TWI446036B - 光學傳輸模組 - Google Patents
光學傳輸模組 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI446036B TWI446036B TW099116551A TW99116551A TWI446036B TW I446036 B TWI446036 B TW I446036B TW 099116551 A TW099116551 A TW 099116551A TW 99116551 A TW99116551 A TW 99116551A TW I446036 B TWI446036 B TW I446036B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- transmission module
- optical
- optical transmission
- film layer
- layer
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 197
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 122
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 56
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 29
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 5
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 33
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 21
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000003447 ipsilateral effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
- G02B6/4214—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical element having redirecting reflective means, e.g. mirrors, prisms for deflecting the radiation from horizontal to down- or upward direction toward a device
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
本發明係為一種光學傳輸模組；尤指利用光波導結構之全反射信號傳輸技術，以應用於對電信號或光信號之轉換與傳輸上的一種光學傳輸模組。
傳統以金屬材料作為線路以提供在傳輸電信號或單元間之聯繫上的應用，於習用技術中已相當普遍。而在數位通訊的高效能電子系統中，不但處理器的設置愈益增多，信號處理的速度也越來越快，因此信號或資訊的傳輸品質與速度也愈形重要。然而，傳統的金屬線路連結設計其傳輸之性能係已有所不足。
光學連結可受傳輸線路材料性質的影響較小，能達高頻寬容量和快速之傳輸效果，所以以光學傳輸方式取代電子傳輸方式便為重要的技術發展。在發光二極體(LED)及半導體雷射的技術下，以光為媒介來傳輸信號的方式便加以開發；其主要是由光電耦合元件(Optical Coupler)的運作來完成電、光信號或光、電信號間的轉換、發射與接收。而光電耦合元件主要包含提供光發射的發射器或光源單元、提供光接收的接收器或光檢測單元、以及將發射或接收之信號作進一步驅動或放大的驅動器或放大器。
此外，在將晶片中的電路加以微型化和模組化的概念下，系統單晶片(SoC)或系統整合(SLI)晶片便為目前之一重要的發展與設計趨勢。藉由整合多種功能於單顆積體電路(IC)中的方式，能使其產品的體積相對較小但卻有更多元之應用。例如將一中央處理器設計具有多核心之處理配置，而每一核心具有不同的應用功能，且其彼此間以信號聯繫但皆整合於同一晶片上。是以，以光的形式要在此系統單晶片上進行應用時，便需以對應的路徑設計來完成在相關部位上的信號傳輸。更進一步來說，於同一電路板上各晶片或積體電路間的信號傳輸與連結能以光為形式進行時，其傳輸路徑也必須加以設計。
而目前技術針對光電耦合、轉換或傳輸在上述應用所作的連結設計，包含將電子元件層與光子元件層以同一側為方式作設計以及以分設於兩側上之異側方式作設計。電子元件層是指對電信號作運算，或對電、光信號作轉換、發射與接收的發射器與接收器之設置層面，例如以互補式金屬氧化半導體(CMOS)為製程的積體電路設計；而光子元件層則為以光為形式進行信號傳輸的設置層面，例如以波導(Waveguide)方式作設計。其中在同一側上的設計，主要係在同一平面上將產生或連接電信號與光信號的單元加以串聯，使信號不需走不同的平面或不需在不同層面上產生傳輸的轉折，便可完成光信號的發射與接收。但由於一般電子元件層於製程上與光子元件層有所不同或不相容，使得同一側的設計方式將會很複雜。詳細來說，若能於同一套製程中完成可加以相容的同側設計時，例如可於電子元件層上加入特定材料以達成光之發射與接收的目的，則其會存有成本昂貴與製程上需另作調整的諸多問題。
而分設於兩側上的設計，便為信號於傳輸過程中會產生在不同層面或平面上的轉折，以完成光信號的發射與接收。如第一圖所示，係為習用技術根據此分側設計方式而完成的一光學傳輸模組10之示意圖。其中一驅動電路16係設置於一積體電路層11中，並藉由一金屬線路121和上方的一光源單元13完成連接；而該金屬線路121係設置於一金屬連結構造12中，詳細來說係於該金屬連結構造12中製出一垂直穿孔以供該金屬線路121穿過與連接。而電信號經金屬線路121傳至光源單元13後，光源單元13便能產生與發射出光信號並經一光波導結構14的傳輸而由一光檢測單元15所接收，並再轉換成電信號後由另一金屬線路122(對應另一垂直穿孔)將其傳輸至下方設置於該積體電路層11中的一放大電路17(或相關接收電路)作接收與進一步傳輸。
然而，此一設計雖可將電子、光子元件層分別以不同製程加以完成後再作結合，但又具有於該金屬連結構造12中不易設置出該等金屬線路121、122的問題。不但該等金屬線路121、122要與上下兩元件層的製程相容仍有困難，且信號於其上仍是以電的形式進行信號傳輸。
如第二圖所示，係為習用技術根據此分側設計方式而完成的另一光學傳輸模組20之示意圖。其中一積體電路層21藉由一金屬線路221和上方的一光源單元23完成連接(圖式中係以三個對應配置作示意說明)；該金屬線路221係設置於一矽基板22與該積體電路層21中，詳細來說係於矽基板22與積體電路層21中製出一垂直穿孔以供該金屬線路221穿過與連接。光源單元23設置於矽基板22上，而電信號經金屬線路221傳至光源單元23後，光源單元23便能產生與發射出光信號並穿過一砷化鎵基板26和由一微透鏡組27作聚光而於一自由空間結構(Free-space)24中由多個微鏡面28作反射以傳輸信號，進而再穿過該砷化鎵基板26後由設置於矽基板22上的一光檢測單元25所接收，並再轉換成電信號後由另一金屬線路222(對應另一垂直穿孔)將其傳輸至下方的該積體電路層21中作接收與進一步傳輸。
然而，此一設計雖可將電子、光子元件層分別以不同製程加以完成後再作結合，但將該等金屬線路221、222設置於該矽基板中亦具有難度。雖然光源單元23和光檢測單元25能以覆晶方式設置於矽基板22上，但該自由空間結構24需具有一定的大小方能使設置於其中多個微鏡面28完成所需的反射與信號傳輸。換句話說，此種光學傳輸模組之架構係存有體積較大的缺點。
本發明之目的在於提供一種光學傳輸模組，使其利用半導體製程以及光波導結構的全反射信號傳輸之技術，從而能簡單、方便地於製程中，完成將信號於不同平面上作傳輸的電子元件層與光子元件層間之連結；並能於發射、轉換與接收的主要傳輸過程中皆以光為形式加以完成，從而不但能避免習用技術需設置出相關垂直穿孔與金屬線路之困難製程，還能有效地提升信號傳輸的效果。
本發明係為一種光學傳輸模組，應用於對一第一電信號之轉換與傳輸，該光學傳輸模組包含有：一半導體基板；一第一膜層，形成於該半導體基板之第一表面上；一電子元件層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以將該第一電信號轉換成一光信號後發射；以及一光波導結構，形成於該第一膜層上，該光波導結構包含有一第一反射面、一光波導結構主體和一第二反射面；其中該光信號能穿透該半導體基板和該第一膜層而進入該光波導結構，並經該第一反射面之反射而於該光波導結構主體中傳輸，再經該第二反射面之反射而穿透該第一膜層和該半導體基板而由該電子元件層接收，進而將該光信號轉換成一第二電信號後傳輸。
現以一第一實施例進行本發明之實施說明。請參閱第三圖(a)，係為本發明所提出的一光學傳輸模組3之剖面示意圖。如該圖所示，該光學傳輸模組3主要包含有一半導體基板30、一第一膜層31、一電子元件層33和一光波導結構36；其中該半導體基板30包含有上下兩表面，也就是第一表面301和第二表面302，而該第一膜層31和該電子元件層33係分別對應形成於該半導體基板30之第一表面301和第二表面302上。在此實施例中，所採用的該半導體基板30係為一單晶矽基板，即雙面拋光的SOI(silicon on insulator)矽基材，因而除可對該半導體基板30之上下兩表面以半導體製程或諸如晶圓黏合(wafer bonding)的方式進行相關單元的形成外，其基板的矽材特性也能提供所產生的光信號進行發射與接收上的傳輸通過。
承上所述，在此實施例中，該光學傳輸模組3係應用於對一第一電信號E1之轉換與傳輸。該第一電信號E1係可視該光學傳輸模組3之應用或設置環境而由對應的元件來提供。而該電子元件層33除能接收該第一電信號E1外，還能將該第一電信號E1轉換成一光信號O1後發射。在此實施例中，該電子元件層33係為以互補式金屬氧化半導體(CMOS)製程所完成之一種積體電路層(IC)，其中包含有一光源單元34和一驅動電路37，該驅動電路37係和該光源單元34作電連接，而該第一電信號E1便為由該驅動電路37接收後加以驅動該光源單元34將其對應地轉換成該光信號O1以進行發射。在此實施例中，該驅動電路37係設置於該半導體基板30之第二表面302上，而該光源單元34則對應地設置於該驅動電路37上。
其中，該光源單元34係能以習用技術中之發光二極體、半導體雷射器或垂直腔面發射雷射器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，簡稱為VCSEL)來構成，其主要之功能即用以根據相關之電信號作轉換後產生或發射出對應之光束或光信號以進行傳輸。此外，基於所使用的矽基材特性，所形成的該光信號O1係為可於矽材質中進行傳輸之近紅外光；也就是其光波之波長需大於1.1微米，以使該
光信號O1可對矽基材進行有效之穿透以進行傳輸。
承上所述，為了提高對光的高穿透性、耦合效率與抗反射性，因而在該電子元件層33中還包含有形成於該半導體基板30之第二表面302上的一第二膜層321。該第二膜層321係可採用諸如二氧化矽或氮氧化物之單一介電質膜層來完成，用以提供對光之耦合與穿透，使得所述之光信號O1能完成有效之傳輸。於此實施例中，該第二膜層321係能以半導體製程直接形成於該半導體基板30之第二表面302上，並對應該光源單元34的所在範圍和位置而相鄰於該驅動電路37；進一步來說，該第二膜層321的形成可為將該驅動電路37作所在範圍的對應穿孔，而於其範圍內形成於該第二表面302上。或者，於其他實施例中，該第二膜層321亦能連同該電子元件層33以晶圓黏合方式形成於該第二表面302上。而若該電子元件層33亦為所述SOI形式的積體電路時，則該第二膜層321亦能以多層膜層的方式加以構成。
另一方面，於此實施例中，該第一膜層31亦能以如上所述之單一介電質膜層的方式來完成。而該第一膜層31之主要特徵除在於提升對光信號之穿透與耦合效率外，其所具有的折射率特性係和設置於其上的該光波導結構36有所不同；也就是該第一膜層31之材料的折射率係需小於該光波導結構36之材料的折射率，以使穿透該第一膜層31而進入該光波導結構36之光信號於其傳輸過程中，能被有效地侷限於該光波導結構36中。於此實施例中，如第三圖(a)所示，該光波導結構36包含有一第一反射面363、一光
波導結構主體360和一第二反射面364，而光信號能以全反射方式於該光波導結構主體360中進行傳輸。
進一步來說，於此實施例中，該光波導結構36之材料係亦為矽材質所構成，能和該半導體基板30、該第一膜層31於同一半導體製程中以一體成型的方式加以完成。也就是在該第一膜層31形成於該第一表面301上後，再以另一矽基材形成於該第一膜層31上，並以半導體蝕刻方式作對應位置和形狀的蝕刻。於此實施例中，其蝕刻係能分別形成出該第一反射面363和該第二反射面364，且皆設計為能呈現出和該第一膜層31之間夾有45度之夾角的斜面，而其餘的部份則形成所述之光波導結構主體360。進而並在其外層塗上相關的反射材料後，便可完成所述之該等反射面363、364。
再者，該電子元件層33還包含有一光檢測單元35、一轉阻放大器電路38和一第三膜層322；在此實施例中，類似地，該轉阻放大器電路38係設置於該半導體基板30之第二表面302上，而該光檢測單元35則對應地設置於該轉阻放大器電路38上並作電連接。而該第三膜層322之特性與設計係亦可和該第二膜層321相同；意即其為可提高對光之耦合與穿透的單一介電質膜層或多層膜層，並以半導體製程在相鄰於該轉阻放大器電路38以及對應該光檢測單元35的所在範圍和位置之設計下，形成於該第二表面302上。其中，所述之光檢測單元35係能以習用技術中之光接收二極體或光學接收器(Photodetector，簡稱為PD)來構成，其主要之功能即用以接收後續對應反射而至的光信
號O1，從而將其轉換後作所需之傳輸；而該轉阻放大器電路38則用以將該光檢測單元35所轉換的一第二電信號E2放大後加以輸出。
詳細來說，其整體模組之相關元件或構造的配置，所述之第一反射面363和第二反射面364係分別位於該光波導結構36之第一端361和第二端362上，且該第一反射面363和該第二反射面364之位置係分別和該光源單元34、該光檢測單元35相對應。而由於在此實施例中的該第一膜層31、該第二膜層321和該第三膜層322係採用具高穿透性的介電質膜層來完成，因而該光源單元34在以垂直角度或接近垂直之角度產生與發射出所述之光信號O1時，該光信號O1便能分別對該第一膜層31、該第二膜層321或該第三膜層322加以穿透。更進一步來說，所述第一膜層31、第二膜層321和第三膜層322皆能以多層或單一膜層方式作設置，並還能將抗反射塗料(anti-reflection coating)設計於其間，從而可提高光的穿透率。
換句話說，本發明之光學傳輸模組3的運作，係使該光源單元34將該第一電信號E1轉換成該光信號O1後加以發射，而該光信號O1便能依序穿透該第二膜層321、該半導體基板30和該第一膜層31，並進入該光波導結構36之第一端361，進而能經由呈現為45度夾角的該第一反射面363之反射而形成垂直角度的轉折，而於該光波導結構主體360中進行傳輸。其次，該光信號O1進入該光波導結構36之第二端362並照射在呈現為45度夾角的該第二反射面364上後作反射與轉折，使其光信號O1便能依序穿透該第一膜層31、該半導體基板30和該第三膜層322，而由該光檢測單元35接收。接著，並將該光信號O1轉換成該第二電信號E2後作進一步的傳輸，使其光路徑能在該電子元件層33與代表光子元件層的該光波導結構36之間，產生於不同平面上完成傳遞的效果；也就是提供光信號在三維空間下產生非共平面的轉折、反射與傳輸導向。於此實施例中，該第二電信號E2係和該第一電信號E1、該光信號O1具有相同的傳輸內容。
請參閱第三圖(b)，係為所述之光信號O1的反射與傳輸之示意圖。如該圖所示，其中光信號O1的路徑係以上述方式於該光波導結構主體360中進行傳輸；而以此方式的傳輸效果，係使其光路徑能和該光波導結構主體360之導向方向以相互平行的方式作傳遞。但因為該光源單元34所發射的光信號並不一定會以完美的垂直方式加以發射，而可能具有一小角度範圍內的發散。是以，如該第三圖(b)所示，兩光路徑O1a、O1b便不是以垂直方式進入其第一端361中，使其在第一反射面363上的反射便非呈現為90度。然而，由於此種狀況所形成的反射在照射於該光波導結構主體360之內側上的入射角度已夠大，也就是已能相對於下方的第一膜層31或上方的空氣達到或超過全反射條件的臨界角，使得此種光在行進時能以全反射方式於該光波導結構主體360內進行傳輸，進而再經由該第二反射面364之反射後提供對其光信號的接收運作。是以，本發明所採用的該第一膜層31的折射率便必須小於該光波導結構36所使用之矽材料的折射率。
而關於該光波導結構36的形狀設計，係可在相鄰於其第一端361上的該第一反射面363和第二端362上的該第二反射面364來建構於兩旁上之側面或銜接面。請參閱第三圖(c)，係為該光波導結構36於其第一端361上的剖面示意圖；而相同的構造亦可於其第二端362上作呈現。如該圖所示，該光波導結構36兩旁之側面係呈現出相對的斜面設計，使其整體的外部形狀呈現為類似梯形之構造。而於此實施例中，所述之光信號主要會聚焦與集中在所設計之兩反射面363、364上，且主要是以該光波導結構主體360內之上方處與下方處作全反射傳輸。因此，就實施效果而言，本發明之光波導結構36整體的形狀設計係並無太大的條件限制，只要能針對45度夾角之兩反射面363、364作對應面積大小的形成，並於兩旁建構出相對的側面或銜接面以使其光信號能於其內作全反射即可。
承上所述，本發明之光學傳輸模組3係能應用於一印刷電路板(未顯示於圖式)上之設置，而該印刷電路板並能和光學傳輸模組3中之該電子元件層33完成電連接，而能提供所述之第一電信號E1以供其接收和轉換；並能接著接收後續所傳輸而至和作對應轉換的該第二電信號E2，從而能將其作進一步的傳輸或應用。是以，光學傳輸模組3可為於該印刷電路板上之各單元、晶片或積體電路間的一種信號連接構造，從而能以光的形式來完成信號傳輸的目的與效果。更進一步來說，本發明之光學傳輸模組3係能直接完成於一晶片(未顯示於圖式)中；是以，針對如先前技術所述之於系統單晶片(SoC)或中央處理器中的多核心設計，其每一核心間的聯繫或傳輸路徑便可採用其光學傳輸模組3的架構加以連結，從而能於晶片內(Intra-Chip)以光的形式完成信號傳輸的目的與效果。
由於在本發明的電光信號或光電信號的轉換與傳輸上，需避免光信號於傳輸過程中受到相關的電磁或電氣效應之干擾，因此，本發明之概念還可基於上述第一實施例之方式作相關的實施變化設計。現以一第二實施例進行本發明之實施說明。請參閱第四圖，係為本發明所提出的一光學傳輸模組3a之剖面示意圖。於此一變化設計中之相關單元係和上述第一實施例相同，但其中形成於半導體基板30之第二表面302上的一第二膜層32係延伸擴展至整個電子元件層330。類似地，此實施例中之電子元件層330係以其第二膜層32形成於該第二表面302上，而電子元件層330之其他相關單元，則是先將其驅動電路37和轉阻放大器電路38設置於該第二膜層32上後，再於對應的位置上將該光源單元34和該光檢測單元35作設置。
承上所述，於此實施例中，該第二膜層32之特性與設計係亦可和第一實施例之相關膜層相同；意即其為可提高對光之耦合與穿透的單一介電質膜層或多層膜層。且該第二膜層32除具有對光的高穿透性、耦合效率與抗反射性外，由於該第二膜層32能對該電子元件層330中的其他相關單元與諸如半導體基板30之光路層間形成有效之隔離作用，因而使得該第二膜層32能產生有效之電絕緣效果和阻絕信號洩漏的功能。而該第二膜層32之設置於此實施例中，係亦能以半導體製程直接形成於該第二表面302上；
或者，該第二膜層32能連同該電子元件層330以晶圓黏合方式形成於該第二表面302上。
本發明之光學傳輸模組不需於其結構內設置出如先前技術所述的垂直穿孔，而是直接以光的形式穿透矽材質之基板，從而避免了相關習用模組對其垂直穿孔設置上的困難製程。其次，本發明之光學傳輸模組於主要的傳輸過程中皆是以光的形式在進行，包括於矽基板中的穿透過程；如此，除了可增加整體的傳輸速度外，也能避免如先前技術中的以金屬線路來傳輸電信號時所可能產生的信號衰減、洩漏，或受相關環境之干擾和影響等不利因素，使其光信號形式的傳輸效果更佳。再者，本發明之光學傳輸模組在其電子元件層與光子元件層間的結合，也能先分別以各自之製程來完成後再以黏合的方式作鍵結；是以，相較於先前技術之相關模組而言，本發明之光學傳輸模組的製程較為容易，同時也無需對其電子元件層作複雜的調整；且對其矽基板或整體模組的體積設計，也能較以自由空間結構作設計之習用模組來的小。
上述之兩實施例係以發射出至少一個光信號和由至少一個光波導結構進行對應傳輸作實施說明；而於其他實施例中，係可將其加以變化，而在對應的模組上產生多個光信號以及由對應數目之光波導結構來作傳輸。進一步來說，本發明之光學傳輸模組係可應用於對多個電信號之接收與傳輸，並可由對應數目之光源單元加以轉換和發射，再以位置相對應之光波導結構作反射、傳輸後由對應的光檢測單元進行接收和轉換。
另一方面，上述兩實施例之光學傳輸模組中的電子元件層係為以互補式金屬氧化半導體(CMOS)製程所完成之一種積體電路層(IC)，而由相關的驅動電路和轉阻放大器電路、光源單元和光檢測單元對指定之電、光信號進行對應的運作。而此一積體電路層除了所述之CMOS製程外，亦能以其他可構成積體電路形式之製程來完成。而針對將本發明之光學傳輸模組進行於系統單晶片(SoC)之晶片內(Intra-Chip)的應用時，其積體電路層亦可將具有運算功能的部份整合於其中，例如整合於其驅動電路或轉阻放大器電路中，而能將不同線寬或製程之電路、光路結構完成於同一矽基板上，進而整合成為一單石(monolithic)之光電元件，使得電子元件層能同時具有驅動功能與運算功能以提供高效率之光學傳輸。
根據上述兩實施例的概念與模組架構，為使光信號能於其晶片內或印刷電路板等相關應用環境中完成指定或所需之位置、目標的信號傳輸，還可將本發明之光學傳輸模組作相關的連接配置與變化，使得光信號能不僅只以如上述兩實施例所揭露之方式進行傳輸。如第五圖(a)所示，係為將兩光學傳輸模組3、3’作搭配之示意圖；在此一設計中，係將兩個相同的光學傳輸模組3、3’(以第一實施例之光學傳輸模組作舉例說明)以相互平行的方式作搭配，因而其兩光波導結構36、36’也相互平行。類似地，由光源單元34將第一電信號E1轉換成光信號O1後發射，並由光波導結構36作傳輸以及由光檢測單元35接收與再轉換成第二電信號E2。如圖所示，由於此設計能將轉阻放大器電路38和另一驅動電路37’作電連接，因而該第二電信號E2便能直接對其作傳輸，而再由另一光源單元34’根據其進行轉換與發射。是以，光信號O2、O1以及電信號E2、E1，以至於是後續光檢測單元35’及轉阻放大器電路38’所輸出的一第三電信號E3，係都具有相同的傳輸內容。
承上所述，根據這樣的架構，所需傳輸的內容便能經由多次的光電轉換與傳輸後加以延伸傳輸至指定的目標。而除了上述的平行配置外，還可將相關模組以垂直配置的方式來作建構。如第五圖(b)所示，係為將兩光學傳輸模組3、3’作另一搭配之示意圖；而在此一設計中，則是將兩個相同的光學傳輸模組3、3’以相互垂直的方式作搭配，因而其兩光波導結構36、36’也相互垂直。其運作和第五圖(a)類似，但其中由於轉阻放大器電路38和另一驅動電路37’間之電連接係呈現為垂直，因此所產生的第二電信號E2便是透過其間對應的電路或接線來進行傳輸，從而再由該光學傳輸模組3’進行另外的光電轉換與傳輸。是以，在此一設計中，最後的第三電信號E3便能和原先的第一電信號E1以呈現相互垂直的形式完成傳輸；更進一步來說，若同時能搭配上述第五圖(a)所示之設計時，將信號往指定目標上進行傳輸的目的便可更有效地達成。
是故，綜上所述，本發明之概念能有效地解決先前技術中所提及之相關問題，並改善習用光學傳輸模組之相關缺失；且進而還能利用本發明所提出之光學傳輸模組之架構作多元的應用與配置，使得光電轉換與信號傳輸能夠有效地完成，從而能成功地達到本案發展之主要目的。
任何熟悉本技術領域的人員，可在運用與本發明相同目的之前提下，使用本發明所揭示的概念和實施例變化來作為設計和改進其他一些方法的基礎。這些變化、替代和改進不能背離申請專利範圍所界定的本發明的保護範圍。是故，本發明得由熟習此技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
本案圖式中所包含之各元件列示如下：
10、20．．．光學傳輸模組
11、21．．．積體電路層
12．．．金屬連結構造
121、122、221、222．．．金屬線路
13、23．．．光源單元
14．．．光波導結構
15、25．．．光檢測單元
16．．．驅動電路
17．．．放大電路
22．．．矽基板
24．．．自由空間結構
26．．．砷化鎵基板
27．．．微透鏡組
28．．．微鏡面
3、3a、3’．．．光學傳輸模組
30．．．半導體基板
301．．．第一表面
302．．．第二表面
31．．．第一膜層
32、321．．．第二膜層
33、330．．．電子元件層
34、34’．．．光源單元
35、35’．．．光檢測單元
36、36’．．．光波導結構
360．．．光波導結構主體
361．．．第一端
362．．．第二端
363．．．第一反射面
364．．．第二反射面
37、37’．．．驅動電路
38、38’．．．轉阻放大器電路
E1．．．第一電信號
E2．．．第二電信號
E3．．．第三電信號
O1、O2．．．光信號
O1a、O1b．．．光路徑
322．．．第三膜層
本案得藉由下列圖式及說明，俾得一更深入之了解：
第一圖，係為習用技術之一光學傳輸模組10之示意圖。
第二圖，係為習用技術之一光學傳輸模組20之示意圖。
第三圖(a)，係為本發明所提出的光學傳輸模組3之剖面示意圖。
第三圖(b)，係為光信號O1的反射與傳輸之示意圖。
第三圖(c)，係為光波導結構36於第一端361上的剖面示意圖。
第四圖，係為本發明所提出的光學傳輸模組3a之剖面示意圖。
第五圖(a)，係為將兩光學傳輸模組3、3’作搭配之示意圖。
第五圖(b)，係為將兩光學傳輸模組3、3’作搭配之示意圖。
3．．．光學傳輸模組
30．．．半導體基板
301．．．第一表面
302．．．第二表面
31．．．第一膜層
321．．．第二膜層
322．．．第三膜層
33．．．電子元件層
34．．．光源單元
35．．．光檢測單元
36．．．光波導結構
360．．．光波導結構主體
361．．．第一端
362．．．第二端
363．．．第一反射面
364．．．第二反射面
37．．．驅動電路
38．．．轉阻放大器電路
E1．．．第一電信號
E2．．．第二電信號
O1．．．光信號
Claims (26)
- 一種光學傳輸模組，應用於對一第一電信號之轉換與傳輸，該光學傳輸模組包含有：一半導體基板；一第一膜層，形成於該半導體基板之平坦第一表面上；一電子元件層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以將該第一電信號轉換成一光信號後發射；以及一光波導結構，形成於該第一膜層上，該光波導結構包含有一第一反射面、一光波導結構主體和一第二反射面；其中該光信號能穿透該半導體基板和該第一膜層而進入該光波導結構，並經該第一反射面之反射而於該光波導結構主體中傳輸，再經該第二反射面之反射而穿透該第一膜層和該半導體基板而由該電子元件層接收，進而將該光信號轉換成一第二電信號後傳輸。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該半導體基板為一單晶矽基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層包含有一光源單元，用以將該第一電信號轉換成該光信號後發射。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學傳輸模組，其中該光源單元為一發光二極體、一半導體雷射器或一垂直腔面發射雷射器。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學傳輸模組，其中該第一反射面係位於該光波導結構之第一端上，且該第一反射面之位置係和該光源單元相對應。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層包含有：一第二膜層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以提供抗反射；以及一驅動電路，形成於該半導體基板之第二表面上並相鄰於該第二膜層，用以藉由傳輸該第一電信號以進行驅動；其中該光源單元係對應該第二膜層而設置於該驅動電路上並和該驅動電路完成電連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層包含有：一第二膜層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以提供電絕緣；以及一驅動電路，形成於該第二膜層上，用以藉由傳輸該第一電信號以進行驅動；其中該光源單元係設置於該驅動電路上並和該驅動電路完成電連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層包含有一光檢測單元，用以接收該光信號並將該光信號轉換成該第二電信號後傳輸。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學傳輸模組，其中該光檢測單元為一光接收二極體或一光學接收器。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學傳輸模組，其中該第二反射面係位於該光波導結構之第二端上，且該第二反射面之位置係和該光檢測單元相對應。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學傳輸模組，其中該電 子元件層包含有：一第三膜層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以提供抗反射；以及一轉阻放大器電路，形成於該半導體基板之第二表面上並相鄰於該第三膜層，用以將該光檢測單元所轉換的該第二電信號放大後加以輸出；其中該光檢測單元係對應該第三膜層而設置於該轉阻放大器電路上並和該轉阻放大器電路完成電連接。
- 如申請專利範圍第8項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層包含有：一第二膜層，形成於該半導體基板之第二表面上，用以提供電絕緣；以及一轉阻放大器電路，形成於該第二膜層上，用以將該光檢測單元所轉換的該第二電信號放大後加以輸出；其中該光檢測單元係設置於該轉阻放大器電路上並和該轉阻放大器電路完成電連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光波導結構為一矽材質，而該第一反射面、該第二反射面係分別和該第一膜層夾有45度之夾角。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光信號為可於矽材質中進行傳輸之近紅外光。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該第一膜層的折射率小於該光波導結構的折射率。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光信號經該第一反射面之反射後，係以全反射方式於該光波 導結構主體中進行傳輸。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光波導結構和該半導體基板為一體成型，而該第一反射面、該第二反射面能以半導體蝕刻方式完成。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層係為以互補式金屬氧化半導體製程所完成之一積體電路層。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該電子元件層係以晶圓黏合方式形成於該半導體基板之第二表面上。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光學傳輸模組係應用於一印刷電路板上之設置，該印刷電路板並能和該電子元件層完成電連接，而提供對該第一電信號和該第二電信號之傳輸。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該光學傳輸模組係完成於一晶片中。
- 如申請專利範圍第1項所述之光學傳輸模組，其中該第一膜層係為單層膜或多層膜，用以提供抗反射和增加穿透率。
- 如申請專利範圍第6或7項所述之光學傳輸模組，其中該驅動電路利用系統單晶片方式與對應之積體電路層整合，而具有運算功能與驅動功能。
- 如申請專利範圍第6、7或12項所述之光學傳輸模組，其中該第二膜層係為單層膜或多層膜，用以提供抗反射和增加穿透率。
- 如申請專利範圍第11項所述之光學傳輸模組，其中該第三膜層係為單層膜或多層膜，用以提供抗反射和增加穿透率。
- 如申請專利範圍第11或12項所述之光學傳輸模組，其中該轉阻放大器電路利用系統單晶片方式與對應之積體電路層整合，而具有運算功能與驅動功能。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099116551A TWI446036B (zh) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | 光學傳輸模組 |
| EP11167353A EP2402800A1 (en) | 2010-05-24 | 2011-05-24 | Optical transmission module |
| JP2011115737A JP5647565B2 (ja) | 2010-05-24 | 2011-05-24 | 光学伝送モジュール |
| US13/114,323 US8666204B2 (en) | 2010-05-24 | 2011-05-24 | Optical transmission module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099116551A TWI446036B (zh) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | 光學傳輸模組 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201142393A TW201142393A (en) | 2011-12-01 |
| TWI446036B true TWI446036B (zh) | 2014-07-21 |
Family
ID=44972543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW099116551A TWI446036B (zh) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | 光學傳輸模組 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US8666204B2 (zh) |
| EP (1) | EP2402800A1 (zh) |
| JP (1) | JP5647565B2 (zh) |
| TW (1) | TWI446036B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013095426A1 (en) | 2011-12-21 | 2013-06-27 | Intel Corporation | Fabrication of planar light-wave circuits (plcs) for optical i/o |
| US9377594B2 (en) | 2011-12-29 | 2016-06-28 | Intel Corporation | Two-dimensional, high-density optical connector |
| US9507086B2 (en) | 2011-12-30 | 2016-11-29 | Intel Corporation | Optical I/O system using planar light-wave integrated circuit |
| US9323010B2 (en) * | 2012-01-10 | 2016-04-26 | Invensas Corporation | Structures formed using monocrystalline silicon and/or other materials for optical and other applications |
| CN104092500A (zh) * | 2014-07-13 | 2014-10-08 | 潘国新 | 一体式光收发组件 |
| US10162198B2 (en) | 2014-09-11 | 2018-12-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Multiband QAM interface for slab waveguide |
| US10126512B2 (en) | 2014-09-11 | 2018-11-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Differential silicon interface for dielectric slab waveguide |
| US9715131B2 (en) | 2014-09-11 | 2017-07-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Integrated fan-out package including dielectric waveguide |
| TW201802510A (zh) * | 2016-03-07 | 2018-01-16 | 源傑科技股份有限公司 | 光學連接模組 |
| JP6981370B2 (ja) * | 2018-06-08 | 2021-12-15 | 日本電信電話株式会社 | 受光装置およびその製造方法 |
| US10756839B1 (en) * | 2019-05-09 | 2020-08-25 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Hybrid coarse wavelength division multiplexing (CWDM) transceiver |
| CN114637116B (zh) * | 2022-03-15 | 2023-02-10 | 嘉兴驭光光电科技有限公司 | 衍射光波导以及具有其的显示设备 |
Family Cites Families (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2834592B2 (ja) * | 1991-03-15 | 1998-12-09 | 日本電信電話株式会社 | 光集積装置 |
| JP4286375B2 (ja) | 1999-04-02 | 2009-06-24 | 株式会社アドバンテスト | 遅延クロック生成装置および遅延時間測定装置 |
| JP3721923B2 (ja) * | 2000-02-22 | 2005-11-30 | 株式会社日立製作所 | 光モジュール |
| JP2002131565A (ja) * | 2000-10-20 | 2002-05-09 | Dainippon Printing Co Ltd | 実装用基板及びそれを用いたデバイスの搭載構造 |
| JP2002296434A (ja) * | 2001-03-30 | 2002-10-09 | Seiko Epson Corp | 受光モジュール及びその製造方法 |
| US20030034501A1 (en) * | 2001-08-16 | 2003-02-20 | Motorola, Inc. | Image sensor with high degree of functional integration |
| US6924510B2 (en) | 2002-05-06 | 2005-08-02 | Intel Corporation | Silicon and silicon/germanium light-emitting device, methods and systems |
| US7085079B2 (en) | 2002-10-31 | 2006-08-01 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Optical element module, and apparatus and method for fixing optical element |
| US7306378B2 (en) | 2004-05-06 | 2007-12-11 | Intel Corporation | Method and apparatus providing an electrical-optical coupler |
| JP2006091241A (ja) * | 2004-09-22 | 2006-04-06 | Hitachi Cable Ltd | 光電気複合配線部品及びこれを用いた電子機器 |
| US7389013B2 (en) | 2004-09-30 | 2008-06-17 | Stmicroelectronics, Inc. | Method and system for vertical optical coupling on semiconductor substrate |
| JP2007164110A (ja) * | 2005-12-19 | 2007-06-28 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 光ｉ／ｏ部作製方法および光集積回路 |
| JP2007212915A (ja) * | 2006-02-13 | 2007-08-23 | Seiko Epson Corp | 光電気複合基板及び電子機器 |
| TWI298548B (en) | 2006-03-28 | 2008-07-01 | Nat Applied Res Laboratories | A design of transparent conducting anti-reflection laminate and solar cell |
| JP5022656B2 (ja) * | 2006-09-29 | 2012-09-12 | パナソニック株式会社 | 光通信装置およびそれを用いる電子機器 |
| JP5223183B2 (ja) | 2006-10-31 | 2013-06-26 | 日立電線株式会社 | 光電気複合配線部品及びこれを用いた電子機器 |
| JP5362551B2 (ja) * | 2007-03-27 | 2013-12-11 | 清一 永田 | 複合光導波路 |
| KR101251028B1 (ko) | 2008-04-26 | 2013-04-04 | 광주과학기술원 | 광배선 구조물 및 그 제조방법 |
-
2010
- 2010-05-24 TW TW099116551A patent/TWI446036B/zh not_active IP Right Cessation
-
2011
- 2011-05-24 US US13/114,323 patent/US8666204B2/en active Active
- 2011-05-24 EP EP11167353A patent/EP2402800A1/en not_active Ceased
- 2011-05-24 JP JP2011115737A patent/JP5647565B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20110286694A1 (en) | 2011-11-24 |
| EP2402800A1 (en) | 2012-01-04 |
| JP5647565B2 (ja) | 2014-12-24 |
| JP2011248362A (ja) | 2011-12-08 |
| TW201142393A (en) | 2011-12-01 |
| US8666204B2 (en) | 2014-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI446036B (zh) | 光學傳輸模組 | |
| TWI436114B (zh) | 具有光波導結構之發射端模組和接收端模組 | |
| US10365447B2 (en) | Method and system for a chip-on-wafer-on-substrate assembly | |
| JP6172679B2 (ja) | 光結合構造、半導体デバイス、マルチ・チップ・モジュールのための光インターコネクト構造、および光結合構造のための製造方法 | |
| JP3848210B2 (ja) | 電子回路基板 | |
| TWI686904B (zh) | 光子材料中介層的方法及系統 | |
| US9690042B2 (en) | Optical input/output device, optical electronic system including the same, and method of manufacturing the same | |
| JP6115067B2 (ja) | 光モジュール | |
| KR20070085080A (ko) | 전자-광 모듈 제조 시스템 및 방법 | |
| JP2008257237A (ja) | 発光素子アレイと光導波路アレイとが直接的に光接続可能な光電変換モジュールおよびその光電変換モジュールの製造方法 | |
| CN101872043B (zh) | 光学传输模块 | |
| TWI475269B (zh) | 提供一耦合光子結構之方法及裝置 | |
| CN101876732A (zh) | 具有光波导结构的发射端模块和接收端模块 | |
| CN106896447A (zh) | 具有高密度光学互连模块的波分复用的光学部件 | |
| WO2015096641A1 (zh) | 光互连***和方法 | |
| TWI600936B (zh) | 光學傳輸系統及其製備方法 | |
| JP2006047894A (ja) | 光導波装置 | |
| JP2004320666A (ja) | 光伝送装置、電子回路と光回路が混在した光電融合回路 | |
| KR20230007929A (ko) | 스택된 포토닉 다이들을 갖는 통합된 3dic 및 이를 형성하는 방법 | |
| JPH03191572A (ja) | 光半導体装置 | |
| JP2006310417A (ja) | 光電変換装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置 | |
| WO2015097764A1 (ja) | 受光装置及びそれを用いた光送受信システム | |
| US11719885B2 (en) | Apparatus for optical coupling and system for communication | |
| US20230367066A1 (en) | Apparatus for optical coupling and fabrication method thereof | |
| JP4639810B2 (ja) | 半導体装置、基板製造方法および電子機器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |