用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成的方法和系統(tǒng)，該方法可包括在硅光子裸片（SPD）中接收來自該SPD以外的光源的連續(xù)波（CW）光信號(hào)?；诮邮諒慕?jīng)由金屬互連接合至該SPD的電子裸片接收的電信號(hào)，可處理所接收的CW光信號(hào)。可在SPD中從耦接至該SPD的光纖接收調(diào)制后的光信號(hào)。基于所接收的調(diào)制后的光信號(hào)，可在SPD中生成電信號(hào)并經(jīng)由該金屬互連將該電信號(hào)通信給所述電子裸片。從耦接至該SPD的光源組件和/或耦接至該SPD的一個(gè)或多個(gè)光纖可接收CW光信號(hào)。利用一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器，可處理該接收到的CW光信號(hào)，該一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器可包括馬赫-策德爾干涉儀調(diào)制器。
【專利說明】用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成的方法和系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用/通過引用的并入
[0002]本申請(qǐng)是于2009年9月4日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)12/554，449的部分繼續(xù)申請(qǐng)。并且，本申請(qǐng)參考于2012年3月6日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/422,776。
[0003]上述引用的參考中每一個(gè)的內(nèi)容據(jù)此通過引用方式不失其完整性地結(jié)合至此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明的某些實(shí)施方式涉及半導(dǎo)體處理。更具體地說，本發(fā)明的某些實(shí)施方式涉及用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0005]隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬要求，銅數(shù)據(jù)信道的缺點(diǎn)變得清晰可見。由于輻射的電磁能量而產(chǎn)生的信號(hào)衰減和串?dāng)_是這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者遇到的主要障礙。通過均衡、編碼及屏蔽，可在一定程度上減輕這些障礙，但是這些技術(shù)需要非常大的功率、相當(dāng)?shù)膹?fù)雜度和極大的電纜體積消耗的同時(shí)對(duì)達(dá)成目標(biāo)的效果甚微并且可延展性非常有限。由于不受此種信道限制，光通信已被公認(rèn)為銅鏈接的后繼者。
[0006]通過比較這樣的系統(tǒng)與本申請(qǐng)的其余部分中參考附圖所闡述的本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，常規(guī)的傳統(tǒng)方法的其他限制及缺點(diǎn)是顯而易見的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成系統(tǒng)和/或方法，大體上如附圖中至少一個(gè)所示和/或結(jié)合附圖所述的那樣，如在權(quán)利要求中更完整地闡述那樣。
[0008]通過下文的描述和附圖將更充分地理解本發(fā)明的各種優(yōu)點(diǎn)、方面和新穎設(shè)計(jì)以及本發(fā)明的所示實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的光子收發(fā)器的框圖。
[0010]圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性復(fù)合集成光子收發(fā)器的示意圖。
[0011]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合集成光子收發(fā)器的立體圖。
[0012]圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合集成光子收發(fā)器的透視圖。
[0013]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子裸片(die，芯片)到光子裸片的復(fù)合集成的示意圖。
[0014]圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性金屬互連耦接的電氣和光電子器件的橫截面的示意圖。
[0015]圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子和光子芯片的可選的面對(duì)面耦接的示意圖。
[0016]圖4C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子芯片和光子芯片的可選耦接的示意圖。[0017]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于耦接電氣裸片與光子裸片的示例性金屬柱的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]在用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成的方法和系統(tǒng)中，可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的某些方面。本發(fā)明的示例性方面可包括在硅光子裸片中從該光子裸片外部的光源接收一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波(Cff)光信號(hào)。基于從經(jīng)由金屬互連接合至該硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)電子裸片接收到的電信號(hào)，可處理所接收的一個(gè)或多個(gè)CW光信號(hào)，該金屬互連可包括例如銅柱。在該硅光子裸片中，從耦接至該硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖可接收調(diào)制后的光信號(hào)。電信號(hào)可基于所接收的調(diào)制后的光信號(hào)而在該硅光子裸片中生成，并通過金屬互連將該電信號(hào)通信給一個(gè)或多個(gè)電子裸片。金屬互連可包括銅柱。從耦接至硅光子裸片的光源組件和/或耦接至硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖可接收一個(gè)或多個(gè)CW光信號(hào)。利用一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器，可處理所接收的一個(gè)或多個(gè)CW光信號(hào)，該一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器可包括馬赫一策德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)調(diào)制器。利用集成到該娃光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器，在硅光子裸片中可生成電信號(hào)。利用光柵耦合器，可將該光信通信入和/或通信出硅光子裸片。光源可包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光器。該復(fù)合集成光通信系統(tǒng)可包括多個(gè)收發(fā)器。
[0019]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的光子收發(fā)器的框圖。參考圖1，示出的是收發(fā)器100中的光電子器件，包括高速光調(diào)制器105A至10?、高速光電二極管IllA至111D、監(jiān)測(cè)光電二極管113A至113H和光學(xué)器件，該光學(xué)器件包括抽頭103A至103K、光終端115A至IMD和光柵耦合器117A至117H。還示出了電氣器件和電路，包括互阻抗和限幅放大器(TIA/LAs) 107A至107E、模擬數(shù)字控制電路109和控制段112A至112D。光信號(hào)經(jīng)由制作在光子芯片中的光波導(dǎo)管在光器件與光電子器件之間通信。此外，圖1中光波導(dǎo)管以虛線橢圓表不。
[0020]例如，高速光調(diào)制器105A至10?包括Mach-Zehnder或環(huán)形調(diào)制器，且能調(diào)制CW激光器輸入信號(hào)。高速光調(diào)制器105A至10?由控制段112A至112D控制，而調(diào)制器的輸出經(jīng)由波導(dǎo)管光學(xué)耦接至光柵耦合器117E至117H。示例性調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控(ASK)、二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)、脈沖幅度調(diào)制(PAM)、正交幅度調(diào)制(QAM)、正交相移鍵控(QPSK)和雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)。例如，抽頭103D至103K包括四端口光耦合器，并用于取樣由高速光調(diào)制器105A至10?生成的光信號(hào)，而取樣信號(hào)由監(jiān)測(cè)光電二極管113A至113H測(cè)量。抽頭103D至103K的未使用的分支被光終端115A至11?終止以避免不需要的信號(hào)的背向反射。
[0021]光柵耦合器117A至117H包括光柵，該光柵能將光耦接入芯片或從芯片去耦。光柵耦合器117A至117D用來將從光纖接收的光耦接入芯片，并可包括偏振獨(dú)立光柵耦合器。光柵耦合器117E至117H用于將光從芯片耦接入光纖。例如，光纖可被用環(huán)氧樹脂膠合(epoxied)至芯片,且排列(align,校準(zhǔn))為與芯片表面的法線呈一角度以使稱接效率最優(yōu)化。
[0022]高速光電二極管IllA至IllD將從光柵耦合器117A至117D接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為通信至TIA/LAsl07A至107D處理的電信號(hào)。在TIA/LAsl07A至107D操作過程中，模擬數(shù)字控制電路109可控制增益級(jí)或其他參數(shù)。TIA/LAsl07A至107D、模擬數(shù)字控制電路109和控制段112A至112D可集成在電子芯片上，電子芯片可通過金屬互連接合至硅光子芯片。在示例性情形中，金屬互連可包括銅柱。以這種方式，在不同的制造技術(shù)平臺(tái)上，電子和光子性能可獨(dú)立地最優(yōu)化。在示例性情形中，電子裸片可包括CMOS裸片但本發(fā)明不受此限制。因此，可使用任何半導(dǎo)體技術(shù)制作電子裸片，如:CM0S、B1-COMS, SiGe、或II1-V工藝。然后，TIA/LAsl07A至107D可將電信號(hào)通信至電子芯片上的其他電路。
[0023]TIA/LAsl07A至107D可包括窄帶非線性光電接收器電路。因此，例如，繼窄帶接收器前端之后可為復(fù)位器電路，如:不歸零制(NRZ)級(jí)復(fù)位器電路。復(fù)位器電路限制光接收器的帶寬以減小累積噪聲，由此提高信噪比。NRZ級(jí)復(fù)位器器件可用于將所得的數(shù)據(jù)脈沖轉(zhuǎn)換為NRZ數(shù)據(jù)。
[0024]控制段112A至112D包括能夠調(diào)制從抽頭103A至103C接收的CW激光器信號(hào)的電子線路。例如，高速光調(diào)制器105A至10?需要高速電信號(hào)以調(diào)制馬赫一策德爾干涉儀(MZI)相應(yīng)分支的折射率。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施方式中，將收發(fā)器所需的所有光器件和光電子器件集成入單個(gè)硅光子芯片以及將所有所需的電子器件集成在一個(gè)或多個(gè)電子芯片上能夠?qū)⑺玫膯蝹€(gè)混合封裝的性能最優(yōu)化。以這種方式，電子器件的性能可獨(dú)立于硅光子芯片中的光子器件最優(yōu)化而最優(yōu)化。例如，當(dāng)光子芯片可在130nm的CMOS節(jié)點(diǎn)上最優(yōu)化時(shí)，可以以32nm的CMOS工藝將電子芯片最優(yōu)化。此外，使用諸如SiGe或雙極性CMOS (B1-CMOS)這樣的除了 CMOS外的技術(shù)可制作電子或光子芯片。電子器件可置于電子芯片上使得當(dāng)電子器件接合至光子芯片時(shí)直接位于在與其相關(guān)聯(lián)的光子器件上。例如，控制段112A至112D可位于在電子芯片上使得該控制段112A到112D直接位于高速光調(diào)制器105A至105B上，并且可通過低寄生銅柱f禹接。
[0026]在示例性實(shí)施方式中，混合收發(fā)器100包括具有一個(gè)光源的四個(gè)光電子收發(fā)器，且能夠垂直地將光信號(hào)通信至光子芯片的表面或從光子芯片表面通信出，從而，在示例性實(shí)施方式中實(shí)現(xiàn)包括CMOS保護(hù)環(huán)在內(nèi)的CMOS工藝和結(jié)構(gòu)的使用。光子芯片可既包括諸如光電檢測(cè)器和調(diào)制器這樣的有源器件，又包括諸如波導(dǎo)管、分路器、合成儀、和光柵耦合器這樣的無源器件，由此使得光子電路可集成在硅芯片上。
[0027]圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性復(fù)合集成光子收發(fā)器的示意圖。參考圖2A，示出的是復(fù)合集成光子收發(fā)器200，該收發(fā)器包括印刷電路板(PCB) /基板201、光子CMOS裸片203、電子CMOS裸片205、金屬互連207、光源模塊209、光輸入/輸出(1/0)211、線接合(wire bonds) 213、光環(huán)氧215和光纖217。
[0028]PCB/基板201可包括收發(fā)器的支承結(jié)構(gòu)200，并可同時(shí)包含絕緣材料和導(dǎo)電材料以隔離器件并為光子裸片203上的有源器件以及通過光子裸片203向電子裸片205上的器件提供電接觸。此外，PCB/基板可提供熱導(dǎo)電通路以將電子裸片205和光源模塊209中的器件與電路產(chǎn)生的熱量帶走。
[0029]例如，光子裸片203可包括具有有源和無源光器件(如:波導(dǎo)管、調(diào)制器、光電檢測(cè)器、光柵耦合器、抽頭和合成儀)的硅芯片。光子裸片203也可包括用于將電子裸片205耦接至光子裸片203的金屬互連207，以及光柵耦合器，該光柵耦合器將光從光源模塊209的耦接入裸片并通過光1/0211將光耦接入裸片或從裸片去耦。此外，光子裸片203可包括未示出的貫穿基板的通孔(TSVs)以實(shí)現(xiàn)諸如PCB/基板201和電子裸片205之間的電互聯(lián)這樣的穿過裸片的電互連。通過光環(huán)氧215也可輔助實(shí)現(xiàn)光接口，提供光透明和機(jī)械固定。
[0030]電子裸片205可包括提供光子收發(fā)器200的所有所需的電子功能的芯片。電子裸片205可包括單個(gè)芯片或通過金屬互連207耦接至光子芯片203的多個(gè)裸片。電子裸片205可包括TIA、LNA和控制電路以在光子芯片203中處理光信號(hào)。例如，電子裸片205可包括用于在光子裸片203中控制光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路，以及用于放大從光子裸片203中的光電檢測(cè)器接收到的電信號(hào)的可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｍㄟ^合并光子裸片203中的光子器件和電子裸片205中的電子器件，對(duì)于每個(gè)芯片的處理可根據(jù)合并的器件的類型而進(jìn)行最優(yōu)化。
[0031]例如，金屬互連207可包括線性或二維陣列金屬柱以在光子裸片203和電子裸片205之間提供電觸。在示例性情形中，金屬互連207可包括銅柱或任何其他合適于半導(dǎo)體接的金屬，如螺柱凸起或焊料凸起。因此，金屬互連207可在光子裸片203的光電檢測(cè)器與電子裸片205的相關(guān)接收器電路之間提供電接觸。此外，金屬互連207可提供電子裸片與光子裸片的機(jī)械耦合，并可利用底充膠(underfill)封裝以保護(hù)金屬和其他表面。
[0032]光源模塊209可包括諸如半導(dǎo)體激光器這樣具有光源的組件和相關(guān)的光學(xué)元件以引導(dǎo)一個(gè)或多個(gè)光信號(hào)進(jìn)入光子裸片203。于2009年7月9日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)12/500, 465中描述了光源模塊示例，該申請(qǐng)的內(nèi)容據(jù)此不失其完整性地并入本文。在另一示例性情形中，來自光源組件209的光信號(hào)或信號(hào)可通過附貼在光子裸片203中的光柵耦合器上的光纖耦接入光子裸片203。
[0033]光1/0211可包括用于將光纖217耦接至光子裸片203的組件。因此，光1/0211可包括一個(gè)或多個(gè)光纖的機(jī)械支撐件和例如通過光環(huán)氧215耦接至光子裸片203的光表面。
[0034]在操作過程中，通過光子裸片203中的一個(gè)或多個(gè)光柵耦合器，連續(xù)波(CW)光信號(hào)可從光源模塊209通信入光子裸片203。然后，在光子裸片203中的光子器件可處理接收到的光信號(hào)。例如，基于從電子裸片205接收到的電信號(hào),一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器可調(diào)制CW信號(hào)。通過金屬互連207，可從電子裸片205接收電信號(hào)。通過直接將光子裸片203中的調(diào)制器集成至電子裸片205的電信號(hào)的源之下，信號(hào)路徑長(zhǎng)度可最小化，產(chǎn)生超高速性能。例如，利用具有小于20fF電容的金屬柱，可實(shí)現(xiàn)50GHz或更高的速度。
[0035]然后，通過位于光1/0211之下的光柵耦合器，調(diào)制后的光信號(hào)可通信出光子裸片203。以這種方式，可使用在電子裸片205中生成的高速電信號(hào)調(diào)制CW光信號(hào)并接著通過光纖217將該CW光信號(hào)通信出光子裸片203。
[0036]類似，通過光纖217和光1/0211，可在光子裸片203中接收調(diào)制后的光信號(hào)。通過光波導(dǎo)管，接收到的光信號(hào)可在光子裸片203內(nèi)通信至集成入光子裸片203的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器可集成入光子裸片203，使得當(dāng)通過低寄生電容金屬互連207接合和電耦接時(shí)，光電檢測(cè)器直接位于電子裸片205中相關(guān)聯(lián)的接收器電子電路之下。
[0037]使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理工藝，如CMOS、B1-CMOS或Si_Ge，通過金屬互連將電子裸片復(fù)合集成在光子裸片上使得超高速光收發(fā)器成為可能。此外，集成單獨(dú)的光子裸片和電子裸片使得在相應(yīng)半導(dǎo)體處理過程中電子功能和光子功能的性能獨(dú)立最優(yōu)化。
[0038]圖2B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合集成光子收發(fā)器的透視圖。參考圖2B，其示出PCB/基板201、光子裸片203、電子裸片205、金屬互連207、光源組件209和線接合213。
[0039]如每個(gè)裸片下以虛線箭頭所示，示出了在通過金屬互連207接合至光子裸片203的表面之前的電子裸片205。盡管圖2B中示出兩個(gè)電子裸片205，應(yīng)注意，本發(fā)明不受此限制。因此，例如，根據(jù)收發(fā)器的數(shù)量、使用的特定半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)熱能力和空間限制，可有任意數(shù)量的電子裸片耦接至光子裸片203。
[0040]在示例性實(shí)施方式中，電子功能可集成入電子裸片205，且利用獨(dú)立的半導(dǎo)體工藝可將光子電路集成入光子裸片203。電子裸片205可包括與光子裸片203中的光子器件有關(guān)的電子器件，因此將電氣路徑長(zhǎng)度最小化并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電子器件和光子器件的獨(dú)立性能優(yōu)化。例如，導(dǎo)致諸如最快切換速度這樣的最高電子性能的CMOS工藝可能不是光子性能的首選。相似，不同的裸片中可并入不同的技術(shù)。例如，SiGe工藝可用于諸如光電檢測(cè)器這樣的光子器件，而32nm CMOS工藝乃至SiGe或B1-CMOS工藝可用于電子裸片205上的電子器件。
[0041]光子裸片203可包括光子電路，由此可接收、處理光信號(hào)并將光信號(hào)傳送出光子裸片203之外。光源組件209可將CW光信號(hào)提供給光子裸片203，其中，光子裸片203中的光子電路處理CW信號(hào)。例如，CW信號(hào)可經(jīng)由光柵耦合器耦接入光子裸片203，經(jīng)由光波導(dǎo)管被通信至裸片的不同位置，通過馬赫一策德爾干涉儀(MZI)調(diào)制器調(diào)制，并從光子裸片203通信入光纖。以這種方式，在半導(dǎo)體處理過程中，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合集成多個(gè)高性能光收發(fā)器。
[0042]圖2C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的復(fù)合集成光子收發(fā)器的透視圖。參考圖2C，示出了 PCB/基板201、光子裸片203、電子裸片205、光源組件209、光1/0211、線接合213和光纖217。
[0043]電子裸片205被示出經(jīng)由金屬柱接合至光子裸片203的表面。盡管圖2C中示出兩個(gè)電子裸片205，應(yīng)注意，本發(fā)明不受此限制。因此，例如，根據(jù)收發(fā)器的數(shù)量、使用的特定CMOS節(jié)點(diǎn)和空間限制，可有任意數(shù)量的電子裸片耦接至光子裸片203。
[0044]在示例性實(shí)施方式中，電子功能可集成入電子裸片205，而光子電路可利用獨(dú)立的半導(dǎo)體工藝集成入光子裸片203。電子裸片205可包括與光子裸片203中的光子器件有關(guān)的電子器件，從而將電氣路徑的長(zhǎng)度最小化的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了電子器件和光子器件獨(dú)立的性能優(yōu)化。不同的裸片中可并入不同的技術(shù)。例如，Ge選擇性外延工藝可用于光子裸片203的光電檢測(cè)器，而32nm CMOS工藝可用于電子裸片205上的電子器件。
[0045]光子裸片203可包括光子電路，由此可接收、處理光信號(hào)并將光信號(hào)傳送出光子裸片203之外。光源組件209可給光子裸片203提供CW光信號(hào)，并被經(jīng)由線接合213耦接至光源組件209的電壓偏置。然后，在光子裸片203中的光子電路可處理CW信號(hào)。例如，CW信號(hào)可經(jīng)由光柵耦合器耦接入光子裸片203，經(jīng)由光波導(dǎo)管通信至裸片的不同位置，通過MZI調(diào)制器調(diào)制，并經(jīng)由光1/0211從光子裸片203通信入光纖217。熱量通過PCB/基板201導(dǎo)出裸片。以這種方式，在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理工藝下可實(shí)現(xiàn)復(fù)合集成多個(gè)高性能光收發(fā)器。
[0046]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子裸片至光子裸片的復(fù)合集成的示意圖。參照?qǐng)D3，其示出電子裸片205、金屬互連207和光子裸片/內(nèi)插器300。光子裸片/內(nèi)插器300可包括光柵稱合器301、偏振分離光柵稱合器303、光電檢測(cè)器305、光調(diào)制器307、TSV309和光波導(dǎo)管311。
[0047]金屬互連207在電子裸片205與光子裸片/內(nèi)插器300之間提供電氣和機(jī)械兩種耦接。光柵耦合器301被設(shè)置為用于將光耦接入光子裸片/內(nèi)插器300和/或使光從光子裸片/內(nèi)插器300去耦。相似地，偏振分離光柵耦合器303可允許將兩個(gè)偏振光耦接入光子裸片/內(nèi)插器300或從光子裸片/內(nèi)插器300去耦。
[0048]例如，調(diào)制器307可包括MZI調(diào)制器，并可用于基于經(jīng)由金屬互連207從電子裸片205接收的電信號(hào)調(diào)制光信號(hào)。在示例性情形中，經(jīng)由光柵耦合器301中的一個(gè)，CW光信號(hào)可從光源被接收，經(jīng)由光波導(dǎo)管311通信，由光調(diào)制器307調(diào)制，由光波導(dǎo)管311通信回來，并經(jīng)由另一個(gè)光柵耦合器301通信出光子裸片/內(nèi)插器300。
[0049]例如，光電檢測(cè)器305可包括半導(dǎo)體光電二極管，并可用于將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在示例性情形中，具有垂直偏振的光信號(hào)可由偏振分離光柵耦合器303接收，經(jīng)由光波導(dǎo)管311通信，由光電檢測(cè)器305轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其中，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)由金屬互連207通信至電子裸片205。進(jìn)一步，電信號(hào)可由電子裸片205中的電子器件處理和/或經(jīng)由線接合或金屬互連207和TSV309通信至其他電路。
[0050]光子裸片/內(nèi)插器300包括可為多個(gè)電子裸片提供光子電路的硅光子裸片，由此減少或消除高速電子器件之間的電氣互聯(lián)。例如，這可用于高速存儲(chǔ)訪問，高速處理器互聯(lián)和耦接多個(gè)高速電子芯片。
[0051]圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性金屬互連耦接的電氣器件和光電子器件的橫截面的示意圖。參照?qǐng)D4A，示出復(fù)合集成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)400，該結(jié)構(gòu)包括硅光子基板/芯片/裸片450、電子基板/芯片/裸片460和用于基板/芯片物理和電氣耦接的金屬層427。娃光子基板/芯片/裸片450包括光學(xué)器件420和相關(guān)層,而電子基板/芯片/裸片460包括晶體管410A及410B和相關(guān)層。例如，裸片的層用于制造晶體管410A及410B和光學(xué)器件420以隔離器件和給器件提供電連接。
[0052]硅光子基板/芯片/裸片450包括基板401A、埋入氧化物403、Si層405、接觸層415A、金屬I層417A和穿硅通孔(TSV)443A及443B。光學(xué)器件420包括Si層405的摻雜區(qū)和/或非摻雜區(qū)，自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化物區(qū)413、摻雜接觸區(qū)435及437、蝕刻區(qū)域439和Ge層445。自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化物區(qū)413包括在標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理過程中防止光學(xué)器件420及其他光學(xué)器件被自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化的材料層。如果光學(xué)器件中的硅被自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化，將造成大量光損耗。此外，自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化物區(qū)413阻斷不需要的植入物進(jìn)入波導(dǎo)管及其他光學(xué)器件，否則這也將造成不必要的損耗。自對(duì)準(zhǔn)多晶硅化區(qū)413可蝕刻至Si層405，以使Ge層445可被沉積。例如，可在光電檢測(cè)器器件中使用Ge層445。此外，Si層405中的蝕刻區(qū)439可用于光封閉。例如，蝕刻區(qū)439可用低k電介質(zhì)補(bǔ)充，或可包括沒有補(bǔ)充材料的氣隙。例如，填充材料可包括氧化硅或氧氮化物材料。
[0053]硅電子基板/芯片/裸片460包括硅基板401B、阱407、接觸層415B、金屬I層417B、最后金屬層423、鈍化層425和金屬層427。金屬I層417B、最后金屬層423和金屬層427在層間和電氣器件及光電器件間提供電接觸(諸如晶體管410A及410B與光學(xué)器件420之間)。接觸層415還在允許與器件的電接觸的同時(shí)通過導(dǎo)電通孔之間并入絕緣材料來在器件之間提供電絕緣。
[0054]例如，晶體管410A及410B包括具有從摻雜植入過程中分別在阱407或基板401B中形成的源極區(qū)和漏極區(qū)的大晶體管以及柵極431和鈍化層433。例如，柵極431可包括金屬或多晶硅，并可通過薄氧化物層(未示出)從阱407隔離。
[0055]在本發(fā)明的實(shí)施方式中，可使用單獨(dú)的半導(dǎo)體處理工藝制作硅光子基板/芯片/裸片450和電子基板/芯片/裸片460，以使每個(gè)類型的器件可最優(yōu)化。在示例性情形中，單獨(dú)的半導(dǎo)體處理工藝可包括不同的CMOS節(jié)點(diǎn)，或包括完全不同的技術(shù)如:CM0S和SiGe。
[0056]然后，利用諸如金屬柱這樣的金屬層，晶片或可選的切割芯片可接合在一起形成光電子混合模塊組件。以這種方式，層厚度和摻雜水平可配置為在相應(yīng)結(jié)構(gòu)中具有最好的電子和光子性能而同時(shí)不以與制作電子結(jié)構(gòu)和光子結(jié)構(gòu)有關(guān)的性能損失為代價(jià)。
[0057]圖4B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子芯片和光子芯片的可選的面對(duì)面耦接的示意圖。參照?qǐng)D4B，其示出利用互連層427B耦接的硅光子芯片450和電子芯片460，例如，該互連層427B可包括金屬柱、螺柱凸起或焊料凸起。
[0058]娃光子芯片450可包括基板401C、光學(xué)器件420和金屬層430。電子芯片460可包括基板401D、晶體管410C及410D和金屬層430。這些元件中的每一個(gè)可與圖4A中名稱相同的元件相似。
[0059]圖4B中所示的實(shí)施方式可與圖4A中所示的相似，但是，其中的電子芯片和光子芯片面對(duì)面的接合，因此，無需貫穿基板的通孔(TSV)。
[0060]圖4C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電子芯片和光子芯片的可選耦接的示意圖。參照?qǐng)D4C，其示出利用互連427耦接的硅光子芯片450和電子芯片460，例如，該互聯(lián)層可包括金屬柱、螺柱凸起或焊料凸起。
[0061]娃光子芯片450可包括基板401E、光器件420和金屬層430。電子芯片460可包括基板40IF、晶體管4IOC及4IOD、和金屬層430。這些元件中的每一個(gè)可與圖4A與4B中名稱相同的元件相似。
[0062]圖4C中所示的實(shí)施方式可與圖4A中所示的相似，但是，其中的硅光子芯片450在最底部而電子芯片460在頂部。在此情形中，可利用TSV和金屬互連(如:金屬柱或凸起)實(shí)現(xiàn)電接觸。
[0063]圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于耦接電氣裸片和光子裸片的示例性金屬互連的示圖。參照?qǐng)D5，其示出金屬互連207的橫截面和透視圖。所示示例性銅柱的寬度為50微米左右，但為減少寄生電容可使用更小的直徑。此外，可將錫/銀頂層用于機(jī)械接合和電接觸，即焊料。例如，基于速度要求、器件密度、熱學(xué)性質(zhì)和電容與電阻要求，可調(diào)整金屬互連的尺寸。
[0064]在本發(fā)明的實(shí)施方式中，所公開的方法和系統(tǒng)用于光通信系統(tǒng)的復(fù)合集成。在這方面，在硅光子裸片203/300中，從硅光子裸片203/300以外的光源209接收一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波(CW)光信號(hào)?；趶慕?jīng)由金屬互連207接合至硅光子裸片203/300的一個(gè)或多個(gè)電子裸片205接收到的電信號(hào)，可處理所接收的一個(gè)或多個(gè)CW光信號(hào)。
[0065]在硅光子裸片203/300中，可從耦接至硅光子裸片203/300的一個(gè)或多個(gè)光纖217接收調(diào)制后的光信號(hào)?；谒邮盏恼{(diào)制后的光信號(hào)，在硅光子裸片203/300中可生產(chǎn)電信號(hào)，并經(jīng)由金屬互連207將電信號(hào)通信給一個(gè)或多個(gè)電子裸片205。例如，金屬互連207可包括銅柱?？蓮鸟罱又凉韫庾勇闫?03/300的光源組件209和/或從耦接至硅光子裸片203/300的一個(gè)或多個(gè)光纖217接收一個(gè)或多個(gè)CW光信號(hào)。
[0066]可利用一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器105A至10OT/307處理一個(gè)或多個(gè)所接收的CW光信號(hào)，例如，光調(diào)制器可包括馬赫一策德爾干涉儀(MZI)調(diào)制器。利用集成至硅光子裸片203/300中的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器IllA至111D/305，可在硅光子裸片203/300中生成電信號(hào)。利用光柵稱合器117A至117H/301/303,光信號(hào)可被通信入和/或被通信出娃光子裸片203/300。光源209可包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光器101。復(fù)合集成光通信系統(tǒng)100可包括多個(gè)收發(fā)器105/112/117/107/111 (A至F)。
[0067]盡管本發(fā)明通過參考某些實(shí)施方式來描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的范圍的前提下，可做出多種改變并可由等同物替換。此外，在不背離本發(fā)明的范圍的前提下，可做出許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的示教。因此，本發(fā)明旨在不受所公開的【具體實(shí)施方式】的限制，而本發(fā)明將包括所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種用于通信的方法，所述方法包括: 在包括硅光子裸片和利用金屬互連接合至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)電子裸片的復(fù)合集成光通信系統(tǒng)中: 在所述硅光子裸片中，從所述硅光子裸片外部的光源接收一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波(CW)光信號(hào); 基于經(jīng)由所述金屬互連從所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片接收到的電信號(hào)，處理所接收到的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)； 在所述硅光子裸片中，從耦接至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖接收調(diào)制后的光信號(hào); 基于所接收到的調(diào)制后的光信號(hào)，在所述硅光子裸片中生成電信號(hào)；以及 經(jīng)由所述金屬互連將所生成的電信號(hào)通信至所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述金屬互連包括銅柱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括從耦接至所述硅光子裸片的光源組件接收所述一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括從耦接至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖接收所述一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括利用一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器，處理所接收到的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器包括馬赫一策德爾干涉儀調(diào)制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括利用集成在所述硅光子裸片中的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器在所述硅光子裸片中生成所述電信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括利用光柵耦合器將光信號(hào)通信入和/或通信出所述硅光子裸片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光源包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)包括多個(gè)收發(fā)器。
11.一種用于通信的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 復(fù)合集成光通信系統(tǒng)，包括硅光子裸片和利用金屬互連接合至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)電子裸片，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為: 在所述硅光子裸片中，從所述硅光子裸片外部的光源接收一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波(CW)光信號(hào); 基于經(jīng)由所述金屬互連從所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片接收到的電信號(hào)，處理所接收的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)； 在所述硅光子裸片中，從耦接至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖接收調(diào)制后的光信號(hào); 基于所接收到的調(diào)制后的光信號(hào)在所述硅光子裸片中生成電信號(hào)；以及 經(jīng)由所述金屬互連將所生成的電信號(hào)通信至所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述金屬互連包括銅柱。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為從耦接至所述硅光子裸片的光源組件接收所述一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為從耦接至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖接收所述一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為利用一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器處理所述接收到的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制器包括馬赫一策德爾干涉儀調(diào)制器。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為利用集成在所述娃光子裸片中的一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器在所述娃光子裸片中生成所述電信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為利用光柵耦合器將光信號(hào)通信入和/或通信出所述硅光子裸片。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述光源包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體激光器。
20.一種用于通信的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 復(fù)合集成光通信系統(tǒng)，包括硅光子裸片和利用金屬互連接合至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)電子裸片，所述復(fù)合集成光通信系統(tǒng)能夠操作為: 在所述硅光子裸片中，從所述硅光子裸片外部的光源接收一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波(CW)光信號(hào); 基于經(jīng)由所述金屬互連從所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片接收到的電信號(hào)，調(diào)制所接收到的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)波光信號(hào)； 在所述硅光子裸片中，從耦接至所述硅光子裸片的一個(gè)或多個(gè)光纖接收調(diào)制后的光信號(hào); 基于所接收到的調(diào)制后的光信號(hào)在所述硅光子裸片中利用光電檢測(cè)器生成電信號(hào)；以及 經(jīng)由所述金屬互連將所生成的電信號(hào)通信至所述一個(gè)或多個(gè)電子裸片。
【文檔編號(hào)】H04B10/25GK103580751SQ201310342196
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月7日
【發(fā)明者】蒂埃里·潘蓋, 謝里夫·阿布達(dá)拉, 馬克·彼得森, 詹洛倫佐·馬西尼, 彼得·德多伯萊爾 申請(qǐng)人:盧克斯特拉有限公司