的是，附加的功能性方块可提供在图1的光学互联装置101中或耦接至光学互联装置101。
在一些实施例中，外部系统108可为计算机装置，例如一服务器系统。光学互联装置101可包括一电子裸片(eDie)102、一光子裸片(pDie)104以及一光学互联组件106，光学互联组件106耦接至波导/光纤连接件110。在一些实施例中，电子裸片102可被称作处理器裸片。电子裸片102可经由一信号线103而电性耦接至光子裸片104。反之，光子裸片104可产生一光信号109，光信号109光学地耦合至光学互联组件106，且光学互联组件106支持波导/光纤连接件110。波导/光纤连接件110代表光学互联装置101的输出且可耦合至系统108。适合用于光子裸片104的光源可包括，例如但不限于：激光二极管或发光二极管(lightemitting diode，LED)。激光二极管可为激光芯片(laser-on-chip)，其中激光材料直接结合并耦接至光子裸片104。用于耦合光源的选项为利用板件或基座上的光纤连接器以连接至外部光源(图未示)。
在一些实施例中，基板112耦接至电子裸片102及光子裸片104，以支持其半导体线路功能。基板112可耦接至基座114，而基座114可耦接至板件116。在各式实施例中，基板112、基座114及板件116可提供基础结构(infrastructure)以促进光学互联组件106内的光学传递，如将在以下详述的内容。
图2示出根据本公开的一些实施例，示例性光学互联装置200的侧视图，光学互联装置200包括电子裸片(eDie)202及光子裸片(pDie)204，与一基板212、一基座214、一板件216、一对微镜片(第一微镜片206及第二微镜片207)、一镜面208、一波导210及一热传播件220整合。在一些实施例中，电子裸片202的第一部分203A可设置在光子裸片204的顶部，经由混合连结件218耦接。电子裸片202的第二部分203B可设置在基板212的顶部且经由倒装芯片(flip-chip)互联方法(可控塌陷芯片连接凸块(C4 bump)222)耦接。根据一些实施例，混合连接件218可为微凸块(μbumps)或混合凸块。光子裸片204可设置在电子裸片202的第一部分203A与基板212之间。举例来说，电子裸片202可包括一特殊应用集成电路切换器。
在一些实施例中，光子裸片204可为绝缘层上硅(SOI)芯片，与俯冲板(diving-board)配置中电子裸片202的整合切换器面对面地混合整合，其中光子裸片204的一部分205延伸超出电子裸片202的边缘。在此位置，光子裸片204仍设置在基板212上方。俯冲板配置可提供简单的触及与实体空间，用于与一或多个其他构件的附接。举例来说，根据一些实施例，用于光纤的光学耦合件(例如：镜片)及光源可附接至光子裸片204的显露表面。
在一些实施例中，基座214可设置在基板212下方且经由封装凸块224A耦接至基板212。相似地，板件216可设置基座214下方且经由封装凸块224B耦接至基座214。在一些实施例中，基板212为一中介质且基座214被认为是一第二基板且板件216被认为是一第三基板。热传播件220可定位在电子裸片202上方且附接至基板212。如图2所示，热传播件220将能量(即，热)从一较热的热源(电子裸片202)传递至一较冷的热槽(例如：基板212)。
在一些实施例中，电子裸片202将一电子信号传送到光子裸片204，导致光子裸片204将一光信号226传递至第一微镜片206。如图示出，第一微镜片206可形成在光子裸片204下方及在基板212和第二微镜片207的顶部，且可形成在板件216的顶部。第一微镜片206及第二微镜片207经由形成在基板212和基座214中的数个孔洞而光学地耦合，形成一光路径225，光信号226可传播通过光路径225。在各式实施例中，上述孔洞可通过蚀刻或钻孔而形成。将孔洞对齐以提供通过基板212和基座214的光路径225，容许第一微镜片206与第二微镜片207之间的直接视线(line of sight)。因此，第一微镜片206光学地耦合至第二微镜片207以容许其间的光信号226传递。
根据各式实施例，在一些实施例中，第一微镜片206及第二微镜片207可用绝缘层上硅(SOI)、硅或一聚合物来制造。在一些实施例中，第一微镜片206及第二微镜片207为镜片阵列，功能类似于封装凸块224A。在一些实施例中，第一微镜片206及第二微镜片207的一直径可在80至150微米之间的范围中(例如：100微米)。根据各式实施例，延伸通过基板212且通过基座214的数个孔洞可用空气或有机材料填充，对于通过光子裸片204产生的光信号226的所选波长为透明的。
在一些实施例中，可通过首先在板件216中形成一孔洞，再将镜面208放置且以粘胶固定至板件216，而将镜面208定位在板件216的顶部。镜面208可以相对于从第二微镜片207接收到的光信号226的方向呈45度角放置。光信号226接着通过镜面208反射且耦合至波导210。如图示出，波导210可形成或嵌设在板件216内，且可适当地定位以与镜面208光学地耦合。在一些其他实施例中，基于板件216的替代结构，镜面208可以相对于光信号226呈不同于45度角的其他角度定位。在一些实施例中，镜面208以金属涂布的硅来制造。在一些实施例中，波导210可耦接至一光纤连接件。
图3示出根据本公开一些实施例，对应于图2的示例性光学互联装置200的示例性光学互联装置300的顶视图。如图示出，板件216设置在基座214下方，而基座214设置在基板212下方，而基板212设置在热传播件220下方。设置在板件216与热传播件220之间的如下：电子裸片202、光子裸片204及镜面结构308。镜面结构308包括多个微镜片306中的至少一者。如图3所示，较大的虚线方框指示电子裸片202设置于热传播件220下方的定位。较小的虚线方框指示光子裸片204及多个微镜片306设置于电子裸片202下方的定位。如图示出，由于镜面结构308设置在板件216的顶部，镜面结构308可称为板件上镜面。从板件216突出的是波导阵列310。多个微镜片306中镜片的数量可对应于波导阵列310中波导的数量。根据一些实施例，如图3示出，多个微镜片306中镜片的数量及波导310的数量为四个。在一些其他实施例中，此数量可不同。在一些实施例中，热传播件220附接至基板212。
图4示出根据本公开的一些实施例，示例性系统400的顶视图，包括图2及图3的两个示例性光学互联装置401A及光学互联装置401B，安装在一共同板件416上并经由一波导阵列410耦接。光学互联装置401A可包括一基座414A，设置在一基板412A下方，而基板412A可设置在一热传播件420A下方。相似地，光学互联装置401B可包括一基座414B，设置在一基板412B下方，而基板412B可设置在一热传播件420B下方。光学互联装置401A可经由波导阵列410耦接至光学互联装置401B。
如图4所示，在一些实施例中，波导阵列410包括数个(例如：四个)波导，设置平行于彼此以提供光学互联装置401A与光学互联装置401B之间的光学耦合。在一些实施例中，波导阵列410中的每一波导可由以聚合物为基底的材料制成。在一些实施例中，光学互联装置401A及光学互联装置401B的结构和功能相似于以上参照图2及图3所描述的，故在此不再重复叙述。
图5示出根据本公开的一些实施例，示例性方法的流程图500，用于制造分别在图2及图3中的示例性光学互联装置200及光学互联装置300。以下公开的示例性方法记载了用于制造示例性光学互联装置200的步骤。相似的关系应用于示例性光学互联装置300，包括多个微镜片306、镜面结构308及波导阵列310。在第一操作502，上述方法包括将电子裸片202的第一部分203A经由混合连结件218附接在光子裸片204的顶部以形成一电子裸片202或光子裸片204结构。接下来，在操作504，上述方法包括在板件216的顶部制造且嵌设波导210(及波导阵列310)，其中波导210的一端延伸至板件216的外部端部。接下来，在操作506，上述方法包括将镜面208安装在波导210的内端部，相对于板件216的外部边缘。相似地，上述方法可包括将附加的镜面结构308安装在波导阵列310中每一波导的内边缘。在替代的实施例中，单一镜面结构208横向地延伸横越波导阵列310中的波导的内端部。
接下来，在操作508，上述方法包括将基板212应由封装凸块224A附接在基座214的顶部。在操作510，上述方法还包括在基板212及基座214中形成一或多个开口，以提供用于光子裸片204和各自波导之间的光学耦合的一光路径。在一些实施例中，形成用于波导阵列310中每一波导的对应开口。接下来，在操作512，上述方法包括在板件216的顶部形成第一微镜片206及第二微镜片207，第一微镜片206邻接基板212的顶部表面处的开口，第二微镜片207邻接基座214的底部表面处的开口，并邻接一或多个镜面208以提供一光学途径并耦接至波导210。在一些实施例中，第二微镜片207光学地与镜面208对齐在一45度角，以反射行经通过第二微镜片207并以90度角朝向波导210的输入的一光束。相似地，多个微镜片306、镜面结构308及波导阵列310可相对彼此对齐，以提供一或多个电子裸片202与一外部系统之间的光学耦合。
接下来，在操作514，上述方法包括将光子裸片204光学地对齐第一微镜片206及第二微镜片207，第一微镜片206及第二微镜片207定位在形成在基板212及基座214中的各自开口处。在操作516，上述方法包括将电子裸片202或光子裸片204结构(如在操作502建造的)附接在基板212的顶部。在一些实施例中，电子裸片202的第二部分203B经由倒装芯片互联方法(例如：可控塌陷芯片连接凸块222)而附接。光子裸片204定位在基板212上，与第一微镜片206对齐，第一微镜片206定位在基板212的顶部处的孔洞中。在操作518，上述方法还包括将第一微镜片206及第二微镜片207光学地对齐嵌设在板件216中的镜面208及波导210。接下来，在操作520，上述方法包括将基座214经由封装凸块224B附接至板件216。接着，在操作522，示例性光学互联装置200通过将热传播件220定位在电子裸片202的顶部且将热传播件220附接至基板212而完成。
以上参照图5所述的操作顺序可根据本公开的各式实施例改变。
功能性地，根据各式实施例，电子裸片202可命令光子裸片204以放射一光信号226至第一微镜片206，第一微镜片206光学地耦合至第二微镜片207，而第二微镜片207光学地耦合至镜面208，而镜面208光学地耦合至波导210。因此，光信号226从光子裸片204传递，以产生波导210的输出，波导210耦接至一配置以接收光信号226的外部系统或装置。
图6示出根据本公开的一些实施例，示例
性光学互联装置600的侧视图，包括一电子裸片(eDie)602及一光子裸片(pDie)604，与耦接至一波导610、一光纤连接件611及一热传播件620的一基板612、一基座614、一板件616及一对微镜片(第一微镜片606及第二微镜片607)整合。
在一些实施例中，电子裸片602的第一部分603A可设置于光子裸片604的顶部，并经由混合连结件618耦接，且电子裸片602的第二部分603B可设置于基板612的顶部，并经由倒装芯片互联方法(可控塌陷芯片连接凸块622)耦接。根据一些实施例，混合连结件618可为微凸块(μbumps)或混合凸块。光子裸片604可定位在电子裸片602的第一部分603A与基板612之间。举例来说，电子裸片602可包括一特殊应用集成电路切换器。
在一些实施例中，光子裸片604可为绝缘层上硅(SOI)芯片，与俯冲板配置中电子裸片602的整合切换器面对面地混合整合，其中光子裸片604的一部分605延伸超出电子裸片602的边缘。根据一些实施例，在此位置，光子裸片604仍设置在基板612上方。俯冲板配置可提供简单的触及与实体空间，用于与一或多个其他构件的附接。举例来说，用于光纤的光学耦合件(例如：镜片)及光源可附接至光子裸片604的显露表面。举例来说，一个选择是激光芯片，其中激光材料直接结合并耦接至光子裸片。另一选择是利用在板件或基座上的光纤连接件以连接一外部的光源。
基座614可设置于基板612下方，并经由封装凸块624A耦接至基板612。相似地，板件616可设置于基座614下方，并经由封装凸块624B耦接至基座614。在一些实施例中，基板612可为中介质，且基座614被认为是第二基板。热传播件620可定位在电子裸片202上方且附接至基板612。热传播件620将能量(即，热)从一较热的热源(电子裸片602)传递至一较冷的热槽(例如：基板612)。
在一些实施例中，电子裸片602传送一电子信号至光子裸片604，导致光子裸片604将一光信号626传递至第一微镜片606。如图示出，第一微镜片606可形成在光子裸片604下方及在基板612和第二微镜片607的顶部，且可形成在基座614的顶部。第一微镜片606及第二微镜片607经由在基板212中蚀刻或钻孔的孔洞而光学地耦合，形成一光路径625，光信号626可传播通过光路径625。将孔洞对齐以提供通过基板的光路径625，容许第一微镜片606与第二微镜片607之间的直接视线(line of sight)。因此，第一微镜片606光学地耦合至第二微镜片607以容许其间的光信号626传递。根据各式实施例，第一微镜片606及第二微镜片607可用绝缘层上硅(SOI)、硅或一聚合物来制造。因此，聚合物镜片可与包含嵌设在基座614中的波导的封装整合。
在一些实施例中，第一微镜片606及第二微镜片607为镜片阵列，功能相似于封装凸块624A。在一些实施例中，第一微镜片606及第二微镜片607的直径可在80至150微米的范围中(例如：100微米)。延伸通过基板612的孔洞可用空气或有机材料填充，对于通过光子裸片604产生的光信号626的所选波长为透明的。
在一些实施例中，可通过首先在基座614中形成一孔洞，再将镜面608放置且以粘胶固定至基座614，而将镜面608定位在基座614的顶部。镜面608可以相对于从第二微镜片607接收到的光信号626的方向呈45度角定位。光信号626接着通过镜面608反射且耦合至波导610。波导610耦接至光纤连接件611。如图示出，波导610及光纤连接件611嵌设在基座614的顶部部分内，且适合地定位以光学地耦合至镜面608。在一些其他实施例中，基于基座614的替代结构，镜面608可以相对于光信号626呈不同于45度角的其他角度定位。
如图6示出，相较于图2，波导610嵌设在基座614中而非板件616。此结构可提升性能，因为光源更靠近波导610，也就是说，光学构件彼此的靠近程度提升。并且，可达成提升的整合性，因为基座区域用于波导610及光纤连接件611，所以板件区域可用于其他构件。在一些实施例中，镜面608以金属涂布的硅制造。
图7示出根据本公开的一些实施例，示例性光学互联装置700的顶视图，对应于图6的示例性光学互联装置600。如图示出，板件616设置在基座614下方，而基座614设置在基板612下方，而基板612设置在热传播件620下方。设置在基座614与热传播件620之间的是一电子裸片602、一光子裸片604、多个微镜片706以及一镜面结构708。如图7所示，较大的虚线方框指示电子裸片602设置于热传播件620下方的定位。较小的虚线方框指示光子裸片604及多个微镜片706设置于电子裸片602下方的定位。如图示出，由于镜面结构708设置在基座614的顶部，镜面结构708可称为基座上镜面。从基座614突出的是波导阵列710及数个光纤连接件711，将光线阵列中的各自光纤连接，如以下详述。如图示出，根据一些实施例，微镜片706、波导阵列710及光纤连接件711的数量为四个。在一些其他实施例中，此数量可不同。在一些实施例中，热传播件620附接至基板612。在一些实施例中，镜面608以金属涂布的硅制造。
图8示出根据本公开的一些实施例，示例性系统800的顶视图，包括图6及图7中两个示例性光学互联装置801A及光学互联装置801B，安装在一共同的板件816上且经由一光纤阵列813耦接。光学互联装置801A可包括一基座814A，设置在基板812A下方，基板812A设置在热传播件820A下方。相似地，光学互联装置801B可包括一基座814B，设置在基板812B下方，基板812B设置在热传播件820B下方。光学互联装置801A可经由光纤阵列813耦接至光学互联装置801B。光纤阵列813与光学互联装置801A和光学互联装置801B之间的界面为光纤连接件811。如图8所示，在一些实施例中，光纤阵列813包括数个(例如：四个)光纤，彼此平行设置，以经由光纤连接件811提供光学互联装置801A与光学互联装置801B之间的光学耦合，光纤连接件811形成在一基座或板件上或嵌设在一基座或板件内。在一些实施例中，光学互联装置801A及光学互联装置801B的结构及功能相似于以上参照图6及图7所述，故在此不再重复叙述。
图9示出根据本公开的一些实施例，示例性方法的流程图900，用于制造分别在图6及图7中的示例性光学互联装置600及光学互联装置700。以下公开的示例性方法记载了用于制造示例性光学互联装置600的步骤。相似的关系应用于示例性光学互联装置700，包括多个微镜片706、镜面结构708、波导阵列710及光纤连接件711。上述示例性方法包括以下步骤：在第一操作902，上述方法包括将电子裸片602的第一部分603A经由混合连结件618附接在光子裸片604的顶部以形成一电子裸片602或光子裸片604结构。接下来，在操作904，上述方法包括在基座614中制造且嵌设波导610及光纤连接件611。波导610及光纤连接件611可在基座614的顶部部分上制造。光纤连接件611可耦接至波导610的一端部，且光纤连接件611延伸至基座614的一外部端部，如图6所示出。
在操作906，上述方法包括将镜面608安装在波导610的内端部，相对于耦接至光纤连接件611的外端部。相似地，上述方法可包括将附加的镜面结构808安装在波导阵列710中每一波导的内边缘。在替代的实施例中，单一镜面结构708横向地延伸横越波导阵列710中每一波导的内端部。接下来，在操作910，上述方法包括在基板612中形成一开口，以支持用于波导610的光学连接。上述开口提供用于光子裸片604与各自波导之间光学耦合的光路径625。相似地，上述方法可包括形成用于波导阵列310中每一波导的开口。接下来，在操作912，上述方法包括形成第一微镜片606及第二微镜片607，第一微镜片606邻接基板612的顶部表面处的开口，第二微镜片607在基座614的顶部，邻接基板612的底部表面处的开口，且邻接一或多个镜面608，以提供光学途径并耦接至波导610。
在一些实施例中，第二微镜片607光学地与镜面608对齐在一45度角，以反射行经通过第二微镜片607并以90度角朝向波导610的输入的一光束。相似地，多个微镜片706、镜面结构708及波导阵列710可相对彼此对齐，以提供一或多个电子裸片602与一外部系统之间的光学耦合。接下来，在操作914，上述方法包括将光子裸片604光学地对齐第一微镜片606及第二微镜片607，第一微镜片606及第二微镜片607定位在形成在基板612中的各自开口处。在操作916，上述方法包括将电子裸片602或光子裸片604结构(如在操作902建造的)附接至基板612。在一些实施例中，电子裸片602的第二部分603B经由倒装芯片互联方法(例如：可控塌陷芯片连接凸块622)而附接。光子裸片604定位在基板612上，与第一微镜片606对齐，第一微镜片606定位在基板612的顶部处的孔洞中。接下来，在操作918，上述方法包括将第一微镜片606及第二微镜片607光学地对齐嵌设在基座614中的镜面608及波导610。接下来，在操作920，上述方法包括各自地将基板612经由封装凸块624A附接至基座614且将基座614经由封装凸块624B附接至板件616。接着，在操作922，示例性光学互联装置600通过将热传播件620定位在电子裸片602的顶部且将热传播件620附接至基板612而完成。
以上参照图9所述的操作顺序可根据本公开的各式实施例改变。
功能性地，在一些实施例中，电子裸片602可提供控制信号至光子裸片604，命令光子裸片604放射一光信号626至第一微镜片606，第一微镜片606光学地耦合至第二微镜片607，而第二微镜片607光学地耦合至镜面608，而镜面608光学地耦合至波导610，而波导610光学地耦合至光纤连接件611。因此，光信号626从光子裸片604传递至光纤连接件611。以此方式，举例来说，光信号可在基座814A与基座814B之间传递，基座814A与基座814B例如通过光纤阵列813及光纤连接件811耦接，如图8所示。
在一实施例中，公开一种用于一光学互联装置的设备。上述设备包括：一基板、一电子裸片、一光子裸片、一基座、一板件、至少一波导、至少一第一微镜片、至少一第二微镜片以及至少一镜面。电子裸片的一第一部分设置于光子裸片的顶部，且电子裸片的一第二部分设置于基板的顶部。光子裸片位于电子裸片的第一部分与基板之间且配置以产生一光信号。基座设置于基板下方。板件设置于基座下方。至少一波导形成在基座或板件中。至少一第一微镜片形成在光子裸片下方。至少一第二微镜片形成在板件的顶部。至少一第一微镜片及至少一第二微镜片经由形成在基板及基座中的至少一孔洞而光学地耦合。至少一镜面安装在板件的顶部，且光学地对齐至少一第二微镜片，且光学地对齐至少一波导。分别地，至少一第一微镜片光学地耦合至至少一第二微镜片，而至少一第二微镜片光学地耦合至至少一镜面，而至少一镜面光学地耦合至至少一波导。
在一些实施例中，设备还包括：一热传播件，设置于电子裸片的第一部分及电子裸片的第二部分的顶部，且附接至基板。在一些实施例中，至少一第一微镜片制造于一绝缘层上硅或硅基板上。在一些实施例中，形成在基板及基座中的至少一孔洞填充有有机材料，对于通过光子裸片产生的光信号的一所选波长为透明的。在一些实施例中，至少一镜面通过将至少一孔洞形成在板件中，接着将至少一镜面放置且以粘胶固定至板件而安装在板件的顶部。在一些实施例中，至少一镜面以相对于从至少一第二微镜片及嵌设的至少一波导接收到的光信号呈45度角放置。在一些实施例中，至少一镜面以金属涂布的硅来制造。在一些实施例中，光子裸片配置以基于来自电子裸片的一输入来产生光信号，其中光信号通过至少一第一微镜片及至少一第二微镜片传递，且接着经由至少一镜面反射至至少一波导。在一些实施例中，设备还包括至少一光纤连接件，耦接至嵌设的至少一波导。在一些实施例中，至少一波导包括多个波导，以形成一波导阵列。
在另一实施例中，一种设备包括：一第一光学互联结构、一第二光学互联结构以及一光纤阵列。光纤阵列将第一光学互联结构光学地耦合至第二光学互联结构。第一光学互联结构及第二光学互联结构的每一者包括：一基板、一电子裸片、一光子裸片、一基座、一板件、至少一波导、至少一第一微镜片、至少一第二微镜片以及至少一镜面。电子裸片的一第一部分设置于光子裸片的顶部，且电子裸片的一第二部分设置于基板的顶部。光子裸片位于电子裸片的第一部分与基板之间。基座设置于基板下方。板件设置于基座下方。至少一波导形成在基座或板件中。至少一第一微镜片形成在光子裸片下方。至少一第二微镜片形成在基座的顶部。至少一第一微镜片及至少一第二微镜片经由形成在基板中的至少一孔洞而光学地耦合。至少一镜面安装在基座的顶部，且光学地对齐至少一第二微镜片，且光学地对齐至少一波导。
在一些实施例中，第一光学互联结构及第二光学互联结构的每一者还包括至少一光纤连接件，耦接至至少一波导，且其中至少一光纤耦接至光纤阵列的至少一光纤。在一些实施例中，至少一镜面通过将至少一孔洞形成在基座中，接着将至少一镜面放置且以粘胶固定至基座而安装在基座的顶部。在一些实施例中，至少一第一微镜片及至少一第二微镜片为聚合物镜片。在一些实施例中，光子裸片配置以基于来自电子裸片的一输入来产生一光信号，其中光信号通过至少一第一微镜片及至少一第二微镜片耦合，且光信号接着经由至少一镜面反射至至少一波导的一者，且其中光信号经由一激光芯片通过至少一第一微镜片耦合，在激光芯片处激光材料直接与光子裸片结合及耦接。
在又另一实施例中，一种实现光学互联的方法可包括以下操作：将一电子裸片附接至一光子裸片；将至少一波导嵌设在一基座或一印刷电路板(PCB)中；安装一镜面，邻接波导的一内端部；将一基板附接至基座；形成一开口，至少通过基板；形成一第一镜片，邻接开口的一第一端部；形成一第二镜片，邻接开口相对于第一端部的一第二端部；将光子裸片光学地对齐第一镜片及第二镜片；将附接的电子裸片及光子裸片附接在基板的顶部；将第一镜片及第二镜片光学地对齐镜面及嵌设的波导；以及将基座附接至印刷电路板。
在一些实施例中，上述方法还包括：将一热传播件定位在电子裸片的顶部，且将热传播件附接至基板。在一些实施例中，电子裸片经由多个混合连结件而附接至光子裸片。在一些实施例中，基板附接至基座，且基座经由多个封装凸块而附接至板件。在一些实施例中，附接的电子裸片及光子裸片经由倒装芯片互联而附接至附接的基板及基座。
前述内文概述了许多实施例的特征，使本技术领域中技术人员可以从各个方面更佳地了解本公开。本技术领域中技术人员应可理解，且可轻易地以本公开为基础来设计或修饰其他工艺及结构，并以此达到相同的目的及/或达到与在此介绍的实施例等相同的优点。本技术领域中技术人员也应了解这些相等的结构并未背离本公开的发明精神与范围。在不背离本公开的发明精神与范围的前提下，可对本公开进行各种改变、置换或修改。

Claims (1)

1.一种用于光学互联的设备，包括：
一基板；
一电子裸片；
一光子裸片，其中该电子裸片的一第一部分设置于该光子裸片的顶部，且该电子裸片的一第二部分设置于该基板的顶部，其中该光子裸片位于该电子裸片的该第一部分与该基板之间且配置以产生一光信号；
一基座，设置于该基板下方；
一板件，设置于该基座下方；
至少一波导，形成在该基座或该板件中；
至少一第一微镜片，形成在该光子裸片下方；
至少一第二微镜片，形成在该板件的顶部，其中该至少一第一微镜片及该至少一第二微镜片经由形成在该基板及该基座中的至少一孔洞而光学地耦合；以及
至少一镜面，安装在该板件的顶部，且光学地对齐该至少一第二微镜片，且光学地对齐该至少一波导；
其中，分别地，该至少一第一微镜片光学地耦合至该至少一第二微镜片，而该至少一第二微镜片光学地耦合至该至少一镜面，而该至少一镜面光学地耦合至该至少一波导。
CN202210529951.2A 2021-05-28 2022-05-16 用于光学互联的设备 Pending CN115144983A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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