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

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引言硅基光電子技術(shù)成為高性能計算（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，重點關(guān)注惠普企業(yè)（HPE）研究人員開發(fā)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊、集成平臺和封裝解決方案。

9 e  E, k, A5 C) l: w$ i" j5 H% T! \. J用于高性能計算的DWDM架構(gòu)
3 l$ t* y0 O, p" @7 I! W; L5 h3 n( m為滿足HPC系統(tǒng)不斷增長的帶寬需求，HPE開發(fā)了新型DWDM光收發(fā)器架構(gòu)。這種方法利用光學(xué)的波長復(fù)用能力，在保持能源效率和低延遲的同時實現(xiàn)高聚合帶寬。

- A4 l3 s7 W/ |# {5 |圖1：DWDM光收發(fā)器鏈路示意圖，展示了高基數(shù)交換機之間的大帶寬通信。
7 i: `5 @' L3 f# ~2 F& I如圖1所示，該架構(gòu)使用多波長梳狀激光源產(chǎn)生多個光載波。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（解）復(fù)用器。在接收端，類似的微環(huán)諧振器陣列將各個波長通道傳送到光電探測器進行檢測。
& D: P. {, \5 @5 J, D關(guān)鍵構(gòu)建模塊
多波長梳狀激光器量子點（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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( a( f& S* h) Z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） 單個梳齒線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)难蹐D和誤碼率。
% b: N. p& u' l& y) I圖2顯示了集成在硅上的QD梳狀激光器，具有2.3毫米長的腔體，集成了鏡面和可飽和吸收體。該器件展示了相對平坦的梳狀譜，3-dB帶寬為1.2 THz，通道間隔為101 GHz。數(shù)據(jù)傳輸實驗表明，在15個測量通道中有14個在10 Gb/s時可以無誤差運行。
高效相位調(diào)諧器和調(diào)制器對于DWDM系統(tǒng)，精確控制各個通道的波長非常重要。HPE開發(fā)了新型異質(zhì)金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器（MOSCAP）結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近零靜態(tài)功耗的精細調(diào)諧。

/ w1 T: Z1 U, u5 n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） 測量的譜圖，顯示微環(huán)諧振隨MOSCAP偏置的變化。
9 x0 o1 C" \/ @& I圖3展示了與微環(huán)諧振器集成的MOSCAP結(jié)構(gòu)。通過施加偏置電壓，可以調(diào)制氧化物界面附近的載流子濃度，通過等離子體色散效應(yīng)實現(xiàn)快速和高效的相位調(diào)諧。僅使用4V偏置就實現(xiàn)了超過1 nm的波長移動，對應(yīng)超低調(diào)諧功率5.3 nm/pW。
高性能光電探測器接收端開發(fā)了兩種類型的雪崩光電探測器（APDs）：硅-鍺（Si-Ge）APDs和異質(zhì)QD APDs。
Si-Ge APDs：

圖4：（a） 波導(dǎo)Si-Ge SACM APD的橫截面和（b）鳥瞰圖示意圖，以及（c）制造的器件俯視圖。
" m' s$ v: q6 q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。

* }6 Q3 z/ X/ B9 N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時的32 Gb/s NRZ和64 Gb/s PAM4眼圖。
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)制的清晰開放眼圖。
7 q" G$ z- ?. @9 l異質(zhì)QD APDs：利用與QD激光器相同的外延層，還開發(fā)了異質(zhì)QD APDs。這些器件顯示出有希望的性能，包括創(chuàng)紀錄的低暗電流和高雪崩增益。

/ o- n- C; I+ ?6 t7 \; W, C& @圖6：12 μm × 150 μm器件的（a） 準TE模式和準TM模式增益，以及（b） S21頻率響應(yīng)。
. S" G9 W4 D0 w1 K圖6展示了QD APD的偏振相關(guān)增益和頻率響應(yīng)。已實現(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。
集成平臺開發(fā)為實現(xiàn)III-V材料與硅基光電子的大規(guī)模、低成本集成，HPE開發(fā)了新型"鍵合加外延"方法。
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; a, s4 F0 s1 N/ e# X" n圖7：制造無缺陷異質(zhì)平臺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，（f） III-V臺面形成和金屬化。
圖7說明了這種集成平臺的工藝流程。通過首先將薄III-V模板層鍵合到硅襯底上，然后進行外延重生長，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，顯著降低了位錯密度。

圖8：（a） 器件橫截面。（b） 混合端面的SEM圖。混合端面激光器：（c） RT脈沖LIV（器件顯微鏡圖像），（d） 脈沖LI高達40°C（端面模式分布），（e） 器件光譜。（f） CW LI高達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35°C（端面模式分布）。
- v, J' x$ o: P; i8 |! W6 ]4 [3 w圖8顯示了使用這種平臺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40°C的溫度下實現(xiàn)激射。
先進的晶圓級測試和分析為解決環(huán)形諧振器器件的表征和鑒定挑戰(zhàn)，HPE開發(fā)了先進的晶圓級測試和分析技術(shù)。
1. 使用混合鍵合的堆疊PIC和EIC

圖9：（a） 接收環(huán)路中一個頻段內(nèi)檢測到的29個共振。（b） 同一接收環(huán)路6個頻段的所有共振。（c） 分層聚類結(jié)果，相同通道用相同顏色和符號編碼。
圖9展示了一種基于機器學(xué)習(xí)的方法，用于準確檢測和標記多環(huán)DWDM收發(fā)器中的共振。通過分析多個波長頻段的共振，該技術(shù)可以區(qū)分由反射引起的分裂峰和相鄰環(huán)的實際共振。
新型光纖連接解決方案硅基光電子封裝的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是實現(xiàn)低損耗、可靠的光學(xué)接口。HPE開發(fā)了可拆卸的擴展光束光連接器，用于與光柵耦合器陣列連接。
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+ W; v% L- W2 ^/ o$ K圖10：光連接器（a）橫截面和（b）組裝到硅基光電子中間層上。
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直到擴展光束空間，實現(xiàn)與標準單模光纖的可拆卸接口。
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圖11：光纖到光纖（a）插入損耗重復(fù)性，以及（b， c）兩個回環(huán)光纖通道的傳輸譜。
5 @. i$ J' y( b7 P圖11展示了這種連接器的性能，顯示出低插入損耗（
% D$ B6 p9 R$ x5 d# }. K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。通過利用DWDM架構(gòu)和先進的集成平臺，可以在帶寬密度、能源效率和成本效益方面取得顯著改進。該領(lǐng)域的持續(xù)研究和開發(fā)將在未來帶來更大的性能提升。
參考文獻[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.
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