TW201214855A - Low distortion high bandwidth adaptive transmission line for integrated photonics applications - Google Patents

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201214855 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明和傳輸線有關，且更明確地說，係關於用於提供 低失真之適應性傳輸線的系統與方法，其並不會犧牲高傳輸 速率。 【先前技術】 超高速光學調變器（舉例來說，大於2〇Gb/s)經常會被實 施為行進波(Traveling Wave，TW)結構。TW配置試圖分散— 長調變器的電容，俾便其會呈現合理的特徵阻抗給一驅動器 電路、，而非龐大的集總電容。TW配置試圖讓沿著一電極行進 的微波凋變彳s號的速度匹配同樣沿著該電極行進之被調變的 光波。 理想無彳貝耗的傳輸線會被設計成特徵阻抗(Zou)及微波速 ς(νρυ)兩者皆會高於該傳輸線無負載時的最終有負載設計目 =i(z0L’^vpL)。本文中，無負載的意義為該傳輸線並未接觸 11光予^號的波導。無負載條件的理想無損耗傳輸線公式 包含： z〇u~~^ 有負載條件的理想無損耗傳輸線公式包含： v t 其中z為阻抗，”為速度，l為電感，匸為電容，c為光 201214855 速，而《為折射率。 負載係數為負載接觸元件㈤總長度和總調變器長度的比 例該等主動負載元件中的每一者會增加電容，其會降低特 徵阻抗與微波速度。要最大化無負載傳輸線的阻抗與速度很 困難。巧半導體光學調變器巾駐城學波導每個單位長 度具有向電容無貞鱗徵阻抗與速度結合高電容性負載 元件會轉變成超低貞載係數(1G_5G%)。這使得難以既要讓該 TWj變器的最終有負载特徵阻抗達成w歐姆同時又與光 學信號產生合理的速度匹配Mgt負载係數的意義為調變器的 工間效率不佳’也就是’大部分的調變器實體長度並未用於 又’該調變器中沒有用於調變的被動部分會增加光學損 11進—步言之’―微波調變錢在其必彡頁沿著較長電極行 J時會招致額外的歐姆損耗。有損耗傳輸線的常見問題係， 線的阻抗為頻·率的函數，而且其會造成失真。 【發明内容】 -種傳及其倾枝，其包含誠路徑 個區段以及-通職等隨的連續林雜。彡個 = ，會被形成在相鄰區段之間並連接該等相鄰區段。該等g 益會被形成在-频電路的複數個金屬層之中，用二 1=傳輸狀光學觀為電容，以便達成該傳輪線的特 201214855 另二種傳輸線，其包含具有-連續電路徑 以及-通過該等區段的連續光學路徑。多固2又 形成在相鄰區段之間並連接該等相鄰區段被 形成在—龍電路的魏個金屬層之巾，用^ /杰會破 二專輸線，光學調變器的電容，以便達成該傳輪線 抗。一延遲機制會被配置成用以匹配在該 行徵产 該广徑上行進的光學信號之間的 月包一刼作頻寬(operating bandwidth)。 1文双 一種用於實施寬頻傳輸線的方法，其包含：藉由 之Γ離散電感器來平“傳輸線的 先子讀㈣電容，用以達成該傳輸線的特徵阻抗；以及調 諧一控制電路，用以匹配在該傳輸線中行進的一 光學信號之間的速度。 °'、一 從下面本發明解釋性具體實施例的詳細說明中，配合附 圖來閱讀，便會明白前述與其它特徵及優點。 【實施方式】 根據本發明原理，提供一種用於半導體光學調變器的最 佳化行進波(TW)結構與控制電路。於一特別實用的呈體實施 例中’會在一具有多個金屬層的積體電路製程(舉例來說互 補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor ’ CMOS)製程）中製造光子調變器（ph〇t〇nic modulator)。本發明實施例的系統與方法的態樣包含：多個分 散式電極，它們會運用多金屬層電感器來平衡光學調變器電 201214855 谷，以便達成所希望的特徵阻抗；多個低損耗光學延遲線， 此多個離散電感器被插入在主動調變器區段之間，用以減慢被 調變的光學波並將其速度匹配於電調變信二:一：; 控制電路與用以實施該可調諧控制電路的方法，用以速度匹 配在（一光學調變器的）一傳輸線中行進的電調變信號和光學 信號。 下面會參考根據本發明具體實施例的方法及設備（系統） 的流程圖及/或方塊圖來說明本發明的態樣。圖中的流程圖及 方塊圖圖解的係根據本發明各具體實施例的系統、裝置及方 法之可能實施方式的架構、功能及操作。於某些替代實施方 式中，在該等方塊圖中所述之功能的進行順序可能不同於圖 中所述。舉例來說，圖中連續顯示的兩個方塊實際上可能實 質同時執行，或者’該等方塊有時候可能以反向順序執行， 端視涉及的功能而定。還應該注意的係，該等方塊圖及/或流 程圖，的每一個方塊以及該等方塊圖及/或流程圖中的方塊二 組合月b夠藉由會實施指定功能或動作之以特殊用途硬體為基 礎的系統或是特殊用途硬體及/或電腦指令的組合來實施。 應該瞭解的係，本文雖然利用矽技術以給定的解釋性架 構來說明本發明；然而，在本發明的範疇内，亦可改變其它 架構、結構、基板材料(舉例來說，InP、GaAs、聚合物、 等）、以及製程特徵與步驟。 ··‘ 本文所述的電路可能係一積體電路晶片之設計的一部份 或者運用一（或多個)積體電路晶片。該晶片設計可以圖形電腦 201214855 電麟麵軸如，碟片,、 钟去可μ或來製作晶片的光微影遮罩，那麼，設 Si 電說，提供儲存該設計之儲存媒體 =轉此等製造商。接著’被儲存的設計便會 光微影遮罩的合宜格式(舉例來說 其通常包含要被形成在一晶圓上之探討中晶片設 或ΐΐίϊ:該等光微影遮罩係用蚊義該晶圓中要被姓刻 ’ 丁/、匕處理的區域(及/或其上方的層）。 本文所述的方法可以用來製作積體電路晶片。最終的積 體電路晶片會由製造商以原始晶圓形式(也就是，具有多個未 封裝晶片的單一晶圓）、裸晶、或者已封裝形式來分送。於後 面的情況中，該晶片會被安置在單晶片封裝(例如，塑膠載板， 其具有被固定至一母板或其它更高階載板的導線)之中或多晶 片封裝(例如，陶瓷載板’其具有表面内連線或埋置内連線中 任一者或兩者兼具)之中。於任何情況中，接著，該晶片會與 其匕晶片、離散電路元件、及/或其它信號處理裝置整合成(a) 中間產品（例如，母板）或是(b)末端產品的一部分。末端產品 "T月b係包含積體電路晶片的任何產品，其範圍從玩具和其它 低階末端應用到具有顯示器、鍵盤或其它輸入裝置、以及中 央處理器的高級電腦產品。 現在參考圖式，其中，相同的數字代表相同或雷同的元 件，並且先參考圖1，圖中顯示出，根據一具體實施例，離散 201214855 低阻值(R)、高電感(L)線圈102會被插入至傳輸線ι〇4之中β 傳輸線104會被設計成特徵阻抗(Ζου)及微波速度(vpU)兩者皆 會高於該傳輸線無負載時的最終有負載設計目標值(2此， Vpl)。利用長度小於總調變器長度的離散元件1〇2來接觸光學 波導105會藉由傳輸線104的主動負載元件達成週期性負^ 的目的。傳輸線104包含光學波導1〇5以及電線路1〇3(其會 通過線圈102)。具有高電感L的離散線圈1〇2會被插入，用 以讓線104的有效阻抗Z更接近所希望數值。離散L_c區段 106的數量很少，舉例來說，僅足以讓該區段的實體大小保^ 低於在線104中行進的電信號的波長，俾使得線1〇4仍有 效充當一連續傳輸線。 於-特別有用的具體實施例中，線圈ω2會連同多 的金屬層被形成在—㈣電路之卜 考圖2杨耗傳輸線的黑維塞條件如下。黑維塞條 件(在無失真的傳播中〉包含：f 跨導，LA带式二’/、中’R為阻值’ G為 導^魏1 C輕容。—有損耗傳輸_阻抗 當符合黑維塞條件時，z和理想線的阻抗相同： 圖3所示的係該傳輸線之微分區Ux的參數祕、 再次參考圖 201214855 說’僅在積體電路設計中受限於金屬設計規則）。這會提高調 變器效率並縮小系統的整體尺寸。電極108運用沿著一主動 光學調變器之電接點110鋪設的離散電感器102在一調變器 的其中一臂之申形成一分散式電極結構114。該等電感器1〇2 與一電容式主動光學波導105的組合會形成一分散式LRC電 路。 此方式的其中一項優點係，該等電感器102會被最佳化 以便控制該等三項電路參數中其中兩項，其包含單位長度的 電感及單位長度的阻值。該電感可利用各種模型工具(舉例來 說 ’ ASITIC™、HFSSTM、AGILENT™、ADS™、...等）來設 計與預測，而該等調變器電極的阻值則可利用各層之間的通 道運用綑缚在一起的多層金屬層（可用在CM0S製程中）來最 小化。雖然該等分散式電極中的電感器102的設計會決定該 分散式LRC電路的L與R;不過，單位長度的電容(c)卻係由 該主動光學波導105的實體大小來設定。該等電感線圈ι〇2 較佳的係包含-介於約lpH及1()nH之間的電感而且較佳的 係包含小於50歐姆的串聯阻值。 實作上，這意謂著有貞載特__ 技術段落中提出的公式來達成，但是，微波== ==信_速度還慢。該特徵秘可2 _之間，獨，亦可運料它糊 與電信號之間的匹配’可以在該等 上 每一者之間插入離散低損耗光學二區段中的 一 、遲疋件210，如圖3中所 201214855 器配置可能包含一分又器(s_er 將一先學輸入信號分又成多個分支。圖 ）、會 中具有一傳輸線的單一分支。該調變 便在該等臂部之;:光(=產 3合，來說’利用該等分支末端的輛合器〔未=可 若該等臂部之間的相位差為180度的話，當該Ί 號讀在—起時便會㈣。倘若相位絲。或⑽ = 整，號便會在輸出處再次被提供。依此方式該ς變“ 充2光學信號的導通·不導通傳輪的開關。於—範例中= -具有-或兩個輸人及兩個輸出的調變器來說，， 同的技術讓該(等)輸入通往任-輪出。需說明的是，本= 偈限於此，亦可祕其它配置。 & +發明不 參考傳輸線2G4(其可能係—光學調變器的 ί 3匹配的光學與電延遲。提高線圈H)2的電感L也會 母一區段(或級)106的延遲，從而導致電路經203令的 (傳!^及光學波導加中的先的傳播速度有^ 舉例來說’倘若L=100pH且c==1〇⑽的話，每 f更是倘若一級（1〇6)的尺寸4 100微求（其為光在it 中行進的距離)的話，那麼，每—級便存 IPs 對Π)或2。級來說，失配會變成扣至 ;失= 201214855 並無法接受。可以增加波導區段210(舉例來說，光纖），以便 匹配該等延遲。該等區段210的長度經過選擇，以便提供合 宜的延遲。 ’13 參考圓4,圖中所示的係根據另一具體實施例的傳輸線 304。電信號和光學信號之間的匹配可藉由在電線路2〇3的c 負載之中加入變容器302而具有適應性。此外，一 DLL(延遲 鎖定迴路，Delay Locked L〇〇p)305可被用來調整光學信號和 電信號之間的相位差。DLL 305會自動匹配光學延遲^電延 ，。光學延遲與電延遲的匹配會以製程變異、溫度變^、 等為函數而改變。不完整的延遲匹配會限制的最大可達速 度。所以，被加入該電傳輸線之C負載部分之中的變容器3 〇 2 會利用電路310分接來自一調變器臂部（線路3〇4)的光學信 唬，用以將該信號轉換成電域(光學信號緣）。分接頭 會收集該光學能量的一小部分(舉例來說，以小於1〇%為宜， :佳的係，小於5%)。電路310包含一光二極體312°二以 物，用以將該光學信號轉換成電信號。亦可能會 =314或其它電路系統。DLL 3〇5會利用一相位偵測器· 來比較電錢緣及光學錢緣抵達時間。該相位 (早期/晚期）會被-迴路濾、波器3〇8過渡，該迴路 : 據該信號並控制該等變容器302,用以確 ^匹^過 應該瞭解的是，-調變器可能會❹條料^的】配二 一根據本發明原理的傳輸線。 百匕s 於-具體實施例中提供一高頻寬、低失 輪線綱，其藉由將該線分成多級(stag雜並在該等^ 201214855 或更小，較佳的係，小於約10::=二： 但是，較高的數值亦可能適合具有較少區段 光波與電波的傳播速度(每—級的延遲)會匹配 最高可能㈣速率，舉㈣說，1Gb/s歧大，岐佳的^成 超過嶋/s。依本發明原理，會自動調適電信號的速度使 其匹配料錢的速度。這會在购條件顧(舉财說 理、溫度、...等)達成最大操作速度。本發鴨簡解說明一 DLL 305，但是亦可運用其它可調諧控制電路或延遲機制。 倘若在二光學調變器中運用傳輸線3〇4的話，該調變器 可能包含一咼速馬赫詹德(Mach-Zehnder)調變器，其中，至少 一相位調變器電極包含該傳輸線3〇4。於另一具體實施例中1 一高速電吸收調變器會運用該（等)傳輸線3〇4作為一增益調 變器電極。該調變器可能會被併入一積體電路之中，該積體 電路具有一由下面一或多者所構成的基板：Si、GaAs、
LiNb〇3，InP、或是任何其它半導體化合物、單晶或聚合性材 料。 可透過模擬，在2〇Gb/s處比較根據本發明原理的結構和 習知集總結構(沒有額外電感器線圈ρ當在2〇Gb/s處使用本 文建議的傳輸線結構時，（眼狀圖中的）資料眼為寬闊；而習知 的方式則受限於操作在小於5Gb/s處。亦曾在90nmCMOS製 12 201214855 ίΐϋ用峰化線圈的實際實施方式作過模擬。其已經採取特 ^的步驟來保持該線_低串聯w (將數個金屬層綑缚在一 兮電t Ϊ小化R值）。該模擬顯示*，2GGb/s操作容易受到 通笔琢盗線圈之串聯R值的影響。 參考圖5’一積體電路400包含一根據一解釋性且 例的傳輪線彻的—部分。積體電路働較佳的係包含一半 導體積體電路晶片；不過，亦可運用印刷繞線板或其它配置。 圖中所示的電路400係用以顯示一種示範性配置。、應該注音 的係，亦可運用包含其它裝置與結構的其它配置。舉例來說二 調變器、二極體、變容器、電晶體(舉例來說，以便使用在放 大器、DLL、".等之中）亦可整合至電路4⑻之中或被連接至 電路400。電路4〇〇可能包含單一晶片，其包含至少一傳輸線 404(舉例來說’參見線1〇4、204及3〇4)，該至少一傳輸線4〇4 包含一光學波導406及一電路徑4〇8。該光學波導4〇6可能包 含一光纖或其它波導。 圖中所示的電路400有兩個部分，折線顯示該電路為接 續。單一傳輸線可被運用在單一晶片上，可跨越多個晶片， 或者可以利用纜線、光纖、及/或導線在較大的距離中進行連 接。電路400包含一基板410 ’舉例來說，其可能包含別、ιηρ、 GaAs、LiNb〇3 :聚合物、或是其他元素或化合物。基板41〇 之上會形成複數層412。該等層412包含導體線414。該等導 體線414雖然可用於電路400的各項功能；但是，圖5顯示 複數條線414與連接線416以便降低電感器線圈1〇2中的串 聯阻值。圖中雖未描繪完整線圈1〇2，不過，一解釋性部分卻 13 201214855 顯示組合以形成該等線圈102的數條導體線414。電路徑4〇8 會連接至線圈102並繞行通過該傳輸線404。光學路後406 同樣會沿著電路400連續繞行或繞行通過電路400。額外的波 導區段210(圖4)可被放置在電路400之上、晶片之間、一晶 片上、…等。 參考圖6’圖中所示的係根據一具體實施例用以實施一寬 頻傳輸線的方法。在方塊502中，會利用一寬頻傳輸線來平 衡一光學調變器的電容，以便達成該傳輸線的特徵阻抗。在 方塊504中，可藉由在該傳輸線的相鄰調變器區段之間連接 一離散電感器(舉例來說’ 一螺旋電感器）達成該平衡。在方塊 506中，該電感器會被形成在一積體電路的複數個金屬層之 中，以便降低串聯阻值並提高電感。 在方塊508中，一控制電路會被調諧以便匹配在該連續 傳輸線中的個別路徑中行進的一電信號和一光學信號之間的 速度。在方塊510中，調諧可能包含於該光學路徑中插入一 或多條光學延遲線。在方塊512中，該調諧可能包含利用一 延遲鎖定迴路0LL)來比較該電信號的相位與該光學信號的 相位。在方塊514中，調諧可能包含調整一被耦合至一區段 電容的變容器。該變容器可以利用DLL輸出來調整。 本文已經說明一種積體光學應用之低失真高頻寬適應性 傳輸線的系統與方法的較佳具體實施例（其用意為解釋而非限 制）；但是’應該注意的係’熟習本技術的人士依照上面教示 内容便可進行修正與變更。所以，應該瞭解的係，可以對本 14 201214855 文揭示的特殊具體實施誠行改變，其落在__請專利r f所：定的本發明範疇裡面。因此，本文已說明本發明“ 樣；/、具有專利法所要求的細節與特殊性，在隨附的申諳^ 利fc圍中會提出專利證所主張且希望保護的内容。 【圖式簡單說明】 本發明已參考下面圖式於上面較佳具體實施例的說 提出詳細說明，其中： 為根據一解釋性具體實施例在區段之間有離散電感 線圖式.： 圖1 器的傳輸 圖2所示的係—解釋性具體實施例之傳輸線的黑維塞條 件之示意圖； 圖3為根據另一解釋性具體實施例的傳輸線圖式，其具 有用於匹配相位的離散電感器及額外的波導區段； 圖4為根據另一解釋性具體實施例的傳輸線圖式，其具 有用於匹配相位的離散電感器、額外的波導區段、一延遲鎖 定迴路、以及一變容器； 圖5為根據另一解釋性具艟實施例的電感器的一多層積 體電路的剖視圖；以及 圖6為根據一解釋性具體實施例用於操作一傳輸線的方 塊/流程圖。 【主要元件符號說明】 102 線圈 103 電線路 104 傳輸線 15 光學波導 L-C區段 電極 電接點 分散式電極結構 電路徑 傳輸線 光學波導 光學延遲元件 波導區段 變容器 傳輸線 延遲鎖定迴路 相位偵測器 迴路濾波器 電路 分接頭 光二極體 放大器 積體電路 傳輸線 光學波導 電路徑 基板 層 16 201214855 414 416 導體線 連接線 17

Claims (1)

  1. 201214855 七、申請專利範圍： 1. 一種傳輸線，其包括： 構成一電路徑的複數個區段； 一通過該等區段的連續光學路徑；以及 多讎散電感器’該多個離散電感器會被形成在相鄰區段之 間並連接該軸_段’料魏时獅成在—積體電路的複 數個金屬層之中’用以平衡一包含該傳輸線之光學調變器的電 谷，以便達成邊傳輸線的特徵阻抗。 2. 如中請專纖圍第丨項的傳輸線，其中， 基板，其係由下面至少-者所構成：一半導體材料與一聚合性材 料。 3.如申請專利範圍第丨項的傳輸線’其中，料複數個區段包 含用以保持實體尺寸在該傳輸線巾行進的電錢的波長以下之數 個區段。 4.如料專利細第1項的傳輸線，其巾’鮮電感線圈包含 -介於約ΙρΗ及ΙΟηΗ之間的電感’或者一小於5〇歐姆的串聯阻 值。 利範圍第1項的傳輸線’其中’該傳輸線包含至少 6其會 18 201214855 徑上行進的光學信號之間的相位。 7. 如申請專利範圍第6項的傳輸線，其中，該延遲機制包含一 被插入在該光學路徑中的光學延遲線，或是一用以比較該電信號 之相位和該光學信號之相位的延遲鎖定迴路。 8. 如申請專利範圍第7項的傳輸線，其進一步包括一被耦合至 一區#又電谷的變谷器，其中，該變容器會由該延遲鎖定迴路來控 制。 9. 一種傳輸線，其包括： 具有一連續電路徑的複數個區段以及一通過該等區段的連續 光學路徑； 多個離散電感器，該多個離散電感器被形成在相鄰區段之間 並連接該等相鄰區段，該等電感器會被形成在一積體電路的複數 個金屬層之中，用以平衡一包含該傳輸線之光學調變器的電容， 以便達成該傳輸線的特徵阻抗；以及 一延遲機制，其會被配置成用以匹配在該電路徑上行進的電 信號和在該光學路徑上行進的光學信號之間的相位，以便致能一 操作頻寬。 10. 如申請專利範圍第9項的傳輸線，其中，該積體電路包含一 由-半導體與-聚合性材料中至少—者所構成的基板，且其中，- 該等複數個區段包含數個區段，用以保持實體尺寸在該線中行進 的電信號的波長以下。 201214855 ]入利範圍第9項的傳輸線，其中，該等電感線圈包含 ”於約ΙρΗ及l〇nH之間的電感及/或一小於5〇 值，且其中，該操作錢包含到MGb/s _寬。串聯阻 12.如申β月專利範圍第9項的傳輸線，其中，該延遲 人一 被插入在該光學職中的光學延遲線’献—㈣味該^^ 之相位和該光學魏之她的延遲航迴路；且進"二 Ξί=區段細咖，其巾，繼_蝴鎖定^ —種用於實施一寬頻傳輸線的方法，其包括： 藉由連接-寬頻傳輸線巾相_段之間_散電感 =輸線的光學調變n的電容，職達傳輸線的特徵阻抗;、 —光===㈣咖嶋電纖 κ如申請專利範圍帛13 方法，其進 ^複數個金制之㈣成該電❹，錢降低㈣阻在值並積提體高電電 13項的方法’其中，概包含於該光學路 湘—延遲鎖定迴路來比較該電信號 =位與絲學信號的相位，或調整—被柄合至—區段電容的變 20
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