KR101436704B1 - 고속 광학 입/출력 어플리케이션을 위한 통합 광학 수신기 아키텍처 - Google Patents

고속 광학 입/출력 어플리케이션을 위한 통합 광학 수신기 아키텍처 Download PDF

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Abstract

다중 모드 섬유(MMF)와 실리콘 칩 사이의 광을 커플링하기 위해, 실리콘 디-멀티플렉서 및 고속 Ge 광 검출기의 통합을 포함하는 통합된 광학 수신기 아키텍처가 사용될 수 있다. 제안된 아키텍처는 25 Gb/s 이상의 데이터 레이트를 갖는 병렬 및 파장 분할 멀티플렉싱(WDM) 기반 광학 링크들 둘다를 위해 사용될 수 있다.

Description

고속 광학 입/출력 어플리케이션을 위한 통합 광학 수신기 아키텍처{INTEGRATED OPTICAL RECEIVER ARCHITECTURE FOR HIGH SPEED OPTICAL I/O APPLICATIONS}
본 발명의 실시예들은 광학 수신기에 관한 것이며, 더 상세하게는 개선된 섬유 정렬 공차를 위한 내장된 테이퍼들을 갖는 통합 광학 수신기에 관한 것이다.
실리콘 기반 광 디바이스 및 회로 응용들을 위해 광섬유와 실리콘 도파관 사이의 효율적인 광 커플링이 요구된다. 실리콘 도파관 시스템들의 높은 굴절률 대비 때문에, 양호한 섬유-실리콘 도파관 커플링을 얻는 것은 어려울 수 있다.
광학 통신에서, 정보는 주파수가 전형적으로 전자기 스펙트럼의 가시 또는 근적외선 영역에 있는 광학 캐리어에 의해 송신된다. 그러한 높은 주파수를 갖는 캐리어는 때로는 광학 신호, 광학 캐리어, 또는 광파 신호로 명명된다. 전형적인 광학 통신 네트워크는 몇몇의 광학 섬유들을 포함하는데, 이들 각각은 몇몇의 채널들을 포함할 수 있다. 채널은 전자기 신호의 특정된 주파수 대역이며, 때로는 파장으로 명명된다.
오늘날의 기술적 발전은 집적 회로 (또는 칩) 레벨에서의 광학 통신을 포함한다. 이는, 집적 회로들이 컴퓨터 시스템들에서 매력적인 크기 이점들을 갖기 때문이다. 때로는, 설계자들은 두 칩들 사이의, 시스템 내의 칩과 다이 사이의, 또는 두 개의 다이 사이의 광학 신호(광)를 커플링한다. 이는 전형적으로 다이들 또는 칩들 상의 도파관들 사이의 광을 커플링하기 위한 광섬유를 사용하여 달성된다.
다이들 또는 칩들 상의 도파관들 사이의 광을 커플링하기 위한 광섬유를 사용하는 것의 한 제약은, 이러한 커플링 방법은 비효율적인 경향이 있다는 것이다. 한 이유는, 칩 또는 다이 상의 전형적인 도파관과 광섬유 간의 물리적 크기 차이 때문이다. 광섬유는 도파관보다 훨씬 큰 경향이 있다. 크기 차이 때문에, 광 신호 커플링 효율이 열악하다. 즉, 더 큰 직경의 광섬유로부터의 광은 작은 도파관 내에 잘 맞지 않는다. 이 결과로서, 수신된 광 레벨이 너무 낮아서 광 신호 내의 데이터 스트림 내의 개별적인 비트들이 식별 불가능해질 수 있다. 이 현상이 발생하면, 수신 컴포넌트는 데이터 스트림으로부터 정보를 복구하지 못할 수 있다.
커플링 효율은 광학 신호를 도파관 내부로 집중시키기 위해 광섬유에 렌즈를 부착시키거나, 광섬유와 도파관 사이에 렌즈를 위치시킴으로써 개선될 수 있다. 그러나, 렌즈를 사용한 커플링 효율은 단지 보통일 뿐이다. 다른 커플링 방법들도 잘해야 보통인 효율을 야기한다.
이 제약은 또한, 더 큰 광섬유에 의해 지원되는 광학 모드로부터, 도파관에 의해 지원되는 더 작은 광학 모드로의 효율적인 커플링과 같은 다른 도전을 수반한다. 모드는 에너지의 광학 단면 분포(가우시안 분포)이며, 도파관(광학 섬유, 평면 도파관)의 크기 및 광의 파장에 의해 정의된다. 더 큰 광섬유에는 큰 광학 모드가 존재하며, 더 작은 도파관에는 더 작은 광학 모드가 존재한다.
광학 섬유로부터 작은 온-다이 도파관들로의 커플링도 매우 정밀한 정렬을 요구한다. 이는 전형적으로 특별화된 정밀한 수동 정렬 절차들을 사용하여 달성된다. 그러한 특별화된 정렬 절차들은 전형적으로 매우 비싸며 현실적인 부피를 제한한다.
오늘날, 고속 응용들을 위한 저비용 멀티 모드 섬유(MMF) 기반 광학 수신기에 대한 기본적인 문제점이 존재한다. 광 검출기(PD)를 위한 고속(예컨대 25 Gb/s 이상) 동작을 달성하기 위해, 검출기의 활성 면적은 일반적으로 작도록 요구된다. 그러나, MMF로부터의 광을 광 검출기들 및 잠재적으로 광학 디-멀티플렉서(de-multiplexer)를 포함하는 반도체 도파관 기반 칩 내부로 효율적으로 커플링하기 위해, 저비용 패시브 정렬을 위해 필요한 큰 부정합 공차를 위해 큰 도파관 크기가 사용된다.
전술한 내용, 및 본 발명에 대한 더 나은 이해는 수반하는 도면들과 함께 읽었을 때, 배열들 및 예시적인 실시예들의 뒤따르는 상세한 설명들 및 청구항들로부터 명백해질 수 있을 것이며, 이들 모두는 본 발명의 명세서의 일부를 형성한다.
선술한 및 뒤따르는 기재된 및 예시된 명세서는 본 발명의 배열들 및 예시적인 실시예들을 개시하는 것에 집중하는 한편, 이는 단지 예시 및 예일 뿐이며 본 발명은 그에 제한되지 않는다는 것을 명백하게 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합된 광학 수신기의 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광학 수신기를 형성하기 위한 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기판을 도시한다.
도 3은 테이퍼의 에칭을 예시하는 SOI 웨이퍼의 측면도이다.
도 4는 거울을 위한 V-홈(V-groove)의 에칭을 예시하는 SOI 웨이퍼의 측면도이다.
도 5는 내부 전반사 거울을 위한 산화물 층의 퇴적을 예시하는 SOI 웨이퍼의 측면도이다.
도 6은 상부에 실리콘 웨이퍼가 접착된 SOI 웨이퍼의 측면도이다.
도 7은 광 검출기(PD)의 추가적인 실리콘 광학 처리, 및 도 1에 도시된 것과 같은 옵션의 격자를 위해 뒤집혀진, 도 6에 도시된 SOI의 측면도이다.
도 8은 통합된 광학 수신기의 V-홈 거울 구조에 대한 단일 모드 조건 하에서의 광학 손실 모델링을 예시하는 그래프이다.
도 9는 통합된 광학 수신기의 V-홈 거울 구조에 대한 다중 모드 조건 하에서의 광학 손실 모델링을 예시하는 그래프이다.
다중 모드 섬유(MMF)와 실리콘 칩 사이의 광 커플링뿐 아니라, 실리콘 디-멀티플렉서 및 고속 광 검출기의 통합을 어드레스하기 위한 통합된 광학 수신기 아키텍처가 설명된다. 제안된 아키텍처는 25 Gb/s 이상의 데이터 레이트를 갖는 병렬 및 파장 분할 멀티플렉싱(WDM) 기반 광학 링크들 둘다를 위해 사용될 수 있다.
본 명세서를 통한 "일 실시예" 또는 "실시예"의 참조는, 그 실시예와 연관하여 설명한 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 다양한 곳들에서 어구 "일 실시예" 또는 "실시예에서"가 나온다고 해서 반드시 모두 동일한 실시예를 참조하는 것은 아니다. 더욱이, 특정한 특징, 구조 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에 임의의 적합한 방식으로 결합될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 수신기가 도시된다. 광학 수신기(100)는 내부 전반사(TIR) 거울 구조(104)가 그 위에 위치하는 실리콘 웨이퍼 부분(102)을 포함한다. 도파관 부분(106)은 다중 모드 광학 섬유(108)와 같은 섬유로부터의 광이 입력될 수 있는 넓은 말단을 포함한다. 광은 렌즈(110)를 통해 집중될 수 있다. 도파관(106)은 도파관이 하부로부터 좁아지는 테이퍼(112)를 포함한다. TIR 구조는, 기판(102)에 대해 평행으로 진행하는 광을 화살표들에 의해 표시된 것과 같이 고속 광 검출기(116)로 위를 향해 반사시켜서 지향시키기 위한 반사 표면을 갖는 웨지(114)를 포함한다. 도시된 것과 같이, 도파관(106) 내에 실리콘 디-멀티플렉서(118) 또한 옵션으로서 제조될 수 있다. 예컨대, 디-멀티플렉서는 도시된 에칭된 에첼 격자(Echelle grating)과 같은 회절 격자를 포함할 수 있다. 에칭된 에첼 격자는 단일 모드 및 다중 모드 빔들 둘다를 디-멀티플렉싱할 수 있을 수 있다.
도 1에 도시된 통합된 실리콘 칩은 실리콘-온-인슐레이터(SOI) 기판 상에 제조될 수 있다. 병렬 링크 어플리케이션들에 대해서는 디-멀티플렉서가 포함되지 않을 수 있다. 플라스틱 렌즈(110)를 갖는 칩과 MMF(108) 간의 효율적인 커플링을 위해, 실리콘 테이퍼(112) 입력은 넓은 말단에서 20-30 μm의 높이를 갖는다. 테이퍼 후의 최종 도파관(106) 높이는 ~10 μm이다. 테이퍼는 예컨대 본원에 참조로 통합되는 Optics Express vol. 11, no.26, 3555-3561 (2003)에 설명된 그레이스케일 기술을 사용함으로써 제조될 수 있다.
MMF(108)로부터 런칭된 다중 모드 빔에 대해 가능한 모드 필터링 효과(광학 손실) 때문에, 최종 도파관 크기는 아마도 작지 않아야 할 것임을 유념한다. TIR 반사 거울 부분(104)은 도파관으로부터의 광을 실리콘의 상부에 성장된 고속 게르마늄(Ge) 검출기(116)로 수직으로 커플링하기 위해 사용된다. 그러한 Ge PD(116)의 제조 기법은 잘 구축되었다. 테이퍼링된 도파관으로부터 Ge PD 내부로 입사하는 광은 검출기 내의 Ge 층 위에 있는 금속 컨택으로부터 반사될 수 있기 때문에, Ge 활성 영역 내에 더블 광학 경로가 달성된다. 이는 더 얇은 Ge를 사용하여 더 높은 속도를 위한 더 높은 양자 효율을 야기한다. ~1.5 μm의 Ge 두께를 갖는 검출기의 추정된 속도는 20 GHz보다 빠르며, 이는 25 Gb/s 응용들을 위해 양호하다.
도 2-7은 일 실시예에 따른, 제안된 통합 실리콘 수신기 칩의 제조 스텝들을 예시한다. 이제 도 2를 참조하면, 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼는 실리콘 기판, 매장된 산화물(BOX) 층(202), 및 BOX 층(202) 상의 실리콘 핸들 층(204)을 포함한다. 일 실시예에서, Si 층(204)은 약 20-30μm의 두께일 수 있다. 물론, 이 두께는 상이한 응용들에 대해 상이할 수 있다. 희생 산화물 하드 마스크(HM) 층(206)이 Si 층(204) 위에 있을 수 있다.
도 3에서, 도 1의 도파관의 테이퍼 부분이 HM 층(206)을 통해 Si 층(204)을 부분적으로 통과하여 대략 10μm의 에치 깊이로 에칭된다. 에칭된 부분은 일반적으로 한 말단에서 직사각형이고 다른 말단에서 테이퍼링될 수 있다. 도 4에서, 도 1에 도시된 웨지 거울(114)의 향후 형성을 위해 V-홈(400)이 Si 층(204)으로부터 더 에칭될 수 있다. V-홈(400)은, 예컨대, 수산화칼륨(KOH) 습식 에치 기법을 사용하여 에칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, V-홈(400) 에치는 매장된 산화물(BOX)(202)에 도달하거나, 또는 향후의 Ge 성장을 위한 얇은 실리콘 층(0.5-1μm)을 남긴다.
도 5에서, 에칭된 트렌치들은 산화물(500)로 채워지고, 그 후에 화학적 기계적 평탄화(CMP)가 뒤따른다. 산화물은 도 1에 도시된 내부 전반사(TIR) 거울을 포함한다.
도 6에서, 평탄화된 웨이퍼는 개별적인 실리콘 웨이퍼(102)와 웨이퍼 접착될 것이다. 웨이퍼 접착 후에, SOI 웨이퍼의 원래의 핸들 웨이퍼(200)가 제거될 것이다. 도 7에 도시된 것과 같이, 전체 장치가 뒤집혀질 수 있다. 핸들 웨이퍼(200)의 제거는 BOX(202)를 하드 마스크로서 갖는 새로운 웨이퍼를 생성한다. 하드 마스크(HM) BOX 층(202)은 도 1에 도시된 것과 같은 에첼 격자(118) 및 Ge 광 검출기(PD)의 추가적인 처리를 위해 사용될 수 있으며, 이 처리 기법들은 본 기술분야에 잘 알려져 있다.
이제 도 8 및 9를 참조하면, V 홈 거울 구조의 광학 손실이 단일 모드 및 다중 모드 런치 조건들 하에서 각각 모델링된다. 54.7°의 V-홈 각도에서, 도 8의 단일 모드의 경우는 광학 손실이 거의 존재하지 않는다는 것을 보여준다. 도 9에 도시된 것과 같이, 0-5개의 모드가 런칭되는 다중 모드의 경우, 단 -0.36dB의 손실만이 존재한다. V 홈 거울을 위한 1μm의 에칭되지 않은 실리콘 층을 갖고도, 광학 손실은 여전히 작다는 것 또한 주목된다. 즉, 대부분의 광은 거울 표면에서 반사되고 PD(116)로 지향된다.
본 발명의 예시된 실시예들의 요약에 설명된 것을 포함하는 상기 설명은 포괄적이거나, 본 발명을 설명된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예들 및 예들은 예시적인 목적으로 본원에 설명되었으나, 연관 기술분야의 당업자들이 인식할 것과 같이 다양한 동등한 변형들이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.
이러한 변형들은 상기 상세한 설명을 고려하여 본 발명에 행해질 수 있다. 뒤따르는 청구항들에서 사용된 용어들은 본 발명을 상세한 설명 및 청구항에 개시된 특정 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 그보다는, 본 발명의 범위는, 청구항 해석의 수립된 원칙에 따라 해석되어야 하는 뒤따르는 청구항들에 의해 완전히 결정되어야 한다.

Claims (20)

  1. 실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판 위의 내부 전반사(TIR) 거울 구조 - 상기 TIR 거울 구조는 제1 부분, 및 상기 제1 부분보다 두꺼운 제2 부분을 포함함 -;
    상기 TIR 거울 구조의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에서 전이되는 테이퍼 부분;
    상기 TIR 거울 구조의 상기 제2 부분에 내장되는 V-홈 웨지(V-groove wedge);
    상기 TIR 거울 구조의 상부에 있는 도파관; 및
    상기 V-홈 웨지에 인접하여 상기 도파관 위에 형성된 광 검출기(PD)
    를 포함하며,
    상기 도파관은 상기 도파관의 입력 말단으로부터 상기 광 검출기까지 동일한 물질을 포함하는 통합 광 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 V-홈 웨지의 전면에 있는 상기 도파관 내에 형성되는 디-멀티플렉서(de-multiplexer)를 더 포함하는 통합 광 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 고속 게르마늄 광 검출기를 포함하는 통합 광 수신기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 디-멀티플렉서는 회절 격자(diffraction grating)를 포함하는 통합 광 수신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회절 격자는 단일 모드 및 다중 모드 빔들 둘다를 디-멀티플렉싱할 수 있는 에칭된 에첼 격자(Echelle grating)를 포함하는 통합 광 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 20-30μm 두께의 입력 말단을 포함하는 통합 광 수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 테이퍼 후의 두께는 10μm의 두께인 통합 광 수신기.
  8. 통합 광 수신기를 제조하기 위한 방법으로서,
    실리콘 핸들 층, 매립된 산화물(BOX) 층, 실리콘 도파관 층 및 하드 마스크(HM) 산화물 층을 포함하는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼를 제공하는 단계;
    상기 HM 층 및 상기 실리콘 도파관 층에 테이퍼를 에칭하는 단계;
    상기 실리콘 도파관 층의 일부에 V-홈을 에칭하는 단계;
    테이퍼 및 상기 V-홈을 산화물로 채워서 내부 전반사(TIR) 거울 구조를 형성하는 단계;
    상기 TIR 거울 구조를 평탄화하는 단계;
    상기 TIR 거울 구조에 실리콘 웨이퍼를 접착하는 단계;
    상기 SOI 웨이퍼를 뒤집는(flip over) 단계;
    상기 실리콘 핸들 층을 제거하는 단계; 및
    상기 V-홈 위에 고속 광 검출기(PD)를 제조하는 단계
    를 포함하며,
    상기 도파관은 상기 도파관의 입력 말단으로부터 상기 광 검출기까지 동일한 물질을 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실리콘 도파관 층 내에 디-멀티플렉서를 제조하는 단계를 더 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 고속 광 검출기는 게르마늄(Ge) 광 검출기를 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 디-멀티플렉서는 회절 격자를 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회절 격자는 단일 모드 및 다중 모드 빔들 둘다를 디-멀티플렉싱할 수 있는, 에칭된 에첼 격자를 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 테이퍼는 20-30μm 두께의 넓은 말단, 및 10μm 두께의 더 좁은 말단을 포함하는 통합 광 수신기 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 V-홈은 상기 BOX 층까지 에칭되는 통합 광 수신기 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 V-홈은 상기 BOX 층에 못 미치도록 에칭되어 상기 V-홈과 상기 BOX층 사이에 상기 실리콘 도파관 층의 일부를 남기는 통합 광 수신기 제조 방법.
  16. 통합된 광 수신기 시스템으로서,
    실리콘 기판;
    상기 실리콘 기판 위의 내부 전반사(TIR) 거울 구조;
    상기 TIR 거울 구조 위의 실리콘 도파관 - 상기 실리콘 도파관은 더 좁은 말단으로 테이퍼링되는 넓은 입력 말단을 가지며, 상기 입력 말단은 다중 모드 섬유로부터 광을 수신함 -;
    상기 실리콘 도파관의 상기 더 좁은 말단의 일부 위에 제조되는 광 검출기; 및
    광을 상기 광 검출기로 위를 향해 반사시키기 위한, 상기 광 검출기 아래의 상기 TIR 거울 구조 상의 웨지 부분
    을 포함하며,
    상기 도파관은 상기 도파관의 입력 말단으로부터 상기 광 검출기까지 동일한 물질을 포함하는 통합된 광 수신기 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다중 모드 섬유와 상기 실리콘 도파관의 입력 말단 사이에 렌즈를 더 포함하는 통합된 광 수신기 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 웨지 전에 상기 도파관 내에 형성되는 디멀티플렉서를 더 포함하는 통합된 광 수신기 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 광 검출기는 게르마늄 광 검출기인 통합된 광 수신기 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 디멀티플렉서는 에첼 격자인 통합된 광 수신기 시스템.
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