TWI700900B - 藉由拼接之大型矽光子中介層之方法及系統 - Google Patents

藉由拼接之大型矽光子中介層之方法及系統 Download PDF

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彼德 德朵貝拉瑞
吉安羅倫佐 馬西尼
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Abstract

本發明揭示藉由拼接之大型矽光子中介層之方法及系統且該等方法及系統可包含在一整合式光學通信系統中，該整合式光學通信系統包含耦合至一矽光子中介層之CMOS電子晶粒，其中該中介層包含複數個倍縮光罩區段：利用一波導在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一光學信號。該波導可包含在該兩個倍縮光罩區段之間的一邊界處之一漸縮區域，該漸縮區域在該邊界之前擴展該經傳遞光學信號之一光學模態且在該邊界之後縮窄該光學模態。可在該等倍縮光罩區段中之一第一者中接收來自該中介層外部之一光學源之一連續波(CW)光學信號。可在該中介層中接收來自耦合至該矽光子中介層中之該等倍縮光罩區段中之該第一者中之一光柵耦合器之一光學源總成之該CW光學信號。

Description

藉由拼接之大型矽光子中介層之方法及系統 相關申請案之交叉參考/以引用方式併入
本申請案參考2015年6月2日提出申請之美國臨時申請案第62/230,290號且主張其優先權。本申請案亦參考2012年3月16日提出申請之美國申請案13/422,776。上文所陳述申請案中之每一者藉此以全文引用方式併入本文中。
聯邦資助研究或開發
[不適用]
[微縮膠片/著作權參考]
[不適用]
本發明之特定實施例係關於半導體處理。更具體而言，本發明之特定實施例係關於藉由拼接之大型矽光子中介層之一方法及系統。
隨著資料網路成比例擴大以滿足不斷增加之頻寬要求，銅資料通道之缺點正變得顯而易見。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遭遇之主要阻礙。可運用等化、編碼及屏蔽而在某種程度上緩解該等阻礙，但此等技術需要大量電力、複雜性及纜線塊體償罰而僅提供可達成之適中改良及極有限可擴縮性。光學通信不受此等通道限制，其已被公認為銅鏈路之後繼物。
通過此等系統與如參考圖式在本申請案之剩餘部分中所陳述之本發明之比較，習用及傳統方法之其他限制及缺點對熟習此項技術者而言將變得顯而易見。
藉由拼接之大型矽光子中介層之一系統及/或方法，基本上如圖中之至少一者中所展示及/或結合圖中之至少一者所闡述，如在申請專利範圍中更完整地陳述。
依據以下說明及圖式，將更全面地理解本發明之各種優勢、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/混合收發器
103A-103K‧‧‧分接頭
105A-105D‧‧‧高速光學調變器
107A-107D‧‧‧跨阻抗及限制放大器
109‧‧‧類比及數位控制電路
111A-111D‧‧‧高速光電二極體
112A-112D‧‧‧控制區段
113A-113H‧‧‧監視光電二極體
115A-115D‧‧‧光學終端
117A-117H‧‧‧光柵耦合器
200‧‧‧光子收發器
201‧‧‧印刷電路板/基板
203‧‧‧矽光子中介層/中介層/光子晶片/矽光子中介層晶粒
203A-203D‧‧‧倍縮光罩區段/區段
205‧‧‧電子互補金屬氧化物半導體晶粒/電子晶粒
206‧‧‧穿矽導通體
207‧‧‧銅柱/Cu柱
209‧‧‧光學源模組/光學源總成
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
301‧‧‧光柵耦合器
303‧‧‧偏振分裂光柵耦合器
305‧‧‧光偵測器
307‧‧‧光學調變器/調變器
309‧‧‧穿矽導通體
311‧‧‧光學波導/波導/直波導
313‧‧‧界面
401‧‧‧電互連
407‧‧‧光學源
500‧‧‧晶圓
600‧‧‧中介層
601‧‧‧漸縮區域
圖1係根據本發明之一實施例之利用經拼接光子中介層之一CMOS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包含一大面積光子中介層之一實例性光學收發器之一示意圖。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混合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包括多個區段且具有兩個經耦合電子晶粒之一大面積光子中介層之一透視圖。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例之一電子晶粒至包括多個區段之一大面積光子中介層之混合整合之一示意圖。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之具有耦合至一單個電子晶粒之多個區段之一光子中介層之一圖式。
圖5A至圖5B圖解說明根據本發明之一實例性實施例之一中介層晶圓中之多個倍縮光罩。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例之在一大面積矽中介層之倍縮光罩區段之間的界面處之波導之一圖式。
本發明之特定態樣可存在於藉由拼接之大型矽光子中介層之一方法及系統中。本發明之實例性態樣可包括一整合式光學通信系統，該整合式光學通信系統包括耦合至一矽光子中介層之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒，其中該矽光子中介層包括複數個倍縮光罩區段且其中該整合式光學通信系統可操作以利用一波導在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一光學信號。該波導可包括在兩個倍縮光罩區段之間的一邊界處之一漸縮區域，該漸縮區域在該邊界之前擴展經傳遞光學信號之一光學模態且在該邊界之後縮窄該光學模態。可在矽光子中介層中之該複數個倍縮光罩區段中之一第一者中接收來自矽光子中介層外部之一光學源之一連續波(CW)光學信號。可在矽光子中介層中接收來自耦合至矽光子中介層中之第一倍縮光罩區段中之一光柵耦合器之一光學源總成之該CW光學信號。可利用一第二波導將該CW光學信號自第一倍縮光罩區段傳遞至一第二倍縮光罩區段。可藉由基於自CMOS電子晶粒中之一者接收之一第一電信號處理所接收CW光學信號而產生一經調變光學信號。可利用矽光子中介層中之一光學調變器處理所接收CW光學信號。可在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞所產生經調變光學信號。可使用整合於矽光子中介層中之一光偵測器而在矽光子中介層中產生一第二電信號。可自耦合至矽光子中介層之倍縮光罩區段中之一者之一光纖接收該CW光學信號。漸縮區域可包括自一第一寬度增加直至一第二寬度之一擴展區域、延伸跨越第二寬度處之兩個倍縮光罩區段之間的邊界之一區域及漸縮回至第一寬度之一區域。
圖1係根據本發明之一實施例之利用經拼接光子中介層之一CMOS收發器之一方塊圖。參考圖1，展示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 之一收發器100中之光電子裝置，且展示包括分接頭103A至103K、光學終端115A至115D及光柵耦合器117A至117H之光學裝置。亦展示包括跨阻抗及限制放大器(TIA/LA)107A至107E、類比及數位控制電路109及控制區段112A至112D之電裝置及電路。光學信號經由在一CMOS中介層晶片中製作之光學波導而在光學裝置與光電子裝置之間傳遞，其中光學波導在圖1中藉由虛線橢圓指示。光學裝置及光電子裝置經整合於一矽光子中介層中而電子裝置經整合至耦合至矽光子中介層之一或多個CMOS電子晶片中。
高速光學調變器105A至105D包括(舉例而言)Mach-Zehnder調變器或環式調變器且達成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，且調變器之輸出經由波導光學地耦合至光柵耦合器117E至117H。分接頭103D至103K包括(舉例而言)四埠光學耦合器且用於對由高速光學調變器105A至105D產生之光學信號進行取樣，其中經取樣信號藉由監視光電二極體113A至113H量測。分接頭103D至103K之未經使用分支藉由光學終端115A至115D終止以避免非所要信號之往回反射。
光柵耦合器117A至117H包括使光能夠耦入矽光子中介層中且自矽光子中介層耦出之光學光柵。光柵耦合器117A至117D可用於將自光纖接收之光耦合至矽光子中介層中，且可包括偏振獨立光柵耦合器。光柵耦合器117E至117H可用於將來自矽光子中介層之光耦合至光纖中。舉例而言，光纖可用環氧樹脂膠合至CMOS晶片，且可以距法向於矽光子中介層之表面之一角度對準以使耦合效率最佳化。
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，該等電信號經傳遞至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可整合於可經由銅柱接合至矽光子中介層之一或多個電子CMOS晶片上。以此方式，可使不同CMOS節點上之電子效能及光子效能獨立地最佳化。TIA/LA 107A至107D然後可將電信號傳遞至電子晶片上之其他電路。
TIA/LA 107A至107D可包括窄頻帶、非線性光電子接收器電路。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寬以便減少經整合雜訊，藉此增加信號雜訊比。一NRZ位準復位器可用於將所得資料脈衝轉換回成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雷射信號之調變之電子電路。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Mach-Zehnder干涉儀(MZI)之各別分支中之折射率。
在本發明之一實施例中，將用於一收發器所需之所有光學及光電子裝置整合至一矽光子中介層中，且將所有所需電子裝置整合於一或多個CMOS電子晶片上會達成所得單個混合封包之經最佳化效能。以此方式，可獨立於該或該等矽光子中介層中之光子裝置之最佳化而使電子裝置效能最佳化。舉例而言，可在一32nm CMOS製程上使電子CMOS晶片最佳化，而可在一130nm CMOS節點上使矽光子中介層最佳化。電子裝置可經放置於電子晶片上，使得當接合至矽光子中介層時其經定位於其相關聯光子裝置正上方。舉例而言，控制區段112A至112D可定位於一電子CMOS晶片上，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耦合。
在一實例性情境中，中介層可需要係相當大型的且在某些情形中大於在常見光微影製程中使用之倍縮光罩大小。倍縮光罩之拼接可藉由運用不同遮罩之一晶圓之多次曝光而達成較大型電子中介層。已 知，將始終存在一拼接誤差(=由於不同列印之間的對準之間的不準確所致之鄰近倍縮光罩列印上之圖案之間的一小偏移)。對電子互連應用而言此非主要問題，然而對矽光子光學互連波導而言此可係一主要問題，甚至微小偏移亦可造成巨大插入損耗及寄生反射以及串擾。
運用矽光子克服此問題之一第一方式係確保在經列印區域之間不存在交叉之波導。克服此問題之一第二方式係使接近兩個鄰近倍縮光罩之間的交叉點之波導對橫向不對準較不敏感。實現此之一種適合方式係(舉例而言)藉由使波導漸縮而增加彼區域中之模態大小。此顯著地減少耦合損耗。
在一實例性實施例中，混合收發器100包括四個光電子收發器與一個光學源，且達成去往及來自矽光子中介層之表面之光學信號之垂直傳遞，藉此達成CMOS製程及結構(包含一CMOS保護環)之使用。矽光子中介層可包括主動裝置(諸如光偵測器及調變器)及被動裝置(諸如波導、分離器、組合器及光柵耦合器)兩者，藉此使光子電路能夠整合於CMOS晶片上。在一實例性情境中，中介層可包括一大面積結構，該大面積結構包括複數個倍縮光罩區域、中介層或子中介層，其中漸縮波導處於倍縮光罩區域/中介層/子中介層之間的界面處以達成經改良模態重疊。在以下說明中，中介層之單獨區域可視為使用一單個晶圓製作之單獨中介層或同一中介層之單獨區段/倍縮光罩區域。
圖2A係圖解說明根據本發明之一實施例之包含一大面積光子中介層之一實例性光學收發器之一示意圖。參考圖2A，展示一光子收發器200，其包括一印刷電路板(PCB)/基板201、一矽光子中介層203、一電子CMOS晶粒205、穿矽導通體(TSV)206、銅柱207、一光學源模組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可包括用於光子收發器200之一支撐結構，且可包 括絕緣材料及導電材料兩者以用於隔離裝置並且提供用於矽光子中介層203上之主動裝置之電接觸並且經由矽光子中介層203提供至電子晶粒205上之裝置之電接觸。另外，PCB/基板可提供一導熱路徑以帶走由電子晶粒205及光學源模組209中之裝置及電路產生之熱量。
矽光子中介層203可包括一CMOS晶片與主動及被動光學裝置，諸如(舉例而言)波導、調變器、光偵測器、光柵耦合器、分接頭及組合器。在一實例性情境中，中介層203可包括複數個倍縮光罩區段203A至203C，但數目並不限於三個鑒於此僅指示特定剖面中之三個區段。由矽光子中介層203支援之功能性可包括光偵測、光學調變、光學路由及用於高速I/O之光學界面以及光學功率遞送。倍縮光罩區段203A至203C可各自包括在一遮罩步驟中形成之中介層之一區段，其中由於中介層203之大型總體大小，因此一不同倍縮光罩可用於每一區段。為避免由於倍縮光罩區段203A至203C之間的界面處之不匹配所致之光學損耗，可使光學波導漸縮以擴寬界面處之光學模態且然後遠離界面而往回漸縮。
矽光子中介層203亦可包括用於將電子晶粒205耦合至矽光子中介層203之銅柱207以及用於將光自光學源模組209耦入晶粒中且經由光學I/O 211耦入/耦出晶粒之光柵耦合器。另外，矽光子中介層203可包括TSV 206，TSV 206用於透過晶粒進行之(諸如)PCB/基板201與電子晶粒205之間的電互連。光學界面亦可藉由光學環氧樹脂215促進，從而提供光學透明性及機械固定兩者。
電子晶粒205可包括提供光子收發器200之所需電子功能之一或多個電子CMOS晶片。電子晶粒205可包括經由銅柱207耦合至矽光子中介層203之一單個晶片或複數個晶粒。電子晶粒205可包括TIA、LNA及用於處理光子晶片203中之光學信號之控制電路。舉例而言，電子晶粒205可包括用於控制矽光子中介層203中之光學調變器之驅動 器電路及用於放大自矽光子中介層203中之光偵測器接收之電信號之可變增益放大器。藉由在矽光子中介層203中併入光子裝置且在電子晶粒205中併入電子裝置，可針對所併入之裝置之類型而使每一晶片之CMOS製程最佳化。
TSV 206可包括垂直延伸通過矽光子中介層203且提供電子晶粒205與PCB/基板201之間的電連接性之導電路徑。此可取代線接合(諸如線接合213)或結合線接合而被利用。
銅柱207可包括提供矽光子中介層203與電子晶粒205之間的電接觸之線性或2D金屬柱陣列。舉例而言，銅柱207可提供矽光子中介層203中之光偵測器與電子晶粒205中之相關聯接收器電路之間的電接觸。另外，銅柱207可提供電子晶粒與光子晶粒之機械耦合，且可運用底填充囊封以保護金屬及其他表面。
光學源模組209可包括一總成，該總成具有一光學源(諸如一半導體雷射)及將一或多個光學信號引導至矽光子中介層203中之相關聯光學及電元件。光學源模組之一實例在於2009年7月9日提出申請之美國專利申請案12/500,465中予以闡述，該申請案藉此以全文引用方式併入本文中。在另一實例性情境中，可將來自光學源總成209之該或該等光學信號經由附接於矽光子中介層203中之光柵耦合器上方之光纖耦合至矽光子中介層203中。
光學I/O 211可包括用於將光纖217耦合至矽光子中介層203之一總成。因此，光學I/O 211可包括用於一或多個光纖之機械支撐及(諸如)藉由光學環氧樹脂215耦合至矽光子中介層203之一光學表面。在另一實例性情境中，亦可沿著矽光子中介層203之一邊緣附接光學I/O 211(如藉由虛線光學I/O 211展示)，從而使光學信號能夠直接耦合至光學波導中，與矽光子中介層203之表面上之光柵耦合器相反。
在操作中，可將連續波(CW)光學信號經由矽光子中介層203中之 一或多個光柵耦合器自光學源模組209傳遞至矽光子中介層203中。矽光子中介層203中之光子裝置然後可處理所接收光學信號。舉例而言，一或多個光學調變器可基於自電子晶粒205接收之電信號調變CW信號。電信號可經由Cu柱207自電子晶粒205接收。藉由將矽光子中介層203中之調變器整合於電子晶粒205中之電信號源正下方，可使信號路徑長度最小化，從而致使極高速效能。舉例而言，利用具有<20fF電容之~20微米Cu柱，可達成50GHz及更高之速度。
然後可將經調變光學信號經由位於光學I/O 211下方之光柵耦合器傳遞出矽光子中介層203。以此方式，可利用在電子晶粒205中產生之高速電信號來調變一CW光學信號且隨後經由光纖217將其傳遞出矽光子中介層203。
類似地，可經由光纖217及光學I/O 211而在矽光子中介層203中接收經調變光學信號。可將所接收光學信號在矽光子中介層203內經由光學波導傳遞至整合於矽光子中介層203中之一或多個光偵測器。光偵測器可整合於矽光子中介層203中，使得當藉由低寄生電容Cu柱207接合及電耦合時其位於電子晶粒205中之相關聯接收器電子電路正下方。
CMOS電子晶粒經由Cu柱於矽光子中介層上之混合整合利用CMOS製程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在各別CMOS製程內達成電子功能及光子功能之效能之獨立最佳化。藉由面對面接合至矽光子中介層而安裝之電子晶粒可含有「驅動」中介層上之光子電路之電路。彼等電路替換來自習用電互連解決方案之電子發信號驅動電路。
另外，藉由矽光子中介層203達成多個電子晶粒之間的光學互連(亦即晶片與晶片互連)，其中收發器功能係藉由經組合電子晶粒與中介層以及矽光子中介層晶粒203上之相關聯光學路由支援。本發明並 不限於圖2A中所展示之配置。因此，各種堆疊配置係可能的。舉例而言，光子中介層可夾在電子晶片之間且中介層/電子晶片之堆疊可經組態產生一3維結構。
圖2B係根據本發明之一實施例之一混合整合光子收發器之一透視圖。參考圖2B，展示PCB/基板201、矽光子中介層203、電子晶粒205、Cu柱207、光學源總成209、光學I/o 211、線接合213、光纖217及接觸墊219。
電子晶粒205展示為在經由Cu柱207接合至矽光子中介層203之表面之前，如藉由每一晶粒下面之虛線箭頭圖解說明。雖然圖2B中展示兩個電子晶粒205，但應注意本發明並不如此受限制。因此，任何數目個電子晶粒可(舉例而言)取決於收發器之數目、所利用之特定CMOS節點、熱傳導及空間限制而耦合至矽光子中介層203。
在另一實例性實施例中，舉例而言，可遠端地定位光學源總成209且可利用一或多個光纖以經由光柵耦合器將光學源信號耦合至矽光子中介層203中。
在一實例性實施例中，可利用獨立CMOS製程將電子功能整合至電子晶粒205中且可將光子電路整合至矽光子中介層203中。電子晶粒205可包括與矽光子中介層203中之光子裝置相關聯之電子裝置，藉此使電路徑長度最小化而仍允許電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。舉例而言，產生最高電子效能(諸如最快切換速度)之CMOS製程對CMOS光子效能而言可非最佳的。類似地，不同技術可併入於不同晶粒中。舉例而言，SiGe CMOS製程可用於光子裝置(諸如光偵測器)，且32nm CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
矽光子中介層203可包括光子電路，可藉此接收、處理光學信號，並將該等光學信號傳輸出矽光子中介層203。在一實例性情境中，中介層203可包括複數個倍縮光罩區段203A至203D，但數目並不 限於四個，鑒於此僅係一實例。由矽光子中介層203支援之功能性可包括光偵測、光學調變、光學路由及用於高速I/O之光學界面以及光學功率遞送。倍縮光罩區段203A至203D可各自包括在一遮罩步驟中形成之中介層之一區段，其中由於中介層203之大型總體大小，因此一不同倍縮光罩可用於每一區段。為避免由於倍縮光罩區段203A至203C之間的界面處之可能不匹配所致之光學損耗，可使光學波導漸縮以擴寬界面處之光學模態且然後遠離界面而往回漸縮。
光學源總成209可將一CW光學信號提供至矽光子中介層203，其中矽光子中介層203中之光子電路處理該CW信號。舉例而言，CW信號可經由光柵耦合器耦合至矽光子中介層203中，經由光學波導傳遞至晶粒上之各種位置，藉由Mach-Zehnder干涉儀(MZI)調變器調變，且自矽光子中介層203傳遞出至光纖中。以此方式，在CMOS製程中達成複數個高效能光學收發器之混合整合。
在另一實例性情境中，矽光子中介層203可在電子晶粒之間提供光學路由。舉例而言，電子晶粒205可包括複數個處理器及記憶體晶粒。可(舉例而言)經由銅柱將來自電子晶粒205之電信號傳遞至矽光子中介層203上之調變器，並將該等電信號轉換成光學信號以用於在利用光偵測器轉換回成電子信號之前經由光學波導路由至另一電子晶粒。以此方式，針對複數個電子晶粒達成極高速耦合，(舉例而言)從而減少對處理器晶片之記憶體要求。
利用光學信號來互連電子晶粒達成極密集且低功率互連，此乃因不需要經控制阻抗線。此外，在整合於一唯光子晶粒上之情況下可減少成本，此乃因在中介層中因此不存在功率耗散晶粒，且可用習用方法給電子晶粒散熱。
圖2C係根據本發明之一實施例之包括多個區段且具有兩個經耦合電子晶粒之一大面積光子中介層之一透視圖。參考圖2C，展示 PCB/基板201、矽光子中介層203、電子晶粒205、光學源總成209、光學I/O 211、線接合213及光纖217。
電子晶粒205展示為經由Cu柱接合至矽光子中介層203之表面。雖然圖2C中展示兩個電子晶粒205，但應再次注意本發明未必如此受限制。因此，任何數目個電子晶粒可(舉例而言)取決於收發器之數目、所利用之特定CMOS節點、熱傳導及空間限制而耦合至矽光子中介層203。
在一實例性實施例中，利用獨立CMOS製程可將電子功能整合至電子晶粒205中且可將光子電路整合至矽光子中介層203中。電子晶粒205可包括與矽光子中介層203中之光子裝置相關聯之電子裝置，藉此使電路徑長度最小化而仍允許電子裝置及光子裝置之獨立效能最佳化。不同技術可併入於不同晶粒中。舉例而言，SiGe CMOS製程可用於矽光子中介層203中之光子裝置(諸如光偵測器及調變器)，且32nm CMOS製程可用於電子晶粒205上之電子裝置。
在另一實例性情境中，電子晶粒205中之一者可包括一習用特殊應用積體電路(ASIC)，且一第二電子晶粒205可包括具有用於驅動矽光子中介層203中之光子裝置之電路之一驅動器晶粒。因此，驅動器晶粒可經由矽光子中介層203自ASIC接收電子信號且使用所接收信號以隨後驅動矽光子中介層203中之光子裝置。以此方式，第二晶粒提供驅動器電路，與在ASIC中整合驅動器電路相反。此可在不對ASIC I/O電路做任何修改之情況下允許現有ASIC設計與矽光子中介層203整合在一起。關於圖5B及圖5C進一步圖解說明此等實例性實施例。
矽光子中介層203可包括光子電路，可藉此接收、處理光學信號，並將該等光學信號傳輸出矽光子中介層203。光學源總成209可將一CW光學信號提供至矽光子中介層203且藉由經由線接合213耦合至光學源總成209之電壓加偏壓。矽光子中介層203中之光子電路然後可 處理該CW信號。舉例而言，CW信號可經由光柵耦合器耦合至矽光子中介層203中，經由光學波導傳遞至晶粒上之各種位置，藉由MZI調變器調變，且經由光學I/O 211自矽光子中介層203傳遞出至光纖217中。
如上文所闡述，中介層203可包括複數個倍縮光罩區段203A至203D，但數目並不限於四個，鑒於此僅係一實例。由矽光子中介層203支援之功能性可包括光偵測、光學調變、光學路由及用於高速I/O之光學界面以及光學功率遞送。倍縮光罩區段203A至203D可各自包括在一遮罩步驟中形成之中介層之一區段，其中由於中介層203之大型總體大小，因此一不同倍縮光罩可用於每一區段。為避免由於倍縮光罩區段203A至203C之間的界面處之可能不匹配所致之光學損耗，可使光學波導漸縮以擴寬界面處之光學模態且然後遠離界面而往回漸縮。
可經由PCB/基板201傳導熱量遠離晶粒。以此方式，矽光子中介層及電子晶粒205可使用經單獨最佳化CMOS製程來達成複數個高效能光學收發器。類似地，矽光子中介層203可達成電子晶粒205中之電子電路之間(諸如，舉例而言處理器核心與記憶體之間)的高速互連。
圖3係圖解說明根據本發明之一實施例之一電子晶粒至包括多個區段之一大面積光子中介層之混合整合之一示意圖。參考圖3，展示電子晶粒205、銅柱207及矽光子中介層203。矽光子中介層203可包括不同區段203A及203B，在一實例性情境中該等不同區段包括不同倍縮光罩區段，其中每一區段可包括光柵耦合器301、偏振分裂光柵耦合器303、光偵測器305、光學調變器307、TSV 309及光學波導311。
Cu柱207提供電子晶粒205與矽光子中介層203之間的電耦合及機械耦合兩者。光柵耦合器301提供光耦入光子晶粒/中介層300中及/或自光子晶粒/中介層300耦出。類似地，偏振分裂光柵耦合器303可使 光能夠兩次偏振耦入光子晶粒/中介層300中及/或自光子晶粒/中介層300耦出。
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Cu柱207自電子晶粒205接收之電信號調變一光學信號。在一實例性情境中，一CW光學信號可經由光柵耦合器301中之一者自一光學源接收，經由光學波導311傳遞，藉由光學調變器307調變，藉由光學波導311往回傳遞，且經由另一光柵耦合器301傳遞出矽光子中介層203。
光偵測器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成一電信號。在一實例性情境中，具有垂直偏振之光學信號可由偏振分裂光柵耦合器303接收，經由波導311傳遞，藉由光偵測器305轉換成一電信號，其中所得電信號經由Cu柱207傳遞至電子晶粒205。該等電信號可進一步藉由電子晶粒205中之電子器件處理及/或經由線接合或Cu柱207及TSV 309傳遞至其他電路。
矽光子中介層203包括可提供用於複數個電子晶粒之光子電路之一CMOS光子晶粒，藉此減少或消除高速電子器件之間的電互連。舉例而言，此可用於高速記憶體存取、高速處理器互連及耦合複數個高速電子晶片。在一實例性情境中，中介層203可包括複數個倍縮光罩區段203A及203B，但數目並不限於兩個，鑒於此僅係一實例。倍縮光罩區段203A及203B可各自包括在一遮罩步驟中形成之中介層之一區段，其中由於中介層203之大型總體大小，因此一不同倍縮光罩可用於每一區段。為避免由於在界面(諸如倍縮光罩區段203A與203B之間的界面313)處之可能不匹配所致之光學損耗，可使光學波導漸縮以擴寬界面處之光學模態且然後遠離界面而往回漸縮。
圖4係圖解說明根據本發明之一實施例之具有耦合至一單個電子 晶粒之多個區段之一光子中介層之一圖式。參考圖4，展示一CMOS光子中介層203、電子晶粒205、光學I/O 211、電互連401、光纖217、光學波導311及光學源407。電互連401可包括(舉例而言)銅柱但亦可包括任何電互連結構(諸如金屬凸塊或微凸塊)。如先前所闡述，中介層203可包括複數個區段203A至203D，該複數個區段各自可包括不同倍縮光罩區段，區段203A至203D之間具有界面313。
圖4展示矽光子中介層203及電子晶粒205之一透明視圖以圖解說明波導311及電互連401。舉例而言，多組光學波導311展示為將光學I/O 211耦合至矽光子中介層203之特定區域，使得電信號然後可傳遞至彼等區域中之電子晶粒205/自電子晶粒205傳遞。類似地，光學波導311將光學源407耦合至矽光子中介層203之區域以由位於電子晶粒205中之相關聯電路下方之調變器進行後續調變，藉此將光學源信號遍及CMOS光學中介層203而分佈以(舉例而言)當諸如藉由光電二極體轉換成電信號時供電子晶粒205中之每一者使用。
如圖4中所展示，電互連401可圍繞電子晶粒205之周界及/或以晶粒為中心配置。類似地，TSV可遍及矽光子中介層203放置以用於在電子晶粒205中之裝置與一PCB/基板201之間提供電接觸。因此，TSV經整合於某些電互連401下面。
由於單模態光學通信之極高頻寬能力，因此電子晶粒205可能夠經由中介層203以超過每秒1兆位元傳遞。舉例而言，利用具有<20fF電容之~20微米Cu柱，可達成50GHz及更高之速度。因此，藉由將複數個信號整合於波導311中且隨後整合於光纖217中，會達成兆位元速度。
圖5A至圖5B圖解說明根據本發明之一實例性實施例之一中介層晶圓中之多個倍縮光罩。參考圖5A，展示包括複數個區段203A至203D之一晶圓500，其中區段203A至203D中之每一者(舉例而言)表示 一不同倍縮光罩，且在一實例性實施例中四個毗鄰區段203A至203D之配置可表示一單個中介層。
圖5B圖解說明包括不同倍縮光罩區段203A至203D中之每一者中之一者之一單個中介層(但具有經誇大不對準)。此類型之不對準對電子電路而言可不具有嚴重後果，但可對橫越倍縮光罩區段203A至203D之間的界面之波導造成大的光學損耗。此等損耗可藉由以下方式緩解：使波導漸縮以擴寬接近界面之光學模態而遠離界面往回漸縮。此關於圖6而進一步展示。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例之在一大面積矽中介層之倍縮光罩區段之間的界面處之波導之一圖式。參考圖6，展示包括倍縮光罩區段203A至203D之一中介層600，其中波導311跨越中介層600之區段而配置。應注意，所圖解說明波導311係僅為圖解說明跨越界面之波導之一經簡化情形。
在其中波導311跨越不同倍縮光罩區段之間的界面313之例項中，不具有漸縮區域601之直波導311可由於區段203A至203D之不對準或「拼接誤差」而出現光學損耗。然而，對具有漸縮區域601之波導311而言，光學模態在界面313處可較大且因此較不受偏移影響。亦應注意，在界面處之拼接誤差出於說明目的而經誇大。
在本發明之一實施例中，揭示藉由拼接之大型矽光子中介層之一方法及系統。就此而言，本發明之態樣可包括在一整合式光學通信系統中，該整合式光學通信系統包括耦合至一矽光子中介層之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒，其中該矽光子中介層包括複數個倍縮光罩區段：利用一波導在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一光學信號。該波導可包括在兩個倍縮光罩區段之間的一邊界處之一漸縮區域，該漸縮區域在該邊界之前擴展經傳遞光學信號之一光學模態且在該邊界之後縮窄該光學模態。
可在矽光子中介層中之該複數個倍縮光罩區段中之一第一者中接收來自矽光子中介層外部之一光學源之一連續波(CW)光學信號。可在矽光子中介層中接收來自耦合至矽光子中介層中之第一倍縮光罩區段中之一光柵耦合器之一光學源總成之該CW光學信號。可利用一第二波導將該CW光學信號自第一倍縮光罩區段傳遞至一第二倍縮光罩區段。
可藉由基於自CMOS電子晶粒中之一者接收之一第一電信號處理所接收CW光學信號而產生一經調變光學信號。可利用矽光子中介層中之一光學調變器處理所接收CW光學信號。可在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞所產生經調變光學信號。可使用整合於矽光子中介層中之一光偵測器而在矽光子中介層中產生一第二電信號。可自耦合至矽光子中介層之倍縮光罩區段中之一者之一光纖接收該CW光學信號。漸縮區域可包括自一第一寬度增加直至一第二寬度之一擴展區域、延伸跨越第二寬度處之兩個倍縮光罩區段之間的邊界之一區域、及漸縮回至第一寬度之一區域。
雖然已參考特定實施例闡述了本發明，但熟習此項技術者將理解，可在不脫離本發明之範疇之情況下做出改變且可替代等效形式。另外，可在不脫離本發明之範疇之情況下做出諸多修改以使一特定情況或材料適合本發明之教示。因此，本發明並不意欲限制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。
100‧‧‧收發器/混合收發器
103A-103K‧‧‧分接頭
105A-105D‧‧‧高速光學調變器
107A-107D‧‧‧跨阻抗及限制放大器
109‧‧‧類比及數位控制電路
111A-111D‧‧‧高速光電二極體
112A-112D‧‧‧控制區段
113A-113H‧‧‧監視光電二極體
115A-115D‧‧‧光學終端
117A-117H‧‧‧光柵耦合器

Claims (20)

  1. 一種用於通信之方法，該方法包括：在一整合式(integrated)光學通信系統中，該整合式光學通信系統包括耦合至一矽光子中介層(silicon photonic interposer)之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒，其中該矽光子中介層包括複數個倍縮光罩區段(reticle sections)：利用一波導(waveguide)在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一光學信號，其中該波導包括在該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的一邊界處之一漸縮區域(taper region)，該漸縮區域在該邊界之前擴展(expanding)該經傳遞光學信號之一光學模態(optical mode)且在該邊界之後縮窄(narrowing)該光學模態。
  2. 如請求項1之方法，其包括在該矽光子中介層中之該複數個倍縮光罩區段中之一第一者中接收來自該矽光子中介層外部之一光學源之一連續波(CW)光學信號。
  3. 如請求項2之方法，其包括在該矽光子中介層中接收來自耦合至該矽光子中介層中之該複數個倍縮光罩區段中之該第一者中之一光柵耦合器之一光學源總成之該CW光學信號。
  4. 如請求項2之方法，其包括利用一第二波導將該CW光學信號自該複數個倍縮光罩區段中之該第一者傳遞至該複數個倍縮光罩區段中之一第二者。
  5. 如請求項2之方法，其包括藉由基於自該一或多個CMOS電子晶粒中之一者接收之一第一電信號處理該所接收CW光學信號而產生一經調變光學信號。
  6. 如請求項5之方法，其包括利用該矽光子中介層中之一光學調變 器處理該所接收CW光學信號。
  7. 如請求項5之方法，其包括在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞該所產生經調變光學信號。
  8. 如請求項7之方法，其包括使用整合於該矽光子中介層中之一光偵測器而在該矽光子中介層中產生一第二電信號。
  9. 如請求項2之方法，其包括自耦合至該矽光子中介層之該複數個倍縮光罩區段中之該第一者之一光纖接收該CW光學信號。
  10. 如請求項1之方法，其中該漸縮區域包括自一第一寬度擴展直至一第二寬度之一區域、延伸跨越該第二寬度處之該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的該邊界之一區域及漸縮回至該第一寬度之一區域。
  11. 一種用於通信之系統，該系統包括：一整合式光學通信系統，其包括耦合至一矽光子中介層之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒，其中該矽光子中介層包括複數個倍縮光罩區段，該整合式光學通信系統可操作以：利用一波導在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一光學信號，其中該波導包括在該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的一邊界處之一漸縮區域，該漸縮區域在該邊界之前擴展該經傳遞光學信號之一光學模態且在該邊界之後縮窄該光學模態。
  12. 如請求項11之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以在該矽光子中介層中之該複數個倍縮光罩區段中之一第一者中接收來自該矽光子中介層外部之一光學源之一連續波(CW)光學信號。
  13. 如請求項12之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以在該矽光子中介層中接收來自耦合至該矽光子中介層中之該複數個 倍縮光罩區段中之第一者中之該一者中之一光柵耦合器之一光學源總成之該CW光學信號。
  14. 如請求項12之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以利用一第二波導將該CW光學信號自該複數個倍縮光罩區段中之該第一者傳遞至該複數個倍縮光罩區段中之一第二者。
  15. 如請求項12之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以藉由基於自該一或多個CMOS電子晶粒中之一者接收之一第一電信號處理該所接收CW光學信號而產生一經調變光學信號。
  16. 如請求項15之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以利用該矽光子中介層中之一光學調變器處理該所接收CW光學信號。
  17. 如請求項11之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞該所產生經調變光學信號。
  18. 如請求項17之系統，其中該整合式光學通信系統可操作以使用整合於該矽光子中介層中之一光偵測器而在該矽光子中介層中產生一第二電信號。
  19. 如請求項11之系統，其中該漸縮區域包括自一第一寬度擴展直至一第二寬度之一區域、延伸跨越該第二寬度處之該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的該邊界之一區域及漸縮回至該第一寬度之一區域。
  20. 一種用於通信之系統，該系統包括：一整合式光學通信系統，其包括耦合至一矽光子中介層之一或多個互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子晶粒，其中該矽光子中介層包括複數個倍縮光罩區段，該整合式光學通信系統可操作以：利用一波導在該複數個倍縮光罩區段中之兩者之間傳遞一 光學信號，其中該波導包括在該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的一邊界處之一漸縮區域，該漸縮區域包括自一第一寬度增加至一第二寬度之一擴展區域、延伸跨越(across)該第二寬度處之該複數個倍縮光罩區段中之該兩者之間的該邊界之一區域及漸縮回(back down)至該第一寬度之一區域。
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