IEDM 2024：台积电的硅光(高性能工艺平台、CPO、光计算) 进展(二)

光芯

发布于 2025-04-08 20:59:51

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二、台积电光电集成chiplet/CPO

◆ EPIC - BOE：一种用于宽带光引擎应用的EIC/PIC chiplet集成技术

摘要

未来的GAI系统需要比当今系统更高的并行性以实现性能，同时具有更高的能效、高带宽密度和低延迟。提出了首个从光纤到CoWoS系统的用于宽带光引擎（BOE）应用的全集成技术，通过利用台积电3DFabricTM和IC工艺形成紧凑的CPO，实现GAI系统的PPA增强。它具有从1260到1360 nm的高带宽覆盖和垂直耦合器所具备的高光纤数。

与传统的宽带端面耦合器（EC）不同，当每行集成40到80根光纤时，该解决方案不受边缘翘曲问题的影响。创新的工艺流程实现了多行集成。通过IC工艺实现氮化硅波导、光纤耦合器、层间波导过渡和偏振控制装置，实现高性能和高能效。低损耗波导的传播损耗 0.01 dB/cm，90度弯曲损耗 0.001 dB/次转弯。这种工艺可以利用现有的工艺控制和检测计量。展示了一种新颖的氮化硅光纤耦合器，不仅可以实现0.08 dB的超低耦合损耗，还可以承受300 mW的高输入激光功率3小时而不退化。测量到紧凑的、大间距层间过渡interlayer transition损耗为0.015 dB。偏振分集PBSR可以很容易地集成在FAU中以节省PIC面积，在1260 - 1360 nm范围内具有23 dB的消光比，TE和TM模式的损耗0.3 dB。然后FAU系统可以实现现场可维护。

硅光子学彻底改变了集成光学领域，为构建可大规模生产的光学电路提供了一个新颖而强大的平台。光耦合器是将光从光纤耦合到平面波导的重要接口。光纤到芯片的耦合器主要有两种类型，光栅耦合器（GC）和端面耦合器（EC）。当使用GC作为光的输入/输出端口时，虽然在处理多行光纤方面更加方便，但它通常在入射角、偏振态、带宽方面有很大限制，并且耦合损耗较高。基于未来多波长应用的要求，低偏振依赖性和高耦合效率，EC作为光学元件的I/O端口可能是一个更好的候选者，因为它具有宽带能力。

然而，当前EC不能用于多行光纤，受到边缘尺寸的限制。此外，对于EC，每行的最大光纤数也受到边缘翘曲的限制，而垂直耦合器通过准直光束可以很容易地缓解这种情况。当前两种主流的光纤耦合器技术都不能满足所有三个带宽可扩展性要求：每根光纤的带宽、每行的光纤数和行数。

EPIC - BOE旨在满足所有可扩展性需求，因为它是一种完全宽带、多行和垂直光纤耦合器。以下部分将详细介绍其带宽可扩展性、功率处理能力、能效、偏振处理、可制造性和可维护性。

◆ 带宽可扩展性

1. 宽带

EPIC - OE旨在提供一种通用而多功能的宽带OE解决方案，由三部分组成：COUPE、COIT（顶部互补光互连）和iFAU（集成光纤阵列单元）。宽带特性在图2中得到证明，光谱宽度从1260到1360 nm。

2. 每行光纤数

与传统EC不同，EPIC - BOE由于其本质上是垂直耦合器，可以有效缓解翘曲问题。在初始设计中，EPIC - BOE每行的光纤数可以达到80根，总共4行。

3.FAU行数

FAU的最大行数受行间尺寸控制和对准的限制，基本上由其制造方法决定。例如，当用激光写入玻璃实现时，行数受激光可以刻入玻璃表面的最大深度限制。因为COIT是用3DFabric工具箱制造的，我们利用IC工艺进行所有尺寸控制和对准。因此，行数可以有明确的扩展路径：当前设计中有两行FAU（图4和图5），下一个版本计划构建四行结构。

◆ 功率处理和能效

1. 高功率能力

硅波导在高功率水平下可能有烧毁的风险，因为硅的非线性效应会导致光强度增加，可能导致诸如光子吸收、热效应等现象，最终导致波导烧毁。在EPIC - BOE系统中使用氮化硅来处理高输入光功率。在图6（a）中，对硅波导环形回路进行了高功率激光注入测试。图6（b）显示会当硅波导输入功率超过20 dBm时，输出功率开始趋于平稳。当输入功率等于24.43 dBm时发生急剧变化，出现约2 dB的不可逆附加损耗（图6（c））。

在相同功率条件下对氮化硅波导环形回路进行了测试（图6（d））。当将输入功率增加到EC的25.14 dBm时，其输出功率随输入功率线性增加，并且在通过25.14 dBm临界点前后光谱性能一致（图6（e）和图6（f））。

2. 能效

图7显示了光纤耦合器的测量和模拟耦合损耗。结果显示在1310 nm处TE/TM偏振的耦合损耗约为0.08 dB/0.05 dB。此外，由于在FAU和PIC之间的封装过程中对准误差引起的额外损耗，也进行了模拟和验证。如图8和图9所示，测量结果与模拟结果吻合良好，结果显示横向（Y和Z方向）对准误差约为1.6 µm/0.5 dB；纵向方向（间隙）的对准误差约为36 µm/0.5 dB。

氮化硅波导的传播损耗是从不同长度螺旋波导的传输中提取的，从光纤到芯片的耦合器损耗和弯曲损耗中去嵌入。OWAT结果显示12英寸晶圆上单模氮化硅波导在TE偏振下的提取传播损耗0.01 dB/cm。波导弯曲在90度弯曲时0.001 dB。相邻波导之间的过渡损耗为0.015 dB。

3.偏振控制

提出了一种基于氮化硅的宽带、高消光比（ER）、低损耗偏振分束器和旋转器（PBSR）。与基于硅波导的PBSR相比，使用氮化硅波导可以克服硅波导由于双光子吸收效应而存在的高功率处理问题。图10显示了设计的PBSR在1260 nm - 1360 nm范围内对于TE和TM偏振输入的模拟结果，ER 23 dB。PBSR在TE和TM偏振下的损耗 0.3 dB，并且保持偏振相关损耗（PDL）0.1 dB。

◆ 可维护性和可制造性

1. 可维护性

凭借由一对嵌入式硅微透镜组成的强大准直光束系统，FAU系统可以实现现场可维护，估计在重复更换后光纤耦合损耗增加到1.8 dB。

2. 可制造性

EPIC - BOE由IC晶圆级工艺制成，具有半导体在线测试、工具自动化和光学WAT，以确保可制造性。例如，关键的90度光束偏转器AC在IC工艺优化后成品率达到97%。