IBM的硅光封装方案

Intel与IBM在硅光领域深耕了多年，Intel已经推出了基于硅光的PSM4和CWDM4产品。目前IBM还没有硅光相关的产品问世，但是经常可以看到其技术进展报道。这篇笔记主要介绍下蓝色巨人的硅光封装方案，相关内容可以在IBM官网查阅到(https://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group.php?id=5517)， 小豆芽只是一个勤劳的搬运工。

总体说来，IBM的硅光封装方案主要分硅光芯片的耦合和芯片间的组装两类，其中硅光芯片的耦合封装方案又细分为两种：1）基于fiber array的组装方案，2）基于polymer波导的组装方案。下面一一解读这些技术方案。

1. 基于光纤阵列的耦合封装方案

该方案的原理图如下图所示，

其中光纤阵列与MT头相连，硅光芯片端面处刻蚀V型槽阵列，用于放置光纤阵列。上图中的绿色小长方体是聚合物lid, 因为FA不方便被吸头(pick-tip)吸取，而pick-tip吸取polymer lid后，再将其压在FA上，便于FA落入V型槽中。每根光纤的位置可进一步精细调节，使光纤完全落入V型槽中，达到最优的耦合效率。

整个组装过程如下图所示，利用双吸头分别吸取polymer lib和MT头，然后再与硅光芯片进行耦合。

（图片来自文献1）

V型槽通过刻蚀的方法实现，其截面图如下，它的几何尺寸与单模光纤匹配，对准精度是1.3um。

对准后的截面图如上图所示，光纤阵列可以较好地落入V型槽中。该方案不需要高精度的aligner。

IBM的耦合方案采用的是edge coupler, 在inverse taper上进一步刻蚀亚波长光栅，并且刻蚀掉Si波导下方的部分衬底硅，使得模斑尺寸与单模光纤匹配。整个耦合器的结构如下图所示，

通过这种自对准的FA组装方案，IBM实现了O波段1.3dB的耦合效率，在100nm带宽内耦合效率只下降了0.8dB。

2. 基于聚合物波导的耦合封装方案

该方案的原理图如下，

其主要部分为柔性的聚合物波导，MT头的组件等。聚合物波导被固定在MT头内。上图中的c位置处聚合物波导与单模光纤耦合，f位置处其与硅波导耦合，其他区域的聚合物波导宽度是渐变的。该方案中的聚合物波导充当单模光纤与硅波导之间的桥梁，光从单模光纤耦合聚合物波导，再由聚合物耦入硅波导中。因而c位置处与f位置处的聚合物波导MFD需分别与单模光纤、硅波导的MFD匹配。

将聚合物波导与硅光芯片端面对接（借助刻蚀的凹槽，其对准精度小于2um），进而实现高效率的耦合，实物图如下图所示，

IBM在1550波段实现了1.4dB的耦合效率，在100nm带宽内下降了1.2dB。聚合物波导是由日本一家公司(Asahi Glass Corporation)提供的。小豆芽比较关心的是聚合物波导的可靠性问题，IBM研究人员在温度从-40℃到85℃范围内验证了该耦合方案，没有发现应力带来的影响。

3. 多个芯片的flip-chip封装方案

对于多个芯片的组装，IBM采用的是flip-chip方案，利用他们特有的工艺条件，实现了自对准的芯片组装。其原理图如下，

两颗光芯片表面都有金属pad, 芯片放置时故意将pad位置偏离，有一定的offset，如上图的2所示。在焊料的退火过程中，由于焊料表面张力的作用，芯片会发生移动，最终两个芯片的pad中心对准。从图中可以看到，底部芯片上有支柱，用于支撑倒置的顶部芯片。另外需要将顶部的芯片与底部芯片端面接近（上图3的optical connection处），使得光场能够以较高的效率耦合。而两个芯片间的电互联可以通过焊接在一起的金属pad实现。

看起来原理似乎很简单，难点在于细节的控制。例如，焊料的用量，太多或太少都会带来问题，如下图所示。焊料太少的话，芯片无法在水平方向移动；焊料太多的话，竖直方向的对位存在误差。

实验中，他们使用两颗硅光芯片验证这一方案，两个芯片贴装后的光耦合损耗为1.1dB。

IBM的这三个方案都利用了其工艺优势，在硅光芯片上刻蚀一些凹槽结构，用于实现高精度的对准。芯片端面处都往下做了一定的刻蚀，形成一个台阶，用于放置FA或者聚合物波导。另外这些方案都可以用于产线的大规模生产，效率较高。感觉他们的出发点就是为了能够在产线上使用，降低成本。IBM选择了端面耦合的路线，而不是光栅耦合的方案。对于其聚合物波导方案，可能还存在可靠性的风险。聚合物波导方案对硅波导的模斑没有要求，相对灵活一些。而光纤阵列方案，需要使用亚波长光栅的耦合方案。对于flip-chip方案，目前缺少硅光芯片与DFB激光器贴装后的效果演示。

小豆芽的另外一点体会，工艺和设计需紧密结合。只有利用好现有的工艺条件，才能做到最优的设计。好比做菜，只有对食材和火候的理解达到一定程度，才会有美味佳肴的诞生。

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. T. Barwicz, et.al., "High-Throughput Photonic Packaging "