IEEE J-STQE更新 | 大型混合激光器陣列用于光電共封裝的熱擴(kuò)展性分析

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
3 h' s8 W, m- G) o* K1 q; k隨著數(shù)據(jù)中心流量持續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),對(duì)更高效的I/O鏈路的需求也在不斷增加。硅基光電子技術(shù)在開(kāi)發(fā)光電共封裝收發(fā)器方面展現(xiàn)出巨大潛力,可以最大限度地縮短與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的物理距離并減少寄生損耗。硅基光電子收發(fā)器的一個(gè)關(guān)鍵組件是光源模塊,通常采用波分復(fù)用(WDM)架構(gòu)在不同波長(zhǎng)上傳輸數(shù)據(jù)。

開(kāi)發(fā)用于這些應(yīng)用的多波長(zhǎng)激光器陣列面臨幾個(gè)挑戰(zhàn),特別是在熱管理方面。隨著陣列中激光器數(shù)量的增加,熱串?dāng)_和模塊整體高溫問(wèn)題變得更加顯著。本文將探討用于光電共封裝的大型混合激光器陣列的熱擴(kuò)展性分析,重點(diǎn)關(guān)注翻轉(zhuǎn)芯片鍵合的InP-on-Si激光器[1]。


6 x9 m4 N$ J- d* r& ^激光器表征和建模
4 n! @; P+ M9 k5 l為開(kāi)始分析,首先需要對(duì)激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征并開(kāi)發(fā)精確的模型。本研究使用的激光器是尺寸為350x300x100 μm3的InP分布反饋(DFB)激光器,設(shè)計(jì)為在C波段工作,線寬小于1 MHz。

圖1：顯示了測(cè)量的L-I-V曲線(光-電流-電壓)以及提取的激射效率和閾值電流隨溫度的變化。
) l! i; C) ?; N
: [& w- E$ i  o" R! ~激光器的激射效率和閾值電流在不同溫度下進(jìn)行測(cè)量。如圖1所示,這兩個(gè)參數(shù)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度依賴性。閾值電流隨溫度呈指數(shù)增加,而激射效率則呈指數(shù)下降。這些關(guān)系可以用以下方程描述:



6 o0 r4 [/ j, w" M+ `其中I0和η0是擬合參數(shù),T0和T1是特征溫度。

熱阻是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),決定了給定熱生成下激光器的工作溫度�？梢酝ㄟ^(guò)以下方程實(shí)驗(yàn)確定:



其中λ是發(fā)射波長(zhǎng),T是溫度,P是輸入功率。

- r- z: w& ~" l6 O
0 E' Q0 w1 X9 J6 w4 b圖2：顯示了測(cè)量的激光器波長(zhǎng)漂移與芯片溫度(左)和波長(zhǎng)漂移與施加電功率(右)的關(guān)系。
, s0 F  l- c, G
建模方法
為分析大型激光器陣列的熱行為,我們需要開(kāi)發(fā)光學(xué)和熱學(xué)模型。光學(xué)模型描述了激光器輸出功率作為電流和溫度的函數(shù):
) E0 ^; Q( i. ?8 G' B


這個(gè)方程需要迭代求解,以考慮光功率和溫度之間的相互依賴關(guān)系。

  Y8 ~1 L" F6 N4 M, ]* Z0 P- Q對(duì)于熱建模,使用有限元分析來(lái)模擬激光器及周圍環(huán)境的溫度分布。模型包括激光器、載體芯片和鍵合結(jié)構(gòu)。

- K! n8 t5 ^3 R# q+ o1 T
圖3：顯示了熱有限元模型的幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算網(wǎng)格。
3 {* ~0 ?* R1 S  U
+ I+ b; l0 O  S& u/ J為高效地模擬大型激光器陣列,基于熱耦合剖面開(kāi)發(fā)了一個(gè)緊湊的熱光模型。該模型區(qū)分了激光器內(nèi)部耦合(單個(gè)激光器芯片內(nèi)增益段之間的耦合)和激光器間耦合(獨(dú)立激光器芯片之間的耦合)。
. _  |3 \6 o1 C1 w+ I! R6 u
9 }3 _* i, |$ D' i
1 [9 e2 p( ~2 R9 h$ \圖4：提供了混合激光器陣列的概念示意圖,突出顯示了激光器內(nèi)部和激光器間的熱耦合。

, b* ~( q5 V) E# w7 p( k* x緊湊模型使用矩陣乘法計(jì)算陣列中的溫度:
1 A0 R9 s5 \4 q( ~( g
! z/ L7 p, d# E4 x8 a# y  V

. E3 o6 t, t8 u3 @5 H其中T是溫度向量,P是熱生成向量,R是熱阻矩陣,C是熱耦合矩陣。
* G; a2 s! e8 i5 l+ E' ?7 B
" [" o# s+ z: J# N熱擴(kuò)展性分析
, g3 x$ [; \6 v現(xiàn)在模型已經(jīng)就緒,可以分析各種因素如何影響激光器陣列的熱性能。

1. 激光器寬度擴(kuò)展
隨著增加激光器芯片中的增益段數(shù)量,單位耗散熱量的熱阻會(huì)發(fā)生變化。
8 ^3 e$ R3 ?/ ]- J& f8 i! S; h

$ E% U' j+ K( `+ \3 ^# }6 M圖5：顯示了激光器寬度從1個(gè)增益段增加到4個(gè)再到16個(gè)的有限元模擬結(jié)果。

模擬結(jié)果顯示,隨著增益段數(shù)量的增加,由于增益段之間的激光器內(nèi)部熱耦合,最高溫度也隨之上升。
# I% J( a. G6 t$ t
2. 激光器長(zhǎng)度擴(kuò)展
增加激光器長(zhǎng)度可能會(huì)產(chǎn)生不同的效果,這取決于如何擴(kuò)展功率密度。

+ o3 Z' `1 u8 M) v
圖6：顯示了在總功率恒定和功率密度恒定條件下,有限元模擬的激光器熱阻隨長(zhǎng)度的變化。

, `5 n; P! \" ]如果保持總耗散熱量恒定,增加激光器長(zhǎng)度會(huì)由于功率密度降低而減小熱阻(K/W)。然而,如果我們保持功率密度恒定(W/mm),以K-mm/W為單位的熱阻則保持相對(duì)恒定。

3. 頂部冷卻
在激光器頂部添加散熱器可以顯著改善熱性能,特別是對(duì)于較大的激光器。


& R( }& y- L6 G6 _* t圖7：說(shuō)明了頂部散熱器對(duì)激光器熱阻的影響,作為散熱器阻力和熱界面材料(TIM)阻力的函數(shù)。
# Y" i/ A% u3 g
結(jié)果顯示,頂部冷卻對(duì)多增益段激光器的影響更為顯著。對(duì)于16增益段激光器,一個(gè)現(xiàn)實(shí)的TIM(RTIM = 50 mm2-K/W)和散熱器(Rhs = 1 K/W)可以將熱阻降低高達(dá)45%。
9 h/ M7 M0 E% B" [; A- [, l0 R
2 [2 d0 e5 e3 J案例研究:8 x 8 WDM光源
為展示熱擴(kuò)展性分析的實(shí)際應(yīng)用,讓我們考慮用于光收發(fā)器的8 x 8 WDM光源案例研究。
) Z' z1 `. N  }" m
. c, m- g9 W' x2 |8 t; W/ i; J0 I
圖8：顯示了WDM光源的示意圖,指出了波長(zhǎng)通道數(shù)和物理端口數(shù)。

該案例研究的規(guī)格包括:

8個(gè)WDM通道(200 GHz網(wǎng)格)

8個(gè)端口

每個(gè)單元5.8 dBm波導(dǎo)耦合光功率

2 dB邊緣耦合器損耗
2 c% g! h1 @6 G7 |
使用熱光模型,可以分析各種配置以優(yōu)化功耗和占用面積。


4 C+ \% G1 e9 E9 ^圖9(a)：顯示了8 x 8激光器陣列在500 μm和100 μm間距下的模擬熱阻。圖15(b)是25°C下集成激光器所有模擬設(shè)計(jì)的散點(diǎn)圖。


$ m: X' L: i# ~& ^* s圖10：顯示了在各種條件下激光器陣列的模擬總電功耗,包括不同環(huán)境溫度、集成vs外部激光器以及每個(gè)激光器的增益段數(shù)。

0 v; t0 r2 E) O, ]& ^! q該案例研究的主要發(fā)現(xiàn)包括:

由于額外的光纖插入損耗,外部激光器的功耗是集成激光器的2-4倍。

增加激光器長(zhǎng)度通常會(huì)增加功耗,但允許更高的光功率供應(yīng)多個(gè)端口每增益段,可能減少激光器芯片總數(shù)。

最小功耗的最佳配置在很大程度上取決于環(huán)境溫度和其他因素。

在較高的環(huán)境溫度下,許多設(shè)計(jì)由于無(wú)法達(dá)到所需的光功率規(guī)格而變得不可行。

激光器陣列的能量效率和占用面積之間存在明顯的權(quán)衡。
2 f. S+ Z% p" x9 N[/ol]

結(jié)論
7 _, z& d. A0 m熱管理對(duì)于開(kāi)發(fā)用于光收發(fā)器的大規(guī)模、多波長(zhǎng)激光器陣列極為重要。本文提出了全面的方法來(lái)分析混合InP-on-Si激光器的熱擴(kuò)展性,包括實(shí)驗(yàn)表征、詳細(xì)的熱學(xué)和光學(xué)建模,以及在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用。

本分析的主要結(jié)論包括:
. i9 X( T$ l0 K$ ^' Z1. 激光器熱阻與長(zhǎng)度成反比,但由于熱串?dāng)_而隨寬度增加而增加。
" s8 j3 h$ o0 g( V* D6 c7 j( I2. 頂部冷卻可以顯著改善熱性能,特別是對(duì)于具有多個(gè)增益段的較大激光器。
3 ~, d" P' W; o9 E0 J9 p3. 優(yōu)化激光器陣列設(shè)計(jì)需要仔細(xì)考慮多個(gè)因素,包括環(huán)境溫度、集成方法(外部vs集成)以及功耗和占用面積之間所需的平衡。
! E% W; N9 E# F+ r; H
: J: n) ]2 ?7 l: {, S通過(guò)應(yīng)用這些熱擴(kuò)展性原理并使用所提出的建�？蚣�,設(shè)計(jì)人員可以為下一代數(shù)據(jù)中心應(yīng)用創(chuàng)建更高效、更可靠的光收發(fā)器。隨著繼續(xù)推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速率和集成密度的邊界,這種熱感知設(shè)計(jì)方法對(duì)于光電共封裝的成功將變得越來(lái)越重要。
6 W3 T1 X/ ]# C/ ?
1 g' f5 ?% r' w! O+ U# R2 ~: T
參考文獻(xiàn)
[1] D. Coenen et al., "Thermal Scaling Analysis of Large Hybrid Laser Arrays for Co-Packaged Optics," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2024.
0 [! R, G# N. i
- END -

軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

6 @7 s8 D* z) g9 F歡迎轉(zhuǎn)載
8 c. x) R5 L5 W% }" X) d
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
! w1 X9 T( N4 K/ A) L( |# D% M




關(guān)注我們
" m4 j' O+ N3 b0 q& |

: u+ R+ p8 x; u! f* L' F/ O

+ N5 R  F1 m( q- b7 R

                     

6 ]3 B  M1 }, {0 A, n
5 P4 }: H1 W# ^4 ], c5 A% B
關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
& g) x- W9 r4 T. w9 `" K8 u5 _1 N/ {
' c2 W- e/ R; R% Dhttp://www.latitudeda.com/
6 L) `; _9 v$ g) T. u3 _  o（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）