TWI470292B - 光學波導、矽光學波導及處理器系統 - Google Patents

光學波導、矽光學波導及處理器系統 Download PDF

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Description

光學波導、矽光學波導及處理器系統
本發明之實施例大體上係關於矽光學波導之領域，且更特定言之關於矽光學波導中之光學調變電路。
基於矽之積體電路早已用作為用於微電子應用之一平台。例如，電腦、汽車、航空電子設備、行動裝置、控制及顯示系統以及各種方式之用戶及行業電子產品中之微處理器傳統上皆基於促進及引導電流動之一矽平台。隨著處理需求增大，已調適基於矽之積體電路之設計以適應較快的處理時間及增大的通信頻寬。首先，此等效能增益已成為特徵密度改良之結果，此意指技術已發展到聚集數量不斷增大的特徵，諸如至一矽晶片上之電晶體。雖然繼續努力增大特徵密度，但是亦發展用於增大基於矽之平台上之處理速度及頻寬之替代方法。此類方法稱作矽光子學。
術語「矽光子學」係關於將矽用作為一光學媒體之光子系統之研究及應用。因此，替代使用矽以促進電流動或除使用矽以促進電流動外，亦使用矽以引導光子或光之流動。雖然電速度及光速度相同，但是光能夠在比電更寬的頻率範圍內載送資料，此意指光之頻寬大於電之頻寬。因此，在相同時間週期期間，一光串流可比一可比較的電串流載送更多資料。據此，將光用作為一資料載體存在明顯優點。此外，將矽用作為一較佳光學媒體允許應用既有矽積體電路技術並緊密整合既有矽積體電路技術。矽對具有 約1.1微米以上之波長之紅外光係透明的。矽亦具有約3.5之一高折射率。由此高折射率所提供之緊密的光學限制允許微觀的光學波導，該等微觀的光學波導可具有僅幾百奈米之橫截面尺寸，因此促進與當前奈米級半導體技術之整合。因此，可使用既有半導體製造技術製成矽光子裝置，且由於矽已用作為多數積體電路之基板，故可能產生光學及電子組件整合至一單個微晶片上之混合裝置。
實際上，使用絕緣體上覆矽或SOI技術而實施矽光子設備。為了使矽光子組件保持光學上獨立於晶圓之塊狀矽(在該等塊狀矽上製造該等矽光子組件)，有必要具有介入材料。此材料通常為矽石，其具有波長關注區中之約1.44之一低得多的折射率。此引起在矽-矽石界面處光之全內反射且因此傳輸之光保持在矽中。
在圖1中圖解說明使用光之資料傳播之一典型實例。圖1圖解說明包含例如一矽波導110之一光學傳輸系統100。該矽波導可構成光學傳輸系統100之全部或系統100之僅一或多個部分。該系統包含多個資料輸入通道120，其中各通道120傳輸呈光脈衝之形式之資料。為了同時傳輸在多個資料通道120上所載送之資料，由一頻率調變器130調變各通道120中之光。來自各通道120之調變光接著使用一光學多工器140而組合成一單個傳輸通道150。多工光接著沿著單個傳輸通道150而傳輸至一端點(未展示)，其中該光在被一端點裝置使用前解多工及解調變。
然而，一光學波導中之光之傳輸受溫度影響。一般而 言，溫度變更可引起裝置尺寸變更(歸因於熱膨脹)及在該光學波導中所使用之材料之折射率變更。更特定言之，溫度變更可影響在圖1中所圖解說明之光學頻率調變器130之操作。諧振光子調變器經設計以僅調變處於或接近特定已知頻率之接收頻率。為了僅允許調變特定已知頻率，調變器包含起作用以濾出除待由該等調變器調變之已知頻率外之所有頻率之諧振結構。因此，該等已知頻率為該等諧振結構之諧振頻率。不幸地，由於該等諧振結構之折射率趨於根據溫度而變更，故調變之特定頻率(即，諧振頻率)趨於隨著溫度變更而偏離已知頻率。因此，存在對具有容忍溫度變更之調變器電路之矽光學波導之需要。
由於在各種產品及環境中使用基於矽之積體電路，故基於矽之積體電路可能暴露於廣範圍之溫度條件。然而，在基於矽之光學波導中，溫度波動可引起降低包含之光學頻率調變器之效能。因此，為了實現一矽光學波導更耐用於溫度變更，本文揭示具有光學頻率調變器之一改良式矽光學波導。
在圖2中圖解說明一改良式矽光學波導210之一實施例。改良式矽光學波導210之所示部分包含一光學傳輸通道220及兩個頻率調變器電路230T1、230T2，各頻率調變器電路串聯地耦合至改良式矽光學波導210。雖然僅圖解說明兩個頻率調變器電路(通常稱作230)，但是改良式矽光學波導210可包含任何數量的頻率調變器電路230，如將在下文說 明中變得清楚。在圖2中，各調變器電路230包含兩個開關(例如，開關240AT1、240BT1)及一調變器(例如，調變器250T1)。該等開關(通常稱作240)耦合至改良式矽光學波導210以允許自改良式矽光學波導210將一特定頻率之光學信號分流至與改良式矽光學波導210平行組態之一調變器(通常稱作250)。因此，由於開關240經調諧以允許特定頻率之光學信號接取調變器250，故開關240表現為像將經濾波信號提供給調變器250之帶通濾波器。允許非特定頻率之光學信號沿著改良式矽光學波導210無障礙地繼續。
在各調變器電路230中，一開關(例如，開關240AT1)指定為一輸入開關(整體稱作輸入開關240A)。調變器電路230中之其他開關(例如，開關240BT1)指定為一輸出開關(整體稱作輸出開關240B)。輸入開關240A自光學傳輸通道220將光學信號耦合至調變器250。輸出開關240B自調變器250將光學信號耦合回至光學傳輸通道220。
開關頻率回應係開關240之諧振性質之一結果。諧振光學開關係僅全部傳遞或允許傳輸具有匹配開關諧振頻率之頻率之信號之開關。例如，一環形諧振器開關本質上為一迴圈式光學波導，其圓周允許一所要頻率之建設性干涉。一光學環形諧振器(其圓周等於對應於一所要頻率之一光學信號之波長的整數倍(例如，λ、2λ、3λ等))將全部傳遞或傳輸具有該所要頻率之一信號，因為該信號在其圍繞該光學環形諧振器行進時經歷建設性干涉。相反，該相同光學環形諧振器將完全阻擋一光學信號，其中該環形諧振器 之圓周等於該光學信號之一半波長之奇數整數倍(例如，(1/2)λ、(3/2)λ、(5/2)λ等)，此係歸因於產生破壞性干涉。該光學環形諧振器將僅部分傳遞其他頻率。
在圖3之圖表300中圖解說明一環形諧振器之頻率傳遞特性。對於一給定溫度T0，一環形諧振器將全部傳遞在環形之諧振頻率ω0之一信號。此在圖表300中藉由在頻率ω0之深波谷而予以表明，指示相比於其他頻率，環形諧振器明顯對在頻率ω0之信號更敏感。本質上阻擋在遠離頻率ω0之頻率之信號，同時僅部分阻擋在接近頻率ω0之頻率之信號。然而，若溫度變更至溫度T1，則該環形諧振器之諧振頻率偏移至頻率ω1。因此，該環形諧振器充當環形之諧振頻率之一溫度相依帶通濾波器。
參考圖2，環形諧振器開關提供對光學調變器250之過濾接取。光學調變器250可為諧振調變器或任何其他類型的頻率調變器。如開關240，一諧振調變器經調諧以在一特定溫度起作用。因此，作為一實例，與一諧振開關串聯之一諧振調變器通常經調諧以在與溫度T0對應之一溫度(在該溫度該開關傳遞一諧振頻率ω0)起作用。該等光學調變器亦可為一非諧振類型。不管如何，由一共同信號260驅動諧振調變器250以調變經由輸入開關240A所接收之接收頻率ω0。共同信號260起作用以將電荷注入至調變器250中，因此改變調變器250之折射率以實現一頻率調變。該調變頻率接著經由輸出開關240B而耦合回至光學傳輸通道220。
在圖2中，各調變器電路調諧至一特定溫度。換言之，各調變器電路230內之開關240及調變器250經選擇及/或設計以在一特定溫度濾波及調變一特定頻率。為了補償溫度變更，各調變器電路230調諧至不同於其他調變器電路230之調諧溫度之一溫度。因此，當一調變器電路因該溫度不同於其調諧溫度而不起作用時，另一調變器電路(其調諧溫度與實際溫度對應)起作用。以此方式，改良式矽光學波導210經設計以適應在各種溫度之頻率調變。
在圖4中圖解說明圖2之改良式矽光學波導210之操作之一方法400。最初，一給定頻率ω0之一雷射輸入被輸入至該波導(步驟410)。取決於波導溫度T，使用一或多個調變器電路而調變輸入頻率ω0。該等調變器電路在不同溫度各調諧至調變頻率ω0。因此，例如調變器電路230T1在溫度T1調諧至調變溫度ω0。調變器電路230T2在不同於溫度T1之溫度T2調諧至調變頻率ω0。可包含在各自溫度TN(步驟420)各調變頻率ω0(步驟430)之額外的調變器電路230TN。
在圖5中圖解說明展示在頻率ω0所有調變器電路230之回應之一強度對溫度圖表500。該圖表圖解說明對於一給定頻率ω0，各調變器電路在一不同溫度範圍內起作用。例如，在溫度T1，調變器電路230T1完全起作用且其他調變器電路不起作用。在溫度T2，調變器電路230T2完全起作用且其他調變器電路不起作用。相似地，在溫度TN，調變器電路230TN完全起作用。在介於溫度T1與溫度T2之間的溫度，調變器電路230T1及230T2兩者僅部分起作用。
圖表500亦圖解說明由改良式矽光學波導210在不同溫度T所提供之調變深度或調變程度。例如，在溫度T1，所示之調變深度近似-20dB。在溫度T2，所示之調變深度亦近似-20dB。然而，在介於溫度T1與溫度T2之間的一溫度，由任何一調變器電路230所提供之調變深度實質上小於-20dB。不管如何，由於調變器電路活動之重疊，故在介於溫度T1與溫度T2之間的溫度，調變器電路230T1及230T2兩者提供一些調變。因此，所提供之總調變深度為由個別調變器電路230所提供之重疊的調變深度之總和。
可能設計具有一可變頻率回應對溫度圖表之一調變器陣列，使得調變深度之重疊在任何給定溫度僅涉及一些裝置。因此，在波導之操作期間，若波導溫度T等於溫度T1，則調變器電路230T1在調變接收頻率ω0中起作用，同時其他調變器電路230T2、230TN不起作用。若波導溫度T變更且等於溫度T2，則調變器電路230T2在調變接收頻率ω0中起作用，且同時其他調變器電路230T1、230TN不起作用。若波導溫度T變更且等於在溫度T1與溫度T2之間的一溫度，則調變器電路230T1及230T2兩者在以一減小的調變深度調變接收頻率ω0中部分起作用，然而調變器電路230T1及230T2可經設計及組態使得來自調變器電路230T1、230T2兩者之調變之總和可近似等於任何個別調變器電路230之最大調變深度。此為當鄰近調變器電路230之調變範圍在各調變器電路之調變深度近似為電路之最大調變深度之一半之一點重疊時之結果。或者，可容忍調變深 度之一些變化。例如，取決於波導系統之雜訊容限，可容忍最大調變深度之70%之一調變深度。
因此，光學波導系統促進在一溫度範圍內之頻率調變，其中該溫度範圍取決於串聯放置在波導中之調變器電路之數目及調變器電路之特性(例如，頻率/溫度回應)。
在另一實施例中，移除諧振開關且僅設置與光學波導串聯之諧振環形調變器。圖6圖解說明一光學波導610之此「無開關」實施例。在圖6之實施例中，沿著波導610串聯定位兩個或兩個以上調變器(整體稱作調變器650)。調變器650經選擇及/或設計以在一頻率ω0在不同溫度諧振。或換言之，對於一給定溫度T，各調變器具有一不同諧振頻率。如在圖7中所示，鄰近調變器650之諧振頻率偏移使得以各調變器650等於近似其等最大調變深度之一半之一調變深度發生鄰近調變器650之間的重疊。因此，在一給定溫度T1，光學電路經設計使得一第一調變器650T1諧振。在一溫度T2，第一調變器650T1不再諧振，但是一第二調變器650T2諧振。在介於溫度T1與溫度T2之間的一溫度T3，第一調變器650T1及第二調變器650T2兩者部分諧振。以此方式，藉由串接與光學傳輸通道220串聯之多個調變器650，光學波導610在對抗溫度波動更耐用。在波導610中所使用之調變器650之數目不受限，除非考量到成本、空間及總需求。
在圖8中圖解說明圖6之波導系統之操作之一方法800。最初，一給定頻率ω0之一雷射輸入被輸入至該波導(步驟 810)。取決於波導溫度T，使用一或多個調變器而調變輸入頻率ω0。該等調變器在不同溫度各調諧至調變頻率ω0。因此，例如調變器650T1在溫度T1調諧至調變溫度ω0。調變器650T2在不同於溫度T1之溫度T2調諧至調變頻率ω0。可包含在各自溫度TN(步驟820)各調變頻率ω0(步驟830)之額外的調變器650TN。
在波導之操作期間，若波導溫度T等於溫度T1，則調變器650T1在調變接收頻率ω0中起作用同時其他調變器650T2、650TN不起作用。若波導溫度T變更且等於溫度T2，則調變器650T2在調變接收頻率ω0中起作用且同時其他調變器電路650T1、650TN不起作用。若波導溫度T變更且等於在溫度T1與溫度T2之間的一溫度，則調變器650T1及650T2兩者在以一減小的調變深度調變接收頻率ω0中部分起作用。由相同信號驅動兩個調變器，且因此兩者可結合起來工作以在接收頻率ω0上編碼該信號。
改良式矽光學波導210、610可此外如在圖9A及圖9B中所示般修改。在圖9A及圖9B中，藉由添加一溫度感測器920及一控制電路960而分別修改波導910A及波導910B。在波導910A、910B中，藉由使用一溫度感測器920(其輸出使一控制電路960可主動驅動調變器250、650)而最佳化調變器250、650之操作。例如，可使用一控制演算法以使用光學波導之感測溫度以在特定感測溫度驅動特定調變器。以此方式，對於給定頻率，可驅動特定調變器以提供比由一純粹被動調變電路所提供之調變深度更大的調變深度。 此外，可使用感測溫度資訊以幫助產生用於沿著波導傳輸之特定波長使得所產生之波長對應於通信鏈路或波導之其他側期望接收之波長。
改良式光學波導可製造為一積體電路之部分。可在一典型處理器系統中使用對應積體電路。例如，圖10圖解說明根據上文所述之實施例之一典型處理器系統1500，處理器系統1500包含利用改良式矽光學波導(諸如改良式矽光學波導210、610、910A及910B)之一處理器及/或記憶體裝置。一處理器系統(諸如一電腦系統)通常包括經由一匯流排1590而與一輸入/輸出(I/O)裝置1520通信之一中央處理單元(CPU)1510，諸如一微處理器、一數位信號處理器或其他可程式化數位邏輯裝置。一記憶體裝置1400通常透過一記憶體控制器經由匯流排1590而與CPU 1510通信。例如，該記憶器裝置可包含RAM、一硬碟、一快閃碟或可抽換式記憶體。在一電腦系統之情況中，該處理器系統可包含周邊裝置，諸如經由匯流排1590而與CPU 1510通信之可抽換式媒體裝置1550。若需要，則記憶體裝置1400可與處理器(例如，CPU 1510)組合作為一單個積體電路。
處理器系統1500之組件之任何一或多者可包含上文所述之矽光學波導之一或多者。例如，CPU 1510、I/O裝置1520及記憶體裝置1400可包含矽光學波導。此外，在處理器系統組件之兩者或兩者以上之間經由匯流排1590之通信可經由改良式矽光學波導210、610、910A、910B。
上文描述及圖式應僅被視為闡釋達成本文所述之特徵及 優點之例示性實施例。可作出對特定程序條件及結構之修改及替換。據此，本發明不被視為受限於先前描述及圖式，但是僅受限於隨附申請專利範圍之範疇。
100‧‧‧光學傳輸系統
110‧‧‧矽波導
120‧‧‧資料輸入通道
130‧‧‧頻率調變器
140‧‧‧光學多工器
150‧‧‧傳輸通道
210‧‧‧改良式矽光學波導
220‧‧‧光學傳輸通道
230T1‧‧‧頻率調變器電路
230T2‧‧‧頻率調變器電路
240AT1‧‧‧開關
240BT1‧‧‧開關
250T1‧‧‧調變器
260‧‧‧共同信號
500‧‧‧強度對溫度圖表
610‧‧‧光學波導
650T1‧‧‧第一調變器
650T2‧‧‧第二調變器
910A‧‧‧波導
910B‧‧‧波導
920‧‧‧溫度感測器
960‧‧‧控制電路
1400‧‧‧記憶體裝置
1500‧‧‧處理器系統
1510‧‧‧中央處理單元(CPU)
1520‧‧‧輸入/輸出(I/O)裝置
1590‧‧‧匯流排
圖1圖解說明具有一矽光學波導之一光學傳輸系統。
圖2圖解說明根據一所揭示之實施例之一矽光學波導。
圖3圖解說明根據一所揭示之實施例之一環形諧振器之一頻率/強度圖表。
圖4圖解說明根據一所揭示之實施例之操作一矽光學波導之一方法。
圖5圖解說明根據一所揭示之實施例之一矽光學波導之一頻率/強度圖表。
圖6圖解說明根據一所揭示之實施例之一矽光學波導。
圖7圖解說明根據一所揭示之實施例之一矽光學波導之一頻率/強度圖表。
圖8圖解說明根據一所揭示之實施例之操作一矽光學波導之一方法。
圖9A及圖9B圖解說明根據所揭示之實施例之矽光學波導。
圖10圖解說明根據一所揭示之實施例之一處理器系統。
210‧‧‧改良式矽光學波導
220‧‧‧光學傳輸通道
230T1‧‧‧頻率調變器電路
230T2‧‧‧頻率調變器電路
240AT1‧‧‧開關
240BT1‧‧‧開關
250T1‧‧‧調變器
260‧‧‧共同信號

Claims (27)

  1. 一種光學波導，其包括：一光學傳輸通道，其用於傳輸具有一第一頻率之一光學信號；及複數個調變器電路，其等沿著該光學傳輸通道組態，各調變器電路包括至少一諧振結構，當包含該至少一諧振結構之該調變器電路處於一諧振溫度時，該至少一諧振結構以該第一頻率諧振，各調變器電路具有一不同諧振溫度，其中在該複數個調變器電路中具有彼此接近之諧振溫度之兩個調變器電路當該光學傳輸通道之一溫度係於該兩個調變器電路之諧振溫度之間時以該第一頻率做部分諧振。
  2. 如請求項1之光學波導，其中該複數個調變器電路彼此串聯。
  3. 如請求項2之光學波導，其中該至少一諧振結構為耦合至該光學傳輸通道之一光學調變器。
  4. 如請求項2之光學波導，其中該複數個調變器電路各包含一光學調變器，該光學調變器經由一輸入開關及一輸出開關而耦合至該光學傳輸通道。
  5. 如請求項4之光學波導，其中該至少一諧振結構包括該輸入開關。
  6. 如請求項2之光學波導，其中該至少一諧振結構在一各自諧振溫度具有一最大諧振。
  7. 如請求項6之光學波導，其中該至少一諧振結構在以該結構之各自諧振溫度為界限之一溫度範圍內之溫度部分諧振。
  8. 如請求項7之光學波導，其中對應於各調變器電路之該至少一諧振結構之該溫度範圍與對應於一不同調變器電路之至少一諧振結構之溫度範圍重疊。
  9. 如請求項8之光學波導，其中該等重疊範圍提供至少一總溫度範圍，其中至少部分諧振發生在該總溫度範圍內之任何溫度。
  10. 如請求項9之光學波導，其中在該總溫度範圍內之任何溫度之該至少部分諧振引起在該總溫度範圍內之任何溫度調變該第一頻率。
  11. 如請求項10之光學波導，其中在該總溫度範圍內之任何溫度，該第一頻率之調變深度係恆定的。
  12. 如請求項2之光學波導，其中由一共同信號驅動該複數個調變器電路之各者。
  13. 如請求項2之光學波導，其進一步包括一溫度感測器及一控制電路，該控制電路使用由該溫度感測器所感測之溫度以將驅動信號施加至該複數個調變器電路。
  14. 一種矽光學波導，其包括：一矽光學傳輸通道，其用於傳輸具有一第一頻率之一光學信號；及複數個調變器，其等沿著該矽光學傳輸通道組態，各調變器經組態以在一對應諧振溫度以該第一頻率諧振， 各調變器具有一不同諧振溫度，其中在該複數個調變器電路中具有彼此接近之諧振溫度之兩個調變器電路當該光學傳輸通道之一溫度係於該兩個調變器電路之諧振溫度之間時以該第一頻率做部分諧振。
  15. 如請求項14之矽光學波導，其中各調變器在以該調變器之諧振溫度為界限之一溫度範圍內之溫度諧振。
  16. 如請求項15之矽光學波導，其中各對應於該複數個調變器之一者之該等溫度範圍彼此重疊以提供一總溫度範圍，其中以該第一頻率之諧振發生在該總溫度範圍內之任何溫度。
  17. 如請求項16之矽光學波導，其中在該總溫度範圍內之任何溫度，該第一頻率之該調變深度係恆定的。
  18. 如請求項14之矽光學波導，其進一步包括一溫度感測器及一控制電路，該控制電路使用由該溫度感測器所感測之該溫度以將驅動信號施加至該複數個調變器。
  19. 一種處理器系統，其包括：一處理器，其包含至少一矽光學波導，該至少一矽光學波導包括：矽光學傳輸通道，其用於以一第一頻率將一光學信號輸入傳輸至該光學波導；及複數個調變器電路，其等沿著該矽光學傳輸通道組態，各調變器電路包括至少一諧振結構，當包含該至少一諧振結構之該調變器電路處於一諧振溫度時，該 至少一諧振結構以該第一頻率諧振，各調變器電路具有一不同諧振溫度，其中在該複數個調變器電路中具有彼此接近之諧振溫度之兩個調變器電路當該光學傳輸通道之一溫度係於該兩個調變器電路之諧振溫度之間 時以該第一頻率做部分諧振。
  20. 如請求項19之處理器系統，其中該至少一諧振結構為耦合至該矽光學傳輸通道之一光學調變器。
  21. 如請求項19之處理器系統，其中該複數個調變器電路各包含一光學調變器，該光學調變器經由一輸入開關及一輸出開關而耦合至該矽光學傳輸通道。
  22. 如請求項21之處理器系統，其中該至少一諧振結構為該輸入開關。
  23. 如請求項19之處理器系統，其中該至少一諧振結構在以該調變器電路之諧振溫度為界限之一溫度範圍內之溫度諧振。
  24. 如請求項23之處理器系統，其中各對應於該複數個調變器電路之一者之該等溫度範圍彼此重疊以提供一總溫度範圍，其中以該第一頻率之諧振發生在該總溫度範圍內之任何溫度。
  25. 如請求項24之處理器系統，其中在該總溫度範圍內之任何溫度，該第一頻率之該調變深度係恆定的。
  26. 如請求項19之處理器系統，其中由一共同信號驅動該複數個調變器電路之各者。
  27. 如請求項19之處理器系統，其進一步包括一溫度感測器及一控制電路，該控制電路使用由該溫度感測器所感測之該溫度以將驅動信號施加至該複數個調變器電路。
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