光电部件的制作方法

本发明涉及包括芯片的光电部件，所述芯片包括基底和至少一个被集成在所述芯片中的光波导。

背景技术：

现今可获得的光收发器(这是本领域技术人员使用的术语)用作用于将电数据信号转换为电信号(并且反之亦然)的发射器和接收器。主要的困难在于，本领域技术人员称为“封装”的用于光收发器的集成组件首先必须提供光子集成电路，其由波导、光学有源器件和诸如调制器、光电二极管、分光器和光耦合器的光学无源器件组成。其次，诸如调制器驱动器、跨阻抗放大器(TIA)、限幅放大器(LA)(这是本领域技术人员使用的术语)、时钟和数据恢复(CDR)(这是本领域技术人员使用的术语)和均衡器(这是本领域技术人员使用的术语)的电子部件是必要的，对于其已经存在来自微电子学的高度发展的连接技术。本发明是以尽可能紧凑的常见物理尺寸和形状并且以尽可能节省能量的方式、结合低的电和光损耗以及使用成本有效的构造技术来容纳这多个不同的部件。同时，旨在更高传输速率和数量的高效可扩展性必须是整个概念的一部分。

如已知的，可以通过引线接合(这是本领域技术人员使用的术语)，或者通过在不使用接合引线的情况下在布线基底(本领域技术人员称为“内插器”)(其例如由硅、陶瓷或聚合物构成)上、或直接在通常由印刷电路板(PCB)组成的基底上颠倒安装(本领域技术人员称为“倒装芯片”)，施加和电接触收发器的单独芯片。在这种情况下，存在其中光纤通过布线基底或基底中的开口被引导到光学芯片[1、2]或从上面被引导到没有电接触焊盘的区域中的变型。同样正在开发解决方案，其中光信号耦合到布线基底[3]中或者在一些概念中耦合到基底[1]中，在那里被引导并且从那里再次耦合输出。这里相当大的缺点是在每个转换处具有相应的阻尼损耗和耦合损耗的长信号路径。这些额外的损耗本身可能导致整个传输链路的端到端功率预算对于在实际传输介质(通常为光纤)中会发生的损耗不再有余量。

通常基于多模光纤中的信号传输的目前的商用光收发器包括用于光束偏转和成形的多种分立光学部件，例如微透镜、微棱镜、分束器和偏转镜。这些部件必须由机器定位和固定在载体上，这阻碍了简单的可扩展性。

技术实现要素：

从所描述的现有技术出发，本发明基于指定光电部件的目的，该光电部件具有简单且成本有效的总体结构。

根据本发明，通过具有权利要求1所述的特征的光电部件来实现该目的。在从属权利要求中指定了根据本发明的光电部件的有利配置。

因此，根据本发明提出，电光部件被单片集成在布置在基底的基底正面上的芯片的一个或多个半导体层中、或者在该基底的基底正面上，并且，单片集成的电光部件的至少一个电连接借助于连接线连接到位于基底背面下方的导体迹线连接，其中，连接线从电光部件穿过基底中的通孔延伸到位于基底背面下方的导体迹线连接。

根据本发明的部件或根据本发明的部件结构的主要优点是可实现光学连接侧与电连接侧之间的分离。在这方面，例如，光学连接侧可以布置在芯片的芯片正面上，并且电连接侧可以布置在芯片的芯片底面上。

因此如果光学连接中的至少一个(优选所有光学连接)布置在芯片的芯片正面上，并且电连接中的至少一个(优选所有的电连接)布置在芯片的芯片底面上，则这是特别有利的。

被单片集成的电光部件优选是光电探测器或调制器。

优选地，被集成的波导配备有或连接到偏转装置，偏转装置使要在芯片正面的方向上基本垂直地从波导耦合输出的光辐射偏转，或者使从芯片正面基本垂直入射的辐射偏转并将其耦合到波导中。

偏转装置优选由包含在波导中的光栅耦合器形成。

优选使用SOI(绝缘体上硅)材料作为芯片基材。因此，认为如果二氧化硅层位于基底上，并且硅覆盖层位于所述二氧化硅层上方，并且光波导和电光部件被集成在硅覆盖层中，则这是有利的。

此外，如果电部件被单片集成在布置在基底的基底正面上的芯片的一个或多个半导体层中、或在基底的基底正面上，并且单片集成的电部件的至少一个电连接借助连接线连接到位于基底背面下方的导体迹线连接，则这是有利的。

单片集成的电部件优选地是放大器或驱动器。

在光电部件的一个特别优选的配置中，提出使得至少一个被集成的波导或所述被集成的波导的至少一个在其波导端之一的区域中配备有或连接到偏转装置，由所述偏转装置将来自布置在芯片的芯片正面上的光源、并且基本上垂直于芯片正面地入射的光辐射耦合到波导内，并且所述至少一个被集成的波导或所述被集成的波导的至少一个在另一波导端的区域中配备有或连接到偏转装置，所述偏转装置对将在芯片正面的方向(特别是在布置在芯片正面上的光纤的方向、或布置在芯片正面上的光偏转元件的方向)基本垂直地从波导耦合输出的光辐射进行偏转。光源的至少一个电连接优选地借助连接线连接到位于基底背面下方的导体迹线连接。布置在波导端的区域中的偏转装置优选是引入在波导中的布拉格(Bragg)光栅。

优选地，调制器被单片集成在芯片中的两个波导端之间，所述调制器在耦合到光纤内之前对光源的辐射进行调制。

此外，如果至少一个集成的波导或所述集成的波导的至少一个在其波导端之一的区域中配备有或连接到偏转装置，由所述偏转装置将来自布置在芯片正面上的光纤、并且基本上垂直于芯片正面入射的光辐射耦合到波导内，并且所述至少一个集成的波导或所述集成的波导的至少一个在另一波导端的区域中连接到被单片集成在芯片中的光电探测器，则这是有利的。布置在波导端的区域中的偏转装置优选地是引入在波导中的布拉格光栅。

优选地，另外，跨阻抗放大器单片被集成在芯片中，所述跨阻抗放大器放大所述光电探测器的电信号。

此外，如果芯片由其下侧放置在印刷电路板上，所述印刷电路板形成用于位于芯片背面的所述电导体迹线连接的布线平面，则这是有利的。

在光电部件的另一有利的配置中提出，使得电部件被单片集成在布置在基底的基底正面上的芯片的一个或多个半导体层中、或在基底的基底正面上，所述被单片集成的电部件的至少一个电连接借助连接线连接到位于所述基底背面下方的导体迹线连接，其中所述连接线从电光部件穿过基底中的通孔延伸到位于基底背面下方的导体迹线连接，并且所述芯片由其下侧放置在印刷电路板上，所述印刷电路板形成用于位于基底背面上的所述电导体迹线连接的布线平面。印刷电路板优选地具有至少一条连接线，所述连接线将连接到电部件的导体迹线连接和连接到电光部件的导体迹线连接电互连。

另外，将包括芯片(其中所述芯片具有基底和被集成在芯片中的至少一个光波导)的光电部件认为是一种发明，其中提出，使得电部件被单片集成在布置在基底的基底正面上的芯片的一个或多个半导体层中、或者在所述基底的基底正面上，并且所述单片集成的电部件的至少一个电连接借助连接线连接到位于基底背面下方的导体迹线连接，其中，所述连接线从所述电部件穿过基底中的通孔延伸到位于基底背面下方的所述导体迹线连接。

优选地，附加地，将电光部件单片集成在布置在基底的基底正面上的芯片的一个或多个半导体层中、或在所述基底的基底正面上。优选地通过布置在所述基底的基底正面上的线连接电光部件和电部件。

具体实施方式

下面参照图1至17基于示例性实施例更详细地说明本发明。

图1以横截面示出了包括芯片110(优选为SOI芯片形式)的光电部件100的一个示例性实施例。芯片110包括硅基底形式的基底12、位于基底12的正面12a上的掩埋二氧化硅层11、位于二氧化硅层11上的硅层10a、和位于硅层10a上的材料层组件10。材料层组件10形成芯片110在术语中的所谓的“生产线后道工序”(“backend of line”)区域。

在芯片110中集成光波导20，所述光波导优选地是在硅层10a中体现的脊波导。此外，电光部件30被单片集成在芯片110中，优选地在硅层10a中。电光部件30借助连接线41连接到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43。连接线41从电光部件30穿过基底12中的通孔42延伸到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43。

连接线41可以分段承载在芯片110的芯片正面上，或者(如图1所示)集成在材料层组件10内。在这两种情况下，连接线41的一部分优选地在芯片110的芯片正面的方向上穿过在材料层组件10中或在芯片110的“生产线后道工序”区域中的孔40、或者穿过所述材料层组件10的一个或多个层中的孔40而延伸。

图2以平面图示出了根据图1的光电部件100。

图3以平面图示出了包括SOI芯片形式的芯片110的光电部件100的另一示例性实施例。将光波导20、光栅耦合器21、以及以控制电子器件50形式的电部件单片集成到位于掩埋二氧化硅层11(参见图1)上的芯片110的硅层10a(参见图1)内。对于其余部分，结合图1和图2的上述说明相应地适用。

在图4至13中示出光电部件的进一步优选的示例性实施例。

图4以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，该光电部件100与其它部件一起定位在布线基底61上，并且用灌封材料60密封。布线基底61经由用于电接触的连接65而连接到载体基底62。在光电部件100旁边，一个或多个电子芯片63位于布线基底61上，所述电子芯片经由电接触64连接到布线基底61。

位于“生产线后道工序”区域10中的芯片110的正面上的是一个或多个单片集成透镜23，用于位于光电部件100上的一个或多个激光器70的出射光辐射LOR的光耦合，所述激光器经由电接触45连接到芯片110中的通孔42。

一条或多条光纤80以使得一条或多条光纤80平行于芯片正面110运行的方式连接到安插在光电部件100上的插头81，所述插头包含偏转光学单元82。由偏转光学单元2偏转的光辐射FCR经由诸如光栅耦合器21的偏转单元耦合到一个或多个波导20，并且例如在单片集成电光部件30中被处理。

图5以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，其中一个或多个激光器70在光电部件100的旁边位于布线基底61上，并且出射光辐射LOR通过在一个或多个激光器70中或上的透镜24并且通过一个或多个波导20的相邻端面耦合入芯片110，并且例如在单片集成电光部件30中被处理。

图6以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，其中单片集成电光部件是调制器31。

图7以平面图示出了根据图6的光电部件100。

图8以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，其中单片集成电光部件是光电探测器32。

图9以平面图示出了根据图8的光电部件100。

图10以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，其中一条或多条光纤80以使得一条或多条光纤80在芯片正面110的方向上基本垂直地指向的方式连接到安插在光电部件100上的插头81。光辐射FCR经由诸如光栅耦合器21的偏转单元耦合到一个或多个波导20，并且例如在无源光子部件22中被处理。

图11以横截面示出光电部件100的一个示例性实施例，其中一条或多条光纤80以使得一条或多条光纤80平行于芯片正面110运行的方式连接到安插在光电部件100上的插头81，所述插头包含偏转光学单元82。由偏转光学单元2偏转的光辐射FCR经由诸如光栅耦合器21的偏转单元耦合到一个或多个波导20，并且例如在无源光子部件22中被处理。

图12以横截面示出了光电部件100的一个示例性实施例，其中一个或多个单片集成透镜23在“生产线后道工序”区域10位于芯片110的正面上，所述透镜用于位于光电部件100上的一个或多个激光器70的出射光辐射LOR的光耦合，所述激光器经由电接触45连接到芯片110中的通孔42。从一个或多个激光器70的下侧出射的光辐射LOR经由诸如光栅耦合器21的偏转单元耦合到一个或多个波导20，并且例如在单片集成电光部件30中被处理。

图13以横截面示出光电部件100的一个示例性实施例，其中一个或多个激光器70位于光电部件100上，所述激光器经由电接触45连接到芯片110中的通孔42。从一个或多个激光器70侧向出射的光辐射LOR由诸如光栅耦合器21的偏转单元中的光束偏转27引导，并耦合到一个或多个波导20，并且例如在单片集成电光部件30中被处理。

图14示出了根据本发明的光电部件100的另一示例性实施例。部件100包括芯片110，芯片110包括基底12和集成在芯片110中的至少一个光波导20。

电光部件30单片集成在布置在基底12的基底正面12a上的芯片110的一个或多个半导体层中、或在基底12的基底正面12a上。

单片集成电光部件30的至少一个电连接借助连接线41连接到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43。

连接线41从电光部件30穿过基底12中的通孔42延伸到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43。

另外，电部件50被单片集成在布置在基底12的基底正面12a上的芯片110的一个或多个半导体层中、或在基底12的基底正面12a上。

单片集成的电部件50的至少一个电连接借助连接线41a连接到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43a。

连接线41a从电部件50通过基底12中的通孔42a延伸到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43a。

芯片110由其下侧放置在印刷电路板610上，印刷电路板610形成用于位于芯片背面或基底背面12b上的电导体迹线连接43和43a的布线平面。印刷电路板610包括至少一条连接线46，其将连接到电部件50的导体迹线连接43a和连接到电光部件30的导体迹线连接43电互连。

图15示出了根据本发明的光电部件100的另一实施例。部件100包括芯片110，芯片110包括基底12和集成在芯片110中的至少一个光波导20。

电光部件30和电部件50被单片集成在布置在基底12的基底正面12a上的芯片110的一个或多个半导体层中、或在基底12的基底正面12a上。

单片集成的电部件50的至少一个电连接借助连接线41a连接到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43a。

连接线41a从电部件50穿过基底12中的通孔42a延伸到位于基底背面12b下方的导体迹线连接43a。

芯片110的底面放置在印刷电路板610上，印刷电路板610形成用于位于芯片背面或基底背面12b上的电导体迹线连接43a的布线平面。

印刷电路板610包括至少一条连接线46，其将连接到电部件50的导体迹线连接43a连接到另一个部件(为了清楚起见在图15中未示出)。

电光部件30和电部件50借助布置在基底12的基底正面12a上的至少一条线620连接。

在根据图14和15的示例性实施例中，电部件50在每种情况下直接在基底12上，并且在每种情况下在高度上终止(向上)于在硅层10a中的波导20。换句话说，电部件50在每种情况下从基底12直接延伸到位于二氧化硅层上的硅层10a中。

根据图16和17的示例性实施例分别对应于根据图14和15的示例性实施例，除了电部件50的构造之外。在根据图16和17的示例性实施例中，在每种情况下，电部件50分别完全设置在硅层10a中；对于其余部分，与根据图14和15的示例性实施例相关的说明相应地适用于根据图16和17的示例性实施例。

虽然已经借助优选的示例性实施例更详细地图示和描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以从中导出其他变化，而不脱离本发明的保护范围。

文献

[1]H.T.Bierhoff and D.Craiovan,"Anforderungen undzuroptoelektronischen und mikrooptischen Montage auf"Cooperative Computing&Communication Laboratory,C-Lab Report 9,6,2010.

[2]F.E.Doany,B.G.Lee,C.L.Schow,C.K.Tsang,C.Baks,Y.Kwark,R.John,J.J.Knickerbocker and J.A.Kash,"Terabit/s-class 24-channel bidirectional optical transceiver module based on TSV Si carrier for board-level interconnects,"in ECTC,Electronic Components and Technology Conference,Piscataway,NJ:IEEE,2010,pages 58-65.

[3]P.de Dobbelaere,G.Young and M.Peterson,"Method And System For A Photonic Interposer",USA 13/422,776,July 12,2012.

附图标记：

10 材料层组件

10a 硅层

11 二氧化硅层

12 基底

12a 基底正面

12b 基底背面

20 光波导

21 光栅耦合器

22 无源光子部件

23 在“生产线后道工序”区域中的单片集成透镜

24 激光器内或上的透镜

27 光束偏转

30 单片集成电光部件

31 单片集成电光调制器

32 单片集成光电二极管/光电探测器

40 孔

41 连接线

41a 连接线

42 通孔

42a 通孔

43 导线迹线连接

43a 导体迹线连接

44 用于在布线基底上的电接触的连接

45 用于激光芯片的电接触的连接

46 连接线

50 单片集成控制电子器件(协整)

60 灌封材料

61 布线基底

62 载体基底(例如，印刷电路板(PCB))

63 电子芯片

64 用于电子芯片与布线基底的电接触的连接

65 用于布线基底与载体基底的电接触的连接

70 激光器

80 光纤

81 光纤插头

82 光纤插头中的偏转光学单元

100 光电部件

110 芯片

610 印刷电路板

620 线