CN116299887A - 光互连装置及其制造方法、计算装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片技术领域，提供了一种光互连装置及其制造方法、计算装置。该光互连装置包括：多个数字电芯片，包括第一数字电芯片和第二数字电芯片；多个模拟电芯片，包括第一模拟电芯片和第二模拟电芯片；光互连件；第一数字电芯片与第一模拟电芯片通信连接，第二数字电芯片与第二模拟电芯片通信连接，第一模拟电芯片与第二模拟电芯片通过光互连件实现通信连接；第一数字电芯片到第二数字电芯片的信息传输路径包括信息先后经过第一数字电芯片、第一模拟电芯片、光互连件的光波导、第二模拟电芯片、以及第二数字电芯片。本发明可以优化芯片之间的互连，并且针对不同类型的芯片进行单独升级/更换，优化了封装。
Description
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，更为具体而言，涉及一种光互连装置及其制造方法、计算装置。
背景技术
超大规模集成电路技术已经成为支撑信息化社会发展演进的支柱。在信息***中广泛应用的各类芯片通常依赖于电芯片的工艺制程的升级以实现其性能提升和功耗优化。
数字电芯片的发展追逐更先进制程，强调的是运算速度与成本比。而模拟电芯片强调的是高信噪比、低失真、低耗电、高可靠性和稳定性，制程的缩小反而可能导致模拟电路性能的降低。而模拟电芯片研发周期普遍比数字电芯片长，在同一更先进制程，同时优化数字和模拟电路会限制产品迭代周期并且浪费研发和生产成本。
发明内容
本发明提供了一种光互连装置，不仅可以在不同工艺制程优化数字电芯片和模拟电芯片各自性能，也解决了模拟电芯片产品迭代周期慢的问题，采用光互连代替电互连，光互连带宽大、时延低、功耗小、集成密度高和抗电磁干扰能力强。
根据本发明的一方面，提供一种光互连装置，所述光互连装置包括：多个数字电芯片，其包括第一数字电芯片和第二数字电芯片；多个模拟电芯片，其包括第一模拟电芯片和第二模拟电芯片；以及光互连件，其包括光子集成电路，所述光子集成电路包括多个光波导；其中，所述第一数字电芯片与所述第一模拟电芯片通信连接，所述第二数字电芯片与所述第二模拟电芯片通信连接，所述第一模拟电芯片与所述第二模拟电芯片通过所述光互连件实现通信连接；其中，所述第一数字电芯片到所述第二数字电芯片的信息传输路径包括信息先后经过所述第一数字电芯片、所述第一模拟电芯片、所述光互连件的光波导、所述第二模拟电芯片、以及所述第二数字电芯片。
在一些实施方式中，所述光互连装置还包括承载基板；所述光互连件设置在所述承载基板上；所述多个模拟电芯片设置在所述光互连件上，所述多个数字电芯片设置在所述光互连件周围。
在一些实施方式中，所述多个数字电芯片相比所述多个模拟电芯片更接近于所述承载基板。
在一些实施方式中，所述第一数字电芯片到所述第一模拟电芯片的电连接路径先后经过所述承载基板的导电布线结构、所述光互连件中的导电布线结构。
在一些实施方式中，所述光互连件的光子集成电路还包括：第一电光转换单元，其与所述第一模拟电芯片电连接，用于将所述第一模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到第一光信号中，所述第一光信号在所述光互连件的光波导中传输；第一光电转换单元，其与所述第二模拟电芯片电连接，用于将接收的第一光信号转换为传输至所述第二模拟电芯片的模拟电信号。
在一些实施方式中，，所述光互连件的光子集成电路还包括：第二电光转换单元，其与所述第二模拟电芯片电连接，用于将所述第二模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到第二光信号中，所述第二光信号在所述光互连件的光波导中传输；第二光电转换单元，其与所述第一模拟电芯片电连接，用于将接收的第二光信号转换为传输至所述第一模拟电芯片的模拟电信号。
在一些实施方式中，所述第一电光转换单元、第二电光转换单元均各自包括多个调制器，用于将电信号承载的信息调制到不同波长的光信号上并以波分复用的方式进行传输；所述第一光电转换单元、第二光电转换单元均各自包括多个光电探测器，其对接收的所述光信号进行波分解复用并转化为电信号。
在一些实施方式中，所述调制器包括微环调制器；和/或所述探测器包括微环滤波探测器。
在一些实施方式中，所述光互连件的光子集成电路还包括：介电层、多个导电布线单元；所述介电层覆盖所述多个光波导、所述第一电光转换单元、所述第一光电转换单元、所述第二电光转换单元、所述第二光电转换单元；所述多个导电布线单元被配置为将所述第一电光转换单元、所述第一光电转换单元、所述第二电光转换单元、所述第二光电转换单元与对应的模拟电芯片进行电连接；所述多个导电布线单元包括多个电连接结构，所述多个电连接结构中的每一个均各自穿过至少部分所述介电层。
在一些实施方式中，所述多个数字电芯片和所述多个模拟电芯片中的一个或多个包括小芯片。
在一些实施方式中，所述第一数字电芯片、所述第二数字电芯片还包括超短距串并行接口，以分别与用于第一模拟电芯片、第二模拟电芯片进行通信。
根据本发明的一方面，提供一种计算装置，其包括光互连装置。
根据本发明的一方面，提供一种光互连装置的制造方法，包括：提供晶圆；在所述晶圆上形成多个光子集成电路；其中，所述多个光子集成电路中的每一个包括多个光波导，以及电光转换单元、光电转换单元；在所述多个光子集成电路中的每一个上安装所需的至少一个模拟电芯片；对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光互连件；将所述光互连件安装在承载基板上；将数字电芯片安装在承载基板上。
在本发明的实施方式中，采用小芯片(Chiplet)技术，可以突破芯片面积的物理瓶颈，是实现更高性能芯片的一个重要途径。由于每个裸片的面积变小，单片晶圆上可摆放的裸片数目增加从而可以提高良率和降低成本。
另外，本发明可在提高***性能时可以灵活地只升级部分模块，因此可以加快***升级的迭代周期。
根据本发明的实施方式，通过在光互连件上集成一系列模拟电芯片，而模拟电芯片和光互连件周围的一系列数字电芯片之间通过超短距串并转换接口相连。将不同模拟电芯片上的信息加载在光信号上，然后让光信号在光互连件中高速穿梭，完成不同模拟电芯片之间的信息互连，再利用数字电芯片上的超短距串并转换接口将高速模拟电信号转换成数字芯片处理的低速并行信号，使得数字电芯片之间通过光电互连形成有机整体。对比电互连，光互连带宽大、时延低、功耗小、集成密度高和抗电磁干扰能力强。而且片上或片间光互连传输信息对距离不敏感，允许更多数据传递更远距离，使得计算机架构的设计具有更大的灵活度。
在一些实施方式中，调制器阵列采用高效率小面积的微环调制器阵列，探测器阵列采用具有波分解复用功能的微环滤波探测器。通过在不同模拟电芯片下方的光互连件中集成调制器阵列和探测器阵列，可以在模拟电芯片之间进行大量的信息传输而不会受功耗和带宽密度的限制。通过排布调制器阵列、探测器阵列和相应模拟电芯片的位置，可以实现多个独立的数据传输通道，每条通道由相互通信的两块数字电芯片独占，不存在竞争冲突的问题，横截面带宽大，信号延迟低，最终提高信息处理通量。
利用一系列模拟电芯片，数字电芯片在光互连件上可以实现点对点全连接，可以让一系列数字电芯片同时对信息进行并行处理，并且芯片间具有紧密的信息互连，能够更好地满足人工智能算法对计算能力和带宽的要求。对比现有的人工智能产品，该光互连装置能集成更多的计算单元和存储单元，而且利用光互连能保证它们之间有机的信息互连，从而提供更高的***能效比。
本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施方式的光互连装置的俯视示意图。
图2是根据本发明的示例性实施方式的光互连装置中光互连件的光波导布置、电光转换单元、光电转换单元布置示意图；
图3是光互连装置的剖面示意图；
图4是本发明实施方式中一个电光转换单元包括多个调制器时的结构示意图；
图5是本发明实施方式中一个光电转换单元包括多个探测器时的结构示意图。
图6为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图。
图7为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图。
图8为本申请一实施例制造光子集成电路时相关结构的剖面示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
在本文中提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
此外，“连接”一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置连接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接连接于所述第二装置，或通过其它装置间接地连接至所述第二装置。
本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的设备、模块、结构等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。此外，在本申请的说明书、权利要求书及上述附图中描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行。操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。
在本发明的一些实施方式中，所述光互连装置包括多个数字电芯片、多个模拟电芯片和光互连件。其中，光互连件可以实现电信号与光信号的转换，以及光信号的信息传输。多个数字电芯片中包括第一数字电芯片和第二数字电芯片，多个模拟电芯片中与所述第一数字电芯片和第二数字电芯片分别通信连接的称为第一模拟电芯片和第二模拟电芯片。本文中的“第一”和“第二”旨在区分不同的对象，而非意在对对象进行排序和限制对象的数量。所述光互连件具有多个光波导，例如，可以采用光互连件实现。所述第一数字电芯片与所述第一模拟电芯片通信连接，所述第二数字电芯片与所述第二模拟电芯片通信连接，所述第一模拟电芯片与所述第二模拟电芯片通过所述光互连件实现通信连接。也就是说，所述第一数字电芯片到所述第二数字电芯片的信息传输路径包括信息先后经过所述第一数字电芯片、所述第一模拟电芯片、所述光互连件的所述光波导、所述第二模拟电芯片、以及所述第二数字电芯片。不限于以上示例，根据需要，所述多个数字电芯片中的任意两个芯片可以通过模拟电芯片、光互连件实现信息互通即通信连接。
在一些实施方式中，所述光互连装置还包括承载基板，所述光互连件设置在所述承载基板上。在所述光互连件上设置所述多个模拟电芯片，在所述光互连件周围设置所述多个数字电芯片。其中，所述数字电芯片到所述模拟电芯片的电连接路径包括先后经过所述数字电芯片的导电布线结构、所述承载基板的导电布线结构、所述光互连件中的导电布线结构(例如，孔中导电结构)、以及所述模拟电芯片的导电布线结构的电传导路径。在一些实施方式中，可采用所述超短距串并行接口用于数字电芯片与模拟电芯片之间的通信。
在一些实施方式中，所述光互连装置还包括激光模块，其产生光信号。在一些实施方式中，所述光互连件括光耦合结构，其将外部光源(包括光纤)的光信号耦合至该光互连装置光互连件中。所述光耦合结构例如包括光栅耦合器或端面耦合器。在一些实施方式中，所述光互连件包括电光转换单元，其与所述第一模拟电芯片耦接，用于将所述第一模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到所述光信号中；所述光互连件还包括光电转换单元，其与所述第二模拟电芯片耦接，用于将接收的所述光信号转换为将被传输至所述第二模拟电芯片的模拟电信号。在一些实施方式中，为了实现双向通信，在光互连件中与模拟芯片对应的区域集成有电光转换单元和光电转换单元二者。在一些实施方式中，所述电光转换单元和光电转换单元集成在相应的模拟电芯片的下方。
根据本发明的实施方式，第一数字电芯片向第二数字电芯片发送信息时，第一数字电芯片发出的承载信息的数字电信号可通过超短距串并行接口转换为高速串行电信号并传输至第一模拟电芯片，通过电光转换单元将所述模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到光信号中，所述光信号通过光互连件的光波导传输至第二模拟电芯片下方的光电转换单元，并由该光电转换单元将光信号转换成模拟电信号即高速串行电信号，所述第二模拟电芯片将该高速串行电信号发送至设于第二数字电芯片上的超短距串并行接口，该超短距串并行接口将该高速串行电信号转换成承载有所述信息的低速并行信号即数字电信号，并输入到第二数字电芯片中，从而完成第一数字电芯片和第二数字电芯片之间的信息传输。第二数字电芯片向第一数字电芯片发送信息时，其传输过程与从第一数字电芯片向第二数字电芯片发送信息的传输过程相同。
在一些实施方式中，所述电光转换单元包括调制器阵列，其将所述第一模拟电芯片的模拟电信号承载的信息调制到不同波长的所述光信号上并以波分复用的方式进行传输；所述光电转换单元包括探测器阵列，其对接收的所述光信号进行波分解复用并转化为向所述第二模拟电芯片传输的模拟电信号。在一些实施方式中，所述调制器阵列包括多个微环调制器。在一些实施方式中，所述探测器阵列包括多个微环滤波探测器。
需要说明的是，本发明对所述光互连装置使用的芯片的数量不做特别限定，其中，任意两个数字电芯片之间的通信过程与上述的第一数字芯片与第二数字芯片的通信过程相同。
图1是根据本发明的示例性实施方式的光互连装置的结构示意图。在本发明的一种示例性实施方式中，所述光互连装置包括承载基板100、光互连件200、数字电芯片A～D、以及模拟电芯片a～d。光互连件200设置在承载基板100上，模拟电芯片a～d设置在光互连件200上，数字电芯片A～D设置承载基板100上且分布在光互连件200的周围。对此，当数字电芯片更新时，可以方便地、独立地对其进行更换，而可以保持光互连件及模拟电芯片不发生改变，也基本无需对其它电布线结构进行改动。
其中，示例性的，光互连件包括光子集成电路，所述光子集成包括光波导单元、多个电光转换单元和多个光电转换单元，其中，光波导单元可包括多个光波导。在一些实施方式中，所述电光转换单元包括一个或多个光调制器，多个调制器可构成调制器阵列。所述光电转换单元包括一个或多个光电探测器，多个探测器可构成探测器阵列。示例性的，调制器可基于电信号可对初始光进行调制，从而产生承载信息的光信号，亦即，将电信号承载的信息承载到光信号中。光互连件具备使电信号与光信号进行转换的功能，从而能够使用光的互连通信，代替电信号的通信。
图2是根据本发明的示例性实施方式的光互连装置的连接的示意图，图中以透视的方式示出了光互连件中与模拟电芯片对应的区域中形成的电光转换单元和光电转换单元。下面结合图2阐述本发明实施方式的光互连装置中部件之间的连接和通信过程。
光互连件200包括光子集成电路，所述光子集成包括多个光波导、多个电光转换单元和多个光电转换单元。在一些实施方式中，所述电光转换单元包括一个或多个光调制器，多个调制器可构成调制器阵列。所述光电转换单元包括一个或多个光电探测器，多个探测器可构成探测器阵列。示例性的，调制器可基于电信号可对初始光进行调制，从而产生承载信息的光信号，亦即，将电信号承载的信息承载到光信号中。光互连件具备使电信号与光信号进行转换的功能，从而能够使用光的互连通信，代替电信号的通信。
图2中模拟电芯片的设置区域a’～d’，对应设置图1中的模拟电芯片a～d，模拟电芯片a～d中任意两者之间通过光互连件200的光波导通信。在图2中，光互连件200中设有多个电光转换单元和多个光电转换单元，图2示出了，在光互连件中与a’区域对应的部分，设置有12个电光转换单元、12个光电转换单元。图2中数字电芯片的设置区域A’～D’，对应设置图1中的数字电芯片A～D，数字电芯片A～D分别设有超短距串并转换接口，并且，数字电芯片A与模拟电芯片a通信连接，数字电芯片B与模拟电芯片b通信连接，数字电芯片C与模拟电芯片c通信连接，数字电芯片D与模拟电芯片d通信连接。如图3所示，数字电芯片A到模拟电芯片a的电连接路径包括先后经过数字电芯片A的导电布线结构(未示出)、承载基板100的导电布线结构301301、光互连件200中导电布线结构、以及模拟电芯片a的导电布线结构(未示出)的电传导路径。示例性的，光互连件200中的导电布线结构可包括导电硅通孔201，导电硅通孔布置于光互连件的硅基底中并贯穿硅基底。示例性的，光互连件中亦可包括其它孔中导电结构，孔中导电结构穿过光互连件的至少一部分。其他数字芯片与对应模拟芯片之间的电连接路径与数字电芯片A到模拟电芯片a的电连接路径类似。在一些实施方式中，数字电芯片A到模拟电芯片a的电连接路径亦可以采用本领域合适的其他连接方式。
在示例性实施方式中，利用光互连件200中的所述光波导，任意一个数字电芯片能够与其他任意一个数字电芯片通信，形成点对点全连接的拓扑通信连接结构。激光模块300同时输出多个波长激光，通过光互连件中的光耦合结构，例如光栅耦合器或端面耦合器将光信号耦合进入光互连件200，在光互连件200中的分束器将光的能量平均分配到不同模拟电芯片在光互连件200中对应的电光转换单元。示例性的，分束器可以采用宽波段分束器。以数字芯片A为例，数字电芯片A到其他数字电芯片B～D的信息传输过程包括：数字芯片A的数字电信号经由该数字电芯片A上的超短距串并转换接口转换为高速串行信号，该高速串行信号经过承载基板100上的导电布线结构(例如金属走线)和光互连件200中的导电布线结构(例如导电硅通孔和/或其它导电线路)传输至模拟电芯片a上，经过模拟电芯片a处理，模拟电芯片a输出的电信号传输给光互连件200，输入到光互连件200中的电光转换单元。示例性的，电光转换单元包括多个调制器，可以构成调制器阵列，通过该调制器阵列基于电信号对光进行调制，将模拟电芯片a输出的电信号承载的信息加载在不同波长的光信号上并波分复用。通过光互连件200的光波导传输到光电转换单元中。示例性的，光电转换单元包括多个光电探测器，可以构成探测器阵列，探测器阵列对调制的光信号进行波分解复用，并进行光电转换，以电信号输出。光互连件200输出承载信息的电信号至模拟电芯片b～d，经模拟电芯片处理。模拟电芯片b～d输出的电信号被传输至对应的数字电芯片B～D。模拟电芯片b～d与对应的数字电芯片B～D之间的通信可以通过超短距串并转换接口。
在示例性的实施方式中，数字电芯片A～D相比模拟电芯片a～d更接近于承载基板，缩短了数字电芯片与承载基板的连接距离，简化了封装方式。数字电芯片设置在光互连件周围，而无需设置在光互连件上，可不占用光互连件的面积。模拟电芯片直接设置在光互连件上，则优化了其与光互连件的通信距离。
在一些实施方式中，数字电芯片A～D和模拟电芯片a～d均为小芯片(Chiplet)。四个数字电芯片分别通过四个模拟电芯片和光互连件经过数模、电光、光电和模数转换，形成点对点全连接。每两个数字电芯片之间都具有独立的数据传输通道，使得两两数字电芯片之间不存在竞争冲突的问题，信号延迟低，信息处理通量大。该结构复用了四个模拟电芯片和四个数字电芯片，在提高***能效比的同时，降低了电芯片的尺寸，从而降低了芯片设计和加工成本，并且有效提高了芯片的良率。
在一些实施方式中，如图4所示，本发明实施方式中一个电光转换单元包括多个调制器，其中，多个调制器构成调制器阵列，应指出，调制器阵列一词仅表示照一定位置排列，在满足功能需求的基础上，阵列一词并不对各调制器排列形式、排列规律等做特别限定，也不限定为是二维形式的阵列。所述调制器阵列由一系列微环调制器401组成，所述微环调制器401基于载流子耗尽效应，可以支持高调制速率，该类型的波导结构在脊形波导不同区域进行掺杂，形成横向或纵向的PN结结构402。PN结工作在反偏模式，当施加反偏电压后，PN结内的耗尽区增大，内建电场增强，耗尽区内没有自由载流子，对应的环形波导403的折射率发生改变，导致其共振波长发生平移，共振峰附近某一特定波长的强度会发生较大的改变，从而达到强度调制的目的。微环调制器的尺寸小，功耗低，调制效率高。将来自电芯片上的电信息数据调制时，可通过调节微环调制器上的加热电极404而对应特定波长的载波，经调制的不同波长的光信号在光波导407上独立传播，实现了多通道的波分复用的信号传输。其中，多个微环可对应多个不同的波长。因为微环调制器对温度的敏感性，在调制过程中，可以通过监测横向或纵向PN结本身对光吸收产生的光电流和利用模拟电芯片上的反馈控制来调节微环调制器的偏置点使得光调制幅度保持最大化。
在一些实施方式中，如图5所示，一个光电转换的单元包括多个探测器，其中，多个探测器构成探测器阵列，应指出，探测器阵列一词仅表示照一定位置排列，在满足功能需求的基础上，阵列一词并不对各探测器排列形式、排列规律等做特别限定，也不限定为是二维形式的阵列。示例性的，所述探测器阵列由一系列微环滤波探测器501构成，微环滤波探测器501包括加热电极502、环形波导503、信号光探测器504。通过调节微环滤波探测器501上的加热电极502来调节环形波导503，从光波导507中过滤出特定波长的光信号，下载到与电芯片耦合的信号光探测器504上，实现光信号到模拟电信号的转换。其中，多个微环可对应多个不同的波长。另外，通过与光波导507、信号光探测器504连接的波导终端505来吸收波导末端的残余光能量，使其不影响其他光波导的信号传输。
模拟通过光互连件中设置合适的电光转换单元、光电转换单元、光波导，可以在模拟电芯片之间进行大量的信息传输而不会受功耗和带宽密度的限制。可根据需要排布光互连件中调制器阵列、探测器阵列的位置以及相应模拟电芯片的位置，可以实现多个独立的数据传输通道，每条通道由相互通信的两块数字芯片独占，不存在竞争冲突的问题，横截面带宽大，信号延迟低，最终提高信息处理通量。
在本发明的一些实施方式中，所述数字电芯片可以是CPU、GPU和存储芯片中的一种或多种。
本发明示例性的实施方式提供一种光互连装置的制造方法，可用于制造前述各实施方式中的光互连装置。该方法包括：
S601、提供晶圆。
S602、在所述晶圆上形成多个光子集成电路。
其中，所述多个光子集成电路中的每一个可包括多个光波导，以及电光转换单元、光电转换单元，多个光波导可用于构成光波导单元，即光波导单元包括多个光波导。所述多个光子集成电路中的每一个光子集成电路还可包括多个导电布线单元，多个导电布线单元可将电光转换单元和/或光电转换单元连接至对应的模拟电芯片，以接收来自模拟电芯片的待通信的电信号和/或向模拟电芯片发送用于通信的电信号。通常，多个光子集成电路形成于晶圆上的多个区域，在后续步骤中，晶圆会被切割，以形成独立的单个光子集成电路，所述光子集成电路用于构成光互连件，即光互连件包括所述光子集成电路。
S603、在所述多个光子集成电路中的每一个上安装所需的至少一个模拟电芯片。模拟电芯片的数量可以是一个或多个，例如，设置第一模拟电芯片和第二模拟电芯片，使所述第一模拟电芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二模拟电芯片与所述第二导电布线单元电连接，第一电光转换单元通过第一导电布线单元接收所述第一模拟电芯片的第一电信号，并编码产生第一光信号；所述第一光电转换器用于将第一光信号转换为电信号并传输给第二导电布线单元。
S604、对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光互连件。
S605、将所述光互连件安装在承载基板上。
S606、将数字电芯片安装在承载基板上。
在一些实施例中，单个光互连装置中包括单个的光子集成电路以及安装(设置)在所述光子集成电路上的所述第一模拟电芯片和所述第二模拟电芯片。其中，第一模拟电芯片、第二模拟电芯片能够通过第一导电布线单元、所述第一电光转换单元、多个光波导中的至少一个、第一光电转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。独立的单个光互连装置中具体包括一个所述光子集成电路。
应指出，步骤的编号并不代表执行顺序。示例性的，可以在数字电芯片安装之前安装光互连件，示例性的，可以在数字电芯片安装之后，安装光互连件，对此不作特别的限定。
上述S601中，晶圆包括半导体层。在一实例中，上述晶圆可以是绝缘体上半导体晶圆，例如：SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上硅)晶圆。如图6所示，绝缘体上半导体晶圆可包括：绝缘层602、形成在绝缘层602上的半导体层603以及位于所述绝缘层602下方的背衬底层601。
上述S602中，可通过在半导体层603上进行图形化、沉积、掺杂等工艺形成光子集成电路。
上述S603中，在一实例中，可通过键合或焊接等电连接方式将第一模拟电芯片电连接到第一导电布线单元上，将第二模拟电芯片电连接到第二导电布线单元上。
在一具体实例中，上述步骤S602中“在所述晶圆上形成多个光子集成电路”，具体可采用如下步骤来实现：
S21、在所述晶圆上形成光波导单元、所述第一电光转换单元第一电光转换单元和所述第一光电转换单元。
S22、在形成有光波导单元、所述第一电光转换单元第一电光转换单元和所述第一光电转换单元的晶圆上沉积介电层，以覆盖所述光波导单元、所述第一电光转换单元、所述第一光电转换单元以及所述晶圆。
S23、在所述介电层中形成第一开孔和第二开孔。
S24、在所述第一开孔中形成第一电连接结构以及在所述第二开孔中形成第二电连接结构。
其中，所述第一导电布线单元包括所述第一电连接结构；所述第二导电布线单元包括所述第二电连接结构。
上述S21，如图6和图7所示，可对晶圆的半导体层603进行图形化得到光波导单元103、第一电光转换单元104和第一光电转换单元105对应区域。具体地，采用光刻和蚀刻技术，去除并不需要的材料，以进行图形化。在一些实施例中，上述绝缘层可以作为刻蚀停止层。在一些实施方式中，所述电光转换单元包括一个或多个调制器，多个调制器可构成调制器阵列。所述光电转换单元包括一个或多个光电探测器，多个探测器可构成探测器阵列。作为简化，图7中仅示出了一个调制器、一个探测器。
上述S22中，如图8所示，在形成有所述光波导单元103、所述第一电光转换单元104和所述第一光电转换单元105的晶圆上沉积介电层106，以覆盖所述光波导单元103、所述第一电光转换单元104、所述第一光电转换单元105以及所述晶圆。具体地，通过沉积，在光波导单元103、第一电光转换单元104、第一光电转换单元105、绝缘层602上形成介电层106。上述介电层的材料与绝缘层的材料可相同。
上述S23中，如图8所示，在所述介电层106中形成第一开孔和第二开孔向。可采用刻蚀技术形成上述第一开孔和第二开孔，根据连接需要，第一开孔、第二开孔的个数可以为一个或多个。
在一些实施例中，介电层106是多层结构，通过多个子介电层形成，在介电层中可形成有多层导电层，导电层之间通过开孔中的导电材料连接。例如先沉积形成第一子介电层，再形成第一导电层，然后再沉积形成第二子介电层，再形成第二导电层然后形成第三子介电层，再形成第三导电层，然后形成第四子介电层。其中，第一至第三导电层中，不同的导电层通过开孔中的导电材料进行互连，各导电层可以为图案化的金属材料层。
上述S24中，如图8所示，可通过沉积导电材料，在所述第一开孔中形成第一导电布线单元101的第一电连接结构101a以及在所述第二开孔中形成第二导电布线单元102的第二电连接结构102a。所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层106；所述第一电连接结构穿过至少部分所述介电层106。
沉积导电材料后，可通过化学机械抛光或机械研磨的平坦化工艺以沿着介电层的安装面去除过量的导电材料，从而使得第一电连接结构和第二电连接结构与介电层的安装面齐平。
后续，在晶圆上的每一个光子集成电路上安装第一模拟电芯片和第二模拟电芯片，具体地，在介电层106/光子集成电路的安装面上对应于每一个光子集成电路的区域内安装第一模拟电芯片和第二模拟电芯片，也即在介电层106/光子集成电路的安装面上对应于每一个光子集成电路的区域，将第一模拟电芯片和第二模拟电芯片与该区域内的第一电连接结构和第二电连接结构进行电连接。
后续，还可在介电层106上形成密封剂，以掩埋或覆盖第一模拟电芯片和第二模拟电芯片。之后，可固化并且可以平坦化密封剂。
在一些实施方式中，可包括对背衬底层601减薄的工序。
在一些实施例中，S604可在S603之后执行，亦即，在对光子集成电路晶圆进行分割前批量安装第一模拟电芯片、第二模拟电芯片，该种方式可以在晶圆级制程中对第一模拟电芯片、第二模拟电芯片进行批量封装，此时，仅需制造光子集成电路晶圆，无需将光子集成电路形成单个的芯片。
在一些实施方式中，在制造光子集成电路时，还可包括制造导电布线结构，所述导电布线结构能用于连接数字电芯片、模拟电芯片，使得数字电芯片、模拟电芯片之间能实现电信号通信，此时，光互连件包括上述导电布线结构，示例性的，光互连件可以作为中介层。示例性的，上述导电布线结构可以包括导电硅通孔，亦可包括其它导电线路。
另外，可选的，可先进行晶圆分割的工序，以先形成独立的光子集成电路/独立的包含光子集成电路的光互连件，然后再进行第一模拟电芯片和第二模拟电芯片的安装工序，即将所述第一模拟电芯片、第二模拟电芯片安装在所述独立的光子集成电路上。
可选的，可对多个独立的光子集成电路进行一定程度的封装，以形成多个独立的光子集成电路芯片(包括裸芯片)，光子集成电路芯片作为光互连的芯片，即光互连件可采用光子集成电路芯片。具体地，该方法，包括：
S1001、提供晶圆。
S1002、在所述晶圆上形成多个光子集成电路。
其中，所述多个光子集成电路中的每一个包括第一导电布线单元、第二导电布线单元、光波导单元以及第一电光转换单元和第一光电转换单元；所述第一电光转换单元和所述第一光电转换单元分别耦合至所述光波导单元；所述第一导电布线单元与所述第一电光转换单元电连接；所述第二导电布线单元与所述第一光电转换单元电连接。
S1003、对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光子集成电路。
其中，多个光子集成电路被分割独立的光子集成电路，从而每一个所述光子集成电路芯片中包括独立的光子集成电路。
S1004、在所述多个独立的光子集成电路芯片中的每一个上安装第一模拟电芯片和第二模拟电芯片，以使所述第一模拟电芯片与所述第一导电布线单元电连接，所述第二模拟电芯片与所述第二导电布线单元电连接。
作为一个示例，S1004可在步骤S1003之后执行，但不限于此。
其中，所述第一模拟电芯片、所述第二模拟电芯片能够通过所述第一导电布线单元、所述第一电光转换单元、所述光波导单元、所述第一光电转换单元以及所述第二导电布线单元进行通信。
上述步骤S1002的具体实现可参见上述各实施例中相应内容，在此不在赘述。
本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明权利要求所涵盖的范围。
Claims (13)
1.一种光互连装置，其特征在于，所述光互连装置包括：
多个数字电芯片，其包括第一数字电芯片和第二数字电芯片；
多个模拟电芯片，其包括第一模拟电芯片和第二模拟电芯片；以及
光互连件，其包括光子集成电路，所述光子集成电路包括多个光波导；
其中，所述第一数字电芯片与所述第一模拟电芯片通信连接，所述第二数字电芯片与所述第二模拟电芯片通信连接，所述第一模拟电芯片与所述第二模拟电芯片通过所述光互连件实现通信连接；
其中，所述第一数字电芯片到所述第二数字电芯片的信息传输路径包括信息先后经过所述第一数字电芯片、所述第一模拟电芯片、所述光互连件的光波导、所述第二模拟电芯片、以及所述第二数字电芯片。
2.如权利要求1所述的光互连装置，其特征在于，所述光互连装置还包括承载基板；
所述光互连件设置在所述承载基板上；
所述多个模拟电芯片设置在所述光互连件上，所述多个数字电芯片设置在所述光互连件周围。
3.如权利要求2所述的光互连装置，其特征在于，所述多个数字电芯片相比所述多个模拟电芯片更接近所述承载基板。
4.如权利要求2所述的光互连装置，其特征在于，所述第一数字电芯片到所述第一模拟电芯片的电连接路径先后经过所述承载基板的导电布线结构、所述光互连件中的导电布线结构。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的光互连装置，其特征在于，所述光互连件的光子集成电路还包括：
第一电光转换单元，其与所述第一模拟电芯片电连接，用于将所述第一模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到第一光信号中，所述第一光信号在所述光互连件的光波导中传输；
第一光电转换单元，其与所述第二模拟电芯片电连接，用于将接收的第一光信号转换为传输至所述第二模拟电芯片的模拟电信号。
6.如权利要求5所述的光互连装置，其特征在于，所述光互连件的光子集成电路还包括：第二电光转换单元，其与所述第二模拟电芯片电连接，用于将所述第二模拟电芯片的模拟电信号承载的信息承载到第二光信号中，所述第二光信号在所述光互连件的光波导中传输；
第二光电转换单元，其与所述第一模拟电芯片电连接，用于将接收的第二光信号转换为传输至所述第一模拟电芯片的模拟电信号。
7.如权利要求6所述的光互连装置，其特征在于，
所述第一电光转换单元、第二电光转换单元均各自包括多个调制器，用于将电信号承载的信息调制到不同波长的光信号上并以波分复用的方式进行传输；
所述第一光电转换单元、第二光电转换单元均各自包括多个光电探测器，其对接收的所述光信号进行波分解复用并转化为电信号。
8.如权利要求7所述的光互连装置，其特征在于，所述调制器包括微环调制器；和/或
所述探测器包括微环滤波探测器。
9.如权利要求7所述的光互连装置，所述光互连件的光子集成电路还包括：介电层、多个导电布线单元；
所述介电层覆盖所述多个光波导、所述第一电光转换单元、所述第一光电转换单元、所述第二电光转换单元、所述第二光电转换单元；
所述多个导电布线单元被配置为将所述第一电光转换单元、所述第一光电转换单元、所述第二电光转换单元、所述第二光电转换单元与对应的模拟电芯片进行电连接；
所述多个导电布线单元包括多个电连接结构，所述多个电连接结构中的每一个均各自穿过至少部分所述介电层。
10.如权利要求8所述的光互连装置，其特征在于，所述多个数字电芯片和所述多个模拟电芯片中的一个或多个包括小芯片。
11.如权利要求9所述的光互连装置，其特征在于，所述第一数字电芯片、所述第二数字电芯片还包括超短距串并行接口，以分别与用于第一模拟电芯片、第二模拟电芯片进行通信。
12.一种计算装置，其包括如权利要求1-10中任意一项所述的光互连装置。
13.一种如权利要求1-10中任意一项所述的光互连装置的制造方法，其特征在于，包括：
提供晶圆；
在所述晶圆上形成多个光子集成电路；
其中，所述多个光子集成电路中的每一个包括多个光波导，以及电光转换单元、光电转换单元；
在所述多个光子集成电路中的每一个上安装所需的至少一个模拟电芯片；
对所述晶圆进行分割，得到多个独立的光互连件；
将所述光互连件安装在承载基板上；
将数字电芯片安装在承载基板上。
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