电子产业一站式赋能平台

PCB联盟网

搜索
查看: 19|回复: 0
收起左侧

基于Kerr频率梳的可扩展硅基光电子链路

[复制链接]

699

主题

699

帖子

6020

积分

高级会员

Rank: 5Rank: 5

积分
6020
发表于 昨天 08:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言0 ^4 `  k9 g$ Y& u
随着数据中心计算需求的指数级增长,特别是人工智能和机器学习应用的推动,计算节点间的数据传输面临巨大挑战。传统电子互联在带宽密度和能效方面存在基本限制。本文探讨了创新解决方案:使用Kerr频率梳驱动的硅基光电子链路,实现大规模并行数据传输,同时降低能耗[1]。+ q- |& c/ C" v' h& E# e

bib2iqrbe2x6405715212.png

bib2iqrbe2x6405715212.png

2 l/ N6 v) z6 H: y$ W+ E1 S$ O$ X; p4 |" p
系统架构与工作原理
, w0 A& L3 ]# j0 J4 n8 E% I" w6 ^该系统采用创新架构,结合氮化硅(Si3N4)微谐振腔产生Kerr频率梳,配合硅基光电子线路传输数据。系统核心使用波分复用技术,将独立数据流编码到不同波长的光信号上,实现单根光纤的并行传输。
! |9 a7 {* S4 i+ z

ijetjc2reua6405715313.png

ijetjc2reua6405715313.png

% M3 a" J9 I& d$ ?) ]( o图1:分层展示Kerr频率梳驱动的硅基光电子链路在数据中心架构中的集成,展示了高带宽存储堆栈和图形处理单元之间的连接。0 P: R# }* ^# W7 }2 _5 f0 c6 f
- V& s0 {" a! B8 A
系统包含三个主要组件:
+ Z) H/ M0 m0 _7 s$ I1. 频率梳源:连续波激光器泵浦在正色散区域工作的Si3N4微谐振腔,产生具有精确间隔的多个波长通道。6 R; ?( t* m( v
2. 发射器:带有级联微环调制器的硅基光电子线路,将数据编码到各个波长通道。7 ?4 s$ v  Z9 C- U7 R2 \' G/ S
3. 接收器:匹配的硅基光电子线路,配备微环滤波器和光电探测器,恢复传输的数据。
3 _+ n  A# W( M; [$ M" R. B

1b1wna0bx3w6405715413.png

1b1wna0bx3w6405715413.png
, |+ K% o. \8 o4 C
图2:单总线架构演示,包括(a)示意图布局,(b)测量的频率梳谱,(c,d)不同数据速率下的误码率瀑布曲线。
, i2 J3 z( c9 j5 D9 ]6 u+ y3 }& L+ y
先进实现特性
0 b  \& y0 k" u! l9 ]系统实现了多项创新特性以实现高性能:
: A0 }( }. f0 m+ j0 t& u1 i1. 环辅助马赫-曾德尔干涉仪(RMZI):与标准MZI相比,提供更优的滤波特性,实现更好的通道分离。
$ K4 T! o' A1 ?4 D
7 z, f8 Q& {: P/ X' v% b; M2. 正色散频率梳操作:与传统孤子方法相比,在正群速度色散区域运行提供更高的转换效率和每线功率。
" a- u% j# }0 ^. z5 I

mgngwmg3lv26405715514.png

mgngwmg3lv26405715514.png

- \! ?* F5 t( t7 G% E& [图3:可扩展系统架构概览,显示(a)系统示意图,(b)未封装芯片显微图像,(c)封装系统,(d)关键组件详细视图。# N3 X# F! b& ^, v
2 a* M( ^6 w1 I% y/ H" D" Z3 c
性能特征
. b" o2 @) Y) H2 o+ _4 i" b系统展现了显著的性能指标:
& h0 H4 x: c+ U9 F' G) `2 @32个独立波长通道的总数据传输速率达512 Gb/s
* |7 K0 G& K2 y: U- B200 GHz通道间隔,在密度和串扰之间取得最佳平衡
- r& T1 l/ {4 P; q: K每通道10 Gb/s时实现无错传输(误码率
! E3 y$ F+ R0 _( p7 D3 q在C波段和L波段(>50 nm带宽)范围内均可工作6 K, }' ?7 x* X1 i# o2 y& i
[/ol]
/ ], o1 e7 g. H

5mbffydf1106405715615.png

5mbffydf1106405715615.png

. T0 X4 \' k$ W9 i0 B5 ~) W图4:三十二通道发射器实验测量的眼图,显示所有通道在(a)10 Gb/s和(b)16 Gb/s时的清晰眼图开口。: b4 M, @# [6 j3 w  X
( T/ i9 ?% V4 o
系统集成与封装" R8 b" y- q* R4 H/ |
实现采用多项目晶圆服务的商业硅基光电子制造工艺,确保与现有半导体制造基础设施兼容。芯片封装使用标准技术:& e  t5 R! D5 S6 [' b
通过8通道单模光纤阵列实现光耦合1 u$ T; b# p$ L* e/ a: H  w# }. [
通过金线键合实现直流控制的电气连接3 J! O7 p$ z! p7 P
通过集成加热器实现热管理
5 V2 q4 y: y+ g定制PCB集成实现系统控制2 |3 l% ]5 y8 _8 L
[/ol]8 `9 E9 t9 T! W$ h

lh4aj3ev1mt6405715715.png

lh4aj3ev1mt6405715715.png
% Q+ H+ j6 ]+ G% |1 D
图5:全面的误码率(BER)结果,显示(a)频率梳与连续波激光器性能比较,(b)双通道操作,(c)所有32个通道的性能。
! K/ E. f+ Z' s, m
; u5 f; W/ `$ k8 v未来发展与可扩展性' `8 A/ C0 r7 K* m: d4 ~8 c
该架构显示了清晰的性能提升路径:. a7 z2 ^3 U& w
每根光纤可支持数百个波长通道$ p" {& X1 x; M: V% ?) T$ s/ d1 u
与CMOS电子器件集成形成完整收发器解决方案' S6 o" U/ V; s9 {
与新型分解式数据中心架构兼容
3 F6 ]+ e# a3 B+ \# F朝着每比特亚皮焦能耗迈进
1 e+ G2 \2 W. I) w[/ol]/ q( J! y# d; v

jak0sole5az6405715817.png

jak0sole5az6405715817.png

- {; R$ e* T9 w; X+ L图6:三十二通道接收器结果,展示(a)完整裸片显微图像,(b)封装系统,(c)所有通道的误码率测量。
- g( P. `2 X4 @! Y# j, S, J. |  Z! O% Y& {, o
实用考虑因素% D6 v5 j6 [1 c8 g) W3 d
多个实用方面使该系统特别适合实际部署:0 _0 @8 q: Z- V7 R" I9 X
1. 能效:系统无需功耗大的数字信号处理或前向纠错,最小化能耗。8 s' d0 J' L' R# U
2. 制造兼容性:设计使用标准CMOS兼容工艺,支持规模化生产。9 Q: {2 `: e8 ?" J0 W4 J
3. 热稳定性:与基于孤子的方法相比,正色散频率梳操作提供更强的环境波动抵抗能力。# @+ g! r/ p& Q0 U0 w  f& T

arpveyqo0tl6405715917.png

arpveyqo0tl6405715917.png

/ z  ~. ]- Z1 S1 p: S1 J" Y图7:详细的实验设置,包括(a)单总线数据传输演示和(b)封装32通道集成发射器测试。
9 m. |, g9 c* M0 I! }) }% T( f9 j
结论
7 ^/ g5 X7 D+ r) ]# n8 }3 S( z/ X演示的硅基光电子链路架构代表了光互连技术的重大进展。通过结合Kerr频率梳与硅基光电子技术,系统实现了大规模并行数据传输,同时保持与现有制造工艺的兼容性。这种方法的可扩展性和能效优势使其成为下一代数据中心互连的理想解决方案。
$ X  E/ {! G- k9 @
8 ~  S  ~& [' O, l6 R参考文献
7 F% r: [! T9 y& M[1] Rizzo, A. Novick, V. Gopal, B. Y. Kim, X. Ji, S. Daudlin, Y. Okawachi, Q. Cheng, M. Lipson, A. L. Gaeta, and K. Bergman, "Massively scalable Kerr comb-driven silicon photonic link," Nature Photonics, vol. 17, pp. 781-790, Sep. 2023, doi: 10.1038/s41566-023-01244-7., B% Z3 U6 O4 ^4 Q' m5 D' I1 u

1 g3 G2 [- w& o) P+ T1 }/ I' VEND0 @$ Z1 u5 f% X! j) \! l/ M
: N+ v& Q0 D2 P" U6 d2 k

5 X! ^' L9 S9 f& M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。4 F8 ?( _2 G  g  f3 Q: Q( e0 F1 ~
点击左下角"阅读原文"马上申请
  x, z+ m! @+ n& \
# v! J( b2 }1 Y' f- `& D4 ?欢迎转载
* d% Z" {4 L! B& n8 {0 M, J2 j5 c  I- s3 ?/ `' U
转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!$ u* p5 M, e$ s1 N3 A8 @& M9 ^2 [
4 X0 o& n6 B, b. g7 N) B" i

- [% ~# O/ l) ^0 i6 ]

8 S, A( S  b  W

xdlsbjg1itj6405716017.gif

xdlsbjg1itj6405716017.gif

2 A( p! [, X3 n) ], C% o
( J; T* t+ X6 _; p关注我们
1 u. J8 i, W+ R: Z9 C4 R1 q$ D$ S( S

6 p' Q1 |: W1 d. b+ N( ]$ ^

ys11e2elqae6405716117.png

ys11e2elqae6405716117.png
/ h- `7 J- }1 f: s! b% ~, m

7 B' V& |2 O1 u, Z% r

w1zkwydj1vc6405716217.png

w1zkwydj1vc6405716217.png
+ |/ _9 w) u4 H3 t6 ?6 k8 s( n

! l$ [( |$ l$ u

qrdxfmbktah6405716317.png

qrdxfmbktah6405716317.png

( T8 G% A4 \: Q8 Q1 T4 e* G
                      , M3 R- W: d4 w* {

, ]; u. o; D' M; J$ r1 C
5 P9 ]+ J3 {8 ^2 `' E  y
* y: b1 t; y9 d2 S4 p: ]& v
关于我们:
& Z& B4 z+ l& @6 d$ g2 e5 j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。
" H3 k; i# w- h" s
# e' k: X* h) H, k7 Hhttp://www.latitudeda.com/4 }0 n+ e+ {2 x
(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容)
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表