Photonic Bump简介

前两天参加一个在线的会议，听到了Photonic bump这个新词汇，比较有意思。这里收集下相关的资料，供大家参考。

Bump的概念来源于电芯片的封装。在Flip-chip工艺中，在两颗芯片需要互联的pad区域生长出金属凸点bump，进而进行芯片的焊接，如下图所示。

（图片来自https://www.pianshen.com/article/63311198118/）

三维的示意图如下图所示，bump提供了两块芯片间电信号互联的通道。

(图片来自https://www.cyberoptics.com/cyberoptics-to-present-technical-paper-fast-100-wafer-bump-metrology-and-inspection-at-virtual-ieee-paine-conference/)

以色列创业公司Teramount提出了photonic bump的概念，作为硅光芯片和光纤连接的桥梁，避免了光纤直接与光芯片耦合的高精度对准要求，如下图所示，

Photonic bump主要由glass spacer, silicon die两部分构成，如下图所示。在顶端的硅片上加工出反射镜，在硅光芯片也需要加工出类似的反射镜，硅波导中的光经过多次反射，传输到光纤的端口。

（图片来自文献1）

由于光纤不是直接和硅光波导耦合，光束通过多次反射，使得其对准的1dB容差高达40um，如下图所示。由于这些反射镜是在wafer上直接加工出来的，其位置的准确性由光刻精度保证。Teramount将此称为“self-aligned optics”。该方法的优势是将复杂的、精度要求高的光学assembly转移到芯片的加工上。

对于端面耦合器，需要额外加工一个硅棱镜，用于将光的传播方向从水平转变为竖直方向，如下图所示。基于此，还可以实现端面耦合器的wafer-level测试。

Photonic bump技术可以与传统的bump，加工在同一个interposer上，如下图所示。图中最右侧为TGV和bump, 而红色的photonic engine可以通过photonic bump实现光信号的互联，比较有意思。

简单整理下，photonic bump技术主要是通过在硅片上加工出反射镜，并结合SiO2的interposer, 实现高容差的光耦合。其难点在于硅反射镜的加工，虽然Teramount在报告中声称只额外增加了一步光刻和一步刻蚀，与现有工艺完全兼容。但是其bump的尺寸较大，并且是一个3维结构，难度也是不小的。另外，报告中并没有展示该photonic bump的耦合效率，有待进一步的报道。与之相关的photonic wire bonding的技术(光学引线键合技术 (photonic wire bonding))，小豆芽之前也介绍过。两者的区别也正是wire bonding和bump的区别，photonic wire bonding更适用于端面耦合器，而photonic bump则没有此限制，可以放置在芯片中的任意位置。两者都是硅光芯片之外做文章，增加一些额外的工艺步骤与器件来降低硅光封装的复杂性。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。 参考文献：

1. A. Israel, et.al., "fiber to chip optical coupler", US patent 14/878,591