专利名称：全硅基材料光收发模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及光互连技术领域，尤其是一种全硅基材料光收发模块。
背景技术：
光互连被认为是解决电互连速度慢，功耗高，串扰严重等问题的最有潜力的替代 方案，同时在光纤通信与中远距离互连中也有重要的应用。光互连与常规的金属互连相 比，具有卓越的潜在优势，这些优势是基于光与电固有的物理特性差别。光信号和电信号都 是电磁波，不同之处在于它们的振荡频率f，对光波和电波来说其频率分别约为IO14 ^ f^ 彡IO15和10"Ηζ。典型的光频率至少比信号带宽大3个数量级。这意味着调制光波 对信号带宽有着巨大的处理能力。大的光频率具有产生短脉冲的能力，短脉冲对消除时钟 歪斜具有至关重要的作用。同时，光本身也是良好的电压隔离器，对降低器件功耗也有重要 意义。目前的光互连模块基本上都应用于中远距离互连及板-板通信，采用垂直腔面发射 激光器(VCSEL)和光电探测器构成。然而，随着集成电路之间及集成电路内部对互连需求 的增长，上述方案的缺点也十分明显，主要在于VCSEL在集成电路内部的高温环境下的热 稳定性极差，同时所使用的材料也与硅集成电路的材料不兼容，不能采用微电子工艺批量 生产，成本居高不下。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种全硅基材料光收发模块，具有与微电 子工艺兼容，可以批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，尤其适合于集成电路间及集成 电路内部的光互连。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种全硅基材料光收发模块，该模块包括光发射 部分1和光接收部分2，其中光发射部分1包括光调制器101 ；通过第一光波导104连接于光调制器101的第一光耦合器102 ；通过第二光波导105连接于光调制器101的第二光耦合器103 ；以及连接于光调制器101的光调制器匹配网络106 ；光接收部分2包括第三光耦合器202;光电探测器201;以及光电探测器匹配网络204 ；第三光耦合器202、光电探测器201和光电探测器匹配网络204依次连接，且第三光耦合器202通过第三光波导203连接于光电探测器201 ；其中，在光发射部分1，第一光耦合器102将外界光信号耦合进入第一光波导104， 第一光波导104与光调制器101输入端相连，电信息通过光调制器匹配网络106加载至光 调制器101，光调制器101将电信息转化为光信息，并通过第二光波导105进行传输，第二 光波导105中的光信息经过第二光耦合器103耦合入光纤进行传输；在光接收部分2，第三 光耦合器202将光纤中的光信息耦合入第三光波导203，第三光波导203与光电探测器201 相连，转换后的电信号通过光电探测器匹配网络204输出。上述方案中，所述硅基材料是绝缘体上的硅SOI材料，或者是体硅材料，或者是硅 衬底上的化合物半导体材料。上述方案中，所述光调制器101是电光调制器，或者是热光调制器，或者是微机械 调制器，用于完成电信息与光信息的转换，在电信息的作用下对经由光波导输入的光进行 调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调制器101的输出端通过光波导进行传输。上述方案中，所述第一光耦合器102、第二光耦合器103或第三光耦合器202是光 栅耦合器，或者是锥形耦合器，或者是微镜耦合器，用于将光纤中的光高效耦合进入光波导 中进行传输。上述方案中，所述第一光波导104、第二光波导105或第三光波导203是硅衬底上 的半导体材料光波导，或者是硅光波导，或者是聚合物光波导。上述方案中，所述光调制器匹配网络106用于作为光调制器101与电学驱动信号 的接口，完成光调制器101与外界电传输网络的阻抗匹配及输入信号整形。上述方案中，所述光电探测器201是硅探测器，或者是化合物半导体探测器，用于 将光信息重新转换为电信息，通过光电探测器匹配网络204输出。(三)有益效果本发明全硅基材料光收发模块，在硅平台上充分发挥微电子工艺技术成熟、可以 批量生产，制造成本低，工作稳定等优点，在硅基平台上，采用CMOS集成工艺，一次性制备 光耦合器、光调制器、光波导、光调制器与光电探测器匹配网络、光探测器等元件，集成度 高，适合于集成电路间及集成电路内部的光互连。
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的 描述，其中图1是本发明提供的全硅基材料光收发模块的方框图。图2是本发明一实施例的原理示意图。图3是本发明应用于集成电路间互连的原理示意图。图4是本发明应用于集成电路内部互连的示意图。附图标记说明光发射部分 1光接收部分 2光调制器101第一光耦合器102
第二光耦合器103第一光波导104第二光波导105光调制器匹配网络106光电探测器201第三光耦合器202第三光波导203光电探测器匹配网络20具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，本发明提供的全硅基材料光收发模块包括光发射部分1和光接收部 分2，其中光发射部分1包括光调制器101、第一光耦合器102、第二光耦合器103、第一光波 导104、第二光波导105，以及光调制器匹配网络106 ；光接收部分2包括光电探测器201、第 三光耦合器202、第三光波导203以及光电探测器匹配网络204。在光发射部分，利用一恒定的激光器或发光二级光器件作为外界光信号，此信号 光通过光纤通路连接到第一光耦合器102的输入端；第一光耦合器102是光栅耦合器、锥形 耦合器或微镜耦合器，其作用是将光纤中的光高效耦合进入光波导中进行传输。电信息通 过光调制器匹配网络106加载至光调制器101，光调制器匹配网络106的主要作用是作为光 调制器101与电学驱动信号的接口，完成光调制器101与外界电传输网络的阻抗匹配及输 入信号整形。光调制器101可以是硅或硅基材料的电光、热光、微机械调制器，其主要作用 是完成电信息与光信息的转换。光调制器101将在电信息的作用下对经由光波导输入的光 进行调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调制器101的输出端通过光波导进行传输。 光波导中的已经经过光调制的光信息又经过第二光耦合器103耦合入光纤进行传输。在光接收部分2，第三光耦合器202将光纤中的光信息耦合入第三光波导203，第 三光波导203与光电探测器201相连，光电探测器201可以是硅PIN结构光电探测器或是 硅基结构上其他材料如SiGe、Ge、InP, GaAS等化合物半导体材料探测器。光电探测器201 将光信息重新转换为电信息，通过光电探测器匹配网络204输出，进行电信号的处理。图2给出了图1所示全硅基材料光收发模块的一种具体实施方式
，为一种SOI材 料上的全硅光收发模块。图中，在光发射部分，利用一恒定的激光器作为外界光信号，此信 号光通过光纤通路连接到光耦合器的输入端；光耦合器是SOI光栅耦合器，其作用是将光 纤中的光高效耦合进入SOI亚微米光波导中传输；调制器为SOI马赫-曾德尔结构电光调 制器，电信息通过光调制器匹配网络加载至SOI电光调制器，SOI电光调制器匹配网络有阻 抗匹配网络和滤波网络构成，将外界电传输网络的阻抗匹配及输入信号整形。在电信息的作用下，由于硅载流子色散效应，SOI电光调制器的调制臂折射率发生 改变，从而在干涉输出端实现对光信号的调制，将电信息转化为光信息，并在光调制器的输 出端通过硅亚微米光波导进行传输，经过SOI光栅耦合器耦合入光纤进行传输。在光接收部分，SOI光耦合器将光纤中的光信息耦合入光波导，光电探测器为硅PIN结构光电探测器，可以通过材料生长的方式或者键合的方式实现与亚微米波导的连接。本实施例中，采用了在SOI亚微米波导的另一段制造SOI硅光栅耦合器，然后通过 键合的方式实现硅PIN结构光电探测器与SOI亚微米波导的连接；探测器将光信息重新转 换为电信息，通过光电探测器匹配网络输出。图3是本发明应用于集成电路间互连的原理示意图。集成电路的输出数据作为光 调制器的驱动信号，两块集成电路间采用光纤互连。图4是本发明应用于集成电路内部互连的示意图。集成电路内部两个不同模块之 间，分别集成硅基光收发模块，通过波导实现光路通路，两个光收发模块可以集成在一起， 制成光收发芯片，同理，可以将更多功能的收发模块集成在一起制备光收发芯片。综上所述，本发明全硅基材料光收发模块至少具有以下优点1、本发明全硅基材料光收发模块所采用器件的工艺均简单且易于实现，成本低 廉，合格率高。2、本发明全硅基材料光收发模块均采用了硅基材料或与硅基工艺兼容的材料，集 成度高，适合于短距离及甚短距离光互连。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种全硅基材料光收发模块，其特征在于，该模块包括光发射部分(1)和光接收部分(2)，其中光发射部分(1)包括光调制器(101)；通过第一光波导(104)连接于光调制器(101)的第一光耦合器(102)；通过第二光波导(105)连接于光调制器(101)的第二光耦合器(103)；以及连接于光调制器(101)的光调制器匹配网络(106)；光接收部分(2)包括第三光耦合器(202)；光电探测器(201)；以及光电探测器匹配网络(204)；第三光耦合器(202)、光电探测器(201)和光电探测器匹配网络(204)依次连接，且第三光耦合器(202)通过第三光波导(203)连接于光电探测器(201)；其中，在光发射部分(1)，第一光耦合器(102)将外界光信号耦合进入第一光波导(104)，第一光波导(104)与光调制器(101)输入端相连，电信息通过光调制器匹配网络(106)加载至光调制器(101)，光调制器(101)将电信息转化为光信息，并通过第二光波导(105)进行传输，第二光波导(105)中的光信息经过第二光耦合器(103)耦合入光纤进行传输；在光接收部分(2)，第三光耦合器(202)将光纤中的光信息耦合入第三光波导(203)，第三光波导(203)与光电探测器(201)相连，转换后的电信号通过光电探测器匹配网络(204)输出。
2.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述硅基材料是绝缘体 上的硅SOI材料，或者是体硅材料，或者是硅衬底上的化合物半导体材料。
3.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述光调制器(101)是电 光调制器，或者是热光调制器，或者是微机械调制器，用于完成电信息与光信息的转换，在 电信息的作用下对经由光波导输入的光进行调制，从而将电信息转化为光信息，并在光调 制器(101)的输出端通过光波导进行传输。
4.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述第一光耦合器 (102)、第二光耦合器(103)或第三光耦合器(202)是光栅耦合器，或者是锥形耦合器，或者 是微镜耦合器，用于将光纤中的光高效耦合进入光波导中进行传输。
5.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述第一光波导(104)、 第二光波导(105)或第三光波导(203)是硅衬底上的半导体材料光波导，或者是硅光波导， 或者是聚合物光波导。
6.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述光调制器匹配网络(106)用于作为光调制器(101)与电学驱动信号的接口，完成光调制器(101)与外界电传输 网络的阻抗匹配及输入信号整形。
7.根据权利要求1所述的全硅基材料光收发模块，其特征是，所述光电探测器(201)是 硅探测器，或者是化合物半导体探测器，用于将光信息重新转换为电信息，通过光电探测器 匹配网络(204)输出。
全文摘要
本发明涉及光互连技术领域，公开了一种全硅基材料光收发模块，包括光发射部分和光接收部分。光发射部分包括光调制器、第一光耦合器、第二光耦合器、第一光波导、第二光波导和光调制器匹配网络。光接收部分包括光电探测器、第三光耦合器、第三光波导和光电探测器匹配网络。第一光耦合器将外界光信号耦合进入第一光波导，输入光调制器，电信息通过光调制器匹配网络加载至光调制器，光调制器将电信息转化为光信息，并通过第二光波导进入第二光耦合器耦合入光纤进行传输。第三光耦合器将光纤中的光信息耦合入第三光波导，转换后的电信号通过光电探测器匹配网络输出。本发明采用硅基材料制备，可高度集成化、小型化，适合于片间及片内光互连的应用。
文档编号G02B6/42GK101995617SQ200910091399
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者余金中, 俞育德, 李运涛 申请人:中国科学院半导体研究所