IEDM2024 | 硅基光电子-实现光电共封装的核心技术

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引言
% k; @2 U3 X* F' p+ I3 P硅基光电子已经成为实现光电共封装的基础技术。通过利用现有的CMOS制造工艺和基础设施，硅基光电子为光学器件与电子线路的直接集成提供了可扩展的平台。本文探讨了硅基光电子技术的关键方面及其在推进光电共封装解决方案中的核心作用[1]。

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% B/ K! M/ ^7 ^' `+ u2 u* O硅基光波导基础
" P9 g$ [& a9 I# j" w3 n硅基光波导结构是硅基光电子技术的核心，使微米尺度的光操控成为现实。

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" l, i7 d! M* \$ q" `$ ]1 p7 ^图1展示了硅基光波导的横截面，显示了由二氧化硅包层(n=1.45)包围的硅芯(n=3.5)的基本结构，并通过电场强度分布展示了光模式限制。
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) q: w2 v! F8 L# t硅基光波导基于全内反射原理工作，利用硅(n=3.5)和二氧化硅(n=1.45)之间的高折射率差。这些波导的典型尺寸约为宽0.5微米、高0.2微米，位于2微米厚的埋氧层上方。
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高折射率差带来了多项优势。光波导可实现约5微米的紧密弯曲半径，损耗仅约0.01分贝/弯曲。这种特性实现了器件的小型化，同时保持了强光限制。这些波导的传播损耗约为2分贝/厘米，适合芯片级集成。

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光学耦合挑战与解决方案
硅基光电子中的重要挑战是光纤与片上波导之间的高效光耦合。这个挑战源于光纤芯(单模光纤通常为9微米)与硅波导(0.2微米×0.5微米)之间的巨大尺寸差异。
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图2说明了光纤与硅波导之间的模式尺寸不匹配挑战，展示了边缘耦合器和光栅耦合器等各种耦合方法。

+ k" R4 `' ]/ I3 E% z4 y  ^8 i业界开发了两种主要的耦合方法。边缘耦合使用反向锥形结构，提供宽光谱带宽并实现低耦合损耗，对偏振相对不敏感，但需要精确对准且占用较大面积。相比之下，光栅耦合实现垂直耦合，对失准更具容忍度且占用面积更小，但光谱带宽有限，耦合损耗较高，且对偏振敏感。

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" [; C9 K$ x! x6 p偏振管理

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3 P  @7 Q  @0 N图3展示了硅基光电子中的偏振处理技术，显示了偏振分光旋转器设计和偏振分离光栅耦合器。
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偏振管理是硅基光电子设计中的关键方面。这个挑战源于：发射器输出为线性偏振，光纤传输会扰乱偏振状态，接收器必须收集所有光，而硅波导通常仅支持单一偏振。先进的解决方案包括偏振分光旋转器和偏振多样性光栅耦合器，这些方案可以实现不依赖输入偏振状态的稳健运行。

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CMOS工艺集成
采用标准CMOS工艺制造硅基光电子器件为商业化提供了重要优势。
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图4展示了格芯45纳米SOI CMOS集成平台，展示了光电子与电子器件的全面集成。
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现代晶圆厂工艺提供了完整的光电子器件设计工具包，并实现了与高性能CMOS电子器件的集成。这种成熟的制造基础设施已经证明了可靠性和良率指标。
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& ]* ]( [6 T; w1 K; _7 Z高级器件集成
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图5显示了硅基光电子设计的综合性设计工具包，包括各种无源和有源器件。

0 V0 k% t% h1 g7 J7 \现代硅基光电子平台支持多种集成器件。晶圆厂现在能提供波导、分光器和滤波器等无源器件，以及调制器和光电探测器等有源器件。这些平台支持波分复用器和光开关等复杂子系统的集成。此外，热控制元件和电子集成功能已成为先进硅基光电子工艺的标准特征。

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1 \7 @& e" _" \2 O6 z- R异质集成
虽然硅为许多光学功能提供了优秀的平台，但某些应用需要引入其他材料来增强特定功能。
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. Q7 a- P9 i/ V, o图6展示了英特尔的混合技术平台，展示了III-V材料与硅的集成以增强功能。

先进的集成方法已经出现，以补充硅的能力。III-V材料的集成实现了高效光源，新型调制器材料提供了增强的性能特征。专用探测器材料在关键应用中提高了灵敏度。这些多芯片集成解决方案变得越来越成熟，使设计者能够通过为每个功能选择最合适的材料系统来优化系统性能。

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制造和封装考虑
硅基光电子器件的成功实施需要仔细考虑制造和封装因素。光学和电子功能的集成带来了独特的挑战，需要通过创新解决方案来解决。

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图7说明了硅基光电子器件的关键集成和封装方法，强调了光纤连接和电气连接的各种技术。
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" p% i9 a. m* `9 V; m$ ^" |. v3 M制造过程必须包含晶圆级测试策略，以确保最终组装前的功能。光纤连接方法需要精确对准，同时保持与批量制造工艺的兼容性。热管理解决方案必须满足电子和光学器件的需求。电气互连的集成需要仔细考虑信号完整性和功率传输。此外，必须满足气密封装要求以确保系统长期可靠性。

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& h/ h$ Q  P: R/ K4 f未来发展趋势
( E, ]+ c" l1 M) l2 Z硅基光电子技术正在快速发展，多个重要趋势正在塑造未来发展方向。

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5 P4 o) ]3 o% [7 v& j" \图8显示了OpenLight平台的发展，展示了向更集成和全面的光电子解决方案发展的过程。
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1 L& _1 [  }) t' `5 Y集成密度的提高仍然是主要焦点，使更复杂的功能能够在更小的面积内实现。性能指标通过设计和材料创新持续改进。随着工艺成熟和控制方法改进，制造良率稳步提高。成本降低策略专注于利用现有半导体基础设施，同时优化独特的光电子工艺步骤。新材料集成方法扩展了硅基光电子平台的能力范围。
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) [0 f: Y! z9 a' w) \+ f结论
硅基光电子是实现光电共封装的基础技术。利用现有半导体制造基础设施，同时提供高性能光学功能的能力使硅基光电子特别适合在下一代计算系统中大规模部署。随着技术不断成熟，集成密度、性能和成本的改进将进一步扩展应用空间。
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硅基光电子的基本优势，结合已经建立的工业基础设施，为应对这些挑战并实现下一代光互连解决方案提供了坚实基础。这种技术能力和市场需求的融合表明，硅基光电子将继续作为实现先进光互连解决方案的首选平台。
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! q& Z9 I/ \' t: f参考文献
[1] C. Schow, "Co-Packaged Photonics for Improved Energy Efficiency and Performance of AI Applications," in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Tutorial 3, San Francisco, CA, USA, Dec. 2024.
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