用于光子集成电路的多模波导系统和连接器的制作方法

用于光子集成电路的多模波导系统和连接器
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请基于2020年4月15日提交的临时美国专利申请第63/010,394号和2020年10月8日提交的美国专利申请第63/089,346号，并根据35u.s.c.119(e)要求上述两件申请的国内优先权。出于所有目的，上述两件申请的公开内容在此通过引用整体并入本文中。
技术领域
3.本公开内容大体上涉及光子集成电路(pic)系统，并且更具体地，涉及具有多模波导和多模波导连接器的pic系统。


背景技术：

4.在pic系统中，由于pic系统的铜迹线向零塌陷，光连接器在片上系统(soc)紧邻处变得拥挤。不幸的是，对于这种拥挤的总线环境，没有光输入/输出(i/o)标准。pic的输入输出(相当于电气系统的i/o缓冲器和焊盘)——也被称为片外光总线——没有任何候选解决方案、行业共识或标准活动。缺乏这样的解决方案是涉及pic部件的连接器制造商面临的近期挑战。
5.印刷光学板(pob)的设计有了新的发展，以将嵌入式波导包括在电路板内。图1示出了示例pob系统。具体地，图1示出了嵌入在印刷电路板(pcb)材料中的光波导芯层和工艺。箭头指示从光学模块到soc的光路的方向。由于光学层和电气层在制造中对准，因此组装壳体不需要提供额外的对准。然而，材料系统需要新的层压工艺，这增加了成本并产生未知的现场产品可靠性。


技术实现要素：

6.本文描述的示例实现方式涉及一种系统，其包括具有多模波导并连接至印刷光学板的一个或更多个光子集成电路。该印刷光学板可以包括嵌入式多模波导总线以促进去往和来自光子集成电路的光信号。该系统还可以包括小芯片，例如被配置成连接至光纤电缆的具有单模波导的光子集成电路。
7.本文描述的示例实现方式涉及集成到系统中的多模波导连接器，该系统包括具有多模波导并连接至印刷光学板的一个或更多个光子集成电路。该多模波导连接器可以包括：绝热锥形部分，该绝热锥形部分促进从单模光信号到多模光信号的转变；以及棱镜部分，该棱镜部分与多模波导进行接口连接并且被配置成将多模光信号引导至绝热锥形部分和从绝热锥形部分引导多模光信号。
8.本公开内容的各方面涉及一种系统，具有：一个或更多个多模波导(mmw)光子集成电路(pic)，所述一个或更多个mmw pic中的每一个包括通过双向信道连接至嵌入式数字均衡器的mmw，所述嵌入式数字均衡器被配置成实施电信号到光信号转换以及光信号到电信号转换；印刷光学板(pob)，其包括与一个或更多个mmw pic的mmw连接的嵌入式mmw总线；以及连接至pob的smw总线的单模波导(smw)pic，该smw pic包括通过双向信道连接至另一嵌
入式数字均衡器的smw，该另一嵌入式数字均衡器被配置成实施电信号到光信号转换以及光信号到电信号转换。
9.本公开内容的各方面可以进一步涉及一种多模波导连接器，该多模波导连接器可以包括：被配置成与多模波导接合的棱镜部分；以及绝热锥形部分，该绝热锥形部分具有与棱镜部分进行接口连接的基部以及与单模波导进行接口连接的顶部，所述基部比所述顶部宽。
10.本公开内容的各方面可以进一步涉及一种波导连接器，该波导连接器可以包括被配置成与第一波导接合的棱镜部分；以及绝热锥形部分，该绝热锥形部分具有与棱镜部分进行接口连接的基部以及与第二波导进行接口连接的顶部，所述基部比所述顶部宽。
11.本公开内容的各方面可以进一步涉及一种系统，具有：包括一个或更多个多模波导的一个或更多个光子集成电路；以及连接至所述一个或更多个多模波导的一个或更多个多模波导连接器，所述一个或更多个多模波导连接器中的每一个包括：棱镜部分，该棱镜部分被配置成与所述一个或更多个多模波导接合；以及绝热锥形部分，该绝热锥形部分包括与棱镜部分进行接口连接的基部以及与单模波导进行接口连接的顶部，所述基部比所述顶部宽。
附图说明
12.图1示出了相关技术的示例印刷光学板(pob)系统。
13.图2示出了根据示例实现方式的包括针对pic的多模波导的示例系统。
14.图3示出了来自针对pic的多模波导实现方式的示例损伤。
15.图4示出了根据示例实现方式的系统中的pic的示例。
16.图5示出了根据示例实现方式的具有绝热锥形部分的波导连接器的示例横截面。
17.图6示出了根据示例实现方式的波导连接器的示例配置。
18.图7示出了根据示例实现方式的波导连接器的另一示例配置。
具体实施方式
19.以下详细描述提供了本技术的附图和示例实现方式的更多细节。为了清楚起见，省略了附图之间的冗余元件的附图标记和描述。在整个说明书中使用的术语是作为示例提供的并且不旨在是限制性的。本文描述的示例实现方式可以单独使用，或者与本文描述的其他示例实现方式组合使用，或者与任何其他期望的实现方式组合使用。
20.在包括具有嵌入式波导的pob的pic系统中，需要光连接器来促进板到光模块之间以及板到芯片之间的接口。因为铜迹线长度最终将变为零，所以光至电的系统和接口将使得小芯片最终正好设置在封装上。
21.因此，本文描述的示例实现方式涉及包括与pob集成的多模波导的系统。
22.图2示出了根据示例实现方式的示例系统。在图2中所示的示例实现方式中，存在一个或更多个多模波导(mmw)pic 206，所述多模波导(mmw)pic 206连接至pob 210以与小芯片208接口连接，所述小芯片208通过波导到光纤电缆连接器202连接至超光纤电缆203。一个或更多个mmw pic 206中的每一个包括被配置成促进从mmw pic到pob的光信号的mmw 205，并且经由双向信道连接至被配置成实施电信号/光信号转换的嵌入式数字均衡器201。
在本文所描述的系统中，取决于期望的实现方式，mmw pic 206和pic 208可以被配置成实施聚合、光交换(例如，交换功能)和电功能。这样的实现方式可以避免相关技术的单模方法。
23.嵌入式数字均衡器201被配置成：针对从mmw pic 206到mmw 205的出口信号实施电信号到光信号的转换，或者针对从mmw 205到mmw pic 206的进口信号实施光信号到电信号转换。在示例实现方式中，嵌入式数字均衡器201可以包括串行器/解串器(serdes)线性或非线性均衡器方案，以对mmw 205将产生的损伤进行补偿。由mmw 205(来自多模波导或光纤)引起的损伤是如图3所示的模态色散的形式。这是确定性噪声如反射和插入，其可以由嵌入式数字均衡器201补偿，无论嵌入式数字均衡器201是线性均衡器还是非线性均衡器。嵌入式数字均衡器201通过芯片到波导连接器211在mmw pic 206与mmw 205之间接口连接。如本文所述，嵌入式数字均衡器201用于光路上的信道信号损伤。
24.mmw总线204包括嵌入在pob 210中的波导，所述波导经由波导到波导连接器207连接至pic 206以聚合通过pob 210的光信号。波导到波导连接器207是光信号到光信号接口，该光信号到光信号接口针对出口信号引导光信号沿信号流方向200通过mmw总线204，或者针对进口信号引导光信号从mmw总线204到mmw pic 206。
25.pic 208可以包括mmw pic和单模波导(smw)pic两者，并且被配置成通过波导到光纤电缆连接器202连接至超光纤电缆203。pic 208还通过芯片到波导连接器211连接至pob 210，以将pic 208与mmw总线204接口连接。类似地，pic 208也可以包括均衡器，以针对从mmw pic 206到pic 208的出口信号200促进光信号到电信号，或者针对进口信号促进电信号到光信号到mmw总线204。pic 208被配置成将通过芯片到波导连接器211从mmw总线204接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号可以被转换为光信号以输出至超光纤电缆203诸如单模光纤(smf)电缆。
26.在图2的示例中，pic 206可以是传输pic(tpic)的形式，并且pic 208可以是交换机pic(swpic)的形式。在本文描述的示例实现方式中，tpic被配置成具有由波导连接器211促进的多模波导接口，而交换机pic具有多模波导接口以及用于电缆203的smf接口两者。
27.图4示出了根据示例实现方式的pic 208的示例图。pic 208是具有两部分mmw pic 401和smw pic 402的混合模波导(hmw)pic。mmw pic 401和smw pic 402通过光到电转换和电到光转换结合在一个封装中，在mmw pic 401的端口侧连接至pob 210的mmw总线204，并且还在smw pic 402的端口侧连接至pob 210的smw总线或smf 203(例如，通过从pob平面直接飞越)。取决于期望的实现方式，mmw pic 401还可以分离为自封装部分(例如，在hmw pic外部)，或者可以作为子模块或封装集成在hmw pic中。这些部分中的每一个都配备有其自身类型的嵌入式数字均衡器，该嵌入式数字均衡器对着每个物理介质。嵌入在mmw pic 401中的嵌入式数字均衡器404用于mmw信道补偿并补偿pob中的mmw，而嵌入在smw pic 402中的嵌入式数字均衡器403用于smf信道补偿并且补偿smf 203和连接至复用器/解复用器406的smw。
28.mmw pic 401被配置成促进hmw pic与pob 210中的mmw总线204之间的连接。类似地，smw pic 402被配置成促进hmw pic与smf 203之间的平面外连接性。根据期望的实现方式，smw pic 402还可以连接至pob 210中的smw总线。smw pic 402还可以包括通过双向信道连接至嵌入式数字均衡器的smw，该嵌入式数字均衡器被配置成实施电信号到光信号转
换和光信号到电信号转换。
29.hmw pic被配置成通过另一嵌入式数字均衡器将来自嵌入式mmw总线204的聚合光信号转换为电信号，并将电信号转换为光信号以输出至smw光纤电缆203。取决于期望的实现方式，这样的转换可以通过集成功能例如业务疏导来实现，该业务疏导在电气处理阶段的中间进行交换以及/或者进行复用和解复用。
30.取决于期望的物理布局，mmw pic部分401在该部分内部可以具有或不具有mmw，并且smw pic部分402在其自身内部可以具有或不具有smw。取决于期望的实现方式，每个均衡器补偿外部mmw/smf或内部mmw/smw。在这些示例实现方式中，smf是smw的子集。
31.mmw pic部分401可以在光域中具有其他功能，例如在mm域中配置的osw(光交换机)405。类似地，smw pic部分402可以在光域中具有其他功能，例如在sm域中的osw(光交换机)。
32.osw功能可以在任何正交物理介质诸如多λ载波、频率子载波、时域多址、频域多址等中定义。
33.本文描述的是可以用于将pic与mmw总线接口连接的波导连接器211的示例实现方式。
34.图5示出了根据示例实现方式的具有绝热锥形部分的波导连接器的示例横截面。在本文描述的波导连接器211的示例中，存在被配置成处理多模光信号传输的棱镜部分500以及具有从基部(大面积)到顶部(小面积)的绝热锥形(小面积到大面积以进行光模的转变)的另一部分501，该另一部分501促进单模光信号传输。棱镜部分可以包括一个或更多个镜502以促进棱镜功能。绝热锥形部分501可以用作将多模光信号转换为单模光信号的接口，并且可以用作将单模光信号转换为多模光信号的接口。如本文将描述的，波导连接器还可以包括主体部分，该主体部分可以根据期望的实现方式从10cm的长度调整到100cm的长度。
35.绝热锥形部分501从窄到宽从单模波导进行到棱镜部分，以促进从单模到多模的转变。在示例实现方式中，绝热锥形部分的顶部可以包括与单模波导接口连接并且通常面积小(例如，9μm
×
9μm)的方形形状部分，该方形形状部分也可以匹配波导连接器与模源503的接口的宽度尺寸。棱镜部分500被配置成与模源503诸如pob 210的mmw总线204的mmw 205接口连接。
36.图6示出了根据示例实现方式的波导连接器的示例配置。具体地，图6示出了波导连接器接口，其具有与mmw 205接口连接的棱镜部600、在绝热锥形部分与棱镜部之间承载光信号的主体部分601以及被配置成将多模光信号转换为单模光信号以及将单模光信号转换为多模光信号的绝热锥形部分602。
37.棱镜部分600被配置成相对于绝热锥形部分602和主体部分601正交地与mmw 205接口连接。为了与mmw 205接口连接，棱镜部分600的接口的尺寸可以是如下形式：50μm
×
50μm的方形形状或者是根据期望的实现方式的其他形状。棱镜部分可以具有10mm与500mm之间的长度，以便被配置成：将多模光信号从mmw 205经由主体部分601引导朝向绝热锥形部分602的宽部；以及还将多模光信号从绝热锥形部分602的宽部经由主体部分601引导到mmw 205以及经由棱镜部分600引导到多模光信号的正交重定向。
38.图6的示例中的主体部分601被配置成促进多模光学信号在棱镜部分600与绝热锥
形部分601之间的传输。如图6所示，主体部分601将绝热锥形部分602的基部与棱镜部分600接口连接，并且被配置成将多模光信号引导至棱镜部分600或者引导至绝热锥形部分602的基部。根据期望的实现方式，主体部分也可以省略，使得多模光信号直接在棱镜部分600与绝热锥形部分602之间传输。在这种配置中，绝热锥形部分602的基部直接接口连接至棱镜部分600，而不是经由主体部分601与棱镜部分600接口连接。
39.如图6所示，主体部分601是矩形形状的(例如，以矩形平行六面体的形式)，以促进多模光信号沿着矩形形状的长度从棱镜部分转移到绝热锥形部分。
40.绝热锥形部分602被配置成锥体的形式，其中宽部朝向基部，而窄部朝向顶部以便比基部窄。然而，也可以使用具有绝热锥形的其他形状，并且本公开内容不限于此。在该示例中，绝热锥形部分602的顶部是方形(例如，9μm
×
9μm)的形式，其被配置成接收单模光信号并与单模波导、smw pic或单模光电缆接合，其中，绝热锥形部分602通过锥体的窄结构到宽结构将单模光信号转变为多模光信号。此外，多模光信号还可以通过锥体的宽部结构到窄部结构转变为单模光信号。
41.图7示出了根据示例实现方式的波导连接器211的另一示例配置。在图7的示例配置中，连接器保持与图6相同的结构以包括棱镜部分700、主体部分701和绝热锥形部分702以促进相同的功能。在该示例配置中，连接器设置在具有粘合剂和覆层材料704的基板703上，并且绝热锥形部分702是以具有作为顶部的窄矩形部分的三角形的形式。基板703用于支撑波导连接器211并且可以根据期望的实现方式由任何材料制成。通过图7的示例实现方式，波导位置因此可以更容易地调整并通过附接到基板703附到外围部件。
42.在示例中，波导连接器211通过通孔被插入以与小芯片208接口连接。小芯片208将电信号转换为单模光信号，并将单模光信号引导至绝热锥形部分的顶部中(例如，通过图7的示例中的窄矩形顶部)。
43.在示例中，波导连接器211由聚合物制成并且用具有比单模波导或多模波导低的反射率的涂层包覆。在这样的示例中，棱镜部分的接口部分和绝热锥形部分的顶部没有被涂覆，而是具有与相应的接口波导的反射率类似的反射率。
44.此外，可以在棱镜结构的一端上添加金属涂层，以促进多模光信号的正交重定向。金属涂层包含在棱镜部分的角度(例如，45度)表面上。金属涂层的厚度大致小于或等于一微米以促进棱镜部分所需的反射并降低成本。金属涂层的示例可以是金；然而，可以根据期望的实现方式使用其他涂层。
45.通过本文描述的示例实现方式，配备有具有线性衰减的线性滤波器的mmw波导中使用的嵌入式数字均衡器(电/光)可以由此促进100千兆或更高的输出。这样的示例实现方式可以适用于数据中心，所述数据中心通过单模光纤电缆来传输信号。
46.尽管关于在pic与mmw波导的单模接口之间的波导连接器接口描述了该系统，但是本文描述的示例实现方式不限于此，并且可以根据期望的实现方式进行修改。例如，发射pic或接收pic可以具有用于mmw波导的多模光学接口而不是单模接口，于是pic的多模光学接口可以被配置成与连接器相互作用。此外，取决于期望的实现方式，mmw总线204可以反而由单模波导总线代替，使得连接器促进pic的单模接口或pic的多模接口到单模波导总线的单模波导之间的光信号。因此，本文描述的示例实现方式可以扩展到用于波导连接器的其他波导组合，并且本公开内容不限于此。例如，棱镜部分600可以被配置成与单模波导接口
连接，在这种情况下，单模波导的光信号简单地正交地重新路由到绝热锥形部分602。类似地，绝热锥形部分602可以被配置成与多模波导接合，多模波导的光信号从该多模波导经由均衡器转换为单模信号，然后通过绝热锥形部分602再转换为多模信号。
47.此外，通过考虑本技术的教导的说明书和实践，本技术的其他实现方式对于本领域技术人员将是明显的。所描述的示例实现方式的各方面和/或部件可以单独使用或者以任何组合使用。其意图是，说明书和示例实现方式仅被视为示例，本技术的真实范围和精神由所附权利要求书指示。