硅基光电子接口技术在高密度光电共封装中的应用

逍遥设计自动化

引言
随着计算系统特别是人工智能和机器学习应用的发展，对高带宽、低延迟互连的需求日益增长。本文探讨了高密度CPO中的光学接口先进解决方案，重点介绍了imec开发的高效光耦合和互连方法。
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2 v1 S) Y: B! V1 ]5 M光学接口的挑战
8 {1 t' Z# R1 P在硅绝缘体(SOI)平台上使用锥形硅模式尺寸转换器的传统光纤边缘耦合面临显著局限。这些系统展示了与透镜光纤的高效耦合，但光学接口处的小光斑尺寸需要精确的对准容差。此外，透镜光纤功能所需的气隙阻碍了在高通量封装场景中的大规模应用。
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; q, _& T( u' n- ~6 d4 M基于聚合物波导的光学重分布层
在光学接口技术中，一个重要进展是基于聚合物波导的光学重分布层(ORDL)的开发。这种方法利用了具有优异光学性能的商用聚合物材料。

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图1展示了光互连晶圆级系统的示意图，显示了有源光电子集成芯片和无源互连晶圆之间的耦合集成，以及组装的详细截面视图。
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( y  ~  Y) p! f; o( q) f研究评估了两种主要的聚合物材料：micro resist technology公司提供的EpoCore/EpoClad和OrmoCore/OrmoClad。设计过程研究了两个关键接口：

SiN-PWG（聚合物波导）接口

PWG-SMF（单模光纤）接口
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图2展示了不同尺寸EpoCore/EpoClad聚合物波导的SiN-ORDL绝热耦合效率与线性SiN锥形长度的关系。

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图3显示了OrmoCore/OrmoClad聚合物波导的类似耦合效率测量，突出显示了两种材料系统之间的性能差异。

设计包含具有特定特征的SiN锥形波导：

固定高度：400nm

宽度变化：从710nm到锥尖130nm

由多层氧化物包围以实现模式限制

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( p# F1 ^3 ~9 R5 P( D3 b, U  u9 o图4展示了标准SMF模式与不同尺寸方形聚合物波导之间的重叠，显示了EpoCore和OrmoCore材料的效率比较。

! _7 O; T/ ~& S先进的晶圆级光学互连
" B% a# J& h5 i4 F4 b* w' t% }使用先进的300mm晶圆级SiN波导技术实现晶圆级光学互连是该领域的一个重要发展。这种方法结合了低压化学气相沉积(LPCVD) SiN波导和高精度光刻掩模版拼接技术。
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图5展示了制造的300mm晶圆，具有掩模版拼接的SiN波导束和拼接区域的详细扫描电镜图像，展示了制造过程中达到的高精度。
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8 ~- t" e! V! r! T制造过程包括几个关键步骤：

初始沉积2.7μm厚的二氧化硅层

沉积400nm厚的LPCVD SiN层

使用193nm浸没式光刻

实施覆盖26mm x 33mm芯片的两种不同掩模版
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图6展示了全面的测量结果，包括SiN波导传播损耗、弯曲性能和不同配置下的拼接损耗测量。
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1 T/ A8 {2 o% ^  m图7提供了组装光电子集成芯片的300mm光学互连晶圆的详细概述，显示了评估EVC性能的布局和测量设置。

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图8展示了不同耦合器长度的晶圆级EVC损耗测量，包括详细的统计和失配分析。
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主要性能特征包括：

1310nm波长下波导传播损耗低于0.5dB/cm

每个端面的光纤到ORDL对接耦合损耗为1dB

总光纤到光纤插入损耗为4dB

系统在各种配置下展示了稳健的性能，其中1.5mm长的EVC设计实现了75.5%的最佳光学良率。这项技术在下一代计算系统的高密度光学互连应用中显示出优异的性能。

未来发展
目前的研究重点是优化芯片到晶圆的集体键合工艺，以提高良率和性能。此外，在ORDL内实现光学扇出以及在各种中介层和封装基板上集成光学RDL和电气RDL的工作仍在继续。

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4 _! z: i1 u5 y: j6 p图9显示了具有优化SiN锥形结构的光电子集成芯片上光学RDL集成后的表征结果，展示了系统的光学性能。

这项技术进步在实现高带宽、低延迟光学互连方面取得了显著进展。通过精心的设计考虑和创新的制造技术，这些发展解决了光学接口的关键挑战，同时保持了商业应用所需的可扩展性和可靠性。聚合物波导、SiN技术和精密制造工艺的组合为下一代光学互连解决方案创造了可靠的平台。
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参考文献
( W7 o: ^& e' R2 k# y. b  F+ U[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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