背景技术
传统以金属材料作为线路以提供在传输电信号或单元间的联系上的应用,于现有技术中已相当普遍。而在数字通讯的高效能电子***中,不但处理器的设置愈益增多,信号处理的速度也越来越快,因此信号或信息的传输质量与速度也愈形重要。然而,传统的金属线路连结设计其传输的性能已有所不足。
光学连结可受传输线路材料性质的影响较小,能达高频宽容量和快速的传输效果,所以以光学传输方式取代电子传输方式便为重要的技术发展。在发光二极管(LED)及半导体雷射的技术下,以光为媒介来传输信号的方式便加以开发;其主要是由光电耦合组件(Optical Coupler)的运作来完成电、光信号或光、电信号间的转换、发射与接收。而光电耦合组件主要包含提供光发射的发射器或光源单元、提供光接收的接收器或光检测单元、以及将发射或接收的信号作进一步驱动或放大的驱动器或放大器。
此外,在将芯片中的电路加以微型化和模块化的概念下,***单芯片(SoC)或***整合(SLI)芯片便为目前的一重要的发展与设计趋势。通过整合多种功能于单颗集成电路(IC)中的方式,能使其产品的体积相对较小但却有更多元的应用。例如将一中央处理器设计具有多核心的处理配置,而每一核心具有不同的应用功能,且其彼此间以信号联系但皆整合于同一芯片上。如此,以光的形式要在此***单芯片上进行应用时,便需以对应的路径设计来完成在相关部位上的信号传输。更进一步来说,于同一电路板上各芯片或集成电路间的信号传输与连结能以光为形式进行时,其传输路径也必须加以设计。
而目前技术针对光电耦合、转换或传输在上述应用所作的连结设计,包含将电子组件层与光子组件层以同一侧为方式作设计以及以分设于两侧上的异侧方式作设计。电子组件层是指对电信号作运算,或对电、光信号作转换、发射与接收的发射器与接收器的设置层面,例如以互补式金属氧化半导体(CMOS)为制程的集成电路设计;而光子组件层则为以光为形式进行信号传输的设置层面,例如以波导(Waveguide)方式作设计。其中在同一侧上的设计,主要是在同一平面上将产生或连接电信号与光信号的单元加以串联,使信号不需走不同的平面或不需在不同层面上产生传输的转折,便可完成光信号的发射与接收。但由于一般电子组件层于制程上与光子组件层有所不同或不兼容,使得同一侧的设计方式将会很复杂。详细来说,若能于同一套制程中完成可加以兼容的同侧设计时,例如可于电子组件层上加入特定材料以达成光的发射与接收的目的,则其会存有成本昂贵与制程上需另作调整的诸多问题。
而分设于两侧上的设计,便为信号于传输过程中会产生在不同层面或平面上的转折,以完成光信号的发射与接收。如图1所示为现有技术根据此分侧设计方式而完成的一光学传输模块10的示意图。其中一驱动电路16设置于一集成电路层11中,并通过一金属线路121和上方的一光源单元13完成连接;而该金属线路121设置于一金属连结构造12中,详细来说,于该金属连结构造12中制出一垂直穿孔以供该金属线路121穿过与连接。而电信号经金属线路121传至光源单元13后,光源单元13便能产生与发射出光信号并经一光波导结构14的传输而由一光检测单元15所接收,并再转换成电信号后由另一金属线路122(对应另一垂直穿孔)将其传输至下方设置于该集成电路层11中的一放大电路17(或相关接收电路)作接收与进一步传输。
然而,此一设计虽可将电子、光子组件层分别以不同制程加以完成后再作结合,但又具有于该金属连结构造12中不易设置出该等金属线路121、122的问题。不但该等金属线路121、122要与上下两组件层的制程兼容仍有困难,且信号于其上仍是以电的形式进行信号传输。
如图2所示为现有技术根据此分侧设计方式而完成的另一光学传输模块20的示意图。其中一集成电路层21通过一金属线路221和上方的一光源单元23完成连接(图式中以三个对应配置作示意说明);该金属线路221设置于一硅基板22与该集成电路层21中,详细来说,于硅基板22与集成电路层21中制出一垂直穿孔以供该金属线路221穿过与连接。光源单元23设置于硅基板22上,而电信号经金属线路221传至光源单元23后,光源单元23便能产生与发射出光信号并穿过一砷化镓基板26和由一微透镜组27作聚光而于一自由空间结构(Free-space)24中由多个微镜面28作反射以传输信号,进而再穿过该砷化镓基板26后由设置于硅基板22上的一光检测单元25所接收,并再转换成电信号后由另一金属线路222(对应另一垂直穿孔)将其传输至下方的该集成电路层21中作接收与进一步传输。
然而,此一设计虽可将电子、光子组件层分别以不同制程加以完成后再作结合,但将该等金属线路221、222设置于该硅基板中也具有难度。虽然光源单元23和光检测单元25能以覆晶方式设置于硅基板22上,但该自由空间结构24需具有一定的大小方能使设置于其中多个微镜面28完成所需的反射与信号传输。换句话说,此种光学传输模块的架构存有体积较大的缺点。
具体实施方式
现以一第一实施例进行本发明的实施说明。请参阅图3A为本发明所提出的一光学传输模块3的剖面示意图。如该图所示,该光学传输模块3主要包含有一半导体基板30、一第一膜层31、一电子组件层33和一光波导结构36;其中该半导体基板30包含有上下两表面,也就是第一表面301和第二表面302,而该第一膜层31和该电子组件层33分别对应形成于该半导体基板30的第一表面301和第二表面302上。在此实施例中,所采用的该半导体基板30为一单晶硅基板,即双面抛光的SOI(silicon on insulator)硅基材,因而除可对该半导体基板30的上下两表面以半导体制程或诸如晶圆黏合(wafer bonding)的方式进行相关单元的形成外,其基板的硅材特性也能提供所产生的光信号进行发射与接收上的传输通过。
承上所述,在此实施例中,该光学传输模块3应用于对一第一电信号E1的转换与传输。该第一电信号E1可视该光学传输模块3的应用或设置环境而由对应的组件来提供。而该电子组件层33除能接收该第一电信号E1外,还能将该第一电信号E1转换成一光信号O1后发射。在此实施例中,该电子组件层33为以互补式金属氧化半导体(CMOS)制程所完成的一种集成电路层(IC),其中包含有一光源单元34和一驱动电路37,该驱动电路37是和该光源单元34作电连接,而该第一电信号E1便为由该驱动电路37接收后加以驱动该光源单元34将其对应地转换成该光信号O1以进行发射。在此实施例中,该驱动电路37设置于该半导体基板30的第二表面302上,而该光源单元34则对应地设置于该驱动电路37上。
其中,该光源单元34能以现有技术中的发光二极管、半导体激光器或垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,简称为VCSEL)来构成,其主要的功能即用以根据相关的电信号作转换后产生或发射出对应的光束或光信号以进行传输。此外,基于所使用的硅基材特性,所形成的该光信号O1为可于硅材质中进行传输的近红外光;也就是其光波的波长需大于1.1微米,以使该光信号O1可对硅基材进行有效的穿透以进行传输。
承上所述,为了提高对光的高穿透性、耦合效率与抗反射性,因而在该电子组件层33中还包含有形成于该半导体基板30的第二表面302上的一第二膜层321。该第二膜层321可采用诸如二氧化硅或氮氧化物的单一介电质膜层来完成,用以提供对光的耦合与穿透,使得所述的光信号O1能完成有效的传输。于此实施例中,该第二膜层321能以半导体制程直接形成于该半导体基板30的第二表面302上,并对应该光源单元34的所在范围和位置而相邻于该驱动电路37;进一步来说,该第二膜层321的形成可为将该驱动电路37作所在范围的对应穿孔,而于其范围内形成于该第二表面302上。或者,于其它实施例中,该第二膜层321也能连同该电子组件层33以晶圆黏合方式形成于该第二表面302上。而若该电子组件层33也为所述SOI形式的集成电路时,则该第二膜层321也能以多层膜层的方式加以构成。
另一方面,于此实施例中,该第一膜层31也能以如上所述的单一介电质膜层的方式来完成。而该第一膜层31的主要特征除在于提升对光信号的穿透与耦合效率外,其所具有的折射率特性和设置于其上的该光波导结构36有所不同;也就是该第一膜层31的材料的折射率需小于该光波导结构36的材料的折射率,以使穿透该第一膜层31而进入该光波导结构36的光信号于其传输过程中,能被有效地局限于该光波导结构36中。于此实施例中,如图3A所示,该光波导结构36包含有一第一反射面363、一光波导结构主体360和一第二反射面364,而光信号能以全反射方式于该光波导结构主体360中进行传输。
进一步来说,于此实施例中,该光波导结构36的材料也为硅材质所构成,能和该半导体基板30、该第一膜层31于同一半导体制程中以一体成型的方式加以完成。也就是在该第一膜层31形成于该第一表面301上后,再以另一硅基材形成于该第一膜层31上,并以半导体蚀刻方式作对应位置和形状的蚀刻。于此实施例中,其蚀刻能分别形成出该第一反射面363和该第二反射面364,且皆设计为能呈现出和该第一膜层31之间夹有45度的夹角的斜面,而其余的部份则形成所述的光波导结构主体360。进而并在其外层涂上相关的反射材料后,便可完成所述的该等反射面363、364。
另外,该电子组件层33还包含有一光检测单元35、一转阻放大器电路38和一第三膜层322;在此实施例中,类似地,该转阻放大器电路38是设置于该半导体基板30的第二表面302上,而该光检测单元35则对应地设置于该转阻放大器电路38上并作电连接。而该第三膜层322的特性与设计也可和该第二膜层321相同;意即其为可提高对光的耦合与穿透的单一介电质膜层或多层膜层,并以半导体制程在相邻于该转阻放大器电路38以及对应该光检测单元35的所在范围和位置的设计下,形成于该第二表面302上。其中,所述的光检测单元35能以现有技术中的光接收二极管或光学接收器(Photodetector,简称为PD)来构成,其主要的功能即用以接收后续对应反射而至的光信号O1,从而将其转换后作所需的传输;而该转阻放大器电路38则用以将该光检测单元35所转换的一第二电信号E2放大后加以输出。
详细来说,其整体模块的相关组件或构造的配置,所述的第一反射面363和第二反射面364分别位于该光波导结构36的第一端361和第二端362上,且该第一反射面363和该第二反射面364的位置分别和该光源单元34、该光检测单元35相对应。而由于在此实施例中的该第一膜层31、该第二膜层321和该第三膜层322是采用具高穿透性的介电质膜层来完成,因而该光源单元34在以垂直角度或接近垂直的角度产生与发射出所述的光信号O1时,该光信号O1便能分别对该第一膜层31、该第二膜层321或该第三膜层322加以穿透。更进一步来说,所述第一膜层31、第二膜层321和第三膜层322皆能以多层或单一膜层方式作设置,并还能将抗反射涂料(anti-reflection coating)设计于其间,从而可提高光的穿透率,从而能增加对波长、入射角度或低极化选择性(lowpolarization dependence)的公差容忍度。
换句话说,本发明的光学传输模块3的运作,使该光源单元34将该第一电信号E1转换成该光信号O1后加以发射,而该光信号O1便能依序穿透该第二膜层321、该半导体基板30和该第一膜层31,并进入该光波导结构36的第一端361,进而能经由呈现为45度夹角的该第一反射面363的反射而形成垂直角度的转折,而于该光波导结构主体360中进行传输。其次,该光信号O1进入该光波导结构36的第二端362并照射在呈现为45度夹角的该第二反射面364上后作反射与转折,使其光信号O1便能依序穿透该第一膜层31、该半导体基板30和该第三膜层322,而由该光检测单元35接收。接着,并将该光信号O1转换成该第二电信号E2后作进一步的传输,使其光路径能在该电子组件层33与代表光子组件层的该光波导结构36之间,产生于不同平面上完成传递的效果;也就是提供光信号在三维空间下产生非共平面的转折、反射与传输导向。于此实施例中,该第二电信号E2和该第一电信号E1、该光信号O1具有相同的传输内容。
请参阅图3B为所述的光信号O1的反射与传输的示意图。如该图所示,其中光信号O1的路径是以上述方式于该光波导结构主体360中进行传输;而以此方式的传输效果,使其光路径能和该光波导结构主体360的导向方向以相互平行的方式作传递。但因为该光源单元34所发射的光信号并不一定会以完美的垂直方式加以发射,而可能具有一小角度范围内的发散。如该图3B所示,两光路径O1a、O1b便不是以垂直方式进入其第一端361中,使其在第一反射面363上的反射便非呈现为90度。然而,由于此种状况所形成的反射在照射于该光波导结构主体360的内侧上的入射角度已够大,也就是已能相对于下方的第一膜层31或上方的空气达到或超过全反射条件的临界角,使得此种光在行进时能以全反射方式于该光波导结构主体360内进行传输,进而再经由该第二反射面364的反射后提供对其光信号的接收运作。本发明所采用的该第一膜层31的折射率便必须小于该光波导结构36所使用的硅材料的折射率。
而关于该光波导结构36的形状设计,可在相邻于其第一端361上的该第一反射面363和第二端362上的该第二反射面364来建构于两旁上的侧面或衔接面。请参阅图3C为该光波导结构36于其第一端361上的剖面示意图;而相同的构造也可于其第二端362上作呈现。如该图所示,该光波导结构36两旁的侧面呈现出相对的斜面设计,使其整体的外部形状呈现为类似梯形的构造。而于此实施例中,所述的光信号主要会聚焦与集中在所设计的两反射面363、364上,且主要是以该光波导结构主体360内的上方处与下方处作全反射传输。因此,就实施效果而言,本发明的光波导结构36整体的形状设计并无太大的条件限制,只要能针对45度夹角的两反射面363、364作对应面积大小的形成,并于两旁建构出相对的侧面或衔接面以使其光信号能于其内作全反射即可。
承上所述,本发明的光学传输模块3能应用于一印刷电路板(未显示于图式)上的设置,而该印刷电路板并能和光学传输模块3中的该电子组件层33完成电连接,而能提供所述的第一电信号E1以供其接收和转换;并能接着接收后续所传输而至和作对应转换的该第二电信号E2,从而能将其作进一步的传输或应用。光学传输模块3可为于该印刷电路板上的各单元、芯片或集成电路间的一种信号连接构造,从而能以光的形式来完成信号传输的目的与效果。更进一步来说,本发明的光学传输模块3能直接完成于一芯片(未显示于图式)中;针对如先前技术所述的于***单芯片(SoC)或中央处理器中的多核心设计,其每一核心间的联系或传输路径便可采用其光学传输模块3的架构加以连结,从而能于芯片内(Intra-Chip)以光的形式完成信号传输的目的与效果。
由于在本发明的电光信号或光电信号的转换与传输上,需避免光信号于传输过程中受到相关的电磁或电气效应的干扰,因此,本发明的概念还可基于上述第一实施例的方式作相关的实施变化设计。现以一第二实施例进行本发明的实施说明。请参阅图4为本发明所提出的一光学传输模块3a的剖面示意图。于此一变化设计中的相关单元和上述第一实施例相同,但其中形成于半导体基板30的第二表面302上的一第二膜层32延伸扩展至整个电子组件层330。类似地,此实施例中的电子组件层330是以其第二膜层32形成于该第二表面302上,而电子组件层330的其它相关单元,则是先将其驱动电路37和转阻放大器电路38设置于该第二膜层32上后,再于对应的位置上将该光源单元34和该光检测单元35作设置。
承上所述,于此实施例中,该第二膜层32的特性与设计也可和第一实施例的相关膜层相同;意即其为可提高对光的耦合与穿透的单一介电质膜层或多层膜层。且该第二膜层32除具有对光的高穿透性、耦合效率与抗反射性外,由于该第二膜层32能对该电子组件层330中的其它相关单元与诸如半导体基板30的光路层间形成有效的隔离作用,因而使得该第二膜层32能产生有效的电绝缘效果和阻绝信号泄漏的功能。而该第二膜层32的设置于此实施例中,也能以半导体制程直接形成于该第二表面302上;或者,该第二膜层32能连同该电子组件层330以晶圆黏合方式形成于该第二表面302上。
本发明的光学传输模块不需于其结构内设置出如先前技术所述的垂直穿孔,而是直接以光的形式穿透硅材质的基板,从而避免了相关现有模块对其垂直穿孔设置上的困难制程。其次,本发明的光学传输模块于主要的传输过程中皆是以光的形式在进行,包括于硅基板中的穿透过程;如此,除了可增加整体的传输速度外,也能避免如先前技术中的以金属线路来传输电信号时所可能产生的信号衰减、泄漏,或受相关环境的干扰和影响等不利因素,使其光信号形式的传输效果更佳。另外,本发明的光学传输模块在其电子组件层与光子组件层间的结合,也能先分别以各自的制程来完成后再以黏合的方式作键结;相较于先前技术的相关模块而言,本发明的光学传输模块的制程较为容易,同时也无需对其电子组件层作复杂的调整;且对其硅基板或整体模块的体积设计,也能较以自由空间结构作设计的现有模块来的小。
上述的两实施例是以发射出至少一个光信号和由至少一个光波导结构进行对应传输作实施说明;而于其它实施例中,可将其加以变化,而在对应的模块上产生多个光信号以及由对应数目的光波导结构来作传输。进一步来说,本发明的光学传输模块可应用于对多个电信号的接收与传输,并可由对应数目的光源单元加以转换和发射,再以位置相对应的光波导结构作反射、传输后由对应的光检测单元进行接收和转换。
另一方面,上述两实施例的光学传输模块中的电子组件层为以互补式金属氧化半导体(CMOS)制程所完成的一种集成电路层(IC),而由相关的驱动电路和转阻放大器电路、光源单元和光检测单元对指定的电、光信号进行对应的运作。而此一集成电路层除了所述的CMOS制程外,也能以其它可构成集成电路形式的制程来完成。而针对将本发明的光学传输模块进行于***单芯片(SoC)的芯片内(Intra-Chip)的应用时,其集成电路层也可将具有运算功能的部份整合于其中,例如整合于其驱动电路或转阻放大器电路中,而能将不同线宽或制程的电路、光路结构完成于同一硅基板上,进而整合成为一单石(monolithic)的光电组件,使得电子组件层能同时具有驱动功能与运算功能以提供高效率的光学传输。
根据上述两实施例的概念与模块架构,为使光信号能于其芯片内或印刷电路板等相关应用环境中完成指定或所需的位置、目标的信号传输,还可将本发明的光学传输模块作相关的连接配置与变化,使得光信号能不仅只以如上述两实施例所揭露的方式进行传输。如图5A所示为将两光学传输模块3、3’作搭配的示意图;在此一设计中,是将两个相同的光学传输模块3、3’(以第一实施例的光学传输模块作举例说明)以相互平行的方式作搭配,因而其两光波导结构36、36’也相互平行。类似地,由光源单元34将第一电信号E1转换成光信号O1后发射,并由光波导结构36作传输以及由光检测单元35接收与再转换成第二电信号E2。如图所示,由于此设计能将转阻放大器电路38和另一驱动电路37’作电连接,因而该第二电信号E2便能直接对其作传输,而再由另一光源单元34’根据其进行转换与发射。光信号O2、O1以及电信号E2、E1,以至于是后续光检测单元35’及转阻放大器电路38’所输出的一第三电信号E3,都具有相同的传输内容。
承上所述,根据这样的架构,所需传输的内容便能经由多次的光电转换与传输后加以延伸传输至指定的目标。而除了上述的平行配置外,还可将相关模块以垂直配置的方式来作建构。如图5B所示为将两光学传输模块3、3’作另一搭配的示意图;而在此一设计中,则是将两个相同的光学传输模块3、3’以相互垂直的方式作搭配,因而其两光波导结构36、36’也相互垂直。其运作和图5A类似,但其中由于转阻放大器电路38和另一驱动电路37’间的电连接呈现为垂直,因此所产生的第二电信号E2便是透过其间对应的电路或接线来进行传输,从而再由该光学传输模块3’进行另外的光电转换与传输。在此一设计中,最后的第三电信号E3便能和原先的第一电信号E1以呈现相互垂直的形式完成传输;更进一步来说,若同时能搭配上述图5A所示的设计时,将信号往指定目标上进行传输的目的便可更有效地达成。
综上所述,本发明的概念能有效地解决先前技术中所提及的相关问题,并改善现有光学传输模块的相关缺失;且进而还能利用本发明所提出的光学传输模块的架构作多元的应用与配置,使得光电转换与信号传输能够有效地完成,从而能成功地达到本案发展的主要目的。
以上所述,仅是本发明的实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。