REF:
- EPIC-BOE: An Electronic-Photonic Chiplet Integration Technology with IC Processes for Broadband Optical Engine Applications, 2024, TSMC.
- TSMC硅光平台COUPE的最新进展-EDN 电子技术设计，膜大佬，写的非常清楚。
摘要
未来的 GAI（生成式人工智能） 系统要求比当今的系统具有更高的并行性以获得更高的性能，并具有更高的能效、高带宽密度和低延迟。我们提出了用于宽带光引擎（BOE）应用的首个完整集成技术，从光纤到 CoWoS 系统，利用台积电 3DFabricTM 和集成电路工艺形成紧凑的 CPO，实现 GAI 系统的 PPA 增强（性能、功耗、面积增强）。它在 1260 到 1360 nm 范围内具有高带宽覆盖和高光纤数量，这对垂直耦合器有利。与传统的宽带解决方案边缘耦合器（EC）不同，当我们每排集成 40 到 80 根光纤时，该解决方案不受海岸线翘曲问题的影响。创新的工艺流程实现了多个排数。SiN 波导、光纤耦合器、层间波导转换和偏振控制器件通过集成电路工艺实现，以达到高性能和高能效。低损耗波导提供小于0.01 dB/cm的传播损耗和每次转弯小于0.001 dB的90度弯曲损耗。该集成电路工艺可以利用现有的过程控制和检测计量学。新型SiN 光纤耦合器不仅可以实现超低耦合损耗的0.08 dB，而且可以在大于 300 mW 的高输入激光功率下持续 3 小时而不退化。紧凑、大间距的层间转换测得的损耗为0.015dB。偏振控制设备 ==PBSR 可以容易地集成在光纤阵列单元（FAU）==中，从而节省 PIC 面积，在 1260-1360 nm 范围内的消光比大于 23 dB，且 TE 和 TM 模式的损耗小于 0.3 dB。然后，FAU 系统可以进行现场维护。尽管光纤数量不断增加及其与紧凑的 EIC-PIC 结构的尺寸不匹配，我们的创新 EPIC-BOE 技术，由集成电路工艺和现有的在线测试方法制成，实现了系统 PPA 的高扩展性和高批量生产能力。
背景介绍
硅光子学已经彻底改变了集成光学领域，提供了一种新颖而强大的平台，用于构建可批量生产的光学电路。光耦合器是将光从光纤耦合到平面波导的重要接口。主要有两种类型的光纤到芯片耦合器：光栅耦合器（GC）和边缘耦合器（EC）。使用 GC 作为光的输入/输出端口时，虽然在处理多排光纤方面更加方便，但它通常在入射角、偏振状态、带宽和耦合损耗方面存在较大限制。基于未来多波长应用的需求、可忽略不计的偏振依赖性和高耦合效率，EC 可能是作为光学组件输入/输出端口的更好选择，因为它具有宽带能力。然而，EC 无法搭配多排光纤，因此受到海滩前缘尺寸的限制（ Beach Front ）。此外，对于 EC，每排最大光纤数量也受到海滩前缘翘曲的限制，这可以通过具有准直光束的垂直耦合器轻松缓解。目前没有一种主流光纤耦合技术可以同时满足带宽可扩展性的三项要求：每根光纤的带宽、每排的光纤数量和排数。EPIC-BOE 被设计为能够满足所有这些扩展性需求，因为它是一种基于集成电路技术的宽带、多排和垂直光纤耦合器。在接下来的章节中，我们将详细介绍其带宽扩展性、功率处理能力、能源效率、偏振处理、可制造性和可维护性。
带宽可扩展性
宽带
EPIC-OE旨在提供通用且多功能的宽带OE解决方案，由三个部分组成：COUPE（紧凑型通用光子引擎）、COIT（顶部互补光互连）和iFAU（集成光纤阵列单元）（图1）。宽带特性通过光谱宽度从1260到1360 nm来证明（图2）。
COUPE PDK中的光栅耦合器与端面耦合器的耦合损耗都超过了1dB，对于硅光系统的链路预算来说，这两个器件的性能还不够优秀。为此，TSMC进一步开发了耦合损耗更低、更高密度的光学封装方案。其原理如下图所示。在COUPE平台基础上，开发了COI(complimentary optical interconnect)和iFAU(integrated fiber array unit)组件。
在Si波导下方加工出多层SiN波导，可能在SiN波导上加工出光栅结构作为BMR(bottom mirror)将光束偏转到竖直方向上，这一部分称为COIB。在光引擎的上表面加工出硅微透镜，对光束进行扩束。COIT部分也是类似的微透镜和光栅结构，空间光束重新进入到SiN波导中，进而与光纤进行耦合。
该方案的一个好处是克服了edge coupler端口密度不高的问题，传统方案中edge coupler只能出现在芯片边缘，芯片宽度与光纤间距决定了最大的光口通道数目。TSMC的方案可以实现多排的光口输出，与二维光纤阵列进行耦合，大大提高了端口密度，如下图所示。目前TSMC已经实现了两排FAU组件的研制，下一步研发计划是四排，进一步提高光口数目。
每行光纤数量
与传统的 EC 由于海滨翘曲导致每行最大光纤数受限（见图 3）不同，EPIC-BOE 由于其垂直耦合器的特性，可以有效减轻翘曲问题。在最初的设计中，EPIC-BOE 每行的光纤数量可以达到 80 根，总共有 4 行。
行数
FAU 的最大行数受限于行间尺寸控制和对准，基本上由其制造方法决定。例如，当用激光刻写玻璃时，行数受到激光可以刻写到玻璃表面的最大深度的限制。由于 COIT 是使用 3DFabric 工具箱制造的，我们利用集成电路工艺进行所有尺寸控制和对准。因此，行数可以按明确的路径进行扩展：当前设计中为两行 FAU（图 4 和图 5），下一版计划构建四行。
功率处理与能量效率
高功率能力
硅波导在高功率水平下可能存在烧毁的风险，因为硅的非线性效应会导致光强增加，进而可能引发光子吸收、热效应，最终导致波导烧毁。EPIC-BOE 系统中使用氮化硅来处理高输入光功率。
在图6 (a) 中，Si 波导回环通过高功率激光注入进行了测试。图6 (b) 显示当输入功率超过 20dBm 时，输出功率开始趋于平稳。当输入功率达到 24.43 dBm 时发生显著变化，产生约 2dB 的不可逆附加损耗（见图6 ©）。SiN 波导回环在相同功率条件下进行了测试（图6 (d)）。当将输入功率增加至 EC 的 25.14 dBm 时，其输出功率随输入功率线性增加，并且在超过 25.14 dBm 临界点前后的光谱性能保持一致（图6 (e) 和 (f)）。
能效
图 7 显示了我们设计的光纤耦合器的测量和仿真耦合损耗。结果表明，在 1310 nm 波长下，TE/TM 偏振的耦合损耗约为 0.08dB/0.05dB。此外，由于在 FAU 和 PIC 之间的封装过程中因错位引起的附加损耗，我们也对这种情况进行了仿真和验证。如图 8 和 9 所示，测量结果与仿真结果吻合良好，结果显示横向（Y 和 Z 方向）的错位约为 1.6µm/0.5dB；纵向（间隙）错位约为 36µm/0.5dB。SiN 波导的传输损耗通过不同长度螺旋波导的传输提取，并从光纤到芯片的耦合器损耗和弯曲损耗中去嵌。OWAT 结果显示在 12 英寸晶圆上 TE 偏振单模 SiN 波导的提取传输损耗小于 0.01 dB/cm。波导弯曲在 90 度弯曲时损耗小于 0.001 dB。相邻波导之间的过渡损耗为 0.015 dB。
偏振控制
我们推出了一种基于氮化硅（SiN）的宽带、高消光比（ER）、低损耗偏振分束器和旋转器（PBSR）。与基于硅波导的 PBSR 相比，使用 SiN 波导可以克服硅波导由于双光子吸收效应带来的高功率处理问题的瓶颈。最近的一项研究 [5] 已经在 O 波段展示了 SiN PBSR。然而，其结构对 SiN 肋条和槽厚度的变化敏感，因此 ER 和带宽受到限制。图 10 显示了我们设计的 PBSR 仿真结果，在 1260nm-1360nm 范围内对于 TE 和 TM 偏振输入均有 ER > 23 dB。PBSR 对于 TE 和 TM 偏振的损耗均小于 0.3 dB，并保持偏振相关损耗（PDL）小于 0.1 dB。
可维护性与可制造性
可维护性
通过由一对嵌入式硅微透镜组成的稳健准直光束系统，FAU 系统可以在现场维护，经过多次更换后，预计增加的光纤耦合损耗为 1.8 dB。
可制造性
EPIC-BOE 通过集成电路（IC）晶圆级工艺制造，并结合半导体在线测试、工具自动化和光学 WAT，以确保其可制造性。例如，关键的90度光束偏转器AC的映射在经过IC工艺优化后显示出97%的良品率（见图11）。
结论
我们介绍了EPIC-BOE，这是第一个IC化的OE-FAU集成系统，能够实现垂直、宽带和多行光纤耦合。EPIC-BOE通过低损耗多层SiN波导实现，具有>300 mW/hr的功率处理能力，在1310 nm波长下对TE/TM偏振的固有光纤耦合损耗为0.08dB/0.05dB。配备集成硅微透镜，该准直光束系统可以完全维护，在反复更换后耦合损耗为1.8dB。这种IC化的创新FAU技术，结合COUPE光引擎，最终可以为真正高性能、高可扩展性、高可靠性、低成本且可制造的光纤耦合器技术打开大门，使之能够支持极端带宽扩展的硅光子时代，如GAI应用。