使用基于微型发光二极管的互连件的系统的制作方法

1.本发明大致上涉及芯片到芯片互连件，且更特定来说涉及利用微型发光二极管(microled)的光学芯片到芯片互连件。


背景技术：

2.ic传统上已通过印刷电路板(pcb)上的迹线连接。但是，所需的ic封装及粗糙的pcb线宽严重限制ic及互连件密度。最近，ic已经使用硅及有机中介层互连，其中裸ic裸片通过细电线连接。这些中介层实现比pcb高得多的ic及互连件密度，但仍然有明显的限制。例如，密集窄线(《1um宽)的互连件长度通常因欧姆损失及对较长线的电容充电所需的能量而限制在《1cm。通常，这继而限制与最邻近ic的连接。另外，即使对于长度只有几mm的连接，用于芯片到芯片连接的驱动功率可变得很大，且基于功耗而限制系统。此外，与在ic可在三维空间中定位及互连的情况所可能的情形相比，对中介层使用平面衬底显著限制ic密度、互连件密度及拓扑以及功耗。


技术实现要素：

3.一些实施例提供一种光学互连集成电路(ic)架构，其包括：第一多个ic；多组微型led，每组所述微型led与所述第一多个ic的对应者相关联，且经配置以用来自所述对应者的信号驱动；第二ic；多个光检测器，其与所述第二ic相关联，且经配置以提供信号到所述第二ic；多组输入波导，每组所述输入波导与所述第一多个ic的对应者的微型led相关联，且经定位以接收来自所述微型led的光学信号，且将光学信号提供到不同扇入区；及多个输出波导，所述多个波导中的每一者经定位以接收来自所述扇入区的不同者的光学信号，且将光学信号提供到所述多个光检测器的不同者。
4.一些实施例提供一种光学互连集成电路(ic)架构，其包括：第一ic；多个微型led，其与所述第一ic相关联且经配置以用来自所述第一ic的信号驱动；多个输入波导，所述多个输入波导中的每一者经定位以接收来自所述微型led的对应者的光，且将光提供到多个扇出区的对应者；第二多个ic；多组光检测器，每组所述光检测器与所述第二多个ic的对应者相关联且经配置以提供信号到所述对应者；多组输出波导，每组输出波导经定位以将光学信号提供到所述光检测器的对应不同组，一组中的每一输出波导经定位以接收来自不同扇出区的光学信号。
5.一些实施例提供一种光学互连件，其包括：第一微型led；多模光学波导；第一透镜，其经定位以将来自所述第一微型led的光耦合到所述多模光学波导的第一端；及第一光检测器，其经定位以接收来自所述多模光学波导的第二端的光。一些实施例提供一种基于微型led的扇出互连件，其包括：微型led；输入波导；第一透镜，其经定位以将来自所述微型led的光耦合到所述输入波导的第一端中；扇出区，其在所述输入波导的第二端处；多个输出波导，其经定位以在所述扇出区中接收来自所述微型led的光；以及多个光检测器，所述多个光检测器的每一者经定位以接收来自所述输出波导的对应者的光。一些实施例提供一
种基于微型led的扇入互连件，其包括：多个微型led；多个输入波导；多个第一透镜，每一第一透镜经定位以将来自所述多个微型led的对应者的光耦合到所述多个输入波导的对应者的第一端中；扇入区，其在所述多个输入波导的第二端处；及输出波导，其经定位以在所述扇入区中接收来自所述多个微型led的光；及光检测器，其经定位以接收来自所述输出波导的光。
6.在阅读本公开后，更全面地理解本发明的这些及其它方面。
附图说明
7.图1a展示根据本发明的方面的使用微型led的光学链路。
8.图1b展示根据本发明的方面的使用微型led的双向光学链路。
9.图2展示根据本发明的方面的用于光学链路的混合导波及自由空间光学元件的用例。
10.图3a到c展示根据本发明的方面的光学扇出互连件的实例。
11.图4a到c展示根据本发明的方面的光学扇入互连件的实例。
12.图5展示根据本发明的方面的光学m到n互连件，其包括m到1扇入互连件以及1到n互连件。
13.图6展示根据本发明的方面的使用来自多个微型led的光学信号的波长多路复用实施的多个逻辑通信信道。
14.图7a到d展示根据本发明的方面的使用微型led实施的尾端切换互连件的实例。
15.图8说明根据本发明的方面的使用基于微型led的扇出来将一个ic的输出连接到多个其它ic的输入。
16.图9说明根据本发明的方面的使用基于微型led的扇入将多个ic的输出连接到另一个ic的输入。
17.图10展示根据本发明的方面的数据通信中的两个芯片的实例。
18.图11展示根据本发明的方面的数据通信中的两个芯片的另一实例。
19.图12展示根据本发明的方面的使用微型led用于芯片到芯片互连的基本架构。
具体实施方式
20.图10展示数据通信中的两个芯片1011、1013。在一些实施例中，芯片是微型芯片。在一些实施例中，芯片是同一多芯片模块的部分。在一些实施例中，芯片在同一封装中。在一些实施例中，芯片在同一衬底上，或耦合到同一衬底。两个芯片互连在一起，但是代替常规电链路，存在许多发射器(tx)1015及接收器(rx)1017块，其将电信号转换为光学信号且再次转换回来。tx块与微型芯片之间的链路1019是电的，rx块与微型芯片之间的链路1021也是电的。但是tx块与rx块之间的连接1023是光学的。tx块包含用于基于电信号产生光学信号的微型led，且rx块包含用于基于经接收的光学信号产生电信号的光检测器。图10展示个别tx及rx块，但多个tx及rx块可一起集成在单个集成电路上。
21.通常，微型芯片的输入及输出两者使用同一电引脚，通常更半双工，其中电线正发射或正接收。可使用各种握手例程来使用相同线发射及接收。其也可应用于光学领域，如图11中展示。这里，每一电线连接到tx块1115及rx块1117。在一些实施例中，逻辑1111将两者
连接在一起，使得当在发送数据时激活tx块，且当接收到所述数据时激活rx块。在一些实施例中，单独光学线或波导用于发射，且另一光学线或波导用于接收，如图中展示。替代地，在一些实施例中，单个波导或光学连接用于在两个方向上载送数据。后一选项可提供更高密度，因为可使用更少波导。但是，可存在与使用同一线进行发射及接收相关联的一些损失或“阻挡”。
22.图12展示呈2d格式的使用微型led用于芯片到芯片互连的基本架构。将要互连的各种芯片1211、1213可微凸到光学中介层组合件上，所述光学中介层组合件包括驱动器1263、微型led 1261、例如呈波导1223形式的光学传播介质、光检测器1271及放大器1273。在一些实施例中，芯片可为硅处理器。在一些实施例中，芯片可包含cpu、gpu及/或存储器。芯片1211、1213例如使用焊球及在一些实施例中使用额外项目安装到中介层。在图12中，芯片1211可提供数据到驱动器1263。驱动器激活微型led 1261，以产生编码数据的光，其中光进入波导1223的第一端且行进通过波导到波导的第二端。光检测器1271位于波导的第二端处，且基于经接收的光产生电信号。放大器放大来自光检测器的电信号，其中将经放大信号的数据提供到第二芯片。尽管复杂度比仅仅一根“导线”的复杂度更大，但是链路通常可在较低功率下操作，因为相对于电连接，源及目的地芯片端两者处的电容通常大幅减小。中介层1251可仍然具有基本电线(例如用于驱动器及接收器的电力、接地线及相对较慢的其它控制信号)。混合实施方案也是可能的，其中一些高速线(例如芯片1211、1213之间的一些高速线)是电的，且一些是光的。对于许多电源线及信号线，可存在穿过中介层衬底的通孔(例如，穿芯片通孔tcv或穿硅通孔tsv)。可存在通过焊料凸点(例如c4凸点)从芯片的背部到中介层以及通过线接合从芯片的顶部到中介层的电连接。因此，光学件可增强电中介层，而不是完全取代所有电线。
23.在各种实施例中，微型led及光检测器可通信地耦合，如本文所讨论。
24.微型led由直接带隙半导体材料的p-n结制成。微型led与半导体激光(sl)按以下方式区别：(1)微型led不具有光学谐振结构；(2)来自微型led的光学输出几乎完全是自发发射而来自sl的输出主要是受激发射；(3)来自微型led的光学输出时间及空间非相干，而来自sl的光学输出具有显著的时间及空间相干性；(4)微型led经设计以操作低至零的最小电流，而sl经设计以在最小阈值电流以上操作，所述最小阈值电流通常为至少1ma。
25.微型led与标准led的区别在于：(1)具有小于100μmx100μm的发射区；(2)通常在顶部及底部表面上具有正及负触点，而标准led通常在单个表面上具有正及负触点两者；(3)通常以大阵列用于显示及互连应用。微型led通常具有小展度，从而允许其有效地耦合到小波导中及/或成像到小光检测器上。
26.光学互连件拓扑
27.点到点链路
28.微型led可用于实施单向光学链路。在图1a中，微型led 111经由透镜113耦合到多模波导115中。微型led与波导之间的光学耦合可以多种方式实施：对接耦合；一或多个透镜，其插入所述微型led与波导之间；曲面镜，其收集来自微型led的光；或可将微型led嵌入波导中。
29.在波导的远端处，光入射到光检测器(pd)117上。在图1a中，波导与pd对接耦合。从波导到pd的耦合可经由上述用于将微型led耦合到波导的相同耦合技术来实现。
30.微型led也可用于实施双向光学链路，其中波导支持两个反向传播的光学信号，如图1b中展示。在多模波导115的每一端处，放置微型led 111a、b及pd 117a、b，使得光从微型led耦合到波导中，而沿相反方向传播的光耦合到pd。原则上，凭借适当耦合组合件(例如，透镜113a、b)，来自微型led的所有光可耦合到波导。在一些实施例中，在每一端处，或其至少一者处，反射器(图1b中未展示)或其它光阻挡装置或材料可定位在端处的微型led与pd之间。反射器或其它光阻挡装置可经定位以阻挡来自端处的微型led的光到达pd，同时仍然允许通过光学接收的光到达所述端处的pd。在从波导到pd的耦合中，一些光可损失，因为其被微型led(及/或反射器或其它光阻挡装置)阻挡。但是，通过利用显著大于微型led(及/或反射器或其它光阻挡装置)的pd，可使此多余损失相对较小。在图1b中展示的特定实例中，透镜及pd相对于led放置，使得微型led的光有效地耦合到波导中，而从波导的端出射的光的仅一小部分被微型led遮挡，且因此大部分光入射到pd上。
31.在芯片到芯片互连应用中，在一些实施例中可使用具有小横向尺寸的波导。具有小横向尺寸的波导可允许非常高的连接密度。微型led的小展度允许微型led有效地耦合到具有小横向尺寸的波导。此耦合效率可通过镜(平面及曲面两者)及透镜来增强，其可捕获微型led的大部分光，且调适光学分布的数值孔径(na)以匹配波导的数值孔径。
32.在一些实施例中，波导可被限制为位于平面中。与电连接不同，光学波导可以足够低的串扰电平彼此交叉，使得光学链路不会明显受损。交叉波导之间的光学串扰随波导na及交叉角而变化。
33.替代地或另外，在一些实施例中，波导可经布线穿过三维(3d)空间。例如，波导可在玻璃块的体积中制造，或可在可扭曲成复杂3d路线的柔性光纤或带中。这潜在地实现高得多的连接密度及复杂得多的连接拓扑。
34.可使用n个互连件的阵列来实施n位宽的数据路径。此阵列(包含微型led、波导及pd)可实体位于平面中，或可在3d空间中。
35.导波及自由空间传播
36.来自微型led的光可通过一序列导波及自由空间光学元件传播。在图2中，来自发射不同波长的光的两个led 211a、b(为了便于理解，以两个位置展示)的光经由自由空间及透镜213耦合到光学波导215a、b的阵列的每一元件中。在一些实施例中，光传播到波导的远端，其中使用足够大以捕获来自整个波导阵列的光的透镜223a到c将光耦合回自由空间中且耦合到输出pd 217a到d上。在一些实施例中，且如图2中说明，可使用分色镜225。分色镜只反射某些波长的光，从而允许来自微型led的不同波长的光沿不同的光学路径路由。
37.图2的实例只是混合导波及自由空间传播的能力的一个实例。在自由空间传播段落中，可使用1:1映射到微型led或pd阵列的小光学元件的阵列，或可使用跨越较大数量的阵列元件的较大光学元件。
38.扇出互连件
39.微型led可用于实施1到n扇出互连件，例如如图3a中说明。微型led 311由输入电信号驱动。例如使用本文讨论的光学耦合技术中的一者(例如)通过光学耦合器313将来自微型led的输出光学信号耦合到波导中。波导耦合到扇出区315。在图3a中，输出波导用光学耦合器(例如，光学耦合器317a)将光传递到光检测器(例如，光检测器319a)，从而将光耦合到光检测器。扇出区可为全导波实施方案，例如，如图3b中说明。在此实施方案中，输入波导
321具有分支区，其中光被n路分裂成n个输出波导，例如输出波导323a到c。每一输出波导载送一定部分的输入功率，使得n个输出分支中的光功率的和等于输入光功率减去任何多余损失；凭借适当的设计及低衰减波导，此多余损失几乎可为任意低的。发射到每一输出波导中的功率是到分支区的输入光学分布及每一分支的细节(包含宽度及相对于输入波导的轴的角度)的复杂函数。可操纵这些参数以在输出分支间设计期望的功率分布。
40.替代地，扇出可为混合导波 自由空间实施方案，例如，如图3c中说明。在此实施方案中，来自输入波导331的光在自由空间中展开且入射到透镜332上，每一透镜332将光耦合到对应的输出波导(例如输出波导333a到c)中。如同导波扇出情况，可设计波导、透镜、分支角及其它参数，以实现跨输出波导的各种功率分布，且将多余损失驱动到非常低的水平(《《1db)。
41.波导的输出可例如使用本文讨论的技术中的一者耦合到放置在每一输出波导的端处的光检测器。
42.扇入互连件
43.微型led可用于实施m到1扇入互连件，例如如图4a中说明。每一微型led由输入电信号驱动。来自每一微型led(例如微型led 411a)的输出光学信号使用上文列举的技术中的一者耦合到输入波导中。m个输入波导中的每一者可具有不同的性质，且连接到扇入耦合器或区415，所述扇入耦合器或区415可利用各种导波及/或自由空间实施方案。扇入耦合器具有单个输出波导。在图4a中，输出波导通向光学耦合器417及光检测器419。如果输出波导中的光学分布的展度大于或等于输入光学分布的和，那么每一输入波导与输出波导之间的耦合理论上可为无损失的。如果输出波导的展度太小及/或扇入耦合器设计不当，那么可存在从每一输入波导到输出波导的有限耦合损失，其中损失值是到扇入区的输入光学分布、扇入区的设计及输出波导的特性的复杂函数。波导的输出可例如使用本文讨论的技术中的一者耦合到放置在每一输出波导的端处的光检测器。
44.图4b展示导波扇入的实例。在图4b的导波扇入中，多个输入波导421a到c组合成输出波导423。图4c展示混合导波 自由空间扇入的实例，其中来自每一输入波导431a到c的光经由透镜432耦合到输出波导433中。
45.通过简单地将m个微型led直接耦合到光学波导中，可在没有输入波导的情况下实施m到1扇入互连件。来自每一微型led的耦合可经由本文讨论的技术中的一者来实现。在一些实施例中，光学波导的横向尺寸足够大以容纳微型led的所有耦合组合件。这种类型的扇入不需要每个微型led单独的输入波导或显式扇入区。
46.另一m到1扇入互连件可通过使用跨越多个led的光学耦合组件来实施。例如，m个微型led可分布为二维阵列。一或多个透镜(每一透镜具有大于来自微型led阵列的光学分布的直径的直径)可用于将来自微型led阵列的所有元件的光耦合到光学波导中。这避免对输入波导或显式扇入区的需要。
47.m到1扇入互连件可与1到n互连件组合以实施m到n互连件，例如如图5中说明。每一微型led 511a到c由输入电信号驱动。来自每一微型led的输出光学信号耦合到输入波导中。可具有不同性质的m个输入波导中的每一者连接到耦合器区512。n个波导连接到耦合器区的输出，每一所述波导可具有不同的性质，其中n个波导通向图5中的光检测器513a到d。从每一输入波导到每一输出波导的光功率耦合可通过mxn耦合矩阵表示。每一矩阵元素的
值是相关输入波导中的光学分布、耦合区的特性及相关输出波导的特性的复杂函数。矩阵中每一行的系数的和小于或等于1，其中1适用无损耦合。波导可例如使用本文讨论的方案中的一者耦合到放置在每一输出波导的端处的光检测器。
48.m到n耦合器中的耦合器区可经由本文讨论的扇入及扇出耦合器方案的各种组合来实施。
49.与电子互连件中完成的信号分裂及组合相比，光学互连件未遭受阻抗匹配问题。光学分裂器或组合器可提供低损失的光功率分裂及组合，其独立于依》》1thz的调制频率分裂的光学信号的调制带宽。
50.双向扇入/扇出互连件
51.双向链路可跨扇出耦合器建立，如上文的点到点链路段落所述，其中微型led及光检测器两者耦合到每一输入及输出波导的端。此系统在一个方向上提供扇出互连件，且在另一方向上提供扇入互连件。可使用各种导波及自由空间扇出耦合器架构。
52.切换及多路复用
53.多个逻辑通信信道可通过对来自多个微型led的光学信号进行波长多路复用来实施，例如如图6中展示。来自多个微型led 611a到c的光可耦合到波导612中，其中每一微型led发射不同于其它微型led的波长范围中的光。来自多个led的光可使用上文列举的m到1扇入方案中的任一者耦合在一起。在波导的输出端处，波长色散光学元件614用于在空间上分离来自不同微型led的光学信号。此色散光学元件可为一或多个级联的无限脉冲响应(iir)滤波器元件(例如薄膜滤波器或法布里-珀罗(fabry-perot)谐振器)，或有限脉冲响应(fir)滤波器元件(例如反射或折射光栅)。一旦在空间上分离，每一光学信号可例如使用光学耦合器617a耦合到光检测器619a或使用本文讨论的光学耦合技术中的一者耦合到光学波导中。
54.微型led可用于实施尾端切换互连件，例如如图7a到d中说明。n个微型led中的每一者由输入电信号驱动。来自微型led的输出光学信号耦合到波导中。波导通过光学耦合器715a、727、727a耦合到放置在每一输出波导的端处的光检测器717a、729、729a，且使用上文列举的方案中的一者来实现。在图7a及7b中，n个光检测器717a的输出连接到电开关719、721，所述电开关719、721可为n:1开关(图7a)。开关允许选择信号中的一者；此方案通常被称为“尾端切换”。尾端切换可被概括为使用n:m(在一些实施例中，m允许等于n)电开关(图7b)。
55.光学开关也可用于尾端切换。此架构与上文讨论的电切换方案的不同之处在于，n个输入光学波导连接到具有n个输入及m个输出的全光学开关。每一输出波导使用上文列举的光学耦合方案中的一者耦合到pd。图7c展示n:1光学开关723的使用，而图7d展示n:m光学开关725的更一般情况。
56.光学互连的ic架构
57.本文讨论的微型led互连件拓扑可用于实施ic之间的各种连接。ic连接经常呈宽总线的形式。当在平面中实施具有扇出及扇入的总线时，在一些实施例中，许多波导可交叉。光学波导可以低串扰彼此交叉；通过增加交叉角(直角交叉最小)及通过减小波导的na可将串扰最小化。如果波导以3d布线，那么可防止波导交叉，或可减少波导交叉的数量。
58.微型led扇出可用于将一个ic 811的输出连接到多个其它ic 813a到c的输入，例
如如图9中说明。在一些实施例中，这允许并行处理广播到多个ic的数据。
59.微型led扇入可用于将多个ic 811a到c的输出连接到ic 813的输入。这在各种切换架构(包含交叉连接及clos网络)中可为有用的。对于扇入，切换可通过在n个输出ic中的一者处开启微型led，且在另n-1个输出ic处关闭微型led来实现。
60.通过使用在三维(3d)介质中形成的柔性波导及/或光学波导，密集光学互连件可突破通常的二维(2d)平面互连件约束。图8及图9中的扇出及扇入光学连接可用3d光学互连件实施。在一些实施例中，扩展到3d互连件允许在2d互连件中难以实施或不可能实施的高密度、高度互连的架构。这些包含高维度超立方体及多维的大型全混洗(perfect shuffle)。
61.尽管已关于各种实施例讨论本发明，但应认识到，本发明包括由本公开支持的新颖且非显而易见的权利要求。