光电封装结构和光子计算系统

技术领域

本公开涉及半导体领域，更具体而言，涉及一种光电封装结构和光子计算系统。

背景技术

硅电子集成电路的发展得益于几十年来在光刻技术和其他制造创新方面的一代又一代改进，其中的晶体管的性能和互连密度在不断增加。随着时间的推移，硅电子集成电路的性能越来越接近技术的物理极限，改进的步伐已经放缓。行业专家已经使用先进的封装技术来克服这一限制，通过扩展可用面积或体积来电连接多个硅集成电路，或者将多个硅集成电路并排放置，或者将多个硅集成电路堆叠在一起，或者将这两种技术进行各种组合。虽然这些技术通过聚合更多的硅为可扩展性注入了新的活力，但它们仍然受到芯片尺寸和用于芯片间通信的可用相邻表面或边缘的限制，并存在组装模块在冷却和供电方面的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本公开提供一种光电封装结构和光子计算系统，通过在基板上使用光信号，以更高的单位面积带宽以及不受硅邻接限制的更完全连接的拓扑，大幅扩展计算和互连能力。

本公开的第一方面提供了一种光电封装结构，包括：基板，包括核心层、光互连网络以及电互连网络；以及芯片阵列，布置在所述基板的第一表面上，包括至少一个光子集成电路芯片和至少一个电子集成电路芯片；所述光子集成电路芯片通过所述光互连网络进行光互连，所述电子集成电路芯片通过所述电互连网络进行电互连。所述至少一个光子集成电路芯片和至少一个电子集成电路芯片中部分或全部光子集成电路芯片和电子集成电路芯片形成包括光子集成电路芯片和电子集成电路芯片的电子-光子混合芯片，并且所述电互连网络包括贯穿所述基板的一个或多个第二导电通孔，所述基板的第二表面具有用于焊接到印刷电路板的焊接结构，所述焊接结构与所述电互连网络电连接。

在一些实施例中，所述电子-光子混合芯片中的光子集成电路芯片具有贯穿其中的一个或多个第一导电通孔，所述一个或多个第一导电通孔与所述电互连网络电连接，所述电子-光子混合芯片中的电子集成电路芯片布置在所述光子集成电路芯片的上表面上并且与所述一个或多个第一导电通孔电连接。

在一些实施例中，所述光子集成电路芯片中布置有第一光波导，所述光互连网络包括第二光波导，并且所述光子集成电路芯片与所述光互连网络之间通过所述第一光波导和所述第二光波导进行光耦合。

在一些实施例中，所述第一光波导与所述第二光波导在垂直于所述基板的第一表面的方向上叠置且间隔预定距离，使得所述第一光波导和所述第二光波导实现光的绝热耦合。

在一些实施例中，该光电封装结构还包括：光束重定向元件的阵列，其被布置在所述基板中，所述光束重定向元件的阵列中的每个光束重定向元件被配置为改变光束的方向以使其进入第二/第一光波导的光耦合器中。

在一些实施例中，所述光子集成电路芯片还包括连接到所述第一光波导的边缘耦合器，所述第一光波导的边缘耦合器和所述第二光波导之间通过光子引线键合的方式进行光耦合。

在一些实施例中，所述第二光波导包括以下至少之一：a.嵌入在所述基板的核心层中的一层或多层光波导；b.形成在所述基板的核心层的第一表面上的一层或多层光波导；和c.形成在所述基板的核心层内的三维波导网络。

在一些实施例中，在所述第二光波导包括所述三维波导网络的情况下，所述光子集成电路芯片还包括连接到所述第一光波导的光栅耦合器，所述第一光波导通过所述光栅耦合器耦合到所述三维波导网络。

在一些实施例中，所述光电封装结构，还包括：光源，其被配置为向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面上，并且所述光源通过与所述光子集成电路芯片中的第一光波导的边缘耦合器对齐，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面的凹槽中，并且所述光源通过与所述光互连网络中的第二光波导的边缘耦合器对齐，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面上，并且所述光源通过光子引线键合的方式将光耦合到所述光子集成电路芯片中的第一光波导的光耦合器中，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面的凹槽中，并且所述光源通过光子引线键合的方式将光耦合到所述光互连网络中的第二光波导的光耦合器中，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面上，并且所述光电封装结构还包括：光束整形元件，其被布置在所述基板的第一表面上，位于所述光源和所述光子集成电路芯片之间，其中，所述光源通过所述光束整形元件将光耦合到所述光子集成电路芯片的第一光波导的光耦合器中，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源被设置在所述基板的第一表面的凹槽中，并且所述光电封装结构还包括：光束整形元件，其被布置在所述凹槽中，位于所述光源和所述光互连网络中的第二光波导之间，其中，所述光源通过所述光束整形元件将光耦合到所述第二光波导的光耦合器中，进而向所述光子集成电路芯片提供光。

在一些实施例中，所述光源包括：激光器，其被配置为发射光；温度控制器，其布置在所述激光器下方，并且被配置为通过调节所述激光器的温度来控制所述激光器发射的光的波长。

在一些实施例中，所述电互连网络包括布置在所述基板的核心层的第二表面上的一层或多层电布线层。

在一些实施例中，所述电互连网络还包括布置在所述基板的核心层的第一表面上的一层或多层电布线层。

在一些实施例中，所述芯片阵列中的至少一些芯片被设置在基板的第一表面上的凹槽上方并覆盖所述凹槽，所述电互连网络还包括布置在所述凹槽中的一层或多层电布线层，并且所述光互连网络被布置在所述基板的第一表面上未被所述凹槽占据的区域中。

在一些实施例中，所述芯片阵列包括一个或多个存储芯片。

在一些实施例中，所述基板的核心层的材料为玻璃、硅或陶瓷。

本公开的第二方面提供了一种光子计算系统，其包括如前所述的光电封装结构，所述光子计算系统还包括：光源，其被配置为向所述光电封装结构提供光；以及印制电路板，其被配置为承载所述光电封装结构，并且与所述基板的第二表面上的焊接结构电连接。

本公开的第三方面提供了一种光子计算系统，其包括如前所述光电封装结构，所述光子计算系统还包括：印制电路板，其被配置为承载所述光电封装结构，并且与所述基板的第二表面上的焊接结构电连接。

本公开提出的光电封装结构通过利用光的速度、功率、效率以及芯片阵列版式为下一代高性能AI计算任务提供动力，为新的计算范式提供平台。该平台基于面板式可扩展，克服了晶圆刻线限制和晶圆尺寸限制。它将在芯片带宽方面带来重大突破，优于所有现有的CPU/GPU带宽。本公开中提出的面板式基板可扩展至310×310mm

附图说明

图1示出了本公开的实施例的光电封装结构的整体配置的示意图。

图2示出了本公开的实施例的光电封装结构中光互连网络中的光波导的示意图。

图3示出了本公开的实施例的光电封装结构中第一种光耦合方式的示意图。

图4示出了本公开的实施例的光电封装结构中第二种光耦合方式的示意图。

图5示出了本公开的实施例的光电封装结构中第三种光耦合方式的示意图。

图6示出了本公开的实施例的光电封装结构中第四种光耦合方式的示意图。

图7示出了本公开的实施例的光电封装结构中第一种光源耦合方式的示意图。

图8示出了本公开的实施例的光电封装结构中第二种光源耦合方式的示意图。

图9示出了本公开的实施例的光电封装结构中第三种光源耦合方式的示意图。

图10示出了本公开的实施例的光电封装结构中第四种光源耦合方式的示意图。

图11示出了本公开的实施例的光电封装结构中第五种光源耦合方式的示意图。

图12示出了本公开的实施例的光电封装结构中第六种光源耦合方式的示意图。

图13示出了本公开的实施例的光电封装结构中光源的结构的示意图。

图14示出了本公开的实施例的光子计算系统的示意图。

图15示出了本公开的实施例的另一光子计算系统的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图详细地描述本公开的实施例。虽然附图中示出了本公开的一些实施例，然而，应当理解的是，本公开不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反地，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

应当理解的是，本公开的实施方式中记载的各个元件、组件在一些情况下可以省略，并且本公开的实施例可以包括其它的元件、组件。此外，应当理解的是，各个实施例中描述的各种元件、组件或耦合方式可以相互组合，除非上下文明确表示相反或明显不适用。

本公开的实施例提供了一种光电封装结构。图1示出了本公开的实施例的光电封装结构100的整体配置的示意图。为了更清楚地理解本公开，图1在(a)中示出了本公开的实施例的光电封装结构100的俯视图，在(b)中示出了光电封装结构100在第一方向上的剖面图，在(c)中示出了光电封装结构100在第二方向上的剖面图，并且(d)中示出了光电封装结构100的局部细节剖面图。

如图1中的(a)至(c)所示，光电封装结构100包括基板110和芯片阵列120。

基板110是承载和互连芯片阵列120并用于安装到印刷电路板(PCB)上的面板。基板110的尺寸可以制作得较大，例如可扩展至310×310mm

如图1中的(d)所示，基板110在结构上可以包括核心层111、光互连网络112以及电互连网络113。核心层111的材料可以例如为玻璃、硅或陶瓷等。例如，可以在核心层111上先布设一层光学盖层材料，再布设波导材料，从而形成光互连网络112。例如，还可以在核心层111的下表面上布置至少一层电布线层，从而形成电互连网络113。

如图1的(a)中所示，光电封装结构100中的芯片阵列120可以包括至少一个光子集成电路(PIC)芯片和至少一个电子集成电路(EIC)芯片，它们布置在基板110的第一表面(例如，上表面)上，形成芯片的二维阵列。

在芯片阵列120包括多个光子集成电路芯片的情况下，多个光子集成电路芯片之间可以通过如上所述的光互连网络112进行光互连。此外，在芯片阵列120包括多个电子集成电路芯片的情况下，多个电子集成电路芯片可以通过如上所述的电互连网络113进行电互连。

在一些实施例中，为了进一步压缩封装体积，芯片阵列120中的至少一个光子集成电路芯片和至少一个电子集成电路芯片可以形成包括光子集成电路芯片和电子集成电路芯片的电子-光子混合芯片，例如，如图1中所示的EPIC，图1中的(d)示出了一个EPIC以及对应的基板部分的局部剖面图。

如图1中的(d)所示，电子-光子混合芯片EPIC中的光子集成电路芯片PIC具有贯穿其中的一个或多个导电通孔TDV，一个或多个导电通孔TDV与电互连网络113(例如，通过核心层111中的TGV)电连接。此外，如图所示，电子-光子混合芯片EPIC中的电子集成电路芯片EIC布置在光子集成电路芯片PIC的上表面上并且与一个或多个导电通孔TDV电连接。

需要说明的是，这里的术语“电子-光子混合芯片”并不意味着要采用除了如前所述的光子集成电路芯片和电子集成电路芯片之外的其它芯片，而是意味着光子集成电路芯片PIC和电子集成电路芯片EIC可以相互堆叠并连接形成整体结构，例如小芯片(chip-let)，从而将该整体结构布置在基板110上，作为芯片阵列120中的部分或全部芯片。

“电子-光子混合芯片”本身可以采用各种不同的方式形成。例如，可以在PIC芯片的上表面上布置多个第一电连接件，并且在EIC芯片的下表面上可以对应地布置多个第二电连接件，PIC芯片和EIC芯片通过第一电连接件和第二电连接件直接键合，从而形成“电子-光子混合芯片”的整体结构。可选地，电子-光子混合芯片也可以是包含一个PIC芯片和多个EIC芯片(例如，数字电子集成电路芯片(D-EIC)和模拟电子集成电路芯片(A-EIC))的整体结构，D-EIC芯片、A-EIC芯片和PIC芯片之间也可以通过如上所述第一电连接件和第二电连接件直接键合。此外，还可以利用倒装焊的连接方式键合将EIC芯片倒装到PIC芯片之上，从而形成如上所述的电子-光子混合芯片。形成“电子-光子混合芯片”不限于以上方式，还可以采用各种其他方式形成“电子-光子混合芯片”的整体结构，再此不再详细展开。

此外，如图1的(d)所示，基板110的下表面上还具有用于焊接到印刷电路板的焊接结构114，焊接结构114与电互连网络113电连接。例如，焊接结构114可以是多个LGA焊盘或BGA焊球。

图1示出的光电封装结构100中的芯片阵列除了包括如上所述的EIC芯片、PIC芯片、或EPIC芯片之外，还可以包括其他类型的芯片。例如，光电封装结构100还可以包括一个或多个存储芯片，例如，如图1所示的高带宽存储芯片HBM芯片。应当理解的是，如图1所示的EIC芯片、PIC芯片、EPIC芯片和HBM芯片仅仅是众多芯片中的一些示例，根据本公开的实施例的光电封装结构100还可以根据具体需要包含其他各种类型的芯片，包括但不限于温度控制芯片、功率控制芯片、光源芯片等等。

芯片阵列120的各个芯片之间通过电互连网络113进行电互连，并且通过光互连网络112进行光互连。在一些实施例中，电互连网络113还包括贯穿基板的核心层111的一个或多个导电通孔。

例如，如图1中的(d)所示，当核心层材料为玻璃的情况下，一个或多个导电通孔为如图所示的贯穿玻璃通孔(TGV)。或者，当核心层材料为陶瓷的情况下，一个或多个导电通孔可以是贯穿陶瓷通孔(TCV)。或者，当核心层材料为硅的情况下，一个或多个导电通孔可以是贯穿硅通孔(TSV)。

如上所述，布置在基板110上的多个光子集成电路芯片PIC之间可以通过光互连网络112进行光互连。以下将结合图2至图6详细描述多个PIC芯片之间通过光互连网络进行光互连的具体实现方式。

通常情况下，光子集成电路芯片PIC中布置有用于进行光传输的第一光波导，并且基板上的光互连网络通常包括第二光波导。光子集成电路芯片PIC与光互连网络之间可以通过第一光波导和第二光波导进行光耦合，进而通过光互连网络将多个光子集成电路芯片PIC互连在一起。

需要说明的是，在下文中提到的术语“第二光波导”可以表示光互连网络的一部分或全部。

在一些实施例中，基板上的光互连网络中的第二光波导可以包括各种类型的光波导。图2示出了本公开的实施例的光电封装结构中光互连网络中的光波导的示意图。

图2中的(a)示出了嵌入在基板的核心层中的嵌入式光波导，图2中的(b)示出了形成在基板的核心层的第一表面上的组合式光波导，并且图2中的(c)示出了形成在基板的核心层内的三维(3D)刻写波导。

在一些实施例中，基板上的光互连网络中的第二光波导可以是如图2中的(a)-(c)中所示的单层波导，也可以是如图2中的(d)中所示的多层波导，也可以是以上各种类型的光波导的组合。

取决于不同的光波导类型和不同的设计需求，布置在基板上的光子集成电路芯片PIC和光互连网络可以通过各种方式进行光耦合。取决于不同的光耦合方式，又可以有多种方式排列或布置光电封装结构中的电互连网络和光互连网络。

图3示出了本公开的实施例的光电封装结构300中第一种光耦合方式的示意图。简单起见，图3仅示出了一个包含EIC芯片和PIC芯片的EPIC芯片与基板上的光互连网络之间进行耦合的示意图。

如图3所示，EPIC芯片中的光子集成电路芯片PIC包括嵌入其中的多个第一光波导WG-1。基板上的光互连网络包括如图3所示的布置在基板的核心层上的第二光波导WG-2。在一些示例中，光波导WG-1和WG-2的材料可以为硅或者氮化硅。

具体地，第一光波导WG-1可包括第一光耦合部，并且第二光波导可包括第二光耦合部(图中未示出)，简单起见，可将例如第一光波导WG-1和第二光波导WG-2的端部视为各自的光耦合部。光子集成电路芯片PIC被贴合到基板的上表面上，使得PIC芯片中的第一光波导WG-1与基板的核心层上的第二光波导WG-2彼此靠近，例如，第一光波导WG-1和第二光波导WG-2的光耦合部在垂直于基板的上表面的方向上叠置且间隔预定距离H(例如，小于600nm)，使得第一光波导WG-1和第二光波导WG-2的光耦合部之间能够实现光的绝热耦合。

例如，来自左侧第二光波导WG-2的光可以通过WG-2耦合到PIC芯片中的第一光波导WG-1中，然后在PIC芯片中进行传输和处理之后，再次由右侧的第一光波导WG-1耦合到基板的核心层上的第二光波导WG-2中，进而以类似的方式再耦合到其他PIC芯片中，从而实现不同PIC芯片之间的光互连。

PIC芯片和光互连网络之间的绝热耦合方式可适用于如上关于图2所述的嵌入式波导和组合式波导类型。

此外，还需要说明的是，如图3所示，当采用绝热耦合方式进行光子集成电路芯片PIC与光互连网络之间的光耦合的情况下，由于绝热耦合要求光子集成电路芯片和光互连网络之间紧密贴合，通常不会在基板的上表面上布置电互连网络，而是仅将电互连网络布置在基板的下表面上，例如，电互连网络包括如图3所示的一层或多层电布线层113-1。

以上结合图3描述了PIC芯片和光互连网络之间的绝热耦合方式的各种配置，通过该耦合方式可以实现多个光子集成电路芯片之间的光互连。这种使用绝热耦合的技术对多个光子集成电路芯片进行光互连的封装结构由于光子集成电路芯片和基板之间的紧密贴合，有益于压缩封装结构的整体体积。

除了如上所述的绝热耦合方式之外，还可以采用光束重定向元件实现PIC芯片和光互连网络之间的光耦合。图4示出了本公开的实施例的光电封装结构400中第二种光耦合方式的示意图。

相比图3中的光电封装结构300，如图4所示的光电封装结构400还可以包括光束重定向元件130的阵列(例如，图4示出的两个光束重定向元件130)，其被布置在基板中，并且光束重定向元件130的高度被适当调整(例如，通过在基板上表面开槽)，使其与光互连网络中的第二光波导WG-2对准，进而使得光束重定向元件130的阵列中的每个光束重定向元件被配置为改变光束的方向以使其进入第二/第一光波导的光耦合器中。

在一些实施例中，光束重定向元件130可以是如图所示的棱镜。该棱镜被布置在基板的核心层上表面的凹槽中，并且其位置和高度被调整使得来自第一光波导WG-1的光可以通过折射或反射进入第二光波导WG-2，或者来自第二光波导WG-2的光可以通过折射或反射进入第一光波导WG-1，从而实现PIC芯片和光互连网络之间的光耦合。

在采用光束重定向元件130进行光耦合的情况下，第一光波导WG-1和/或第二光波导WG-2的光耦合部可以配置光栅耦合器GC，从而利用光栅的衍射效应进行光耦合，进而改变光的方向，实现光的垂直耦合。图4示出了第一光波导WG-1的端部配置有光栅耦合器GC的示例。

相比与图3中将光互连网络(例如，包括图3中的第二光波导WG-2)布置在基板的上表面上，并且将电互连网络(例如，包括图3中的一层或多层电布线层113-1)布置在与上表面相对的基板的下表面上，图4示出了光互连网络和电互连网络的另一种不同布置方式。

例如，如图4所示，由于光子集成电路芯片PIC和光互连网络之间没有采用绝热耦合方式进行光耦合，在这种情况下，不需要控制使得光子集成电路芯片PIC中的第一光波导和光互连网络距离很近，因此基板的上表面上也可以布置一层或多层电布线层113-2，作为电互连网络的一部分。例如，如图所示，电互连网络可以同时包括基板的核心层的下表面上的一层或多层电布线层113-1、以及基板的核心层的上表面上的一层或多层电布线层113-2。

在这种情况下，可以将光互连网络(例如，包括图4中的第二光波导WG-2)布置在基板的上表面上，并且第二光波导WG-2被电互连网络中的一层或多层电布线层113-2覆盖。

除了如上所述的绝热耦合和采用光束重定向元件垂直耦合方式之外，还可以采用光子引线键合(又称为PWB)的方式实现PIC和光互连网络之间的光耦合。图5示出了本公开的实施例的光电封装结构500中采用光子引线键合的光耦合方式的示意图。

如图5所示，光子集成电路芯片PIC的第一光波导WG-1的端部设置有边缘耦合器EC，所述第一光波导WG-1的边缘耦合器EC和第二光波导WG-2之间通过光子引线键合(PWB)的方式进行光耦合。

在集成电路中，通常使用金属打线的方法实现电子集成电路芯片间的互连。借鉴金属打线的思路，光学引线键合可以用于实现不同光子集成电路芯片、光子集成电路芯片与光网络之间的互连。相比金属打线，起到连接作用的“线”不再是金属，而是光波导。例如，如图5所示，可以通过PWB将PIC芯片的第一光波导WG-1的EC中的出光口与光互连网络中的第二光波导WG-2的入口光相连。该方案避免了传统方案中耗时较多的对准调节，节省了光束整形所需的透镜等，并且制备简单快捷，利于大规模的生产。

如上所述的垂直耦合方式和光子引线键合方式也可适用于如上关于图2所述的嵌入式波导和组合式波导类型。

此外，如图5所示，当采用光子引线键合进行光子集成电路芯片PIC与光互连网络之间的光耦合(稍后会详细描述)的情况下，电互连网络也可以同时布置在基板的上下两个表面上。在上表面上布置有电互连网络的一层或多层电布线层113-2的情况下，为了使光子引线键合易于操作，可以将光互连网络(例如，包括图5中的第二光波导WG-2)和基板上表面上的一层或多层电布线层113-2布置在基板的上表面上的不同位置处，而不是如图4所示将电布线层覆盖在第二光波导的上方。例如，可以将基板上表面上的一层或多层电布线层113-2布置在PIC芯片下方并且由PIC芯片覆盖，同时在基板上表面上其余未布置电布线层的区域布置光互连网络。在这种情况下，光互连网络并是如图4中被电互连网络覆盖，二者是并列布置在基板的上表面上。

在一些实施例中，基板上的光互连网络中的第二光波导还可以包括如上关于图2所述的3D刻写波导，例如，作为形成在玻璃层中的三维波导网络，在这种情况下，还可以直接使用光栅耦合器实现光子集成电路芯片和光互连网络的光耦合。

图6示出了本公开的实施例的光电封装结构600中第四种光耦合方式的示意图。

如图6所示，基板上的光互连网络中的第二光波导WG-2是三维波导网络，例如，三维波导网络是通过在玻璃内部诱导局部玻璃使局部玻璃的折射率提高而构成的网络结构。例如，可以使用超快(例如，飞秒)激光刻写工艺在玻璃内部创建嵌入式的三维波导网络。光子集成电路芯片PIC还包括连接到第一光波导的光栅耦合器GC，第一光波导通过光栅耦合器GC耦合到所述三维波导网络。

图6示出的三维波导网络形成于附加在基板的核心层的玻璃层中，这仅仅是示意性的。在一些示例中，也可以直接在基板的核心层中采用飞秒激光照射核心层内的预设位置，以提高预设位置的折射率，从而在核心层内形成所述三维波导网络。

利用三维波导网络有利于形成更为丰富和高效的三维立体光波导通路，从而可以进一步压缩光电封装结构的体积。

此外，如图6所示，当采用光栅耦合器结合三维波导网络进行光子集成电路芯片PIC与光互连网络之间的光耦合的情况下，可以将光互连网络(例如，包括图6中的三维波导WG-2)和电互连网络中的一层或多层电布线层113-2布置在基板的上表面上的不同位置处。在这种情况下，光互连网络与电互连网络也是并列布置在基板的上表面上的不同位置处。

以上描述了光电封装结构中光子集成电路芯片和光互连网络之间的各种光耦合方式、以及各种光互连网络和电互连网络的布置方式。各种耦合方式都具有各自的明显优势，可以根据需要在同一个封装的不同位置处采用不同的耦合方式，或者在不同的封装中分别采用不同的耦合方式。例如，绝热耦合由于光子集成电路芯片和基板之间的紧密贴合，有利用压缩封装的体积。采用光束重定向元件的垂直耦合方式能够改变光的传播方向，芯片的布置方式可以更加灵活。光子引线键合的方式插入损耗小，而且对器件对准的要求相对较低，节省了光束整形所需的透镜等，并且制备简单快捷，有利于大规模的生产。利用三维波导网络的光栅耦合有利于形成更为丰富和高效的三维立体光波导通路，从而可以进一步压缩光电封装结构的体积。本领域技术人员可以根据需要选择合适的光耦合方式或其组合，各种组合方式同样落入本公开的保护范围内。

此外，需要说明的是，以上虽然结合光子集成电路芯片和光互连网络之间的各种光耦合方式描述了电互连网络和光互连网络的各种布置方式，这仅仅是示例性的。在实践中可以结合其他因素合理布置电互连网络和光互连网络，从而在实现光互连和电互连的同时，进一步压缩光电封装的体积，并且提高处理的效率。

同时，也可以结合具体应用合理设计电互连网络的具体结构，例如，需要布置一层还是多层电布线层、是布置在基板的一侧表面还是两侧表面上、多层布线层之间是否需要互连结构等等。

例如，当电互连网络包括位于基板核心层的一侧表面(例如，上表面或下表面)上的多层电布线层的情况下，电互连网络还可包括同时连接多层电布线层的一个或多个盲孔，用于对一侧表面上的多层电布线层进行电互连。

此外，在一些实施例中，基板的核心层的上表面上可以设置一个或多个凹槽，用于在其中或其上布置芯片阵列中的一些芯片。例如，如图10所述的光源LS可以布置在基板的核心层上表面的凹槽中，这将在后文中详细描述。此外，一些凹槽中也可以布置一层或多层电布线层，作为电互连网络的部分或全部。例如，电互连网络还可以包括如图10所示的布置在基板的核心层的的凹槽中一层或多层电布线层113-3。

在核心层上布置有凹槽的情况下，可以将芯片阵列中的至少一些芯片布置在凹槽上方并覆盖所述凹槽。需要注意的是，在基板的核心层上设置有凹槽的情况下，可以将光互连网络布置在例如基板的第一表面(上表面)上未被凹槽占据的区域中。

例如，如图10所示，可以将光子集成电路芯片PIC布置在凹槽上方并且覆盖凹槽，凹槽中布置有一层或多层电布线层113-3。设置这种凹槽的作用在于，因为PIC中的第一光波导WG-1和核心层上的第二光波导WG-2需要紧密贴合以实现光的绝热耦合，而PIC上方的EIC的导电通路通常位于PIC下表面，而基板的上表面需要形成导电凸块等电连接结构，导电凸块键合之后通常厚度比较厚，会影响第一光波导WG-1和第二光波导WG-2之间的距离，在PIC的下方形成凹槽可以把导电凸块容纳在凹槽里，从而解决第一波导WG-1和第二波导WG-2之间的距离过大的问题，并且可以在凹槽中进行电布线，从而增加电布线密度。

应当理解的是，虽然电互连网络可以包括基板的核心层上表面、下表面以及上表面的凹槽中的一层或多层电布线层，但电互连网络的布置方式并不一定是从其中择一，还可以包括各种布置方式及其组合。

例如，电互连网络可以仅包括基板的核心层的下表面上的一层或多层电布线层，如2所示。或者，电互连网络可以包括基板的核心层的下表面上的一层或多层电布线层和基板的核心层的上表面上的一层或多层电布线层，如图4所示。可选地，电互连网络可以包括基板的核心层的下表面上的一层或多层电布线层和基板的核心层的上表面的凹槽中的一层或多层电布线层，如图10所示。显而易见的是，电互连网络也可以仅包含基板的核心层的上表面上的一层或多层电布线层，可以仅包含基板的核心层的上表面的凹槽中的一层或多层电布线层，或者同时包括以上三种电布线层的组合。

如前所述，根据本公开的实施例的光电封装结构还可以根据具体需要包含其他各种类型的芯片，包括但不限于温度控制芯片、功率控制芯片、光源芯片等等。下面将结合附图描述光电封装结构在包括光源芯片(以下称为“光源”)的情况下光源与光子集成电路芯片之间的光耦合方式。

在本公开的实施例的光电封装结构包括光源的情况下，该光源被配置为向光电封装结构中的光子集成电路芯片提供光。图7至图12示出了本公开的实施例的光电封装结构中各种光源耦合方式的示意图。

本公开中的光源的耦合方式大致可分为三类，分别为自对准耦合方式、光子引线键合方式和自由空间光学耦合方式。取决于将来自光源的光直接耦合到光子集成电路芯片，还是直接耦合到光互连网络中，本公开的光源的耦合方式又可分为如图7-12所示的六种具体方式。

图7示出了本公开的实施例的光电封装结构700中第一种光源耦合方式的示意图，即将光源以自对准的方式耦合到光子集成电路芯片中。

如图7所示，光源LS被布置在基板的上表面上，并且位于光子集成电路芯片PIC附近。通过调整光源LS和光子集成电路芯片PIC的安装高度和其在基板上表面上的相对位置，使得光源LS发出的光自对准到光子集成电路芯片PIC的边缘耦合器EC中，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

类似地，图8示出了本公开的实施例的光电封装结构800中第二种光源耦合方式的示意图，即将光源的光以自对准的方式耦合到光互连网络中，继而通过绝热耦合再次耦合到光子集成电路芯片中，从而为光子集成电路芯片提供光。

如图8所示，光源LS同样布置在基板的上表面上，但是光源LS与光子集成电路芯片PIC之间还存在光互连网络中的第二光波导WG-2。通过调整光源LS的高度，以及光源LS和第二光波导WG-2在基板上表面上的相对位置，使得光源LS发出的光自对准到第二光波导WG-2中。然后第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式进行光耦合，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

应当理解的是，图8所示的第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式仅仅是示例性的，也可以采取如上所述的垂直耦合、光子引线键合等其他方式实现光互连网络和光子集成电路芯片之间的光耦合。

如图7-8所述的光源自对准耦合方式对器件对准的要求很高，需要对各个芯片的高度、光互连网络的高度以及平面布局等进行精密设计和布局。其优势在于节省了光束整形所需的透镜等，结构紧凑，有利于实现光电封装结构的体积的进一步压缩。

对于器件对准精度较低的场合，可以采用光子引线键合的方式进行光源耦合。图9示出了本公开的实施例的光电封装结构900中第三种光源耦合方式的示意图，即将光源的光以光子引线键合的方式耦合到光子集成电路芯片中。

如图9所示，光源LS同样布置在基板的上表面上，并且位于光子集成电路芯片附近。通过使用PWB将光源LS发出的光直接耦合到光子集成电路芯片PIC的边缘耦合器EC中，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

类似地，图10示出了本公开的实施例的光电封装结构1000中第四种光源耦合方式的示意图，即将光源的光以光子引线键合的方式耦合到光互连网络中，继而通过绝热耦合再次耦合到光子集成电路芯片中，从而为光子集成电路芯片提供光。

如图10所示，为了使光源LS与光互连网络中的第二光波导WG-2保持大致同样的高度，可以将光源布置在基板的上表面上的凹槽中，通过使用PWB将光源LS发出的光直接耦合到光互连网络中的第二光波导WG-2中，然后第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式进行光耦合，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

应当理解的是，图10所示的第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式仅仅是示例性的，也可以采取如上所述的垂直耦合、光子引线键合等其他方式实现光互连网络和光子集成电路芯片之间的光耦合。

此外，还可以采用自由空间光学耦合方式进行光源的光耦合。图11示出了本公开的实施例的光电封装结构1100中第五种光源耦合方式的示意图，即利用光束整形元件将光源的光耦合到光子集成电路芯片中。

如图11所示，光源LS同样布置在基板的上表面上，并且位于光子集成电路芯片附近。光束整形元件140被布置在光源LS和光子集成电路芯片之间。通过调整光源LS、光束整形元件140和光子集成电路芯片PIC的安装高度和其在基板上表面上的相对位置，使得光源LS发出的光通过光束整形元件140对准到光子集成电路芯片PIC的边缘耦合器中，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

类似地，图12示出了本公开的实施例的光电封装结构1200中第六种光源耦合方式的示意图，即利用光束整形元件将光源的光耦合到光互连网络中，继而通过绝热耦合再次耦合到光子集成电路芯片中，从而为光子集成电路芯片提供光。

如图12所示，为了使光源LS、光束整形元件140与光互连网络中的第二光波导WG-2保持大致同样的高度，可以将光源LS和光束整形元件140布置在基板的上表面上的凹槽中，通过使用光束整形元件140将光源LS发出的光对准到光互连网络中的第二光波导WG-2中，然后第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式进行光耦合，从而使光源LS向光子集成电路芯片PIC提供光。

应当理解的是，图12所示的第二光波导WG-2与光子集成电路芯片中的第一光波导WG-1采用绝热耦合方式仅仅是示例性的，也可以采取如上所述的垂直耦合、光子引线键合等其他方式实现光互连网络和光子集成电路芯片之间的光耦合。

如图11-12所示的采用自由空间光学耦合方式耦合光源的方式虽然也要求各个器件进行高度和水平位置上的对准，但是由于采用了光束整形元件(例如，透镜)，其对对准精度的要求相对如上关于图7-8所述的自对准方式要低一些，并且由于采用光束整形元件，光耦合效率也大大提高了。

在以上关于图7至图12描述的光源耦合方式的实施例中，其中的光源LS都可以是如图13所示的带有温控功能的光源。例如，光源LS可以包括激光器LS-1，其被配置为发射光；光源基板LS-2，其用于布置或承载激光器LS-1；以及温度控制器TEC，其布置在激光器LS-1和光源基板LS-2的下方，并且被配置为通过调节激光器LS-1的温度来控制激光器LS-1发射的光的波长。

应当理解的是，如上所述的带有温控功能的光源仅仅是示例性的，而非限制性的。本公开的实施例中的光电封装结构还可以包括其他各种类型的光源。

通过采用如上所述的各种光电封装结构，可以实现各种光子计算系统，例如，用于实现AI计算的光子计算系统。图14示出了本公开的实施例的光子计算系统1400的示意图。图15示出了本公开的实施例的另一光子计算系统1500的示意图。

如图14所示，当光子计算系统1400采用如前所述的不包括内置光源芯片的光电封装结构(例如，如图1-4所示的光电封装结构)的情况下，可以采用如图14所示的外置光源LS为光电封装结构1410提供光。

在图14所示的光子计算系统1400中，印制电路板PCB被配置为承载光电封装结构1410和其他组件。如图所示，印制电路板PCB与光电封装结构1410的基板的下表面上的焊接结构电连接。

另外，光源LS以及其他组件也被布置在印制电路板PCB上。例如，外置光源LS被布置在光电封装结构1410附近，用于为光电封装结构1410提供光。可选地，外置光源LS和光电封装结构1410还可以布置类似的光束整形元件140，从而对外置光源LS发出的光进行准直，使其以更高的耦合效率耦合到光电封装结构1410中。

需要说明的是，图14所示的利用光束整形元件将外置光源LS的光耦合到光电封装结构1410中的PIC中的方式仅仅是示例性的。在采用外置光源LS的情况下，同样可以采用与如图7至12所示的任何一种方式类似的方式实现光源与光电封装结构1410的光耦合，在此不再赘述。

光子计算系统1400除了包括如上所述的光电封装结构1410、外置光源LS、光束整形元件140和印制电路板PCB之外，还可以包括其他光学元件或电子元件。例如，光子计算系统1400还可以包括如图14所示的功率控制器PC，用以控制整个光子计算系统1400的功率消耗。

相比图14所示的光子计算系统1400，图15所示的光子计算系统1500可以采用包括内置光源芯片的光电封装结构(例如，如图7-13所示的光电封装结构)。

在图15所示的光子计算系统1500中，印制电路板PCB被配置为承载光电封装结构1510和其他组件。如图所示，印制电路板PCB与光电封装结构1510的基板的下表面上的焊接结构电连接。

另外，由于光电封装结构1510自身包括内置光源，可以不需要额外的外置光源为其提供光。另外，其他组件也可以被布置在印制电路板PCB上。例如，光子计算系统1500还可以包括如图15所示的功率控制器PC，用以控制整个光子计算系统1500的功率消耗。

在上述描述中，已经结合附图描述了本公开的实施例。应当理解的是，上述实施例仅仅是说明性的，并且本领域技术人员应当理解，可以以各种方式修改或组合本实施例的构成元素，并且这种修改合组合也落入本公开的范围内。