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
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)。
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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]。
. U. {9 e9 x. d& `$ N- N
2 A0 W- d% _) {9 w1 J
激光器表征和建模
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。
8 M/ d% V) G6 ~# O
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。

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:
" z4 p" ^# K' X! d( r1 b. D

2 g7 r" X  ]- Y, U" t
3 [# @; n# d1 }其中I0和η0是擬合參數(shù),T0和T1是特征溫度。
* m! ]  e" ]0 B0 W
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:

# ?4 G% A  ]2 m( ~. A! U& r  B- t
6 t9 [7 R: U8 P# _6 @- E" q- t
  p$ s4 X( a5 n. n; _( e其中λ是發(fā)射波長(zhǎng),T是溫度,P是輸入功率。
$ a9 t5 d% ?  m6 |- ?  m! _
3 P" w( S  B' V. b0 H; G0 U, D8 v
) G: H4 I9 y/ z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。

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):



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。

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)。


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。
. G, B3 C: [) ?3 z9 _
: `. f3 q9 N! o. X, |2 m- q8 N$ o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)。
$ {9 o" I! m$ j. X+ ]2 I2 H  G

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。
6 z/ D+ Y8 s! s; J2 J8 q5 f
" N& f4 g* v6 \緊湊模型使用矩陣乘法計(jì)算陣列中的溫度:
% N9 A5 @& R& g  a+ p0 h( a# b; T


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。

. G1 H* T4 R  @: W' Q熱擴(kuò)展性分析
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
8 ^2 h+ s/ U8 ?/ d. A$ Q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。
- I; S3 X+ E# I1 v

' \& S6 m, m8 n! z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。
) Z. j( D6 ?2 k
2. 激光器長(zhǎng)度擴(kuò)展
' B0 p' P6 T2 C: \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。


6 V4 s2 D1 H7 z; D6 ^9 m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。

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。

* ^- P9 n$ B1 T1 ^4 M
& X8 X/ W2 b4 P# c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)。
$ ^  {" w: e4 ]" |! @4 Q8 [  t6 b2 _
7 u& Y/ e! w1 a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%。
% k- y+ z& \- f" h/ v
案例研究:8 x 8 WDM光源
! Y3 c  P: f7 T5 N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。

5 S5 g7 K$ w. S/ d% c
% @. Q* W1 h2 v' d7 j- @9 Q3 U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)。
* ~: Y3 v+ Y( r" {( Y, ^  \" \, L
該案例研究的規(guī)格包括:
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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

4 g: P: F: p7 C2 ~, `& a! @8 X/ T8 N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。


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。
7 L  R/ J$ v, w, M7 X9 S
) P2 A/ t1 j) Z, L5 k4 O( E$ C7 R
5 q; t6 w6 G1 e% e7 ]- Y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)。

. ~: l/ T  v( M& L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。
[/ol]

結(jié)論
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:
' v5 {0 g2 P+ K4 Y+ k1. 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。
2. 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. 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。

- {" J/ ]0 Y0 _) p$ j/ I6 k/ j通過(guò)應(yīng)用這些熱擴(kuò)展性原理并使用所提出的建模框架,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。

; {. S' D. L9 Y
2 i/ o2 @- t7 O  |8 W$ ~5 U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.

) T; \, X; n6 i( r" B( k$ b- END -

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