硅基光电子技术在光电共封装(CPO)中的集成

逍遥设计自动化

引言
+ S4 d6 B! @# Q( K硅基光电子技术已成为满足高密度光电共封装(CPO)应用需求的关键技术。本文探讨光学接口解决方案的进展，关注实际应用中的挑战及创新解决方案[1]。

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光学模式耦合基础
2 n( `3 I" D( G6 x" _$ k在CPO应用中，硅基光电子技术的集成需要在实现高效光学耦合的同时保证高组装良率和可扩展性。传统的采用锥形光纤的光纤边缘耦合方法，虽然在220纳米厚的晶体硅层中使用锥形硅模式转换器时表现出良好的效率，但由于严格的对准要求和保持空气间隙的必要性而受到限制。

让我们首先分析不同聚合物波导材料的耦合效率特性。
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图1：SiN和EpoCore/EpoClad聚合物波导的耦合效率，显示了不同芯层尺寸和偏振模式(TE/TM)下效率随锥形长度的变化。

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图2：与图1类似，但显示了OrmoCore/OrmoClad聚合物波导的结果，由于材料特性的不同展现出不同的耦合特性。
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这两种材料系统的对比显示了耦合行为的显著差异。例如，EpoCore/EpoClad结构在较短的锥形长度下表现出更好的整体耦合效率。

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模式重叠分析
光学耦合设计中的重要方面是理解不同波导结构之间的模式重叠。

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图3：标准单模光纤模式与不同尺寸的方形聚合物波导之间的重叠效率，对比了EpoCore和OrmoCore材料。

模式重叠分析表明，EpoCore/EpoClad聚合物波导在3至6微米尺寸范围内可达到约95%的重叠效率。相比之下，OrmoCore/OrmoClad波导由于较大的折射率对比度，重叠效率从6微米时的83%降至3微米时的70%以下。
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宽带性能和对准容差
& A; N( G- V) R0 i4 V了解光学耦合器的宽带特性对实际应用十分重要。
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图4：SiN-to-ORDL绝热耦合器在不同波长和锥形长度下的宽带耦合特性，显示了在O band范围内的稳定性能。
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% L2 Y6 e- v5 Y* x( p图5：ORDL相对于SiN锥形波导的对准容差分析，显示了耦合效率与横向偏移的关系。

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) Z! g4 {% v. `" [$ C制造和集成
这些光学耦合解决方案的实际实现需要仔细考虑制造工艺。

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$ T! N, q- ]7 H7 a5 v图6：光学显微镜图像展示了在光电子集成芯片上集成的ORDL与SiN锥形结构，证实了设计结构的成功制造和集成。
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性能表征
9 \. H6 L& c) `, m2 }7 p9 z对制造器件的全面表征揭示了重要的性能指标。
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图7：光学RDL集成的详细表征结果，显示了O带范围内的各种损耗组分，包括绝热耦合损耗、传输损耗和对接耦合损耗。
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8 C9 G  M( f. L+ m: A晶圆级集成技术
3 Z3 H) c4 ^- C: s晶圆级光学互连的发展代表了该领域的重要进展。

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) ?2 m- y8 K! E3 r$ n图8：(a)一片带有网格拼接SiN波导束的300毫米晶圆，以及(b)拼接区域的详细扫描电镜图像，展示了制造工艺达到的高精度。

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" s- M. v7 y3 [0 o系统级集成和性能
最终实现展示了系统级集成的成功。

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2 a( S; {6 ^+ i) ?1 i图9：(a)SiN波导传输损耗测量，(b)拼接损耗分析，以及(c)光纤到光纤插入光谱测量，提供了全面的性能数据。

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) O& I/ e8 A* A: P+ x图10：系统级集成，包括(a)光学互连晶圆级系统示意图，(b)芯片到晶圆组装，(c)截面细节，以及(d)键合界面的透射电镜图像。
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图11：完整的实现结果，包括(a)晶圆照片，(b)布局细节，(c)锥形轮廓，以及其他表征数据。

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图12：不同耦合器长度下的晶圆级EVC损耗测量，包括损耗谱、1310纳米处的统计数据和对准敏感性分析。
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) U+ r( I3 l+ F. z! z& [# O4 g硅基光电子技术在高密度光电共封装中的集成已经显示出在实现高效光学耦合的同时保持实用性的显著进展。先进材料、精密制造技术和创新设计方法的结合，促进了适用于现代光电子系统大规模部署的可靠光学互连解决方案的发展。
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% G$ y$ Q" s7 u/ ?" T' D参考文献
[1] IMEC, "Interfacing silicon photonics for high-density co-packaged optics," IMEC, Nov./Dec. 2024, [Online]. Available: https://www.imec-int.com/en/articles/interfacing-silicon-photonics-high-density-co-packaged-optics. [Accessed: Jan. 21, 2025]
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