硅基光電子接口技術(shù)在高密度光電共封裝中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
3 h- }0 J& Q2 L  N' ]隨著計算系統(tǒng)特別是人工智能和機器學習應(yīng)用的發(fā)展，對高帶寬、低延遲互連的需求日益增長。本文探討了高密度CPO中的光學接口先進解決方案，重點介紹了imec開發(fā)的高效光耦合和互連方法。
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0 h; K, e, L) p/ A光學接口的挑戰(zhàn)
在硅絕緣體(SOI)平臺上使用錐形硅模式尺寸轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)光纖邊緣耦合面臨顯著局限。這些系統(tǒng)展示了與透鏡光纖的高效耦合，但光學接口處的小光斑尺寸需要精確的對準容差。此外，透鏡光纖功能所需的氣隙阻礙了在高通量封裝場景中的大規(guī)模應(yīng)用。
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基于聚合物波導的光學重分布層
" R6 y& j8 a& q% w! S+ v在光學接口技術(shù)中，一個重要進展是基于聚合物波導的光學重分布層(ORDL)的開發(fā)。這種方法利用了具有優(yōu)異光學性能的商用聚合物材料。
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3 P6 a7 i2 j  l7 D# H7 U% l' W圖1展示了光互連晶圓級系統(tǒng)的示意圖，顯示了有源光電子集成芯片和無源互連晶圓之間的耦合集成，以及組裝的詳細截面視圖。
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研究評估了兩種主要的聚合物材料：micro resist technology公司提供的EpoCore/EpoClad和OrmoCore/OrmoClad。設(shè)計過程研究了兩個關(guān)鍵接口：
- {9 u8 [8 C+ e

SiN-PWG（聚合物波導）接口

PWG-SMF（單模光纖）接口


圖2展示了不同尺寸EpoCore/EpoClad聚合物波導的SiN-ORDL絕熱耦合效率與線性SiN錐形長度的關(guān)系。
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9 {; e( }" }. R/ C4 V- ?' h圖3顯示了OrmoCore/OrmoClad聚合物波導的類似耦合效率測量，突出顯示了兩種材料系統(tǒng)之間的性能差異。
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" l/ d; k% ~. C* t# K& g9 p設(shè)計包含具有特定特征的SiN錐形波導：

固定高度：400nm

寬度變化：從710nm到錐尖130nm

由多層氧化物包圍以實現(xiàn)模式限制


; U# P3 N* W7 Y+ A; ~  `圖4展示了標準SMF模式與不同尺寸方形聚合物波導之間的重疊，顯示了EpoCore和OrmoCore材料的效率比較。
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先進的晶圓級光學互連
7 k8 j# H- J5 e" ^9 g8 t使用先進的300mm晶圓級SiN波導技術(shù)實現(xiàn)晶圓級光學互連是該領(lǐng)域的一個重要發(fā)展。這種方法結(jié)合了低壓化學氣相沉積(LPCVD) SiN波導和高精度光刻掩模版拼接技術(shù)。

! @) T$ r# o: y; f3 i7 o圖5展示了制造的300mm晶圓，具有掩模版拼接的SiN波導束和拼接區(qū)域的詳細掃描電鏡圖像，展示了制造過程中達到的高精度。
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制造過程包括幾個關(guān)鍵步驟：
1 N$ N6 K" Q) P) Q

初始沉積2.7μm厚的二氧化硅層

沉積400nm厚的LPCVD SiN層

使用193nm浸沒式光刻

實施覆蓋26mm x 33mm芯片的兩種不同掩模版
* N3 P5 X8 d0 A

0 v4 ?7 ?# s+ Y2 D圖6展示了全面的測量結(jié)果，包括SiN波導傳播損耗、彎曲性能和不同配置下的拼接損耗測量。
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4 U5 U/ D) D& v' ~" e( K! @1 L圖7提供了組裝光電子集成芯片的300mm光學互連晶圓的詳細概述，顯示了評估EVC性能的布局和測量設(shè)置。


) a* `$ _, T7 I  z& B8 v圖8展示了不同耦合器長度的晶圓級EVC損耗測量，包括詳細的統(tǒng)計和失配分析。
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0 i3 [% w3 h  _7 o; P8 F! R+ c主要性能特征包括：

1310nm波長下波導傳播損耗低于0.5dB/cm

每個端面的光纖到ORDL對接耦合損耗為1dB

總光纖到光纖插入損耗為4dB
  k( ^& H9 l$ b3 M( H
系統(tǒng)在各種配置下展示了穩(wěn)健的性能，其中1.5mm長的EVC設(shè)計實現(xiàn)了75.5%的最佳光學良率。這項技術(shù)在下一代計算系統(tǒng)的高密度光學互連應(yīng)用中顯示出優(yōu)異的性能。
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3 [/ Z9 H6 T) p: I+ v未來發(fā)展
目前的研究重點是優(yōu)化芯片到晶圓的集體鍵合工藝，以提高良率和性能。此外，在ORDL內(nèi)實現(xiàn)光學扇出以及在各種中介層和封裝基板上集成光學RDL和電氣RDL的工作仍在繼續(xù)。
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圖9顯示了具有優(yōu)化SiN錐形結(jié)構(gòu)的光電子集成芯片上光學RDL集成后的表征結(jié)果，展示了系統(tǒng)的光學性能。
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這項技術(shù)進步在實現(xiàn)高帶寬、低延遲光學互連方面取得了顯著進展。通過精心的設(shè)計考慮和創(chuàng)新的制造技術(shù)，這些發(fā)展解決了光學接口的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，同時保持了商業(yè)應(yīng)用所需的可擴展性和可靠性。聚合物波導、SiN技術(shù)和精密制造工藝的組合為下一代光學互連解決方案創(chuàng)造了可靠的平臺。
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參考文獻
3 u8 X* `. U6 y% k5 J$ Q[1] IMEC, "Interfacing silicon photonics with high-density co-packaged optics," [Online]. Available: https://www.imec-int.com/en/articles/interfacing-silicon-photonics-high-density-co-packaged-optics. [Accessed: Nov. 30, 2024].

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