Marvell的异质集成2.5D硅光光引擎

Marvell公司在收购Inphi之后，补强了硅光芯片研发的能力，结合自身DSP芯片技术的多年积累，也成为了CPO领域的重要玩家。这篇笔记主要介绍下其在异质集成光引擎(optical engine)的最新进展。

文章中首先整理了pluggable光模块到CPO模块的发展历程，如下图所示，

（图片来自文献1）

从200G开始，信号开始采用PAM4的调制形式，与100G相比，通道数不变，符号率(signal rate)不变，速率(data rate)提高一倍。400G以上的光模块，单通道的信号速率变为100Gbps。上表中的功耗单位有误，应该是Power(W)。经过20多年的发展，模块的速率提高了近三个数量级，而能效(pJ/bit)下降了两个数量级，如下图所示，

（图片来自文献1）

Marvell对比了2D封装与2.5D封装的高速性能，如下图所示。第一种方案为DSP、TIA和硅光芯片并排放置在PCB板上，TIA通过wire bonding与PCB板和硅光芯片进行高速信号的互联。第二种方案为TIA芯片flip-chip在硅光芯片上，硅光芯片通过wire bonding与PCB板相连，进而与DSP芯片互联。第三种方案为TIA芯片flip-chip在硅光芯片上，硅光芯片同时作为interposer, 通过TSV与PCB板进行信号的互联。前两种方案都属于2D封装，第三种方案属于2.5D封装。从仿真结果上看，第一种方案的3dB带宽在50GHz左右，第二种方案在70GHz左右，第三种方案有着更优异的高速性能。

（图片来自文献1）

Marvell首先验证了2D封装的光引擎，如下图所示，driver、TIA和DFB等芯片都通过flip-chip的方式贴到硅光芯片上，硅光芯片采用边缘耦合的方式，光纤放置在V-groove中。通过wire-bonding的方式，实现芯片与PCB板间的电信号互联。

（图片来自文献1）

该2D封装光引擎的50G PAM4眼图如下图所示，眼图质量不是特别好，wire-bonding限制了系统的高速性能。

（图片来自文献1）

对于2.5D封装的光引擎，Marvell采用了via-last的工艺，在硅光芯片上制备出TSV，工艺流程如下图所示，TSV的工艺在OSAT实现，而不是在硅光foundry。该方案对供应链会更为友好。

（图片来自文献1）

首先在加工好的硅光芯片正面bonding一个carrier wafer, 接着将硅光芯片减薄，在背面刻蚀出via空洞，接着在via孔中填充Cu, 形成TSV，然后在背面加工出C4 bump。去除正面的carrier wafer后，在正面加工出bump，用于电芯片的flip-chip。包含DSP芯片在内的电芯片贴装好后，进行测试切片等，并贴到高速基板上。加工好的异质集成芯片截面图如下图所示，

（图片来自文献1）

该2.5D封装的光引擎的眼图测试结果如下图所示，TDECQ小于2dB。下图为四个通道的PAM4眼图，速率为106.25Gbps。

（图片来自文献1）

基于该2.5D光引擎，Marvell将其进一步应用到交换机中，系统中共含有16个光引擎，总的信号速率为12.8Tbps，如下图所示。

（图片来自文献1）

以上是对Marvell异质集成光引擎的简单介绍，Marvell没有透露其具体的硅光流片厂和OSAT厂商，但是展示了很多技术细节。Marvell采用了via-last的工艺，在硅光芯片加工完成后，借助OSAT的加工能力加工出TSV, 进而将电芯片flip-chip到硅光芯片上，硅光芯片同时扮演interposer的角色。相比于基于wire-bonding的2D封装方案，2.5D封装光引擎的高速性能更为优异，摆脱了wire-bonding方式对信号速率的限制。该方案对系统的散热也有一定的帮助。此外，Marvell选用的是MZM调制器，没有采用微环调制器。耦合方式采用了edge coupler + V groove的方案，没有采用光栅耦合器的方案。

参考文献：

1. R. Nagarajan, et.al., "2.5D Heterogenrous Integration for Silicon Photonics Engines in Optical Transceivers", IEEE Jouranl of Selected Topics in Quantum Electronics 29, 8200209(2023)