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)級增長,對更高效的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)在不同波長上傳輸數(shù)據(jù)。
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開發(fā)用于這些應(yīng)用的多波長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]。
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激光器表征和建模
為開始分析,首先需要對激光器進(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。

圖1：顯示了測量的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。
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激光器的激射效率和閾值電流在不同溫度下進(jìn)行測量。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:
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3 c2 H2 @& C8 Y$ ^; N& k# Y" }
  D& z4 J' Y! I& [- M& x" J
9 ~+ |% r& z3 u- ^7 h4 l: m其中I0和η0是擬合參數(shù),T0和T1是特征溫度。
$ B0 k  E& I9 l+ {8 V
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^以下方程實(shí)驗(yàn)確定:
- W+ F1 q" K5 S) W
5 `9 q4 U1 K- t  v' o. u( I( a/ H
# r% j/ b, f8 I3 _$ m: |
其中λ是發(fā)射波長,T是溫度,P是輸入功率。

' u8 r, O# O6 [$ Y
5 k5 ]% {; l7 E& b圖2：顯示了測量的激光器波長漂移與芯片溫度(左)和波長漂移與施加電功率(右)的關(guān)系。

建模方法
! A. X4 [" x- j" t  v' ?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):
- n- W- X; Q5 X


. y$ n; a. q+ S* p  W* A' N. V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。

對于熱建模,使用有限元分析來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)。
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, u- }; j( T& Z+ z
4 f$ E0 @# F- b8 w+ C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。

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)。

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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。
0 E) E; H0 _  i0 O/ [( Y- v: T
: |1 u2 W1 o, L& d% W$ W6 z4 b緊湊模型使用矩陣乘法計(jì)算陣列中的溫度:

, D* T, I/ H3 B

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。

0 O- o6 E+ A7 ?) f, C6 d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。
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0 a7 C1 I4 t- v: `7 `1. 激光器寬度擴(kuò)展
- a7 Q  l. c! G: g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。
, @  _" p3 L, g7 ^; p
" F& A% N6 N/ B
' t) x& A4 W- U: h# [" Z( u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。
- ^# K0 m, h7 x/ L0 u( i# u
. o( J8 X% A1 c9 B8 n! l1 f: w2. 激光器長度擴(kuò)展
增加激光器長度可能會(huì)產(chǎn)生不同的效果,這取決于如何擴(kuò)展功率密度。
! I$ P4 ?. V/ V) j% J
. Y: T6 @. Y6 R% K" n; |1 Z+ r5 h
% _" [8 T" h5 m/ J  i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度的變化。
+ S+ a. }6 L: Q9 q) Q
如果保持總耗散熱量恒定,增加激光器長度會(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恒定。

. P3 O- w& X( s. L" d* o3. 頂部冷卻
# i( X' e& [* y% f. G( X) R" ~, ~- `在激光器頂部添加散熱器可以顯著改善熱性能,特別是對于較大的激光器。
. Y+ \# |7 ]% T6 v5 l

圖7：說明了頂部散熱器對激光器熱阻的影響,作為散熱器阻力和熱界面材料(TIM)阻力的函數(shù)。

) `% `6 n/ d0 Y$ y結(jié)果顯示,頂部冷卻對多增益段激光器的影響更為顯著。對于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%。

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。

! j, Y5 R! e6 y8 Y* h
圖8：顯示了WDM光源的示意圖,指出了波長通道數(shù)和物理端口數(shù)。
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該案例研究的規(guī)格包括:
. \: o% i- i; ?! P$ P3 Z. I2 F

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

" k% ?$ I% F+ j9 ]* r, u5 p/ ]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。
; j( `& v( _9 h% v
0 ]5 K* H8 ?4 `0 x  o' B. `
4 T  A( ~' g. j& f! B" i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。
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# y' q7 \  I+ W% L, q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)。
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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。
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) }( A  V2 a5 f) }結(jié)論
熱管理對于開發(fā)用于光收發(fā)器的大規(guī)模、多波長激光器陣列極為重要。本文提出了全面的方法來分析混合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)際場景中的應(yīng)用。

本分析的主要結(jié)論包括:
1. 激光器熱阻與長度成反比,但由于熱串?dāng)_而隨寬度增加而增加。
! ]& n+ f' g6 [/ |" N; g- G& V2. 頂部冷卻可以顯著改善熱性能,特別是對于具有多個(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)方法對于光電共封裝的成功將變得越來越重要。

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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.

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