专利名称：用于放大、调制和检测光信号的纳米线光学块设备的制作方法
用于放大、调制和检测光信号的纳米线光学块设备
背景技术：
随着电路板上的计算机芯片速度日益提高，芯片间通信中的通信瓶颈正在成为更 大的问题。一种可能的解决方案是使用光学系统来使高速计算机芯片互连。然而，大多数 电路板包含许多层且常常要求其制造中的公差小于微米。以物理方式安置光纤并将这些纤 维连接到芯片可能会太不准确并耗费时间而不能在电路板制造工艺中被广泛地采用。另外，在多个位置处访问实芯光波导中的光信号可能具有挑战性。每当访问光信 号时，该光信号都与原始信号相干扰并使原始信号退化。因此，尽管有对宽带数据传输的需 求，芯片之间的适于出售的光学互连仍已被证明是不劳靠的。
通过结合附图进行的以下详细说明，本发明的特征和优点将是显而易见的，所述 附图一同以实例的方式图解说明本发明的特征；并且，其中
图1是依照本发明的实施例的大芯径空心金属化波导的图示； 图加是依照本发明的实施例的具有在垂直方向上取向的纳米线的纳米线光学块设备 (nano-wire optical block device)的图不；
图2b是包括ρ掺杂区、本征区和η掺杂区的纳米线的图示；
图2c是依照本发明的实施例的示出相对于衬底具有离轴取向的纳米线的纳米线光学 块设备的图示；
图2d是依照本发明的实施例的具有基本上在水平方向上取向的纳米线的纳米线光学 块设备的图示；
图加是依照本发明的实施例的具有基本上在垂直和水平方向上的纳米线的纳米线光 学块设备的图示；
图2f是依照本发明的实施例的具有被设置成一定角度的纳米线的纳米线光学块设备 的图示；
图2g是依照本发明的实施例的具有基本上随机地对准的纳米线的纳米线光学块设备 的图示；
图池是依照本发明的实施例的具有基本上与衬底正交地形成的纳米线的纳米线光学 块设备的图示；
图3a是依照本发明的实施例的具有带有垂直纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学 块设备的图示；
图北是依照本发明的实施例的具有带有水平纳米线的纳米线网格阵列的纳米线光学 块设备的图示；
图3c是依照本发明的实施例的具有带有垂直的和水平的纳米线的纳米线网格阵列的 纳米线光学块设备的图示；
图3d是依照本发明的实施例的具有带有被设置成一定角度的纳米线的纳米线网格阵 列的纳米线光学块设备的图示；
4图3e是依照本发明的实施例的具有带有基本上随机地对准的纳米线的纳米线网格阵 列的纳米线光学块设备的图示；
图3f是依照本发明的实施例的具有带有基本上与衬底正交地形成的纳米线的纳米线 网格阵列的纳米线光学块设备的图示；
图4是依照本发明的实施例的具有被插入到波导中的槽中的纳米线光学块的大芯径 空心金属化波导的图示；
图5是依照本发明的实施例的具有带有基本上开放的区域的纳米线网格阵列的纳米 线光学块检测器的图示；
图6是依照本发明的实施例的具有被插入波导中的槽中的被配置用于放大和检测光 信号的纳米线光学块的大芯径空心金属化波导的图示；
图7a是依照本发明的实施例的具有纳米线网格阵列的纳米线光学块检测器的图示， 其中纳米线网格阵列在所述纳米线网格阵列的每个区域中具有相对低密度的纳米线；
图7b是依照本发明的实施例的具有纳米线网格阵列的纳米线光学块检测器的图示， 其中纳米线网格阵列在所述纳米线网格阵列的每个区域中具有相对高密度的纳米线；以及 图8是描绘用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的方法的流程图。现在将参考所图示的示例性实施例，并且在此将使用特定语言来对其进行描述。 尽管如此，将理解的是并不由此意图限制本发明的范围。
具体实施例方式一种用于在电路板上的计算机芯片之间形成光学互连的方法是使用在电路板上 形成的光波导。光波导可能由于能够使用光刻工艺或类似工艺在电路板上形成波导而比用 于使电子装置互连的光纤通信优越。通常用诸如聚合物和/或电介质的基本上光学透明的 材料在电路板上形成波导。还可以在未被安装在电路板上的其它类型的衬底上形成使用光 刻工艺或类似工艺制成的光波导。例如，可以在柔性衬底上形成(多个)光波导，以产生具有 一个或更多光波导的带状电缆。使用光刻工艺或类似工艺在衬底上形成在本申请中公开的 光波导。以这种方式形成光波导能够提供被构造有必需的物理公差以被用在现代多 层电路板上的互连。然而，可以在芯片和电路板制造中用来形成机载波导(on-board waveguide)的聚合物、电介质和其它材料通常明显比光纤更有损耗。事实上，机载波导中的 损耗量已经是限制对光波导互连的认可(acceptance)的因素之一。用来构造波导的聚合 物可以具有每厘米0. IdB的损耗。相反，光纤中的损耗约为每千米0. ldB。因此，聚合物波 导可以具有比光纤中的损耗大几个数量级的损耗。另外，典型的波导通常被制造为具有大致上与这些波导被设计来载送的光的波长 成比例的尺寸。例如，被配置来载送IOOOnm光的单模波导的最大尺寸可以为IOOOnm至 5000nm (Ιμπι至5μπι)。连接这种尺寸的波导可能是昂贵的且具有挑战性的。在历史上， 产生并连接波导的成本已使其在最常见的应用中的使用减少。多模波导可以具有用于芯区 的在20 — 60 μ m数量级的较大尺寸。单模和多模波导都具有针对芯的约0. 2至0. 3的相 对高的数值孔径(NA)和0. 01至0. 02的包层折射率对比度。数值孔径确定来自发射纤维的射束的发散。因此，较大的NA将导致与纤维间分隔有关的不良耦合。使用这些波导也难 以实现所导向的光束的分裂和分接。相对于使用聚合物或电介质材料形成的传统光波导的重要改进是使用(如图1所 示的)被配置来导向相干光108的大芯径空心波导100。大芯径空心波导可具有为波导被 配置来导向的相干光的波长的约50至150倍或更多倍的直径(或宽度和/或高度)。所述 大芯径空心波导可以具有被配置来导向光信号的为正方形、矩形、圆形、椭圆形或某种其它 形状的横截面形状。此外，因为波导是空心的，所以光在空气或真空中实质上以光速传播。图1图示将多模射束106发射到波导105中的光源(通常为激光器或发光二极管) 102。多模射束可以在波导的壁之间弹跳。在每次反射时，可能发生射束的显著损耗。为了 降低波导内的损耗，可以添加反射涂层113，以覆盖空心波导100的内部。如可以理解的那 样，可以使用镀层、溅射或类似工艺来形成该反射涂层。如果空心波导包括具有低熔点的聚 合物或其它材料，则可以使用诸如溅射、电镀或热蒸发的低温工艺来涂敷该反射涂层。反射涂层113可以包括一层或更多层金属、电介质或在相干光的波长下基本上具 有反射性的其它材料。可以基于其反射率来选择金属。期望的是覆盖通道的高反射层。例 如，可以使用能够形成高反射层的银、金、铝或某些其它金属或合金来形成反射层。可替换地，反射涂层113可以是能够由一层或更多层在所选波长下基本上具有反 射性的电介质材料形成的电介质堆叠。在沉积反射涂层之前，可以对无涂层的空心通道进 行热回流，以使任何表面粗糙平滑。还可以对反射涂层进行热回流或类似工艺，以平滑反射 层中的在沉积工艺期间可能出现的表面粗糙。还可以使用电解抛光来使反射金属表面平 滑。具有反射涂层的大芯径空心波导被称为大芯径空心金属化波导。如果光子导向设备未被密封，则反射涂层113可能随着时间的推移而氧化。反射 涂层的氧化可显著降低其反射率。为了减少或消除金属涂层的反射率的退化，可以在反射 涂层上形成保护层111。该保护层可以包括在相干光的波长下基本上是透明的材料。例如， 保护层可以由能够在反射涂层上形成基本上气密的结合(bond)的二氧化硅或某种其它材 料形成。这个保护层还将通过使传播的光进一步与有损耗的反射层分离来减少传播损耗。具有反射表面的空心波导以与实心波导不同的方式工作。空心波导使用衰减的全 内反射通过来自(多个)反射层的反射来导向光而不是通过在较高指数芯区和较低指数包 覆区之间的全内反射来导向光的原理工作，而通常在诸如光纤的实心波导中，衰减的全内 反射是通过在较高指数芯区和较低指数包覆区之间的全内反射来导向光的。如可以理解的 那样，空心波导内的光可以以比全内反射所需的入射角大的入射角被反射。对于圆形空心波导而言，TE01模具有可以根据等式1确定的每单位长度的衰减。
权利要求
1.一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的纳米线光学块设 备，其包括衬底；多个纳米线，所述多个纳米线被耦合到所述衬底以形成纳米线光学块，其中基本上每 个纳米线都包括P掺杂区、本征区和η掺杂区；以及其中，所述纳米线光学块工作来被插入到大芯径空心金属化波导中，以提供放大、调制 和检测光信号中的至少一个操作。
2.权利要求1的设备，其中，所述衬底包括纳米线网格阵列，其中每个网格都具有至 少一个纳米线并且每个网格之间的间隔小于光信号的波长。
3.权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线中的每个纳米线都具有小于光信号的波 长的尺寸。
4.权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线中的每个纳米线都被间隔开小于光信号 的波长的距离。
5.权利要求1的设备，其中，所述多个纳米线由III-V族材料形成。
6.权利要求1的设备，其中，所述本征区被配置为量子阱。
7.一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的方法，其包括提供包括被耦合到多个纳米线的衬底的纳米线光学块，其中基本上每个纳米线都包括 P掺杂区、本征区和η掺杂区；将所述纳米线光学块插入到大芯径空心金属化波导中；以及在所述多个纳米线两端施加偏压，以提供放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中 的光信号中的至少一个操作。
8.如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加正向偏 压，以提供大芯径空心金属化波导中的光信号的放大。
9.如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加反向偏 压，以使得能够检测大芯径空心金属化波导中的光信号。
10.如权利要求7所述的方法，其中，施加偏压还包括向所述多个纳米线施加反向偏 置的调制过的信号，以提供空心金属化波导中的光信号的调制。
11.如权利要求10所述的方法，还包括以大于每秒10千兆位的速率用反向偏置的调 制过的信号来调制光信号。
12.如权利要求7所述的方法，还包括沿着大芯径空心金属化波导横向地插入多个纳 米线块，其中，纳米线块上的纳米线中的基本上每个纳米线都作为光检测器和光电二极管 之一来工作，以使得每个纳米线块都能够检测光信号的部分并使光信号的其余部分通过， 其中每个被检测的部分都被转换成电信号。
13.如权利要求12所述的方法，其中，插入多个纳米线块还包括沿着大芯径空心波导 插入多个纳米线块，其中每个随后的块都包括数目增加的纳米线，以使得能够检测越来越 小的光信号。
14.一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导中的光信号的系统，其包括纳米线光学块，所述纳米线光学块包括被耦合到多个纳米线的衬底，其中基本上每个纳米线都包括P掺杂区、本征区和η掺杂区；用于将所述纳米线光学块插入到大芯径空心金属化波导中的装置；以及 用于在所述多个纳米线两端施加偏压以提供放大、调制和检测大芯径空心金属化波导 中的光信号中的至少一个操作的装置。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述衬底包括纳米线网格阵列，其中每个网格 都具有至少一个纳米线并且每个网格之间的间隔小于光信号的波长。
全文摘要
一种用于放大、调制和检测大芯径空心金属化波导(100)中的光信号(108)的纳米线光学块设备(200、300、500、700)。纳米线光学块设备(200)包括衬底(202)，其中多个纳米线(206)被耦合到该衬底以形成纳米线光学块。每个适当地形成的纳米线都包括p掺杂区、本征区和n掺杂区。纳米线光学块(200、300、500、700)可工作来被插入到大芯径空心金属化波导(100)中，以提供放大、调制和检测光信号(108)中的至少一个操作。
文档编号G02B6/122GK102112901SQ200880130639
公开日2011年6月29日 申请日期2008年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者S.V.马泰, S-Y.王 申请人:惠普开发有限公司