專利名稱：用于放大、調制和檢測光信號的納米線光學塊設備的制作方法
用于放大、調制和檢測光信號的納米線光學塊設備
背景技術：
隨著電路板上的計算機芯片速度日益提高，芯片間通信中的通信瓶頸正在成為更 大的問題。一種可能的解決方案是使用光學系統來使高速計算機芯片互連。然而，大多數 電路板包含許多層且常常要求其制造中的公差小于微米。以物理方式安置光纖并將這些纖 維連接到芯片可能會太不準確并耗費時間而不能在電路板制造工藝中被廣泛地采用。另外，在多個位置處訪問實芯光波導中的光信號可能具有挑戰性。每當訪問光信 號時，該光信號都與原始信號相干擾并使原始信號退化。因此，盡管有對寬帶數據傳輸的需 求，芯片之間的適于出售的光學互連仍已被證明是不勞靠的。
通過結合附圖進行的以下詳細說明，本發明的特征和優點將是顯而易見的，所述 附圖一同以實例的方式圖解說明本發明的特征；并且，其中
圖1是依照本發明的實施例的大芯徑空心金屬化波導的圖示； 圖加是依照本發明的實施例的具有在垂直方向上取向的納米線的納米線光學塊設備 (nano-wire optical block device)的圖不；
圖2b是包括ρ摻雜區、本征區和η摻雜區的納米線的圖示；
圖2c是依照本發明的實施例的示出相對于襯底具有離軸取向的納米線的納米線光學 塊設備的圖示；
圖2d是依照本發明的實施例的具有基本上在水平方向上取向的納米線的納米線光學 塊設備的圖示；
圖加是依照本發明的實施例的具有基本上在垂直和水平方向上的納米線的納米線光 學塊設備的圖示；
圖2f是依照本發明的實施例的具有被設置成一定角度的納米線的納米線光學塊設備 的圖示；
圖2g是依照本發明的實施例的具有基本上隨機地對準的納米線的納米線光學塊設備 的圖示；
圖池是依照本發明的實施例的具有基本上與襯底正交地形成的納米線的納米線光學 塊設備的圖示；
圖3a是依照本發明的實施例的具有帶有垂直納米線的納米線網格陣列的納米線光學 塊設備的圖示；
圖北是依照本發明的實施例的具有帶有水平納米線的納米線網格陣列的納米線光學 塊設備的圖示；
圖3c是依照本發明的實施例的具有帶有垂直的和水平的納米線的納米線網格陣列的 納米線光學塊設備的圖示；
圖3d是依照本發明的實施例的具有帶有被設置成一定角度的納米線的納米線網格陣 列的納米線光學塊設備的圖示；
4圖3e是依照本發明的實施例的具有帶有基本上隨機地對準的納米線的納米線網格陣 列的納米線光學塊設備的圖示；
圖3f是依照本發明的實施例的具有帶有基本上與襯底正交地形成的納米線的納米線 網格陣列的納米線光學塊設備的圖示；
圖4是依照本發明的實施例的具有被插入到波導中的槽中的納米線光學塊的大芯徑 空心金屬化波導的圖示；
圖5是依照本發明的實施例的具有帶有基本上開放的區域的納米線網格陣列的納米 線光學塊檢測器的圖示；
圖6是依照本發明的實施例的具有被插入波導中的槽中的被配置用于放大和檢測光 信號的納米線光學塊的大芯徑空心金屬化波導的圖示；
圖7a是依照本發明的實施例的具有納米線網格陣列的納米線光學塊檢測器的圖示， 其中納米線網格陣列在所述納米線網格陣列的每個區域中具有相對低密度的納米線；
圖7b是依照本發明的實施例的具有納米線網格陣列的納米線光學塊檢測器的圖示， 其中納米線網格陣列在所述納米線網格陣列的每個區域中具有相對高密度的納米線；以及 圖8是描繪用于放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導中的光信號的方法的流程圖。現在將參考所圖示的示例性實施例，并且在此將使用特定語言來對其進行描述。 盡管如此，將理解的是并不由此意圖限制本發明的范圍。
具體實施例方式一種用于在電路板上的計算機芯片之間形成光學互連的方法是使用在電路板上 形成的光波導。光波導可能由于能夠使用光刻工藝或類似工藝在電路板上形成波導而比用 于使電子裝置互連的光纖通信優越。通常用諸如聚合物和/或電介質的基本上光學透明的 材料在電路板上形成波導。還可以在未被安裝在電路板上的其它類型的襯底上形成使用光 刻工藝或類似工藝制成的光波導。例如，可以在柔性襯底上形成(多個)光波導，以產生具有 一個或更多光波導的帶狀電纜。使用光刻工藝或類似工藝在襯底上形成在本申請中公開的 光波導。以這種方式形成光波導能夠提供被構造有必需的物理公差以被用在現代多 層電路板上的互連。然而，可以在芯片和電路板制造中用來形成機載波導(on-board waveguide)的聚合物、電介質和其它材料通常明顯比光纖更有損耗。事實上，機載波導中的 損耗量已經是限制對光波導互連的認可(acceptance)的因素之一。用來構造波導的聚合 物可以具有每厘米0. IdB的損耗。相反，光纖中的損耗約為每千米0. ldB。因此，聚合物波 導可以具有比光纖中的損耗大幾個數量級的損耗。另外，典型的波導通常被制造為具有大致上與這些波導被設計來載送的光的波長 成比例的尺寸。例如，被配置來載送IOOOnm光的單模波導的最大尺寸可以為IOOOnm至 5000nm (Ιμπι至5μπι)。連接這種尺寸的波導可能是昂貴的且具有挑戰性的。在歷史上， 產生并連接波導的成本已使其在最常見的應用中的使用減少。多模波導可以具有用于芯區 的在20 — 60 μ m數量級的較大尺寸。單模和多模波導都具有針對芯的約0. 2至0. 3的相 對高的數值孔徑(NA)和0. 01至0. 02的包層折射率對比度。數值孔徑確定來自發射纖維的射束的發散。因此，較大的NA將導致與纖維間分隔有關的不良耦合。使用這些波導也難 以實現所導向的光束的分裂和分接。相對于使用聚合物或電介質材料形成的傳統光波導的重要改進是使用(如圖1所 示的)被配置來導向相干光108的大芯徑空心波導100。大芯徑空心波導可具有為波導被 配置來導向的相干光的波長的約50至150倍或更多倍的直徑(或寬度和/或高度)。所述 大芯徑空心波導可以具有被配置來導向光信號的為正方形、矩形、圓形、橢圓形或某種其它 形狀的橫截面形狀。此外，因為波導是空心的，所以光在空氣或真空中實質上以光速傳播。圖1圖示將多模射束106發射到波導105中的光源(通常為激光器或發光二極管) 102。多模射束可以在波導的壁之間彈跳。在每次反射時，可能發生射束的顯著損耗。為了 降低波導內的損耗，可以添加反射涂層113，以覆蓋空心波導100的內部。如可以理解的那 樣，可以使用鍍層、濺射或類似工藝來形成該反射涂層。如果空心波導包括具有低熔點的聚 合物或其它材料，則可以使用諸如濺射、電鍍或熱蒸發的低溫工藝來涂敷該反射涂層。反射涂層113可以包括一層或更多層金屬、電介質或在相干光的波長下基本上具 有反射性的其它材料。可以基于其反射率來選擇金屬。期望的是覆蓋通道的高反射層。例 如，可以使用能夠形成高反射層的銀、金、鋁或某些其它金屬或合金來形成反射層。可替換地，反射涂層113可以是能夠由一層或更多層在所選波長下基本上具有反 射性的電介質材料形成的電介質堆疊。在沉積反射涂層之前，可以對無涂層的空心通道進 行熱回流，以使任何表面粗糙平滑。還可以對反射涂層進行熱回流或類似工藝，以平滑反射 層中的在沉積工藝期間可能出現的表面粗糙。還可以使用電解拋光來使反射金屬表面平 滑。具有反射涂層的大芯徑空心波導被稱為大芯徑空心金屬化波導。如果光子導向設備未被密封，則反射涂層113可能隨著時間的推移而氧化。反射 涂層的氧化可顯著降低其反射率。為了減少或消除金屬涂層的反射率的退化，可以在反射 涂層上形成保護層111。該保護層可以包括在相干光的波長下基本上是透明的材料。例如， 保護層可以由能夠在反射涂層上形成基本上氣密的結合(bond)的二氧化硅或某種其它材 料形成。這個保護層還將通過使傳播的光進一步與有損耗的反射層分離來減少傳播損耗。具有反射表面的空心波導以與實心波導不同的方式工作。空心波導使用衰減的全 內反射通過來自(多個)反射層的反射來導向光而不是通過在較高指數芯區和較低指數包 覆區之間的全內反射來導向光的原理工作，而通常在諸如光纖的實心波導中，衰減的全內 反射是通過在較高指數芯區和較低指數包覆區之間的全內反射來導向光的。如可以理解的 那樣，空心波導內的光可以以比全內反射所需的入射角大的入射角被反射。對于圓形空心波導而言，TE01模具有可以根據等式1確定的每單位長度的衰減。
權利要求
1.一種用于放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導中的光信號的納米線光學塊設 備，其包括襯底；多個納米線，所述多個納米線被耦合到所述襯底以形成納米線光學塊，其中基本上每 個納米線都包括P摻雜區、本征區和η摻雜區；以及其中，所述納米線光學塊工作來被插入到大芯徑空心金屬化波導中，以提供放大、調制 和檢測光信號中的至少一個操作。
2.權利要求1的設備，其中，所述襯底包括納米線網格陣列，其中每個網格都具有至 少一個納米線并且每個網格之間的間隔小于光信號的波長。
3.權利要求1的設備，其中，所述多個納米線中的每個納米線都具有小于光信號的波 長的尺寸。
4.權利要求1的設備，其中，所述多個納米線中的每個納米線都被間隔開小于光信號 的波長的距離。
5.權利要求1的設備，其中，所述多個納米線由III-V族材料形成。
6.權利要求1的設備，其中，所述本征區被配置為量子阱。
7.一種用于放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導中的光信號的方法，其包括提供包括被耦合到多個納米線的襯底的納米線光學塊，其中基本上每個納米線都包括 P摻雜區、本征區和η摻雜區；將所述納米線光學塊插入到大芯徑空心金屬化波導中；以及在所述多個納米線兩端施加偏壓，以提供放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導中 的光信號中的至少一個操作。
8.如權利要求7所述的方法，其中，施加偏壓還包括向所述多個納米線施加正向偏 壓，以提供大芯徑空心金屬化波導中的光信號的放大。
9.如權利要求7所述的方法，其中，施加偏壓還包括向所述多個納米線施加反向偏 壓，以使得能夠檢測大芯徑空心金屬化波導中的光信號。
10.如權利要求7所述的方法，其中，施加偏壓還包括向所述多個納米線施加反向偏 置的調制過的信號，以提供空心金屬化波導中的光信號的調制。
11.如權利要求10所述的方法，還包括以大于每秒10千兆位的速率用反向偏置的調 制過的信號來調制光信號。
12.如權利要求7所述的方法，還包括沿著大芯徑空心金屬化波導橫向地插入多個納 米線塊，其中，納米線塊上的納米線中的基本上每個納米線都作為光檢測器和光電二極管 之一來工作，以使得每個納米線塊都能夠檢測光信號的部分并使光信號的其余部分通過， 其中每個被檢測的部分都被轉換成電信號。
13.如權利要求12所述的方法，其中，插入多個納米線塊還包括沿著大芯徑空心波導 插入多個納米線塊，其中每個隨后的塊都包括數目增加的納米線，以使得能夠檢測越來越 小的光信號。
14.一種用于放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導中的光信號的系統，其包括納米線光學塊，所述納米線光學塊包括被耦合到多個納米線的襯底，其中基本上每個納米線都包括P摻雜區、本征區和η摻雜區；用于將所述納米線光學塊插入到大芯徑空心金屬化波導中的裝置；以及 用于在所述多個納米線兩端施加偏壓以提供放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導 中的光信號中的至少一個操作的裝置。
15.如權利要求14所述的系統，其中，所述襯底包括納米線網格陣列，其中每個網格 都具有至少一個納米線并且每個網格之間的間隔小于光信號的波長。
全文摘要
一種用于放大、調制和檢測大芯徑空心金屬化波導(100)中的光信號(108)的納米線光學塊設備(200、300、500、700)。納米線光學塊設備(200)包括襯底(202)，其中多個納米線(206)被耦合到該襯底以形成納米線光學塊。每個適當地形成的納米線都包括p摻雜區、本征區和n摻雜區。納米線光學塊(200、300、500、700)可工作來被插入到大芯徑空心金屬化波導(100)中，以提供放大、調制和檢測光信號(108)中的至少一個操作。
文檔編號G02B6/122GK102112901SQ200880130639
公開日2011年6月29日 申請日期2008年7月31日 優先權日2008年7月31日
發明者S.V.馬泰, S-Y.王 申請人:惠普開發有限公司