IEEE J-STQE更新 | 大型混合激光器阵列用于光电共封装的热扩展性分析

逍遥设计自动化

引言
随着数据中心流量持续呈指数级增长,对更高效的I/O链路的需求也在不断增加。硅基光电子技术在开发光电共封装收发器方面展现出巨大潜力,可以最大限度地缩短与网络交换机的物理距离并减少寄生损耗。硅基光电子收发器的一个关键组件是光源模块,通常采用波分复用(WDM)架构在不同波长上传输数据。

5 u- W1 D: M  Y2 e开发用于这些应用的多波长激光器阵列面临几个挑战,特别是在热管理方面。随着阵列中激光器数量的增加,热串扰和模块整体高温问题变得更加显着。本文将探讨用于光电共封装的大型混合激光器阵列的热扩展性分析,重点关注翻转芯片键合的InP-on-Si激光器[1]。

4coml4g3kv46402419405.png

' j& T( g. q% D0 X激光器表征和建模
为开始分析,首先需要对激光器进行实验表征并开发精确的模型。本研究使用的激光器是尺寸为350x300x100 μm3的InP分布反馈(DFB)激光器,设计为在C波段工作,线宽小于1 MHz。
+ e6 \, s3 e. h0 I1 f

14ldg1bjr3q6402419505.png

图1：显示了测量的L-I-V曲线(光-电流-电压)以及提取的激射效率和阈值电流随温度的变化。

$ A0 `/ [1 J' A+ k激光器的激射效率和阈值电流在不同温度下进行测量。如图1所示,这两个参数都表现出强烈的温度依赖性。阈值电流随温度呈指数增加,而激射效率则呈指数下降。这些关系可以用以下方程描述:

$ `- \0 b: i+ _# o: K" L9 d, K

jc35kcdty0i6402419605.png

) ]0 I. \" N# y. \& X, w& {% x
其中I0和η0是拟合参数,T0和T1是特征温度。
% W' u- v- |" B" S% e
热阻是另一个关键参数,决定了给定热生成下激光器的工作温度。可以通过以下方程实验确定:
7 i& y, u6 [3 \
7 D1 k6 G8 ?8 a

4v1d4szybld6402419705.png

7 S5 c7 B0 P: K' z' X# M' c
其中λ是发射波长,T是温度,P是输入功率。

% i! O% V; U* U% e& j/ s

merdshv4emp6402419805.png

+ M$ N7 K' r* h& u5 b9 O图2：显示了测量的激光器波长漂移与芯片温度(左)和波长漂移与施加电功率(右)的关系。
0 Q$ i1 j$ }+ [3 V* s2 I& B- W
" h% E7 P# i2 s& Z  Z) O9 d# f4 w" S建模方法
. H% O  {0 z' M& q  H. _# D为分析大型激光器阵列的热行为,我们需要开发光学和热学模型。光学模型描述了激光器输出功率作为电流和温度的函数:
$ U' ^; C* G$ |/ w5 D

mmezynjzjy36402419905.png

' R. h' ^( k% |0 {& w3 E8 V这个方程需要迭代求解,以考虑光功率和温度之间的相互依赖关系。

* F* Y- s9 K3 ^; |  n! m/ d5 V2 w& y对于热建模,使用有限元分析来模拟激光器及周围环境的温度分布。模型包括激光器、载体芯片和键合结构。

0skh5ermkim6402420006.png

图3：显示了热有限元模型的几何结构和计算网格。
5 |& x! O( j; {! v
为高效地模拟大型激光器阵列,基于热耦合剖面开发了一个紧凑的热光模型。该模型区分了激光器内部耦合(单个激光器芯片内增益段之间的耦合)和激光器间耦合(独立激光器芯片之间的耦合)。

huhr3u5krvv6402420106.png

7 m3 S; M# v  B# Y+ T5 W, N; g7 z9 u图4：提供了混合激光器阵列的概念示意图,突出显示了激光器内部和激光器间的热耦合。
1 T$ i8 {; \5 _/ L, j1 B6 r
紧凑模型使用矩阵乘法计算阵列中的温度:

ihxus2qmejo6402420206.png

+ X* `% w5 u$ V  y
其中T是温度向量,P是热生成向量,R是热阻矩阵,C是热耦合矩阵。
4 c! M+ @) ^& p! c" M
5 I! R# K( g9 |$ j热扩展性分析
' Z' q6 b+ C4 Q5 F现在模型已经就绪,可以分析各种因素如何影响激光器阵列的热性能。

3 N9 G& W; G! p" J1. 激光器宽度扩展
随着增加激光器芯片中的增益段数量,单位耗散热量的热阻会发生变化。

ld5w2flerep6402420306.png

1 G0 ~' y( S0 R8 c' i; D/ O图5：显示了激光器宽度从1个增益段增加到4个再到16个的有限元模拟结果。
/ w% c: u, o0 ]( s9 M" P9 z
模拟结果显示,随着增益段数量的增加,由于增益段之间的激光器内部热耦合,最高温度也随之上升。

2. 激光器长度扩展
$ O8 _+ I5 E$ S增加激光器长度可能会产生不同的效果,这取决于如何扩展功率密度。
) L2 h2 ^5 Z; i* |; E2 N; M0 Q
8 K, G" C7 U) C7 u# k

zsvi3cf2hu56402420406.png

图6：显示了在总功率恒定和功率密度恒定条件下,有限元模拟的激光器热阻随长度的变化。
% t4 D; W9 c8 @( O8 M
如果保持总耗散热量恒定,增加激光器长度会由于功率密度降低而减小热阻(K/W)。然而,如果我们保持功率密度恒定(W/mm),以K-mm/W为单位的热阻则保持相对恒定。
1 _  l' X( R3 ]' V; ?# }# o
3. 顶部冷却
在激光器顶部添加散热器可以显着改善热性能,特别是对于较大的激光器。
% Y9 H7 x$ _# q. o. _

241ys2jlfau6402420506.png

图7：说明了顶部散热器对激光器热阻的影响,作为散热器阻力和热界面材料(TIM)阻力的函数。
* e- c: L  r% n- Z
结果显示,顶部冷却对多增益段激光器的影响更为显着。对于16增益段激光器,一个现实的TIM(RTIM = 50 mm2-K/W)和散热器(Rhs = 1 K/W)可以将热阻降低高达45%。

( ^- G3 v) e- q# \+ t1 h案例研究:8 x 8 WDM光源
) L1 B7 U" Q6 p  N4 X为展示热扩展性分析的实际应用,让我们考虑用于光收发器的8 x 8 WDM光源案例研究。
" S- H: D- p: ~0 s) _' [3 J

c1vxge3k2vy6402420606.png

图8：显示了WDM光源的示意图,指出了波长通道数和物理端口数。

该案例研究的规格包括:
4 _  p  o4 y+ O

8个WDM通道(200 GHz网格)

8个端口

每个单元5.8 dBm波导耦合光功率

2 dB边缘耦合器损耗
7 A0 P3 _" L2 n# `9 }/ J- s
4 ]9 B' h/ ~8 w( @; G/ v使用热光模型,可以分析各种配置以优化功耗和占用面积。

2 n) |% j6 t- @6 N

lo1dodv5da06402420706.png

图9(a)：显示了8 x 8激光器阵列在500 μm和100 μm间距下的模拟热阻。图15(b)是25°C下集成激光器所有模拟设计的散点图。
' M6 {- b! R- ~' c

fzbwptkquyj6402420806.png

图10：显示了在各种条件下激光器阵列的模拟总电功耗,包括不同环境温度、集成vs外部激光器以及每个激光器的增益段数。

# v% |; @" F! [2 S该案例研究的主要发现包括:

由于额外的光纤插入损耗,外部激光器的功耗是集成激光器的2-4倍。

增加激光器长度通常会增加功耗,但允许更高的光功率供应多个端口每增益段,可能减少激光器芯片总数。

最小功耗的最佳配置在很大程度上取决于环境温度和其他因素。

在较高的环境温度下,许多设计由于无法达到所需的光功率规格而变得不可行。

激光器阵列的能量效率和占用面积之间存在明显的权衡。
8 v# X3 B3 H1 c( l[/ol]
" V$ h; H- [' a0 P9 j$ M* [
结论
/ B0 r$ V) V) G+ q& X& @热管理对于开发用于光收发器的大规模、多波长激光器阵列极为重要。本文提出了全面的方法来分析混合InP-on-Si激光器的热扩展性,包括实验表征、详细的热学和光学建模,以及在实际场景中的应用。
0 S1 o8 }/ g1 ]5 b4 e1 }, c
本分析的主要结论包括:
1. 激光器热阻与长度成反比,但由于热串扰而随宽度增加而增加。
2. 顶部冷却可以显着改善热性能,特别是对于具有多个增益段的较大激光器。
3. 优化激光器阵列设计需要仔细考虑多个因素,包括环境温度、集成方法(外部vs集成)以及功耗和占用面积之间所需的平衡。

8 P+ \: Z5 E5 r通过应用这些热扩展性原理并使用所提出的建模框架,设计人员可以为下一代数据中心应用创建更高效、更可靠的光收发器。随着继续推动数据传输速率和集成密度的边界,这种热感知设计方法对于光电共封装的成功将变得越来越重要。


参考文献
[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.

- END -

软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
/ e5 h9 U  P* \3 S) t
欢迎转载
$ Y  B( q9 [6 O- s! P- f6 U) k
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
2 U& f# b& g$ d. o4 r

oybigznqf5d6402420907.gif

, e+ F- s6 b7 H% C/ q
- Z5 C& I) d! X% c7 d6 h" o关注我们

) s" m, D1 [: x" g5 b' A& P 4hmmo0qboeo6402421007.png 2 S# c, @% x; Z2 d; x2 f

4ghtqo34evx6402421107.png

rut2eplpklm6402421207.png ( ^% ]& u& [. k

                     

7 X7 `4 N* F* v& ]
. l2 s/ C7 p- `  x
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
$ u& i" ~, D; B9 _  e2 C3 i4 t（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）