TW201337371A - 有效率之背面發射／收集光柵耦合器 - Google Patents

有效率之背面發射／收集光柵耦合器 Download PDF

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Abstract

光子積體電路(PIC)晶片係設有背面垂直光學耦合器且封裝成光學發射器/接收器。以光柵為基礎的背面垂直光學耦合器作用以將光經由PIC晶片基板的塊體厚度而耦合至薄膜層所界定的PIC晶片中的平面基板，或是將經過PIC晶片基板的塊體厚度之來自薄膜層界定的PIC晶片中的平面基板的光耦合，以經由被例如光纖等晶片之外的組件所佔據之PIC晶片的背面表發射/收集光。以光柵為基礎的背面垂直光學耦合器的實施例包含設有形成在薄膜的頂側表面中的光柵。反射器係配置在光柵耦合器之上，以將自光柵耦合器所發射出的光反射經過基板以從該PIC晶片的背面發射出，或是將從PIC晶片的背面所收集的光反射經過基板及至光柵耦合器。

Description

有效率之背面發射/收集光柵耦合器
本發明的實施例一般係有關於光子積體電路(PIC)，且特別有關於用於背面垂直發光及集光的光學耦合器。
單晶片積體光子電路在應用上係使用作為例如光學通訊、高性能計算及資料中心等光學資料鏈結。對於行動計算平台，PIC也是有用的I/O機構，可快速地更新行動裝置或使行動裝置與主裝置同步及/或無線鏈結未具有充分頻寬的雲端服務。這些光學鏈結利用光學I/O介面，I/O介面包含光學發射器及光學接收器。光學I/O介面的一個挑戰是以微米等級製造的單晶片積體光子電路、與以毫米等級組裝的分開封裝組件(例如，光纖等等)之間的耦合光。PIC可利用以垂直或邊緣為基礎的光學I/O耦合技術。邊緣耦合技術具有的實質缺點在於裝置測試要求提供邊緣，典型上是藉由將PIC製作於其上的基板切割成個別的PIC晶片而提供邊緣。垂直耦合技術雖然有利於經得起「晶圓級」PIC測試，典型上比邊緣技術具有更低的耦合效率。舉例而言，表面耦合的PIC具有約50%範圍的發光效率。
垂直耦合技術的另一限制是PIC頂側上的光學I/O的存在通常是與IC頂側固定至封裝基板(例如，藉由凸塊 及銲球)之先進的覆晶或受控崩潰(C4)封裝技術是不並容的。對於這些覆晶技術，難以提供未阻礙垂直光學耦合之封裝基板。
確切而言，提供增進的耦合效率及經得起覆晶封裝檢驗的垂直耦合技術高度有利於例如光學發射器等PIC的設置。
在下述說明中，揭示許多細節，但是，習於此技藝者將瞭解，沒有這些特定細節，仍能實施本發明。在某些情況中，以方塊圖形式而非詳細地顯示習知的方法及裝置，以免模糊本發明。本說明書中述及「實施例」係意指配合實施例所述的特定特點、結構、功能、或架構包含在本發明的至少一實施例中。因此，在本說明書中多處出現「在實施例中」文句時不一定意指本發明的相同實施例。此外，在一或更多個實施例中，特定特點、結構、功能、或架構可以以任何適當方式結合。舉例而言，第一實施例與第二實施例可以在二實施例不互斥的任意處相結合。
此處，使用「耦合」及「連接」等詞以說明組件之間的功能或結構關係。應瞭解，這些術語並非是要彼此同義的。相反地，在特定實施例中，「連接」可用以表示二或更多個元件是彼此直接實體、光學、或電接觸。「耦合」用以表示二或更多個元件是彼此直接或間接(以其它中介元件設於它們之間)實體、光學、或電接觸，以及/或二 或更多個元件彼此協力或是互動(例如，以造成影響的關係)。
此處使用的「在...的上方」、「在...的下方」、「在...之間」、「在...之上」等詞意指一個組件或材料層相對於其它組件或層之相對位置，其中，這些實體關係是值得注意的。舉例而言，在材料層的環境中，配置在另一層的上方或下方的一個層是與其它層直接接觸或是具有一或更多個中介層。此外，配置在二層之間的一個層直接接觸二層或是具有一或更多個中間層。相反地，在第二層「之上」的第一層直接接觸該第二層。在組件組裝的環境中作成類似區別。
此處所述的是用於PIC晶片的架構，特別是光學發射器，其包含背面垂直光學耦合器。在舉例說明的光學發射器中，背面垂直光學耦合器作用以將來自薄膜層界定的PIC晶片中的平面且經過PIC晶片基板的塊體厚度之光耦合，以便從PIC晶片的背面發射，其中，光係由例如線端子等晶片外的組件來予以收集。也應注意，雖然為了簡明起見而省略背面垂直光學耦合器的光接收器應用的詳細說明，但是，習於此技藝者能夠應用此處所述的背面垂直光學耦合器架構及技術以取得來自PIC晶片的背面之光的垂直收集。確切而言，此處詳述的架構係可以應用至光學收發器(I/O)的光發射及收集。
圖1是依據本發明的實施例之光學發射器100的剖面圖例。光學發射器100包含覆晶地接合至封裝基板101的 PIC晶片105。本發明的實施例不限於封裝基板101。舉例而言，在一個實施例中，封裝基板101是有機基板(例如，包括設有增層(build-up layer)及電鍍之互連的核心)，在替代實施例中，封裝基板101是中介片(interposer)，中介片接著被接合至封裝基板或是印刷電路板(PCB)。類似地，雖然封裝基板101顯示為經由高速電連接器160而被耦合至PCB 170，但是，本發明的實施例不限於此。
如圖1所示，PIC晶片具有前側106及背面107。PIC晶片105的覆晶，也稱為受控崩潰(C4)接合使得出現在PIC晶片前側106上的凸塊110需要電耦合至封裝基板101的一側102上(例如，經由銲球113)，使得PIC晶片前側106面對封裝基板101。緊接在PIC晶片前側106之後(亦即，遠離背面107)的是薄膜層，光學裝置115被製造於且被封裝於薄膜層中。光學裝置115包含至少單晶片積體光學波導，並且在其中之PIC 105是積體光子發射器(Tx)之舉例說明的實施例中，光學裝置115又包含光學地耦合至波導的雷射器，也可包含耦合至波導的至少一調變器(例如，根據馬赫任德(Mach-Zehnder)干涉儀、環形共振器、等等)。PIC晶片背側107是晶片之距離光學裝置115最遠的主表面(非邊緣表面)。
在舉例說明的實施例中，光學發射器100包含處於封裝等級之與PIC晶片105整合在一起的第二IC晶片120。如圖所示，第二IC晶片120係接合至PIC晶片105 而被配置在PIC晶片105與封裝基板101之間。為了使路由長度達最小，第二IC晶片120可以被覆晶地接合至PIC晶片105(例如，藉由凸塊111)，使得PIC晶片前側106面對第二IC晶片120的前側。取決於實施例，第二IC晶片120可提供許多功能的服務且通常可以是任何積體電路，其係非單晶片地集成於PIC晶片105中，但是，當如圖1所示地被直接耦合至PIC晶片105時有利於光學發射器100。舉例而言，在舉例說明的實施例中，第二IC晶片120是用於光學裝置115的驅動器，例如，配置在PIC晶片105上的雷射器及/或調節器之驅動器。
又如圖1中顯示般，光學發射器100又在區域130中包含背面垂直光學耦合器。背面垂直光學耦合器將來自光學裝置115、經由PIC晶片105的塊體厚度的光耦合成從PIC晶片背面107來予以發射出，其中，光被透鏡140所收集以進一步被耦合至例如光學接線等下游組件。在光學發射器100的操作期間，從(例如，雷射器)發射出或是包含於(例如，藉由光波導)中的光訊號150A主要被侷限於實質上係平行於PIC晶片前側106(例如，平行於X軸)的路徑，直到光訊號到達區域130為止，在此處，光訊號150A被耦合至實質上垂直於PIC晶片前側106的方向(例如，平行於Z軸)中。在實施例中，光訊號150B通過PIC晶片105的塊體厚度，如同由塊體材料所侷限般(例如，沒有波導)。在所示的實例中，透鏡140與45°鏡142相整合以將光訊號150B再導引回至實質上平行於 PIC晶片頂側前側106(例如，平行於X軸)之路徑，用以耦合至線端子。但是，在替代實施例中，此技藝中習知的任何方式的光收集、調節及操控可被適用於如同從PIC晶片背面107所發射出的光訊號150B。
一般而言，背面垂直光學耦合器130可採用許多結構形式。舉例而言，在一個實施例中，背面垂直光學耦合器130是形成在PIC晶片105之例如氮化矽層等薄膜層中的45°鏡(類似於鏡142)。但是，在舉例說明的實施例中，背面垂直光學耦合器係以光柵為基礎的。由於灰階微影術或是其它通常用於傾斜特徵的技術是困難的及/或昂貴的，所以，光柵比45°鏡提供某些製造優點。但是，在此處所述之特定實施例中，以光柵為基礎的垂直耦合器比45°鏡實施例提供更低的損耗、更低的背反射、及更低的數值孔徑(NA)等進一步的優點。
圖2A是依據本發明的實施例之沿著剖面A-A’之光學發射器100的擴大視圖。在一個實施例中，PIC晶片105包含矽基板。以矽為基礎的光子IC有利地與已發展用於CMOS(互補金屬氧化物半導體)電積體電路的製造之傳統的半導體製造技術良好地相整合。矽基板可以是塊體結晶矽或是絕緣體上矽(SOI)基板。在圖2A中所示之舉例說明的實施例中，PIC晶片105包含塊體單晶矽支撐基板105A、單晶矽裝置層105C、及中介的絕緣體層105B(例如，埋入之二氧化矽層)。雖然SOI基板中之不同層的厚度(在z方向上)可變化，但是，裝置層105C及絕緣體 層105B被視為相對於支撐基板105A而為薄的膜。在舉例說明的實施例中，支撐基板105A是在約100與800μm厚之間，而絕緣體層105B為約1μm厚，並且，裝置層105C為約400 nm厚。
如圖2A中所示般，至少矽裝置層105C被製造成波導260，在晶片操作期間，波導260導引平行於PIC晶片前側106(亦即，沿著x維度)之光訊號150A。如同此技藝中所知般，波導260可以採取許多的外形，例如肋狀及/或板狀。如同圖2A中進一步顯示般，波導260被光學地耦合至光柵耦合器265。光柵耦合器265一般是波導，其包括形成為波導的頂表面之光柵線265A。光柵線265A具有光柵週期P及高度H以及沿著光柵耦合器的長度軸(例如圖2中的x維度)。值得注意，當PIC晶片105是被覆晶接合時，光柵線265A緊接在PIC晶片前側106後，面對配置在光柵耦合器265與PIC晶片前側106之間的鏡或是反射器233，而在光柵耦合器265與封裝基板101之間。
回至圖2A，在操作期間，在光柵耦合器265之內的光的一部份朝向PIC晶片背面107而散射，而光功率的其餘部份朝向反射器233而發射。對於具有某光柵間距及工作循環(線；間隔之比例)的光柵線265A，具有充分高的反射率及與光柵線適當間隔的反射器233反射上側導引光學發光，以與從光柵耦合器265洩漏出的散射光建設性地干涉，並且構成經由塊體基板105A而被傳播及從PIC 晶片背面107發射出之光訊號150B。根據此垂直耦合架構，可以取得非常高的效率(例如，大於90%)。
當然，在光學接收器的環境中，光柵耦合器265也可用以收集來自PIC晶片背面107的光。在此操作模式中，反射器233接著反射底部側導引光學發光至光柵耦合器265，而後被傳播經過波導260。
圖2B是依據本發明的實施例之耦合波導中的光至背面垂直發射光柵耦合器的架構之斜角視圖。圖2A中顯示的A-A’平面於圖2B中顯示為虛線A-A’，而PIC晶片105因此被定向成如同其在光柵耦合器265的製造期間以軸圖示為從圖2A再被定向般。如圖所示，光訊號150A首先由肋形波導260A來予以載送，錐狀物(taper)261接著使光經由隔熱地耦合至光柵耦合器265中的平板波導260B而耦合。如同所示，波導260(肋部260A或平板260B)包含名義上是垂直(亦即，相對z軸為5°)之相對立的側壁166，而以頂表面167配置於其間。在光柵耦合器265中，光柵線高度(例如，圖2A中的H)使得光柵線的頂表面與肋形波導260A的頂表面共平面，因而延伸至光柵線265A的端部之外的區域的頂表面之上方。因此，相對於週圍區域，光柵線265A被良好地描述為鰭狀物(fin)。光柵線265A在y維度上延伸跨越光柵耦合器的頂表面，而以光柵線之間的空間下凹以界定凹陷的頂部光柵耦合器表面，凹陷的頂部光柵耦合器表面是在光柵線265A的端部之外的區域的頂表面之下方。光柵耦合器的 對立側壁因而限定光柵線265A的二相對立端部以及線之間相鄰的凹槽端部。又如圖2B中所示般，在平板波導260A由延伸至絕緣體層105B的側壁166界定之處，對應於光柵線265A之間的空間之凹部或溝槽未貫穿裝置層105C以使絕緣體層105B曝露出。
在舉例說明的實施例中，錐狀物261限定肋形波導260A在y維度上的縮減。但是，在其它實施例中，錐狀物261替代地包含z維度上的錐狀物，或是結合y維度的錐狀物。應注意，雖然圖2B中所示的結構有效率地將光訊號150A耦合至光柵耦合器265中，但是，在不悖離此處所述的背面垂直發射光柵耦合器的精神之下，可以使用其它設計。
如圖2B中所示般，反射器233的尺寸係形成為佔據至少光柵耦合器265的區域，而以反射器233配置成在垂直(z)維度上實質地對齊光柵耦合器265。較小的反射器維度或是未對齊的反射器一般將不利地降低發光效率。因此，在圖2A及2B中舉例說明的實施例中，反射器233具有至少等於光柵耦合器的縱向長度之長度L(亦即，反射器233延伸經過所有光柵線265A及它們之間的空間)，並且，反射器寬度W係類似地至少等於光柵線265A的橫向長度(y維度)。
一般而言，反射器233是要對有用的波長具有高反射率。以金屬薄膜使用於反射器233的實施例對於寬廣的光譜頻寬有利地提供高反射率。在實施例中，反射器233是 例如鋁等金屬薄膜，鋁實施例提供與矽CMOS型製造限制更大的相容性之優點，且同時提供比例如銅、鈦等等經常作為CMOS積體電路中的互連金屬之其它金屬的反射率更高的反射率。薄膜金屬的厚度僅需數十奈米(例如，10-20 nm)，但是，在舉例說明的實施例中，為了控制用於反射器233的形成之製程，薄膜金屬的厚度係大於100 nm。在其它實施例中，反射器233包括具有交錯的高及低折射率的複數介電材料之堆疊(亦即，H-L折射率堆疊)。
如圖2A所示，例如二氧化矽或是其它提供適當的折射率相對比的材料等材料層間介電質(ILD)235被配置在波導260的上方及在光柵耦合器265與反射器233之間。額外的ILD可以被配置在反射器233的上方，以封裝反射器233，增加介電波導包層的厚度等等。確切而言，由於使用習知的技術來製造光柵線265A，並且反射器233因為配置在光柵線265A之上方所以其形成是直接的(亦即，在光柵線265A被蝕刻而非作為掩罩層之後形成)，所以，此處所述的背面發射垂直光學耦合器是高度地可製造的。
圖3A顯示依據本發明的實施例之背面發射垂直耦合器的發光效率，發光效率為波長(λ)及反射器233與光柵線265A之間的間隔V的函數。圖3B顯示依據本發明的實施例之背面發射垂直耦合器的***損耗，***損耗為對於V=0之自由空間波長的函數。對於圖3A及3B，在 400 nm厚的矽裝置層105C時，以約500 nm的光柵週期P、約70%的光柵工作循環及約220 nm的光柵高度H來實施具有圖2A及2B中所示的架構之背面垂直光學耦合器。對於舉例說明的SOI基板中的這些參數，以約0.1的有效數值孔徑(NA)及矽基板中小於5°的發射角度，在基板105A中光訊號150B發射作為光束。
如圖3A所示，背面發光效率是高達~91.4%，為波長(λ)以及反射器233及光柵線265A之間的間隔V的函數。如同所示，由於鋁反射器實施例具有寬頻帶低損耗反射，所以，此處所述的實施例具有大頻寬(例如，在1dB全寬度時，>80 nm)，使得架構適合例如波長分割多工(WDM)光學鏈結等多波長系統。對於間隔V的相依性是導因於朝向PIC晶片背面107洩漏的光與由反射器233朝向PIC晶片背面107反射的光之間的光學干涉。但是，如圖3A所示，在間隔V上的此相依性相當的弱，對於0.1μm(100 nm)範圍，效率超過85%，當間隔V可由薄膜沈積(例如，由二氧化矽CVD)製程來予以界定時，容易取得此效率。舉例而言，在1.3μm的波長，91%的效率發生於0.4μm的間隔V，而且一直到V大於約0.44μm或是小於約0.34為止仍然不會顯著地降低。
如圖3B中所示，間隔V為0(亦即，鋁反射器233係直接配置在光柵線265A上)之背面發射耦合器的實施例顯示***損耗在頻譜峰值時低至0.5 dB。就此而論，此處所述的背面發射垂直光柵耦合器實施例提供高發光效 率。
圖4顯示包含依據本發明的實施例之光學發射器的行動計算平台，但是，在很多系統級應用中可以使用包含此處所述之背面垂直光學耦合器的光學發射器100。行動計算平台400可為任何配置成用於各電子資料顯示、電子資料處理、及無線電子資料輸入之可攜式裝置。舉例而言，行動計算平台400可為膝上型電腦、筆記型電腦、超薄筆記型電腦、平板電腦、智慧型電話、等等中任一者，並且包含可為觸控幕(例如，電容式、電阻式、等等)的顯示幕402、光學發射器410、及電池413。
光學發射器410又被顯示在放大的功能區塊視圖420中，該功能區塊視圖420顯示由電路462所控制之電泵取雷射器401陣列，電路462被耦合至基板403上方、之上、或之中的被動半導體層。半導體基板403又包含多個光學波導405A-405N，增益媒介材料423係接合於多個光學波導405A-405N之上方，以產生雷射器陣列與反射器409A-409N，雷射器陣列在操作期間分別在多個光學波導405A-405N中產生多個光束419A-419N。多個光束419A-419N係由調變器413A-413N來予以調變，然後多個光束419A-419N之被選取到的波長接著與光學多工器417相結合，以輸出單一光束421，接著使用例如實質上如同此處以外的它處所述之以光柵為基礎的背面發射垂直耦合器等背面發射垂直耦合器130，單一光束421被光學地耦合及進入光學接線453中。光學接線453又被耦合至行動計算 平台400的外部之下游光學接收器(亦即，經由平台光學I/O端子)或是又被耦合至行動計算平台400的內部之下游光學接收器(亦即，記憶體模組)。
在一個實施例中，以光柵為基礎的背面垂直發射耦合器能夠以至少25 Gb/s及可能大於1 Tb/s的速度而在單一光學接線453上以包含在光束421中的多個波長來傳輸資料。在一個實例中，多個光學波導405A-405N在單一矽層中以約50-100μm相間隔，以用於一側上佔據小於4 mm的PIC晶片的光學資料的整個匯流排。
圖5是依據本發明的一個實施例之行動計算平台400的功能方塊圖。行動計算平台400包含主機板1002。主機板1002可包含多個組件，多個組件包括但不限於處理器1004及至少一通訊晶片1006。處理器1004係實體地及電性地耦合至主機板1002。在某些實施中，至少一通訊晶片1006也被實體地及電性地耦合至主機板1002。在其它實施中，通訊晶片1006是處理器1004的一部份。取決於其應用，行動計算平台400可包含可以或不可以被實體地及電性地耦合至主機板1002的其它組件。這些其它組件包含但不限於依電性記憶體(例如，DRAM)、非依電性記憶體(例如，ROM)、快閃記憶體、圖形處理器、數位訊號處理器、密碼處理器、晶片組、天線、觸控幕顯示器、觸控幕控制器、電池、音頻編解碼、視頻編解碼、功率放大器、全球定位系統(GPS)裝置、羅盤、加速計、陀螺儀、揚聲器、相機、及大量儲存裝置(例如，硬碟機、固 態驅動器(SSD)、光碟(CD)、數位影音光碟(DVD)、等等)。
至少一通訊晶片1006能夠無線通訊以用於對行動計算平台400傳輸資料。「無線」一詞及其衍生詞可被用來說明經由使用通過非固體介質之調變的電磁輻射來傳輸資料的電路、裝置、系統、方法、技術、通訊通道、等等。此詞並非意指相關裝置未含有任何接線，但是，在某些實施例中，它們可能未含任何接線。通訊晶片1006可以實施任何無線標準或是通信協定，包含但不限於Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、長程演化(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍芽、其衍生、以及以3G、4G、5G、及更新的世代來標示的任何其它無線通信協定。行動計算平台400可包含多個通訊晶片1006。舉例而言，第一通訊晶片1006可以專用於較短範圍的無線通訊，例如Wi-Fi及藍芽，而第二通訊晶片1006可以專用於較長範圍的無線通訊，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO、等等。
處理器1004包含被封裝在處理器1004之內的積體電路晶粒。「處理器」一詞意指處理來自暫存器及/或記憶體的電子資料以將電子資料轉換成儲存在暫存器及/或記憶體中的其它電子資料之任何裝置或裝置的一部份。如本文中其他地方所大致描述，通訊晶片1006之任一都可能 需要光學發射器100。
藉由所述的裝置及系統級架構，現在參考圖6，說明用以形成光學發射器100的方法。圖6顯示高階操作的方法600，如同此技藝中所知般，這些高階操作均又包含多個分開的處理操作。圖6中的操作的相對位置並未意指任何次序，但是，在一個操作需要對另一個操作的輸出操作時，操作次序可以是隱含的。
方法600始於操作601，在例如SOI基板等基板上製造波導及光柵耦合器，作為光學發射器PIC晶片的功能區。可以使用任何此技藝中習知的技術，例如微影術及各向異性矽電漿蝕刻等等，以形成光柵耦合器(例如，圖2A及2B中所示的光柵耦合器265)以及波導(例如，圖2A及2B中的波導260)。舉例而言，蝕刻絕緣體上矽(SOI)基板的矽層以界定水平側壁，並且，凹部被蝕刻成水平側壁之間的肋部或平板的頂表面。
在操作605，ILD被沈積於操作601中形成的波導及光柵耦合器之上。舉例而言，在一個實施例中，以習知的CVD或電漿增強(PE)CVD製程，沈積二氧化矽層。
在操作610，反射器(例如，反射器233)被形成於在操作605所配置的ILD層上。在一個實施例中，以物理汽相沈積(PVD)來沈積例如鋁等金屬薄膜，以習知的微術技術，遮罩在與光柵耦合器對齊的區域中的金屬薄膜，並且以傳統的電漿或濕式化學技術來蝕刻金屬薄膜。在某些實施例中，用於反射器的金屬薄膜也被使用於Tx PIC 中的互連，舉例而言，以鋁軌跡耦合至雷射器或波導的調變器部份之歐姆金屬接觸區。
在操作615，在操作610形成的反射器係由ILD層來予以封裝，舉例而言，ILD層是例如由CVD或PECVD製程沈積的二氧化矽。以習知的後端處理(例如，C4型增層及凸塊)來完成PIC晶片，如同此技藝中所知般，在用於PIC晶片分割之前，也執行PIC的頂側功能/參數測試。
在操作620，選加地執行一個晶粒接著一個晶粒的堆疊處理，以將驅動器IC晶片覆晶接合至Tx PIC晶片，而使得PIC晶片的前側面對驅動器IC晶片的前側(舉例而言，如圖1所示)。
在操作625，使用習知的封裝/銲接技術，將經過切割的Tx PIC晶片覆晶接合至例如圖1中所示的封裝基板101等封裝基板，以使PIC晶片的前側面對封裝基板。
在操作630，將透鏡固著成與Tx PIC晶片背面的區域對齊，其中，光柵耦合器是要從PIC晶片背面發射光束。可以使用習知的透鏡接合技術以將透鏡(例如，透鏡140)接合至封裝基板或是直接接合至PIC晶片。
方法600接著於操作640完成，其中，使用此技藝中任何習知的技術，將經過封裝的Tx PIC組裝至PCB上。
須瞭解，上述說明僅是說明而非限制。舉例而言，雖然上述實施例中的流程圖顯示由本發明的某些實施例執行的操作的特定次序，但是，應瞭解，並未要求這些次序 (例如，替代實施例可以以不同次序執行操作、結合某些操作、重疊某些操作、等等)。此外，在閱讀及瞭解上述說明之後，習於此技藝者將清楚很多其它實施例。雖然已參考特定舉例說明的實施例來說明本發明，但是，將瞭解 本發明不侷限於所述實施例，而是在後附申請專利範圍的 精神及範圍之內可以實施修改及替代。因此，應參考後附申請專利範圍、與這些申請專利範圍項所賦予的完全均等範圍，以決定本發明的範圍。
100‧‧‧光學發射器
101‧‧‧封裝基板
102‧‧‧側
105‧‧‧光子積體電路晶片
105A‧‧‧支撐基板
105B‧‧‧中介的絕緣體層
105C‧‧‧裝置層
106‧‧‧光子積體電路晶片前側
107‧‧‧光子積體電路晶片背面
110‧‧‧凸塊
111‧‧‧凸塊
113‧‧‧銲球
115‧‧‧光學裝置
120‧‧‧積體電路晶片
130‧‧‧區域
140‧‧‧透鏡
142‧‧‧鏡
150A~B‧‧‧光訊號
160‧‧‧電連接器
166‧‧‧側壁
167‧‧‧頂表面
170‧‧‧印刷電路板
233‧‧‧反射器
235‧‧‧層間介電質
260‧‧‧波導
260A‧‧‧肋形波導
260B‧‧‧平板波導
261‧‧‧錐狀物
265‧‧‧光柵耦合器
265A‧‧‧光柵線
400‧‧‧計算平台
401‧‧‧雷射器
403‧‧‧半導體基板
405A~N‧‧‧光波導
409A~N‧‧‧反射器
410‧‧‧光學發射器
413‧‧‧電池
413A~N‧‧‧調變器
417‧‧‧光學多工器
419A~C‧‧‧光束
420‧‧‧功能區塊視圖
421‧‧‧光束
453‧‧‧光學接線
462‧‧‧電路
1002‧‧‧主機板
1004‧‧‧處理器
1006‧‧‧通訊晶片
以舉例方式而非限定方式，顯示本發明的實施例，參考下述詳細說明且配合圖式而考慮時，將更完整地瞭解本發明的實施例，其中：圖1是依據本發明的實施例之光學發射器剖面；圖2A顯示依據本發明的實施例之光學發射器的垂直耦合器區的剖面之擴大視圖；圖2B是圖2A中所示的光學發射器的斜角視圖；圖3A顯示依據本發明的實施例之以光柵為基礎的背面發射垂直耦合器的發光效率；圖3B顯示依據本發明的實施例之波長的函數的背面發射垂直耦合器的***損耗；圖4是依據本發明的實施例之包含光學發射器的行動裝置圖；圖5是依據本發明的實施例之圖4中所示的行動裝置 的功能方塊圖；以及圖6是流程圖，顯示依據本發明的實施例之光學發射器的製造方法。
100‧‧‧光學發射器
101‧‧‧封裝基板
102‧‧‧側
105‧‧‧光子積體電路晶片
106‧‧‧光子積體電路晶片前側
107‧‧‧光子積體電路晶片背面
110‧‧‧凸塊
111‧‧‧凸塊
113‧‧‧銲球
115‧‧‧光學裝置
120‧‧‧積體電路晶片
130‧‧‧區域
140‧‧‧透鏡
142‧‧‧鏡
150A~B‧‧‧光訊號
160‧‧‧電連接器
170‧‧‧印刷電路板

Claims (20)

  1. 一種積體光學發射器，包括：封裝基板；光子積體電路(PIC)晶片，係覆晶接合至封裝基板，具有光學波導及以光學光柵為基礎的垂直耦合器配置在薄膜層中，在該光子積體電路(PIC)晶片之面對該封裝基板的前側上；以及光學透鏡，將光經由該光子積體電路(PIC)晶片的背面而耦合至該垂直耦合器。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學發射器，又包括第二積體電路(IC)，係覆晶地接合至該光子積體電路(PIC)晶片且配置在該光子積體電路(PIC)晶片與該封裝基板之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學發射器，其中，該光子積體電路(PIC)晶片又包括耦合至該光學波導的雷射器，且其中，該第二積體電路(IC)包括電耦合至該雷射器的驅動器。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學發射器，其中，該垂直耦合器又包括：光柵耦合器，用以接收來自該光波導之光；以及反射器，係配置在該光柵耦合器與該封裝基板之間，以將自該光柵耦合器發射出的光反射朝向該光子積體電路(PIC)晶片的背面。
  5. 如申請專利範圍第4項之光學發射器，其中，該光 柵耦合器包括形成在面對該反射器之薄膜表面中的光柵。
  6. 如申請專利範圍第4項之光學發射器，其中，該反射器包括金屬薄膜，該金屬薄膜具有面對該光柵耦合器的表面面積，該表面面積係至少等於該光柵耦合器所佔據的晶片面積。
  7. 如申請專利範圍第6項之光學發射器，其中，該金屬係選自由鋁、銀、及黃金組成的族群。
  8. 如申請專利範圍第4項之光學發射器，其中，該光波導及該光柵耦合器基本上由單晶矽組成，且其中，該反射器與該光柵耦合器係藉由層間介電質(ILD)來予以間隔開。
  9. 如申請專利範圍第8項之光學發射器，其中，該單晶矽與單晶基板係藉由絕緣器層來予以間隔開，且其中，該層間介電質(ILD)包括二氧化矽。
  10. 一種光電子積體電路，包括：基板；第一薄膜介電層，係配置在該基板的前側之上；光波導及光柵耦合器，係配置在該薄膜介電層之上；第二薄膜介電層，係配置在該光柵之上；以及薄膜金屬層，係配置在該第二薄膜介電層之上，其中，該薄膜金屬層與該光柵耦合器相對齊，以將來自該光柵耦合器的光反射經過該基板的背面，或是將來自該基板的背面之光反射至該光柵耦合器。
  11. 如申請專利範圍第10項之光子積體電路，其中， 該光波導包括在沿著第一縱向長度的第一相對立側壁之間的第一頂表面，且其中，該光柵耦合器包括在沿著第二縱向長度的第二相對立側壁之間的第二頂表面，其中，該第二頂表面具有凹部，該凹部界定在平行於該第二縱向長度之方向上的光柵週期。
  12. 如申請專利範圍第10項之光子積體電路，其中，該凹部係面對該薄膜金屬層。
  13. 如申請專利範圍第10項之光子積體電路，其中，該薄膜金屬層係配置成與該光柵耦合器間隔開一段距離，以與自該光柵耦合器之與該頂表面相反的底表面洩漏至該基板中的散射光建設性地相干涉。
  14. 如申請專利範圍第11項之光子積體電路，其中，該基板、該光波導、及該光柵耦合器基本上由單晶矽組成，且其中，第一薄膜介電層及該單晶矽各自為絕緣體上矽(SOI)晶圓的各別層。
  15. 如申請專利範圍第14項之光子積體電路，其中，發射經過該基板的光束具有約0.1的數值孔徑(NA)且發射角小於5°。
  16. 如申請專利範圍第14項之光子積體電路，其中，從該基板的背面發射出的光束具有大於85%的發光效率。
  17. 一種光學發射器的製造方法，包括：製造光子積體電路晶片，該製造又包括：形成光波導及光柵耦合器於配置在基板的前側上之薄膜中； 將層間介電質沈積於該光波導與該光柵耦合器之上；以及沈積及圖案化金屬薄膜以形成對齊於該光柵耦合器之上的反射器。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，形成該光柵耦合器又包括將絕緣體上矽(SOI)基板的矽層蝕刻成為肋部或平板，該肋部或平板具有配置於相對立的側壁之間的頂表面中的凹部，且其中，沈積該金屬薄膜又包括沈積鋁。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，又包括：將該光子積體電路(PIC)晶片覆晶接合至封裝基板，該光子積體電路(PIC)晶片的前側面對該封裝基板；以及將透鏡固定以接收從該光子積體電路(PIC)晶片之背面發射出的光。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，將積體電路(IC)晶片覆晶接合至該光子積體電路(PIC)晶片，該光子積體電路(PIC)晶片的前側面對該積體電路(IC)晶片的前側，其中，該反射器係配置在該光柵耦合器與該積體電路(IC)晶片及該封裝基板的至少其中一者之間。
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