#电光聚合物 #电光调制器 #光电集成
摘要——对高速信号传输技术的需求日益增长，而能够显著缩短电传输距离的共封装光学正受到越来越多的关注。本报告介绍了我们正在开发的集成聚合物光波导的玻璃基板的性能评估结果。采用压印光刻技术，成功制造出了最小间距为10微米的光波导。对于10微米间距的光互连，已证实通过增加相对折射率差可以有效抑制串扰。此外，还对光波导材料的可靠性进行了评估。在评估周期内，确认波导在单模传播和弯曲损耗方面表现出足够的可靠性。
关键词——共封装光学，玻璃基板，压印光刻，聚合物波导，串扰，相对折射率差
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文章名：High-Density Polymer Waveguide Integration on Glass Substrate for CPO
作者：Takuya Kitainui 、Yujiro Saito 、Naoki Fukuda 、Kenichi Ogawa
单位：Dai Nippon Printing Co., Ltd. Chiba, Japan
I. 引言
随着人工智能（AI）的广泛普及和物联网（IoT）的进步，数据中心的数据流量迅速增长，高速传输技术在数据中心中的重要性日益凸显[1]。目前，数据中心内部的数据传输主要采用可插拔光学方案，即将用于电光转换的光收发器放置在有机基板的边缘。然而，较长的电互连会导致高频信号产生显著的传播损耗，这已成为一个关键问题。为了应对这一挑战，共封装光学（CPO）作为一种有前景的解决方案受到了关注，它能够在集成电路（IC）附近进行电光转换，从而缩短电互连距离，实现高速大容量传输。为了实现这种高速大容量传输，基板材料的选择至关重要，玻璃基板正引起人们的关注。玻璃具有优异的平整度和高刚性，可支持大规模集成，同时具有优越的电学性能，使其适合作为光电集成器件的平台[2]。本文介绍了我们为CPO开发的集成聚合物光波导的玻璃基板，并报告了其评估结果。
II. 集成聚合物波导的玻璃基板特性
图1展示了集成聚合物波导的玻璃基板的概念图，该基板旨在用于数据中心应用。在此概念模型中，多个GPU集成在大面积的玻璃基板上。高速信号传输通过采用基于光子集成电路（PIC）和聚合物光波导的光互连来实现，特别是对于需要高带宽的GPU到GPU连接以及封装间互连。
图1 集成聚合物波导的玻璃基板概念图
根据通用芯粒互连标准（UCIe）规范，先进封装中的目标 shoreline 带宽高达1317 GB/s/mm [3]。为了使用每通道200 Gbps的光信号实现这一带宽，考虑到接收端和发送端，总共需要大约每毫米100个通道。这一要求对应于大约10 µm间距的光互连形成。
为了满足这一要求，我们成功使用压印光刻技术制造了宽度为3 µm、间距为10 µm（线宽/间距 = 3μm/7μm）的光波导，如图2(a)所示。图2(b)显示了波导的横截面SEM图像，确认了相邻波导之间存在薄的残留层。由于压印过程中模具与基板之间树脂填充工艺的特性，这种薄残留层难以完全消除，并且被广泛认为是压印光刻固有的常见问题[4]。
图2 细间距光波导的SEM图像。(a) 间距为10 μm的芯层图案俯视图。(b) 具有薄残留层的波导横截面图。
考虑到封装设计，还需要从垂直于PIC的封装边缘进行光信号输入/输出。因此，光波导必须在封装基板的有限区域内以小弯曲半径布线。通常，聚合物光波导中的弯曲损耗强烈依赖于波导芯层和包层之间的相对折射率差[5]。因此，为了实现窄间距和高密度光互连，必须将芯层和包层之间的相对折射率差设计得足够高。这种设计方法即使在小弯曲半径条件下也能实现可接受的传输损耗，并有望提高封装内光互连的布线灵活性。
III. 评估结果
A. 高密度光波导的串扰
高密度波导集成中的一个主要问题是相邻波导之间的串扰。图3展示了对于芯层和包层之间不同的相对折射率差，串扰作为波导间距函数的仿真结果。仿真采用光束传播法进行。在本研究中，串扰定义为在输入波导及其相邻波导处测量的输出光强（损耗）之差。
图3 串扰仿真结果：(a) 不同相对折射率差下串扰随波导间距的变化；(b) 不同薄残留层厚度下串扰随波导间距的变化。
基于-30 dB或更低的串扰标准，对于Δ = 0.5%，最小允许间距为50 μm；对于Δ = 1.0%和2.0%，最小允许间距为20 μm；对于Δ = 3.0%，最小允许间距为10 μm。这些结果表明，相对折射率差越大，允许的间距越窄。此外，图3(b)显示了对于相对折射率差Δ = 2.0%和3.0%，薄残留层厚度分别为0 μm和1.0 μm时的串扰仿真。尽管观察到一些变化，但当存在薄残留层时，串扰往往更高。这归因于光通过薄残留层泄漏导致相邻波导之间的耦合增加，从而增加了串扰。
为了通过实验验证较高的相对折射率差确实能有效抑制串扰，我们调整了光波导的树脂组分并进行了串扰测量。本研究中测量的样品的相对折射率差分别为0.4%、1.3%和2.3%。使用压印光刻技术对光波导进行图案化，波导间距为5、10、20、30、50、80和125 µm。
图4 串扰测量样品布局及测量装置示意图
图4显示了串扰测量的实验装置。在输入侧，连接1310 nm光源的单模光纤被固定并与待测波导对准。在输出侧，连接功率计的单模光纤与同一波导以及相邻波导对准，并测量每种情况下的传输损耗。扇入之后的窄间距部分长度为18 mm，与仿真中使用的长度相同。
图5 相邻聚合物光波导之间串扰的测量结果
图5显示了对于每个相对折射率差，测得的串扰作为波导间距的函数。在测量结果中，宽波导间距下的串扰饱和在大约-40至-50 dB，这通常高于仿真值。这种差异被认为主要受到测量仪器和测量环境限制的影响。为了评估测量仪器的影响，首先在输入光被遮挡的情况下测量本底噪声。测得的本底噪声约为-110 dB，证实了测量设备本身的噪底足够低。相反，当输入光打开并且输出侧光纤有意地大距离（7000 µm）偏移，使得光无法耦合到任何相邻波导时，仍然检测到大约-50 dB量级的光信号。这表明测量环境中存在大约-50 dB的杂散光，其来源在仿真中未考虑，例如波导内部缺陷或侧壁粗糙度引起的散射，以及样品端面和周围空气中的散射。
此外，由于本研究中串扰的定义是被激发波导的插入损耗与相邻通道检测到的损耗之间的差值，因此该杂散光水平直接限制了可测量的最小串扰值。结果，测得的串扰在大约-40至-50 dB处饱和。这些发现解释了为什么图5中宽波导间距下的实测串扰看起来比图3所示的仿真值更高：这种差异源于杂散光造成的测量限制，而不是波导的固有特性。
根据测量结果，串扰低于-30 dB标准的间距为：Δ = 0.4%时为30 μm，Δ = 1.3%时为20 μm，Δ = 2.3%时为10 μm。与仿真一致，允许的间距随着相对折射率差的增加而变窄。从这些结果可以确认，当相对折射率差至少为Δ = 2.3%时，即使在10 μm的目标间距下，串扰也不是问题。
然而，如果窄间距区域比当前测量装置中的更长，串扰可能会增加。尽管增加相对折射率差对于抑制串扰是有效的，但可实现的最大折射率对比度受限于材料，在某些情况下无法获得足够大的差值。在这种情况下，减少压印工艺固有的残留层变得重要。可以考虑在压印光刻之后采用后处理工艺，例如等离子体刻蚀或反应离子刻蚀，以在保持整体波导形状的同时选择性地减少或去除残留层。然而，使用这些工艺可能会增加波导的表面粗糙度，从而导致传播损耗增加。
因此，从同时实现减少残留层和低传播损耗的角度来看，优化整个工艺流程的方法被认为是有效的。作为一种新颖的方法，提出了一种制造方法，其中通过压印光刻在包层中形成沟槽，然后填充芯层材料。该方法的示意图如图6所示。
图6 用于减少波导薄残留层厚度的工艺流程
首先，在涂有包层材料的玻璃基板上，使用设计用于形成波导沟槽的模具进行压印光刻。之后，将芯层材料涂覆到包层上，并通过刮涂工艺去除多余的芯层材料。通过此工艺形成波导，预计残留层的厚度将显著减小。因此，可以有效抑制串扰。
B. 波导材料的可靠性测试
长期可靠性是在CPO中使用聚合物波导时的关键考虑因素之一。与玻璃和硅波导相比，聚合物波导在高温高湿条件下通常表现出更大的折射率变化[6]。这些变化可能导致模式失配和散射增加，可能导致更高的传播损耗。在本研究中，我们检查了可靠性测试后聚合物波导材料的折射率变化，以评估其长期运行的适用性。可靠性测试条件基于广泛用于基板可靠性评估的JEDEC标准进行定义。具体来说，高温储存测试在150°C下进行，温湿度储存测试在85°C和85%相对湿度下进行[7,8]。使用光谱椭偏仪测量折射率。将厚度小于1 µm的聚合物光波导材料沉积在硅衬底上，并在可靠性测试前后测量折射率。图7显示了在500小时高温储存和温湿度储存测试前后折射率的变化。初始折射率：包层为1.4984，芯层为1.5450，对应的相对折射率差为3.02%。经过500小时高温储存测试后，相对折射率差下降了0.15%，降至2.87%。
图7 可靠性测试前后的折射率变化
考虑观察到的相对折射率差变化对导波模式的影响。虽然实际结构是矩形波导，但为方便起见，我们将其视为阶跃折射率圆形波导来讨论单模传播条件。对于阶跃折射率圆形波导，归一化频率（V参数）由纤芯半径a、自由空间波长λ以及纤芯和包层的折射率定义，如公式(1)所示。
其中 n_core 和 n_clad 分别为芯层和包层的折射率。对于阶跃折射率波导，众所周知，当 V 参数小于 2.405 时实现单模传播，这对应于第一个高阶模的截止条件。因此，将此截止条件应用于公式 (1)，可以得到允许单模传播的最大芯层半径，如公式 (2) 所示。
从该公式可以看出，芯层与包层之间折射率差的减小往往会放宽允许单模传播的最大芯层半径条件。因此，在高温储存测试后观察到的折射率变化预计不会影响传播模式。
另一方面，相对折射率差的降低可能导致弯曲损耗增加。为了评估在实际操作条件下观察到的相对折射率差变化是否会引起问题，我们在弯曲半径为1 mm的条件下，针对不同的相对折射率差进行了弯曲损耗仿真。仿真结果如图8所示。
图8 可靠性测试前后的折射率变化
根据仿真，只有当相对折射率差降至1.4%以下时，弯曲损耗才会超过0.1 dB。因此，本研究中观察到的折射率变化预计不会在实际操作中假设的1 mm弯曲半径下产生任何不利影响。
IV. 结论
在本研究中，我们使用压印光刻技术在玻璃基板上制造了高密度聚合物光波导，并研究了其光学特性。串扰评估通过仿真和实验测量证实，芯层与包层之间的相对折射率差越大，串扰越低。特别是，对于Δ = 2.3%的样品，在10 μm间距下实现了-32.3 dB的串扰水平，表现出优异的性能。
关于可靠性评估，经过500小时高温储存测试后，相对折射率差从初始值3.02%下降了0.15%至2.87%。从单模传播和弯曲损耗两个角度评估，这种变化水平被认为在实际操作中是可接受的，从而证实了所制造的波导材料具有足够的可靠性。
这些结果表明，使用高相对折射率差的材料能够实现高可靠性、低串扰的共封装光学高密度光波导布线。
