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
8 z9 j2 r1 {1 l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。
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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]。

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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。

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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。

" c+ z8 z7 h! q) b; I6 U) o5 r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:
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其中I0和η0是拟合参数,T0和T1是特征温度。

2 H: A* h8 a! T& J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:

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其中λ是发射波长,T是温度,P是输入功率。
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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。
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建模方法
/ c$ w3 S# h" t% L, F! x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:

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0 S- {8 Z) Z( Z* ]( f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。

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。

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2 V; z* |4 @7 s) s1 U/ d图3：显示了热有限元模型的几何结构和计算网格。

8 }/ T+ l! j2 @! F+ {5 [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)。

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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。

2 v$ B0 _. i2 l5 x8 [2 N* ~1 ]紧凑模型使用矩阵乘法计算阵列中的温度:
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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。
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* [# a1 d9 c* T5 g: `/ v3 e# Q热扩展性分析
6 f# o+ Z0 V. \/ E7 W4 U$ f7 G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。

, X3 ?3 Z# t: F% e$ z6 ^1. 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。

6 k  P) b, _8 K: Y) [! n& M

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# Z0 g" O) g- [' S$ X( U* @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。
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8 A, t1 Q( Q7 C1 B, ^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
5 ]& V% g, A- Q# J* {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。
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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。

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。
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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。

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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。
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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%。
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9 T. h/ q$ \0 x2 Q; Q/ G5 z案例研究:8 x 8 WDM光源
3 Q/ F: H/ c9 N; B$ S* r7 U2 f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。
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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:

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

使用热光模型,可以分析各种配置以优化功耗和占用面积。

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! w8 }- {3 a4 ^+ F; I9 z3 ^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。

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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。
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1 g+ r! ]- S7 [" V2 W( L8 K- b% t* @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。
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$ s6 P. j  W% s6 t# b结论
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。

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。
+ }( U6 Z' ^6 Z4 ~* R' l% e3. 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。

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。
1 u- x; g: J! d) ^0 B0 S; A% o

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.
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) f% j/ V& W. Y7 S7 I& d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。
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