新一代光通信的硅基光电子技术与多波长半导体激光器

逍遥设计自动化

引言
0 h; `. X7 q/ i$ S) Y本文探讨英特尔在300毫米硅平台上异质集成激光器技术的发展，介绍用于光I/O应用的多波长半导体激光器[1]。

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平台技术与性能
英特尔在过去二十多年间开发硅基光电子平台，成功将有源和无源器件集成到单一光电子集成芯片上。该平台利用先进的CMOS技术和商用300毫米晶圆制造工艺，每年为数据中心通信生产超过一百万件产品。这套高性能光电子器件包括集成多波长半导体激光源、半导体光放大器、微环调制器、高速光电探测器和各种无源器件。
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图1展示了使用300毫米晶圆制造工艺生产的英特尔完整光电子器件套件。
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! W9 f, i# M4 j* B  H. Z7 |该平台在0°C到80°C的严苛工作条件下，展现了跨多片300毫米晶圆的卓越稳定性和一致性。长期可靠性测试显示出优异结果，激光器寿命超过10年，失效率（FIT）低于0.1。
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图2展示了平台的优异稳定性：(a)显示了不同温度下多片300毫米晶圆上CWDM激光器波长的一致性表现，(b)展示了长期运行期间偏置电流的微小漂移。

多波长激光器解决方案
对于光学计算互连（OCI）应用，高性能、高通道数的多波长激光源具有重要作用。英特尔开发了多种方法在单一总线波导中实现多载波，每种方法都具有独特优势。
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图3展示了三种不同的多波长激光器实现方案：(a,b)显示了具有均匀间距的8通道DFB阵列，(c,d)展示了4λ单腔激光器设计，(e,f)展示了8通道锁模激光器配置。

) C# g' F/ o9 c7 m. H- p第一种方法使用N×N复用器组合多个单波长分布反馈（DFB）激光器。8×8配置展现出200 GHz ± 13 GHz的均匀通道间距，超过45 dB的边模抑制比，低于-150 dB/Hz的相对强度噪声。此配置支持兼容PCIe Gen5的4 Tbps双向光学输入/输出chiplet，在数十米距离内每个方向提供64条32 Gbps数据通道。
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为在单一总线波导中实现更高的通道数，英特尔使用硅波导中的多段光栅开发了具有200 GHz间距的4λ DFB激光器。这种创新设计仅使用四个激光器即可实现16载波每总线波导的配置。激光器展现出优异的规格，包括超过30 dB的边模抑制比，低于-140 dB/Hz的相对强度噪声，以及小于300 kHz的洛伦兹线宽，能够支持64 GHz NRZ传输。

锁模激光器是另一种可在单一腔体中支持更高通道数的多波长光源方案。英特尔已开发出8通道锁模激光器作为概念验证。目前实现方案显示18 GHz的通道间距，光学带宽受腔长和DBR反射镜限制，正在进行进一步的优化工作以提升性能。

结论
7 G; C% _5 F+ I6 |# `这些多波长半导体激光器的发展，标志着在满足人工智能技术和扩展xPU集群需求方面取得重大进展。基于硅基光电子的光学计算互连技术提供更高的边缘带宽密度、更好的功率效率、更低的延迟和更远的传输距离，适用于下一代计算互连应用。
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在英特尔300毫米硅平台上成功集成这些激光器技术，展示了制造工艺的成熟度和可扩展性。随着人工智能和数据中心需求的持续发展，这些异质集成激光器技术的进步将在实现下一代光通信系统中发挥重要作用。

参考文献
[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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