CN1211681C - 集成光学多路复用器和多路分解器 - Google Patents

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Abstract

一种集成光学多路复用器和/或分解器，包括：一个集成电路衬底(12)，形成以光检测器(对复用器)(13，14，16和17)或发光发射器(对分解器)阵列。信号加工电子学电路(18)形成在衬底上并被电耦合至光元件，用于在复用器的情况下调节电子数据以便用于光传输，在分解器的情况下将光信号调节为电子数据。第一层(22)光学透明材料形成在衬底上覆盖检测器和/或发射器，第二层(23)光学透明材料形成在第一层上并用作光波导。一个双闪耀光栅(26)形成在第一层和第二层光学透明材料之间的界面上。

Description

集成光学多路复用器和多路分解器
技术领域
本发明一般地涉及信息的波分光学传输，更具体地讲，涉及用于光学传输系统的波分光学多路复用器和多路分解器。
背景技术
波分多路复用(WDM)是提高用于声音通信和高密度数据传输的光学传输信息携带容量的有价值的技术。从实质上讲，WDM包括用要被传输的信息来调制多个分立波长的光束，再把这些光束迭合或多路复用成一单一的多色光束，并把该多色光束用，例如光纤或波导传输到某一接收的位置。在接收位置上，该光束被多路分解或被重新分离成其组份分立波长光束，接着其中每一个光束被解调以提取该光束所携带的信息。这样，许多信息通道能够被同时传输，从而使传输的信息携带容量增加许多倍。
波分光学传输需要一个光学多路复用器以把各个光学信号迭合成一个多路复用信号，以及一个光学多路分解器以把多路复用信号重新分解回其分立波长的组份。为此目的已经提出各种类型的光学多路复用器和多路分解器，其中许多是为了用于远程通信工业。某些这类装置用了光栅，因为这种光栅禀性地可以以不同的角度衍射和/或反射具有不同波长的光束。例如，Dueck等人的美国专利6,011,884公布一种光学波分多路复用器，该多路复用器把一个具有轴向折射率梯度的元件和一衍射光栅组合在一起。该专利声称提高了把分立波长光束多路复用成用于传输的单一多色光束的效率。Heury等人的美国专利4,923,271公布了一种光学多路复用器/多路分解器，它有许多聚焦布拉格反射器，每一个反射器包括许多共焦的椭圆形光栅刻线。Asawa等人的美国专利5,818,986公布了一种光学波长多路分解器，它在光信号路径中插入从一系列布拉格光栅的角背反射从而把多色光束分解成它组成波长成份。象这些装置通常用于远程通讯工业以在光学通信网络中传输声音和类似信号。在远程通信工业中这种器件的尺寸通常不是一个问题，因而像在上述专利中公布的光学多路复用器和多路分解器体积总是比较大的。
过去的四十年是这样一个时期，其间微电子学，包括集成电路芯片，以指数率发展。微电子学通过像手表，助听器，植入心脏起搏器，袖珍计算器和个人计算机的发明，已进入人类生活的几乎所有方面。微电子学的进展已成为像光纤通信，全球卫星通信，手机，互联网和环球网这种现代信息技术和高密度数据通信中的创新的主要驱动力量。当微电子学技术向前进展时，正在实现纳米电子学(特征尺寸在10-9米量级)。
基于当前数据通信量的增长率，在2010年的微电子学芯片大概将是由至少1024通道组成的平行微处理机阵列，其中每一个通道将有每秒40千兆字节或更快的处理速度。这就把半导体工艺推向千兆尺度或万亿尺度，要把更小的元件或特征尺寸和更大的芯片尺寸结合起来。与此同时，在芯片上电路部件之间的内部连接必须支持40Gb/s或更快的数据传输速率。当集成电路的特征尺寸继续减小而芯片尺寸增加时，以常规的电连接和开关技术形成的内部连接迅速地变成实现微电子学系统的一个严重的问题。人们认为芯片所需的内部连接的最大长度正比于芯片面积平方根的一半。因而当电路特征尺寸和所需内部连接数据吞吐量减小时，这个参数将近似为常数。作为其结果，当特征尺寸减小从而器件的延迟被减小时，内部连接的延迟将近似保持不变。如果芯片尺寸增大则内部连接延迟甚至会增加。在这种尺寸改变过程的某一个点上，内部连接延迟将支配系统的速度；也即，由于内部连接的延迟，系统的速度将不能追随不断提高的器件速度性能。常规的导体和半导体内部连接是不能支撑所要求的将来40Gb/s或更高的数据速率的。在未来芯片上器件之间常规的内部连接将是高密度数据通信系统吞吐量的不可克服的瓶颈并在将来的高速微电子学中是不能运作的。
为了应付数据和远程通信量的空前增长，人们提出许多新的传输机理，包括有多层晶体管和常规内部连接的3D结构，用共平面波导和电容性耦合器的无导线RF内部连接以得到“芯片上微区网络”，以及在芯片上光学内部连接。在所有这些提案中，已经在大尺度远程通信网络中证实有效的光学内部连接显得具有最好的前景。这是由于许多因素，包括光学信号的传播速度与接收信号的电子学部件的数目无关，光学内部连接不受相互干扰，光学内部连接的路线可以相互交叉而没有显著的相互作用。作为其结果，在微芯片特征之间的光学内部连接通过在更高带宽上提供更大的扇出，给出提高通信性能的前景。
对于把光学内部连接引入像计算机芯片这样的微电子学数据通信系统，有两个主要的挑战。首先，光学系统和电学系统有不同的结构，因为它们在不同的物理原理下运作。第二，为了实现在一芯片光学内部连接所必需的在微米或纳米尺度下的光学部件工艺并不成熟并且成本昂贵。这样，把光学内部连接成功应用于高密度微电子学系统的关键是把非常小但又高效的光学器件和愈来愈小的微电子学电路部件进行非常有效的集成。
为了充分发挥用于数据通讯的微光学内部连接的潜力，就象在远程通信工业中已经在宏观尺度上被采用的那样，将采用微米或纳米尺度上多路光学信号的波分多路复用。这种需求要求十分小的光学多路复用器和多路分解器以迭合和分解分立波长光学信号。另外，由于在微电子学电路环境中存在的功率和热耗散的约束，这些微光学多路复用器和多路分解器必须在几乎没有光学传输损耗下运作，否则数据吞吐量将受损失。最后，微光学多路复用器和多路分解器必须与用以产生要求许多路复用和被传输的光学信号的微光学发射器和用以接收已被多路分解的光学信号的传感器或检测器高度集成。另外，还需要有关的界面电路，以把从微电路部件来的电信号转换为光信号或把光信号转换为电信号，以把光学内部连接部件与电子学CMOS微电路部件集成在一起，而所有全是在微米或纳米尺度上。
能够把多路复用的多色光学信号分解成它的组成成份光束而事实上没有传输损失的一种光学衍射光栅已知有闪耀光栅。在宏观尺度上的闪耀光栅是熟知的因而不需要在此处详细描述。Haumel的美国专利4,359,373和Sakai等人的美国专利5,279,924相当详细地公布并讨论了闪耀光栅，而其内容在此处被完整引入以供参考。然而一般讲，闪耀光栅是这样一种型式的光栅，其特征是具有非对称的槽结构，其中相邻的脊实际上具有三角形的截面，从而形成一个光棱镜的阵列。闪耀光栅是非常有效率的，它能被设计成把入射光束接近100％的功率转移或分配至单一的衍射级，例如+1级。当入射光束是一多路复用的多色光束，在入射光束中的每一个分立波长组份光束以不同的角度被衍射，从而组份光束被扇出并分开，从而使入射光束多路分解。可以把光学传感器放置在截住分立光束的位置以检测并解调它们所带的数据。因为几乎100％的入射功率被闪耀光栅所保留，这种多路分解事实上是无传输损耗地完成的，而这导致对于给定功率的光学信号有更高的数据吞吐量。
虽然闪耀光栅作为高效，紧凑，平面型多路分解器和波导耦合器具有潜力，但它们也具有主要的内在的问题，这在于光棱镜脊的连续变化的轮廓的制造是困难和昂贵的。而当光栅的大小和尺度减小时，制造愈来愈成为一个问题，直到减小到某个阈值上，已有的制造技术，象离子束腐蚀对于生产这样的光栅已完全失效。在集成微光学内部连接所要求的微米或纳米尺度上，没有一种已知的制造技术是可用的。
即使能够制造非常小尺度的闪耀光栅，对于多路分解器应用，其尺寸仍然有一个内在的和不可逾越的实际的低限。更具体地讲，当在闪耀光栅中光栅元件的周期变得更小并接近入射光的波长时，该闪耀光栅逐渐变成一个所谓零级光栅。换言之，当光栅周期十分小时，当它小于入射光的波长，也即当周期是亚波长时，则无疑地，一常规的闪耀光栅将把所有的传输光分配到0级衍射而不是分配给一级或更高级衍射。在这种条件下，当入射光束经过光栅时，不论它的波长是多少它不再被衍射而是直接通过光栅。然而光多路分解从根本上要求不同波长的光被光栅以不同角度衍射或扇出，从而把它们分开。因为零级光栅让每一种波长光线直接通过，不同波长光线就不能分开，就没有多色光信号的分离或多路分解。这样，对于用在微电子学数据内部连接所必须的微米和纳米尺度上，常规的闪耀光栅根本不能用作光学多路分解器。
因而，虽然在宏观尺度上常规闪耀光栅理论上提供用于集成微光学内部连接所必须的性能特性，但由于上述各种理由，它们事实上并不适应于这样的应用。
常规闪耀光栅的性能特性可以用所谓多级光栅来接近，其中常规闪耀光栅光栅元素连续变化的斜面用多个分立等高面或台阶来模拟。按照理论，每个光栅元素有16个等高面或台阶的多级光栅可以把99％的入射光束功率反射到某一指定的衍射级。这样一种多级光栅被公布在Shiouo等人的美国专利号5,742433中。多级光栅的一个问题是，对其制造需要多步骤制造技术，其步骤的数目正比于在光栅元素中台阶的数目。其结果是每个光栅元素各个台阶的关键性的对准十分困难去保持，尤其在为微电路内部连接所要求的亚波长尺度上。因而，多级光栅不是解决常规闪耀光栅问题的实际方法。
双闪耀光栅(binary blazed grating)已经被提出作为替代常规闪耀光栅的另一种方法。从本质上讲，双闪耀光栅是这样一种光栅，其中光栅脊全部是在同一等高面上而光栅的槽也是在同一等高面上(也即两个台阶)，但脊的宽度，槽的宽度，和/或光栅元素之间的间距变化以在光栅周期内建立局域化的亚波长，亚微米光栅特征。本发明的发明人和其他人已经进行关于双闪耀光栅的设计和优化的基础研究。该研究在下列文献中给出：Z.Zhou和T.J.Drabik，optimized Binary，phase-only，Diffractive Element with subwave length Features for1.55μm，J.Opt.Soc.Am.A/Vol.12，No.5/May 1995；和Z.Zhou和N.Hartman，Binary Blazed Grating for High Efficient WaveguideCoupling，Spie Vol.2891，1996.在这些文章中，十分详细地给出作为代替常规或线性闪耀光栅的双闪耀光栅的理论及其优化，因而不必在此重复。而把这些文章的内容在此引入以供参考。
已经证明当双闪耀光栅把光散射到一级或更高衍射级时，显示出接近正规闪耀光栅的传输效率。然而，双闪耀光栅相对于常规或线性闪耀光栅和多级光栅具有几个内在的优点。具体地讲，双闪耀光栅的亚波长光栅特征能被相当容易地以已有的制造技术，用一个步骤制造出来。另外，也是对本发明最重要的，双闪耀光栅在亚波长尺度不会象常规闪耀光栅那样变成零级光栅。换言之，即使光栅元素小于入射光的波长，双闪耀光栅仍然能把入射光束功率的一个非常高的百分数分配给一级或更高的衍射级。
根据以上所述，可以看到存在着用于波分信息传输中的集成光学多路复用器和多路分解器的需求，而这种波分长信息传输是可以向下减小尺度以能够作为在电子学部件之间的光学内部连接加入微电子学器件中。这种集成应当包括信号加工电路以在光学和电子学部件之间转换传输信息以与CMOS电路部件集成。另外，该多路复用和多路分解功能必须以几乎完美的传播效率来实现，就象在宏观尺度上用一个常规的闪耀光栅可以得到的那样，即保持光功率，把产生的热减至最小和使信息吞吐量最大。本发明首要的目的正是提供这样的一种器件。
发明内容
简要地讲，本发明，在它的一个优选实施方案中，包含一个集成光学多路分解器(它也能被配置为一个多路复用器)，以用于波分信息传输。该多路分解器的所有的部件都被形成并集成在一片集成芯片衬底上并能减小到微米或纳米尺度以用于在像微处理器这样的计算机芯片的电子学元件之间作为光学数据内部连接。事实上，本发明是独特地适合在纳米电子学电路中的应用。在一个实施方案中，该集成光学多路分解器包含一片集成电路衬底，它可以是一片传统的硅衬底。用标准的集成电路腐蚀和掺杂工艺在衬底上形成光学光检测器阵列。在衬底上形成信号加工电子学电路，该电路被耦合以接收当光检测器曝露于光线时从光检测器来的电学信号。该信号加工电子学电路被设计成可以解调从光检测器来的信号以从光检测器上各入射光束上提取数据，并把这些数据转换成某种格式以与电子学部件通信。
在衬底上形成第一层光学透明材料，它覆盖在光检测器上并具有第一折射率。覆盖在第一层光学透明材料上形成第二层光学透明材料，它具有第二折射系数，从而在覆盖在光检测器上的两层光学透明材料之间确定一个界面。在第一和第二层光学透明材料之间的界面上形成一双闪耀光栅。以这样的结构，第二层光学透明材料形成一个光波导，光学信号能够通过该波导从一处传播至另一处。双闪耀光栅形成为第二层光学透明材料所形成的波导和覆盖在光检测器阵列上的第一层光学透明材料之间的波导耦合器。
在使用时，由几个分立波长光束(其中每一个都以要传输的数据调制的)组成的波分多路复用光束被引导进由第二层光学透明材料形成的光波导。该束光束也可以从覆盖在波导上的另一层直接引导进波导。这个覆盖层可以是自由空间(折射率近似等于1)或者也可以是一层折射率小于波导材料折射率的光学透明材料。无论什么情况(也即不论多路复用光束是通过波导传输还是从波导外面进入)，当多路复用光束和双闪耀光栅相遇时，分立波长光束被光栅以不同的角度衍射，这角度是其对应波长的函数。这样多路复用光束就被以闪耀光栅多路分解，而各个分立波长光束就被扇出。
在双闪耀光栅下方并在第一层光学透明材料下面的光检测器置于这样的位置，使得每一个光检测器截取从光栅来的各分立波长光束中的一束。与光检测器阵列耦合的信号加工电子学电路接收从各个光检测器来的各个输出信号，解调各个信号以提取原先在光束上编码的数据，并把数据以适当的形式格式化，以和在集成电路上的电子学部件通信。
因为光学过程是可逆的，本发明也涉及光学多路复用器以把用数据调制了的各个分立波长的光束多路复用为一个波分多路复用光信号以供传输。在这个多路复用器中，光检测器被光发射器所取代，以发射分立波长光束，而信号加工电子学电路的功能是把要传输的数据重新格式化并把数据调制在发射器所发射的光束上。这样，一个在一芯片的微米尺度或纳米尺度的用于微电子学芯片的光学内部连接网络通过本发明的应用现在成为可能。本发明的双闪耀光栅能在这些尺度上以已有的制造技术在一个步骤的过程中制造出来。更其重要的是，与常规的闪耀光栅不同，双闪耀光栅在所需的亚波长尺度上不会变成零级光栅，而是继续把几乎所有的入射光分配给一选定的衍射级，像例如+1级。这样，在所要求的小尺度上仍然能对光束进行衍射并得到光束的多路分解。最后，因为双闪耀光栅在把入射光分配给选定的衍射级上是非常有效的，因而有较高强度的光学信号被传输到光检测器，因而光检测器响应得更快。这就导致更高的数据吞吐量。
综上所述，本发明提供一种检测传输光学信号并把检测信号转换成电信号的集成光学信号检测器，该检测器包含：一个硅集成电路衬底；在所述衬底上形成的至少一个光检测器；在所述衬底上形成的信号加工电子学电路；所述信号加工电子学电路被电耦合至所述光检测器并被配置成从所述光检测器接收信号并把接收信号处理成电输出；覆盖在所述衬底上的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射率；覆盖在所述第一层光学透明材料上的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料具有第二折射率；在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅，所述双闪耀光栅被配置成使从所述第二层光学透明材料来的入射光束被衍射通过所述第一层光学透明材料并到达所述光检测器；所述第二层光学透明材料形成一个波导，集成光学信号至少部分被传输通过所述波导到达所述双闪耀光栅。
根据本发明的上述集成光学信号检测器，其中入射光束是从所述第二层光学透明材料外部传入并传进该层到达所述双闪耀光栅。
根据本发明的上述集成光学信号检测器，其中入射光束是一束波长多路复用光束，所述双闪耀光栅把所述入射光束的每一个波长组份通过不同的角度衍射并到达所述集成电路衬底上的不同位置，并进一步包含在所述集成电路衬底上形成的一个光检测器阵列，所述光检测器中的每一个被安置在去截取一个所述被衍射的波长组份的位置。
根据本发明的上述集成光学信号检测器，其中所述双闪耀光栅被优化于第一级衍射。
根据本发明的上述集成光学信号检测器，其中所述第一层光学透明材料是从由折射率约在1.2和1.3之间的低K聚合物，空气，或二氧化硅组成的一组材料中选取的。
根据本发明的上述集成光学信号检测器，其中所述第二层光学透明材料是从由LiNbO3，氮化硅，二氧化硅，一种具有约在1.5和1.6之间的折射率的聚合物，硅或多晶硅组成的一组材料中选取的。
本发明还提供一种用于信息的波分传输的集成电路光学多路分解器，所述多路分解器包含：一个集成电路衬底；在所述集成电路衬底上形成的一光检测器阵列；在所述集成电路衬底上形成的并与所述光检测器阵列耦合的信号加工电子学电路；在所述衬底上覆盖在所述光检测器阵列上的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射系数；覆盖在第一层光学透明材料上并与之形成界面的第二层光学透明材料，它具有第二折射系数；所述第二层光学透明材料从包括LiNbO3，氮化硅，二氧化硅，一种具有约在1.5和1.6之间的折射率的聚合物，硅，或多晶硅组成的组中选择；在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅；所述双闪耀光栅被安置在及配置成使从第二层光学透明材料来的波分多路复用光束的各个分立的波长组份被衍射通过所述第一层光学透明材料并到达所述光检测器中对应的各个检测器。
根据本发明的上述集成电路光学多路分解器，其中所述信号加工电子学电路包括一个解调器以提取调制在所述波分多路复用光束的所述分立波长组份上的数据。
根据本发明的上述集成电路光学多路分解器，其中所述信号加工电子学电路包括一个格式化电路，以把所提取的数据格式化以与其他电子学部件通信。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述第一折射系数大于所述第二折射系数。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是一种折射率约在1.2和1.3之间的低K聚合物。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是空气。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是二氧化硅。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述第二层光学透明材料形成一波导，以及其中所述入射光线通过所述波导传输到所述双闪耀光栅。
根据本发明的上述集成光学多路分解器，其中所述入射光线从自由空间传输进所述第二层光学透明材料。
本发明还提供一种集成电路光学多路复用器，它在信息波分多路复用传输中用以把各个分立波长的光束迭合成单一的多色光束，所述多路复用器包含：一个集成电路衬底；在所述集成电路衬底上形成的一个光发射器阵列，每一个所述的光发射器用以发射一种所述分立波长的光束；在所述集成电路衬底上形成并与所述光发射器阵列耦合的信号加工电子学电路；在所述衬底上的覆盖所述光发射器阵列的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射率；覆盖在所述第一层光学透明材料上并与之形成界面的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料具有第二折射率并形成覆盖在所述第一层光学透明材料上的光波导，用于传输多路复用光学信号；以及在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅；所述双闪耀光栅被安置在及配置成使截取所述各个分立波长的光束并把所述各光束迭合成一个用以传输的单一的多色光束。
本发明还提供一种具有光学数据内部连接的集成电路，所述集成电路包含：一个集成电路衬底；在所述集成电路衬底上形成的电子学部件；覆盖在所述衬底的至少一部分上的第一层光学透明材料，它具有第一折射率；覆盖在所述第一层光学透明材料上并具有第二折射率的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料形成一波导；在所述第一层和第二层光学透明材料的界面上的双闪耀光栅，用以把波分多路复用光学信号多路分解成其分立波长的组份；在所述集成电路衬底上的光检测器，用以截取并检测已被多路分解的分立波长组份；以及在所述集成电路衬底上与所述光检测器耦合的信号加工电子学电路，以把所述光检测器的输出转换成和所述电子学部件进行通信的电信号。
根据本发明的上述具有光学数据内部连接的集成电路，进一步包含在所述集成电路衬底上的光发射器，以及和所述光发射器耦合的编码器，以把电信号编码进光信号，以及一个双闪耀光栅，以从所述发射器接收光信号并把它们迭合成一个波分多路复用信号以通过所述光波导传输。
因而，一种用于波分信息传输的集成光学多路复用器和多路分解器，它解决了现有技术中的问题，它可以向下减小尺度以用于集成电路芯片上各个电子学部件之间的光学内部连接。本发明的这些和其他目的，特征和优点在考察后面将要给出的详细叙述并结合如下将简要描述的附图后将变得更加明白。
附图说明
图1是以一种优选的形式体现本发明原理的一个集成光学多路复用器的一张简化截面图。
具体实施方式
现详细参照附图，图1示出一个集成光学多路分解器，它以一种优选的形式体现本发明的原理。应当理解到本图只包含一个微电子学集成电路的一个非常小的，用于光学多路分解器的区域，而整个芯片，它可以是一个微处理器，可以包括几百万个集成电子学元件，而这在图1这个小区域内是没有显示出来的。
集成光学多路分解器11是在一片集成电路衬底12上形成的，而该衬底可以常规地用N型硅材料来形成。在图1中衬底12没有显示的部份可以用传统的集成电路制造技术加以腐蚀和掺杂以形成数百万个电子学元件，而它们在一起形成，例如，一个微处理器或其他电子学装置。一个光检测器阵列(在图1中用参照数字10来表示)在衬底12上形成，这可以用传统的集成电路制造技术，可以例如包含以适当的杂质掺杂的P+型区以使检测器对光线敏感。(当然，如果需要的话，衬底可以是P型材料而传感器可以是N型材料)。在示出的实施方案中，由第一检测器13，第二检测器14，第三检测器16，和第四检测器17组成的四个隔开的光检测器的阵列在衬底上形成。然而应当理解到，依据在传感器阵列所在位置上要接收的光传输数据通道的数目，可以在衬底上形成比四个光检测器更多的检测器或更少的检测器。例如，如果要被传输的光学数据有80个通道，那么该阵列就可以包含80个检测器。对于集成电路生产领域的技术人员，用适当的腐蚀，掺杂和其他工艺，在集成电路衬底上光检检器的制造是熟知的，因而不需在此处详加描述。
在集成电路衬底12上邻近光检测器阵列10处形成信号加工电子学电路18，这些电子学电路与在阵列中每一个光检测器电耦合，而这是用也在集成电路衬底12上或在集成电路衬底12内形成的适当的导体21来实现的。该信号加工电子学电路被设计用以接收光检测器13，14，16和17当它们被一光束照射时产生的电信号。这些电信号显示入射光束的空间和时间特征，包括光束的调制，而这种调制带着由光束携带并由光束传输的数据和其他信息。信号加工电子学电路18实现几个功能，包括，但不限于，过滤功能以减小在阵列10的光检测器之间的交叉干扰，对从光检测器来的信号解调，以从光频载波上提取数据，把数据格式化成一种常规的格式以便之后通过电输出19传输到在集成电路芯片上其他的电子学部件。
在衬底12上形成第一层光学透明(至少在感兴趣的波长上)材料22，它覆盖并重叠在光检测阵列10上。第一层光学透明材料具有第一折射系数，图中用nc来表示。第一层透明材料22可以从具有不同折射率的许多种适当的材料中选择，包括，但不限于，低K聚合物(折射率约在1.2和1.3之间，空气或其他气体(折射率等于1)，或二氧化硅(折射率约为1.5)。
在第一层光学透明材料22上面形成一层第二层光学透明(至少在感兴趣的波长上)材料23，它具有第二折射率，在图中用ng表示。第二层光学透明材料所藉以形成的材料可以从许多适当的材料中选择，包括，但不限于，LiNbO3(折射率约等于2.1)，氮化硅(折射率约等于2)，二氧化硅(折射率约为1.5)，聚合物(折射率约在1.5和1.6之间)，多晶硅(折射率约等于4)或硅(折射率约等于3.8)。具有高折射率的材料允许较薄的波导，因为光通过这种材料有较大的折射。在应用中，第一层和第二层光学透明材料22和23的材料被选择得使两层对应的折射率是不同的。在第一和第二层光学透明材料22和23连结处形成一个界面24。第二层光学透明材料23形成一波导，以传输光学信号，这在下面将详细讨论。
按照由本发明人作为合作作者并在前面已在本文中引入作为参考的文献中详细讨论的原理，在第一和第二层光学透明材料之间的界面上形成一双闪耀光栅26。如果愿意的话，可以在第二层光学透明材料上用腐蚀，压印成其他方法形成该光栅，然而，更加可取的是，在第一层22的表面上先形成光栅，再在其上淀积第二层23。该双闪耀光栅26本质上是在第二层光学透明材料23所形成的波导和第一层光学透明材料22之间形成的一个波导耦合器。
现在将从二种可以选择的操作方式(其中每一种都具有同等的适用性)的角度来描述光学多路分离器11的操作。首先，从芯片上远处某个位置，通过第二层材料23所形成的波导传输来一个内部光学输入27。该光学输入包含一个波分多路复用光束，在图中所画的实施方案中，它由四个分立波长的光束构成，它们结合成一个多色光束。应当理解到，如果需要的话，光学输入27可以由少于四个分立波长光束组成，也可以由大于四个分立波长光束组成，这依赖于要用光束传输的信息的通道数。每一个分立波长光束有一个基频，该基频被数据所调制，这样该数据就编码在多路复用光束上并和多路调制光束一起传输，这在本技术领域内是熟知的。这样，在示出的实施方案中，四个数据通道可以随着多路复用光学输入光束27一起传输。
当波分多路复用光学输入光束27在图1的I处和双闪耀光栅26相遇时，双闪耀光栅就如前所述那样，起着把光束衍射进第一层光学透明材料22的作用。因为组成多路复用光束的每一束光束都有不同的分立的波长，每一束光束相对于两层之间界面的法线以一个不同角度衍射，如图所示。光束被衍射的角度是光束波长、双闪耀光栅的结构、第一和第二层光学透明材料22和23的相对折射率的函数。
在图中的实施方案中，多路复用光束的分立波长成份的衍射导致分立波长光束的扇形展开，从而把它们分别分开成第一，第二，第三，和第四个分立波长光束28，29，31和32。这样，用双闪耀光栅就把多路复用光束多路分解或分离成它的组成光束。每一个被分离的光束通过第一层光学透明材料22传播并到达集成电路衬底12的一个位置。光探测器13，14，16和17被排到在衬底上，使得每一个光检测器位于和对应的一个被多路分解光束相交的位置，如图所示。当被入射光照射时，每一个检测器产生一个电学信号，它具有光束的时间和空间的特征。这样，所产生的电学信号包括在光束基波长上的载波以及表示在光束上被调制或编码的数据的调制波。这些电学信号接着被信号加工电子学电路所接收。经滤波，解调以从该信号中提取数据，以及把数据适当地格式化以通过电输出19和在集成电路上的其他电子学元件通信。这样可以看到，在图示的实施方案中，有四个分立的数据通道同时地被光学传输，多路分解，解调，以及为后面与其他电子学器件的通信而被格式化。
第二种操作模式与上面所述的第一触模式是类似的，不同之处在于，波分多路复用光学输入36是从第二层外面进入第二层光学透明材料23的，而不是通过由第二层形成的波导传输的。在图1中，光学输入37从自由空间进入第二层。然后应当理解到，在第二层上方也可以不是自由空间，而是另一种材料，而光束可以不从自由空间而是从这种材料进入波导。无论那种情况，在这种操作模式下，光输入可以不源自该集成电路芯片上的其他位置，而是源自电路板上不同的芯片。该光学输入也可以是源自远处地理位置的光学信号，它通过光学纤维传输到包含本发明的多路分解器的芯片。就此而言，本发明可以用于接收和多路分解光学远程通信信号以及用于在一芯片的光学内部连接。事实上，光学远程通信信号和光学数据信号可以同时传输，其中任一个，或者两者均可以通过由第二层材料形成的波导传输和/或从波导外面传输。
当多路复用光学输入36在图1的K处进入第二层光学透明材料23时，它稍稍折射并通过第二层传播到双闪耀光栅26。就和内部光学输入27一样，双闪耀光栅多路分解光学输入，把它分成分立波长组份光束28，29，31和32。随后这些光束被光检测器阵列10所截取，而该光束所载的数据被信号加工电子学电路18所提取并适当地格式化。
光学系统从它本性上讲通常是可逆的。因而本发明也涉及一个光学多路复用器以把多个被数据调制了的分立波长光束多路复用或合成为一个多色光束来传输。在一个集成电路芯片上光学内部连接的情况下，光学多路复用器可以在芯片上产生数据的位置形成，而多路信号分解器如上所述可以在要接收数据的地方形成。用来作为一个多路复用器的本发明和图1的多路分解器有类似的配置，不同的只是用适应于发射分立波长光束而不是对分立波长光束作出响应的光发射器，最好是激光发射器来代替光检测器。在这点上，可以用许多类型的激光发射器象，例如，垂直空腔边缘发射激光器(VCSELS)以及边缘发射激光器和其他激光器。本发明企图适用任何类型的光学信号产生器件，不论现在已有的还是以后发现的。适宜于形成集成激光发射器的集成电路衬底化合物包括，但不限于，GaAs，InP，IuGaAs，以及InGlGaAs。一般讲，在一集成电路衬底上形成激光发射器的工艺在集成电路技术中是熟知的，因而在此处不需仔细讨论。
在一个多路复用器的配置中，信号加工电子学电路在电输入端接收数据，并格式化数据以用作调制，并产生加在激光发射器上的调制电信号。而激光发射器发射分立波长的光束，它经过第一层光学透明材料传播并用双闪耀光栅把这些光束结合成或多路复用成一个波分多路复用光束。多路复用光束接着通过第二层光学透射材料所形成的波导传播并可以在某个多路分解的位置多路分解。以这样的方式，形成完全的在一芯片光学数据和/或远程通信的内部连接，而数据被光学地而不是电学地传输，并伴随着以上所述的全部优点。这样得到的多路复用光束也可以传输进自由空间以便以后通过传统的纤维光缆传送到其他芯片或传送到远处的地理位置。
本发明的集成光学多路分解器和/或多路复用器通过使用双闪耀光栅而成为可能，而该光栅，如前所述，可以在微米或纳米的尺度上制作并纳入集成电路芯片并且仍然保持双闪耀光栅的把入射光束的几乎全部能量分配给某一选定的衍射级的能力。而用常规闪耀光栅或模仿常规闪耀光栅的其他类型的光栅，这是完全不可能的。
本发明已经用优选实施方案和方法加以叙述，然而应当了解到，对于本领域的技术人员可以在本发明的范围内对所述的实施方案作许多添加，删节及修改。例如，在其最简单的形式中，本发明可以仅仅配置成一个光学信号检测器或开关，在此情况下，输入光束可以只具有单一波长，而以单一的检测器来检测光束的存在。另外也能用单一波长的光束以串行方式对数据编码而不是用调制输入光束的载波频率来对数据编码。最后还要指出，也可以选用前面所建议的材料以外的材料作为衬底和光学透明层材料，而所有适当的材料都被视为和前面所公布的材料等价的。对于本领域的技术人员，可以作上述或其他修改而没有偏离在权利要求书中给出的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种检测传输光学信号并把检测信号转换成电信号的集成光学信号检测器，该检测器包含：
一个硅集成电路衬底；
在所述衬底上形成的至少一个光检测器；
在所述衬底上形成的信号加工电子学电路；
所述信号加工电子学电路被电耦合至所述光检测器并被配置成从所述光检测器接收信号并把接收信号处理成电输出；
覆盖在所述衬底上的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射率；
覆盖在所述第一层光学透明材料上的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料具有第二折射率；
在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅，所述双闪耀光栅被配置成使从所述第二层光学透明材料来的入射光束被衍射通过所述第一层光学透明材料并到达所述光检测器；
所述第二层光学透明材料形成一个波导，集成光学信号至少部分被传输通过所述波导到达所述双闪耀光栅。
2.权利要求1中所述的集成光学信号检测器，其中入射光束是从所述第二层光学透明材料外部传入并传进该层到达所述双闪耀光栅。
3.权利要求1中所述的集成光学信号检测器，其中入射光束是一束波长多路复用光束，所述双闪耀光栅把所述入射光束的每一个波长组份通过不同的角度衍射并到达所述集成电路衬底上的不同位置，并进一步包含在所述集成电路衬底上形成的一个光检测器阵列，所述光检测器中的每一个被安置在去截取一个所述被衍射的波长组份的位置。
4.权利要求3中所述的集成光学信号检测器，其中所述双闪耀光栅被优化于第一级衍射。
5.权利要求1中所述的集成光学信号检测器，其中所述第一层光学透明材料是从由折射率约在1.2和1.3之间的低K聚合物，空气，或二氧化硅组成的一组材料中选取的。
6.权利要求5中所述的集成光学信号检测器，其中所述第二层光学透明材料是从由LiNbO3，氮化硅，二氧化硅，一种具有约在1.5和1.6之间的折射率的聚合物，硅或多晶硅组成的一组材料中选取的。
7.一种用于信息的波分传输的集成电路光学多路分解器，所述多路分解器包含：
一个集成电路衬底；
在所述集成电路衬底上形成的一光检测器阵列；
在所述集成电路衬底上形成的并与所述光检测器阵列耦合的信号加工电子学电路；
在所述衬底上覆盖在所述光检测器阵列上的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射系数；
覆盖在第一层光学透明材料上并与之形成界面的第二层光学透明材料，它具有第二折射系数；
所述第二层光学透明材料从包括LiNbO3，氮化硅，二氧化硅，一种具有约在1.5和1.6之间的折射率的聚合物，硅，或多晶硅组成的组中选择；
在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅；
所述双闪耀光栅被安置在及配置成使从第二层光学透明材料来的波分多路复用光束的各个分立的波长组份被衍射通过所述第一层光学透明材料并到达所述光检测器中对应的各个检测器。
8.权利要求7中所述的集成电路光学多路分解器，其中所述信号加工电子学电路包括一个解调器以提取调制在所述波分多路复用光束的所述分立波长组份上的数据。
9.权利要求8中所述的集成电路光学多路分解器，其中所述信号加工电子学电路包括一个格式化电路，以把所提取的数据格式化以与其他电子学部件通信。
10.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述第一折射系数大于所述第二折射系数。
11.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是一种折射率约在1.2和1.3之间的低K聚合物。
12.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是空气。
13.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述第一光学透明材料是二氧化硅。
14.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述第二层光学透明材料形成一波导，以及其中所述入射光线通过所述波导传输到所述双闪耀光栅。
15.权利要求7中所述的集成光学多路分解器，其中所述入射光线从自由空间传输进所述第二层光学透明材料。
16.一种集成电路光学多路复用器，它在信息波分多路复用传输中用以把各个分立波长的光束迭合成单一的多色光束，所述多路复用器包含：
一个集成电路衬底；
在所述集成电路衬底上形成的一个光发射器阵列，每一个所述的光发射器用以发射一种所述分立波长的光束；
在所述集成电路衬底上形成并与所述光发射器阵列耦合的信号加工电子学电路；
在所述衬底上的覆盖所述光发射器阵列的第一层光学透明材料，所述第一层光学透明材料具有第一折射率；
覆盖在所述第一层光学透明材料上并与之形成界面的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料具有第二折射率并形成覆盖在所述第一层光学透明材料上的光波导，用于传输多路复用光学信号；以及
在所述第一层和所述第二层光学透明材料之间的界面上形成的双闪耀光栅；
所述双闪耀光栅被安置在及配置成使截取所述各个分立波长的光束并把所述各光束迭合成一个用以传输的单一的多色光束。
17.一种具有光学数据内部连接的集成电路，所述集成电路包含：
一个集成电路衬底；
在所述集成电路衬底上形成的电子学部件；
覆盖在所述衬底的至少一部分上的第一层光学透明材料，它具有第一折射率；
覆盖在所述第一层光学透明材料上并具有第二折射率的第二层光学透明材料，所述第二层光学透明材料形成一波导；
在所述第一层和第二层光学透明材料的界面上的双闪耀光栅，用以把波分多路复用光学信号多路分解成其分立波长的组份；
在所述集成电路衬底上的光检测器，用以截取并检测已被多路分解的分立波长组份；以及
在所述集成电路衬底上与所述光检测器耦合的信号加工电子学电路，以把所述光检测器的输出转换成和所述电子学部件进行通信的电信号。
18.权利要求17中所述的具有光学数据内部连接的集成电路，进一步包含在所述集成电路衬底上的光发射器，以及和所述光发射器耦合的编码器，以把电信号编码进光信号，以及一个双闪耀光栅，以从所述发射器接收光信号并把它们迭合成一个波分多路复用信号以通过所述光波导传输。
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