硅基光电子技术在高性能计算中的应用：密集波分复用技术的创新

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-4 08:00:00

引言硅基光电子技术成为高性能计算（HPC）和数据中心互连的技术。本文探讨了密集波分复用（DWDM）硅基光电子技术的创新，重点关注惠普企业（HPE）研究人员开发的关键构建模块、集成平台和封装解决方案。
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用于高性能计算的DWDM架构
为满足HPC系统不断增长的带宽需求，HPE开发了新型DWDM光收发器架构。这种方法利用光学的波长复用能力，在保持能源效率和低延迟的同时实现高聚合带宽。

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图1：DWDM光收发器链路示意图，展示了高基数交换机之间的大带宽通信。
如图1所示，该架构使用多波长梳状激光源产生多个光载波。这些载波随后被微环谐振器调制器阵列调制，这些调制器还充当波长（解）复用器。在接收端，类似的微环谐振器阵列将各个波长通道传送到光电探测器进行检测。
关键构建模块
多波长梳状激光器量子点（QD）基激光器由于其宽增益带宽和高效的高温工作特性，特别适合作为梳状光源。HPE已经在硅上展示了具有出色性能的异质集成QD梳状激光器。

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图2：（a）硅上QD梳状激光器的俯视图。（b）制造的器件的光学显微镜图像。（c）显示1.2 THz 3-dB带宽梳状谱的光谱图。（d）单个梳齿线上数据传输的眼图和误码率。
图2显示了集成在硅上的QD梳状激光器，具有2.3毫米长的腔体，集成了镜面和可饱和吸收体。该器件展示了相对平坦的梳状谱，3-dB带宽为1.2 THz，通道间隔为101 GHz。数据传输实验表明，在15个测量通道中有14个在10 Gb/s时可以无误差运行。
高效相位调谐器和调制器对于DWDM系统，精确控制各个通道的波长非常重要。HPE开发了新型异质金属-氧化物-半导体电容器（MOSCAP）结构，可实现近零静态功耗的精细调谐。

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图3：（a）异质MOSCAP的TEM图像和集成MOSCAP的微环谐振器/调制器示意图。（b）异质MOSCAPs的电容-电压特性。（c）测量的谱图，显示微环谐振随MOSCAP偏置的变化。
图3展示了与微环谐振器集成的MOSCAP结构。通过施加偏置电压，可以调制氧化物界面附近的载流子浓度，通过等离子体色散效应实现快速和高效的相位调谐。仅使用4V偏置就实现了超过1 nm的波长移动，对应超低调谐功率5.3 nm/pW。
高性能光电探测器接收端开发了两种类型的雪崩光电探测器（APDs）：硅-锗（Si-Ge）APDs和异质QD APDs。
Si-Ge APDs：

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图4：（a）波导Si-Ge SACM APD的横截面和（b）鸟瞰图示意图，以及（c）制造的器件俯视图。
图4显示了波导耦合Si-Ge分离吸收、电荷和倍增（SACM）APD的结构。这些器件表现出优异的温度稳定性，击穿电压温度系数仅为4.2 mV/°C。

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图5：Si-Ge波导APDs在（a） 30°C和（b） 90°C下，倍增因子M约为6、8和11.5时的32 Gb/s NRZ和64 Gb/s PAM4眼图。
图5展示了这些APDs的高速性能，在30°C和90°C下均显示出32 Gb/s NRZ和64 Gb/s PAM4调制的清晰开放眼图。
异质QD APDs：利用与QD激光器相同的外延层，还开发了异质QD APDs。这些器件显示出有希望的性能，包括创纪录的低暗电流和高雪崩增益。

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图6：12 μm × 150 μm器件的（a）准TE模式和准TM模式增益，以及（b） S21频率响应。
图6展示了QD APD的偏振相关增益和频率响应。已实现最大增益150（TE）和300（TM），3-dB带宽为15 GHz，增益带宽积为300 GHz。
集成平台开发为实现III-V材料与硅基光电子的大规模、低成本集成，HPE开发了新型"键合加外延"方法。

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图7：制造无缺陷异质平台和硅光源的示意流程：（a）硅波导形成，（b）介电层沉积，（c） III-V到硅键合，（d）大块III-V衬底去除，（e） III-V外延生长，（f） III-V台面形成和金属化。
图7说明了这种集成平台的工艺流程。通过首先将薄III-V模板层键合到硅衬底上，然后进行外延重生长，这种方法消除了晶格和极性不匹配，与直接异质外延相比，显著降低了位错密度。

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图8：（a）器件横截面。（b）混合端面的SEM图。混合端面激光器：（c） RT脉冲LIV（器件显微镜图像），（d）脉冲LI高达40°C（端面模式分布），（e）器件光谱。（f） CW LI高达25°C。硅端面激光器：（g） RT脉冲LIV（器件显微镜图像和锥形结构SEM图）。（h）脉冲LI高达35°C（端面模式分布）。
图8显示了使用这种平台制造的激光器的性能，展示了良好的光-电流-电压（LIV）特性，可在高达40°C的温度下实现激射。
先进的晶圆级测试和分析为解决环形谐振器器件的表征和鉴定挑战，HPE开发了先进的晶圆级测试和分析技术。
1. 使用混合键合的堆叠PIC和EIC

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图9：（a）接收环路中一个频段内检测到的29个共振。（b）同一接收环路6个频段的所有共振。（c）分层聚类结果，相同通道用相同颜色和符号编码。
图9展示了一种基于机器学习的方法，用于准确检测和标记多环DWDM收发器中的共振。通过分析多个波长频段的共振，该技术可以区分由反射引起的分裂峰和相邻环的实际共振。
新型光纤连接解决方案硅基光电子封装的关键挑战是实现低损耗、可靠的光学接口。HPE开发了可拆卸的扩展光束光连接器，用于与光栅耦合器阵列连接。

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图10：光连接器（a）横截面和（b）组装到硅基光电子中间层上。
图10显示了这种连接器解决方案的横截面和组装。使用微透镜阵列芯片将光栅耦合器的光束准直到扩展光束空间，实现与标准单模光纤的可拆卸接口。

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图11：光纤到光纤（a）插入损耗重复性，以及（b， c）两个回环光纤通道的传输谱。
图11展示了这种连接器的性能，显示出低插入损耗（2 s6 {, Y4 b. J( A6 o1 r1 l
结论本文介绍的创新展示了硅基光电子技术在下一代HPC互连中的潜力。通过利用DWDM架构和先进的集成平台，可以在带宽密度、能源效率和成本效益方面取得显著改进。该领域的持续研究和开发将在未来带来更大的性能提升。
参考文献[1]M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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