JP2005182033A - 光相互接続モジュール用のシリコン・キャリア - Google Patents

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Abstract

【課題】新しいタイプのレーザ・アレイのパッケージを提供すること。
【解決手段】本発明の一実施形態は、シリコン・キャリアと、そのシリコン・キャリア上に搭載された通信集積回路と、そのシリコン・キャリア上に搭載された光集積回路とを含む光相互接続モジュールである。光集積回路はフリップチップであり、シリコン・キャリア中の電気経路によって通信集積回路に電気的に連絡する。シリコン・キャリア中の光路は、光集積回路と光リンクの間の光学的な結合を行う。
【選択図】図１

Description

本発明の開示は、一般に光相互接続に関し、詳しくは光相互接続モジュール用のシリコン・キャリアに関する。
光相互接続は、様々な応用分野において光学的構成部品を電気的構成部品に結合するために使用される。この問題への好ましいアプローチは、光学的構成部品をマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）またはシングルチップ・モジュール（ＳＣＭ）中に集積化させるものであることが一般に認められている。ある既存の技術では、レーザ・アレイをシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）レーザ・ドライバ・チップ上に直接に取り付けている。しかし、このアプローチは、余分なコストが加わり、熱に対する難しい問題を引き起こしている。この熱の問題は、二重の問題である。すなわち、第１に、熱の影響を受けやすいレーザが熱を発生するＳｉＧｅドライバ回路に密着して接触し、それによってレーザが性能も信頼性も悪影響を受けることである。第２に、ドライバ回路上の熱スプレッダがレーザおよびドライバのワイヤボンデリング・パッドの領域中でチップに接触してはならないため、ドライバへの接触面積が小さくなるので、熱スプレッダの効率が実質的に著しく低下することである。
追加のコストはＳｉＧｅチップによるものであり、このチップは、パッケージング機能を果たすとともに必要なドライバ回路を収容するには、はるかに大きすぎるようになる恐れがある。回路は、その設計ではそれほど効率的に割り付けされず、チップ面積の１５％より少ないと推定される。したがって、新しいタイプのレーザ・アレイのパッケージが明らかに必要である。
本発明の一実施形態は、シリコン・キャリアと、そのシリコン・キャリア上に搭載された通信集積回路と、そのシリコン・キャリア上に搭載された光集積回路とを含む光相互接続モジュールである。光集積回路はフリップチップであり、シリコン・キャリア中の電気経路によって通信集積回路に電気的に連絡する。シリコン・キャリア中の光路は、光集積回路と光リンクの間を光学的に結合する。
この例示的な図面を参照する。添付の図中で、同様な要素は同様に番号を付けてある。
図１は、本発明の一実施形態における光相互接続アセンブリ１００の透視図である。光相互接続アセンブリ１００は、基板１０２を含む。基板１０２は、多層セラミック・カード、プリント配線板などとすることができる。相互接続部１０４は、基板１０２の底面上に配置される。図１にはボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）が示してあるが、相互接続部１０４は、既知のどんなタイプの電気的な相互接続または光学的な相互接続、あるいはその両方でもよい。
基板１０２の上面には、いくつかの集積回路１０６が含まれる。集積回路（ＩＣ）１０６は、通常電気的構成部品であり、基板１０２内の電気ビアを介して相互接続部１０４または光相互接続モジュール２００、あるいはその両方に結合される。ＩＣ１０６は、光相互接続モジュール２００のサポート機能を果たすことができ、より低速（たとえば、５〜１０Ｇｂ／ｓ）のＣＭＯＳデバイスでよい。
図２は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００の透視図である。光相互接続モジュール２００は、キャリア２０２を含む。キャリア２０２は、電気ビアおよび光ビアと、埋め込まれた受動素子（たとえば、抵抗、コンデンサ）と、光学的位置合せ要素とを有するシリコン・プラットフォームである。一実施形態では、シリコン・キャリア２０２は、２０ｍｍ×２０ｍｍである。相互接続部２０４は、シリコン・キャリア２０２の底面上に配置される。図２にはボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）が示してあるが、相互接続部２０４は、基板１０２の上面上の対応する相互接続部に対合する、フリップチップ相互接続を含む電気的または光学的構成要素でもよい。
シリコン・キャリア２０２上には、信号コード化、信号コンディショニングなどの信号処理機能を果たす集積回路（ＩＣ）２０６も搭載される。一実施形態では、ＩＣ２０６は、より低速（５〜１０Ｇｂ／ｓ）のＣＭＯＳデバイスである。ＩＣ２０６は、シリコン・キャリア２０２中の電気経路を介して相互接続部２０４および他のＩＣに接続される。
通信ＩＣ２０８がシリコン・キャリア２０２上に搭載される。通信ＩＣ２０８は、２０〜４０Ｇｂ／ｓの比較的より高速で動作するシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）デバイスでよい。通信ＩＣ２０８は、シリコン・キャリア２０２中に形成された電気経路を介して光トランスミッタＩＣ２１０および光レシーバＩＣ２１２とインターフェースする。通信ＩＣ２０８は、光トランスミッタＩＣ２１０を駆動するためのドライバＩＣと、光レシーバＩＣ２１２が受け取る信号を増幅するための増幅器ＩＣとを含むことができる。通信ＩＣ２０８は、光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２を含む光集積回路の多重化／多重化解除、クロッキング、駆動、増幅などの機能を果たす。
光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２は、光リンク２１４とインターフェースして、光相互接続モジュール２００との間で光信号を送受信する。一実施形態では、光トランスミッタ２１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイであり、光レシーバ２１２は、フォトダイオード・アレイであり、ともに２０〜４０Ｇｂ／ｓの比較的より高速で動作する。光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２は、ともにシリコン・キャリア２０２に取り付けられたフリップチップである。必ずしも別々のトランスミッタＩＣおよびレシーバＩＣは必要でなく、単一のトランシーバＩＣを使用してもよいことを理解されたい。
光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２は、シリコン・キャリア２０２中に埋め込まれた光路（ファイバ・アレイ、導波路など）によって光リンク２１４に結合される。光リンク２１４は、２ｍ〜１００ｍの距離を伝わり再生または受信される、シリコン・キャリア２０２を透過する波長（たとえば、約１０００ｎｍより大きい）を有する光信号を送受信する。光伝達媒体（たとえば、光ファイバ）が光リンク２１４に結合されて、伝達経路を提供する。
共通のキャリア上にＣＭＯＳのＩＣ２０６、ＳｉＧｅのＩＣ２０８、光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２を搭載することによって、機能、消費電力およびコストの最適化が可能になる。ＶＣＳＥＬアレイ２１０がＳｉＧｅドライバＩＣ２０８に近接することによるなどの熱管理の問題も、このキャリア２０２上に構成部品を配置することによって対処される。面全体が利用可能であるので、熱スプレッダを通信ＩＣ２０８の上面全体に取り付けることもできる。ノイズも、ＶＣＳＥＬアレイ２１０を高速ＳｉＧｅ通信ＩＣ２０８に対して位置決めすることによって、最小限に抑えられる。
光学的構成部品および電気的構成部品を搭載するまたは相互接続する、あるいはその両方を行うために、いくつかの異なる光学的要素および電気的要素をシリコン・キャリア２０２中に組み込むことができる。図３は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００の断面図である。シリコン・キャリア２０２は、光学的構成部品を位置合せするためのＶ字型溝を含む。たとえば、Ｖ字型溝３０２は、ミラーの位置決めを行い、Ｖ字型溝３０４は、光ファイバまたはレンズ３０６の位置決めを行う。電気スルービア３０８は、シリコン・キャリア２０２を貫通して相互接続部２０４に延びる。スルービア３０８は、反応性イオン・エッチングを使用して微細な穴（たとえば、直径５０μｍ）を画定し、それを金属で充填することによって、形成することができる。電気経路および光路３１０をシリコン・キャリア２０２中に形成して、スルービア３０８と光学的構成部品を接続することができる。
図４は、本発明の一実施形態における光相互接続アセンブリ１００の断面図である。基板１０２は、基板１０２中に埋め込むかまたは基板１０２の面上に形成することができる光路４０２（たとえば、導波路）を含む。光相互接続モジュール２００は、本明細書でさらに詳細に述べる、光相互接続モジュール２００上の光学的要素（たとえば、光トランスミッタまたは光レシーバ）を光路４０２に結合する光ビア４０４を含む。この光ビア４０４によって、基板１０２の面上の光モジュール２００が光通信を確立することが可能になる。
図５は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。シリコン・キャリア２０２は、ＩＣ２０６、
２０８および２１０の間の電気接続を行うための多層ワイヤリング５０２（たとえば、酸化ベリリウム）を含む。ＩＣ２０６、２０８および２１０は、電気相互接続部５０３（たとえば、マイクロ・ボール・グリッド・アレイ）を介してシリコン・キャリア２０２上の電気経路と接触する。フレーム５０６は、ＩＣを密封し、光相互接続モジュール２００用の耐密容器になる。熱スプレッダ５０８は、フレーム５０６上に取り付けられ、ＩＣ２０６、２０８および２１０と熱的に接触する。このことによって、高速ＩＣ２０８の面全体が熱スプレッダと熱的に接触することが可能になる。光ビア５０４は、シリコン・キャリア２０２中に形成され、シリコン・マイクロ・レンズ５０５を備える通路を含むことができる。ガラス・レンズまたはポリマー・レンズを使用する場合、光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２は、約８５０ｎｍの波長で動作することができる。
基板１０２は、光ビア５０４と光学的に連絡する導波路５０９（たとえば、内部全反射ミラー）を含む光路層５１０を含む。導波路５０９は、基板１０２上で光信号を転送する。光レシーバ２１２は、同様の光ビアを使用することによって相互接続できる。位置合せ機構５０７は、光ビア５０４を導波路５０９に対して位置合せをする。位置合せ機構５０７は、シリコン・キャリア２０２を基板１０２に位置合せする仲介を行う、機械的位置合せ機構である。光ビア５０４を形成するのと同時に、位置合せ機構をシリコン・キャリア２０２中にエッチングして形成することができる。
図６は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。光相互接続モジュール２００は、図５のそれに類似しているが、光トランスミッタ２１０と導波路５０９の間を光学的に相互接続するガラス層６０２を含む。レンズ・アレイ６０４は、ガラス層６０２中に形成され、光トランスミッタ２１０を導波路５０９に光学的に結合する。光レシーバ２１２は、同様の光ビアを使用することによって相互接続できる。追加のレンズを使用して光トランスミッタおよび光レシーバを８５０ｎｍで動作させることができる。
図７は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。光相互接続モジュール２００は、図５のそれに類似しているが、シリコン・キャリア２０２の底面上に屈折率整合層７０２を含む。光トランスミッタ２１０は、シリコン・キャリアを透過する波長（たとえば、１０００ｎｍより大きい）の光を放出する。この実施形態では、シリコン・キャリア２０２は、窒化物で厚さ１／４波長に反射防止コーティングされている。光トランスミッタ２１０から放出された光は、キャリア２０２を通過し、屈折率整合層７０２を通り導波路５０９に進む。開口部７０４を屈折率整合層７０２中に設け、それによって導電性ビア３０８が、基板１０２の上面上の電気相互接続部７０６（ＢＧＡ、Ｃ４）に接触することが可能になる。レンズをシリコン・キャリア２０２中に組み込み、それによって導波路５０９と光トランスミッタ２１０および光レシーバ２１２との間で光を誘導することができる。
図８は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。光相互接続モジュール２００は、図７のそれに類似しているが、層７０２ではなく、屈折率整合アンダーフィル８０６を含む。さらに、光相互接続モジュール２００と基板１０２の位置合せは、キャリア２０２中の１つまたは複数の開口部８０２および光路層５１０中の対応するいくつかのポスト８０４を介して達成される。あるいは、既知の相互接続位置合せ技法（たとえば、Ｃ４自己整合）を使用して基板１０２に対して光相互接続モジュール２００を位置決めすることもできる。
図９は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。この実施形態では、光集積回路（たとえば、光トランスミッタまたは光レシーバ、あるいはその両方）がシリコン・キャリア２０２の、ＩＣ２０６および２０８とは反対側の面上に搭載される。図９に、シリコン・キャリア２０２の底面上に搭載され屈折率整合層７０２内に配置された光トランスミッタ２１０を示す。電気ビア９０２が、ＩＣ２０８または２０６、あるいはその両方を光トランスミッタ２１０に接続する。光トランスミッタ２１０は、光を導波路５０９に放射する。
図１０は、本発明の一実施形態における光相互接続モジュール２００を有する光相互接続アセンブリ１００の断面図である。図１０の実施形態は、図９の実施形態に類似しているが、光集積回路がエッジ発光型マイクロ共振器１００２である。マイクロ共振器は、屈折率整合層７０２内に埋め込まれる。マイクロ共振器１００２は、バットカップリングを利用して光路層５１０と光学的にインターフェースする。
本発明の諸実施形態では、パッケージングの問題を回路の問題から切り離し、パッケージングの諸態様用により低いコストのＳｉキャリア２０２を使用する。Ｓｉキャリア２０２の領域は、６ＨＰのＳｉＧｅより（コストで）１／５〜１／１０という安さになると見積もられる。光相互接続モジュール２００用のＳｉキャリア２０２は、可撓性リードに直接取り付けるように、またはスルービアおよびＣ４を用いて基板１０２に直接取り付けるように、あるいはＢＧＡを使用してＰＣＢに直接取り付けるように設計できる。光トランスミッタ２１０、光レシーバ２１２および通信ＩＣ２０８は、Ｓｉキャリア２０２を用い、ガラスのカバースリップおよび標準の光アレイ・コネクタを使用することによって耐密またはほぼ耐密のパッケージ中に組み込むことができ、それによってさらにＭＣＭパッケージ中への集積度が高まる。光トランスミッタ２１０、光レシーバ２１２および通信ＩＣ２０８を密集した集積化は、電気ノイズを最小限に抑え、レーザの高データ率変調を容易にする。
例として挙げた諸実施形態に則して本発明を記述したが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更が実施でき、その要素の代わりに均等物が使用できることを当業者には理解されよう。さらに、本発明の本質的な範囲を逸脱せずに、具体的な状態または材料を本発明の教示に適合させるための多くの修正が実施できる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良のまたは唯一の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。さらに、第１、第２などの用語の使用は、どんな順番または重要性を示すものでもなく、ある要素を別の要素と区別するために使用されている。さらに、不定冠詞「ａ」の用語の使用は、量を限定することを表すものではなく、参照された項目が少なくとも１つ存在することを示す。
本発明の一実施形態における光相互接続アセンブリの透視図である。 本発明の一実施形態における光相互接続モジュールの透視図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。 光相互接続モジュールの一実施形態用の光相互接続および電気相互接続を表す図である。
符号の説明
１００ 光相互接続アセンブリ
１０２ 基板
１０４ 相互接続部
１０６ 集積回路、ＩＣ
２００ 光相互接続モジュール
２０２ キャリア、シリコン・キャリア
２０４ 相互接続部
２０６ 集積回路、ＩＣ
２０８ 通信ＩＣ、ＳｉＧｅドライバＩＣ
２１０ 光トランスミッタＩＣ、光トランスミッタ、ＶＣＳＥＬアレイ
２１２ 光レシーバＩＣ、光レシーバ
２１４ 光リンク
３０２、３０４ Ｖ字型溝
３０６ 光ファイバまたはレンズ
３０８ 電気スルービア、導電性ビア
３１０ 電気経路および光路
４０２ 光路
４０４ 光ビア
５０２ 多層ワイヤリング
５０３ 電気相互接続部
５０４ 光ビア
５０５ シリコン・マイクロ・レンズ
５０６ フレーム
５０７ 位置合せ機構
５０８ 熱スプレッダ
５０９ 導波路
５１０ 光路層
６０２ ガラス層
６０４ レンズ・アレイ
７０２ 屈折率整合層
７０４ 開口部
７０６ 電気相互接続部
８０２ 開口部
８０４ ポスト
８０６ 屈折率整合アンダーフィル
９０２ 電気ビア
１００２ エッジ発光型マイクロ共振器

Claims (19)

  1. シリコン・キャリアと、
    前記シリコン・キャリア上に搭載された通信集積回路と、
    前記シリコン・キャリア上に搭載された光集積回路と、
    前記シリコン・キャリア中の光路とを含み、
    前記光集積回路が、前記シリコン・キャリア中の電気経路によって前記通信集積回路に電気的に連絡し、
    前記光集積回路が、前記シリコン・キャリア中の前記光路によって光リンクに光学的に連絡する、光相互接続モジュール。
  2. 前記通信集積回路より低い速度で動作する、前記シリコン・キャリアに取り付けられた信号処理集積回路をさらに含む、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  3. 前記信号処理集積回路がＣＭＯＳ集積回路である、請求項２に記載の光相互接続モジュール。
  4. 前記通信集積回路が、ドライバ集積回路と増幅器集積回路とを含む、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  5. 前記光集積回路が、前記ドライバ集積回路および前記増幅器集積回路に電気的に連絡する光トランシーバを含む、請求項４に記載の光相互接続モジュール。
  6. 前記光集積回路が、前記ドライバ集積回路に電気的に連絡する光トランスミッタと、前記増幅器集積回路に電気的に連絡する光レシーバとを含む、請求項４に記載の光相互接続モジュール。
  7. 前記光トランスミッタが、ＶＣＳＥＬアレイである、請求項６に記載の光相互接続モジュール。
  8. 前記光レシーバが、フォトダイオード・アレイである、請求項６に記載の光相互接続モジュール。
  9. 前記通信集積回路が、シリコン・ゲルマニウム集積回路である、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  10. 前記シリコン・キャリアが、光学的構成部品を前記シリコン・キャリアと位置合せするためのＶ字型溝を含む、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  11. 前記シリコン・キャリアが、前記シリコン・キャリアを貫通する光ビアを含む、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  12. 前記光路が、シリコン・レンズを備える通路を含む、請求項１１に記載の光相互接続モジュール。
  13. 前記光路が、ガラス・レンズを備える通路を含む、請求項１１に記載の光相互接続モジュール。
  14. 前記光路が、ポリマー・レンズを備える通路を含む、請求項１１に記載の光相互接続モジュール。
  15. 前記光路が通路を含み、ガラス層が前記通路の一端にレンズ・アレイを有する、請求項１１に記載の光相互接続モジュール。
  16. 前記光路が、前記シリコン・キャリアを貫通する光伝達路を含み、屈折率整合層が前記シリコン・キャリアの表面上にある、請求項１１に記載の光相互接続モジュール。
  17. 前記光集積回路が、前記シリコン・キャリアの、前記通信集積回路とは反対側の面上に位置決めされる、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
  18. 前記光集積回路が、マイクロ共振器である、請求項１７に記載の光相互接続モジュール。
  19. 前記シリコン・キャリア上にあり、前記光路を基板に位置合せするための位置合せ機構をさらに含む、請求項１に記載の光相互接続モジュール。
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