新一代光通信的硅基光電子技術(shù)與多波長半導(dǎo)體激光器

逍遙設(shè)計自動化

引言
3 ~( B3 z+ c/ W$ K! ~- a2 g$ s) \本文探討英特爾在300毫米硅平臺上異質(zhì)集成激光器技術(shù)的發(fā)展，介紹用于光I/O應(yīng)用的多波長半導(dǎo)體激光器[1]。


8 Y6 F/ R" c' y. x3 Z2 [- F% q平臺技術(shù)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(shù)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(dǎo)體激光源、半導(dǎo)體光放大器、微環(huán)調(diào)制器、高速光電探測器和各種無源器件。

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。

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(jié)果，激光器壽命超過10年，失效率（FIT）低于0.1。
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4 X, ?1 h) j- u2 ~3 Y9 h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
對于光學(xué)計算互連（OCI）應(yīng)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(dǎo)中實現(xiàn)多載波，每種方法都具有獨特優(yōu)勢。
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% S' z1 Q/ u# W6 ^( B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(shè)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(fù)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(xué)輸入/輸出chiplet，在數(shù)十米距離內(nèi)每個方向提供64條32 Gbps數(shù)據(jù)通道。

為在單一總線波導(dǎo)中實現(xiàn)更高的通道數(shù)，英特爾使用硅波導(dǎo)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(shè)計僅使用四個激光器即可實現(xiàn)16載波每總線波導(dǎo)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。

( \6 X0 w" H! ]/ T6 x: C( o7 o: ?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(xué)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。
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結(jié)論
這些多波長半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，標(biāo)志著在滿足人工智能技術(shù)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(xué)計算互連技術(shù)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(yīng)用。

8 _( q/ G3 X  E8 o2 ]在英特爾300毫米硅平臺上成功集成這些激光器技術(shù)，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(zhì)集成激光器技術(shù)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。
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1 V1 @+ A2 D2 N* Q$ N5 v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)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(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)。

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