新一代光通信的硅基光電子技術(shù)與多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
本文探討英特爾在300毫米硅平臺(tái)上異質(zhì)集成激光器技術(shù)的發(fā)展，介紹用于光I/O應(yīng)用的多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器[1]。
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平臺(tái)技術(shù)與性能
英特爾在過(guò)去二十多年間開(kāi)發(fā)硅基光電子平臺(tái)，成功將有源和無(wú)源器件集成到單一光電子集成芯片上。該平臺(tái)利用先進(jìn)的CMOS技術(shù)和商用300毫米晶圓制造工藝，每年為數(shù)據(jù)中心通信生產(chǎn)超過(guò)一百萬(wàn)件產(chǎn)品。這套高性能光電子器件包括集成多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光源、半導(dǎo)體光放大器、微環(huán)調(diào)制器、高速光電探測(cè)器和各種無(wú)源器件。
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9 T8 b6 n) T' A. d4 ^圖1展示了使用300毫米晶圓制造工藝生產(chǎn)的英特爾完整光電子器件套件。

該平臺(tái)在0°C到80°C的嚴(yán)苛工作條件下，展現(xiàn)了跨多片300毫米晶圓的卓越穩(wěn)定性和一致性。長(zhǎng)期可靠性測(cè)試顯示出優(yōu)異結(jié)果，激光器壽命超過(guò)10年，失效率（FIT）低于0.1。

圖2展示了平臺(tái)的優(yōu)異穩(wěn)定性：(a)顯示了不同溫度下多片300毫米晶圓上CWDM激光器波長(zhǎng)的一致性表現(xiàn)，(b)展示了長(zhǎng)期運(yùn)行期間偏置電流的微小漂移。

多波長(zhǎng)激光器解決方案
對(duì)于光學(xué)計(jì)算互連（OCI）應(yīng)用，高性能、高通道數(shù)的多波長(zhǎng)激光源具有重要作用。英特爾開(kāi)發(fā)了多種方法在單一總線波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)多載波，每種方法都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
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圖3展示了三種不同的多波長(zhǎng)激光器實(shí)現(xiàn)方案：(a,b)顯示了具有均勻間距的8通道DFB陣列，(c,d)展示了4λ單腔激光器設(shè)計(jì)，(e,f)展示了8通道鎖模激光器配置。

第一種方法使用N×N復(fù)用器組合多個(gè)單波長(zhǎng)分布反饋（DFB）激光器。8×8配置展現(xiàn)出200 GHz ± 13 GHz的均勻通道間距，超過(guò)45 dB的邊模抑制比，低于-150 dB/Hz的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。此配置支持兼容PCIe Gen5的4 Tbps雙向光學(xué)輸入/輸出chiplet，在數(shù)十米距離內(nèi)每個(gè)方向提供64條32 Gbps數(shù)據(jù)通道。
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, H& {- x4 b" j& {/ {" t7 q為在單一總線波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)更高的通道數(shù)，英特爾使用硅波導(dǎo)中的多段光柵開(kāi)發(fā)了具有200 GHz間距的4λ DFB激光器。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)僅使用四個(gè)激光器即可實(shí)現(xiàn)16載波每總線波導(dǎo)的配置。激光器展現(xiàn)出優(yōu)異的規(guī)格，包括超過(guò)30 dB的邊模抑制比，低于-140 dB/Hz的相對(duì)強(qiáng)度噪聲，以及小于300 kHz的洛倫茲線寬，能夠支持64 GHz NRZ傳輸。
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9 M( e# f1 \% g- m2 ~) ~鎖模激光器是另一種可在單一腔體中支持更高通道數(shù)的多波長(zhǎng)光源方案。英特爾已開(kāi)發(fā)出8通道鎖模激光器作為概念驗(yàn)證。目前實(shí)現(xiàn)方案顯示18 GHz的通道間距，光學(xué)帶寬受腔長(zhǎng)和DBR反射鏡限制，正在進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化工作以提升性能。

1 Q8 Q2 P8 [+ Z: N+ |結(jié)論
" p; P5 C( P5 [9 d; g這些多波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，標(biāo)志著在滿足人工智能技術(shù)和擴(kuò)展xPU集群需求方面取得重大進(jìn)展�；�于硅基光電子的光學(xué)計(jì)算互連技術(shù)提供更高的邊緣帶寬密度、更好的功率效率、更低的延遲和更遠(yuǎn)的傳輸距離，適用于下一代計(jì)算互連應(yīng)用。

% `8 V2 G& v- P  W: N在英特爾300毫米硅平臺(tái)上成功集成這些激光器技術(shù)，展示了制造工藝的成熟度和可擴(kuò)展性。隨著人工智能和數(shù)據(jù)中心需求的持續(xù)發(fā)展，這些異質(zhì)集成激光器技術(shù)的進(jìn)步將在實(shí)現(xiàn)下一代光通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

, B9 e- n6 X% ^, t9 a/ P參考文獻(xiàn)
[1] S. Liu, R. Kumar, D. Huang, R. Jones and H. Rong, "Heterogeneously integrated multiwavelength semiconductor lasers for optical I/O applications," 2024 IEEE 29th International Semiconductor Laser Conference (ISLC), 2024, pp. TuA1, doi: 10.1109/ISLC57752.2024.10717367.

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