整合光學/高速電子構裝　矽光子收發模組開發邁大步

本文為接續前期同系列文章「矽光子高速長程傳輸需求高漲　400G同調光傳接模組技術有譜」之姊妹作，進一步針對矽光子同調光傳接模組之關鍵模組技術與應用來說明。矽光子同調光傳接模組由於採用SOI(Silicon-On-Isolator)矽晶片的積體化設計，在模組構裝上有不少新的挑戰。過去兩年多來我們集合了陽明交通大學與中央大學多位學有專精的研究人員(包括賴暎杰、陳智弘、許晉瑋、鄒志偉、陳巍仁、林建中、林俊廷、陳國平、洪瑞華等教授)組成了完整的團隊發展新一代之400Gb/s矽晶光電同調傳接模組及其應用，已有一些研究經驗與成果。本文將針對矽光子同調光傳接模組所需之光學構裝與電子構裝技術來作介紹，說明其挑戰所在與解決之道，並補充矽光子同調光傳接模組之重要跨域應用。

矽光子同調光傳接模組之光學構裝技術

矽光子同調光傳接模組所可運用之光學構裝技術大致可分為兩大類：Edge Coupling與Gating Coupling，其架構示意圖與優缺點比較請見圖1。Edge Coupling的構裝架構細節如圖2所示，光波導的光耦入端需漸變為尖角來讓光模態的直徑大小由次微米的等級擴束到幾個微米的等級，這就是所謂的Inverted Taper結構，用來讓光波導的模態大小能更匹配於光纖的模態大小進而來避免過大的耦光損耗。在1,550nm波段，單模光纖的模態大小接近10微米等級，相較於幾個微米仍有些過大，所以還必須設計更複雜的波導元件結構來達到更好的匹配，或是透過選擇不同光纖種類來降低光纖模態的大小。以同調光傳接模組的應用而言，晶片的光纖輸出入口至少需3個(參見前文圖1)，包括傳輸訊號出口、接收訊號入口、及雷射光源的入口，所以必須是陣列式的光纖輸出入，一次性地對準並構裝至少3條光纖，其中雷射光源的輸入光纖須為偏振光纖，傳輸訊號的輸出光纖及接收訊號的輸入光纖則為單模光纖。要同時構裝多個光纖輸出入，光纖端必須使用由V-groove所對準支撐的光纖陣列模組，晶片端則必須設計製作Inverted Taper波導陣列，在對光完成後用Epoxy或其他方式固定。由於同調光傳接模組同時利用兩個偏振態光來進行訊號傳輸，接收光訊號進入光波導後必須馬上將此不同偏振態光分開來進行偵測，所以需要一個Polarization Splitter/Rotator元件來達到此功能。傳輸端也需另一個相同的Polarization Splitter/Rotator元件來將兩組IQ調變器的訊號合併耦入同一光纖的不同偏振態來進行傳輸，這是為甚麼光傳接模組之Edge Coupling必須搭配Polarization Splitter/Rotator元件的原因。矽光子代工廠的標準元件庫中不見得有現成的Polarization Splitter/Rotator元件可用，團隊中的陳國平教授團隊已發展出具良好偏振轉換效率、消光比與插入損耗的波導式偏振分光轉換器(圖2右二圖)，可配合Edge Coupling光學構裝之用。

  Grating Coupling的構裝架構約如圖3所示，透過波導表面光柵的使用，接近垂直(約8度角)入射於晶片表面的光被有效耦合進晶片上的光波導中，這即是所謂的Grating Coupler結構。如上所述，在1,550nm波段，單模光纖的模態大小接近10微米等級，光波導的模態大小則為次微米等級，所以需有Tapered Waveguide的設計來作轉換，或是用Curved Grating的設計來作On-chip聚焦。由於必須同時對準並構裝至少3條光纖，陣列式的光纖輸出入對Grating Coupling而言也屬必須，光纖端一樣必須使用由V-groove所對準支撐的光纖陣列模組，晶片端則必須設計製作光柵陣列。對偏振雷射光源的輸入端而言，使用1D Grating即可[1]。不過對於傳輸訊號出口端及接收訊號入口端，就必須使用2D Grating來同時作偏振分光/合光，如圖3右側上下兩圖所示。因為2D Grating能兼具偏振分光/合光的功能，對Grating Coupling的構裝架構而言，Polarization Splitter/Rotator元件就非屬必要。Curved Grating的設計能縮短模態轉換距離，在應用上較為方便，不過耦光效率可能稍減。Grating Coupling的光學構裝方式又可分為垂直式與水平反射式兩種，如圖3左側上下兩圖所示。垂直式的光學構裝方式係將光纖豎立以接近垂直(約8度角)的角度入射於光柵之上，水平反射式的光學構裝方式則是將光纖水平放置，以近45度的反射面將光轉向仍以接近垂直(約8度角)的角度入射於光柵之上。除了光纖以外，筆者團隊中的林建中教授團隊還發展出超短共振腔長度的半導體雷射並將之直接構裝於光柵之上[2]，算是Grating Coupling光學構裝的另一種新應用。

矽光子同調光傳接模組之電子構裝技術

矽光子同調光傳接模組所可運用之電子構裝組態大致可分為Right-side-up與Right-side-down兩大類(如圖3所示)，這裡的Right-side-up或Right-side-down是指光晶片的正面(有金屬Pad的面)是維持向上或是透過Flip-chip而變為朝下。這兩大類組態中仍有很多不同的可能性，就Right-side-up的架構而言，透過Wire-bonding將光晶片連結到旁邊的Driver IC與TIA IC是目前最基本的做法，不過受限於Wire-bonding的頻寬(<30GHz)，25GHz的Baud Rate可能還好，50GHz或64GHz的Baud Rate大概就無法達到。要達到更大的頻寬，2.5D或3D IC的構裝技術是未來可能的解決方案。透過2.5D或3D的構裝架構，RF電連結的長度可以盡可能縮短，電傳輸的頻寬才有可能增加。

就Right-side-down的架構而言，透過BGA(Ball-Grid-Array)Packaging的方法應該是當前矽光子同調光傳接模組高階產品所使用的方法。在此架構中，光晶片及Driver IC與TIA IC都Flip-chip Bonding在BGA構裝用之LTCC(Low-temperature Co-fired Ceramic)基板上，此BGA基板再透過Solder Ball連結到PCB上。Flipped Chip BGA的構裝技術已用於很多高速IC模組產品，除了RF頻寬可以增加以及RF損耗可以降低之主要優點之外，也可以支援更多的電連結數，同時因為光晶片的背面可直接與上(金屬)蓋連結，Heat Sinking的效果可以很好，有助於降低整個模組的溫度效應。BGA的構裝能支援較高的頻寬且與同於一般高速IC模組的構裝技術，是目前50GHz或64GHz Baud Rate矽光子同調傳接模組(如Acacia公司產品)所採用的技術[3]。

矽光子同調光傳接模組之光電構裝技術

矽光子同調光傳接模組因為需要作光學與電子構裝，這兩種構裝技術之間可能的互相影響就必須事先考慮清楚。就Right-side-up的架構而言(圖4左圖)，光學構裝可選擇採Edge Coupling或Gating Coupling的方式，電子構裝與光學構裝的先後次序則需妥善考慮。一般而言，電子構裝過程中如需加熱，光學構裝便需有足夠的強度與保護，否則對光的準度就有可能被破壞。Edge Coupling對誤差的敏感度要較Gating Coupling來得高，所以構裝的準確度也要更高些。就Right-side-down的架構而言(圖4右圖)，如以上述的BGA電子構裝來作為例子，矽光晶片與IC先Flip-chip到BGA基板上，此時的光學構裝只能選擇採Edge Coupling的方式，光纖的構裝則是在將BGA基板連結到PCB前完成。BGA基板是透過Pick-and-place與Reflow連接到PCB上，所以此時就必須確定光纖構裝有足夠的保護以及能耐數次Reflow的高溫(例如260℃)，達到這樣的程度才能用類似於電子BGA構裝的流程來處理光電BGA模組以達到更好的自動化生產。類似的考慮對其他不同型態的光電構裝技術都屬必須，光學構裝與電子構裝哪步先做、哪步後做在困難度上可能就會有很大的不同，這是發展實際矽光子同調光傳接模組產品時必須要特別著力研發的重要關鍵技術。

矽光子同調光傳接模組之跨域應用

從光偵測的角度來看，矽光子同調光傳接模組可以看成是一個可以精密偵測光的振幅與相位的積體化模組。一般的光偵測技術可能僅偵測光的強度(振幅平方)，或是透過簡單的干涉或Beating的方法來獲得相位資訊。相較而言，同調光偵測可以使用積體化模組來獲得完整的光場資訊，進而能夠來進行更複雜的訊號處理，在光感測的跨域應用上有很多潛在的應用。一個有趣例子是利用矽光子同調光接收模組進行OCT(Optical Coherence Tomography)量測來獲得精密深度解析之3D影像[4]，透過窄頻可調雷射的使用，在1.5公尺的距離範圍內可以達到15微米的解析度，再透過角度的掃描就可以獲得3D影像。此系統基本上就是一個短距離(1.5公尺)但高解析度(15微米)的光學雷達，可以用來發展很多生醫或產業上的跨域應用。當矽光子同調光傳接模組的價格越來越便宜後，這樣的新應用也將越為可行。

結論

矽光子同調光傳接模組是最先進的光收發模組技術，需要最成熟的矽光子科技才能達成。這些矽光子科技除了元件技術之外，也還包括矽光子模組與構裝技術。由於矽光子同調光傳接模組同時需光學構裝與高速電子構裝才能成為完整產品，這兩種構裝技術之間的互相配合就成為產品製造上的獨特挑戰。本文先針對矽光子同調光傳接模組所需之光學構裝與電子構裝技術分別介紹，然後說明了整合光電構裝之挑戰所在與解決之道，並補充矽光子同調光傳接模組在光感測上之重要跨域應用，希望能有助於讀者們來深入了解矽光子模組與構裝技術的發展趨勢。

(本文作者為陽明交大光電工程系教授)