陈昇祐，Whoscored中文官网
摘要
垂直宽带耦合器（Broad-Band Coupler， BBC）是新型光学耦合技术，可在光纤与光波导之间实现垂直的光信号耦合。它具有宽广的工作带宽，可以在广范围的波长内进行耦合。BBC是台积电集成光互联系统（iOIS）的核心部件，该系统是一个采用并行光封装技术的平台，将紧凑型通用光子引擎（COUPE 2.0)）与复合互连芯片进行组合，应用于高性能计算机和通信系统。
COUPE 2.0是高性能的光子引擎，使用垂直宽带耦合器与光纤连接，采用SoIC键合技术与电子IC芯片连接。它支持波分复用和各类光学器件的异构集成。复合互连芯片是一个高度集成的电光双重互联网络，在不同光子引擎间提供低损耗、大带宽和灵活的光信号传输。它也在ASIC和光学引擎间提供高密度电连接。
简介
由于光互联具有高带宽、低功耗和低延迟的特点，在高性能计算和通信系统中具有日益重要的地位。然而，将光学组件与电子组件进行集成一直面临制程、材料和封装方面的挑战。并列光封装技术应运而生，其目标是通过在同一封装内集成光电子器件来解决这些难题。
台积电的集成光互联系统(iOIS)是一个并列光封装的平台，将紧凑型通用光子引擎(COUPE 2.0)与复合互连芯片进行组合。COUPE 2.0是高性能的光子引擎，采用垂直宽带耦合器与光纤连接，采用SoIC键合技术与电子IC连接。复合互连芯片是一个高度集成的电光双重互联网络，在不同光子引擎间提供低损耗、大带宽和灵活的光信号传输。
垂直宽带耦合器设计
垂直宽带耦合器是一种新型光学耦合器，可以在光纤与光波导间进行垂直的光信号耦合。它采用宽广的工作带宽设计，可以在广泛的波长范围内进行耦合。BBC通过使用宽带的垂直耦合器，实现了宽范围的波长耦合。该垂直耦合器使用扩散波导结构，实现光纤与波导间低损耗的光信号耦合。它还使用光栅结构将光信号耦合到波导中，实现宽带的多波长耦合。
与传统光通信系统中的其他耦合器相比，BBC具有诸多优势。例如，其大的光点尺寸（约10μm）相对端面耦合器（约1μm）带来更高的对准容差和更低的耦合损耗。BBC可以宽带地对多种波长进行耦合，而传统光栅耦合器由于波长依赖性，不能实现宽带耦合。BBC还可以集成偏振分光组件和微透镜，进一步增强耦合性能和灵活性。
表一 台积电的BBC与传统光栅和端面技术的比较
垂直宽带耦合器性能
在COUPE2.0中的BBC集成了光栅耦合器（GC）和端面耦合器(EC)的优点，可以有效实现波分复用（WDM），并进一步缩小光电接口（OE）的体积。作为一种垂直耦合器，它与多行垂直光纤阵列单元（FAU）兼容，插入损耗为-0.3dB，对准容差达±10μm。高性能的偏振束分离器和旋转器(PBSR)可以与这个垂直BBC集成。通过适当设计集成微透镜和FAU，FAU的对准容差可以扩展到±20μm以上。通过禁用光束偏转机制，这个BBC还可以用作高性能的水平光纤耦合器。
iOIS的应用
相比其他并列光封装技术，台积电的iOIS系统具有诸多优势。例如，其采用波分复用提升了带宽密度;采用低损耗光互联降低了功耗;采用复合互连芯片提供灵活的光路由，增强了设计的灵活性。
未来工作
垂直宽带耦合器和iOIS系统在高性能计算和通信系统中具有广阔的应用前景。但在被广泛采用前，还存在一些挑战需要攻克。例如，需要将BBC和其他光学器件的制造与电子器件制造进行集成;还需优化BBC等光学器件的封装，以实现大规模制造。
总结
垂直宽带耦合器是台积电iOIS系统的核心器件，该系统是一个并列光封装平台，将COUPE 2.0光子引擎和复合互连芯片组合应用于高性能计算与通信。BBC采用宽带设计，可以宽范围地对多种波长进行耦合。COUPE 2.0是高性能的光子引擎，使用BBC进行光纤耦合，采用SoIC键合连接电子IC。它支持波分复用和异构光学器件的集成。复合互连芯片提供光子引擎间低损耗、宽带和灵活的光信号传输。它也提供ASIC与光学引擎间的高密度电互联。相比其他并列光封装技术，iOIS系统在性能、功耗和设计灵活性方面具有优势。但实际应用中仍存在诸多挑战需要攻克。
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