CN215264132U - 硅光子集成电路 - Google Patents

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Abstract

一种硅光子集成电路，包括：硅衬底构件；形成在硅衬底构件中的RX子电路，其包括多个RX输入端口，每个RX输入端口具有配置为将入射光信号接收到多个波导中的一个中的模式尺寸转换器和分别耦合到多个波导的多个RX光电探测器；以及形成在硅衬底构件中的TX子电路，其包括一个或多个TX输入端口；一个或多个1×2定向耦合器，每个1×2定向耦合器耦合在输入波导与两个调制输入波导之间；多个调制器，耦合在相应多个调制输入波导与多个调制输出波导之间；以及多个TX输出端口，每个TX输出端口具有耦合到多个输出波导中的相应一个的模式尺寸转换器。本实用新型实现具有高光电转换效率和转换速度、低光插入损耗和低功耗的硅光子集成电路以满足数据和数据传输需求。

Description

硅光子集成电路
技术领域
本实用新型涉及光通信技术。更具体地，本实用新型提供了集成在单个硅基晶片上的光子集成电路、基于该光子集成电路的高级光收发器及其制造方法。
背景技术
越来越高的数据带宽和更低的成本需求推动光学通信系统的发展。在数据中心内与数据中心之间传输的高速光信号需要具有较小形状因数的更高数据速率和更低成本的高级光收发器。光子集成电路芯片是光收发器内部确定数据通信速度和质量的最重要的芯片之一。由于应用于增强光电子的CMOS兼容的低成本制造技术的巨大进步，因此基本上期望开发具有高光电转换效率和转换速度、低光插入损耗和低功耗的硅光子集成电路。
实用新型内容
本实用新型涉及光通信技术。更具体地，本实用新型提供了在单个硅基晶片上制造的光子集成电路(SPIC)。仅作为示例，SPIC包括新型模式侧转换器、高性能硅光调制器、锗基高速光电二极管和低损耗无源波导装置。尽管其他应用是可能的，但是SPIC可以应用于遵循IEEE 802.3bs的100G和400G数据通信系统中。
在现代电互连系统中，高速串行链路已经取代了并行数据总线，并且串行链路速度由于CMOS技术的演进而迅速提高。根据摩尔定律，因特网带宽几乎每两年翻倍。但是摩尔定律将在接下来的十年内结束。标准的CMOS硅晶体管将在3nm左右停止缩放。并且由于过程缩放而导致的因特网带宽增加将达到稳定状态。但是因特网和移动应用不断地需要大量的带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了改进超过摩尔定律的通信带宽的技术和方法。
在一个实施方式中，本实用新型提供了一种硅光子集成电路，包括：硅衬底构件；形成在硅衬底构件中的接收器子电路，该接收器子电路包括：多个接收器输入端口，每个接收器输入端口具有被配置为将入射光信号接收到多个波导中的一个波导中的模式尺寸转换器以及分别耦合到多个波导的多个接收器光电探测器；以及形成在硅衬底构件中的发送器子电路，该发送器子电路包括：一个或多个发送器输入端口，每个发送器输入端口具有耦合到第一发送器监视光电探测器到一个输入波导的模式尺寸转换器；一个或多个1×2定向耦合器，每个1×2定向耦合器耦合在输入波导与两个调制输入波导之间；多个调制器，耦合在相应多个调制输入波导与多个调制输出波导之间，每个调制器耦合到第二发送器监视光电探测器到多个输出波导中的一个输出波导；以及多个发送器输出端口，每个发送器输出端口具有耦合到多个输出波导中的相应一个输出波导的模式尺寸转换器；其中，每个发送器输入端口被配置为通过每个发送器输入端口的模式尺寸转换器接收由第一发送器监视光电检测器监视的激光信号，每个1×2定向耦合器被配置为将激光信号分路为两个输入光信号，每个调制器被配置为调制一个输入光信号以在由第二发送器监视光电检测器监视的一个调制输出波导中生成一个输出光信号，并输出到多个输出波导中的相应一个输出波导，每个发送器输出端口被配置为通过每个发送器输出端口的模式尺寸转换器输出输出光信号
其中，与接收器输入端口相关联的模式尺寸转换器包括由硅层制成的第一形状线性结构、由设置在硅层上方的氮化硅层制成的第二形状线性结构，其中，包层的分离部分使得第二形状线性结构与第一形状线性结构部分重叠。
其中，第一形状线性结构包括在第一形状线性结构端部处具有指向第一方向的尖端的三角形部分，第二形状线性结构包括在第二形状线性结构第一端部处具有指向与第一方向相反的第二方向的第一三角形部分、在第二形状线性结构中间的矩形部分以及在第二形状线性结构第二端部处具有指向第一方向的尖端的第二三角形部分，第一三角形部分与第一形状线性结构的三角形部分部分重叠。
其中，与接收器输入端口相关联的模式尺寸转换器进一步包括两个深沟槽，该两个深沟槽分开垂直地形成在第二形状线性结构的第二三角形部分加上至少部分矩形部分的两侧。
其中，第二形状线性结构进一步包括由氮化硅层制成的两个隔离的三角形结构，其中，该两个隔离的三角形结构具有指向第一方向的尖端并且分别分开地设置在第二三角形部分与两个深沟槽之间。
其中，与发送器输入端口或发送器输出端口相关联的模式尺寸转换器在结构、形状和材料上和与接收器输入端口相关联的模式尺寸转换器的结构、形状和材料相同。
其中，锗基高速光电二极管包括覆盖形成在硅衬底构件中的盒形硅结构的棚屋形锗结构，其中，棚屋形锗结构包括除了处于N++掺杂状态的顶部部分之外的处于本征状态的主要部分，并且盒形硅结构包括除了处于P++掺杂状态的两个端部之外的处于P+掺杂状态的中心部分，棚屋形锗结构的主要部分仅与盒形硅结构的中心部分接触。
利用本实用新型的一个方面，可以实现具有高光电转换效率和转换速度、低光插入损耗和低功耗的硅光子集成电路以满足数据和数据传输的高需求。
附图说明
图1是根据本实用新型的实施方式的用于形成光收发器芯片的硅基晶片上的硅光子集成电路的简化框图。
图2A是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的侧视图。
图2B是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。
图2C是根据本实用新型的另一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。
图3A是根据本实用新型的另一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的侧视图。
图3B是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。
图3C是根据本实用新型的又一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。
图4A是根据本实用新型的实施方式的具有单向操作的监视光电探测器的示意图。
图4B是根据本实用新型的实施方式的具有双向操作的监视光电探测器的示意图。
图5是根据本实用新型的实施方式的基于马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪的硅光调制器的示意图。
图6是示出根据本实用新型的实施方式的图5的硅光调制器的输入/输出端处的材料过渡结构的示意图。
图7A是根据本实用新型的实施方式的锗基高速光电二极管的简化截面图。
图7B是根据本实用新型的另一实施方式的锗基高速光电二极管的简化截面图。
图7C是根据本实用新型的实施方式的具有接地/源电极设置的图7A或图7B的锗基高速光电二极管的简化俯视图。
图7D是根据本实用新型的又一实施方式的锗基高速光电二极管的简化截面图。
图7E是根据本实用新型的实施方式的具有接地/源电极设置的图7D的锗基高速光电二极管的简化俯视图。
图8是根据本实用新型的实施方式的硅光子集成电路的简化框图，该硅光子集成电路包括用于与TIA或驱动模块的倒装芯片形成焊料键合连接并且引线键合连接到印刷电路板的短金属迹线。
图9是根据本实用新型的实施方式的硅基晶片上具有硅光子集成电路芯片的电气芯片的倒装芯片组件的示意图。
具体实施方式
本实用新型涉及光通信技术。更具体地，本实用新型提供了在单个硅基晶片上制造的光子集成电路(SPIC)。仅作为示例，SPIC包括新型模式侧转换器、高性能硅光调制器、锗基高速光电二极管和低损耗无源波导装置。尽管其他应用是可能的，但是SPIC可以应用于遵循IEEE 802.3bs的100Gbps和400Gbps数据通信系统中。
在一个方面，本公开提供了一种在单个硅衬底构件上的硅光子集成电路。可选地，硅光子集成电路(SPIC)用于形成紧凑型光收发器。随着WDM系统中数据传输能力的增加，近年来对基于硅光子平台的高速、高带宽、低损耗光收发器的需求越来越受到人们的关注。决定SPIC性能的关键指标包括光电转换效率和转换速度、光插入损耗、光功耗和电功耗。对这些指标的改进涉及光子集成电路中每个组件的许多新颖性。集成在硅基晶片中的具有新颖的结构/性能设计的所有无源或有源光子装置的紧凑型SPIC芯片为高级数据通信应用提供了巨大的潜力。仅作为示例，具有高速、低功耗和低成本优点的基于新型SPIC芯片的紧凑型光收发器可以支持100Gbps和400Gbps数据中心互连应用等。
图1是根据本实用新型的实施方式的用于形成光收发器芯片的硅基晶片上的硅光子集成电路的简化框图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在一个实施方式中，如图1所示，在单个硅基晶片衬底中形成硅光子集成光子电路1000。在该实施方式中，硅光子集成光子电路(SPIC)1000被配置为形成光收发器。因此，SPIC被布置有具有多个RX输入端口的接收器(RX)子电路以及具有一个或多个光源和多个TX输出端口的发送器(TX)子电路。可选地，光收发器是被配置为接收四个入射光信号并输出四个输出光信号的4通道光收发器。
参考图1，SPIC 1000的RX子电路形成在硅基晶片衬底中。RX子电路包括多个RX输入端口，每个RX输入端口具有被配置为将入射光信号接收到多个波导10中的一个中的模式尺寸转换器(MSC)以及分别耦合到多个波导10的多个RX光电探测器(RXPD)。在该实施方式中，入射光信号通常经由光纤(例如，从数据中心)递送。为了将SPIC引入到低耦合损耗的光纤通信系统中，需要模式尺寸转换器MSC来解决光纤与SPIC之间的模式不匹配的问题。MSC是一种完全形成在硅基晶片衬底内的无源光子装置。稍后将呈现更多详细信息。可选地，用于形成MSC的硅基晶片衬底至少包括硅层、由绝缘体制成的包层以及嵌入包层中的氮化硅层。可选地，硅基晶片还包含锗层。可选地，RXPD被设置为锗基高速光电二极管400。如果基于SPIC 1000形成光收发器，则一个RXPD耦合在多个波导10中的每一个中以接收一个入射光信号，并且能够通过跨阻抗放大器模块将光信号转换为要由数字信号处理器处理的电信号。稍后将呈现关于锗基高速光电二极管的更多详细信息。
参考图1，SPIC 1000的TX子电路也形成在同一硅基晶片衬底中。TX子电路包括一个或多个TX输入端口，每个TX输入端口具有模式尺寸转换器(MSC)，该模式尺寸转换器耦合到第一TX监视光电探测器(MPD_A)到一个输入波导11(或12)中，用于监视由其TX输入端口接收的光信号的光功率。TX子电路进一步包括一个或多个1×2定向耦合器(1×2DC)，每个1×2耦合器耦合在输入波导11(12)与两个调制输入波导111、112(或121、122)之间。另外，TX子电路包括耦合在相应多个调制输入波导(例如，111)与多个调制输出波导(例如，1111、1112)之间的多个调制器(MOD)。对于每个MOD，两个调制输出波导中的一个调制输出波导1112耦合到第二TX监视光电探测器(MPD_B)，用于监视由其MOD输出的调制光信号的光功率。两个调制输出波导中的另一个调制输出波导1111直接耦合到光检测器(DPD)。可选地，DPD被设置为锗基高速光电二极管400，类似于RXPD的锗基高速光电二极管400。此外，TX子电路包括多个TX输出端口，每个TX输出端口具有耦合到多个输出波导(例如，21、22、23、24)中的相应一个的模式尺寸转换器(MSC)。
在该实施方式中，每个TX输入端口被配置为通过其模式尺寸转换器(MSC)接收由第一TX监视光电探测器(MPD_A)监视的激光信号。通常，激光经由光纤从与SPIC 1000分开放置的激光装置递送，使得MSC在此处也实现用于SPIC与光纤之间的光信号的模式匹配。可选地，此处使用的MSC可以与用于RX输入端口的MSC基本相同。在本实施方式中，每个1×2DC被配置为将激光信号分路为两个输入光信号。可选地，1×2DC是50/50分路器，使得来自激光装置的一个激光可以在功率上被均等地分配，从而为SPIC 1000的两个通道提供两个输入光信号。每个调制器(MOD)被配置为调制一个输入光信号以生成一个输出光信号以在一个调制输出波导(例如，1112)中携带通信数据流。输出光信号由第二TX监视光检测器(MPD_B)监视，并输出到多个输出波导中的相应一个输出波导(例如，21)。每个TX输出端口被配置为通过其MSC将输出光信号输出到通向数据中心或网络的光纤。可选地，RX子电路中的波导(例如，10)、输入波导(例如，11)、调制输入波导(例如，111)、调制输出波导(例如，1111)和TX子电路中的输出波导(例如，21)中的每一个由氮化硅层形成在硅基晶片中，以实现较低的光损耗。
图2A是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的侧视图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，模式尺寸转换器(MSC)是一种硅基波导到光纤模式的转换结构。可选地，MSC形成在包含硅层和氮化硅层的硅基晶片中，该硅层和氮化硅层嵌入由绝缘体(例如，氧化硅)制成的包层中。在该实施方式中，如侧视图所示，MSC形成有由硅层制成的第一形状线性结构、由设置在硅层上方且在包层中分离的氮化硅层制成的第二形状线性结构，使得第二形状线性结构与第一形状线性结构部分重叠。
图2B是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，图2A中描述的MSC的第一形状线性结构包括在其端部处具有指向第一方向的尖端的三角形部分201。第二形状线性结构包括在其第一端部处具有指向与第一方向相反的第二方向的第一三角形部分211、在其中间的矩形部分212以及在其第二端部处具有指向第一方向的尖端的第二三角形部分213。第一三角形部分211与第一形状线性结构的三角形部分201部分重叠。所有这些硅基结构都嵌入由绝缘体制成的包层中。
图2C是根据本实用新型的另一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，图2B中描述的MSC进一步配置有两个深沟槽221和222，其分别设置在包括第二三角形部分213和部分矩形部分212的第二形状线性结构的两侧。所有这些硅基结构都嵌入由绝缘体制成的包层中。可选地，两个深沟槽221和222是中空的。可选地，两个深沟槽221和222由不同于包层的材料填充。通过优化第一形状线性结构和第二形状线性结构(或者可选地具有两个深沟槽)的尺寸来配置MSC，以实现从光纤传输到形成在硅基晶片中的波导的光波的模式的适当匹配。换句话说，MSC通常形成在与光输入端口或光输出端口相关联的SPIC 1000的边缘区域。
图3A是根据本实用新型的另一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的侧视图。如图所示，MSC在该侧视图中基本上类似于图2A中所描述的MSC。图3B是根据本实用新型的实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。此处，在俯视图中，揭示了该实施方式的MSC还包括由氮化硅层制成的两个隔离的三角形结构214和215，其具有指向第一方向的尖端并且分别设置在第二形状线性结构的第二三角形部分213的两侧。此外，图3C示出了根据本实用新型的又一实施方式的形成在硅基晶片中的模式尺寸转换器的俯视图。如图所示，图3B中描述的MSC进一步配置有两个深沟槽223和224，其分别设置在两个隔离的三角形结构214和215的相应两个外侧处。所有这些硅基结构都嵌入由绝缘体制成的包层中。可选地，两个深沟槽223和224是中空的。可选地，两个深沟槽223和224由不同于包层的材料填充。通过优化第一形状线性结构和第二形状线性结构(或者可选地具有两个深沟槽)的尺寸来配置MSC，以实现从光纤传输到形成在硅基晶片中的波导的光波的模式的适当匹配。换句话说，MSC通常形成在与光输入端口或光输出端口相关联的SPIC1000的边缘区域。
图4A是根据本实用新型的实施方式的具有单向操作的监视光电探测器的示意图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，监视光电探测器(MPD_A)被配置为以单向方式操作。参考图1，在输入波导11(或12)中采用MPD_A，用于监视由TX输入端口经由其MSC接收的激光信号。参考图4A，MPD_A包括2×2定向耦合器，其具有耦合到TX输入端口(参见图1)的第一输入端口(Input)，该第一输入端口接收具有输入光功率Iinput＝I0的激光。MPD_A具有被终止的第二输入端口。MPD_A进一步具有第一输出端口(Output)，其与耦合到输入波导11(或12)的1×2定向耦合器中的一个耦合，如图1所示。可选地，1×2定向耦合器被设置为从硅基晶片的氮化硅层形成在硅基晶片中的50/50分路器。2×2定向耦合器被设置为从硅基晶片的氮化硅层形成在硅基晶片中的双向99/1分路器。第一输出端口(Output)被配置为通过99％的输入光功率(Ithrough＝99％I0)的主输出端口。此外，MPD_A具有耦合到锗光电探测器400的第二输出端口(Bar)，该锗光电检测器400是锗基高速光电二极管。第二输出端口(Bar)被配置为分接输出(tap output)，以将入射光信号的约1％的光功率递送到锗基高速光电二极管以监视对应的激光信号。将在下面的说明书中呈现锗基高速光电二极管的详细结构。
图4B是根据本实用新型的实施方式的具有双向操作的监视光电探测器的示意图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，监视光电探测器(MPD_B)被配置为以双向方式操作。参考图1，在调制输出波导中的一个(例如，1112)与耦合到与一个TX输出端口相关联的MSC的对应的输出波导中的一个(例如，21)之间采用MPD_B。参考图4B和图1，MPD_B可以用于监视方向1)(例如，来自MOD)或相反方向2)(例如，来自TX输出端口)的输入光信号。在图4B所示的实施方式中，在双向操作的第一个操作中，MPD_B被配置为2×2定向耦合器，其配置有耦合到MOD(参见图1)的调制输出波导(例如，1112)的第一输入端口(Input_1)和耦合到一个输出波导(例如，21)(参见图1)的第一直通输出端口(Output_1)和耦合到第一锗光电探测器401的第一条形输出端口(first bar-output port)(Bar_1)。可选地，所提供的2×2定向耦合器被设置为从硅基晶片的氮化硅层形成在硅基晶片中的双向90/10分路器。在第一个操作中，第一直通输出端口(Output_1)被配置为主输出，以通过来自MOD的一个输出光信号的约90％的光功率，并且第一条形输出端口(Bar_1)被配置为分接由第一锗光电探测器401探测到的输出光信号的约10％的光功率。此外，当MPD_B被配置在双向操作的第二个操作中时，2×2定向耦合器还包括耦合到第二锗光电探测器402的第二条形输出端口(Bar_2)。在第二个操作中，第一直通输出端口(Output_1)可选地被配置为从一个输出波导接收返回信号的第二输入端口(Input_2)，并且第一输入端口(Iuput_1)可选地被配置为第二直通输出端口(Output_2)。第二锗光电探测器402被配置为检测来自一个输出波导的返回信号的约10％的光功率。第一锗光电探测器401和第二锗光电探测器402两者都被设置为锗基高速光电二极管。将在下面的说明书中呈现锗基高速光电二极管的详细结构。
图5是根据本实用新型的实施方式的基于马赫曾德尔干涉仪的硅光调制器的示意图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在本实施方式中，硅光调制器(MOD)被设计为在自由载流子色散效应下工作。在自由载流子色散效应下，掺杂硅的折射率和吸收系数可以随自由电子浓度和空穴浓度而变化，自由电子浓度和空穴浓度可以通过外部施加的电场来调节。通常，通过在硅波导的中心注入PN结来实现自由载流子浓度的变化，这样，当有光波通过时，可以通过外部施加的电场(或偏置电压)来调节诸如光相位和光强度的光学参数。由于硅材料内吸收系数的变化不是很有效，因此利用折射率的变化可能需要优化硅波导光学结构以将光相位变化转化为光强度变化。实现该目的最友好的光学结构是马赫曾德尔干涉仪或微环谐振器。同时，用于调节电场的电气结构是反向PN结。如图5所示，在本实施方式中，具有两个线性硅波导分支的马赫曾德尔干涉仪结构被用作硅光调制器的移相器。
图5的A部分示出了脊形波导的横截面中的光强度分布，表明大部分能量集中在脊形硅波导的中心部分附近。图5的B部分示出了脊形硅波导和在脊形硅波导的中心部分处形成的PN结的截面图。与形成具有沿着中心部分的中间高度线的直的边界线的典型PN结不同，本实用新型的实施方式提供了一种具有不规则形状的边界线的PN结，该不规则形状的边界线具有跨中心部分的延长的边界线长度。如示例所示，边界线是在偏置电压(Vbias＝0)之前将P区和N区分隔开的L形。P区与第一侧面部分接触，并且N区与第二侧面部分接触，P区和N区两者在脊形硅波导的整个长度上的高度均小于中心部分。第一侧面部分包含被配置为经由金属接触形成第一电极的P++掺杂部分，并且第二侧面部分包含被配置为经由金属接触形成第二电极的N++部分。在第一电极与第二电极之间施加偏置电压(Vbias≠0)之后，通过改变第一电极与第二电极之间的电场沿着边界线形成基本上相同L形的耗尽区(i)，以改变PN结上的自由载流子浓度。当存在光波行进通过硅波导时，尤其是其主要强度集中在PN结存在的中心部分时，可以通过调节施加到两个外部电场的偏置电压来调节诸如光相位的光学参数。
图5的C部分示出了具有马赫曾德尔干涉仪结构作为移相器的硅光调制器(MOD)的完整光学配置，该移相器包含分别设置在其输入端和输出端的第一2×2分路器503和第二2×2分路器504之间的两个脊形硅波导501和502。可选地，第一2×2分路器503耦合到脊形硅波导的两个分支的公共输入端，并且具有耦合到一个调制输入波导(例如，111)的输入端口(参见图1)。第二2×2分路器504耦合到脊形硅波导的两个分支的公共输出端，以具有耦合到一个调制输出波导(例如，1112)的交叉输出端口(Cross)和耦合到另一个调制输出波导(例如，1111)的条形输出端口(参见图1)。输入光信号被第一2×2分路器503引导到两个分支501和502中，并且分别由跨与其相关联的两个PN结施加的偏置电压在光相位中调谐，并且来自两个分支的两个光信号在公共输出端处通过第二2×2分路器504经由干扰效应重新组合，该第二2×2分路器在条形输出端口或交叉输出端口处输出具有从相位变化转换的光强度调制的调制输出光信号。可选地，调制输出光信号的大部分光功率通过交叉输出端口递送。
通常，脊形硅波导的两个分支可以是相同的，并且由硅或锗化硅(SiGe)制成。中心部分可选地具有矩形形状的横截面，该横截面具有高度和宽度。高度被设置为大于第一侧面部分和第二侧面部分中的每一个的高度。可选地，宽度远大于高度，但是等于或小于第一侧面部分和第二侧面部分中的每一个的宽度。可选地，PN结的边界线可以明显长于中心部分的标称高度，使得PN结的容量可以最大化以实现最高调制效率，从而脊形硅波导的长度可以缩短以降低光损耗并增强带宽和调制性能。
在特定实施方式中，形成在RX子电路和TX子电路中的包括直接链接到2×2分路器503和504的输入端口或输出端口的波导优选地由氮化硅层制成，以减少SPIC 1000的总插入损耗。尽管光电子装置像MOD或锗光电探测器一样涉及有源材料，但是其中的波导优选地仅由硅制成(除了添加了锗的锗基高速光电二极管之外)。图6是示出根据本实用新型的实施方式的图5的硅光调制器的输入/输出端处的材料过渡结构的示意图。参考图6，MOD的移相器中的硅波导的两个分支中的每一个都具有从硅波导到氮化硅波导的材料过渡结构。如图所示，材料过渡结构包括成形氮化硅层，该成形氮化硅层具有耦合在第一三角形部分与第二三角形部分之间的矩形部分，该第一三角形部分和第二三角形部分全部嵌入成形硅层上方一定距离处的包层绝缘体层中，该成形硅层具有从MOD的移相器中的一个分支的脊形硅波导自然延伸的一个三角形部分。氮化硅层的第二三角形部分与成形硅层的一个三角形部分部分重叠，并且具有指向彼此相反的方向的对应的三角形尖端。
SPIC 1000(图1)中提到的锗光电探测器(包括RX子电路中的光电检测器(RXHD)、TX子电路中的DPD以及与调制器(MOD)相关联的MPD_A和MPD_B中的锗光电探测器)被设置为锗基高速光电二极管400。这些光电探测器由锗材料制成，PN结在反向偏置电压下工作。一旦光(经由形成在硅基晶片中的硅基波导)被锗材料吸收，它就会被转换为自由载流子，并在反向偏压下传输到对应的电极，从而形成光电流。在SPIC 1000中，RX子电路包括具有高速性能的4通道Ge光电探测器。TX子电路包括4通道调制器(MOD)，每个通道都有Ge光电探测器，该Ge光电探测器可能具有高速性能。图7A以锗基高速光电二极管的简化截面图示出一个实施方式。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在本实施方式中，锗基高速光电二极管400A设置有覆盖形成在硅基晶片中的盒形硅结构的棚屋形锗结构。如图所示，除了处于N++掺杂状态的顶部部分之外，棚屋形锗结构还包括处于本征状态的主要部分(i-Ge)。除了处于P++掺杂状态的两个端部之外，盒形硅结构(Si)还包括处于P+掺杂状态的中心部分。棚屋形锗结构的主要部分(i-Ge)仅与盒形硅结构的中心部分接触。
图7B以锗基高速光电二极管的简化截面图示出另一实施方式。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在本实施方式中，锗基高速光电二极管400B设置有覆盖形成在硅基晶片的盒形硅结构的棚屋形锗结构。如图所示，除了处于P++掺杂状态的顶部部分之外，棚屋形锗结构还包括处于本征状态的主要部分(i-Ge)。除了处于N++掺杂状态的两个端部之外，盒形硅结构(Si)还包括处于N+掺杂状态的中心部分(N+Si)。棚屋形锗结构的主要部分(i-Ge)仅与盒形硅结构的中心部分(N+Si)接触。
图7C是根据本实用新型的实施方式的具有接地/源电极设置的图7A或图7B的锗基高速光电二极管的简化俯视图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在此处如图7C所示的一些实施方式中，图7A或图7B的锗基高速光电二极管进一步包括与棚屋形锗结构的顶部部分具有金属接触的源电极(S)和与盒形硅结构的两个端部具有金属接触的两个接地电极(G)并且两个接地电极(G)电连接在一起。另外，如图7C所示，锗基高速光电二极管400C进一步包括由从盒形硅结构(Si)的中心部分的一侧延伸的硅层制成的锥形部分，用于与波导耦合以检测在其中传播的光信号并将其转换为跨源电极(S)和接地电极(G)的电信号。
图7D以锗基高速光电二极管的简化截面图中示出了又一实施方式。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，锗基高速光电二极管400D包括覆盖形成在硅基晶片衬底中的盒形硅结构的棚屋形锗结构。棚屋形锗结构完全处于本征状态(i-Ge)，并且盒形硅结构(Si)包括与处于N+掺杂状态的第二主要部分(N+Si)结合的处于P+掺杂状态的第一主要部分(P+Si)、与第一主要部分(P+Si)结合的处于P++掺杂状态的第一端部(P++Si)以及与第二主要部分(N+Si)结合的处于N++掺杂态的第二端部(N++Si)。棚屋形锗结构(i-Ge)仅与盒形硅结构的第一主要部分(P+Si)和第二主要部分(N+Si)两者接触。此外，图7E示出了根据本实用新型的实施方式的具有接地/源极设置的图7D的锗基高速光电二极管的简化俯视图。锗基高速光电二极管400E设置有与盒形硅结构的第一端部(P++Si)具有金属接触的接地电极(G)和与盒形硅结构的第二端部(N++Si)具有金属接触的源电极(S)。另外，如图7E所示，锗基高速光电二极管400E进一步包括由从盒形硅结构(Si)的中心部分的一侧延伸的硅层制成的锥形部分，用于与波导耦合以检测在其中传播的光信号并将其转换为跨源电极(S)和接地电极(G)的电信号。
图8是根据本实用新型的实施方式的硅光子集成电路的简化框图，该硅光子集成电路包括用于与TIA或驱动模块的倒装芯片形成焊料键合连接并且引线键合连接到印刷电路板的短金属迹线。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。参考图8，提供了硅光子集成电路(SPIC)2000。如图所示，SPIC 2000基本上类似于图1的SPIC 1000，包括形成在由硅基晶片制成的单个衬底构件中的RX子电路(RX)和TX子电路(TX)。SPIC 2000的RX子电路进一步包括形成在用于形成SPIC 1000的硅衬底构件的第一边缘区域上的多个短金属迹线。在一个实施方式中，第一边缘区域位于RX光电探测器(RXPD)附近并且连接到RX光电探测器(RXPD)。多个短金属迹线中的一些被配置为与倒装芯片组件中的跨阻抗放大器(TIA)模块的芯片形成焊料键合连接。多个短金属迹线的剩余部分被配置为形成到印刷电路板(PCB)的引线键合连接。可选地，引线键合连接由SPIC 2000的第一边缘区域附近的绝缘圆顶封装体(glob top)封装。
参考图8，SPIC 2000的TX子电路还包括形成在用于在1×2定向耦合器(1×2DC)附近形成SPIC 2000的单个衬底构件的第二边缘区域上并且连接到硅光调制器(MOD)的多个短金属迹线。该多个短金属迹线中的一些被配置为与倒装芯片组件中的驱动器模块的芯片形成焊料键合连接。多个短金属迹线的剩余部分被配置为形成到印刷电路板(PCB)的引线键合连接。可选地，引线键合连接由SPIC 2000的第二边缘区域附近的绝缘圆顶封装体封装。
可选地，一个或多个激光芯片、PLC块和ASIC芯片被安装到其上的PCB，并且一个或多个激光芯片的两个激光输出可以用于提供被引导至SPIC 2000的TX子电路的TX输入端口的光信号。可选地，在与TIA模块形成倒装芯片组件之后，RX子电路能够从网络接收4个通道的入射光信号，并将其转换为电信号以供TIA模块进行数字数据处理。可选地，4个通道的入射光信号经由4个RX输入端口处的相应4个模式尺寸转换器(MSC)从光纤递送。锗基高速光电探测器用于分开检测这四个光信号并将其转换为相应的电信号。TIA模块用于独立地处理从相应的四个光信号转换的四个电信号，以与具有扩展带宽的主机电网络系统进行通信。因此，SPIC 2000成为具有4个光通道的硅光子收发器的一部分。可选地，每个激光芯片也可以形成在硅衬底上并且由DFB激光器制成。可选地，倒装芯片组件中的驱动器模块独立设置。驱动器模块被配置为驱动所有四个调制器以调制分别通过其中的四个通道的光信号。可选地，驱动器模块采用PAM-N(N为整数)调制协议或NRZ调制协议，以基于由驱动器模块接收的对应的数据信号来调制光信号。例如，尽管可以采用其他格式，但是调制器(MOD)被配置为提供PAM4调制。在调制之后，四个通道的光信号被引导到相应的四个输出波导，其中，每个输出光信号通过模式尺寸转换器(MSC)被输出到TX输出端口处的光纤。可选地，输出光信号用于从数据中心到网络的数据通信。
在另一方面，本公开提供了一种硅基晶片中的紧凑型硅光子集成电路，该硅光子集成电路准备用于与TIA模块芯片和驱动器芯片形成倒装芯片组件，并且准备用于与印刷电路板形成引线键合。图9是根据本实用新型的实施方式的硅基晶片上具有硅光子集成电路芯片的电气芯片的倒装芯片组件的示意图。该示图仅为示例，其不应过度地限制本实用新型的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图所示，底部是硅光子集成电路(SPIC)芯片的简化版本，诸如图1所示的SPIC 1000。SPIC芯片至少包括形成在单个硅基晶片内的调制器(MOD)和光电探测器(PD)。可选地，MOD是TX子电路中的多个硅光调制器中的一个，并且PD是RX子电路中的一个或多个高速光电二极管。在硅光子集成电路芯片的表面上，金属迹线被形成为至少部分地与至少一个MOD和一个PD接触。在至少部分地与MOD或PD接触的金属迹线的一部分上，形成一个或多个焊球。单独制造的TIA芯片包括在其表面上的一个或多个金属迹线，该一个或多个金属迹线被翻转以经由与部分地与PD接触的金属迹线上的焊球焊接来形成电连接。单独制造的驱动器芯片包括在其表面上的一个或多个金属迹线，该一个或多个金属迹线被翻转以经由与部分地与MOD接触的金属迹线上的焊球焊接来形成电连接。另外，金属引线键合到位于SPIC芯片边缘处的一些金属迹线。提供绝缘圆顶封装体以封装其相应的引线键合连接。可选地，引线键合连接用于与印刷电路板(PCB)形成电连接以集成SPIC芯片、TIA芯片、驱动器芯片和一个或多个激光芯片，并且可选地集成其他ASIC芯片和PLC块以形成硅光子收发器。尽管其他应用是可能的，但是本公开提供的基于SPIC的硅光子收发器可选地用于遵循IEEE 802.3bs 100GBASE-DR4和400GBASE-DR4的100Gbps和400Gbps DR4应用中，具有高速、低功耗和低成本的优点。

Claims (7)

1.一种硅光子集成电路，其特征在于，包括：
硅衬底构件；
形成在所述硅衬底构件中的接收器子电路，所述接收器子电路包括：多个接收器输入端口，每个接收器输入端口具有被配置为将入射光信号接收到多个波导中的一个波导中的模式尺寸转换器以及分别耦合到所述多个波导的多个接收器光电探测器；以及
形成在所述硅衬底构件中的发送器子电路，所述发送器子电路包括：一个或多个发送器输入端口，每个发送器输入端口具有耦合到第一发送器监视光电探测器到一个输入波导的模式尺寸转换器；一个或多个1×2定向耦合器，每个1×2定向耦合器耦合在输入波导与两个调制输入波导之间；多个调制器，耦合在相应多个调制输入波导与多个调制输出波导之间，每个调制器耦合到第二发送器监视光电探测器到多个输出波导中的一个输出波导；以及多个发送器输出端口，每个发送器输出端口具有耦合到所述多个输出波导中的相应一个输出波导的模式尺寸转换器；
其中，每个发送器输入端口被配置为通过所述每个发送器输入端口的所述模式尺寸转换器接收由所述第一发送器监视光电检测器监视的激光信号，每个1×2定向耦合器被配置为将所述激光信号分路为两个输入光信号，每个调制器被配置为调制一个输入光信号以在由所述第二发送器监视光电检测器监视的一个调制输出波导中生成一个输出光信号，并输出到所述多个输出波导中的相应一个输出波导，每个发送器输出端口被配置为通过所述每个发送器输出端口的所述模式尺寸转换器输出所述输出光信号。
2.根据权利要求1所述的硅光子集成电路，其特征在于，与所述接收器输入端口相关联的所述模式尺寸转换器包括由硅层制成的第一形状线性结构、由设置在所述硅层上方的氮化硅层制成的第二形状线性结构，其中，包层的分离部分使得所述第二形状线性结构与所述第一形状线性结构部分重叠。
3.根据权利要求2所述的硅光子集成电路，其特征在于，所述第一形状线性结构包括在所述第一形状线性结构端部处具有指向第一方向的尖端的三角形部分，所述第二形状线性结构包括在所述第二形状线性结构第一端部处具有指向与所述第一方向相反的第二方向的第一三角形部分、在所述第二形状线性结构中间的矩形部分以及在所述第二形状线性结构第二端部处具有指向所述第一方向的尖端的第二三角形部分，所述第一三角形部分与所述第一形状线性结构的所述三角形部分部分重叠。
4.根据权利要求3所述的硅光子集成电路，其特征在于，与所述接收器输入端口相关联的所述模式尺寸转换器进一步包括两个深沟槽，所述两个深沟槽分开垂直地形成在所述第二形状线性结构的所述第二三角形部分加上至少部分所述矩形部分的两侧。
5.根据权利要求4所述的硅光子集成电路，其特征在于，所述第二形状线性结构进一步包括由所述氮化硅层制成的两个隔离的三角形结构，其中，所述两个隔离的三角形结构具有指向所述第一方向的尖端并且分别分开地设置在所述第二三角形部分与所述两个深沟槽之间。
6.根据权利要求1所述的硅光子集成电路，其特征在于，与所述发送器输入端口或所述发送器输出端口相关联的所述模式尺寸转换器在结构、形状和材料上和与所述接收器输入端口相关联的所述模式尺寸转换器的结构、形状和材料相同。
7.根据权利要求1所述的硅光子集成电路，其特征在于，锗基高速光电二极管包括覆盖形成在所述硅衬底构件中的盒形硅结构的棚屋形锗结构，其中，所述棚屋形锗结构包括除了处于N++掺杂状态的顶部部分之外的处于本征状态的主要部分，并且所述盒形硅结构包括除了处于P++掺杂状态的两个端部之外的处于P+掺杂状态的中心部分，所述棚屋形锗结构的所述主要部分仅与所述盒形硅结构的所述中心部分接触。
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