CN117043948A - 用光纤的led芯片到芯片垂直发射光学通信 - Google Patents

用光纤的led芯片到芯片垂直发射光学通信 Download PDF

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CN117043948A CN202280018817.4A CN202280018817A CN117043948A CN 117043948 A CN117043948 A CN 117043948A CN 202280018817 A CN202280018817 A CN 202280018817A CN 117043948 A CN117043948 A CN 117043948A
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A·采利科夫
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Abstract

不同半导体封装中的多芯片模块可通过由多芯光纤链接的LED及光电检测器进行光学数据耦合。所述多芯光纤可穿过所述半导体封装中的孔，其中所述半导体封装中的LED及光电检测器阵列分别提供及接收包括在所述多芯片模块之间传递的数据的光学信号。

Description

用光纤的LED芯片到芯片垂直发射光学通信
技术领域
本发明大体上涉及半导体芯片到芯片通信，且更特定来说涉及不同半导体封装中半导体芯片之间的光学互连。
背景技术
在半导体芯片中具有集成电路的电子装置普遍存在。半导体芯片执行各种逻辑操作，包含计算功能，且通常提供与那些操作相关的存储器存储。
半导体芯片通常位于半导体封装内，其中半导体封装安装到印刷电路板等等。半导体封装可含有单个半导体芯片或多个半导体芯片，例如通常称为多芯片模块。多芯片模块可允许使用较小大小的半导体芯片，潜在地增加了有效制造产量，同时仍允许在单个半导体封装内提供增加功能。
许多装置包含电路板上的若干半导体封装，且一些装置甚至可包含多个电路板。不幸的是，电信号跨电路板的传输可给正常装置操作带来问题。电路板上或电路板中的金属信号迹线通常具有随着迹线长度而增加的离散电阻及电容，且迹线可被认为是很长的，特别是考虑到半导体芯片中集成电路的操作速度。电阻及电容可导致不适当信号损失、信号延迟及可能其它问题。
克服与信号损失及信号延迟相关的问题可导致产生横越电路板的部分的信号的功耗增加，以及可能导致接收芯片中操作电路系统以恢复接收信号的功耗增加。此外，一个半导体封装中的集成电路的操作可依赖于跨电路板接收的信号，例如处理器操作取决于另一半导体封装中的存储器中的信息。那些信号跨电路板的电传输的延迟可有效地限制那些操作的速度，且可能限制整个装置的速度。
发明内容
一些实施例提供一或多个电路板，其具有由多芯光纤光学互连的半导体封装，其中所述半导体封装各自包含一或多个半导体逻辑及/或存储器芯片、收发器电路系统及包含微LED及光电检测器的阵列用于向所述多芯光纤提供光或从所述多芯光纤接收光。所述多芯光纤可布置在所述电路板的与安装有所述半导体封装的一侧相对的一侧上。
一些实施例提供一种光学互连系统，其包括：安装在第一半导体封装中的第一衬底上的第一半导体逻辑电路系统；电耦合到所述第一半导体逻辑电路系统的第一收发器电路系统；电耦合以由所述第一收发器电路系统驱动的多个第一微LED；电耦合以向所述第一收发器电路系统提供信号的多个第一光电检测器；安装在第二半导体封装中的第二衬底上的第二半导体逻辑电路系统；电耦合到所述第二半导体逻辑电路系统的第二收发器电路系统；电耦合以由所述第二收发器电路系统驱动的多个第二微LED；电耦合以向所述第二收发器电路提供信号的多个第二光电检测器；及多芯光纤，其第一端经定位成接收由所述第一微LED发射的光且将光提供到所述第一光电检测器，且其第二端经定位成接收由所述第二微LED发射的光且将光提供到所述第二光电检测器。在一些实施例中，所述多芯光纤是相干多芯光纤。
一些实施例提供一种光学互连系统，其包括：多芯光纤；第一半导体封装，其具有第一孔以接收所述多芯光纤的第一端；第二半导体封装，其具有第二孔以接收所述多芯光纤的第二端；第一半导体逻辑电路系统，其安装在所述第一半导体封装中的第一衬底上；第一收发器电路系统，其位于所述第一半导体封装中，电耦合到所述第一半导体逻辑电路系统；多个第一微LED，其位于所述第一半导体封装中，电耦合以由所述第一收发器电路系统驱动，所述多个第一微LED经定位成将光发射到多芯光纤的所述第一端中；多个第一光电检测器，其位于所述第一半导体封装中，电耦合以向所述第一收发器电路系统提供信号，所述多个第一光电检测器经定位成接收来自所述多芯光纤的所述第一端的光；第二半导体逻辑电路系统，其安装在所述第二半导体封装中的第二衬底上；第二收发器电路系统，其位于所述第二半导体封装中，电耦合到所述第二半导体逻辑电路系统；多个第二微LED，其位于所述第二半导体封装中，电耦合以由所述第二收发器电路系统驱动，所述多个第二微LED经定位成将光发射到所述多芯光纤的所述第二端中；及多个第二光电检测器，其位于所述第二半导体封装中，电耦合以向所述第二收发器电路系统提供信号，所述多个第二光电检测器经定位成接收来自所述多芯光纤的所述第二端的光。
在一些实施例中，所述第一收发器电路系统安装到所述第一衬底且所述第二收发器电路系统安装到所述第二衬底。在一些实施例中，所述第一半导体逻辑电路系统在第一芯片中，所述第一收发器电路系统在第二芯片中，所述第二半导体逻辑电路系统在第三芯片中，且所述第二收发器电路系统在第四芯片中。在一些实施例中，所述第一半导体逻辑电路系统在第一芯片中，所述第一收发器电路系统在所述第一芯片中，所述第二半导体逻辑电路系统在第二芯片中，且所述第二收发器电路系统在所述第二芯片中。在一些实施例中，所述第一光电检测器形成于第一芯片中且所述第一微LED安装在所述第一芯片上，且所述第二光电检测器形成于第二芯片中且所述第二微LED安装在所述第二芯片上。一些实施例进一步包括用于将来自所述第一微LED的光朝向所述多芯光纤的所述第一端光学反射的第一微LED反射器及用于将来自所述第二微LED的光朝向所述多芯光纤的所述第二端光学反射的第二微LED反射器。一些实施例进一步包括用于将来自所述多芯光纤的所述第一端的光朝向所述第一光电检测器光学反射的第一光电检测器反射器及用于将来自所述多芯光纤的所述第二端的光朝向所述第二光电检测器光学反射的第二光电检测器反射器。在一些实施例中，所述第一孔位于所述第一半导体封装的一侧中且所述第二孔位于所述第二半导体封装的一侧中。一些实施例进一步包括在所述第一LED与所述多芯光纤的所述第一端之间的第一九十度反射器及在所述第二LED与所述多芯光纤的所述第二端之间的第二九十度反射器。在一些实施例中，所述第一LED及所述第一光电检测器布置在第一阵列中，其中所述第一LED及所述第一光电检测器关于平分所述第一阵列的平面具有镜像LED-光电检测器对称性，且所述第二LED及所述第二光电检测器布置在第二阵列中，其中所述第二LED及所述第二光电检测器关于平分所述第二阵列的平面具有镜像LED-光电检测器对称性，使得所述第一LED经由所述多芯光纤与所述第二光电检测器链接且所述第二LED经由所述多芯光纤与所述第一光电检测器链接。在一些实施例中，所述多芯光纤是相干多芯光纤。在一些实施例中，所述第一半导体封装安装到电路板且所述第二半导体封装安装到所述电路板。在一些实施例中，所述多芯光纤穿过所述第一半导体封装下的第一电路板孔且穿过所述第二半导体封装下的第二电路板孔。在一些实施例中，所述多芯光纤经定位成使光穿过所述第一衬底中的第三孔且使光穿过所述第二衬底中的第四孔。在一些实施例中，所述多芯光纤经定位成使光至少部分在所述多芯光纤内穿过所述第一衬底中的第三孔，其中所述多芯光纤至少部分位于所述第一衬底中的所述第三孔内，且其中所述多芯光纤经配置成使光至少部分在所述多芯光纤内穿过所述第二衬底中的第四孔，其中所述多芯光纤至少部分位于所述第二衬底中的所述第四孔内。在一些实施例中，所述多芯光纤是相干多芯光纤。
本发明的这些及其它方面在阅读本公开之后得到更全面的理解。
附图说明
图1A是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片位于中介层上。
图1B是根据本发明的方面的光学耦合半导体封装的实例框图。
图2以图表形式说明根据本发明的方面的中介层上的光学收发器芯片。
图3展示根据本发明的方面的实例光学收发器芯片的部分横截面。
图4是根据本发明的方面的方向改变耦合光学器件的半示意图。
图5展示根据本发明的方面的使用抛物面反射器有效捕获LED以大角度发射的光且将光耦合到输出波导中。
图6A到D说明根据本发明的方面的LED及光电检测器阵列的布局图案。
图7是根据本发明的方面的多芯光纤的各种细节的横截面图。
图8说明根据本发明的方面的相干多芯光纤的横截面图，以及说明使用多个芯将信号从一或多个LED传送到一或多个光电检测器。
图9也是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图。
图10以图解形式说明包含中介层上的图9的光学收发器电路系统的半导体芯片。
图11展示根据本发明的方面的包含光学收发器电路系统的实例半导体芯片的部分横截面。
图12A是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片位于中介层上。
图12B是图12A的半导体封装中的第一者的光学收发器芯片附近的部分的半框图、剖视半侧视图。
图13A是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片与另一芯片混合集成。
图13B是图13A的半导体封装中的第一者的光学收发器芯片附近的部分的半框图、剖视半侧视图。
图14A是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中收发器电路系统与芯片单片集成。
图14B是图14A的半导体封装中的第一者的收发器电路系统附近的部分的半框图、剖视半侧视图。
具体实施方式
图1A是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片位于中介层上。图1A展示安装在电路板121上的第一及第二多芯片模块(MCM)111a、b，电路板121可为印刷电路板(PCB)。在一些实施例中，MCM可安装到单独电路板。每一MCM可通过球安装到电路板，其中球提供电信号从MCM到电路板的通路。例如，球可为焊球，焊球可为球栅阵列的部分。尽管在电路板上仅展示两个MCM，但在许多实施例中，电路板可具有更多MCM，以及各种单芯片封装、离散电路元件，例如电感器及电容器，以及可能各种连接器。
第一及第二MCM各包含多个半导体芯片。在图1A中，半导体芯片113a、b中的第一者包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。尽管对于每一MCM，仅展示半导体芯片中的单个第一者，但在一些实施例中，MCM中的一或多者可包含多个此类半导体芯片。
每一MCM中的半导体芯片分别安装在中介层115a、b上。中介层各自位于封装衬底116a、b上。封装盖117a、b在封装衬底的边缘附近与封装衬底配合，其中封装盖具有内部空腔。因此，封装盖及封装衬底形成半导体封装，所述半导体封装容纳且通常封闭中介层及半导体芯片。通常，中介层包含通孔及可能的重布层，用于在半导体芯片之间传递电信号并传递到封装的通孔。封装的通孔继而通常耦合到将半导体封装电耦合到电路板的焊球。
第一及第二MCM还包含呈光学收发器芯片123a、b形式的半导体芯片。在本文中讨论的实施例中，光学收发器芯片可包括硅半导体芯片，其中LED直接或间接放置在硅半导体芯片上。光学收发器芯片有时可被称为光学收发器IC(OTRIC)。光学收发器芯片经展示为安装在中介层115a、b上，其中光学收发器芯片也在半导体封装117a、b内。光学收发器芯片通过中介层电耦合到其相应封装中的半导体芯片中的第一者。可包含中介层上或中介层内的迹线的电耦合允许信号在半导体芯片与光学收发器芯片之间通过。
光学收发器芯片包含用于驱动LED的电路系统以产生从其它半导体芯片提供到光学收发器芯片的光编码数据。光学收发器芯片还包含用于放大以及在一些实施例中对来自光电检测器的信号进行各种处理的电路系统。在各种实施例中，LED(未展示于图1A中)可为微LED，且LED可安装在光学收发器芯片上或安装在安装到光学收发器芯片的衬底上。在一些实施例中，LED位于可被认为是光学收发器芯片的上表面的表面上，即远离其上安装有光学收发器芯片的中介层的表面。光电检测器可形成于光学收发器芯片中，例如在光学收发器芯片的表面附近，或安装到光学收发器芯片的表面。在一些实施例中，光电检测器位于可被认为是光学收发器芯片的上表面的表面上或中。
在本文中所讨论的各种实施例中，LED是微LED。在一些实施例中，微LED由直接带隙半导体材料的p-n结制成。在一些实施例中，微LED与半导体激光器(SL)的区别如下：(1)微LED不具有光学谐振器结构；(2)微LED的光学输出几乎完全是自发辐射，而来自SL的输出主要是受激发射；(3)来自微LED的光学输出在时间上及空间上不相干，而来自SL的输出具有显著时间及空间相干性；(4)微LED经设计成驱动到零最小电流，而SL经设计成驱动到最小阈值电流，其通常至少为1mA。在一些实施例中，微LED与标准LED的区别在于(1)具有小于10μm×10μm的发射区域；(2)经常在顶部及底部表面上具有阴极及阳极触点，而标准LED通常在单个表面上具有正极及负极触点；(3)通常用于显示及互连应用的大阵列中。
多芯光纤125用于光学耦合第一MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器以及第二MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器。在图1A中，第一MCM包含在封装侧中的孔122a，其中多芯光纤穿过封装侧中的孔。多芯光纤的第一端经定位成通过第一MCM的方向改变耦合光学器件126从LED及光电检测器接收光并将光传递到LED及光电检测器。方向改变耦合光学器件在第一MCM的半导体封装内。在图1A中，方向改变耦合光学器件经展示为在光学收发器芯片的上表面上。同样如图1A中所展示，多芯光纤的第一端经定位成水平接收及提供光，与通常由光学收发器芯片的顶部界定的平面的表面成90度。
同样在图1A中，第二MCM包含位于封装顶部的孔122b，其中多芯光纤穿过封装顶部的孔。第二MCM不包含方向改变耦合光学器件。代替地，多芯光纤的第二端经定位成从第二光学收发器芯片的LED及光电检测器接收光并将光传递到第二光学收发器芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，第二MCM可代替地使多芯光纤穿过封装侧的孔，且包含第一MCM的方向改变耦合光学器件。相反，在一些实施例中，第一MCM可使多芯光纤穿过封装顶部的孔，且不包含方向改变耦合光学器件。
图1B是光学耦合半导体封装的实例框图。在一些实施例中，图1B是图1A的装置的光学通信组件的框图。在图1B的框图中，第一及第二半导体芯片131a、b使用光学介质145交换数据。第一及第二半导体芯片可被认为是端点IC。光学介质可为多通道光学传输介质。在图1B中，第一半导体芯片131a通过电连接向第一收发器阵列133a提供数据且从其接收数据。第一半导体芯片包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路，且可为图1B的第一半导体芯片111a。第一收发器阵列可在单独芯片中，且在与第一半导体芯片相同的半导体封装中，且在各种实施例中，在与第一半导体芯片相同的中介层上。在一些实施例中，第一收发器阵列是图1A的光学收发器芯片113a。第一收发器阵列包含用于驱动LED137a以产生来自第一半导体芯片的光编码数据的多个传输电路135a，及用于放大且在一些实施例中恢复由光电检测器141a提供的信号中的数据的多个接收器电路139a。
光学耦合组件143a将来自LED的光耦合到光学介质145，且将来自光学介质的光耦合到光电检测器。在一些实施例中，光学耦合组件包含集光器光学器件增加由LED产生的提供给光学介质的光量及/或增加从光学介质提供给光电检测器的光量。在一些实施例中，另外或代替地，光学耦合组件包含聚焦光学器件以将来自LED的光聚焦到光学介质中及/或将来自光学介质的光聚焦到光电检测器上。在一些实施例中，另外或代替地，光学耦合组件包含方向改变光学器件以改变在LED/光电检测器与光学介质之间通过的光的方向。在一些实施例中，光学介质是多芯光纤。在一些实施例中，多芯光纤是相干多芯光纤。
类似地，光学耦合组件143b将来自LED 137b的光耦合到光学介质145中，且将来自光学介质的光耦合到光电检测器141b上。光学耦合组件143b可与光学耦合组件143a相同，或光学耦合组件143b可仅具有光学耦合组件143a的一些特征。LED 137b及光电检测器141b是第二收发器阵列133b的部分，其中第二收发器阵列也包含接收器电路139b及传输电路135b。第二收发器阵列向第二半导体芯片131b提供数据且从其接收数据。第二收发器阵列及第二半导体芯片可呈关于第一收发器阵列及第一半导体芯片讨论的形式、封装及连接。
图2以图解形式说明中介层213上的光学收发器芯片211。光学收发器芯片具有通过焊球215耦合到中介层的第一侧。光学收发器芯片的第一侧可被认为是光学收发器芯片的底侧，其中光学收发器芯片的底侧耦合到中介层的顶侧。焊球提供中介层的电路径与光学收发器芯片的电路径之间的电信号通信。
LED 217位于光学收发器芯片的顶部上。在一些实施例中，LED安装到光学收发器芯片的顶部，在一些实施例中，LED安装到附接到或沉积在光学收发器芯片顶部上的衬底。光学收发器芯片内的传输电路系统219驱动LED产生光，其中传输电路系统根据通过中介层提供给光学收发器芯片的电信号驱动LED。
光电检测器221位于光学收发器芯片的顶部内。光电检测器基于接收光产生电信号，其中电信号提供到光学收发器芯片内的接收电路系统223。接收电路系统通常放大来自光电检测器的电信号，且在一些实施例中对放大信号执行额外处理。在一些实施例中经进一步处理的放大信号传递到中介层。
在图2中，LED展示为布置在第一块中，其中光电检测器布置在与第一块相邻的第二块中。所述块，无论是一起还是分开，可被认为形成LED及光电检测器的阵列，或LED阵列及光电检测器阵列。在各种实施例中LED及光电检测器可以其它方式布置，例如LED及光电检测器散布在同一块中。
图3展示实例光学收发器芯片的部分横截面。图3的部分横截面仅展示单个LED311及单个光电检测器313，在各种实施例中，光学收发器芯片包含更多LED及光电检测器。
光学收发器芯片包含硅半导体衬底309。硅半导体衬底包含用于驱动LED的传输电路系统315及用于处理来自光电检测器的信号的接收电路系统317。在图3中，传输电路系统经展示为位于LED附近，在LED下面的半导体衬底中的位置。类似地，图3展示位于光电检测器附近的接收电路系统，通常在光电检测器附近。例如，传输电路系统及接收电路系统可各自通过一或多个硅通孔电耦合到硅半导体衬底的底面上的焊盘。传输电路系统通常从另一集成电路芯片接收传输数据信号，且基于传输数据信号驱动LED。在一些实施例中，传输电路系统包含各种放大器/缓冲器级、增强频率响应的均衡电路系统及/或用于执行此功能的各种监测及控制电路系统。接收电路系统通常接收来自光电检测器的接收数据信号，且处理来自光电检测器的信号以提供到另一集成电路芯片。在一些实施例中，接收电路系统包含跨阻放大器(TIA)及后续放大级、均衡电路系统、时钟及数据恢复及/或各种其它监测及控制电路系统。
在图3的实施例中，光电检测器位于半导体衬底中，与接收电路系统单片集成。在一些实施例中，光电检测器可单独形成，且使用焊料、热压结合或借助范德华力结合到接收电路系统。
互连层319位于半导体衬底的顶部上，而不是光电检测器的位置附近。LED位于互连层的顶部上，其中互连层在传输电路系统与LED之间提供电信号路径。
电介质层321位于互连层的顶部上，而不是LED及光电检测器位置附近。关于LED及光电检测器的位置，电介质层远离那些位置倾斜，形成远离LED及光电检测器的位置倾斜的倾斜表面323。在图3中，倾斜表面与垂直方向成30度(其中互连层及电介质层通常是水平的)。在一些实施例中，倾斜表面与垂直方向成25到35度。在一些实施例中，倾斜表面与垂直方向成20到60度。倾斜表面有助于将来自LED的光导入波导(未展示于图3中)，所述波导可为多芯波导，且有助于将光从波导导入到光电检测器。因此，倾斜表面可被认为是集光器光学器件。在一些实施例中，倾斜表面经金属化或以其它方式涂覆有反射涂层，以增加集光器光学器件的有效性。在一些实施例中，LED、传输电路系统及LED周围的光收集光学器件可被认为是光学发射器331。类似地，在一些实施例中，光电检测器、接收电路系统及光电检测器周围的光收集光学器件可被认为是光学接收器333。
图4是展示方向改变耦合光学器件的半示意图。在图4中，光学收发器芯片411在衬底413上。在一些实施例中，光学收发器芯片如图1A到图3中所讨论。衬底可为例如半导体封装中的中介层。光学收发器芯片的顶面包含多个LED及多个光电检测器(未展示于图4中)。
方向改变镜415位于光学收发器芯片的LED及光电检测器与多芯光纤417的端之间的光学路径中。第一透镜419将来自LED的光成像到方向改变镜上，方向改变镜以90度角将光反射朝向多芯光纤的端。位于方向改变镜与多芯光纤的端之间的第二透镜421将光成像到多芯光纤中。对于来自多芯光纤的光，发生相反的情况，其中第一第二透镜将光成像到方向改变镜上，且第一透镜将反射光成像到光电检测器上。在图4的实施例中，第一透镜横越跨在整个光学收发器芯片的顶部排列的LED及光电检测器。
图5展示使用抛物面反射器511有效捕获从LED 513以大角度发射的光且将光耦合到输出波导中。例如，抛物面反射器可用来代替图3的倾斜反射器。取决于LED设计，LED可发射来自边缘发射的大量横向光以及来自表面发射的大量垂直光，且抛物面反射器很好地收集这两种光。随着抛物线变得越来越深，输出光的角谱减小，而输出光分布的大小增加，这是预期折衷。为了产生可有效地耦合到NA<0.3的波导的输出角谱，抛物线可变得相当深。
图6A到D说明LED及光电检测器阵列的布局图案。例如，LED 611及光电检测器613可布置在光学收发器芯片的顶面附近。在图6A中，LED及光电检测器在矩形网格上彼此交替。在一些实施例中，且如图6A中所说明，LED及光电检测器阵列关于平分阵列的平面615具有镜像LED-光电检测器对称性。镜像LED-光电检验器对称性的使用可用于布置不同光学收发器芯片上的LED与光电检验器之间的通信，例如使得一个收发器芯片上的LED经由例如相干多芯光纤与另一芯片上的光电检验器链接。
在图6B中，LED及光电检测器在六边形网格上彼此交替，同样，关于平分阵列的平面615具有镜像LED-光电检测器对称性。两种这些配置使每一光电二极管靠近多个LED，这可产生电气及光学串扰问题。从制造/组装的角度来看，这些配置也可能不吸引人，因为制造及组装OE装置的单片阵列可能更容易。
与这些交替配置相关联的问题可通过“平铺”交替微LED及光电检测器阵列来解决。图6C展示LED及光电检测器的矩形块，其中个别装置位于矩形网格上。图6D展示微LED及光电检测器的近似矩形块，其中个别装置在六边形网格上。在图6C及6D两者中，LED及光电检测器阵列再次关于平分阵列的平面615具有镜像LED-光电检测器对称性。
图7是多芯光纤的各种细节的横截面图。多芯光纤包含多个芯711。每一芯从多芯光纤的第一端延伸到多芯光纤的第二端。每一芯由具有较低折射率的包层713包围。光在芯中被引导。多模芯(指由包层包围的芯)优选用于微LED光源，因为多模芯比单模光纤更能耦合来自微LED的光。芯的数值孔径(NA)可定义为NA＝sin(θc)，其中θc是芯的最大外部接收角(相对于芯的传播轴)；角度大于θc的光线不由芯引导。
在一些实施例中，芯位于包层介质713a内。在一些实施例中，每一芯由同心包层713b包围。
大量芯可经组合在“束”中。在一些实施例中，芯可以规则图案布置，例如在正方形或六边形网格上。在其它实施例中，可使用多种大小的芯来提高堆积密度。例如聚合物或玻璃的护套材料可用于芯之间的间隙区域以将捆扎芯保持在一起。在一些实施例中，护套材料与包层材料相同。在一些实施例中，护套材料可为高度光学吸收以衰减不在芯中传播的任何光。
在一些实施例中，多芯光纤是相干多芯光纤。如果芯在光纤输出处的相对位置与在光纤输入处的相对位置相同，例如芯彼此不交叉，使得芯的相对输入及输出位置保持不变，那么束可被称为“相干的”。相干光纤束，例如相干多芯光纤，在其输出面上再现其输入面上的光学分布的空间采样版本，其中空间采样分辨率等于芯到芯间距。
图8说明相干多芯光纤的横截面图，以及说明使用多个芯将信号从一或多个LED传送到一或多个光电检测器。相干多芯光纤包含多个芯813，其中芯由包层包围。
在图8中，一些芯传送信号，其中图8展示由多芯光纤传送的实例16个信号821。在一些实施例中，每一光学通道耦合到单个芯中且由单个芯传输。然而，在图8中，每一光学通道耦合到多个芯中且由多个芯传输。第一分解图831展示信号中的一者跨多个芯的输入光学分布821，且第二分解图833展示跨那些芯的对应输出光学分布821。因为多芯光纤是相干多芯光纤，所以在输入光学分布与输出光学分布之间保持芯的相对位置。
输入光学分布展示单个光学通道的信号对芯的照明。在一些实施例中，信号由单个LED产生，然在一些实施例中，可使用多个LED来产生信号。输出光学分布展示信号对那些芯的对应照明。输出光学分布在许多方面不同于输入光学分布，包含(1)入射于包层及包层间区域的输入光损失；及(2)每一芯的输入照明中的任何不均匀性将趋于消除，使得输出强度分布近似恒定。在输入光学分布的边缘处的部分照明芯的情况下，在输出处，此类芯展现近似均匀的强度，导致一些输出光落在输入光学分布的直径之外。在一些实施例中，与每一光学通道相关联的光电检测器或聚光器经设计成有效地捕获此扩展的输出光学分布，例如通过使用大直径光电检测器及/或具有大输入接受直径的聚光器。
将来自每一通道的光耦合到多芯具有灵活适应各种光学配置的优势(例如，不同数目个通道，不同的LED光斑大小)。在空间相干输入的情况下，跨芯的差分相移可导致输出散斑问题，但微LED的低空间及时间相干性往往使得散斑问题可忽略不计。
图9也是根据本发明的方面的电路板上光学互连半导体封装的半框图、半侧视图。图9的封装类似于图1A的封装。然而，在图9中，封装不包含单独光学收发器芯片。相反，收发器电路系统及光电检测器单片集成在包含逻辑、处理、存储器或其它功能的半导体芯片中。
与图1A一样，图9展示安装在电路板921上的第一及第二多芯片模块(MCM)911a、b。在一些实施例中，MCM可安装到单独电路板。每一MCM可通过球安装到电路板，其中球提供电信号从MCM到电路板的通路。例如，球可为焊球，焊球可为球栅阵列的部分。尽管在电路板上仅展示两个MCM，但在许多实施例中，电路板可具有更多MCM，以及各种单芯片封装、离散电路元件，例如电感器及电容器，以及可能的各种连接器。
第一及第二MCM各自包含多个半导体芯片。在图9中，第一半导体芯片913a、b包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。第二半导体芯片923a、b也包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。然而，第二半导体芯片另外包含收发器电路系统、光电二极管，其中LED也安装在第二半导体芯片上或安装在安装到第二半导体芯片的衬底上。在图9中，每一MCM包含一个第一半导体芯片及一个第二半导体芯片。然而，在各种实施例中，每一MCM可仅包括单个第二半导体芯片(且因此也不是MCM)，或多个第一半导体芯片及第二半导体芯片中的一或两者。
第二半导体芯片的收发器电路系统包含用于驱动LED的电路系统以产生从其它半导体芯片提供到光学收发器芯片的光编码数据。收发器电路系统还包含用于放大来自光电检测器的信号的电路系统，且在一些实施例中，对来自光电检测器的信号进行各种处理。在各种实施例中，LED(未展示于图9中)可为微LED。在一些实施例中，LED位于可被认为是光学收发器芯片的上表面的表面上，即远离其上安装有光学收发器芯片的中介层的表面。光电检测器可形成于光学收发器芯片中，例如在光学收发器芯片的表面附近，或安装到光学收发器芯片的表面。在一些实施例中，光电检测器位于可被认为是光学收发器芯片的上表面的表面上或中。
如图1A中，图9的每一MCM中的半导体芯片分别安装在中介层915a、b上。中介层各自在封装衬底916a、b上。封装盖917a、b在封装衬底的边缘附近与封装衬底配合，其中封装盖具有内部空腔。因此，封装盖及封装衬底形成半导体封装，所述半导体封装容纳且通常封闭中介层及半导体芯片。通常，中介层包含通孔，以及可能的重布层，用于在半导体芯片之间传递电信号并传递到封装的通孔。封装的通孔继而通常耦合到将半导体封装电耦合到电路板的焊球。
每一封装中的半导体芯片通过中介层中的电路径彼此电耦合。电路径可包含中介层上或内的金属迹线，允许信号在半导体芯片之间通过。
同样如图1A中，在图9中，多芯光纤925用于光学耦合第一MCM的第二半导体芯片的LED及光电检测器以及第二MCM的第二半导体芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，多芯光纤如关于图7及/或8所讨论。第一MCM包含在封装侧中的孔，其中多芯光纤穿过封装侧中的孔。多芯光纤的第一端经定位成通过第一MCM的方向改变耦合光学器件926从LED及光电检测器接收光且将光传递到LED及光电检测器。方向改变耦合光学器件在第一MCM的半导体封装内。在图9中，方向改变耦合光学器件经展示为在第二半导体芯片的上表面上。在一些实施例中，方向改变光学器件如关于图4所讨论。同样如图9中，多芯光纤的第一端经定位成水平接收及提供光，与通常由第二半导体芯片的顶部界定的平面的表面成90度。
同样在图9中，第二MCM包含封装顶部中的孔，其中多芯光纤穿过封装顶部中的孔。第二MCM不包含方向改变耦合光学器件。代替地，多芯光纤的第二端经定位成从第二半导体芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第二半导体芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，第二MCM可代替地使多芯光纤穿过封装侧中的孔，且包含第一MCM的方向改变耦合光学器件。相反，在一些实施例中，第一MCM可使多芯光纤穿过封装顶部中的孔，且不包含方向改变耦合光学器件。
图10以图解形式说明包含中介层上的图9的光学收发器电路系统的半导体芯片。半导体芯片1011具有通过焊球1015耦合到中介层1013(或封装衬底)的第一侧。半导体芯片的第一侧可被认为是半导体芯片的底侧，其中半导体芯片的底侧耦合到中介层的顶侧。焊球提供中介层的电路径与半导体芯片的电路径之间的电信号通信。半导体芯片的电路径经展示为包含硅通孔(TSV)1016，其可在中介层与可被认为是“其它”电路系统1017及光学收发器电路系统1019的电路系统之间传送电信号。由中介层提供的或向中介层提供的电信号可为由中介层上的其它半导体芯片提供的或向中介层上的其它半导体芯片提供的电信号。例如，其它电路系统可为逻辑及/或其它处理或存储器电路系统。半导体芯片还包含用于其它电路系统与光学收发器电路系统之间的信号的电信号路径。
光学收发器电路系统的传输电路系统驱动LED产生光，其中传输电路系统根据从中介层或其它电路系统提供给光学收发器电路系统的电信号驱动LED。在一些实施例中，LED安装到光学收发器芯片的顶部，在一些实施例中，LED安装到附接到或沉积在光学收发器芯片的顶部上的衬底。
光学收发器电路系统的接收电路系统通常放大来自光电检测器的电信号。在一些实施例中，接收电路系统对放大信号执行额外处理。在一些实施例中经进一步处理的放大信号传递到中介层或其它电路系统。在一些实施例中，光电检测器位于光学收发器芯片的顶部内。
图11展示包含光学收发器电路系统的实例半导体芯片的部分横截面。图11的部分横截面仅展示单个LED 1111及单个光电检测器1113，在各种实施例中，包含光学收发器电路系统的半导体芯片包含多得多的LED及光电检测器。包含图11的光学收发器电路系统的实例半导体芯片类似于图3的光学收发器芯片。然而，图11的芯片另外包含其它半导体集成电路系统1101，例如用于逻辑操作电路系统、存储器电路系统或其它电路系统。在一些实施例中，其它半导体集成电路系统可包括一或多个处理器核心。
芯片包含硅半导体衬底1114。硅衬底包含用于执行逻辑、处理、存储器或其它操作的电路系统1116。在一些实施例中，电路系统1116可提供处理器核心。硅半导体衬底还包含用于驱动LED的传输电路系统1115及用于处理来自光电检测器的信号的接收电路系统1117。在图11中，传输电路系统经展示位于LED附近，在LED下面的半导体衬底中的位置。类似地，图11展示位于光电检测器附近的接收电路系统，通常在光电检测器附近。例如，传输电路系统及接收电路系统可各自通过一或多个硅通孔电耦合到硅半导体衬底的底面上的焊盘。传输电路系统通常从电路系统1116或另一集成电路芯片接收传输数据信号，且基于传输数据信号驱动LED。在一些实施例中，传输电路系统包含各种放大器/缓冲器级、增强频率响应的均衡电路系统及/或用于执行此功能的各种监测及控制电路系统。接收电路系统通常接收来自光电检测器的接收数据信号，且处理来自光电检测器的信号以提供给电路系统1116或其它集成电路芯片。在一些实施例中，接收电路系统包含跨阻放大器(TIA)及后续放大级、均衡电路系统、时钟及数据恢复及/或各种其它监测及控制电路系统。
在图11的实施例中，光电检测器位于半导体衬底中，与接收电路系统单片集成。在一些实施例中，光电检测器可单独形成，且使用焊料、热压结合或借助范德华力结合到接收电路系统。
互连层1119位于半导体衬底的顶部上，而不是光电检测器的位置附近。LED位于互连层的顶部上，其中互连层在传输电路系统与LED之间提供电信号路径。在一些实施例中，互连层还可在电路系统1116与传输电路系统及/或接收电路系统之间提供电信号路径。
电介质层1121位于互连层的顶部上，而不是LED及光电检测器的位置附近。关于LED及光电检测器的位置，电介质层远离那些位置倾斜，形成远离LED及光电检测器的位置倾斜的倾斜表面1123。在图11中，倾斜表面与垂直方向成30度(互连层及电介质层通常是水平的)。在一些实施例中，倾斜表面与垂直方向成25到35度。在一些实施例中，倾斜表面与垂直方向成20到60度。倾斜表面有助于将来自LED的光引导到波导1123中，波导1123可为多芯波导，且有助于将来自波导的光引导到光电检测器。因此，倾斜表面可被认为是集光器光学器件。在一些实施例中，倾斜表面经金属化或以其它方式涂覆有反射涂层，以增加集光器光学器件的有效性。
图12A是根据本发明的方面的电路板上的光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片位于中介层上。图12A展示安装在电路板1221上的第一及第二多芯片模块(MCM)1211a、b。每一MCM经展示为通过球1219a、b安装到电路板，其中球提供电信号从MCM到电路板的通路。例如，球可为焊球，焊球可为球栅阵列的部分。尽管在电路板上仅展示两个MCM，但在许多实施例中，电路板可具有更多MCM，以及各种单芯片封装、离散电路元件，例如电感器及电容器，以及可能的各种连接器。
第一及第二MCM各自分别包含多个半导体芯片1213aa到an及1211ba到bn。半导体芯片包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。每一MCM中的半导体芯片经展示分别安装在中介层1215a、b上。中介层及半导体芯片各自在容纳且通常封闭中介层及半导体芯片的半导体封装1217a、b内。通常，中介层包含通孔及可能的重布层，用于在半导体芯片之间传递电信号并传递到封装的通孔。封装的通孔继而耦合到焊球1219a、b，从而将半导体封装电耦合到电路板。
第一及第二MCM还分别包含呈光学收发器芯片1223a、b形式的半导体芯片。光学收发器芯片经展示为安装在中介层1215a、b，其中光学收发器芯片也在半导体封装1217a、b内。光学收发器芯片通过中介层电耦合到其相应封装中的半导体芯片中的至少一者(且在一些实施例中是所有半导体芯片)。可包含中介层上或内的迹线的电耦合允许信号在半导体芯片与光学收发器芯片之间通过。
光学收发器芯片包含用于驱动LED的电路系统以产生从其它半导体芯片提供到光学收发器芯片的光编码数据。光学收发器芯片还包含用于放大以及在一些实施例中对来自光电检测器的信号进行各种处理的电路系统。在各种实施例中，LED(未展示于图12A中)可为微LED，且LED可安装在光学收发器芯片上或安装到光学收发器芯片的衬底上。光电检测器可形成于光学收发器芯片中，例如在光学收发器芯片的表面附近，或安装到光学收发器芯片的表面。光学收发器芯片安装在其相应中介层中的孔上方，其中LED及光电检测器位于孔上方(或内)。封装还具有与中介层的孔对准的孔。
多芯光纤1225将第一MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器与第二MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器光学链接。多芯光纤的第一端经定位成从第一光学收发器芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第一光学收发器芯片的LED及光电检测器。类似地，多芯光纤的第二端经定位成从第二光学收发器芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第二光学收发器芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，且如图12A中所说明，在端之间，多芯光纤主要穿过中介层中的孔，穿过封装中的对应孔，且穿过电路板中的孔，使得多芯光纤通常沿着电路板的与MCM相对的侧在MCM之间延伸。
图12B是图12A的半导体封装中的第一者的光学收发器芯片附近的部分的半框图、剖视半侧视图。图12B展示安装到中介层1215a的光学收发器芯片1223a。在图1b中，光学收发器芯片通过焊球1251a安装到中介层，在各种实施例中，光学收发器芯片可通过其它方式安装到中介层。中介层在封装1217a的部分上。
中介层及封装两者包含孔，其中两者的孔对准，以便通常形成穿过中介层及封装的单个连续孔。光学收发器芯片至少部分安装在孔上方。在各种实施例中，中介层及封装的孔可具有不同大小，例如具有不同横截面半径或面积，且所述孔可不被认为是连续的。
图12B展示光学收发器芯片面向孔的表面上的LED 1253a。LED可直接或在一些实施例中间接安装到光学收发器芯片。LED经定位及/或配置成在朝向孔的方向上发射光。类似地，光电检测器(未展示于图12B中)可放置在光学收发器芯片的面向孔的表面中，或像LED一样，直接或间接安装到光学收发器芯片。光电检测器经定位及/或配置成接收来自孔的方向上的光。
多芯光纤1225延伸穿过封装的孔，且进入中介层的孔中。在一些实施例中，光纤可仅延伸到封装的孔中。光纤的第一端面向LED及光学收发器芯片。在一些实施例中，第一端本身可不面对LED及光电检测器，而是第一端与LED及光电检测器光学耦合，例如通过使用方向改变镜。在图12B中，光纤耦合到光纤附接/对准结构1255a。
图13A是根据本发明的方面的电路板上的光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中光学收发器芯片与另一芯片混合集成。图13A的实施例类似于图12A的实施例。然而，在图13A的实施例中，光学收发器芯片安装到多芯片模块中的其它半导体芯片中的一者。
因此，图13A展示安装在电路板1321上的第一及第二多芯片模块(MCM)1311a、b，例如通过焊球。第一及第二MCM各自分别包含多个半导体芯片1313aa到an、1311ba到bn，包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。每一MCM中的半导体芯片被示出分别安装在中介层1315a、b上。中介层及半导体芯片各自在容纳且通常封闭中介层及半导体芯片的半导体封装1317a、b内。通常，中介层包含通孔，以及可能的重布层，用于在半导体芯片之间传递电信号并传递到封装的通孔。封装的通孔继而将半导体封装电耦合到电路板。
第一及第二MCM中的每一者的半导体芯片1301a、b中的一者分别具有安装在其下方的光学收发器芯片1303a、b，位于半导体芯片1301a、b与其中介层之间。在图13A中，光学收发器芯片经展示安装在互连中介层及半导体芯片1301a、b的焊球之间。光学收发器芯片位于中介层中的孔及含有中介层的封装中的孔上方。
与图12A的实施例一样，图13A的实施例的光学收发器芯片包含用于驱动LED的电路系统以产生从其它半导体芯片提供到光学收发器芯片的光编码数据。光学收发器芯片还包含用于放大以及在一些实施例中对来自光电检测器的信号进行各种处理的电路系统。在各种实施例中，LED(未展示于图13A中)可为微LED，且LED可安装在光学收发器芯片上或安装到光学收发器芯片的衬底上。光电检测器可形成于光学收发器芯片中，例如在光学收发器芯片的表面附近，或安装到光学收发器芯片的表面。LED及光电检测器经定位成使得其发射或接收的光在孔的方向上通过。
多芯光纤1325将第一MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器与第二MCM的光学收发器芯片的LED及光电检测器光学链接。多芯光纤的第一端经定位成从第一光学收发器芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第一光学收发器芯片的LED及光电检测器。类似地，多芯光纤的第二端经定位成从第二光学收发器芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第二光学收发器芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，且如图13A中所说明，在端之间，多芯光纤主要穿过中介层中的孔，穿过封装中的对应孔，且穿过电路板中的孔，使得多芯光纤通常沿着电路板的与MCM相对的侧在MCM之间延伸。
图13B是图13A的半导体封装中的第一者的光学收发器芯片附近的部分的半框图、剖视半侧视图。图13B展示安装到半导体芯片1301a的光学收发器芯片1303a。半导体芯片1301a安装到中介层1315a，其中光学收发器芯片位于半导体芯片1301a与中介层的部分之间。在图13B中，光学收发器芯片在半导体芯片1301a的底面附近具有重布层1351a。同样在图13B中，半导体芯片1301a通过焊球1351a安装到中介层，其中光学收发器芯片具有小于焊球的高度的高度(在从中介层到半导体芯片1301a的方向上)。中介层在封装1317a的部分上。
中介层及封装两者包含孔，其中两者的孔对准，以便通常形成穿过中介层及封装的单个连续孔。光学收发器芯片至少部分安装在孔上方。在各种实施例中，中介层及封装的孔可具有不同大小，例如具有不同横截面半径或面积，且所述孔可不被认为是连续的。
图13B展示光学收发器芯片面向孔的表面上的LED 1353a。LED可直接或在一些实施例中间接安装到光学收发器芯片。LED经定位及/或配置成在朝向孔的方向上发射光。类似地，光电检测器(未展示于图13B中)可放置在光学收发器芯片面向孔的表面中，或像LED一样，直接或间接安装到光学收发器芯片。光电检测器经定位及/或配置成接收来自孔的方向上的光。
多芯光纤1325延伸穿过封装的孔，且进入中介层的孔中。在一些实施例中，光纤可仅延伸到封装的孔中。光纤的第一端面向LED及光学收发器芯片。在一些实施例中，第一端本身可不面对LED及光电检测器，而是代替地第一端与LED及光电检测器光学耦合，例如通过使用方向改变镜。在图13B中，光纤耦合到光纤附接/对准结构1355a。
图14A是根据本发明的方面的电路板上的光学互连半导体封装的半框图、半侧视图，其中收发器电路系统与芯片单片集成。图14A的实施例类似于图13A的实施例。然而，在图14A的实施例中，光学收发器电路系统单片集成在多芯片模块中的其它半导体芯片中的一者中。
因此，图14A展示安装在电路板1421上的第一及第二多芯片模块(MCM)1411a、b，例如通过焊球。第一及第二MCM各自分别包含多个半导体芯片1413aa到an、1411ba到bn，包含为逻辑、处理、存储器或其它操作不同地配置的集成电路。每一MCM中的半导体芯片经展示分别安装在中介层1415a、b上。中介层及半导体芯片各自在容纳且通常封闭中介层及半导体芯片的半导体封装1417a、b内。通常，中介层包含通孔，以及可能的重布层，用于在半导体芯片之间传递电信号并传递到封装的通孔。封装的通孔继而将半导体封装电耦合到电路板。
第一及第二MCM中的每一者的半导体芯片1401a、b中的一者分别具有光学收发器电路系统1303a、b，其单片集成到半导体芯片1301a、b中。
光学收发器电路系统包含用于驱动LED的电路系统以产生半导体芯片的光编码数据，以及，在一些实施例中，来自其它半导体芯片的数据。光学收发器电路系统还包含用于放大以及在一些实施例中对来自光电检测器的信号进行各种处理的电路系统。在各种实施例中，LED(未展示于图14A中)可为微LED，且LED可安装在半导体芯片上或安装到半导体芯片的衬底上。光电检测器可形成于半导体芯片中，例如在半导体芯片的表面附近，或安装到半导体芯片的表面。LED及光电检测器经定位成使得其发射或接收的光在孔的方向上通过。
多芯光纤1425将第一MCM的半导体芯片的LED及光电检测器与第二MCM的半导体芯片的LED及光电检测器光学链接。多芯光纤的第一端经定位成从第一半导体芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第一半导体芯片的LED及光电检测器。类似地，多芯光纤的第二端经定位成从第二半导体芯片的LED及光电检测器接收光且将光传递到第二半导体芯片的LED及光电检测器。在一些实施例中，且如图14A中所说明，在端之间，多芯光纤主要穿过中介层中的孔，穿过封装中的对应孔，且穿过电路板中的孔，使得多芯光纤通常沿着电路板的与MCM相对的侧在MCM之间延伸。
图14B是图14A的半导体封装中的第一者的光学收发器芯片附近的部分的半框图、剖视半侧视图。图14B展示安装到中介层1315a的半导体芯片1301a。半导体芯片1301a通过焊球1351a安装到中介层。中介层在封装1317a的部分上。
中介层及封装两者包含孔，其中两者的孔对准，以便通常形成穿过中介层及封装的单个连续孔。半导体芯片至少部分安装在孔上方。在各种实施例中，中介层及封装的孔可具有不同大小，例如具有不同横截面半径或面积，且所述孔可不被认为是连续的。
图14B展示面向孔的半导体芯片表面上的LED 1453a。LED可直接或在一些实施例中间接安装到半导体芯片上。LED经定位及/或配置成在朝向孔的方向上发射光。类似地，光电检测器(未展示于图14B中)可放置在半导体芯片面向孔的表面中，或像LED一样，直接或间接安装到半导体芯片。光电检测器经定位及/或配置成接收来自孔的方向上的光。
多芯光纤1425延伸穿过封装的孔，且进入中介层的孔中。在一些实施例中，光纤可仅延伸到封装的孔中。光纤的第一端面向LED及半导体芯片。在一些实施例中，第一端本身可不面对LED及光电检测器，而是代替地第一端与LED及光电检测器光学耦合，例如通过使用方向改变镜。在图14B中，光纤耦合到光纤附接/对准结构1455a。
尽管已针对各种实施例讨论本发明，但应认识到，本发明包括由本公开支持的新颖及非显而易见的权利要求。

Claims (16)

1.一种光学互连系统，其包括：
多芯光纤；
第一半导体封装，其具有第一孔以接收所述多芯光纤的第一端；
第二半导体封装，其具有第二孔以接收所述多芯光纤的第二端；
第一半导体逻辑电路系统，其安装在所述第一半导体封装中的第一衬底上；
第一收发器电路系统，其位于所述第一半导体封装中，电耦合到所述第一半导体逻辑电路系统；
多个第一微LED，其位于所述第一半导体封装中，电耦合以由所述第一收发器电路系统驱动，所述多个第一微LED经定位成将光发射到多芯光纤的所述第一端中；
多个第一光电检测器，其位于所述第一半导体封装中，电耦合以向所述第一收发器电路系统提供信号，所述多个第一光电检测器经定位成接收来自所述多芯光纤的所述第一端的光；
第二半导体逻辑电路系统，其安装在所述第二半导体封装中的第二衬底上；
第二收发器电路系统，其位于所述第二半导体封装中，电耦合到所述第二半导体逻辑电路系统；
多个第二微LED，其位于所述第二半导体封装中，电耦合以由所述第二收发器电路系统驱动，所述多个第二微LED经定位成将光发射到所述多芯光纤的所述第二端中；及
多个第二光电检测器，其位于所述第二半导体封装中，电耦合以向所述第二收发器电路系统提供信号，所述多个第二光电检测器经定位成接收来自所述多芯光纤的所述第二端的光。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一收发器电路系统安装到所述第一衬底且所述第二收发器电路系统安装到所述第二衬底。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一半导体逻辑电路系统在第一芯片中，所述第一收发器电路系统在第二芯片中，所述第二半导体逻辑电路系统在第三芯片中，且所述第二收发器电路系统在第四芯片中。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一半导体逻辑电路系统在第一芯片中，所述第一收发器电路系统在所述第一芯片中，所述第二半导体逻辑电路系统在第二芯片中，且所述第二收发器电路系统在所述第二芯片中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光电检测器形成于第一芯片中且所述第一微LED安装在所述第一芯片上，且所述第二光电检测器形成于第二芯片中且所述第二微LED安装在所述第二芯片上。
6.根据权利要求5所述的系统，其进一步包括用于将来自所述第一微LED的光朝向所述多芯光纤的所述第一端光学反射的第一微LED反射器及用于将来自所述第二微LED的光朝向所述多芯光纤的所述第二端光学反射的第二微LED反射器。
7.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括用于将来自所述多芯光纤的所述第一端的光朝向所述第一光电检测器光学反射的第一光电检测器反射器及用于将来自所述多芯光纤的所述第二端的光朝向所述第二光电检测器光学反射的第二光电检测器反射器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一孔位于所述第一半导体封装的一侧中且所述第二孔位于所述第二半导体封装的一侧中。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括在所述第一LED与所述多芯光纤的所述第一端之间的第一九十度反射器及在所述第二LED与所述多芯光纤的所述第二端之间的第二九十度反射器。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一LED及所述第一光电检测器布置在第一阵列中，其中所述第一LED及所述第一光电检测器关于平分所述第一阵列的平面具有镜像LED-光电检测器对称性，且所述第二LED及所述第二光电检测器布置在第二阵列中，其中所述第二LED及所述第二光电检测器关于平分所述第二阵列的平面具有镜像LED-光电检测器对称性，使得所述第一LED经由所述多芯光纤与所述第二光电检测器链接且所述第二LED经由所述多芯光纤与所述第一光电检测器链接。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述多芯光纤是相干多芯光纤。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一半导体封装安装到电路板且所述第二半导体封装安装到所述电路板。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述多芯光纤穿过所述第一半导体封装下的第一电路板孔且穿过所述第二半导体封装下的第二电路板孔。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述多芯光纤经定位成使光穿过所述第一衬底中的第三孔且使光穿过所述第二衬底中的第四孔。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述多芯光纤经定位成使光至少部分在所述多芯光纤内穿过所述第一衬底中的第三孔，其中所述多芯光纤至少部分位于所述第一衬底中的所述第三孔内，且其中所述多芯光纤经配置成使光至少部分在所述多芯光纤内穿过所述第二衬底中的第四孔，其中所述多芯光纤至少部分位于所述第二衬底中的所述第四孔内。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述多芯光纤是相干多芯光纤。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11764878B2 (en) * 2021-03-05 2023-09-19 Avicenatech Corp. LED chip-to-chip vertically launched optical communications with optical fiber
US20230018654A1 (en) * 2021-06-17 2023-01-19 Nubis Communications, Inc. Communication systems having pluggable modules

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3617576B2 (ja) 1996-05-31 2005-02-09 倉敷紡績株式会社 光散乱体の光学測定装置
US5761234A (en) 1996-07-09 1998-06-02 Sdl, Inc. High power, reliable optical fiber pumping system with high redundancy for use in lightwave communication systems
US6845184B1 (en) 1998-10-09 2005-01-18 Fujitsu Limited Multi-layer opto-electronic substrates with electrical and optical interconnections and methods for making
US7015454B2 (en) 1998-10-22 2006-03-21 Wavefront Research, Inc. Relaxed tolerance optical interconnect system capable of providing an array of sub-images
US6434308B1 (en) 1999-09-03 2002-08-13 Teraconnect, Inc Optoelectronic connector system
US6910780B2 (en) 2002-04-01 2005-06-28 Santur Corporation Laser and laser signal combiner
US7860398B2 (en) 2005-09-15 2010-12-28 Finisar Corporation Laser drivers for closed path optical cables
US7373033B2 (en) * 2006-06-13 2008-05-13 Intel Corporation Chip-to-chip optical interconnect
US9341828B2 (en) 2011-03-31 2016-05-17 Globalfoundries Inc. Multi-core fiber optical coupling elements
US7646946B2 (en) 2008-04-03 2010-01-12 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Intensity modulated fiber optic strain sensor
US7965913B2 (en) 2008-04-11 2011-06-21 The Boeing Company Optical star coupler
KR20120135793A (ko) * 2011-06-07 2012-12-17 삼성전자주식회사 광학적 통신부를 가진 전자 소자들
KR20150084999A (ko) 2012-11-15 2015-07-22 4233999 캐나다 인크. 마이크로 발광 다이오드를 이용하는 고속 단거리 광 통신을 위한 방법 및 장치
US8928021B1 (en) * 2013-06-18 2015-01-06 LuxVue Technology Corporation LED light pipe
EP2866065A1 (en) * 2013-10-22 2015-04-29 CCS Technology, Inc. Multi-core optical fiber
US20150341113A1 (en) * 2014-05-20 2015-11-26 The Boeing Company Lighting and data communication system using a remotely located lighting array
US9391708B2 (en) * 2014-05-21 2016-07-12 Stmicroelectronics S.R.L. Multi-substrate electro-optical interconnection system
US10009668B2 (en) * 2014-12-01 2018-06-26 The Royal Institution For The Advancement Of Learning / Mcgill University Methods and systems for board level photonic bridges
EP3916817A1 (en) 2016-02-09 2021-12-01 Lumeova, Inc Ultra-wideband, wireless optical high speed communication devices and systems
CN109314574A (zh) * 2016-06-23 2019-02-05 皇家飞利浦有限公司 光学发送器、光学接收器和光学链路
US9645331B1 (en) 2016-09-12 2017-05-09 Yottahn, Inc. Optical module device and method of manufacturing the same
US10770440B2 (en) 2017-03-15 2020-09-08 Globalfoundries Inc. Micro-LED display assembly
US10025047B1 (en) 2017-04-14 2018-07-17 Google Llc Integration of silicon photonics IC for high data rate
US10718886B1 (en) * 2018-05-23 2020-07-21 Facebook Technologies, Llc Optical substrate and transparent routing of light sources
US20200292150A1 (en) 2019-03-15 2020-09-17 Jensen-Tomy TK Lai Reflector for an led lamp
TWI708908B (zh) 2019-06-10 2020-11-01 聯嘉光電股份有限公司 纖細線型led發光裝置
WO2020264408A1 (en) * 2019-06-27 2020-12-30 Avicenatech Corp. Chip-scale optical interconnect using microleds
EP4029165A4 (en) * 2019-09-13 2022-11-09 Avicenatech Corp. OPTICAL CONNECTIONS WITH MICRO-LEDS
EP4031914A1 (en) * 2019-09-20 2022-07-27 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement Micro-optical interconnect component and its method of fabrication
WO2021063548A1 (en) * 2019-09-30 2021-04-08 Eth Zurich A plasmonic device enabling simplified fabrication
US11728894B2 (en) * 2020-04-13 2023-08-15 Avicenatech Corp. Optically-enhanced multichip packaging
US11824590B2 (en) * 2020-04-13 2023-11-21 Avicenatech Corp. Interconnect networks using microLED-based optical links
US11916598B2 (en) * 2020-04-13 2024-02-27 Avicenatech Corp. Parallel optical communication channels using microLEDs
EP4179580A1 (en) * 2020-08-14 2023-05-17 Avicenatech Corp. Microled based time of flight system
WO2022047323A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 Avicenatech Corp. Hybrid integration of microled interconnects with ics
US20220102339A1 (en) * 2020-09-25 2022-03-31 Intel Corporation Gallium nitride (gan) three-dimensional integrated circuit technology
EP4222544A1 (en) * 2020-10-01 2023-08-09 Avicenatech Corp. Multi-layer planar waveguide interconnects
WO2022076894A1 (en) * 2020-10-08 2022-04-14 Avicenatech Corp. Integration of oe devices with ics
US11764878B2 (en) * 2021-03-05 2023-09-19 Avicenatech Corp. LED chip-to-chip vertically launched optical communications with optical fiber
EP4348881A1 (en) * 2021-06-04 2024-04-10 Avicenatech Corp. Bit-wise inverse multiplexing for optical channels utilizing microleds

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