Broadcom的CPO进展

前段时间，关于TSMC和Nvidia、Broadcom合作开发硅光技术的新闻引起了大家的广泛关注。巨头们的强强联合，必定会对硅光产业带来深远的影响。Broadcom是目前仅有的几家发布CPO产品的公司，这篇笔记主要介绍下其CPO技术上的进展与细节。

Broadcom的硅光CPO产品如下图所示。中间较大的芯片为Switch芯片，四周环绕四个光引擎。每个光引擎中包含32个Tx与32个Rx，单通道信号速率为100Gbps，每个光引擎的总带宽为3.2Tbps, 可以理解为4个800G硅光芯片，整个系统的带宽为12.8Tbps。Broadcom给出了该CPO系统的四个特色，即高密度的光学连接器(high density optical connector)、高密度的3D集成(high density integration)、pitch匹配的输入输出接口和高密度的光器件(high density optical component)。

（图片来自https://www.broadcom.com/blog/broadcoms-persistent-cadence-copackaged-optics-innovation）

Broadcom的CPO 3D封装方案采用了TSV last的方案，EIC晶圆首先在正面生长bump, 接着bonding到玻璃载片上(glass carrier wafer)。接着将EIC晶圆减薄到75um，并进行DRIE刻蚀(deep reactive ion etch)，直至露出M1。TSV的pitch为130um, 在TSV孔洞中沉积RDL金属。进一步，在EIC晶圆背面形成Copper pillar, 用于后续与PIC的bonding。EIC切割成die后，采用CoW(chip on wafer)的方式贴到PIC晶圆上。PIC晶圆采用stealth dicing的方式进行切割。切割好的芯片继续进行与lens array的贴装。整个3D封装的芯片称为SCIP(silicon photonic chiplet in package)。ASIC芯片与SCIP芯片最终都贴到substrate上。整个芯片的截面如下图所示。

（图片来自文献1）

该封装方案与Intel的方案非常接近，也是PIC倒装到EIC上，如下图所示，没有采用EIC倒装在PIC上的方案，也没有采用在PIC中制造TSV的技术路线。

（图片来自https://epic-assoc.com/wp-content/uploads/2021/12/Robert-Blum-Intel.pdf）

Broadcom同时开发了可插拔的光学连接器(detachable optical connector)，一方面如果光纤出现损坏，可以灵活地替换掉，另一方面，CPO模块的光纤组装可以放在整个封装流程中的最后一步，避免前面组装过程中小段尾纤对封装的影响。此外，可插拔光学连接器也避免了弯曲光纤带来的应力影响。通过一些机械结构的卡槽设计，光纤阵列可以实现与PIC芯片的无源对准，降低了CPO的封装成本，如下图所示。

（图片来自文献1）

该光学连接器内部采用双透镜阵列的设计，在PIC的edge coupler前端与fiber array前端分别存在一个透镜阵列，对应下图中的218与220。这两个透镜阵列构成一个准直系统，降低了对耦合对准的精度要求。此外Fiber array不直接与PIC的端面接触，一定程度上保护了edge coupler的端面。

（图片来自文献2）

Broadcom单独开发了外置的激光源模块(remote laser module, 简称RLM)，并采用QSFP-DD的标准封装，如下图所示。Broadcom没有采用混合集成的方案，一方面是激光器散热的考虑，另一方面也是维护方便的考量。单个激光器的出光功率达到了21dBm, 可以支持4路PIC的链路。每个RLM中含有8个DFB激光器，因此可以支持32路PIC, 即一个RLM支持一个光引擎。

（图片来自文献1）

由于CPO中缩小了switch芯片与OE引擎的距离，电学链路损耗大大缩小，在26GHz时，ASIC到Tx端的损耗为2dB，Rx到ASIC的损耗为2.5dB。相比于可插拔光模块15-20pJ/bit的功耗，CPO系统的功耗降低到5-10pJ/bit，功耗降低了50%多。

（图片来自文献1）

Tx和Rx端的测试结果分别如下图所示，Tx端的ER为4dB，TDECQ为2dB，均满足IEEE的要求。Rx端满足IEEE中关于BER<2.4e-4要求的OMA范围为9dB，margin较大。

（图片来自文献1）

以上是对Broadcom硅光CPO技术的简单介绍，主要有三个特色：1）采用在EIC上TSV last的方案进行3D封装方案；2）通过双透镜阵列实现可插拔光学连接器；3）采用外置可插拔光源模块的方案。Broadcom目前的CPO产品应该还没有使用台积电的硅光平台(TSMC硅光封装平台的最新进展)，台积iOIS平台中使用的是在PIC中加工TSV-middle的方案。为CPO模块开发可插拔光连接器，已经成为产业界的一个共识，包括Intel、Cisco和Broadcom等在内，都已经开发出可插拔光连接器，便于系统的测试与维护，消除尾纤带来的不便。一方面我们看到了Broadcom的技术方案，可以借鉴参考，更重要的是他们为何没有选择其它方案，这背后的考虑。对于产品来说，更偏向于选择风险低、技术成熟度高、良率高的路线，采用TSV-last、可插拔光连接器和外置光源，应该都是基于这一点的考量

参考文献：

1. K. Muth, et.al., "High Density Integration Technologies for SiPh Based Optical I/Os", ECTC 2023 2. R. Schaevitz, et.al., "Silicon photonic edge coupled connector via collimation", US20230251428A1