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)。

5 [  x8 m. Y) w8 T9 q開發(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]。


激光器表征和建模
為開始分析,首先需要對(duì)激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征并開發(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。
: W" V- D# B. F# t: H! m: \
4 F" W5 \( i+ }7 L- M8 V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。
) v4 s2 j3 W: ?& E& `
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:


$ x# t& w- I% f& r2 ^8 n5 z
& j6 K4 A. w0 b6 M, y其中I0和η0是擬合參數(shù),T0和T1是特征溫度。
- k5 e, R, |7 n4 A, t
! Y0 Q' U* g* _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。可以通過(guò)以下方程實(shí)驗(yàn)確定:

7 m) k+ z* E. g' a" J, w! s+ |

其中λ是發(fā)射波長(zhǎng),T是溫度,P是輸入功率。


' M5 L2 ^, e5 @/ V: I4 o. l4 m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):

3 k" B, [/ W1 y+ j. y& k+ g
. U  n7 O8 v# @; p' |2 r1 \. o
4 p7 x" s, k7 j1 [8 H9 H1 ^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。
2 O5 g* q$ U; {6 x$ c4 B7 R, T
  f0 _4 B, f# M/ `; `" s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。
) l2 g1 V5 r% ?/ I, l) f3 ?1 D
" `" ~' ]0 B4 P  e$ V" P- @為高效地模擬大型激光器陣列,基于熱耦合剖面開發(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)。
- H- }' p9 H- m! b2 E+ g
+ a/ `! u' X7 J( K6 ~5 ^/ o
4 `9 U4 h- ]- o7 I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。

緊湊模型使用矩陣乘法計(jì)算陣列中的溫度:
& E/ c, l+ M, ~! A


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。

# D( U, }* U  x' e# g' A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。
: f" J2 w! T4 X" ]& P* f
7 _4 m- Q6 J3 d) D+ [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。
& {* {. {/ Q/ R& [

2 b7 o1 Y' ^' g0 q8 C7 d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。
) P( \, F# \% D
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。

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。


7 q6 I+ u9 w' H7 Y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。
" o8 n: a1 ~' B) U! N* k  O
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
( |& S% d! T7 A* t: X9 {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。
" M9 |4 u  O  a3 N
% j: v2 Q) V. W
# d+ f- v6 y3 }. _7 l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)。
0 _& H0 `6 g0 W% ^& a% T2 R
1 c( t- q$ w8 e0 C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%。
: b! \) {7 g+ B; b+ ^$ V
案例研究:8 x 8 WDM光源
" f. ~% J- {3 r$ h# Z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。


- T  P, D0 T0 [2 [. {% @9 u0 x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)。
7 S* u# o1 N5 W. d; U# Z/ ]$ |/ l
該案例研究的規(guī)格包括:
5 L* [* y. `% ]  q! ~

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

& T  m0 t: n! r0 n! G2 b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。
# m& q; T6 ^; {, R( X$ s! q2 _! J

; b! k; n, l1 o% K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。


+ e! `* b2 q* R9 Z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)。
% s* |1 C9 q6 E
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]

& X  ?! D8 e. H2 E1 ~0 _& l( N結(jié)論
熱管理對(duì)于開發(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。

) P) p$ ?7 H" {0 ]. ?本分析的主要結(jié)論包括:
/ }2 _5 ?  v' B. J$ g5 V' l, \1. 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 @: b* d1 g, `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。

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。
/ [0 n: {& l* ]
8 t( d. O5 N6 j9 K- u5 U! o
參考文獻(xiàn)
/ L7 ?9 }, [, u[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.

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