TWI604701B - 用於光學通訊系統之混成整合的方法與系統 - Google Patents

用於光學通訊系統之混成整合的方法與系統 Download PDF

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Description

用於光學通訊系統之混成整合的方法與系統 相關申請案交叉參考
本申請案係於2009年9月4日提出申請之美國申請案序列號第12/554,449號之一部分接續申請案。此申請案亦參考於2012年3月6日提出申請之美國申請案序列號第13/422,776號。
上文所引用之參考中之每一者皆以全文引用之方式併入本文中。
本發明之某些實施例係關於半導體處理。更特定而言，本發明之某些實施例係關於一種用於光學通訊系統之混成整合之方法及系統。
隨著資料網路按比例擴縮以滿足不斷增加之頻寬要求，銅資料通道之缺點愈來愈明顯。由於輻射電磁能量所致之信號衰減及串擾係此等系統之設計者所遇到之主要障礙。信號衰減及串擾可藉助等化、編碼及屏蔽在一定程度上減輕，但此等技術需要相當大之電力、複雜度及電纜容積損失同時僅提供達成適度改良及極有限之可擴縮性。擺脫此等通道限制，光學通訊已被視為銅鏈結之後繼者。
透過參考圖式比較此等系統與如本申請案其餘部分中所陳述之本發明，熟習此項技術者將明瞭習用及傳統方法之進一步限制及缺 點。
如申請專利範圍中更全面陳述，一種用於光學通訊系統之混成整合的系統及/或方法，其實質上如連同諸圖中之至少一者所展示及/或所闡述。
依據以下說明及圖式，將更全面地理解本發明之各種優點、態樣及新穎特徵以及本發明之一所圖解說明實施例之細節。
100‧‧‧收發器/混成收發器/混成整合光學通訊系統
101‧‧‧半導體雷射
103A至103K‧‧‧分接頭
105A至105D‧‧‧高速光學調變器/光學調變器
107A至107D‧‧‧跨阻抗及限幅放大器
109‧‧‧類比及數位控制電路
111A至111D‧‧‧高速光電二極體/光電偵測器
112A至112D‧‧‧控制區段
113A至113H‧‧‧監視光電二極體
115A至115D‧‧‧光學終端
117A至117H‧‧‧光柵耦合器
200‧‧‧混成整合光子收發器/收發器/光子收發器
201‧‧‧印刷電路板/基板
203‧‧‧光子互補金屬氧化物半導體晶粒/光子晶粒/光子 晶片/矽光子晶片
205‧‧‧電子互補金屬氧化物半導體晶粒/電子晶粒
207‧‧‧金屬互連件
209‧‧‧光源模組/光源總成/光源
211‧‧‧光學輸入/輸出
213‧‧‧線接合
215‧‧‧光學環氧樹脂
217‧‧‧光纖
219‧‧‧接觸墊
300‧‧‧光子晶粒/中介層/矽光子晶粒
301‧‧‧光柵耦合器
303‧‧‧偏振分光光柵耦合器/光柵耦合器
305‧‧‧光電偵測器
307‧‧‧光學調變器/調變器
309‧‧‧穿基板導通體
311‧‧‧光學波導/波導
400‧‧‧混成整合半導體結構
401A‧‧‧基板
401B‧‧‧矽基板/基板
401C‧‧‧基板
401D‧‧‧基板
401E‧‧‧基板
401F‧‧‧基板
403‧‧‧埋入式氧化物
405‧‧‧Si層
407‧‧‧井
410A‧‧‧電晶體
410B‧‧‧電晶體
410C‧‧‧電晶體
410D‧‧‧電晶體
413‧‧‧矽化物塊
415A‧‧‧接觸層
415B‧‧‧接觸層
417A‧‧‧金屬1層
417B‧‧‧金屬1層
420‧‧‧光學裝置
423‧‧‧最後金屬層
425‧‧‧鈍化層
427‧‧‧金屬層/互連層/互連件
430‧‧‧金屬層
431‧‧‧閘極
433‧‧‧鈍化層
435‧‧‧經摻雜接觸區
437‧‧‧經摻雜接觸區
439‧‧‧經蝕刻區/蝕刻區
443A‧‧‧穿矽導通體
443B‧‧‧穿矽導通體
445‧‧‧Ge層
450‧‧‧光子基板/光子晶片/光子晶粒/矽光子基板/矽光子晶片/矽光子晶粒
460‧‧‧電子基板/電子晶片/電子晶粒/矽電子基板/矽電子晶片/矽電子晶粒
圖1係根據本發明之一實施例之一光子收發器之一方塊圖。
圖2A係圖解說明根據本發明之一實施例之一例示性混成整合光子收發器之一示意圖。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混成整合光子收發器之一透視圖。
圖2C係根據本發明之一實施例之一混成整合光子收發器之一透視圖。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例之一電子晶粒至一光子晶粒之混成整合之一示意圖。
圖4A係圖解說明根據本發明之一實施例之例示性經金屬互連耦合之電裝置及光電裝置之一剖面圖之一示意圖。
圖4B係根據本發明之一實施例之電子晶片與光子晶片之一替代面對面耦合之一示意圖。
圖4C係根據本發明之一實施例之電子晶片與光子晶片之一替代耦合之一示意圖。
圖5係圖解說明根據本發明之一實施例用於耦合電晶粒與光子晶粒之例示性金屬柱之一圖式。
本發明之某些態樣可見於用於光學通訊系統之混成整合之一方法及系統中。本發明之例示性態樣可包括在一矽光子晶粒中自該光子晶粒外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光學信號。可基於經由金屬互連件(舉例而言，其可包括銅柱)自接合至矽光子晶粒之一或多個電子晶粒接收之電信號來處理該一或多個所接收CW光學信號。可在該矽光子晶粒中自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收經調變光學信號。可基於該等所接收之經調變光學信號在該矽光子晶粒中產生電信號並經由金屬互連件將該等電信號傳遞至一或多個電子晶粒。該等金屬互連件可包括銅柱。可自耦合至該矽光子晶粒之一光源總成及/或自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收該一或多個CW光學信號。可利用可包括馬赫-曾德爾干涉儀調變器之一或多個光學調變器來處理該一或多個所接收CW光學信號。可利用整合於該矽光子晶粒中之一或多個光電偵測器在該矽光子晶粒中產生該等電信號。可利用光柵耦合器將該等光學信號傳遞至該矽光子晶粒中及/或自該矽光子晶粒中傳遞出。該光源可包括一或多個半導體雷射。該混成整合光學通訊系統可包括複數個收發器。
圖1係根據本發明之一實施例之一光子收發器之一方塊圖。參考圖1，展示一收發器100中之光電裝置(包括高速光學調變器105A至105D、高速光電二極體111A至111D、監視光電二極體113A至113H)及光學裝置(包括分接頭103A至103K、光學終端115A至115D及光柵耦合器117A至117H)。亦展示電裝置及電路，包括跨阻抗及限幅放大器(TIA/LA)107A至107E、類比及數位控制電路109以及控制區段112A至112D。經由製作於一光子晶片中之光學波導而在光學裝置與光電裝置之間傳遞光學信號。另外，在圖1中藉由虛線橢圓形來指示光學波導。
高速光學調變器105A至105D包括(舉例而言)馬赫-曾德爾調變器 或環形調變器，且達成對CW雷射輸入信號之調變。高速光學調變器105A至105D受控制區段112A至112D控制，且該等調變器之輸出經由波導而光學耦合至光柵耦合器117E至117H。例示性調變技術包括：振幅移位鍵控(ASK)、二進制相移鍵控(BPSK)、脈衝振幅調變(PAM)、正交振幅調變(QAM)、正交相移鍵控(QPSK)及雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)。分接頭103D至103K包括(舉例而言)四埠光學耦合器，且用以取樣由高速光學調變器105A至105D產生之光學信號，其中所取樣信號由監視光電二極體113A至113H量測。分接頭103D至103K之未使用分支由光學終端115A至115D端接以避免不需要信號之背向反射。
光柵耦合器117A至117H包括達成光進入及離開晶片之耦合之光柵。光柵耦合器117A至117D可用以將自光纖接收之光耦合至晶片中，且可包括偏振獨立光柵耦合器。光柵耦合器117E至117H用以將來自晶片之光耦合至光纖中。光纖可(舉例而言)用環氧樹脂膠合至晶片，且可以自法線至晶片之表面之一角度對準以最佳化耦合效率。
高速光電二極體111A至111D將自光柵耦合器117A至117D接收之光學信號轉換成電信號，該等電信號被傳遞至TIA/LA 107A至107D以供處理。類比及數位控制電路109可控制TIA/LA 107A至107D之操作中之增益位準或其他參數。TIA/LA 107A至107D、類比及數位控制電路109及控制區段112A至112D可整合於一電子晶片上，該電子晶片可經由金屬互連件接合至該矽光子晶片。在一例示性情境中，該等金屬互連件可包括銅柱。以此方式，可獨立於不同製作技術平臺而最佳化電子及光子效能。在一例示性情境中，該電子晶粒可包括CMOS晶粒，但本發明並不受限於此。因此，可利用任何半導體技術來製作電子晶粒，諸如CMOS、Bi-CMOS、SiGe或III-V程序。TIA/LA 107A至107D然後可將電信號傳遞至該電子晶片上之其他電路。
TIA/LA 107A至107D可包括窄頻帶非線性光電接收器電路。因此，窄頻帶接收器前端可後續接著一復位器電路，諸如(舉例而言)一不歸零(NRZ)位準復位器電路。一復位器電路限制光學接收器之頻帶寬，以便減少整合雜訊，藉此增加信號雜訊比。一NRZ位準復位器可用以將所得資料脈衝轉換回至NRZ資料。
控制區段112A至112D包括達成自分接頭103A至103C接收之CW雷射信號之調變的電子電路。舉例而言，高速光學調變器105A至105D需要高速電信號以調變一馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)之各別分支中之折射率。
在本發明之一實施例中，將一收發器所需之所有光學及光電裝置整合至一單個矽光子晶粒中並將所有所需電子裝置整合於一或多個電子晶片上達成所得單個混成封裝之最佳化效能。以此方式，可獨立於矽光子晶片中之光子裝置之最佳化而最佳化電子裝置效能。舉例而言，可在一32nm CMOS製程上最佳化電子晶片，而可在一130nm CMOS節點上最佳化光子晶片。因此，可利用不同於CMOS之技術(諸如SiGe或雙極-CMOS(Bi-CMOS))來製作該等電子晶片或光子晶片。電子裝置可放置於電子晶片上，以使得該等電子裝置在接合至光子晶片時位於其相關聯光子裝置正上方。舉例而言，控制區段112A至112D可位於電子晶片上以使得其位於高速光學調變器105A至105B正上方且可藉由低寄生銅柱而耦合。
在一例示性實施例中，混成收發器100包括具有一個光源之四個光電收發器，且達成將光學信號垂直地傳遞至該光子晶片之表面及自該表面垂直地傳遞，藉此在一例示性實施例中達成對包含一CMOS防護環之CMOS製程及結構之使用。該光子晶片可包括諸如光電偵測器及調變器之主動裝置以及諸如波導、分光器、組合器及光柵耦合器之被動裝置兩者，藉此達成將光子電路整合於矽晶片上。
圖2A係圖解說明根據本發明之一實施例之一例示性混成整合光子收發器之一示意圖。參考圖2A，展示一混成整合光子收發器200，其包括一印刷電路板(PCB)/基板201、一光子CMOS晶粒203、一電子CMOS晶粒205、金屬互連件207、一光源模組209、一光學輸入/輸出(I/O)211、線接合213、光學環氧樹脂215及光纖217。
PCB/基板201可包括用於收發器200之一支撐結構，且可包括用於隔離裝置以及提供針對光子晶粒203上之主動裝置之電接觸以及經由光子晶粒203對電子晶粒205上之裝置之電接觸的絕緣材料及導電材料兩者。另外，該PCB/基板可提供一導熱路徑以帶離由電子晶粒205及光源模組209中之裝置及電路所產生之熱量。
光子晶粒203可包括具有諸如(舉例而言)波導、調變器、光電偵測器、光柵耦合器、分接頭及組合器之主動及被動光學裝置之一矽晶片。光子晶粒203亦可包括用於將電子晶粒205耦合至光子晶粒203之金屬互連件207，以及用於將來自光源模組209之光耦合至該晶粒中並經由光學I/O 211進入/離開該晶粒之光柵耦合器。另外，光子晶粒203可包括用於透過該晶粒之電互連(諸如在PCB/基板201與電子晶粒205之間)之穿基板導通體(TSV)(未展示)。光學介面亦可藉由光學環氧樹脂215促進，從而提供光學透明及機械固定兩者。
電子晶粒205可包括提供光子收發器200之所有所需電子功能之一晶片。電子晶粒205可包括經由金屬互連件207耦合至光子晶片203之一單個晶片或複數個晶粒。電子晶粒205可包括用於處理光子晶片203中之光學信號之TIA、LNA及控制電路。舉例而言，電子晶粒205可包括用於控制光子晶粒203中之光學調變器之驅動器電路及用於放大自光子晶粒203中之光學偵測器接收之電信號之可變增益放大器。藉由將光子裝置併入光子晶粒203中且將電子裝置併入電子晶粒205中，可針對所併入裝置之類型來最佳化每一晶片之製程。
金屬互連件207可包括(舉例而言)金屬柱之線性陣列或2D陣列，以在光子晶粒203與電子晶粒205之間提供電接觸。在一例示性情境中，金屬互連件207可包括銅柱或用於半導體接觸之任何其他適合金屬，諸如柱狀凸塊或焊料凸塊。因此，金屬互連件207可在光子晶粒203中之光電偵測器與電子晶粒205中之相關聯接收器電路之間提供電接觸。另外，金屬互連件207可提供電子晶粒與光子晶粒之機械耦合，且可用底填充來囊封以保護金屬及其他表面。
光源模組209可包括具有諸如一半導體雷射之一光源及相關聯光學元件之一總成，以將一或多個光學信號引導至光子晶粒203中。該光源模組之一實例闡述於2009年7月9日提出申請之美國專利申請案12/500,465中，該美國專利申請案以全文引用方式併入本文中。在另一例示性情境中，來自光源總成209之光學信號或信號可經由附加於光子晶粒203中之光柵耦合器上方之光纖耦合至光子晶粒203中。
光學I/O 211可包括用於將光纖217耦合至光子晶粒203之一總成。因此，光學I/O 211可包括用於諸如藉由光學環氧樹脂215耦合至光子晶粒203之一或多個光纖及一光學表面之機械支撐。
在操作中，可經由光子晶粒203中之一或多個光柵耦合器將連續波(CW)光學信號自光源模組209傳遞至光子晶粒203中。光子晶粒203中之光子裝置然後可處理該所接收光學信號。舉例而言，一或多個光學調變器可基於自電子晶粒205接收之電信號來調變該CW信號。電信號可係經由金屬互連件207及接觸墊219自電子晶粒205接收。藉由將調變器整合於光子晶粒203中在電子晶粒205中之電信號之源正下方，可最小化信號路徑長度，從而產生極高速效能。舉例而言，利用具有<20fF電容之金屬柱，可達成50GHz及更高的速度。
經調變光學信號然後可經由位於光學I/O 211下方之光柵耦合器自光子晶粒203傳遞出。以此方式，電子晶粒205中所產生之高速電信 號可用以調變一CW光學信號且隨後經由光纖217自光子晶粒203傳遞出。
類似地，可經由光纖217及光學I/O 211在光子晶粒203中接收經調變光學信號。所接收光學信號可在光子晶粒203內經由光學波導傳遞至整合於光子晶粒203中之一或多個光電偵測器。該等光電偵測器可整合於光子晶粒203中以使得其在藉由低寄生電容金屬互連件207接合及電耦合時位於電子晶粒205中之相關聯接收器電子電路正下方。
電子晶粒經由金屬互連件在光子晶粒上之混成整合使得利用標準半導體製程(諸如CMOS、Bi-CMOS或Si-Ge)達成極高速光學收發器。另外，整合單獨光子晶粒與電子晶粒使得在各別半導體製程內達成電子及光子功能之效能之獨立最佳化。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混成整合光子收發器之一透視圖。參考圖2B，展示PCB/基板201、光子晶粒203、電子晶粒205、金屬互連件207、光源總成209及線接合213。
電子晶粒205展示為在經由金屬互連件207接合至光子晶粒203之表面之前，如藉由每一晶粒下方之虛線箭頭所圖解說明。儘管圖2B中展示兩個電子晶粒205，但應注意，本發明並不受限於此。因此，取決於(舉例而言)收發器數目、所利用之特定半導體製程節點、導熱性及空間限制，可將任何數目個電子晶粒耦合至光子晶粒203。
在一例示性實施例中，可利用獨立半導體製程將電子功能整合至電子晶粒205中及將光子電路整合至光子晶粒203中。電子晶粒205可包括與光子晶粒203中之光子裝置相關聯之電子裝置，藉此最小化電路徑長度同時仍允許電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。舉例而言，產生諸如最快交換速度之最高電子效能之一CMOS製程對於光子效能而言可並非最佳。類似地，可將不同技術併入於不同晶粒中。舉例而言，SiGe製程可用於諸如光電偵測器等光子裝置，且32nm CMOS製程或甚至一SiGe或Bi-CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
光子晶粒203可包括可藉以接收、處理光學信號並將其自光子晶粒203傳輸出之光子電路。光源總成209可將一CW光學信號提供至光子晶粒203，其中光子晶粒203中之光子電路處理該CW信號。舉例而言，該CW信號可經由光柵耦合器耦合至光子晶粒203中，經由光學波導傳遞至該晶粒上之各種位置，由馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)調變器調變，及自光子晶粒203傳遞出至光纖中。以此方式，在半導體製程中達成複數個高效能光學收發器之混成整合。
圖2C係根據本發明之一實施例之一混成整合光子收發器之一透視圖。參考圖2C，展示PCB/基板201、光子晶粒203、電子晶粒205、光源總成209、光學I/O 211、線接合213及光纖217。
電子晶粒205展示為經由金屬柱接合至光子晶粒203之表面。儘管圖2C中展示兩個電子晶粒205，但同樣應注意，本發明並不受限於此。因此，取決於(舉例而言)收發器數目、所利用之特定CMOS節點及空間限制，可將任何數目個電子晶粒耦合至光子晶粒203。
在一例示性實施例中，可利用獨立半導體製程將電子功能整合至電子晶粒205中且將光子電路整合至光子晶粒203中。電子晶粒205可包括與光子晶粒203中之光子裝置相關聯之電子裝置，藉此最小化電路徑長度同時仍允許電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。可將不同技術併入於不同晶粒中。舉例而言，一Ge選擇性環氧樹脂製程可用於光子晶粒203中之光電偵測器，且一32nm CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
光子晶粒203可包括可藉以接收、處理光學信號並將其自光子晶粒203傳輸出之光子電路。光源總成209可將一CW光學信號提供至光子晶粒203且經由線接合213由耦合至光源總成209之電壓加偏壓。光 子晶粒203中之光子電路然後可處理該CW信號。舉例而言，該CW信號可經由光柵耦合器耦合至光子晶粒203，經由光學波導傳遞至晶粒上之各種位置，由MZI調變器調變，及經由光學I/O 211自光子晶粒203傳遞出至光纖217中。可經由PCB/基板201導離來自晶粒之熱量。以此方式，在標準半導體製程中達成複數個高效能光學收發器之混成整合。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例之一電子晶粒至一光子晶粒之混成整合之一示意圖。參考圖3，展示一電子晶粒205、金屬互連件207及一光子晶粒/中介層300。光子晶粒/中介層300可包括光柵耦合器301、一偏振分光光柵耦合器303、一光電偵測器305、一光學調變器307、TSV 309及光學波導311。
金屬互連件207在電子晶粒205與光子晶粒/中介層300之間提供電耦合及機械耦合兩者。光柵耦合器301提供用於進入至光子晶粒/中介層300中及/或離開光子晶粒/中介層300之光的耦合。類似地，偏振分光光柵耦合器303可達成進入至及/或離開光子晶粒/中介層300之兩種偏振之光之耦合。
調變器307可包括(舉例而言)一MZI調變器，且可操作以基於經由金屬互連件207自電子晶粒205接收之電信號來調變一光學信號。在一例示性情境中，一CW光學信號可經由光柵耦合器301中之一者自一光源接收，經由光學波導311傳遞，由光學調變器307調變，由光學波導311往回傳遞，及經由另一光柵耦合器301自光子晶粒/中介層300離開。
光電偵測器305可包括(舉例而言)一半導體光電二極體，且可操作以將一所接收光學信號轉換為一電信號。在一例示性情境中，具有垂直偏振之光學信號可由偏振分光光柵耦合器303接收，經由波導311傳遞，由光電偵測器305轉換為一電信號，其中所得電信號經由金屬 互連件207傳遞至電子晶粒205。該等電信號可由電子晶粒205中之電子器件進一步處理及/或經由線接合或金屬互連件207及TSV 309傳遞至其他電路。
光子晶粒/中介層300包括可為複數個電子晶粒提供光子電路之一矽光子晶粒，藉此減少或消除高速電子器件之間的電互連。此可用於(舉例而言)高速記憶體存取、高速處理器互連及耦合複數個高速電子晶片。
圖4A係圖解說明根據本發明之一實施例之例示性經金屬互連件耦合之電裝置及光電裝置之一剖面圖之一示意圖。參考圖4A，展示一混成整合半導體結構400，其包括一矽光子基板/晶片/晶粒450、一電子基板/晶片/晶粒460及用於基板/晶片實體耦合及電耦合之一金屬層427。矽光子基板/晶片/晶粒450包括光學裝置420及相關聯層，且電子基板/晶片/晶粒460包括電晶體410A及410B以及相關聯層。該晶粒之層用以製作電晶體410A及410B以及光學裝置420，以(舉例而言)隔離該等裝置並提供至該等裝置之電連接。
矽光子基板/晶片/晶粒450包括一基板401A、一埋入式氧化物403、一Si層405、一接觸層415A、一金屬1層417A以及穿矽導通體(TSV)443A及443B。光學裝置420包括Si層405之經摻雜區及/或未經摻雜區、一矽化物塊413、經摻雜接觸區435及437、經蝕刻區439以及Ge層445。矽化物塊413包括一材料層以防止在一標準CMOS製程期間光學裝置420及其他光學裝置之矽被矽化。若光學裝置中之矽被矽化，則將導致大的光學損失。另外，矽化物塊413阻擋不需要的植入體進入至波導及其他光學裝置中，否則亦將造成不需要的損失。矽化物塊413可蝕刻至Si層405以使得可沈積Ge層445。Ge層445可用於(舉例而言)一光電偵測器裝置中。另外，Si層405中之經蝕刻區439可用於光學侷限。蝕刻區439可再填充有(舉例而言)一低k介電質，或可包 括不具有再填充材料之一空氣間隙。填充材料可包括(舉例而言)氧化矽或氧氮化矽材料。
矽電子基板/晶片/晶粒460包括一矽基板401B、一井407、一接觸層415B、一金屬1層417B、一最後金屬層423、一鈍化層425及金屬層427。金屬1層417B、最後金屬層423及金屬層427提供層之間及至電裝置及光電裝置(諸如電晶體410A及410B以及光學裝置420)之電接觸。接觸層415亦達成至該等裝置之電接觸，同時藉由在導電導通體之間併入絕緣材料來提供裝置之間的電隔離。
電晶體410A及410B包括一塊體電晶體，其具有分別根據(舉例而言)摻雜劑植入製程形成於井407或基板401B中之源極區及汲極區以及一閘極431及一鈍化層433。閘極431可包括(舉例而言)金屬或多晶矽，且可藉由一薄氧化層(未展示)與井407隔離開。
在本發明之一實施例中，可利用單獨半導體製程以製作矽光子基板/晶片/晶粒450及電子基板/晶片/晶粒460以使得可針對每一裝置類型最佳化該等製程。在一例示性情境中，單獨半導體製程可包括不同CMOS節點，或可包括完全不同之技術，諸如CMOS及SiGe。
晶圓或替代地經切割晶片然後可利用諸如金屬柱之金屬層接合在一起以形成一光電混成模組。以此方式，可針對各別結構中之最佳電子及光子效能來組態層厚度及摻雜位準而無與同時製作電子結構及光子結構相關聯之效能取捨。
圖4B係根據本發明之一實施例之電子晶片與光子晶片之一替代面對面耦合之一示意圖。參考圖4B，展示利用一互連層427耦合之矽光子晶片450及電子晶片460，該互連層可包括(舉例而言)金屬柱、柱狀凸塊或焊料凸塊。
矽光子晶片450可包括一基板401C、光學裝置420及金屬層430。電子晶片460可包括一基板401D、電晶體410C及410D以及金屬層 430。此等元件中之每一者可類似於圖4A之類似命名之元件。
圖4B中所展示之實施例可類似於圖4A中所展示之實施例，但其中電子晶片與光子晶片面對面接合，藉此免除對穿基板導通體(TSV)之需要。
圖4C係根據本發明之一實施例之電子晶片與光子晶片之一替代耦合之一示意圖。參考圖4，展示利用一互連件427耦合之矽光子晶片450及電子晶片460，該互連件可包括(舉例而言)金屬柱、柱狀凸塊或焊料凸塊。
矽光子晶片450可包括一基板401E、光學裝置420及金屬層430。電子晶片460可包括一基板401F、電晶體410C及410D以及金屬層430。此等元件中之每一者可類似於圖4A及圖4B之類似命名之元件。
圖4C中所展示之實施例可類似於圖4A中所展示之實施例，但其中矽光子晶片450在底部上且電子晶片460在頂部上。在此情境中，可利用TSV及金屬互連件(諸如金屬柱或凸塊)來實現電接觸。
圖5係圖解說明根據本發明之一實施例用於耦合電晶粒與光子晶粒之例示性金屬互連件之一圖式。參考圖5，展示金屬互連件207之剖面圖及透視圖。所展示之例示性銅柱包括約為50微米之寬度，但為了減小寄生電容亦可使用較小直徑。另外，一錫/銀帽層可用於機械接合及電接觸，亦即焊接。可基於(舉例而言)速度要求、裝置密度、熱性質以及電容及電阻要求來調整金屬互連件之尺寸。
在本發明之一實施例中，揭示用於光學通訊系統之混成整合之一方法及系統。就此而言，在一矽光子晶粒203/300中自矽光子晶粒203/300外部之一光源209接收一或多個連續波(CW)光學信號。可基於經由金屬互連件207自接合至矽光子晶粒203/300之一或多個電子晶粒205接收之電信號來處理該一或多個所接收CW光學信號。
可在光子晶粒203/300中自耦合至矽光子晶粒203/300之一或多個 光纖217接收經調變光學信號。可基於所接收經調變光學信號而在矽光子晶粒203/300中產生電信號並經由金屬互連件207將該等電信號傳遞至一或多個電子晶粒205。金屬互連件207可包括(舉例而言)銅柱。可自耦合至矽光子晶粒203/300之一光源總成209及/或自耦合至矽光子晶粒203/300之一或多個光纖217接收該一或多個CW光學信號。
可利用可包括(舉例而言)馬赫-曾德爾干涉儀調變器之一或多個光學調變器105A至105D/307來處理該一或多個所接收CW光學信號。可利用整合於矽光子晶粒203/300中之一或多個光電偵測器111A至111D/305而在矽光子晶粒203/300中產生該等電信號。可利用光柵耦合器117A至117H/301/303將光學信號傳遞至矽光子晶粒203/300中及/或自矽光子晶粒203/300傳遞出。光源209可包括可一或多個半導體雷射101。混成整合光學通訊系統100可包括複數個收發器105/112/117/107/111(A至F)。
儘管已參考某些實施例闡述本發明，但熟習此項技術者應理解，可在不背離本發明之範疇之情況下做出各種改變及替換等效形式。另外，可在不背離本發明之範疇之情況下做出諸多修改以使一特定情景或材料適應本發明之教示。因此，本發明意欲不限於所揭示之特定實施例，而是本發明將包含歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。
200‧‧‧混成整合光子收發器/收發器/光子收發器
201‧‧‧印刷電路板/基板
203‧‧‧光子CMOS晶粒/光子晶粒/光子晶片/矽光子晶片
205‧‧‧電子CMOS晶粒/電子晶粒
207‧‧‧金屬互連件
209‧‧‧光源模組/光源總成/光源
211‧‧‧光學輸入/輸出
213‧‧‧線接合
215‧‧‧光學環氧樹脂
217‧‧‧光纖

Claims (20)

  1. 一種用於通訊之方法，該方法包括：在包括一矽光子晶粒及利用金屬互連件接合至該矽光子晶粒之一或多個電子晶粒之一混成整合光學通訊系統中：在該矽光子晶粒中自該矽光子晶粒外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光學信號；基於經由該等金屬互連件自該一或多個電子晶粒接收之電信號來處理該一或多個所接收CW光學信號；在該矽光子晶粒中自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收經調變光學信號；基於該等所接收之經調變光學信號來在該矽光子晶粒中產生電信號；及經由該等金屬互連件將該等所產生之電信號傳遞至該一或多個電子晶粒。
  2. 如請求項1之方法，其中該等金屬互連件包括銅柱。
  3. 如請求項1之方法，其包括自耦合至該矽光子晶粒之一光源總成接收該一或多個CW光學信號。
  4. 如請求項1之方法，其包括自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收該一或多個CW光學信號。
  5. 如請求項1之方法，其包括利用一或多個光學調變器來處理該一或多個所接收CW光學信號。
  6. 如請求項5之方法，其中該一或多個光學調變器包括馬赫-曾德爾干涉儀調變器。
  7. 如請求項1之方法，其包括利用整合於該矽光子晶粒中之一或多個光電偵測器來在該矽光子晶粒中產生該等電信號。
  8. 如請求項1之方法，其包括利用光柵耦合器來將光學信號傳遞至該矽光子晶粒中及/或自該矽光子晶粒中傳遞出。
  9. 如請求項1之方法，其中該光源包括一或多個半導體雷射。
  10. 如請求項1之方法，其中該混成整合光學通訊系統包括複數個收發器。
  11. 一種用於通訊之系統，該系統包括：一混成整合光學通訊系統，其包括一矽光子晶粒及利用金屬互連件接合至該矽光子晶粒之一或多個電子晶粒，該混成整合光學通訊系統可操作以：在該矽光子晶粒中自該矽光子晶粒外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光學信號；基於經由該等金屬互連件自該一或多個電子晶粒接收之電信號來處理該一或多個所接收CW光學信號；在該矽光子晶粒中自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收經調變光學信號；基於該等所接收之經調變光學信號來在該矽光子晶粒中產生電信號；及經由該等金屬互連件將該等所產生之電信號傳遞至該一或多個電子晶粒。
  12. 如請求項11之系統，其中該等金屬互連件包括銅柱。
  13. 如請求項11之系統，其中該混成整合光學通訊可操作以自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光源總成接收該一或多個CW光學信號。
  14. 如請求項11之系統，其中該混成整合光學通訊可操作以自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收該一或多個CW光學信號。
  15. 如請求項11之系統，其中該混成整合光學通訊可操作以利用一或 多個光學調變器來處理該一或多個所接收CW光學信號。
  16. 如請求項15之系統，其中該一或多個光學調變器包括馬赫-曾德爾干涉儀調變器。
  17. 如請求項11之系統，其中該混成整合光學通訊可操作以利用整合於該矽光子晶粒中之一或多個光電偵測器來在該矽光子晶粒中產生該等電信號。
  18. 如請求項11之系統，其中該混成整合光學通訊可操作以利用光柵耦合器來將光學信號傳遞至該矽光子晶粒中及/或自該矽光子晶粒中傳遞出。
  19. 如請求項11之系統，其中該光源包括一或多個半導體雷射。
  20. 一種用於通訊之系統，該系統包括：一混成整合光學通訊系統，其包括一矽光子晶粒及利用金屬互連件接合至該矽光子晶粒之一或多個電子晶粒，該混成整合光學通訊系統可操作以：在該矽光子晶粒中自該矽光子晶粒外部之一光源接收一或多個連續波(CW)光學信號；基於經由該等金屬互連件自該一或多個電子晶粒接收之電信號來調變該一或多個所接收CW光學信號；在該矽光子晶粒中自耦合至該矽光子晶粒之一或多個光纖接收經調變光學信號；基於該等所接收之經調變光學信號利用該矽光子晶粒中之光學偵測器來產生電信號；及經由該等金屬互連件將該等所產生之電信號傳遞至該一或多個電子晶粒。
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