Intel的可插拔光连接器揭秘

去年十月份，小豆芽介绍过Intel研发的用于CPO产品的可插拔光连接器（Intel的可插拔硅光连接器）。当时Intel并没有透露具体技术细节，小豆芽做了一些猜想。最近Intel在JLT期刊上发布了该连接器的最新进展，揭开了神秘面纱，展示了更多的技术细节。总体来说，其方案的确是通过玻璃波导与硅光芯片进行耦合，再通过机械方式与玻璃波导对准，但在具体的技术细节上与我之前的猜想有些偏差。

对于CPO或者Optical IO的应用场景来说，通常是先通过先进封装(advanced package)的方式将光芯片与电芯片合封在一起，最后再将光纤固定到光芯片上。这样会带来几个问题，首先在光电芯片完成封装前，并不清楚芯片的性能是否满足要求，是否是good die, 会降低系统整体的良率，其次光纤粘在光芯片上后，如果发现芯片存在问题或者光纤耦合存在问题，进行返工(rework)比较困难，此外pigtail形式的光纤在后续生产过程中会带来操作上的不便，用户使用体验也比较差。因此，Intel希望解决上述的痛点，开发一款类似USB接口的可插拔光连接器，可以方便地插入到CPO模块中，如下图所示。

（图片来自文献1）

Intel提出了glass optical bridge(玻璃光学桥接)的解决方案。基于超短脉冲激光直写技术(ultra-pulase laser direct writing)，将超短光脉冲聚焦到玻璃芯片中的特定深度处，改变局部玻璃的光学性质，进而加工出3维的光波导，其传输损耗为0.2dB/cm。此外还可以在玻璃上加工出微机械结构，用于位置对准。Intel的玻璃光学桥接方案如下图所示，含有光波导的玻璃作为一个光学桥梁，将硅基光芯片与外部的光连接器相连。图中PIC处为1*16的边缘耦合器输出，通过3D玻璃光波导可以转换为2x8的玻璃光波导输出。在该玻璃桥接上，也加工出了用于对准的机械结构，对应下图中的mid-alignment feature和fine alignment feature。典型的玻璃光学桥接的尺寸为8.6mm*10mm*0.8mm。

（图片来自文献1）

硅光芯片上已经加工出V-groove结构，玻璃桥接上加工出圆柱形的凸起结构，可以通过无源组装(passive assembly)的方式，直接将凸起结构卡进V-groove中，如下图所示。

（图片来自文献1）

圆柱形凸起的作用是用于模仿光纤，其设计半径为62.5um，实际加工出的偏差为±0.084um(测试样本为4片wafer，每片wafer含48颗die，每颗die上16通道的测试结构)，如下图所示。

（图片来自文献1）

进一步，Intel表征了PIC经过玻璃桥接与光纤的耦合损耗，三组结构的平均耦合损耗分别为1.19dB, 1.59dB和1.45dB，测试结果如下图所示，整体的平均耦合损耗为1.41dB。其中PIC与光学桥接的损耗为0.4dB，光纤到光学桥接的损耗为0.6dB左右。由于机械结构的加工误差，会引入了一些额外的损耗。

（图片来自文献1）

光学桥接与PIC组装在一起后，接着需要研发光纤阵列的连接器(Fiber-array unit connector, 以下简称FAU)与之连接，其结构如下图所示。光纤夹具可以通过机械微结构，与光学桥接相连。

（图片来自文献1）

该FAU光连接器主要包含5个组件：1）光纤夹具，用于支撑光纤和机械对准，2）夹具支架，3）闩锁弹簧，4）整个连接器的外壳，5）光学桥接上的插座，用于和闩锁配对固定。整个可插拔光连接器的结构分解图，如下图所示。其中光纤夹具也是通过激光直写进行加工，包含用于对准的机械微结构和用于光纤对准的孔洞，光纤对准孔的公差为±0.5um。

（图片来自文献1）

在连接器使用的过程中，ferrule holder首先插入到光学桥接上的粗对准结构，进一步利用机械微结构实现精细对准，整个配对的过程如下图所示。最终光学桥接与FAU连接器之间保留10um左右的间隔，两个界面都是斜8度设计，用于降低背反射。

（图片来自文献1）

闩锁弹簧(latching spring)的设计，可以保证光连接器与玻璃桥接有效紧密连接。当连接器向光学桥接插入时，弹簧被向内挤压推动，当闩锁与receptacle匹配成功后，弹簧会对外释放，保证两者有效贴合，过程如下图所示。

（图片来自文献1）

连接器的平均光学损耗为0.33dB，测试结果如下图所示。

（图片来自文献1）

简单总结下，Intel通过激光直写技术，在玻璃中加工出三维光波导与机械微结构，形成玻璃光学桥接与硅光芯片相连。而对于可插拔光连接器，也借助激光直写技术，加工出光纤夹具和机械微结构。利用光连接器和光学桥接上的机械微结构进行对准与配对，实现光连接器可插拔的功能。整个方案设计非常巧妙。该方案单端的光学损耗为1.41dB (光学连接器 ->光学桥接 ->硅光芯片），而连接器的光学损耗为0.33dB (光学连接器->光学桥接），性能优于一般的边缘耦合器指标。采用该可插拔光学连接器，可以先对硅光芯片进行测试，筛选出good die进行封装，降低了封装成本，可以大大提高CPO模块的良率，解决了CPO/Optical IO技术落地的一个难点问题。

值得一提的是，文章作者Nicholas Psaila博士是Optoscribe公司的创始人和CEO。Optoscribe公司成立于2011年，并在2022年被Intel收购，其核心技术正是激光直写，此前一直致力于利用3D玻璃光波导解决硅光芯片的耦合问题。Intel收购Optoscribe公司后，充分发挥其激光直写技术的优势，利用一年多的时间成功开发出用于CPO/Optical IO场景的可插拔光连接器。

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。

参考文献：

1. N. Psaila, et.al., "Detachable Optical Chiplet Connectors for Co-packaged Photonics"