CN1413314A

CN1413314A - 利用多程波导光学调制器进行光学上调制光束的方法及装置

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Publication number: CN1413314A
Application number: CN00817794A
Authority: CN
Inventors: S·M·克尔; M·J·帕尼西亚; D·尼科诺夫
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: CA2389067C; CN1208659C; TW475301B; KR100479228B1; CA2389067A1; EP1244935A1; JP2003513304A; KR20020041476A; US6215577B1; IL149131A; JP4617045B2; WO2001031388A1; AU1969601A; IL149131A0; HK1046958A1

Abstract

一种光学调制器(101)，其对通过集成电路小片(103)背面通过半导体基片(103)的光进行调制。在一个实施例中，光学调制器被放置在倒装晶片封装的集成电路小片(103)内。所述光学调制器包括一个光束多次通过的调制区域(115)。在一个实施例中，光束(111)在第一位置(123)进入到半导体基片的背面，并且被调制的光束(127)从半导体基片(103)背面上的第二位置(125)被偏转出来。通过使光束多次在调制区域内部偏转且经过，光学调制器的交互作用长度得到增加。在一个实施例中，全内反射被用来将光束偏转。在另一个实施例中，反射材料(233)被用来将光束进行内部偏转。在一个实施例中，所述调制区域被提供有由p－n结(115、215)形成的充电区域。在另一个实施例中，采用金属氧化物半导体类型结构(315、415)的充电区域被提供。

Description

利用多程波导光学调制器进行光学上调制光束的方法及装置

发明背景

发明领域

本发明总体上涉及集成电路，且更具体地，本发明涉及采用集成电路的光调制。

背景信息

在集成电路工业内部，一直在努力增加集成电路的速度及器件的密度。伴随着增加电路速度和器件密度，集成电路设计者面临的一个挑战是日益增加的因与离片电路连接(off chip circuit connection)相关的电容性负载而引起的电路输入及输出的显著传播延迟。在较慢的时钟速度下，在集成电路线上的电容性负载通常不是一个重要因素。然而，随着更新的集成电路设计，时钟速度继续向兆赫及更高的方向上升，显然未来集成电路如例如但不局限于微处理器、离片高速缓存(off chip caches)、控制器等的主要瓶颈之一将是芯片之间或芯片内部的往返延迟(round trip delay)及/或输入/输出带宽。

现有技术专注于与增加集成电路速度及器件密度相关的电容性负载问题的努力已经引发在芯片上使用更大且更强有力的集成电路输入/输出驱动器。使用较大输入/输出驱动器所不希望得到的结果包括这样的事实，即与较小集成电路输入/输出驱动器相比较，较大的输入/输出驱动器通常消耗更多的能量、产生大的di/dt噪声、消散更多的热量并且在集成电路上占据更多有价值的区域，其中产生大的di/dt噪声要求低电感封装及大量在电路小片上的去耦电容，以提供噪声抑制手段。

克服传统集成电路互连局限性的其它现有技术努力已经包括光学互连的使用。在集成电路之间的光学互连方面的现有技术努力通常已经涉及或已经基于两类方法。

一个方法一直基于采有砷化镓(GaAs)激光二极管及调制或电切换(switching)所述二极管，或者是通过采用GaAs建造的对通过集成电路的激光束进行调幅的调制器。所述调制通常基于通过GaAs集成电路中滤波的多层生长分子束外(MBE)膜的电吸附。正如本领域中的技术人员所意识到，集成或组合包括GaAs且具有标准基于硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的基于III-V的技术既困难且不现实。

第二个典型的现有技术方法是基于使用基于硅的光导。这些光导通常利用基于绝缘体上的硅(SOI)的处理技术而被建造。现有技术基于SOI的调制器利用硅波导结构以切换经过光导的光。然而不同于基于双极的晶体管，切换机构采用向波导中注入载流子。这样的一个结果是速度减慢，例如达到几百兆赫，以及非常高的能耗，例如一次简单切换便为10mW或更高。为了增加调制深度，人们经常试图获得被注入电荷与光束之间大的交互作用体积。这通常是通过制造非常长的波导例如上千微米的数量级而实现，从而增加了光束运行经过的交互作用长度。正如本领域的技术人员所意识到的，然而，将SOI波导实际结合进入现存的多层标准基于CMOS的处理并没有一直向前发展。因此，在大型晶体管计数微处理器中当波导用于高速输入/输出时，这些波导结构的使用变得非常不实际。

发明概述

一种光学调制器的方法及装置被公开。在一个实施例中，一个光学调制器包括放置在集成电路小片的半导体基片中的充电区域。第一偏转器紧接着所述充电放置被放置。所述第一偏转器将把被导引通过所述充电区域的光束偏转返回通过充电区域。第二偏转器被放置在第一偏转器的对面。所述第二偏转器将把偏转离开第一偏转器的光束偏转返回通过充电区域到达第一偏转器。光束通过在第一和第二偏转器之间充电区域的多次偏转，光束将被导引离开光学调制器。根据随后所提出的详细说明、图及权利要求，本发明的附加特点及益处将变成很显然。

附图的简要说明

本发明通过实例方式得以举例说明，且并不局限于所附的图。

图1是倒装晶片封装集成电路小片的一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片包括一个根据本发明学说的光学调制器，所述光学调制器采用p-n结充电区域及全内反射以对光束进行调制。

图2是倒装晶片封装集成电路小片的另一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片包括一个根据本发明学说的光学调制器，所述光学调制器采用p-n结充电区域及反射材料以对光束进行调制。

图3是倒装晶片封装集成电路小片的另一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片包括一个根据本发明学说的光学调制器，所述光学调制器采用金属氧化物半导体(MOS)型结构的充电区域及全内反射以对光束进行调制。

图4是倒装晶片封装集成电路小片的又一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片包括一个根据本发明学说的光学调制器，所述光学调制器采用MOS型结构的充电区域及反射材料以对光束进行调制。

详细说明

一种提供光学调制器的方法和装置被公开。在下述说明中，为了提供对本发明的完整理解，提出了众多具体细节。然而，显然对本领域的普通技术人员来讲，不需要采用所述具体细节便可以实践本发明。在另一情况下，为了避免使本发明含糊，并没有具体地说明众所周知的材料或方法。

本发明提供一种光学调制器，所述光学调制器保证能够通过集成电路小片的半导体基片背面从集成电路输出电路节点中抽取集成电路信号。在一个实施例中，光学调制器被放置在倒装晶片封装的集成电路小片内。

在一个实施例中，光束被导引通过一个集成电路小片半导体基片的背面。所述光束被导引通过半导体基片的充电区域。响应于来自于例如集成电路小片中电路输出节点的一个电信号，充电区域中自由电荷载流子的电荷分布被调制。在一个实施例中，集成电路小片的电路被置于在朝向集成电路小片前面的位置。光束被偏转离开第一偏转器返回通过充电区域。第二偏转器把偏转离开第一偏转器的光束偏转返回通过充电区域到达第一偏转器。经过通过第一和第二偏转器之间充电区域的多次偏转，则光束通过集成电路小片的半导体基片背面而被偏转开。

为了举例说明，图1显示集成电路小片101的一个实施例，其中所述集成电路小片101包括根据本发明学说的一个光学调制器。在一个实施例中，集成电路小片101是通过球压焊107耦合到封装基片109上的受控崩溃芯片连接(controlled collapse chip connection)(C4)的或倒装晶片封装的集成电路小片。正如本领域普通技术人员所意识到的，球压焊107提供集成电路小片101的内部集成电路节点与封装基片109的管脚121之间更直接的连接，由此减小了与典型引线接合集成电路的封装技术相关的电感问题。在一个实施例中，集成电路小片101的内部集成电路节点被置于在朝向集成电路小片101前面104的位置。倒装晶片封装的另一特征是提供对集成电路小片101背面102的全入口。在另一个实施例中可以意识到：集成电路小片101并不被局限于安装在倒装晶片封装的配置中。

在一个实施例中，本发明的光学调制器包括放置在包括充电区域115的半导体基片103内的调制区域。在一个实施例中，利用所形成的p-n结，所述充电区域115被提供有在半导体基片103上的掺杂区域113。在一个实施例中，掺杂区域113可电寻址且可切换。

在一个实施例中，掺杂区域113是一个在p-型硅半导体基片103上的n-型掺硅区域。在另一个实施例中，掺杂区域113是一个在n-型硅半导体基片103上的p-型掺硅区域。要意识到：本发明包含本处所说明的器件类型以及包括相反极性掺杂剂的器件。例如，本发明包含n沟道及p沟道器件结构。此外，用于这个公开内容的目的，要理解为：术语“基片”包含半导体基片的层，其包括例如阱区、外延层等。因此，根据本发明的学说，本发明的p-n结可以存在于例如半导体基片中、p基片的n阱中、n基片的p阱中、n外延层中、p外延层中等。

在一个实施例中，响应于被绝缘层105中的导体119输运到掺杂区域113的信号129，充电区域115内的自由电荷分布被调制。在一个实施例中，信号129是一个由包括在集成电路小片101内部的集成电路输出节点所产生的信号。因此，当在导体119上信号129的电压V变化时，充电区域115内的自由电荷载流子分布被调制。要注意到，为了本公开内容的目的，“充电”区域可以被解释为具有自由电荷载流子的高度充电的区域。

在一个实施例中，光束111被导引通过背面102进入到半导体基片103中。如图1所说明的实施例所示，光束111被导引通过充电区域115并且被偏转离开由掺杂区域113和绝缘体105的界面所形成的偏转器。在一个实施例中，光束111具有相对于掺杂区域113和绝缘体105之间界面的入射角θ。为了本公开内容的目的，入射角θ是光束与垂直于入射点表面的虚线所形成的夹角。在所述实施例中，由于全内反射，光束111被偏转离开掺杂区域113与绝缘体105之间的界面。在一个实施例中，掺杂区域113形成的过程是这样的，即在掺杂区域113与绝缘体105之间界面处的反射表面上没有硅化物形成。

在一个实施例中，绝缘体105包括氧化硅等，并且具有约为n_oxide＝1.5的折射率以及掺杂区域113包括硅且具有约为n_Si＝3.5的折射率。为了具有光束111的全内反射，光束111相对于掺杂区域113和绝缘体105之间界面的入射角θ满足下述关系：

sinθ＞n_oxide/n_Si (方程式1)

偏转的结果是：在一个实施例中，光束111被偏转返回通过充电区域115直到它被偏转离开半导体基片103背面102与空气的界面。在这个界面处，被偏转光束111相对于半导体基片103与空气之间界面的入射角θ满足下述关系：

sinθ＞n_air/n_Si (方程式2)

其中空气的折射率n_air约等于1。结果是，在半导体基片103与空气之间的界面处形成偏转器。这个偏转器与掺杂区域113与绝缘体105之间界面处所形成的偏转器相对。如图1所举例说明的实施例所示，光束111被多次偏转通过充电区域113直至其最终作为被偏转的光束127从半导体基片103的背面102离开。

在一个实施例中，光束111包括红外光或接近红外光，因为硅可以对红外光部分透明。在一个实施例中，光束111在位置123处进入半导体基片103的背面102，并且被偏转的光束127在位置125处离开半导体基片的背面102。在一个实施例中，位置123和125处的表面包括防反射涂层以降低光束111和反射光束127因反射而造成的衰减。如图1所示的实施例所举例说明，位置123处的表面被成一个角度，以便于减小光束111的入射角θ。类似地，在一实施例中，位置125处的表面被成一个角度，以便于减小被偏转光束127的入射角θ。在一个实施例中，光束111几乎相对于位置123垂直并且被偏转光束127几乎垂直于位置125。当光束111和被偏转光束127分别相对于位置123和125具有减小的入射角时，在这些界面处的折射相应被降低。结果是，可以获得在最初的偏转器(例如在图1中在掺杂区域113和绝缘体105之间界面上所形成的偏转器)上的较大入射角θ。

在一个实施例中，在紧接着充电区域115的区域，半导体基片103被变薄，以便于减小光束111穿过半导体基片103的量。因此，掺杂区域113和绝缘体105之间界面与半导体基片103与空气之间界面的距离被减小。结果是，光束111穿过半导体基片103后所带来的光束111的衰减量得以减小。在一个实施例中，采用公知的刻蚀或开槽技术等，从背面102将半导体基片103变薄。

在一个实施例中，由于对充电区域115内自由载流子分布的调制，响应于信号129光束111被调制。尤其是，由于等离子体光学效应，光束111通过充电区域115的相被调制。由于可能沿着光束111的传播路径存在光电场矢量和自由电荷载流子之间的交互作用，从而引起等离子体光学效应。光束111的电场使自由电荷载流子极化，而且这有效地干扰了介质的局部电介常数。这反过来导致对光波传播速度的干扰及由此对光折射率的干扰，因为折射率只是在真空中的光速与在介质中的光速的比值。当光能被用尽时，自由电荷载流子也导致对光场的吸收，以对自由电荷载流子加速。总体上，折射率干扰是一个复数，其实部是引起速度变化的部分且其虚部为与自由电荷载流子的吸收有关的部分。相移量Ф由下式给出：

φ＝(2π/λ)ΔnL (等式3)

其中光波长为λ且交互作用长度为L。在等离子光效应情况下，因电子(ΔN_e)和空穴(ΔN_h)浓度变化引起的折射率变化Δn由下式给出：

Δn = - \frac{e^{2} λ^{2}}{8 π^{2} c^{2} ϵ_{0} n_{0}} (\frac{b_{e} {(Δ N_{e})}^{1.05}}{m_{e}^{*}} + \frac{b_{h} {(Δ N_{h})}^{0.8}}{m_{h}^{*}})

(等式4)

其中n₀是硅的额定折射率、e是电子电荷、c是光速、ε₀是自由空间介电常数、m_e ^*和m_h ^*分别是电子和空穴的有效质量、b_c和b_h是调整参数。作为充电区域115内对自由电荷载流子分布的调制结果，被偏转光束127的强度受到调制。

要理解到：集成电路小片103事实上形成了多程波导光学调制器。正如可以理解到的，根据本发明的学说，因光束111经过充电区域115的多次偏转或穿过，采用充电区域115的光学调制器形式的总交互作用长度L得到增加。结果是：相对于具有光束仅通过两次的充电区域的光学调制器，由充电区域115的光学调制器形式的调制深度增加。

在一个实施例中，光束111和/或被偏转的光束127被导引进入使用衍射光学装置(未显示出)等的半导体基片103并从中出来。使用光纤技术等，光束111和/或被偏转的光束127可能被导引进和出衍射光学装置。

图2是倒装晶片封装的集成电路小片201的另一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片201包括根据本发明学说的一个光学调制器，所述光学调制器采用p-n结充电区域及反射材料以对光束211进行调制。同图1所示的集成电路小片101相类似，集成电路小片201以倒装晶片的配置被举例说明，并且其通过球压焊207被耦合到封装基片209以提供集成电路小片201的内部集成电路节点与封装基片209的管脚221之间更直接的连接。在一个实施例中，集成电路小片201的内部集成电路节点被置于在朝向集成电路小片201前面204的位置。在另一个实施例中可以意识到：集成电路小片201并不被局限于安装在倒装晶片封装的配置中。

与集成电路小片101相类似，在图2的集成电路小片201中的光学调制器包括一个放置在包括充电区域215的半导体基片203内的调制区域。在一个实施例中，利用与掺杂区域213所形成的p-n结，所述充电区域215被提供在半导体基片203中。在一个实施例中，掺杂区域213可电寻址且可切换。在一个实施例中，掺杂区域213是一个在p-型硅半导体基片203上的n-型掺硅区域。在另一个实施例中，掺杂区域213是一个在n-型硅半导体基片203上的p-型掺硅区域。在一个实施例中，响应于被绝缘层205中的导体219输运到掺杂区域213的信号229，在充电区域215的自由电荷分布被调制。在一个实施例中，信号229是一个由包括在集成电路小片201内部的集成电路输出节点所产生的信号。

在图2所举例说明的实施例中，光束211被导引通过背面202进入到半导体基片203中。在一个实施例中，掺杂区域213形成的过程是这样的，即在掺杂区域213与绝缘体205之间界面处的反射表面上没有反射材料形成，如例如硅化物。如所示，光束211被引导经过充电区域215及绝缘体205，并且被偏转离开由导体219构成的偏转器。在一个实施例中，导体219由反射材料如例如金属等构成。由于偏转所带来的结果是，在一个实施例中，光束211被偏转返回经过充电区域215直至它被偏转离开偏转器233，所述偏转器233被放置在半导体基片203背面202上的导体219的对面。在一个实施例中，偏转器233由反射材料如例如金属等形成。如图2所举例说明的实施例所示，光束211被多次偏转通过充电区域213直至其最终作为被偏转的光束227从半导体基片203的背面202离开。

在一个实施例中，光束211包括红外光或接近红外光，因为硅可以对红外光部分部分透明。在一个实施例中，光束211在位置223处进入半导体基片203的背面202，并且被偏转的光束227在位置225处离开半导体基片的背面202。在一个实施例中，在位置223和225处的表面及偏转器233下面的表面包括防反射涂层以降低光束211和反射光束227因反射而造成的衰减。如图2所示的实施例所举例说明，位置223的表面被成一个角度，以便于减小光束211的入射角θ。类似地，在一个实施例中，位置225的表面被成一个角度，以便于减小被偏转光束227的入射角θ。在一个实施例中，光束211几乎相对于位置223垂直并且偏转光束227几乎垂直于位置225。

在一个实施例中，使用衍射光学装置(未显示出)等，光束211和/或被偏转光束227被导引进和出半导体基片203。使用光纤技术等，光束211和/或被偏转的光束227可被导引进和出衍射光学装置。

在图2所举例说明的实施例中，由于光束211相对小的入射角θ，在掺杂区域213和绝缘体205之间的界面处并不出现全内反射。因此，同图1举例说明的实施例相比，在如图2所举例说明的实施例中光束211在掺杂区域213和绝缘体205之间的界面处被导引成更陡的角度。图2所举例说明的实施例的优点在于：对光束211不存在最小入射角θ，所以集成电路小片201可以被设计成允许光束211通过充电区域215的相同或更多次数的偏转的更小的侧面尺寸(lateraldimension)。

在一个实施例中，在紧接着充电区域215的区域，半导体基片203被变薄，以便于减小光束211穿过半导体基片203的量。因此，利用导体219形成的偏转器与偏转器233之间的距离被减小。结果是，光束211穿过半导体基片203后所带来的光束211的衰减量得以减小。在一个实施例中，采用公知的刻蚀或开槽技术等，将半导体基片203从背面202变薄。

图3是倒装晶片封装的集成电路小片301的另一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片301包括根据本发明学说的一个光学调制器，所述光学调制器采用金属氧化物半导体(MOS)型结构的充电区域及全内反射以对光束311进行调制。要理解为：本发明并不局限于使用实际的金属用于MOS型结构。例如，在MOS电容器结构中，多晶硅栅等可以被采用，而不采用根据本发明学说的金属栅。正如所要讨论地，图3所举例说明的集成电路小片中的光学调制器同图1所举例说明的集成电路小片中的光学调制器相类似，不同的是在集成电路小片301中的充电区域315是采用MOS结构而不是p-n结结构所形成。

同图1所示的集成电路小片101相类似，图3的集成电路小片301以倒装晶片的配置被举例说明，并且其通过球压焊307被耦合到封装基片309以提供集成电路小片301的内部集成电路节点与封装基片309的管脚321之间更直接的连接。在一个实施例中，集成电路小片301的内部集成电路节点被置于在朝向集成电路小片301前面304的位置。在另一个实施例中可以意识到：集成电路小片301并不被局限于安装在倒装晶片封装的配置中。

同集成电路小片101相类似，图3的集成电路小片301内的光学调制器包括调制区域，所述调制区域被放置在包括充电区域315的半导体基片303内。在一个实施例中，充电区域315采用集成电路器件如晶体管而形成，其中晶体管作为源和漏区被短接到一起的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电容器被耦合。例如，图3显示放置在半导体基片303内的源/漏区335和337。源/漏区335和337通过导体343被短接在一起。在一个实施例中，多晶硅栅341被放置在源/漏区335和337之间的绝缘体305内。如所示，栅级绝缘体339被放置在半导体基片303和栅级341之间。在一个实施例中，源/漏区335和337共同通过导体343被耦合到公用电势V如例如对n沟道MOSFET为地或对p沟道MOSFET为V_cc在另一个实施例中，电势V对于n沟道MOSFET为V_cc且对p沟道MOSFET为地。在另外一个实施例中，源和漏被耦合到不同的电势上。在一个实施例中，栅级341可电寻址并且可切换。在一个实施例中，栅级341通过导体319被耦合以接收信号329。

在操作中，当被公用地耦合的源/漏区335和337被耦合到公用电势V且栅级341被耦合到信号329时，在充电区域315内形成一个高度充电的反转层，所述充电区域被放置在半导体基片303内的源/漏区335和337之间。响应于信号329，充电区域315内的自由电荷载流子分布被调制。在一个实施例中，信号319是由集成电路小片301内的集成电路输出节点所产生的一个信号。在一个实施例中，源/漏区335和337包括放置在p型半导体基片103内的掺杂N⁺的区域。在另一个实施例中，源/漏区335和337包括放置在n型半导体基片103内的掺杂P⁺的区域。在一个实施例中，利用电容器结构而不是MOS晶体管结构，因为在MOSFET电容器沟道中非移动的反转层被用来调制光束311。

如图3所举例说明，光束311被导引通过背面302进入半导体基片303。如所示，光束311被引导经过充电区域315，并且被半导体基片303与栅级绝缘体339之间的界面所形成的偏转器所偏转开。在一个实施中，光束311具有相对于半导体基片303与栅级绝缘体339之间界面的一个入射角θ，以便于光束311因全内反射被偏转离开半导体基片303与栅级绝缘体339之间的界面。

由于偏转，在一个实施例中，光束311被偏转回到充电区域315直至其被偏转离开半导体基片303背面302与空气的界面。在这个界面处，被偏转光束311的入射角θ要使光束由于全内反射，在半导体基片303与空气的界面处被偏转离开背面302。结果是，在半导体基片303与空气的界面处形成一个偏转器。此偏转器与在半导体基片303和栅级绝缘体之间界面处形成的偏转器相对。因此，光束311被多次偏转通过充电区域313直至其最终作为被偏转的光束327从半导体基片303的背面302离开。

在一个实施例中，光束311包括红外光或接近红外光，因为硅可以对红外光部分透明。在一个实施例中，光束311在位置323处进入半导体基片303的背面302，并且被偏转的光束327在位置325处离开半导体基片的背面302。在一个实施例中，位置323和325处的表面包括防反射涂层以降低光束311和反射光束327因反射而造成的衰减。如图3所示的实施例所举例说明，位置323处的表面被成一个角度，以便于减小光束311的入射角θ。类似地，在一实施例中，位置325的表面被成一个角度，以便于减小被偏转光束327的入射角θ。在一个实施例中，光束311几乎相对于位置323垂直并且被偏转光束327几乎垂直于位置325。

在一个实施例中，在紧接着充电区域315的区域半导体基片303被变薄，以便于减小光束311穿过半导体基片303的量。因此，半导体基片303和栅极绝缘体339之间界面与半导体基片303与空气之间界面的距离被减小。结果是，光束311穿过半导体基片303后所带来的光束311的衰减量得以减小。在一个实施例中，采用公知的刻蚀或开槽技术等，从背面302将半导体基片303变薄。

在一个实施例中，使用衍射光学装置(未显示出)等，光束311及/或被偏转的光束327被导引进和出半导体基片303。使用光纤技术等，光束311和/或被偏转的光束327可被导引进和出衍射光学装置。

图4是倒装晶片封装的集成电路小片的又一个实施例的横断面示意，所述集成电路小片包括根据本发明学说的一个光学调制器，所述光学调制器采用MOS型结构的充电区域及反射材料以对光束进行调制。同集成电路小片301相类似，图4的集成电路小片401以倒装晶片的配置被举例说明，并且其通过球压焊407被耦合到封装基片409以提供集成电路小片401的内部集成电路节点与封装基片409的管脚421之间更直接的连接。在一个实施例中，集成电路小片401的内部集成电路节点被置于在朝向集成电路小片401前面404的位置。在另一个实施例中可以意识到：集成电路小片401并不被局限于安装在根据本发明学说的倒装晶片封装的配置中。

同集成电路小片301相类似，图4的集成电路小片401内的光学调制器包括调制区域，所述调制区域被放置在包括充电区域415的半导体基片403内。在一个实施例中，提供采用MOSFET电容器或电容器结构的充电区域415。图4显示包括放置在半导体基片403内的源/漏区435和437的MOSFET电容器，所述源/漏区435和437通过导体443被短接在一起。在一个实施例中，源/漏区435和437共同通过导体343被耦合到公用电势V上。在一个实施例中，多晶硅栅441被放置在源/漏区435和437之间的绝缘体405内。如所示，栅级绝缘体439被放置在半导体基片403和栅级441之间。在一个实施例中，栅级441可电寻址并且可切换。在一个实施例中，栅级441通过导体419被耦合以接收信号429。

在集成电路小片401内光学调制器的操作与在集成电路小片301内光学调制器的操作相类似。尤其是，当被公用地耦合的源/漏区435和437被耦合到公用电势V且栅级441被耦合到信号429时，在充电区域415内形成一个高度充电的反转层，所述充电区域被放置在半导体基片403内的源/漏区435和437之间。响应于信号429，充电区域415内的自由电荷载流子分布被调制。在一个实施例中，信号429是由集成电路小片401内的集成电路输出节点所产生的一个信号。

如图4所举例说明，光束411被导引通过背面402进入到半导体基片403中。如所示，光束411被引导经过充电区域415、通过栅极绝缘体439、通过多晶硅栅441并且被偏转离开由导体419形成的偏转器。在一个实施中，导体419由反射材料如例如金属等形成。由于偏转所带来的结果是，在一个实施例中，光束411被偏转回到充电区域415直至它被偏转离开偏转器433，所述偏转器433被放置在半导体基片403背面402上的导体419的对面。在一个实施例中，偏转器433由反射材料如例如金属等形成。如图4所举例说明的实施例所示，光束411被多次偏转通过充电区域413直至其最终作为偏转的光束427从半导体基片403的背面402离开。

在一个实施例中，光束411包括红外光或接近红外光，因为硅可以对红外光部分透明。在一个实施例中，光束411在位置423处进入半导体基片403的背面402，并且被偏转光束427在位置425处离开半导体基片的背面402。在一个实施例中，位置423和425处的表面以及偏转器433下面的表面包括防反射涂层以降低光束411和被反射光束427因反射而造成的衰减。如图4所示的实施例所举例说明，位置423的表面被成一个角度，以便于减小光束411的入射角θ。类似地，在一个实施例中，位置425的表面被成一个角度，以便于减小被偏转光束427的入射角θ。在一个实施例中，光束411几乎相对于位置423垂直并且偏转光束427几乎垂直于位置425。

在一个实施例中，在紧接着充电区域415的区域中半导体基片403被变薄，以便于减小光束411穿过半导体基片403的量。因此，利用导体419而形成的偏转器与偏转器433之间的距离被减小。结果是，光束411穿过半导体基片403后所带来的光束411的衰减量得以减小。在一个实施例中，采用公知的刻蚀或开槽技术等，从背面402将半导体基片403变薄。

在一个实施例中，使用衍射光学装置(未显示出)等，光束411及/或被偏转的光束427被导引进和出半导体基片403。使用光纤技术等光束411和/或被偏转的光束427可被导引进和出衍射光学装置。

在图4所举例说明的实施例中，因为光束411相对小的入射角θ，在半导体基片403与绝缘体栅绝缘体439之间的界面处并不出现全内反射。

在上述详细说明中，参考其中的具体实例性的实施例，已经对本发明的方法和装置加以说明。然而，显然的是，可以对此进行各种修改及变化而不偏离本发明更广泛的精神及范围。本技术说明和图例相应被认为是举例说明性的，而非局限性的。

Claims

1.一种光学调制器，其包括：

一个放置在集成电路小片的半导体基片内的充电区域；

一个紧接着所述充电区域放置的第一偏转器，所述第一偏转器把被导引通过所述充电区域的光束偏转返回通过所述的充电区域；以及

一个放置在所述第一偏转器对面的第二偏转器，所述第二偏转器将把偏转离开第一偏转器的光束偏转返回通过充电区域到达第一偏转器，所述光束通过在第一和第二偏转器之间充电区域的多次偏转，将被导引离开所述光学调制器。

2.如权利要求1所述的光学调制器，其中半导体基片包括背面和前面，所述光束通过所述半导体基片的所述背面被导引进入到半导体基片。

3.如权利要求2所述的光学调制器，其中所述光束在经多次偏转后，被导引通过所述背面离开所述光学调制器。

4.如权利要求3所述的光学调制器，其中所述光束将在所述半导体基片背面上的第一位置进入所述半导体基片，所述光束将在所述半导体基片背面上的第二位置离开所述半导体基片，所述第一位置与所述第二位置相分离。

5.如权利要求4所述的光学调制器，其中在所述第一位置处的所述半导体基片背面的表面被成一个角度，以减小光束在第一位置处的入射角，其中在所述第二位置处的所述半导体基片背面的表面被成一个角度，以减小光束在第二位置处的入射角。

6.如权利要求1所述的光学调制器，其中所述第一偏转器包括半导体基片的第一界面，所述界面具有与半导体基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全内反射将从所述第一偏转器被偏转。

7.如权利要求1所述的光学调制器，其中所述第一偏转器包括一种紧接着半导体基片的反射材料。

8.如权利要求1所述的光学调制器，其中所述第二偏转器包括半导体基片的第二界面，所述界面具有与半导体基片折射率不同折射率的材料，所述光束由于全内反射将从所述第二偏转器被偏转。

9.如权利要求1所述的光学调制器，其中所述第二偏转器包括一种紧接着半导体基片的反射材料。

10.如权利要求1所述的光学调制器，其中响应于集成电路小片中的一个信号，充电区域内的自由电荷载流子分布受到调制。

11.如权利要求1所述光学调制器，其中所述充电区域紧接着集成电路小片的半导体基片内的p-n结。

12.如权利要求1所述的光学调制器，其中所述充电区域紧接着集成电路小片的半导体基片内的金属氧化物半导体(MOS)界面。

13.如权利要求1所述的光学调制器，其中半导体基片在第一和第二偏转器之间被变薄，以减小光束的衰减。

14.一种调制光束的方法，其包括：

导引所述光束通过放置在集成电路小片的半导体基片内的充电区域；以及

将所述光束多次偏转返回通过所述充电区域，以便于光束在离开半导体基片之前不只一次通过所述充电区域。

15.如权利要求14所述的调制光束的方法还包括：响应于集成电路小片中的一个信号，对充电区域内的自由电荷载流子分布进行调制。

16.如权利要求14所述的调制光束的方法，其中多次将所述光束偏转返回通过充电区域包括：

利用紧接着充电区域的第一偏转器，把被导引通过充电区域的光束偏转；以及

利用放置在所述第一偏转器对面的第二偏转器，把被从第一偏转器偏转的光束偏转返回通过充电区域。

17.如权利要求16所述的调制光束的方法，其中利用第一偏转器把被导引通过充电区域的光束偏转包括：采用紧接着半导体基片放置的一种反射材料把光束偏转。

18.如权利要求16所述的调制光束的方法，其中利用第一偏转器把被导引通过充电区域的光束偏转包括：由于半导体基片内部的全内反射使光束偏转。

19.如权利要求16所述的调制光束的方法，其中利用第二偏转器把被从第一偏转器偏转的光束偏转返回通过充电区域包括：利用紧接着半导体基片放置的一种反射材料把光束偏转。

20.如权利要求16所述的调制光束的方法，其中利用第二偏转器把被从第一偏转器偏转的光束偏转返回通过充电区域包括：由于半导体基片内部的全内反射使光束偏转。

21.如权利要求14所述的调制光束的方法，其中所述半导体基片包括前面和背面，所述光束通过所述半导体基片的所述背面被导引到充电区域，所述光束通过所述背面离开半导体基片。

22.如权利要求19所述的调制光束的方法还包括将第一和第二偏转器之间的半导体基片变薄以减小光束的衰减。

23.如权利要求21所述的调制光束的方法，其中光束将在第一位置被导引通过半导体的背面，其中被偏转的光束将在第二位置处通过半导体基片的背面离开，所述第一位置不同于所述的第二位置。

24.如权利要求23所述的调制光束的方法还包括：

将半导体基片背面的第一位置成一个角度，以减小光束在所述第一位置的入射角；以及

将半导体基片背面的第二位置成一个角度，以减小被偏转光束在所述第二位置的入射角。

25.一种光学调制器，其包括：

一个放置在集成电路小片的半导体基片内的充电区域，所述半导体基片具有前面及背面；

在半导体基片背面上的第一位置，通过它光束将通过半导体基片被导引到充电区域；

紧接着充电区域放置的第一偏转器，将光束偏转返回通过充电区域；

放置在所述第一偏转器对面的第二偏转器，将被从第一偏转器偏转通过充电区域的光束偏转，所述第二偏转器将光束偏转返回通过充电区域；以及

在半导体基片背面上的第二位置，通过它光束在经第一和第二偏转器之间的充电区域多次被偏转后将离开半导体基片。

26.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述第一位置被成一个角度，以减小光束的入射角，其中所述第二位置被成一个角度，以减小被偏转光束的入射角。

27.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述第一偏转器包括一个半导体基片与具有折射率不同于半导体基片折射率的材料之间的界面。

28.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述第一偏转器包括紧接着半导体基片放置的一种反射材料。

29.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述第二偏转器包括一个半导体基片与具有折射率不同于半导体基片折射率的材料之间的界面。

30.如权利要求26所述的光学调制器，其中所述第二偏转器包括紧接着半导体基片放置的一种反射材料。