Intel的可插拔光連接器具體技術(shù)細節(jié)

去年十月份，小豆芽介紹過Intel研發(fā)的用于CPO產(chǎn)品的可插拔光連接器（Intel的可插拔硅光連接器）。當時Intel并沒有透露具體技術(shù)細節(jié)，小豆芽做了一些猜想。最近Intel在JLT期刊上發(fā)布了該連接器的最新進展，揭開了神秘面紗，展示了更多的技術(shù)細節(jié)?？傮w來說，其方案的確是通過玻璃波導與硅光芯片進行耦合，再通過機械方式與玻璃波導對準，但在具體的技術(shù)細節(jié)上與我之前的猜想有些偏差。

? 對于CPO或者Optical IO的應用場景來說，通常是先通過先進封裝(advanced package)的方式將光芯片與電芯片合封在一起，最后再將光纖固定到光芯片上。這樣會帶來幾個問題，首先在光電芯片完成封裝前，并不清楚芯片的性能是否滿足要求，是否是good die, 會降低系統(tǒng)整體的良率，其次光纖粘在光芯片上后，如果發(fā)現(xiàn)芯片存在問題或者光纖耦合存在問題，進行返工(rework)比較困難，此外pigtail形式的光纖在后續(xù)生產(chǎn)過程中會帶來操作上的不便，用戶使用體驗也比較差。 因此，Intel希望解決上述的痛點，開發(fā)一款類似USB接口的可插拔光連接器，可以方便地插入到CPO模塊中，如下圖所示。

（圖片來自文獻1） ? Intel提出了glass optical bridge(玻璃光學橋接)的解決方案?；诔堂}沖激光直寫技術(shù)(ultra-pulase laser direct writing)，將超短光脈沖聚焦到玻璃芯片中的特定深度處，改變局部玻璃的光學性質(zhì)，進而加工出3維的光波導，其傳輸損耗為0.2dB/cm。此外還可以在玻璃上加工出微機械結(jié)構(gòu)，用于位置對準。 Intel的玻璃光學橋接方案如下圖所示，含有光波導的玻璃作為一個光學橋梁，將硅基光芯片與外部的光連接器相連。圖中PIC處為1*16的邊緣耦合器輸出，通過3D玻璃光波導可以轉(zhuǎn)換為2x8的玻璃光波導輸出。在該玻璃橋接上，也加工出了用于對準的機械結(jié)構(gòu)，對應下圖中的mid-alignment feature和fine alignment feature。典型的玻璃光學橋接的尺寸為8.6mm*10mm*0.8mm。

（圖片來自文獻1） ? 硅光芯片上已經(jīng)加工出V-groove結(jié)構(gòu)，玻璃橋接上加工出圓柱形的凸起結(jié)構(gòu)，可以通過無源組裝(passive assembly)的方式，直接將凸起結(jié)構(gòu)卡進V-groove中，如下圖所示。

（圖片來自文獻1） 圓柱形凸起的作用是用于模仿光纖，其設(shè)計半徑為62.5um，實際加工出的偏差為±0.084um(測試樣本為4片wafer，每片wafer含48顆die，每顆die上16通道的測試結(jié)構(gòu))，如下圖所示。

（圖片來自文獻1） ? 進一步，Intel表征了PIC經(jīng)過玻璃橋接與光纖的耦合損耗，三組結(jié)構(gòu)的平均耦合損耗分別為1.19dB, 1.59dB和1.45dB，測試結(jié)果如下圖所示，整體的平均耦合損耗為1.41dB。其中PIC與光學橋接的損耗為0.4dB，光纖到光學橋接的損耗為0.6dB左右。由于機械結(jié)構(gòu)的加工誤差，會引入了一些額外的損耗。

（圖片來自文獻1） ? 光學橋接與PIC組裝在一起后，接著需要研發(fā)光纖陣列的連接器(Fiber-array unit connector, 以下簡稱FAU)與之連接，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。光纖夾具可以通過機械微結(jié)構(gòu)，與光學橋接相連。

（圖片來自文獻1） ? 該FAU光連接器主要包含5個組件：1）光纖夾具，用于支撐光纖和機械對準，2）夾具支架，3）閂鎖彈簧，4）整個連接器的外殼，5）光學橋接上的插座，用于和閂鎖配對固定。整個可插拔光連接器的結(jié)構(gòu)分解圖，如下圖所示。其中光纖夾具也是通過激光直寫進行加工，包含用于對準的機械微結(jié)構(gòu)和用于光纖對準的孔洞，光纖對準孔的公差為±0.5um。

（圖片來自文獻1） ? 在連接器使用的過程中，ferrule holder首先插入到光學橋接上的粗對準結(jié)構(gòu)，進一步利用機械微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)精細對準，整個配對的過程如下圖所示。最終光學橋接與FAU連接器之間保留10um左右的間隔，兩個界面都是斜8度設(shè)計，用于降低背反射。

（圖片來自文獻1） ? 閂鎖彈簧(latching spring)的設(shè)計，可以保證光連接器與玻璃橋接有效緊密連接。當連接器向光學橋接插入時，彈簧被向內(nèi)擠壓推動，當閂鎖與receptacle匹配成功后，彈簧會對外釋放，保證兩者有效貼合，過程如下圖所示。

（圖片來自文獻1） ? 連接器的平均光學損耗為0.33dB，測試結(jié)果如下圖所示。

（圖片來自文獻1） ? 簡單總結(jié)下，Intel通過激光直寫技術(shù)，在玻璃中加工出三維光波導與機械微結(jié)構(gòu)，形成玻璃光學橋接與硅光芯片相連。而對于可插拔光連接器，也借助激光直寫技術(shù)，加工出光纖夾具和機械微結(jié)構(gòu)。利用光連接器和光學橋接上的機械微結(jié)構(gòu)進行對準與配對，實現(xiàn)光連接器可插拔的功能。 整個方案設(shè)計非常巧妙。該方案單端的光學損耗為1.41dB (光學連接器 ->光學橋接?->硅光芯片），而連接器的光學損耗為0.33dB (光學連接器->光學橋接），性能優(yōu)于一般的邊緣耦合器指標。采用該可插拔光學連接器，可以先對硅光芯片進行測試，篩選出good die進行封裝，降低了封裝成本，可以大大提高CPO模塊的良率，解決了CPO/Optical IO技術(shù)落地的一個難點問題。 ? 值得一提的是，文章作者Nicholas Psaila博士是Optoscribe公司的創(chuàng)始人和CEO。Optoscribe公司成立于2011年，并在2022年被Intel收購，其核心技術(shù)正是激光直寫，此前一直致力于利用3D玻璃光波導解決硅光芯片的耦合問題。Intel收購Optoscribe公司后，充分發(fā)揮其激光直寫技術(shù)的優(yōu)勢，利用一年多的時間成功開發(fā)出用于CPO/Optical IO場景的可插拔光連接器。

編輯：黃飛

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