過去十年，集成光子學(xué)的重要性顯著增加。隨著數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)吞吐量不斷提高，傳統(tǒng)銅互聯(lián)的性能越來越呈現(xiàn)出限制性，光子學(xué)和集成光子學(xué)的發(fā)展已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵。
英特爾實驗室在光子學(xué)領(lǐng)域投入了大量資金，該實驗室最近演示了一個嚴(yán)格控制、高度集成的八波長激光器，在集成光子學(xué)領(lǐng)域首次獲得了業(yè)界認(rèn)可。
近日，筆者有幸與英特爾實驗室PHY研究實驗室高級首席工程師兼主任James Jaussi以及高級首席工程師榮海生博士進(jìn)行了交流，了解了更多關(guān)于該項目的消息。
光子集成的需求
隨著電子行業(yè)向更快的數(shù)據(jù)速率和更小的尺寸節(jié)點發(fā)展，該領(lǐng)域面臨著許多相關(guān)問題。其中一個問題是，由于銅的非理想耦合，頻率增加時會導(dǎo)致更多的寄生。Jaussi解釋說:
“研究光學(xué)和光通信的一個動機(jī)是改善接口性能。隨著時間的推移，每個封裝的性能都在提升，總功耗也在增加。但是，I/O接口的功耗增長速度更快。”
想要提高未來I/O接口的能效和工作范圍，很有可能是在同一個封裝中集成硅電路和光學(xué)。研究人員認(rèn)為，通過將CMOS和光子學(xué)集成到一個封裝中，可以解決傳統(tǒng)銅互連的局限性，從而提高整體帶寬、能源效率和電路復(fù)雜性。
多波長激光器集成
從高集成中受益的一個重要的光子應(yīng)用是多波長激光。
在像互聯(lián)網(wǎng)這樣的通信應(yīng)用中，光通信最簡單的形式是由單一波長的激光TX/RX方案組成的單一光纖。然而在實踐中，工程師們會把一組激光器放入一根光纖中，每組激光器都由不同的波長組成（波長種類隨著帶寬要求增加）。今天，長途通信系統(tǒng)可以在一根光纖中使用近100個波長。
但是，當(dāng)涉及到芯片間通信時，這種方案變得非常難以實現(xiàn)。榮博士解釋說:
“當(dāng)談?wù)撔酒g通信時，我們需要很多組件，實際上是數(shù)十億個組件，比如單獨的激光器和調(diào)制器。這會導(dǎo)致使用傳統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)時，成本是無法接受的。集成將是向前發(fā)展的關(guān)鍵，而硅光子技術(shù)將是實現(xiàn)集成的關(guān)鍵。”
為了實現(xiàn)芯片間通信所需的集成光子學(xué)，英特爾實驗室探索了使用密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing，簡稱DWDM)技術(shù)的共封裝光學(xué)解決方案。這種方案已經(jīng)顯示出在顯著減少光子芯片物理尺寸的同時增加帶寬的希望。然而，到目前為止，一個主要的挑戰(zhàn)是如何制造具有均勻波長間距和功率的DWDM光源。
英特爾集成八波長激光器
最近，英特爾公司宣布成功演示了一種嚴(yán)格控制的集成八波長激光器，在該領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。
光學(xué)解決方案是一個分布式反饋(DFB)激光陣列，完全集成在一個硅晶圓上，并在英特爾的300毫米混合硅光子平臺上設(shè)計和制造。在此過程中，英特爾使用先進(jìn)的光刻技術(shù)在III-V晶圓鍵合工藝之前定義硅波導(dǎo)光柵，這種方法與傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器相比，允許更好的波長均勻性。榮博士解釋說:
“我們用8個波長間距非常均勻的激光器來完成這個激光區(qū)域，這是很難實現(xiàn)的。我們擁有獨特的設(shè)計和制造技術(shù)，可以完成別人做不到的事情。通過將一塊非常小的磷酸鹽芯片固定在晶圓上，然后平面化并移除襯底，最終得到了一個上面有一層非常薄的磷酸鹽薄膜的晶圓。”
該激光器陣列的輸出功率均勻度為+/- 0.25 dB，波長間距均勻度為±6.5%，超過了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
英特爾相信，未來這方面的進(jìn)步將有助于促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)密集型工作，包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。
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