新一代光通信的硅基光電子技術與多波長半導體激光器

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引言
4 {- n3 v; n+ @7 R, ^本文探討英特爾在300毫米硅平臺上異質集成激光器技術的發(fā)展，介紹用于光I/O應用的多波長半導體激光器[1]。
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  ~; ~. H1 e0 |$ l* h  X" r! k6 I平臺技術與性能
英特爾在過去二十多年間開發(fā)硅基光電子平臺，成功將有源和無源器件集成到單一光電子集成芯片上。該平臺利用先進的CMOS技術和商用300毫米晶圓制造工藝，每年為數(shù)據(jù)中心通信生產(chǎn)超過一百萬件產(chǎn)品。這套高性能光電子器件包括集成多波長半導體激光源、半導體光放大器、微環(huán)調制器、高速光電探測器和各種無源器件。
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$ ~# e$ l$ p9 p3 I' D6 }4 P9 L6 ]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。

4 C, U. A3 x0 _2 @( x7 b* u該平臺在0°C到80°C的嚴苛工作條件下，展現(xiàn)了跨多片300毫米晶圓的卓越穩(wěn)定性和一致性。長期可靠性測試顯示出優(yōu)異結果，激光器壽命超過10年，失效率（FIT）低于0.1。
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* j" s$ V7 g% a  Z' d* A' t圖2展示了平臺的優(yōu)異穩(wěn)定性：(a)顯示了不同溫度下多片300毫米晶圓上CWDM激光器波長的一致性表現(xiàn)，(b)展示了長期運行期間偏置電流的微小漂移。
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多波長激光器解決方案
5 b% Z0 o* r5 ^; S* b! J對于光學計算互連（OCI）應用，高性能、高通道數(shù)的多波長激光源具有重要作用。英特爾開發(fā)了多種方法在單一總線波導中實現(xiàn)多載波，每種方法都具有獨特優(yōu)勢。
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9 `8 @( A+ w/ S, b" J! N圖3展示了三種不同的多波長激光器實現(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單腔激光器設計，(e,f)展示了8通道鎖模激光器配置。
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第一種方法使用N×N復用器組合多個單波長分布反饋（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45 dB的邊模抑制比，低于-150 dB/Hz的相對強度噪聲。此配置支持兼容PCIe Gen5的4 Tbps雙向光學輸入/輸出chiplet，在數(shù)十米距離內每個方向提供64條32 Gbps數(shù)據(jù)通道。

為在單一總線波導中實現(xiàn)更高的通道數(shù)，英特爾使用硅波導中的多段光柵開發(fā)了具有200 GHz間距的4λ DFB激光器。這種創(chuàng)新設計僅使用四個激光器即可實現(xiàn)16載波每總線波導的配置。激光器展現(xiàn)出優(yōu)異的規(guī)格，包括超過30 dB的邊模抑制比，低于-140 dB/Hz的相對強度噪聲，以及小于300 kHz的洛倫茲線寬，能夠支持64 GHz NRZ傳輸。

鎖模激光器是另一種可在單一腔體中支持更高通道數(shù)的多波長光源方案。英特爾已開發(fā)出8通道鎖模激光器作為概念驗證。目前實現(xiàn)方案顯示18 GHz的通道間距，光學帶寬受腔長和DBR反射鏡限制，正在進行進一步的優(yōu)化工作以提升性能。

( d, I, B0 n  L# ?# o( Q結論
這些多波長半導體激光器的發(fā)展，標志著在滿足人工智能技術和擴展xPU集群需求方面取得重大進展�；�于硅基光電子的光學計算互連技術提供更高的邊緣帶寬密度、更好的功率效率、更低的延遲和更遠的傳輸距離，適用于下一代計算互連應用。

, b' Y* |6 X/ x* G/ V1 W. w3 ~# A在英特爾300毫米硅平臺上成功集成這些激光器技術，展示了制造工藝的成熟度和可擴展性。隨著人工智能和數(shù)據(jù)中心需求的持續(xù)發(fā)展，這些異質集成激光器技術的進步將在實現(xiàn)下一代光通信系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

參考文獻
[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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