联合微电子中心翟文豪：硅光共封装中异构集成技术

c114讯 5月24日消息（焦焦）昨日，由CIOE和C114联合举办的“AI时代：数据中心光互联技术新趋势”线上论坛如期举行，联合微电子中心翟文豪在论坛上发表了“硅光共封装中异构集成技术”为主题的演讲，为大家分享了在人工智能时代CPO技术的发展与挑战。

当前新一轮科技革命和产业变革加速演进，人工智能、云计算、大数据等数字科技迅猛发展，特别是以切了GPT为代表的生成是大模型出现，推动了数字科技进入人工智能时代。翟文豪认为，随着摩尔定律受限，大带宽低功耗的要求逐渐迫切， CPO技术的重要性也日益凸显。

CPO技术是解决摩尔定律发展瓶颈的“一剂良药”

翟文豪表示，CPO技术越来越受大家青睐，主要是因为大模型应用对大带宽低功耗的数据传输和互联技术提出了迫切需求，而CPO技术通过将光芯片和电芯片共封装缩短了两者之间的间距，相较与传统的FPP技术可降低30%的功耗。

随着交换芯片的技术演进，与之匹配的用于数据传输的光模块速率也在随之攀升，目的就是为了更好的处理数据。而光模块速率的增加有两种途径：一是提高通道数，这意味着更高的集成度。二是提高单通道速率，则需要更低的通道损耗。

因此不难看出，CPO技术是以上需求很好的解决方案。现如今摩尔定律发展遇到瓶颈，而CPO技术的出现有望延续计算机性能。CPO’s roadmap三维垂直堆叠的CPO技术可提供更大的带宽和更高效的光电系统。

硅光CPO所面临四大挑战

翟文豪表示，CPO技术是很好的解决方案毋容置疑，但硅光CPO技术目前仍面临四大挑战。

第一大挑战是三维堆叠CPO技术需要用到硅光加TSV技术。因为基于wire-bonidng的光电系统，IO口数量有限，同时引线会带来寄生效应且集成度受限，而采用TSV技术的光电三维堆叠系统，距离更短，具有更好的信号完整性和更高的集成密度，因此被用于CPO技术中。

硅光TSV工艺常见的主要有TSV middle和TSV Last两种工艺，翟文豪介绍到，TSV middle工艺是指，在接硅光前道工艺完成后，加工TSV可提供更高的密度和更好的热管理；而TSV Last工艺则是在全部硅光工艺完成后再加工，提供了更好的自由度，工艺简单但集成度受限。因此硅光From更倾向于采用TSV middle工艺，更进一步的在硅光TSV转接板中将IPD工艺并集成构造更为完善、紧凑的互联形态。

第二大挑战是针对单波200G的新型调制技术。硅光中常用的调制技术有MZM调制、微环调制以及异质集成磷酸锂等材料。基于硅光分段式的MZM调制器，采用三段式MZM实现3db带宽67GHz、2.8Vpp实现了120Gbaud的强度调制。微环调制方面，港中文大学基于微环调制器实现了130 GBaud PAM-4调制，仅1.8Vpp。英特尔于2022年OFC上报道了224-Gb/s PAM-4微环调制器也为1.8Vpp。此外，异质集成薄膜铌酸锂、BTO、IIIV等也是潜在的解决方案。借助材料优异的光电效应，可实现单波200G的光传输。

翟文豪认为，上述方案中，纯硅基MZM实现单波200G传输，可能面临功耗偏大等问题，而微环调制器或异质集成薄膜铌酸锂等方案是更好的解决途径。

第三大挑战是激光器集成。采用外部光源需要配合保屏光纤，但这样会增加使用成本，因此激光器集成就显得尤为重要，同时也是一个挑战。常用的激光器集成方案有以下4种：

第一种是Flip-Chip集成，将激光器芯片直接Flip-Chip集成到硅光芯片上是目前较为成熟的一种方案。第二种是采用Microtransfer Printing方法，该方案降低了耦合对准的要求。第三种是wafer bonding方案，该方案无需对准，可采用晶圆级工艺，适合大批量生产。第四种是直接采用外延生长方式单片集成，但面临III-V与硅晶格失配等问题，目前仍处于研究阶段。此外，基于氮化硅微环实现的光频输光源可配合波分复用和直驱微环调制器将有望替代电学SerDes，可进一步降低功耗。

第四大挑战是光学耦合方案。光纤和光波导之间有较大的模场适配，如何在大批量生产中实现低损耗的光耦合显得尤为重要。常用的耦合方案可分为：有源耦合、半无源耦合和无源耦合。有源耦合可实现更高的对准精度，但耗时较多；半无源耦合借助图像识别系统可进一步缩短时间和降低成本；而无源耦合采用微型槽方式自对准，成本更低，适合于大批量生产，但需要承受由于对准偏差可能带来的额外损耗。

CUMEC's  PDK致力于构建产硅光产学研合作生态

翟文豪介绍到，CUMEC's PDK于2020年和2021年发布了4套PDK，包括：硅光180nm成套硅光工艺PDK、130nm成套硅光工艺PDK和三维集成工艺PDK，公司于去年发布了硅加氮化硅集成PDK。截止2022年公司客户达到120家，包含研究所、高校和企业等。

CUMEC's PDK致力于构建产硅光产学研合作生态，CUMEC's PDK的产品包括：硅光、PDK、光栅耦合器等无源器件，以及调制器、探测器等有源器件。

目前，CUMEC's PDK的光栅损耗可达3~4dB，条形波导损耗1.5DB/厘米，热光影像器派像仪功耗小于20毫瓦，调制器带宽大于30GHz，探测器带宽大于50GHz，端灭火器损耗2~3dB，SOI波导中FE波导的损耗可做到1.22dB/厘米，ME波导0.85dB/厘米，SE波导0.32dB/厘米。同时氮化硅可提供LP和PE氮化硅两种。

翟文豪分享到，硅加氮化硅平台由于氮化硅波导的引入，可以承受更大的输入功率，同时氮化硅波导对宽度和厚度有更大的容忍度，可以降低相位误差。由于氮化硅波导的热光系数较低，更适用于波道和波分复用系统。同时氮化硅波导可以实现更好的端面吻合。

此外，翟文豪还具体分享了CUMEC's PDK的光栅耦合器、硅调制器、PIN热像仪、光探测器等产品的性能，充分展示出了CUMEC's PDK产品的业界先进水平。

最后，翟文豪表示，CUMEC's PDK作为硅光工艺和三维集成工艺的开放工艺平台，正在研发硅光加TSV集成工艺，期待与业界同仁共同探讨交流，深入合作。