TSMC | 用于宽带光引擎应用的电子-光子Chiplet集成技术

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引言
  k% P/ I% `( G  {在人工智能和高性能计算快速发展的时代，对数据传输速度和效率的需求持续增长。电子-光子Chiplet集成(EPIC-BOE)技术在光引擎应用方面实现了突破性进展，提供了从光纤到CoWoS系统的完整集成解决方案。本文介绍这项创新技术的主要特点及应用[1]。
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图1：EPIC BOE的结构，显示了互补光学对COIB和COIT系统。核心技术包含嵌入式多层氮化硅波导，配备高效率90度光束偏转器。

9 R/ Y8 M6 c8 i6 H. I' t5 R0 T2 [带宽扩展性与集成
; [  @" N+ p, N9 l9 W1 i' cEPIC-BOE的架构设计满足三个关键的带宽扩展需求：每根光纤的带宽、每行光纤数量以及行数。这项技术利用1260至1360纳米的宽带光谱，在光学传输方面表现出优异的灵活性。
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, s- z6 Y8 n* n2 A图2：光纤耦合器的宽带光谱覆盖1260至1360纳米，范围小于0.1分贝，显示出出色的光谱宽度覆盖能力。
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与传统技术相比，EPIC-BOE在处理多行光纤方面具有显著优势。传统边缘耦合器(EC)因波前翘曲而受限，而EPIC-BOE的垂直耦合器设计允许更高的光纤密度和更好的扩展性。
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图3：比较了传统EC和垂直耦合器设计，展示了配备准直光束的垂直耦合如何实现比EC更高的每行光纤数量。

功率处理与能量效率
光学集成技术的关键方面是功率处理能力。EPIC-BOE采用氮化硅(SiN)波导，克服了传统硅波导在处理高功率方面的局限性。
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* p+ R: X* @2 G1 @/ Y* d图4：硅基和氮化硅基光学环路的功率处理能力比较，包括示意图和两种配置的测试结果。

. l3 q7 x9 V  U8 n, j, B: R该系统通过各种优化实现了显著的能量效率。在1310纳米波长下，TE/TM偏振的耦合损耗分别降至约0.08分贝/0.05分贝，相比传统解决方案有明显改进。
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0 t! A. X; M- _* k: g图5：边缘耦合器的实测与模拟耦合损耗对比，显示在1310纳米波长下TE和TM偏振均具有低损耗特性。
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2 x; p# O' m* O0 n制造工艺与可维护性
EPIC-BOE的设计强调制造工艺水平和可维护性能，这在工业应用中极具实用价值。该技术采用IC晶圆级制程，结合半导体在线测试和光学WAT测试，确保稳定的质量和高良率。
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图6：AC偏转角度规格的WAT测试结果，显示制程优化后良率达到97%。

) W+ |& w6 b* a8 Y系统的可维护性通过采用嵌入式硅超透镜的稳健准直光束系统得到增强。这种设计允许现场维修，对性能影响最小，重复更换后仅增加约1.8分贝的光纤耦合损耗。
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# L* J- m( ^. vEPIC-BOE还具有先进的对准容差能力，确保在各种机械应力下保持可靠连接。
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2 N. d5 t# p  Z% Q( Y图7：对准容差测量设置和不同方向的验证结果，显示在各种失准条件下都具有稳健的性能。
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7 n8 ^: i* H" {+ b- I. Q' p偏振控制与应用前景
/ \# g1 j, A$ N% a6 |, p: M该技术通过氮化硅基宽带偏振分束旋转器(PBSR)实现了复杂的偏振控制。这一器件在宽波长范围内实现高消光比，同时保持低损耗特性。
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图8：TE和TM输入在交叉和直通端口的PBSR光谱测量结果，展示出优异的消光比和低偏振相关损耗。
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EPIC-BOE技术在光引擎应用方面取得重大进展，特别适用于需要高带宽密度和低延迟的未来通用人工智能(GAI)系统。其全面的集成方法，配合稳健的制造工艺和出色的性能特征，使其在下一代光通信系统中占据重要地位。

技术影响与产业应用
. q( n! H3 i, v1 aEPIC-BOE技术在多个领域展现应用价值：
8 [4 f3 @" k* Z. v  q1. 数据中心基础设施：该技术在维持低耦合损耗的同时能够处理高功率水平，特别适合大规模计算设施的密集数据传输需求。经证实的300毫瓦/小时以上的功率处理能力确保了在苛刻环境下的可靠运行。
2. 通信基础设施：宽光谱(1260-1360纳米)和多行光纤功能为下一代通信网络提供了扩展能力。系统的可维护特性，包括现场可更换设计，使其在实际应用中极具优势。
# M/ _" R- s3 S" q" L6 ~8 O" @3. 量子计算研究：对光学特性的精确控制和偏振分束旋转器等复杂器件的集成，为发展下一代量子通信系统提供了基础。
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随着计算、通信和新兴技术的发展，EPIC-BOE在硅基光电子领域建立了新标准，将推动更多先进应用的发展。
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2 w* h" u9 V* S9 j- T7 X结论与展望
9 t: F3 E( R. }( bTSMC的EPIC-BOE技术代表了电子-光子集成技术的重要发展，解决了现代光通信中的诸多挑战。这项技术在带宽扩展性方面表现出色，其1260-1360纳米的光谱覆盖范围和多行光纤功能，为光引擎应用建立了新标准。

% r" s' C+ J  O, R氮化硅波导的集成取得显著成功，使功率处理能力超过300毫瓦/小时，同时在1310纳米波长下保持TE/TM偏振的耦合损耗低至0.08分贝/0.05分贝。这一成就，结合系统的稳健准直光束技术和可维护设计，为工业应用提供了实用解决方案。

制造工艺的可靠性通过IC制程优化后97%的良率得到验证。高良率配合系统的现场可维护性和重复更换的1.8分贝耦合损耗容差，使EPIC-BOE在大规模部署中具有显著优势。

在通信技术发展方面，EPIC-BOE的创新光纤耦合技术满足了极限带宽扩展的需求，这在新兴GAI应用中尤为重要。该技术将高性能与实用制造工艺相结合，在硅基光电子的未来发展中占据重要地位。

随着行业向更复杂的光通信系统发展，EPIC-BOE从光纤到CoWoS系统的完整集成策略使其在下一代光子技术应用中发挥关键作用。这项技术在平衡技术卓越性和实际应用需求方面的成功，标志着光引擎技术发展的重要里程碑。

EPIC-BOE技术在以下方面具有显著优势：
1. 宽带性能：在1260-1360纳米范围内展现优异的光谱特性
2. 集成度：实现了从光纤到系统级的完整集成
3. 功率处理：超过300毫瓦/小时的处理能力确保系统稳定性
4 J  V- M5 l3 r! C, H9 H% d* `4. 制造工艺：97%的良率证明了量产可行性
* W* G( s* g$ e0 N: o8 c7 ^5. 可维护性：现场可更换设计增强了系统实用价值

  ^. r, G; W( j$ I$ }. m这些特性使EPIC-BOE在未来光通信和计算应用中具有重要应用价值，将推动光电子技术的进一步发展。

参考文献
* X% N, y0 F* T( ^[1] H. Hsia et al., "EPIC-BOE: An Electronic-Photonic Chiplet Integration Technology with IC Processes for Broadband Optical Engine Applications," R&D, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Hsinchu, Taiwan, 2024.
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