光学PCB基波导嵌入式系统解析

本文引入基于光学PCB的波导嵌入式系统（WES），用于AI/HPC数据中心，以克服CPO集成挑战。WES通过集成光学引擎与精确耦合结构，实现高密度、低损耗、无光纤的设备间光互连。  

引入基于光学PCB的波导嵌入式系统（Waveguide Embedded System，WES），用于AI/HPC数据中心，能够克服CPO集成的挑战。WES通过集成的光学引擎和精确的耦合结构实现了高密度、低损耗、无光纤的设备到设备光学互连。

WES由三个关键组件组成，如图1所示：光学PCB、光学引擎和耦合结构。WES信道通过转换到光域并返回，使高速电信号能够从点（A）传递到点（B）。光信道通过半导体封装和PCB嵌入式波导形式的高度集成的光学引擎提供无缝的数据传输。

图1。波导嵌入式系统（Waveguide Embedded System，WES）的系统图。WES信道可以提供从PCB内的点（A）到（B）的高性能设备到设备的光链路。

A.光学引擎

WES信道的终端包括一个光学引擎（OE），它将电数据转换为光学数据，反之亦然。OE由Tx侧的VCSEL和驱动器IC以及Rx侧的PD和TIA组成，它们之间有一个短长度多模波导。

为了在PCB生态系统中实现无缝集成，OE必须具有与其他电气元件相似的外形尺寸。扇出晶圆级封装（FOWLP）是一种先进的半导体封装方法，是将VCSEL和PD与电子IC集成的最有前景的技术。LIPAC首次引入了光学系统级封装（O-SiP）技术，并为该项目提供了光学引擎。

图2显示了基于FOLWP的OE，这是一种标准的BGA封装，但没有基板。OE既薄又小，可能适合未来物理信道密度的增加。光学窗口放置在封装的BGA侧，组装时面朝下，而封装的顶侧可用于散热。

图2。采用FOWLP方法制造的光学引擎。（a） 它可以以12英寸晶圆尺寸的格式生产。（b） WES光学引擎的前后两侧。在OE的背面可以看到球栅阵列和VCSEL/PD开口。（c） OE的横截面图。IC与VCSEL/PD在EMC材料内共同封装。OE中形成了作为RDL的精细电层。

B.光学PCB 

WES包括嵌入PCB中的多模波导，作为光学数据传输通道。与PCB中的铜迹线类似，光波导层可以布置为互连迹线，并且可以用聚合物基材料制造。波导的核心可以通过接触掩模光刻工艺或激光直接成像（LDI）制成，这两种工艺都与传统的PCB制造工艺兼容。10-40μm的包覆层用于夹持40-50μm的芯层，如图3（a）所示。

图3。（a） 带波导（WG）的O-PCB的横截面图。（b） O-PCB中OE和WG之间的光耦合结构。（c） O-PCB上带有OE和耦合镜的组装板图片。

最小弯曲半径通常约为15mm，而标准波导间距约为250μm。与电信道相比，这允许更高密度、更低损耗和更低串扰的光信道。

C.耦合结构

凹面镜分别用于从OE嵌入式VCSEL到Tx侧的波导和从波导到Rx侧的OE嵌入式PD的光耦合。如图3（b）所示，光束被聚焦到波导和PD中。耦合器在X-Y方向上的对准公差约为±15μm，Z方向为±40μm。反射镜组件具有与波导层中的基准配合的引导结构，允许反射镜组装到PCB上并与波导精确对齐。图3（c）显示了组装到PCB上的组装好的反射镜组件，该组件具有由各种光学元件制造的集成波导结构。其他形式的耦合器也是可能的。例如，microGlass提出了一种双芯片耦合结构（一个用于OE侧，另一个用于PCB侧）来提高对准精度。

演示器的组装

在PCB上组装OE需要比电气元件组装更高的精度。对准公差由耦合结构的光学设计决定。因此，应谨慎选择装配方法。在PoC演示器中，使用倒装芯片键合机将OE放置在PCB上，对准公差为±5μm。为了使用传统的IR回流方法，在放置OE之前，在PCB和OE之间涂上环氧树脂。环氧树脂固定了倒装芯片键合机提供的位置精度，并防止了红外回流过程中OE的移动。

图4显示了PCIe演示器的OE和OPCB的设计和组装。它包括OE和高速同轴电缆连接器的操作电路，以测试射频性能。我们验证了VCSEL可以在这个系统中通电。波导损耗和耦合损耗加起来约为-6.5dB（最佳情况）。

图4。（a） 演示器的PCB设计，包括电源块、I2C电路、RF连接器。（b） 所有电气和光学部件均采用O-PCB制造。