【晶片創新】光學晶片、CPO、MEMS晶片

更新 發佈閱讀 8 分鐘

█光學晶片與 CPO

●矽光子與 CPO

1. 矽光子(Silicon Photonics) :

為利用矽製程技術,將現階段PCB版上的光收發模組包含光接收器、光波導、

光調變器、電流電壓放大器、 驅動IC、交換器等元件「光路」,微縮成極小的矽晶片上,

即是「光學晶片」

這些晶片上的線路不是傳統的電線,而是「光波導」,而這些光波導線路用於導光。

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2.共同封裝光學元件模組 (CPO) :

一種封裝技術,將光學晶片和電子晶片(例如ASIC)整合於同一封裝內,從而實現更高

效率、緊湊的系統解決方案。

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積體「電」路(電子晶片)適合執行運算,而積體「光」路(光學晶片)適合傳輸訊號


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目的是在矽晶片上融合光學和電子功能,從而實現高傳輸率、低功耗的數據傳輸。

隨著AI伺服器高速運算及傳輸需求,傳統的銅導晶片由於發熱、耗電已無法滿足AI的需求

因此發展多年的電、光「共同封裝光學模組(Co-Packaged Optics,CPO)」是有效

克服AI、大數據,傳輸耗能、散熱問題的重要方案


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●共同封裝光學元件模組 (CPO)架構的演進

由於光接口依賴於交換新片串型器(SerDes) 技術,其能效低於ASIC,為了進一步降低功耗

需要通過所短SerDes的距離或減少SerDes的數量來降低功耗,因此在系統結構上出現了

各種進化的光導通技術如OBO、NPO、CPO等 。

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https://www.ieee802.org/3/B400G/public/21_02/chopra_b400g_01_210208.pdf


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CPO和NPO等技術雖然可以縮短電氣訊號的傳輸距離,並且提供訊號完整性和功耗方面

的優勢,但仍需要符合互通性的要求。也就是說,發射器所送出的光資料訊號必須穿過光

通道,在到達另一端時,由可能是其他供應商生產的接收器所接收。這些訊號需要符合

IEEE 802.3等規格的要求。這個方法與可插拔光學元件測試有個主要區別,就是將

CPO/NPO整合到交換器後,想要修正問題會變得非常困難,而且成本高昂,因為

CPO/NPO不像可插拔模組那樣可以輕易更換。測試策略必須與時俱進,不僅要驗證訊號

效能以符合規格要求,同時還需要在製造過程的早期階段發現問題、進行額外的測試,才

能確保產品的長期可靠性。

雖然到CPO/NPO的電氣路徑距離較短,但高符碼率需要仔細設計,需要使用與傳統晶片

到模組介面相同的測試和量測方法進行驗證。

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●CPO光源的演進

CPO的Laser光源,材料需要具有直接帶隙(direct band gap),才能製造出光源

(激光器,光子電路和系統的“電源”)▫ 矽沒有直接帶隙,無法做成雷射光源,

得另找材料做光源,因此,其他具有直接帶隙的材料(III-V 材料),

例如磷化銦 (InP)

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http://wangofnextdoor.blogspot.com/2018/09/blog-post_4.html


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由於的Laser光源由於耗電成本高,目前已開始研究使用Mini-LED作為CPO光源

以降低熱源及成本

■成功的CPO案例


●台灣中山大學開發矽光子光纖陀螺儀驅動晶片

研究團隊所開發矽光子光纖陀螺儀模組,已突破出戰術級規格的陀螺特性(Bias

instability = 0.158 deg/hr),將過去繁複的零件組合工程,以半導體製程方式

整合於毫米(mm)級尺寸上的晶圓上,不僅可量產來分擔成本,預估可將成本

降低於現今光纖陀螺儀成本的三分之一以下。由於複雜的光訊息處理可濃縮於毫

米級以下,可保有原多種優勢,又可鍵入多種感測與控制功能,未來可應用民生

用品,如無人載具、自駕車和空拍機等平台穩定;對於生醫檢測、自動駕駛車

輛、智慧機器人、航空定位系統、立方衛星等微型化導控也有極大的應用市場。

https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/tech/EE70EB019DD04CF88BDF300711312470

https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/tech/EE70EB019DD04CF88BDF300711312470

https://news.nsysu.edu.tw/p/406-1120-235653,r2910.php?Lang=zh-tw

https://news.nsysu.edu.tw/p/406-1120-235653,r2910.php?Lang=zh-tw


【視頻】複合式矽光子陀螺儀晶片與微型化模組



●矽光子技術應用於5G光載毫米波天線--李明昌教授



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■微機電晶片

(MEMS , Microelectromechanical Systems Chip)

MEMS本質上是一種把微型機械零組件(如感測器、致動器等)與電子電路集成

在同一顆晶片上的半導體技術。一般晶片只是利用了矽半導體的電氣特性,而

MEMS 則利用了晶片的電氣和機械兩種特性。


https://www.yuden.com.tw/uploadfiles/423/NEWS-TECH/201601/9.pdf

https://www.yuden.com.tw/uploadfiles/423/NEWS-TECH/201601/9.pdf

MEMS與CMOS製程技術的整合,已成功帶動組件產品在消費電子應用綻放光

芒,包括Intel、Samsung、TI、TSMC等半導體領導大廠皆看好CMOS MEMS

發展,而相繼投入相關技術的研究開發。

業界已開始加速布局CMOS MEMS+3D MEMS Packaging解決方案。由於以

TSV方式將Chip堆疊成3D IC的發展備受看好,也可望帶動3D TSV Wafer出貨數

的快速成長,以組件類別來區分,目前以CIS(CMOS Image Sensor)採用TSV與

IC 3D化的速度最快,第二階段預計將由內存(含Flash、SRAM、DRAM)扮演承

接角色。3D MEMS可望在2011年興起,並在往後3年穩定邁向商品化。

MEMS產品大多以150mm~200mm的8寸晶圓生產,在未來6年有望逐步轉進

300mm的12寸廠生產,以便做最佳化的產能利用。


【視頻】What is MEMS?



【視頻】MEMS: The Second Silicon Revolution?



■成功的MEMS晶片案例

●智慧型手機的 MEMS感測元件

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http://newjust.masterlink.com.tw/HotProduct/HTML/Basic.xdjhtm?A=PA147-1.html

http://newjust.masterlink.com.tw/HotProduct/HTML/Basic.xdjhtm?A=PA147-1.html

http://newjust.masterlink.com.tw/HotProduct/HTML/Basic.xdjhtm?A=PA146-1.HTML

http://newjust.masterlink.com.tw/HotProduct/HTML/Basic.xdjhtm?A=PA146-1.HTML




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