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TWI542915B - 用於高速光學輸入輸出應用的積體光學接收器架構 - Google Patents

用於高速光學輸入輸出應用的積體光學接收器架構 Download PDF

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TWI542915B
TWI542915B TW099144482A TW99144482A TWI542915B TW I542915 B TWI542915 B TW I542915B TW 099144482 A TW099144482 A TW 099144482A TW 99144482 A TW99144482 A TW 99144482A TW I542915 B TWI542915 B TW I542915B
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Description

用於高速光學輸入輸出應用的積體光學接收器架構 發明領域
本發明實施例針對光學接收器，且更具體的是針對具有用於改良光纖對齊容忍度的嵌入式錐體的積體光學接收器。
 發明背景
對基於矽的光子裝置及電路應用而言，光纖與矽波導之間有效率的光耦合是極為令人期待的。由於矽波導系統的折射率對比較高，故獲得光纖-矽波導之良性耦合可能是具有挑戰性的。
在光學通訊中，資訊藉由一光學載波來傳送，該光學載波之頻率典型地在電磁頻譜之可見或近紅外線區域中。頻率如此高的載波有時被稱為光學信號、光學載波或光波信號。一典型的光學通訊網路包括若干條光纖，每條光纖可包括若干條頻道。一頻道為一電磁信號之一特定頻帶，且有時被稱為波長。
當今技術進步包括積體電路(或晶片)層級上的光學通訊。這是因為積體電路在電腦系統中具有吸引人的尺寸優勢。有時設計者們使一光學信號(光)耦合在二晶片之間，系統中的一晶片與一晶粒之間，或二晶粒之間。這歷來藉由使用一光纖使光耦合在位於晶粒或晶片上的波導之間而完成。
使用光纖使光耦合在位於晶粒或晶片上的波導之間的一限制條件為此耦合方法往往效率較低。一個原因是光纖與位於一晶片或晶粒上的一典型波導間有實體尺寸差。光纖往往遠大於波導。由於尺寸差，故光學信號耦合效率不佳。也就是說，來自較大直徑光纖的光不能完全地進入小波導。結果可能是接收到的光度(light level)太低以致於光學信號中的資料流中的個別位元難以分辨。當此情況發生時，接收組件可能不能夠從資料流中恢復資訊。
耦合效率可藉由將多個透鏡固定到光纖上或藉由將一透鏡置於光纖與波導之間以將光學信號集中到波導中而提高。然而，當使用多個透鏡時，耦合效率僅尚可。其他耦合方法最多也只能使效率同樣尚可。
此限制條件也帶來另一挑戰，諸如從由較大光纖所支援之光模到由波導所支援之較少光模的有效率的耦合。模態為光截面之能量分佈(高斯分佈)且由波導(光纖、平面波導)之尺寸及光波長來定義。較大的光纖中光模較多且較小的波導中光模較少。
從一光纖到小的晶粒上(on-die)波導之耦合也需要非常精確的準直性。這通常利用專業的精確的手動對齊流程來完成。此類專業的對齊流程通常是非常昂貴的且限制實際體積。
現今，用於高速應用的基於低成本多模光纖(MMF)的光學接收器存在一基本問題。為了實現高速，例如光檢測器(PD)運作用之25 Gb/s及更快的速度，通常要求該檢測器之主動區要小。然而，為了使光有效率地從MMF耦合到包含光檢測器及可能的一光學解多工器的一基於半導體波導之晶片中，尺寸較大的波導用於低成本被動對齊所需之高失準容忍度。
發明概要
依據本發明之一實施例，係特地提出一種裝置，其包含：一矽基體；位於該矽基體上的一全內反射(TIR)鏡結構，該TIR鏡結構包含一第一部分及一第二部分，該第二部分比該第一部分厚；一錐體部分，其在該TIR鏡結構之該第一部分與該第二部分之間過渡；一V形凹槽楔形體，其與該TIR鏡結構之該第二部分成一體；一波導，其位於該TIR鏡結構之頂上；及一光檢測器(PD)，其在該波導上製成，接近該V形凹槽楔形體。
圖式簡單說明
當結合所附圖式閱讀時，由配置及範例實施例及申請專利範圍之以下詳細說明，可清楚地理解上文且更好地理解本發明，全部附圖形成此發明之揭露之一部分。雖然上文及以下所寫及繪示的揭露關注在揭露本發明之配置及範例實施例，但應清楚理解的是本發明之配置及範例實施例僅作為說明及範例且本發明並不限於此。
第1圖為依據本發明之一實施例的一積體光學接收器之一側面剖視圖；第2圖為用以形成第1圖中所示之光學接收器的絕緣體 上覆矽(SOI)基體之一視圖；第3圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示錐體蝕刻；第4圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示用作鏡子的V形凹槽之蝕刻；第5圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示用作全內反射鏡的一奧黛兒(odile)層之沈積；第6圖為具有接合於頂部的一矽晶圓的SOI晶圓之一側視圖；第7圖為第6圖中所示之SOI被翻轉過來之一側視圖，對如第1圖中所示之光檢測器(PD)及選擇性光柵做進一步的矽光子處理；第8圖為繪示在單模條件下使積體光學接收器之V形凹槽鏡結構之光學損耗模型化的一圖式；以及第9圖為繪示在多模條件下使積體光學接收器之V形凹槽鏡結構之光學損耗模型化的一圖式。
較佳實施例之詳細說明
本文描述的是解決一多模光纖(MMF)與矽晶片之間之光耦合以及矽解多工器及一高速光檢測器之整合的一積體接收器光學接收器架構。本文提出的架構可用於基於平行及分波多工(WDM)的光學鏈結，資料率大於等於25Gb/s。
此說明中提及參考用語「一個實施例」或「一實施例」意指結合該實施例所描述的一特定特徵、結構或特性被包括在本發明之至少一實施例中。因此，在此說明書中各處 出現的用語「在一個實施例中」或「在一實施例中」不一定均指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以以任何適合的方式組合到一或更多個實施例中。
現在參照第1圖，圖中繪示有依據本發明之一實施例的光學接收器。光學接收器100包含一矽晶圓部分102，一全內反射(TIR)鏡結構104位於矽晶圓部分102上。一波導部分106包含一寬端，來自諸如多模光纖108的一光纖的光可輸入該端。光可透過一透鏡110而聚焦。波導106自底部起變窄處包含一錐體112。TIR結構包含一楔形體114，其具有一反射表面，該反射表面用來引導光平行於基體102而傳播，向上反射至一高速光檢測器116，如箭頭所示。一矽解多工器118也可選擇性地被製造成圖中所示之波導106。例如，該解多工器可包含一繞射光柵，諸如圖中所示之被蝕刻的中階梯光柵。所蝕刻之中階梯光柵可能能夠將單模及多模光束二者解多工。
第1圖中所示之此積體矽晶片可在一絕緣體上覆矽(SOI)基體上製成。對平行的鏈結應用而言，解多工器可能不包括在內。矽錐體112之寬端輸入之高度為20-30um，利用一塑膠透鏡110在MMF 108與晶片間進行有效率的耦合。錐體後面的波導106之高度約10um。該錐體可例如藉由使用一灰階技術而製成，該項技術記載在”Optics Express”第11卷第26期第3555-3561頁(2003年)中且併入本文以為參考資料。
需指出的是，因為對從MMF 108發射之一多模光束可 能有模態濾波影響(光學損耗)，故後部的波導之尺寸很可能不小。TIR反射鏡部分104用以使來自波導的光垂直耦合至生長於矽上的一高速鍺(Ge)檢測器116。此Ge PD 116之製造技術是公認的。因為從錐形波導入射到Ge PD中的光可從檢測器中之Ge層上的金屬觸點反射，故雙光學路徑在Ge主動區中得以實現。對較快的速度而言，Ge膜較薄，量子效率越高。估計Ge厚度約1.5um的檢測器之速度大於20GHz，對25Gb/s應用而言為宜。
第2-7圖繪示依據一實施例所提出的積體矽接收器晶片之製造步驟。現在參照第2圖，一絕緣體上覆矽(SOI)晶圓包含一矽基體一埋置氧化物(BOX)層202及位於BOX層202上的一矽處理層204。在一實施例中，矽層204厚度可能約為20-30um。當然，對不同應用而言，此厚度可能不同。一犧牲氧化物硬遮罩(HM)層206可能位於矽層204上。
在第3圖中，第1圖中的波導之錐體部分被蝕刻穿過HM層206且部分地穿過矽層204達約10um的蝕刻深度。被蝕刻部分可能通常一端為矩形且另一端為錐形。在第4圖中，一V形凹槽400可進一步從矽層204被蝕刻出來以稍後形成第1圖中所示之楔形鏡114。V形凹槽400可例如以一氫氧化鉀(KOH)濕式蝕刻技術來蝕刻。在某些實施例中，V形凹槽400之蝕刻可能到達埋置氧化物層(BOX)202或留下一薄矽層(0.5-1um)以供稍後Ge生長之用。
在第5圖中，被蝕刻出來的溝槽被填充有氧化物500，後隨以化學機械平坦化(CMP)。該氧化物包含第1圖中所示之全內反射(TIR)鏡。
在第6圖中，平坦化的晶圓將與一單獨的矽晶圓102做晶圓接合。在晶圓接合之後，SOI晶圓之原始的處理晶圓200將被除去。如第7圖中所示，整個裝置可被翻轉過來。除去處理晶圓200產生具有作為一硬遮罩之BOX 202的新晶圓。該硬遮罩(HM)BOX層202可用以進一步處理如第1圖中所示之中階梯光柵118及Ge光檢測器(PD)，處理技術是業界所習知的。
現在參照第8及9圖，V形凹槽鏡結構之光學損耗分別在單模及多模發射條件下被模型化。對一V形凹槽角度為54.7°而言，第8圖之單模實例表明幾乎無光學損耗。如第9圖中所示，對具有0-5模態發射的多模實例而言，損耗低至僅為-0.36 dB。還應指出的是甚至在有1um矽層未被蝕刻的情況下，V形凹槽鏡之光學損耗仍是小的。即光的大部分被鏡面反射且指向PD 116。
本發明例示實施例之以上說明，包括摘要中之記述，並非詳盡無遺的或不欲將本發明限制為所揭露之精確形式。雖然本發明之特定實施例及範例出於說明目的而在本文中加以描述，但是相關業界中具有通常知識者將認識到的是在本發明範圍內做各種不同的等效修改是可能的。
可根據上述詳細說明對本發明做此類修改。後附申請專利範圍中所用之用語不應被理解為將本發明限制到說明書及申請專利範圍中所揭露之特定實施例。相反，本發明之範圍係完全由後附申請專利範圍決定，申請專利範圍應依據已建立之申請專利範圍解釋原理來解讀。
100．．．光學接收器
102．．．矽晶圓部分/基體/矽晶圓
104．．．全內反射(TIR)鏡結構/TIR反射鏡部分
106‧‧‧波導部分/波導
108‧‧‧多模光纖/MMF
110‧‧‧塑膠透鏡
112‧‧‧矽錐體
114‧‧‧楔形體/楔形鏡
116‧‧‧高速光檢測器/高速鍺(Ge)檢測器/Ge PD/PD
118‧‧‧矽解多工器/中階梯光柵
200‧‧‧處理晶圓
202‧‧‧埋置氧化物(BOX)層/硬遮罩(HM)BOX層
204‧‧‧矽處理層/矽層
206‧‧‧犧牲氧化物硬遮罩(HM)層/HM層
400‧‧‧V形凹槽
500‧‧‧氧化物
第1圖為依據本發明之一實施例的一積體光學接收器之一側面剖視圖；
第2圖為用以形成第1圖中所示之光學接收器的絕緣體上覆矽(SOI)基體之一視圖；
第3圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示錐體蝕刻；
第4圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示用作鏡子的V形凹槽之蝕刻；
第5圖為SOI晶圓之一側視圖，繪示用作全內反射鏡的一奧黛兒(odile)層之沈積；
第6圖為具有接合於頂部的一矽晶圓的SOI晶圓之一側視圖；
第7圖為第6圖中所示之SOI被翻轉過來之一側視圖，對如第1圖中所示之光檢測器(PD)及選擇性光柵做進一步的矽光子處理；
第8圖為繪示在單模條件下使積體光學接收器之V形凹槽鏡結構之光學損耗模型化的一圖式；以及
第9圖為繪示在多模條件下使積體光學接收器之V形凹槽鏡結構之光學損耗模型化的一圖式。
100‧‧‧光學接收器
102‧‧‧矽晶圓部分/基體/矽晶圓
104‧‧‧全內反射(TIR)鏡結構/TIR反射鏡部分
106‧‧‧波導部分/波導
108‧‧‧多模光纖/MMF
110‧‧‧塑膠透鏡
112‧‧‧矽錐體
114‧‧‧楔形體/楔形鏡
116‧‧‧高速光檢測器/高速鍺(Ge)檢測器/Ge PD/PD
118‧‧‧矽解多工器/中階梯光柵

Claims (20)

  1. 一種光學裝置，其包含：一矽基體；在該矽基體上的一全內部反射(TIR)鏡結構，該TIR鏡結構包含一第一部分和一第二部分，該第二部分比該第一部分厚，其中，該TIR包括一楔形體，該楔形體具有一反射表面；在該TIR鏡結構之該第一部分與該第二部分之間過渡的一錐體部分；與該TIR鏡結構之該第二部分整合的一V形凹槽楔形體；在該TIR鏡結構頂上的一波導；以及在接近該V形凹槽楔形體處建造於該波導上的一光檢測器，其中，該波導包括一寬輸入端，該寬輸入端漸縮至一窄輸出端，該輸入端係用於接收來自一多模光纖的光線以使該反射表面引導該光線，該光線平行於該矽基體行進並被向上反射至靠近該輸出端的該光檢測器，其中，該V形凹槽楔形體填充有氧化物以形成被平坦化且與被翻轉的一矽晶圓接合的該TIR鏡結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其進一步包含：形成於該波導中且位於該V形凹槽楔形體前方的一解多工器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該光檢測器包含一高速鍺光檢測器。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中，該解多工器包含一繞射光柵。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中，該繞射光柵包含能夠將單模及多模光束解多工的一經蝕刻中階梯光柵。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中，該波導包含厚度約為20um至30um的一輸入端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之裝置，其中，在該錐體之後的厚度約為10um。
  8. 一種用於製造積體光學接收器的方法，其包含以下步驟：提供一絕緣體上覆矽(SOI)晶圓，該SOI晶圓包含一矽處理層、一埋置氧化物(BOX)層、一矽波導層及一硬遮罩(HM)氧化物層；在該HM層和該矽波導層中蝕刻出一錐體；在該矽層之一部分中蝕刻出一V形凹槽；以氧化物來填充錐體和該V形凹槽以形成被平坦化且與被翻轉的一矽晶圓接合的一全內反射(TIR)鏡結構，其中，該TIR包括一楔形體，該楔形體具有一反射表面；使該TIR鏡結構平坦化；使一矽晶圓與該TIR鏡結構接合；將該SOI晶圓翻轉過來；移除該矽處理層；以及在該V形凹槽上方建造一高速光檢測器，其中，該 波導包括一寬輸入端，該寬輸入端漸縮至一窄輸出端，該輸入端係用於接收來自一多模光纖的光線以使該反射表面引導該光線，該光線平行於該矽基體行進並被向上反射至靠近該輸出端的該光檢測器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其進一步包含以下步驟：在該矽波導層中建造一解多工器。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該光檢測器包含一鍺(Ge)光檢測器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中，該解多工器包含一繞射光柵。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該繞射光柵包含能夠將單模及多模光束解多工的一經蝕刻中階梯光柵。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該錐體包含厚度約為20um至30um的一寬端和厚度約為10um的一較窄端。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該V形凹槽蝕刻至該BOX層。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該V形凹槽並未蝕刻至該BOX層。
  16. 一種積體光學接收器系統，其包含：一矽基體；在該矽基體上的一全內反射(TIR)鏡結構，其中，該TIR被平坦化且與被翻轉的一矽晶圓接合，其中，該 TIR包括一楔形體，該楔形體具有一反射表面；在該TIR鏡結構上的一矽波導；建造在該波導之較窄端部份上的一光檢測器，其中，該波導包括一寬輸入端，該寬輸入端漸縮至一窄輸出端，該輸入端係用於接收來自一多模光纖的光線以使該反射表面引導該光線，該光線平行於該矽基體行進並被向上反射至靠近該輸出端的該光檢測器；以及在該TIR鏡結構上之在該光檢測器下方的一楔形部分，用以使光線向上反射至該光檢測器。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其進一步包含：位於該多模光纖與該矽波導輸入端之間的一透鏡。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其進一步包含：形成於該波導中之在該楔形體前的一解多工器。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之系統，其中，該光檢測器為一鍺光檢測器。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之系統，其中，該解多工器為一中階梯光柵。
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