JP2014035546A - 光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】銅データ・チャンネルの欠点が顕著になりつつある。
【解決手段】光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステムが開示され、シリコンフォトニクスダイ（ＳＰＤ）の外部の光源からＳＰＤで連続波（ＣＷ）光信号を受信することを含む。受信したＣＷ光信号は、金属配線を介してＳＰＤに結合したエレクトロニクスダイから受信した電気信号に基づいて処理される。変調された光信号は、ＳＰＤに結合した光ファイバーからＳＰＤで受信される。受信した変調光信号に基づいてＳＰＤにおいて電気信号が生成され、金属配線を介してエレクトロニクスダイに伝送される。ＣＷ光信号は、ＳＰＤに結合した光源アセンブリ及び／又はＳＰＤに結合した１以上の光ファイバーから受信される。受信したＣＷ光信号は、マッハ‐ツェンダー干渉計変調器を備える１以上の光変調器により処理される。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照／参照による組み込み
本出願は、２００９年９月４日に出願された米国出願シリアルＮｏ．１２／５５４，４４９の一部継続出願である。また本出願は、２０１２年３月６日に出願された米国出願シリアルＮｏ．１３／４２２，７７６を参照する。

上記掲載の文献の各々は、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。

本発明の特定の実施形態が、半導体プロセスに関する。より端的には、本発明の特定の実施形態が、光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステムに関する。

絶えず拡大する帯域幅要求を満足するためにデータネットワークがスケールされるに応じて、銅データ・チャンネルの欠点が顕著になりつつある。放射電磁エネルギーに起因する信号減衰及びクロストークは、そのようなシステムの設計者が遭遇する主な障害である。これらは、同等化、符号化、及び遮蔽によりある程度は緩和可能であるが、これらの技術は、理解可能な範囲の適度な向上や非常に限定された拡張性を提供するのみであるにも関わらず、相当な電力、複雑さ、及びケーブルの体積の不利益を要求する。そのようなチャンネル制限が無い、光通信が、銅リンクの後継として認識されている。

図面を参照した本出願の以降に述べる本発明とそのようなシステムの対比を通して、従来及び伝統的なアプローチの更なる制限や不利益が当業者には明らかになるだろう。

少なくとも一つの図面との関係において実質的に図示及び／又は記述の光通信システムのハイブリッド集積のためのシステム及び／又は方法が請求項においてより完全に明記される。

本発明の様々な利益、側面、及び斬新な特徴は、その図示の実施形態の詳細も同様に、次の記述や図面からより十分に理解されるだろう。

図１は、本発明の一実施形態に係る光トランシーバのブロック図である。

図２Ａは、本発明の一実施形態に係る例示のハイブリッド集積光トランシーバを図示する図である。

図２Ｂは、本発明の一実施形態に係るハイブリッド集積光トランシーバの斜視図である。

図２Ｃは、本発明の一実施形態に係るハイブリッド集積光トランシーバの斜視図である。

図３は、本発明の一実施形態に係るフォトニクスダイへのエレクトロニクスダイのハイブリッド集積を図示する図である。

図４Ａは、本発明の一実施形態に係る金属の配線で結合した例示の電気及び光電子装置の横断面を図示する図である。

図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る電子及び光チップの代替の対面結合の図である。

図４Ｃは、本発明の一実施形態に係る電子及び光チップの代替の結合の図である。

図５は、本発明の一実施形態に係る電気及びフォトニクスダイの結合のための例示の金属ピラーを図示する図である。

本発明の一側面が、光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステムに見られる。本発明の例示の側面が、シリコンフォトニクスダイ(silicon photonics die)内でそのフォトニクスダイの外部光源からの１以上の連続波（ＣＷ(continuous wave)）光信号を受信することを含む。１以上の受信したＣＷ光信号が、例えば、銅ピラーを備える金属配線を介してシリコンフォトニクスダイに結合した１以上のエレクトロニクスダイ(electronics die)から受信した電気信号に基づいて処理される。変調された光信号は、シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーからシリコンフォトニクスダイ内で受信される。電気信号は、受信した変調光信号に基づいてシリコンフォトニクスダイ内で生成され、金属配線を介して１以上のエレクトロニクスダイに通信される。金属配線は、銅ピラーを備える。１以上のＣＷ光信号は、シリコンフォトニクスダイに結合した光源アセンブリ及び／又はシリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから受信される。１以上の受信したＣＷ光信号は、マッハ‐ツェンダー干渉計変調器を備える１以上の光変調器を利用して処理される。電気信号は、シリコンフォトニクスダイに集積された１以上の光検出器を用いてシリコンフォトニクスダイ内で生成される。光信号は、グレーティング結合器を用いてシリコンフォトニクスダイ内及び／又は外へ通信される。光源は、１以上の半導体レーザを備える。ハイブリッド集積光通信システムは、複数のトランシーバを備える。

図１は、本発明の一実施形態に係る光トランシーバのブロック図である。図１を参照すると、トランシーバ１００内の光電子装置が図示され、高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄ、高速フォトダイオード１１１Ａ‐１１１Ｄ、モニターフォトダイオード１１３Ａ‐１１３Ｈ、及び光装置(optical devices)にして、タップ１０３Ａ‐１０３Ｋ、光学終端１１５Ａ‐１１５Ｄ、及びグレーティング結合器１１７Ａ‐１１７Ｈを含むものを備える。トランスインピーダンス及び制限増幅器（ＴＩＡ(transimpedance amplifiers)／ＬＡ(limiting amplifiers)）１０７Ａ‐１０７Ｅ、アナログ及びデジタル制御回路１０９、及び制御部１１２Ａ‐１１２Ｄを含む電気装置及び回路も図示される。光信号が、フォトニクスチップに形成された光導波路を介して光学及び光電子装置の間で通信される。加えて、光導波路が図１にて破線楕円により示される。

高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄは、例えば、マッハ‐ツェンダー又はリング変調器を備え、ＣＷレーザ入力信号の変調を可能にする。高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄは、制御部１１２Ａ‐１１２Ｄにより制御され、変調器の出力が、グレーティング結合器１１７Ｅ‐１１７Ｈに導波路を介して光学的に結合される。例示の変調技術は、振幅偏移キーイング(ASK)、二位相偏移キーイング(BPSK)、パルス振幅変調(PAM)、直交振幅変調(QAM)、直交位相偏移キーイング(QPSK)、及び二偏波直交相偏移キーイング(DP-QPSK)を包含する。タップ１０３Ｄ‐１０３Ｋが、例えば、４ポート光結合器を備え、高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄにより生成された光信号をサンプリングすることに用いられ、サンプリングされた信号がモニターフォトダイオード１１３Ａ‐１１３Ｈにより測定される。タップ１０３Ｄ‐１０３Ｋの不使用のブランチが、光学終端１１５Ａ‐１１５Ｄにより終端され、不要信号の反射戻りが回避される。

グレーティング結合器１１７Ａ‐１１７Ｈが、チップの光の入出力の結合を可能にする光学グレーティングを備える。グレーティング結合器１１７Ａ‐１１７Ｄが光ファイバーから受光した光をチップ内に結合することに用いられ、また偏光独立グレーティング結合器を備え得る。グレーティング結合器１１７Ｅ‐１１７Ｈは、チップからの光を光ファイバー内に結合することに用いられる。光ファイバーは、例えば、チップにエポキシ樹脂で接着され、またチップの面に対して垂直からある角度に整列され、結合効率が最適化される。

高速フォトダイオード１１１Ａ‐１１１Ｄが、グレーティング結合器１１７Ａ‐１１７Ｄから受光した光信号を電気信号に変換し、電気信号がＴＩＡ／ＬＡ１０７Ａ‐１０７Ｄに処理のために伝送される。アナログ及びデジタル制御回路１０９が、ＴＩＡ／ＬＡ１０７Ａ‐１０７Ｄの動作にてゲインレベル又は他のパラメーターを制御する。ＴＩＡ／ＬＡ１０７Ａ‐１０７Ｄ、アナログ及びデジタル制御回路１０９、及び制御部１１２Ａ‐１１２Ｄが、金属配線を介してシリコンフォトニクスダイに結合したエレクトロニクスチップ上に集積され得る。例示のケースにおいては、金属配線が銅ピラーを備える。このように、電子及び光特性が、異なる製造技術プラットフォーム上で独立に最適化される。例示のケースにおいては、エレクトロニクスダイがＣＭＯＳダイを備えるが、本発明はそのように限定されるべきではない。従って、任意の半導体技術が、ＣＭＯＳ、Ｂｉ−ＣＭＯＳ、ＳｉＧｅ又はＩＩＩ−Ｖプロセスといったエレクトロニクスダイの製造に用いられ得る。ＴＩＡ／ＬＡ１０７Ａ‐１０７Ｄが、次にエレクトロニクスチップ上の他の回路に電気信号を伝送する。

ＴＩＡ／ＬＡ１０７Ａ‐１０７Ｄが、狭帯域、非リニア光電子レシーバー回路を備える。従って、狭帯域レシーバーのフロントエンドが、例えば、非ゼロ復帰(NRZ)レベルの再生(restorer)回路といった再生回路により追随される。再生回路は、積算ノイズの低減のために光レシーバーの帯域幅を制限し、これにより信号対ノイズ比が高められる。ＮＲＺレベル再生回路が、結果として生じるデータパルスをＮＲＺデータに変換して戻すために用いられる。

制御部１１２Ａ‐１１２Ｄは、タップ１０３Ａ‐１０３Ｃから受信したＣＷレーザ信号の変調を可能にする電子回路を備える。高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄは、例えば、マッハ‐ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）の個別のブランチの屈折率を変調するために高速電気信号を要求する。

本発明の実施形態においては、単一のシリコンフォトニクスチップへのトランシーバに要求される全光学及び光電子装置の集積、及び１以上のエレクトロニクスチップ上の要求される全電子装置の集積により、結果として得られる単一のハイブリッドパッケージの最適な動作が達成される。この態様においては、シリコンフォトニクスチップの光装置の最適化とは独立に電子装置のパフォーマンスが最適化される。例えば、エレクトロニクスチップが、３２ｎｍＣＭＯＳプロセスで最適化され、他方、フォトニクスチップが、１３０ｎｍＣＭＯＳノード上で最適化される。加えて、エレクトロニクス又はフォトニクスチップが、ＳｉＧｅ又はバイポーラ‐ＣＭＯＳ(Bi-CMOS)といったＣＭＯＳ以外の技術を用いて製造され得る。電子装置は、フォトニクスチップに固着される時、電子装置が自身に関連の光装置の直上に配置されるようにエレクトロニクスチップ上に配置される。例えば、制御部１１２Ａ‐１１２Ｄがエレクトロニクスチップ上に配置され、制御部が高速光変調器１０５Ａ‐１０５Ｂの直上に配置され、また、低い寄生の銅ピラーにより結合可能である。

例示の実施形態においては、ハイブリッドトランシーバ１００が、一つの光源を有する４つの光電子トランシーバを備え、また、フォトニクスチップの表面への及びそこからの垂直な光信号通信を可能にし、これにより、例示の実施形態においてＣＭＯＳガードリングを含むＣＭＯＳプロセス及び構造の使用が可能になる。フォトニクスチップが、光検出器及び変調器といった能動装置と、導波路、分波器、結合器、及びグレーティング結合器といった受動装置の両方を含み、これにより、シリコンチップ上への光回路の集積化が可能になる。

図２Ａは、本発明の一実施形態に係る例示のハイブリッド集積光トランシーバを図示する図である。図２Ａを参照すると、ハイブリッド集積光トランシーバ２００が図示され、これが、プリント回路基板(PCB(Printed Circuit Board))／基板２０１、光ＣＭＯＳダイ２０３、電子ＣＭＯＳダイ２０５、金属配線２０７、光源モジュール２０９、光入出力(Ｉ／Ｏ(Input/Output))２１１、ワイヤーボンド２１３、光エポキシ２１５、及び光ファイバー２１７を備える。

ＰＣＢ／基板２０１がトランシーバ２００のためのサポート構造を含み、また、絶縁及び導電材料の両方を含み、装置を絶縁し、同様に、フォトニクスダイ２０３上の能動素子や、同様にフォトニクスダイ２０３を介してエレクトロニクスダイ２０５上の装置に電気的コンタクトを提供する。加えて、ＰＣＢ／基板が熱伝達経路を提供し、エレクトロニクスダイ２０５及び光源モジュール２０９内の装置及び回路で生成された熱を運んで逃がす。

フォトニクスダイ２０３が、例えば、導波路、変調器、光検出器、グレーティング結合器、タップ及び結合器といった能動及び受動光装置を有するシリコンチップを備える。フォトニクスダイ２０３は、エレクトロニクスダイ２０５をフォトニクスダイ２０３に結合するための金属配線２０７も備え、また光源モジュール２０９からダイ内および光Ｉ／Ｏ２１１を介してダイの内外に光を結合するためのグレーティング結合器を同様に含む。加えて、フォトニクスダイ２０３は、例えば、ＰＣＢ／基板２０１及びエレクトロニクスダイ２０５の間に、ダイを介した電気相互接続のために不図示の基板貫通ビア(ＴＳＶ(through-substrate-vias))を備える。光インターフェースが光エポキシ２１５によっても製造され、光透過性及び機械的固定の両方が提供される。

エレクトロニクスダイ２０５が、光トランシーバ２００の電子機能の要求される全てを提供するチップを備える。エレクトロニクスダイ２０５は、金属配線２０７を介してフォトニクスチップ２０３に結合した単一のチップ又は複数のダイを備える。エレクトロニクスダイ２０５が、フォトニクスチップ２０３内の光信号を処理するためのＴＩＡ、ＬＮＡ、及び制御回路を備える。例えば、エレクトロニクスダイ２０５が、フォトニクスダイ２０３内の光変調器を制御するための駆動回路、及びフォトニクスダイ２０３内の光検出器から受信した電気信号を増幅するための可変ゲイン増幅器を備える。エレクトロニクスダイ２０５の電子装置とフォトニクスダイ２０３内の光装置を組み合わせることにより、各チップのプロセスが組み込まれる装置の種類にとって最適化される。

金属配線２０７は、例えば、金属ピラーのリニア又は２次元アレイを備え、フォトニクスダイ２０３とエレクトロニクスダイ２０５の間に電気的コンタクトを提供する。例示のケースにおいては、金属配線２０７が、銅ピラー、又は、スタッド(stud)バンプ又ははんだバンプといった半導体接触用の任意の別の適切な金属を備える。従って、金属配線２０７は、フォトニクスダイ２０３内の光検出器とエレクトロニクスダイ２０５内の関連のレシーバー回路の間に電気的コンタクトを提供する。加えて、金属配線２０７が、エレクトロニクス及びフォトニクスダイの機械的結合を提供し、また金属及び他の表面を保護するべくアンダーフィル材料で封入される。

光源モジュール２０９が、半導体レーザといった光源を有するアセンブリ、及びフォトニクスダイ２０３内に１以上の光信号を向ける関連の光学素子を備える。光源モジュールの例が２００９年７月９日に出願の米国特許出願１２／５００，４６５に開示され、その全体において参照により本明細書に組み込まれる。別の例示のケースにおいては、光源アセンブリ２０９からの光信号又は信号が、フォトニクスダイ２０３のグレーティング結合器上に固定の光ファイバーを介してフォトニクスダイ２０３内に結合される。

光Ｉ／Ｏ２１１は、フォトニクスダイ２０３へ光ファイバー２１７を結合するための部品を備える。従って、光Ｉ／Ｏ２１１が、光エポキシ２１５といった、１以上の光ファイバー及びフォトニクスダイ２０３へ結合される光学面のための機械的支持体を備える。

動作においては、連続波（ＣＷ）光信号が、フォトニクスダイ２０３内の１以上のグレーティング結合器を介して光源モジュール２０９からフォトニクスダイ２０３内に通信される。フォトニクスダイ２０３内の光装置が、次に、受光した光信号を処理する。例えば、１以上の光変調器が、エレクトロニクスダイ２０５から受信した電気信号に基づいてＣＷ信号を変調する。電気信号が、金属配線２０７を介してエレクトロニクスダイ２０５から受信される。エレクトロニクスダイ２０５内の電気信号源の直下のフォトニクスダイ２０３に変調器を組み込むことにより、信号パス長が最小化され、非常に高速な動作になる。例えば、＜２０ｆＦキャパシタンスの金属ピラーを用いることにより、５０ＧＨｚ以上の速度が達成可能である。

次に、変調された光信号が、光Ｉ／Ｏ２１１の下に位置するグレーティング結合器を介してフォトニクスダイ２０３の外に送信される。この態様において、エレクトロニクスダイ２０５内で生成された高速電気信号がＣＷ光信号を変調するために用いられ、続いて光ファイバー２１７を介してフォトニクスダイ２０３の外に送信される。

同様に、変調された光信号が、光ファイバー２１７及び光Ｉ／Ｏ２１１を介してフォトニクスダイ２０３内で受信される。受信した光信号が、フォトニクスダイ２０３に組み込まれた１以上の光検出器まで光導波路を介してフォトニクスダイ２０３内で通信される。フォトニクスダイ２０３に光検出器が組み込まれ、これは、低寄生容量の金属配線２０７により固着され及び電気的に結合される時、エレクトロニクスダイ２０５内の関連のレシーバー電子回路の直下に設けられる。

金属配線を介したフォトニクスダイ上のエレクトロニクスダイのハイブリッド集積により、ＣＭＯＳ、Ｂｉ−ＣＭＯＳ、又はＳｉ−Ｇｅといった標準半導体プロセスを用いて非常に高速の光トランシーバが可能になる。加えて、別々のフォトニクス及びエレクトロニクスダイの集積化により、各半導体プロセス内の電子及び光機能のパフォーマンスの独立の最適化が可能になる。

図２Ｂは、本発明の実施形態に係るハイブリッド集積光トランシーバの斜視図である。図２Ｂを参照すると、ＰＣＢ／基板２０１、フォトニクスダイ２０３、エレクトロニクスダイ２０５、金属配線２０７、光源アセンブリ２０９、及びワイヤーボンド２１３が図示される。

各ダイの下の破線矢印により示されるように、金属配線２０７を介してフォトニクスダイ２０３の表面にボンディングされる前のエレクトロニクスダイ２０５が図示される。２つのエレクトロニクスダイ２０５が図２Ｂに図示されるが、本発明は、そのように限定されるものではない。従って、任意の数のエレクトロニクスダイが、例えば、トランシーバの数、用いられる特定の半導体プロセスノード、熱コンダクタンス、及び空間制約に依存して、フォトニクスダイ２０３に実装される。

例示の実施形態においては、独立の半導体プロセスを用いて電子機能がエレクトロニクスダイ２０５内に集積化され、フォトニクス回路がフォトニクスダイ２０３内に集積化される。エレクトロニクスダイ２０５が、フォトニクスダイ２０３内の光装置に関連する電子装置を備え、これにより、電気長が最小化され、他方、依然として電子及び光装置の独立の性能の最適化が確保される。例えば、最速のスイッチング速度といった最高のエレクトロニクス特性をもたらすＣＭＯＳプロセスがフォトニクス特性には最適ではないかもしれない。同様に、異なる技術が異なるダイに組み込まれ得る。例えば、ＳｉＧｅプロセスが、光検出器といった光装置のために用いられ、そして３２ｎｍのＣＭＯＳプロセス、又はＳｉＧｅ又はＢｉ−ＣＭＯＳプロセスがエレクトロニクスダイ２０５上の電子装置のために用いられる。

フォトニクスダイ２０３が光回路を含み、これにより、光信号が受信され、処理され、またフォトニクスダイ２０３の外へ送信される。光源アセンブリ２０９がフォトニクスダイ２０３にＣＷ光信号を供給し、フォトニクスダイ２０３内のフォトニクス回路がＣＷ信号を処理する。例えば、ＣＷ信号がグレーティング結合器を介してフォトニクスダイ２０３内に結合され、光導波路を介してダイ上の様々な位置へ通信され、マッハ‐ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）変調器により変調され、そして光ファイバー内へフォトニクスダイ２０３の外へ送信される。この態様において、複数のハイパフォーマンス光トランシーバのハイブリッド集積が半導体プロセスにて可能になる。

図２Ｃは、本発明の実施形態に係るハイブリッド集積光トランシーバの斜視図である。図２Ｃを参照すると、ＰＣＢ／基板２０１、フォトニクスダイ２０３、エレクトロニクスダイ２０５、光源アセンブリ２０９、光Ｉ／Ｏ２１１、ワイヤーボンド２１３、及び光ファイバー２１７が図示される。

エレクトロニクスダイ２０５が、金属ピラーを介してフォトニクスダイ２０３の表面にボンディングされていることが図示される。２つのエレクトロニクスダイ２０５が図２Ｃに図示されるが、本発明はそのように限定されるべきではないことに再度注意されたい。従って、任意の数のエレクトロニクスダイが、例えば、トランシーバの数、用いられる特定のＣＭＯＳノード、及び空間制約に依存してフォトニクスダイ２０３に結合される。

例示の実施形態においては、独立の半導体プロセスを用いて、電子機能がエレクトロニクスダイ２０５内に集積化され、フォトニクス回路がフォトニクスダイ２０３内に集積化される。エレクトロニクスダイ２０５が、フォトニクスダイ２０３内の光装置に関連する電子装置を備え、これにより電気配線長が最小化され、他方、依然として電子及び光装置の独立の性能の最適化が確保される。異なる技術が異なるダイに組み込まれ得る。例えば、Ｇｅ選択エピタキシー工程がフォトニクスダイ２０３の光検出器のために用いられ、そして３２ｎｍのＣＭＯＳプロセスがエレクトロニクスダイ２０５上の電子装置のために用いられる。

フォトニクスダイ２０３が光回路を含み、これにより光信号が受信され、処理され、またフォトニクスダイ２０３の外へ送信される。光源アセンブリ２０９がフォトニクスダイ２０３にＣＷ光信号を供給し、ワイヤーボンド２１３を介して光源アセンブリ２０９に供給される電圧によりバイアスされる。フォトニクスダイ２０３内のフォトニクス回路が次にＣＷ信号を処理する。例えば、ＣＷ信号がグレーティング結合器を介してフォトニクスダイ２０３内に結合され、光導波路を介してダイ上の様々な位置へ通信され、ＭＺＩ変調器により変調され、また光Ｉ／Ｏ２１１を介して光ファイバー２１７内へフォトニクスダイ２０３の外へ送信される。ＰＣＢ／基板２０１を介してダイから熱が伝わり逃げる。この態様においては、複数の高性能光トランシーバのハイブリッド集積が標準半導体プロセスにて可能になる。

図３は、本発明の実施形態に係るフォトニクスダイへのエレクトロニクスダイのハイブリッド集積を図示する図である。図３を参照すると、エレクトロニクスダイ２０５、金属配線２０７、及びフォトニクスダイ／インターポーザ３００が図示される。フォトニクスダイ／インターポーザ３００が、グレーティング結合器３０１、偏光スプリッタグレーティング結合器３０３、光検出器３０５、光変調器３０７、ＴＳＶ３０９、及び光導波路３１１を備える。

エレクトロニクスダイ２０５とフォトニクスダイ／インターポーザ３００間の電気及び機械的結合の両方が金属配線２０７により提供される。グレーティング結合器３０１が、フォトニクスダイ／インターポーザ３００の内及び／又は外へ光結合することを提供する。同様に、偏光スプリッタグレーティング結合器３０３により、フォトニクスダイ／インターポーザ３００の内及び／又は外へ光の２つの偏光の結合が可能になる。

変調器３０７が、例えば、ＭＺＩ変調器を備え、金属配線２０７を介してエレクトロニクスダイ２０５から受信した電気信号に基づいて光信号を変調するように動作する。例示のケースにおいては、ＣＷ光信号がグレーティング結合器３０１の一つを介して光源から受信され、光導波路３１１を介して通信され、光変調器３０７により変調され、光導波路３１１により通信されて戻され、他方のグレーティング結合器３０１を介してフォトニクスダイ／インターポーザ３００の外へ送信される。

光検出器３０５が、例えば、半導体フォトダイオードを備え、受信した光信号を電気信号に変換するように動作する。例示のケースにおいては、垂直の偏光の光信号が偏光スプリッタグレーティング結合器３０３により受光され、導波路３１１を介して通信され、光検出器３０５により電気信号に変換され、結果として生じる電気信号が金属配線２０７を介してエレクトロニクスダイ２０５へ伝送される。電気信号が、エレクトロニクスダイ２０５内のエレクトロニクスにより更に処理され、及び／又はワイヤーボンド又は金属配線２０７及びＴＳＶ３０９を介して別の回路へ伝送される。

フォトニクスダイ／インターポーザ３００が、複数のエレクトロニクスダイへ光回路を提供するシリコンフォトニクスダイを備え、これにより高速電子装置間の電気配線が低減又は除去される。これは、例えば、高速メモリアクセス、高速プロセッサ配線、及び複数の高速エレクトロニクスチップの結合のために用いられる。

図４Ａは、本発明の実施形態に係る例示の金属配線結合された電気及び光電子装置の横断面を図示する図である。図４を参照すると、シリコンフォトニクス基板／チップ／ダイ４５０、エレクトロニクス基板／チップ／ダイ４６０、及び基板／チップの物理及び電気結合のための金属層４２７を備えるハイブリッド集積半導体構造４００が図示される。シリコンフォトニクス基板／チップ／ダイ４５０が、光装置４２０および関連の層を備え、及びエレクトロニクス基板／チップ／ダイ４６０が、トランジスタ４１０Ａ及び４１０Ｂおよび関連の層を備える。ダイの層が、例えば、トランジスタ４１０Ａ及び４１０Ｂおよび光装置４２０を形成し、隔離し、装置に電気的コンタクトを提供するために用いられる。

シリコンフォトニクス基板／チップ／ダイ４５０が、基板４０１Ａ、埋め込み酸化物４０３、Ｓｉ‐層４０５、コンタクト層４１５Ａ、金属第１層４１７Ａ、および貫通シリコンビア（ＴＳＶ）４４３Ａ及び４４３Ｂを備える。光装置４２０が、Ｓｉ‐層４０５のドープ及び／又はアンドープ領域、サリサイドブロック(salicide block)４１３、ドープコンタクト領域４３５及び４３７、エッチング領域４３９、およびＧｅ‐層４４５を備える。サリサイドブロック４１３が、光装置４２０及び他の光装置のシリコンが標準ＣＭＯＳプロセスの過程でサリサイド化されることを阻止する材料層を備える。光装置のシリコンがサリサイド化されるならば、光学的損失が大きくなる。加えて、サリサイドブロック４１３は、不要な損失を生じさせる導波路や他の光装置への不要な打ち込みを阻止する。サリサイドブロック４１３がＳｉ‐層４０５までエッチングされ、Ｇｅ‐層４４５が堆積される。例えば、Ｇｅ‐層４４５が光検出器装置内で利用される。加えて、Ｓｉ‐層４０５のエッチング領域４３９が光学的閉じ込めのために利用される。エッチング領域４３９が、例えば、低‐ｋ誘電体により再充填され、若しくは何らの充填材料も有しない空気ギャップを備える。充填材料は、例えば、シリコン酸化又はオキシ窒化材料である。

シリコンエレクトロニクス基板／チップ／ダイ４６０が、シリコン基板４０１Ｂ、ウェル４０７、コンタクト層４１５Ｂ、金属第１層４１７Ｂ、最終金属層４２３、パッシベーション層４２５、及び金属層４２７を備える。メタル第１層４１７Ｂ、最終金属層４２３、および金属層４２７が、層間に電気的コンタクトを提供し、またトランジスタ４１０Ａ及び４１０Ｂ及び光装置４２０といった光電子装置らに電気的コンタクトを提供する。コンタクト層４１５は、導電性ビアの間に絶縁材料を組み込むことにより装置間に電気絶縁を提供しつつ装置への電気的コンタクトも可能にする。

トランジスタ４１０Ａ及び４１０Ｂは、例えば、ゲート４３１及びパッシベーション層４３３も同様に、ドーパント注入プロセスから、各々、ウェル４０７又は基板４０１Ｂに形成されたソース及びドレイン領域を有するバルクトランジスタを備える。ゲート４３１は、例えば、金属又はポリシリコンであり、薄酸化層（不図示）によりウェル４０７から絶縁される。

本発明の実施形態においては、シリコンフォトニクス基板／チップ／ダイ４５０とエレクトロニクス基板／チップ／ダイ４６０の製造のために別々の半導体プロセスが用いられ、装置の各タイプにプロセスが最適化される。例示のケースにおいては、別々の半導体プロセスが異なるＣＭＯＳノードを包含し、又はＣＭＯＳ及びＳｉＧｅといった全く異なる技術を包含する。

ウェハー又は代替的にダイスカットされたチップは、次に金属ピラーといった金属層を用いて一緒に結合されて光電子ハイブリッドモジュールを形成する。この態様において、層厚及び不純物添加レベルが、電子及び光構造の同時の製造に付随する特性のトレードオフを無くして各構造の最高の電子及び光特性のために構成される。

図４Ｂは、本発明の一実施形態に係る電子及び光チップの代替の対面結合の図である。図４Ｂを参照すると、例えば、金属ピラー、スタッドバンプ、又ははんだバンプを包含する配線層４２７を用いて結合されたシリコンフォトニクスチップ４５０とエレクトロニクスチップ４６０が図示される。

シリコンフォトニクスチップ４５０は、基板４０１Ｃ、光装置４２０、及び金属層４３０を備える。エレクトロニクスチップ４６０は、基板４０１Ｄ、トランジスタ４１０Ｃ及び４１０Ｄ、及び金属層４３０を備える。これらの各素子は、図４Ａの同様の名前の素子と同様である。

図４Ｂに図示の実施形態は、エレクトロニクス及びフォトニクスチップが対面結合されることを除き、図４Ａに図示のものと同様であり、それにより基板貫通ビア（ＴＳＶ）の必要性が取り除かれる。

図４Ｃは、本発明の実施形態に係る電子及び光チップの別の結合の図である。図４Ｃを参照すると、例えば、金属ピラー、スタッドバンプ、又ははんだバンプを包含する配線４２７を用いて結合されたシリコンフォトニクスチップ４５０とエレクトロニクスチップ４６０が図示される。

シリコンフォトニクスチップ４５０は、基板４０１Ｅ、光装置４２０、及び金属層４３０を備える。エレクトロニクスチップ４６０は、基板４０１Ｆ、トランジスタ４１０Ｃ及び４１０Ｄ、及び金属層４３０を備える。これらの各素子は、図４Ａ及び４Ｂの同様の名前の素子と同様である。

図４Ｃに図示された実施形態は、シリコンフォトニクスチップ４５０が下でありエレクトロニクスチップ４６０が上であることを除いて、図４Ａに図示されたものと同様である。このケースにおいては、電気的コンタクトが、金属ピラー又はバンプといったＴＳＶ及び金属配線により形成される。

図５は、本発明の実施形態に係る電気及びフォトニクスダイの結合のための例示の金属配線を図示する図である。図５を参照すると、金属配線２０７の横断面及び斜視図が図示される。図示の例示の銅ピラーが、５０ミクロンのオーダーの幅を有するが、寄生容量の低減のためにより小さい直径が用いられ得る。加えて、スズ／銀キャップ層が機械的結合及び電気的接触、すなわちハンダ付けのために用いられる。金属配線の直径は、例えば、速度要求、装置密度、熱特性、並びに容量及び電気抵抗要求に基づいて調整される。

本発明の実施形態においては、光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステムが開示される。この観点においては、シリコンフォトニクスダイ２０３／３００の外部の光源２０９からシリコンフォトニクスダイ２０３／３００で１以上の連続波（ＣＷ）光信号を受信する。１以上の受信したＣＷ光信号は、金属配線２０７を介してシリコンフォトニクスダイ２０３／３００に結合した１以上のエレクトロニクスダイ２０５から受信した電気信号に基づいて処理される。

変調された光信号が、シリコンフォトニクスダイ２０３／３００に結合された１以上の光ファイバー２１７からフォトニクスダイ２０３／３００内で受信される。電気信号が、受信された変調光信号に基づいてシリコンフォトニクスダイ２０３／３００内で生成され、金属配線２０７を介して１以上のエレクトロニクスダイ２０５に伝送される。金属配線２０７は、例えば、銅ピラーを備える。１以上のＣＷ光信号が、シリコンフォトニクスダイ２０３／３００に結合した光源アセンブリ２０９、及び／又はシリコンフォトニクスダイ２０３／３００に結合した１以上の光ファイバー２１７から受信される。

１以上の受信したＣＷ光信号が、例えば、マッハ‐ツェンダー干渉計変調器を備える１以上の光変調器１０５Ａ‐１０５Ｄ／３０７を用いて処理される。シリコンフォトニクスダイ２０３／３００に集積された１以上の光検出器１１１Ａ‐１１１Ｄ／３０５を用いてシリコンフォトニクスダイ２０３／３００内で電気信号が生成される。光信号は、グレーティング結合器１１７Ａ‐１１７Ｈ／３０１／３０３を用いてシリコンフォトニクスダイ２０３／３００の内外へ通信される。光源２０９は、１以上の半導体レーザ１０１を備える。ハイブリッド集積光通信システム１００は、複数のトランシーバ１０５／１１２／１１７／１０７／１１１（Ａ‐Ｆ）を備える。

特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明のスコープから逸脱することなく様々な変更が為し得、また均等物が置換され得ると当業者が理解するだろう。加えて、本発明のスコープから逸脱すること無く本発明の教示に照らし、多くの修正が為されて特定の状況や材料に適合される。従って、本発明が開示の特定の実施形態に限定されるべきものではなく、本発明が添付請求項のスコープ範囲内の全実施形態を包含することが意図される。

Claims (20)

1. シリコンフォトニクスダイ及び金属配線を介して前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上のエレクトロニクスダイを備えるハイブリッド集積光通信システムにおける通信方法であって、
   前記シリコンフォトニクスダイの外部の光源から１以上の連続波（ＣＷ）光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
   前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイから受信した電気信号に基づいて前記１以上の受信したＣＷ光信号を処理し；
   前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから変調された光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
   前記受信した変調光信号に基づいて前記シリコンフォトニクスダイで電気信号を生成し；及び
   前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイへ前記生成した電気信号を伝送する、通信方法。
2. 前記金属配線が銅ピラーを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記シリコンフォトニクスダイに結合した光源アセンブリから前記１以上のＣＷ光信号を受信する、請求項１に記載の方法。
4. 前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから前記１以上のＣＷ光信号を受信する、請求項１に記載の方法。
5. １以上の光変調器を用いて前記１以上の受信したＣＷ光信号を処理する、請求項１に記載の方法。
6. 前記１以上の光変調器がマッハ‐ツェンダー干渉計変調器を備える、請求項５に記載の方法。
7. 前記シリコンフォトニクスダイに集積された１以上の光検出器を用いて前記シリコンフォトニクスダイで前記電気信号を生成する、請求項１に記載の方法。
8. グレーティング結合器を用いて前記シリコンフォトニクスダイの内及び／又は外に光信号を通信する、請求項１に記載の方法。
9. 前記光源が１以上の半導体レーザを備える、請求項１に記載の方法。
10. 前記ハイブリッド集積光通信システムが複数のトランシーバを備える、請求項１に記載の方法。
11. シリコンフォトニクスダイ及び金属配線を介して前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上のエレクトロニクスダイを備えるハイブリッド集積光通信システムを備える通信用のシステムであって、
    前記ハイブリッド集積光通信システムが、
    前記シリコンフォトニクスダイの外部の光源から１以上の連続波（ＣＷ）光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
    前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイから受信した電気信号に基づいて前記１以上の受信したＣＷ光信号を処理し；
    前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから変調された光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
    前記受信した変調光信号に基づいて前記シリコンフォトニクスダイで電気信号を生成し；及び
    前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイへ前記生成した電気信号を伝送するように動作可能である、システム。
12. 前記金属配線が銅ピラーを備える、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記ハイブリッド集積光通信システムが、前記シリコンフォトニクスダイに結合した光源アセンブリから前記１以上のＣＷ光信号を受信するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記ハイブリッド集積光通信システムが、前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから前記１以上のＣＷ光信号を受信するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記ハイブリッド集積光通信システムが、１以上の光変調器を用いて前記１以上の受信したＣＷ光信号を処理するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記１以上の光変調器がマッハ‐ツェンダー干渉計変調器を備える、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ハイブリッド集積光通信システムが、前記シリコンフォトニクスダイに集積された１以上の光検出器を用いて前記シリコンフォトニクスダイで前記電気信号を生成するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
18. 前記ハイブリッド集積光通信システムが、グレーティング結合器を用いて前記シリコンフォトニクスダイの内及び／又は外に光信号を通信するように動作可能である、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記光源が１以上の半導体レーザを備える、請求項１１に記載のシステム。
20. シリコンフォトニクスダイ及び金属配線を介して前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上のエレクトロニクスダイを備えるハイブリッド集積光通信システムを備える通信用のシステムであって、
    前記ハイブリッド集積光通信システムが、
    前記シリコンフォトニクスダイの外部の光源から１以上の連続波（ＣＷ）光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
    前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイから受信した電気信号に基づいて前記１以上の受信したＣＷ光信号を変調し；
    前記シリコンフォトニクスダイに結合した１以上の光ファイバーから変調された光信号を前記シリコンフォトニクスダイで受信し；
    前記受信した変調光信号に基づいて前記シリコンフォトニクスダイの光検出器により電気信号を生成し；及び
    前記金属配線を介して前記１以上のエレクトロニクスダイへ前記生成した電気信号を伝送するように動作可能である、システム。