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過(guò)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(lái)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(shí)驗(yàn)室在光子學(xué)領(lǐng)域投入了大量資金，該實(shí)驗(yàn)室最近演示了一個(gè)嚴(yán)格控制、高度集成的八波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室PHY研究實(shí)驗(yàn)室高級(jí)首席工程師兼主任James Jaussi以及高級(jí)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(xiàng)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(diǎn)發(fā)展，該領(lǐng)域面臨著許多相關(guān)問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是，由于銅的非理想耦合，頻率增加時(shí)會(huì)導(dǎo)致更多的寄生。Jaussi解釋說(shuō):

“研究光學(xué)和光通信的一個(gè)動(dòng)機(jī)是改善接口性能。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)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(zhǎng)速度更快?！?/em>

想要提高未來(lái)I/O接口的能效和工作范圍，很有可能是在同一個(gè)封裝中集成硅電路和光學(xué)。研究人員認(rèn)為，通過(guò)將CMOS和光子學(xué)集成到一個(gè)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(zhǎng)激光器集成

從高集成中受益的一個(gè)重要的光子應(yīng)用是多波長(zhǎng)激光。

在像互聯(lián)網(wǎng)這樣的通信應(yīng)用中，光通信最簡(jiǎn)單的形式是由單一波長(zhǎng)的激光TX/RX方案組成的單一光纖。然而在實(shí)踐中，工程師們會(huì)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(zhǎng)組成（波長(zhǎng)種類隨著帶寬要求增加）。今天，長(zhǎng)途通信系統(tǒng)可以在一根光纖中使用近100個(gè)波長(zhǎng)。

但是，當(dāng)涉及到芯片間通信時(shí)，這種方案變得非常難以實(shí)現(xiàn)。榮博士解釋說(shuō):

“當(dāng)談?wù)撔酒g通信時(shí)，我們需要很多組件，實(shí)際上是數(shù)十億個(gè)組件，比如單獨(dú)的激光器和調(diào)制器。這會(huì)導(dǎo)致使用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，成本是無(wú)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(shí)現(xiàn)集成的關(guān)鍵。”

為了實(shí)現(xiàn)芯片間通信所需的集成光子學(xué)，英特爾實(shí)驗(yàn)室探索了使用密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing，簡(jiǎn)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(shí)增加帶寬的希望。然而，到目前為止，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是如何制造具有均勻波長(zhǎng)間距和功率的DWDM光源。

英特爾集成八波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)分布式反饋(DFB)激光陣列，完全集成在一個(gè)硅晶圓上，并在英特爾的300毫米混合硅光子平臺(tái)上設(shè)計(jì)和制造。在此過(guò)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(zhǎng)均勻性。榮博士解釋說(shuō):

“我們用8個(gè)波長(zhǎng)間距非常均勻的激光器來(lái)完成這個(gè)激光區(qū)域，這是很難實(shí)現(xiàn)的。我們擁有獨(dú)特的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可以完成別人做不到的事情。通過(guò)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(gè)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(zhǎng)間距均勻度為±6.5%，超過(guò)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

英特爾相信，未來(lái)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)。