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硅基光電子技術(shù)在高性能計(jì)算中的應(yīng)用:密集波分復(fù)用技術(shù)的創(chuàng)新

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發(fā)表于 2024-9-4 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |正序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言硅基光電子技術(shù)成為高性能計(jì)算(HPC)和數(shù)據(jù)中心互連的技術(shù)。本文探討了密集波分復(fù)用(DWDM)硅基光電子技術(shù)的創(chuàng)新,重點(diǎn)關(guān)注惠普企業(yè)(HPE)研究人員開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊、集成平臺(tái)和封裝解決方案。* A1 }  \7 Z2 S7 d
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用于高性能計(jì)算的DWDM架構(gòu)
4 H& s- l4 k+ }7 Q& e為滿足HPC系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的帶寬需求,HPE開(kāi)發(fā)了新型DWDM光收發(fā)器架構(gòu)。這種方法利用光學(xué)的波長(zhǎng)復(fù)用能力,在保持能源效率和低延遲的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高聚合帶寬。
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圖1:DWDM光收發(fā)器鏈路示意圖,展示了高基數(shù)交換機(jī)之間的大帶寬通信。" G' V* m# ^0 s
如圖1所示,該架構(gòu)使用多波長(zhǎng)梳狀激光源產(chǎn)生多個(gè)光載波。這些載波隨后被微環(huán)諧振器調(diào)制器陣列調(diào)制,這些調(diào)制器還充當(dāng)波長(zhǎng)(解)復(fù)用器。在接收端,類(lèi)似的微環(huán)諧振器陣列將各個(gè)波長(zhǎng)通道傳送到光電探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。
8 u* e7 U( \" K: J" b1 s- P4 ~$ R關(guān)鍵構(gòu)建模塊  l( H, ^# m* z
多波長(zhǎng)梳狀激光器量子點(diǎn)(QD)基激光器由于其寬增益帶寬和高效的高溫工作特性,特別適合作為梳狀光源。HPE已經(jīng)在硅上展示了具有出色性能的異質(zhì)集成QD梳狀激光器。
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圖2:(a) 硅上QD梳狀激光器的俯視圖。(b) 制造的器件的光學(xué)顯微鏡圖像。(c) 顯示1.2 THz 3-dB帶寬梳狀譜的光譜圖。(d) 單個(gè)梳齒線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)难蹐D和誤碼率。
) O, z9 i+ S" O( B# ?/ ?" D5 {" f圖2顯示了集成在硅上的QD梳狀激光器,具有2.3毫米長(zhǎng)的腔體,集成了鏡面和可飽和吸收體。該器件展示了相對(duì)平坦的梳狀譜,3-dB帶寬為1.2 THz,通道間隔為101 GHz。數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)表明,在15個(gè)測(cè)量通道中有14個(gè)在10 Gb/s時(shí)可以無(wú)誤差運(yùn)行。) b; \+ Y$ t/ ~4 U
高效相位調(diào)諧器和調(diào)制器對(duì)于DWDM系統(tǒng),精確控制各個(gè)通道的波長(zhǎng)非常重要。HPE開(kāi)發(fā)了新型異質(zhì)金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器(MOSCAP)結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)近零靜態(tài)功耗的精細(xì)調(diào)諧。
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圖3:(a) 異質(zhì)MOSCAP的TEM圖像和集成MOSCAP的微環(huán)諧振器/調(diào)制器示意圖。(b) 異質(zhì)MOSCAPs的電容-電壓特性。(c) 測(cè)量的譜圖,顯示微環(huán)諧振隨MOSCAP偏置的變化。
4 [  i2 n, E9 ?3 W" z8 _圖3展示了與微環(huán)諧振器集成的MOSCAP結(jié)構(gòu)。通過(guò)施加偏置電壓,可以調(diào)制氧化物界面附近的載流子濃度,通過(guò)等離子體色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速和高效的相位調(diào)諧。僅使用4V偏置就實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1 nm的波長(zhǎng)移動(dòng),對(duì)應(yīng)超低調(diào)諧功率5.3 nm/pW。" ^7 [0 |7 [0 D/ g
高性能光電探測(cè)器接收端開(kāi)發(fā)了兩種類(lèi)型的雪崩光電探測(cè)器(APDs):硅-鍺(Si-Ge)APDs和異質(zhì)QD APDs。: b6 N2 ~! A4 E% L
Si-Ge APDs:- v0 o* g: k; Z5 r% t
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圖4:(a) 波導(dǎo)Si-Ge SACM APD的橫截面和(b)鳥(niǎo)瞰圖示意圖,以及(c)制造的器件俯視圖。& u5 |; v4 T$ q  V! O+ A' j6 b
圖4顯示了波導(dǎo)耦合Si-Ge分離吸收、電荷和倍增(SACM)APD的結(jié)構(gòu)。這些器件表現(xiàn)出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性,擊穿電壓溫度系數(shù)僅為4.2 mV/°C。
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圖5:Si-Ge波導(dǎo)APDs在(a) 30°C和(b) 90°C下,倍增因子M約為6、8和11.5時(shí)的32 Gb/s NRZ和64 Gb/s PAM4眼圖。- j9 T, o- f9 y+ M
圖5展示了這些APDs的高速性能,在30°C和90°C下均顯示出32 Gb/s NRZ和64 Gb/s PAM4調(diào)制的清晰開(kāi)放眼圖。
8 E6 l+ D9 n0 S$ r( u# r( a異質(zhì)QD APDs:利用與QD激光器相同的外延層,還開(kāi)發(fā)了異質(zhì)QD APDs。這些器件顯示出有希望的性能,包括創(chuàng)紀(jì)錄的低暗電流和高雪崩增益。
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圖6:12 μm × 150 μm器件的(a) 準(zhǔn)TE模式和準(zhǔn)TM模式增益,以及(b) S21頻率響應(yīng)。/ M; D  N9 m) T4 ]- r
圖6展示了QD APD的偏振相關(guān)增益和頻率響應(yīng)。已實(shí)現(xiàn)最大增益150(TE)和300(TM),3-dB帶寬為15 GHz,增益帶寬積為300 GHz。7 f7 Z3 c8 L, d3 H
集成平臺(tái)開(kāi)發(fā)為實(shí)現(xiàn)III-V材料與硅基光電子的大規(guī)模、低成本集成,HPE開(kāi)發(fā)了新型"鍵合加外延"方法。
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圖7:制造無(wú)缺陷異質(zhì)平臺(tái)和硅光源的示意流程:(a) 硅波導(dǎo)形成,(b) 介電層沉積,(c) III-V到硅鍵合,(d) 大塊III-V襯底去除,(e) III-V外延生長(zhǎng),(f) III-V臺(tái)面形成和金屬化。, [( E! y9 u4 u4 @4 r
圖7說(shuō)明了這種集成平臺(tái)的工藝流程。通過(guò)首先將薄III-V模板層鍵合到硅襯底上,然后進(jìn)行外延重生長(zhǎng),這種方法消除了晶格和極性不匹配,與直接異質(zhì)外延相比,顯著降低了位錯(cuò)密度。' R) O0 s! Y& Q4 T2 t

6 I1 P: l7 h. i/ {0 ]圖8:(a) 器件橫截面。(b) 混合端面的SEM圖;旌隙嗣婕す馄鳎海╟) RT脈沖LIV(器件顯微鏡圖像),(d) 脈沖LI高達(dá)40°C(端面模式分布),(e) 器件光譜。(f) CW LI高達(dá)25°C。硅端面激光器:(g) RT脈沖LIV(器件顯微鏡圖像和錐形結(jié)構(gòu)SEM圖)。(h) 脈沖LI高達(dá)35°C(端面模式分布)。
! R3 j- X3 G$ j0 ?, e9 K- y8 c4 o& ?9 P圖8顯示了使用這種平臺(tái)制造的激光器的性能,展示了良好的光-電流-電壓(LIV)特性,可在高達(dá)40°C的溫度下實(shí)現(xiàn)激射。6 p" a0 G9 q# h, q
先進(jìn)的晶圓級(jí)測(cè)試和分析為解決環(huán)形諧振器器件的表征和鑒定挑戰(zhàn),HPE開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的晶圓級(jí)測(cè)試和分析技術(shù)。' K5 P0 S* r  z, ^
1. 使用混合鍵合的堆疊PIC和EIC
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圖9:(a) 接收環(huán)路中一個(gè)頻段內(nèi)檢測(cè)到的29個(gè)共振。(b) 同一接收環(huán)路6個(gè)頻段的所有共振。(c) 分層聚類(lèi)結(jié)果,相同通道用相同顏色和符號(hào)編碼。
; T) M6 o6 ~' _: X* P圖9展示了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,用于準(zhǔn)確檢測(cè)和標(biāo)記多環(huán)DWDM收發(fā)器中的共振。通過(guò)分析多個(gè)波長(zhǎng)頻段的共振,該技術(shù)可以區(qū)分由反射引起的分裂峰和相鄰環(huán)的實(shí)際共振。
1 T+ a' k" A; v, Y新型光纖連接解決方案硅基光電子封裝的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)低損耗、可靠的光學(xué)接口。HPE開(kāi)發(fā)了可拆卸的擴(kuò)展光束光連接器,用于與光柵耦合器陣列連接。5 s5 P6 K- T! D6 C: [/ ^- |' ~
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圖10:光連接器(a)橫截面和(b)組裝到硅基光電子中間層上。2 g5 c; Y" g8 @$ C
圖10顯示了這種連接器解決方案的橫截面和組裝。使用微透鏡陣列芯片將光柵耦合器的光束準(zhǔn)直到擴(kuò)展光束空間,實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的可拆卸接口。- Y; e) W. h; U( Z6 U

/ {1 i, s3 }" p! V  Q& F: Y圖11:光纖到光纖(a)插入損耗重復(fù)性,以及(b, c)兩個(gè)回環(huán)光纖通道的傳輸譜。3 C; _9 l- J9 Z  k- ?5 ~
圖11展示了這種連接器的性能,顯示出低插入損耗(2 _+ b6 S$ z8 P+ C9 t( c2 M
結(jié)論本文介紹的創(chuàng)新展示了硅基光電子技術(shù)在下一代HPC互連中的潛力。通過(guò)利用DWDM架構(gòu)和先進(jìn)的集成平臺(tái),可以在帶寬密度、能源效率和成本效益方面取得顯著改進(jìn)。該領(lǐng)域的持續(xù)研究和開(kāi)發(fā)將在未來(lái)帶來(lái)更大的性能提升。* {, ]$ ^- h. [2 k7 }9 Q3 _
參考文獻(xiàn)[1]M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.5 [; |( {5 f" `. p/ S' L
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