去年十月份，小豆芽介紹過Intel研發的用于CPO産品的可插拔光連接配接器（Intel的可插拔矽光連接配接器）。當時Intel并沒有透露具體技術細節，小豆芽做了一些猜想。最近Intel在JLT期刊上釋出了該連接配接器的最新進展，揭開了神秘面紗，展示了更多的技術細節。總體來說，其方案的确是通過玻璃波導與矽光晶片進行耦合，再通過機械方式與玻璃波導對準，但在具體的技術細節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)的方式将光晶片與電晶片合封在一起，最後再将光纖固定到光晶片上。這樣會帶來幾個問題，首先在光電晶片完成封裝前，并不清楚晶片的性能是否滿足要求，是否是good die, 會降低系統整體的良率，其次光纖粘在光晶片上後，如果發現晶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形式的光纖在後續生産過程中會帶來操作上的不便，使用者使用體驗也比較差。是以，Intel希望解決上述的痛點，開發一款類似USB接口的可插拔光連接配接器，可以友善地插入到CPO子產品中，如下圖所示。
（圖檔來自文獻1）
Intel提出了glass optical bridge(玻璃光學橋接)的解決方案。基于超短脈沖雷射直寫技術(ultra-pulase laser direct writing)，将超短光脈沖聚焦到玻璃晶片中的特定深度處，改變局部玻璃的光學性質，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構，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，将矽基光晶片與外部的光連接配接器相連。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構，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。
（圖檔來自文獻1）
矽光晶片上已經加工出V-groove結構，玻璃橋接上加工出圓柱形的凸起結構，可以通過無源組裝(passive assembly)的方式，直接将凸起結構卡進V-groove中，如下圖所示。
（圖檔來自文獻1）
圓柱形凸起的作用是用于模仿光纖，其設計半徑為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通道的測試結構)，如下圖所示。
（圖檔來自文獻1）
進一步，Intel表征了PIC經過玻璃橋接與光纖的耦合損耗，三組結構的平均耦合損耗分别為1.19dB, 1.59dB和1.45dB，測試結果如下圖所示，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。由于機械結構的加工誤差，會引入了一些額外的損耗。
（圖檔來自文獻1）
光學橋接與PIC組裝在一起後，接着需要研發光纖陣列的連接配接器(Fiber-array unit connector, 以下簡稱FAU)與之連接配接，其結構如下圖所示。光纖夾具可以通過機械微結構，與光學橋接相連。
（圖檔來自文獻1）
該FAU光連接配接器主要包含5個元件：1）光纖夾具，用于支撐光纖和機械對準，2）夾具支架，3）闩鎖彈簧，4）整個連接配接器的外殼，5）光學橋接上的插座，用于和闩鎖配對固定。整個可插拔光連接配接器的結構分解圖，如下圖所示。其中光纖夾具也是通過雷射直寫進行加工，包含用于對準的機械微結構和用于光纖對準的孔洞，光纖對準孔的公差為±0.5um。
（圖檔來自文獻1）
在連接配接器使用的過程中，ferrule holder首先插入到光學橋接上的粗對準結構，進一步利用機械微結構實作精細對準，整個配對的過程如下圖所示。最終光學橋接與FAU連接配接器之間保留10um左右的間隔，兩個界面都是斜8度設計，用于降低背反射。
（圖檔來自文獻1）
闩鎖彈簧(latching spring)的設計，可以保證光連接配接器與玻璃橋接有效緊密連接配接。當連接配接器向光學橋接插入時，彈簧被向内擠壓推動，當闩鎖與receptacle比對成功後，彈簧會對外釋放，保證兩者有效貼合，過程如下圖所示。
（圖檔來自文獻1）
連接配接器的平均光學損耗為0.33dB，測試結果如下圖所示。
（圖檔來自文獻1）
簡單總結下，Intel通過雷射直寫技術，在玻璃中加工出三維光波導與機械微結構，形成玻璃光學橋接與矽光晶片相連。而對于可插拔光連接配接器，也借助雷射直寫技術，加工出光纖夾具和機械微結構。利用光連接配接器和光學橋接上的機械微結構進行對準與配對，實作光連接配接器可插拔的功能。整個方案設計非常巧妙。該方案單端的光學損耗為1.41dB (光學連接配接器 ->光學橋接 ->矽光晶片），而連接配接器的光學損耗為0.33dB (光學連接配接器->光學橋接），性能優于一般的邊緣耦合器名額。采用該可插拔光學連接配接器，可以先對矽光晶片進行測試，篩選出good die進行封裝，降低了封裝成本，可以大大提高CPO子產品的良率，解決了CPO/Optical IO技術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，其核心技術正是雷射直寫，此前一直緻力于利用3D玻璃光波導解決矽光晶片的耦合問題。Intel收購Optoscribe公司後，充分發揮其雷射直寫技術的優勢，利用一年多的時間成功開發出用于CPO/Optical IO場景的可插拔光連接配接器。
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參考文獻：
1. N. Psaila, et.al., "Detachable Optical Chiplet Connectors for Co-packaged Photonics"