全硅基材料光收发模块制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术采用硅基材料制备，可高度集成化、小型化，适合于片间及片内光互连的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光互连
，尤其是一种全硅基材料光收发模块。
技术介绍
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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术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，本专利技术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)有益效果本专利技术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。附图说明为进一步说明本专利技术的内容及特点，以下结合附图及实施例对本专利技术作一详细的 描述，其中图1是本专利技术提供的全硅基材料光收发模块的方框图。图2是本专利技术一实施例的原理示意图。图3是本专利技术应用于集成电路间互连的原理示意图。图4是本专利技术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专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李运涛，俞育德，余金中，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]