CPO鍺光偵測器原理:矽看不見光,台積電怎麼讓晶片收到訊號

重點先講:CPO 把光引擎塞進交換器封裝裡,但接收端有個物理上的尷尬:矽對通訊波長的紅外光幾乎是透明的。光跑了好幾公尺抵達晶片,矽卻「看不見」它。解法是在矽波導上方長一塊鍺(Ge),讓鍺當晶片的眼睛:把光吸進去、轉成電流,再交給放大器還原成 0 與 1。
原始貼文在這:FB:CPO最尷尬的秘密:矽晶片本身,根本看不見光!
發生了什麼
- NVIDIA 已宣布採用台積電 COUPE(緊湊型通用光子引擎)光引擎的 Spectrum-X 矽光子交換器進入量產;台積電也表示 COUPE 共封裝方案 2026 年量產。
- COUPE 用 SoIC 把電子晶片(EIC)面對面疊在 65 nm 矽光晶片(PIC)上,發射端用微環調制器,接收端靠鍺光偵測器(GePD)。
- 公開簡報列出的 COUPE GePD 規格:110 GHz 頻寬、4.5 nA 暗電流;另有產業整理報告引述響應度約 1.0 A/W。
- 11/07 我們寫過發射端「矽不會發光、只能外接雷射」;今天補上另一半:接收端「矽也收不到光」。
光從光纖耦合進晶片後,在 SOI 頂層約 220 nm 厚、約 500 nm 寬的矽波導裡傳。矽在這裡的角色是「水管」:正因為它不吸 1310 nm,才能把光低損耗地送到偵測器前面。換句話說,矽看不見光這個缺點,在傳輸段反而是優點。
工程重點 2:鍺塊陷阱——漸逝波把光「吸」上去偵測區的矽波導上方磊晶一塊鍺。鍺折射率(約 4.2)比矽(約 3.5)高,光場會往高折射率區偏,透過漸逝波耦合一路斜爬進鍺層,邊走邊被吸收。作者估算(非官方):鍺在 1310 nm 的吸收係數約 7,000–9,000 /cm 量級,吸收長度約 1–1.5 µm,所以幾十微米長的鍺塊就能把絕大部分光吃光,同時保持元件小、電容低。
工程重點 3:反向偏壓把電子電洞拉開——頻寬與暗電流的拉鋸光子被鍺吸收後產生電子與電洞,兩側 P/N 摻雜加反向偏壓,電場把它們迅速拉開,形成微弱的光電流。作者換算:理想響應度上限 R = λ(µm)/1.24,1310 nm 約 1.06 A/W;若實測 1.0 A/W,代表量子效率約 95%。難點在鍺與矽晶格差約 4%,介面會長出穿隧差排,變成漏電路徑——暗電流就是雜訊底。110 GHz 頻寬配 4.5 nA 暗電流,代表空乏區夠薄、缺陷也壓得夠低。
工程重點 4:SoIC 讓 TIA 貼著偵測器——省下的是雷射電光電流只有微安級,要靠轉阻放大器(TIA)轉成電壓。走線越長、寄生電容越大,TIA 越難放大,雷射就得打更亮。台積電在 ECTC 2024 論文指出,COUPE 的 SoIC 低電容接合提升 TIA 靈敏度,雷射功耗可降 40% 以上。這也接回 11/07 那篇:外接雷射是 CPO 的耗電大戶,接收端越靈敏,雷射就能越省。
還缺什麼/待核
- COUPE 量產版 GePD 的實際響應度、暗電流分佈與良率,台積電未逐項公開;本文規格來自公開簡報與產業整理。
- 吸收係數、吸收長度、95% 量子效率均為作者以教科書數值估算,非量測值。
- 天下雜誌報導台積電的鍺矽感測技術曾登上 Nature,細節以原文為準。
- 光纖對位、溫控微環、CPO 維修性仍是量產後的真正考驗。
延伸影片
矽不會發光、也看不見光,CPO 卻還是用矽當主角。你覺得下一個卡關點是光纖對位、微環溫控,還是良率?留言聊聊。
原始貼文在這:https://www.facebook.com/1147074221177116/posts/1151079287443276
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矽光子與 CPO
你以為 TSMC 的 CoWoS 只有一種嗎?其實是三種!