英特爾集成光電研究最新進展推動共封裝光學(xué)和光互連技術(shù)進步

英特爾展示了集成在硅晶圓上的，被緊密控制的八波長激光陣列，具備適配功率和均勻波長間隔

英特爾研究院宣布其集成光電研究取得重大進展，這是提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心計算芯片互聯(lián)帶寬的下一個前沿領(lǐng)域。這一最新研究在多波長集成光學(xué)領(lǐng)域取得了業(yè)界領(lǐng)先的進展，展示了完全集成在硅晶圓上的八波長分布式反饋（DFB）激光器陣列，輸出功率均勻性達到+/- 0.25分貝（dB），波長間隔均勻性到達±6.5%，均優(yōu)于行業(yè)規(guī)范。

英特爾研究院資深首席工程師榮海生表示：“這項新的研究表明，均勻密集的波長和良好適配的輸出功率是可以同時實現(xiàn)的，最重要的是，能夠利用英特爾晶圓廠現(xiàn)有的生產(chǎn)和制程控制技術(shù)做到這一點。因此，它為下一代光電共封裝和光互連器件的量產(chǎn)提供了一條清晰的路徑。”

利用這一新進展生產(chǎn)的光源將具備未來大規(guī)模應(yīng)用所需的性能，如可用于那些處理AI和機器學(xué)習(xí)等新興網(wǎng)絡(luò)密集型工作負載的光電共封裝和光互連器件。這一激光器陣列基于英特爾300毫米硅光子制程制造，為量產(chǎn)和廣泛部署鋪平了道路。

據(jù)Gartner預(yù)測，到2025年，超過20%的數(shù)據(jù)中心高帶寬通道將使用硅光子，而在2020年這一比例還不到5%。此外，硅光子潛在市場的規(guī)模也達到了26億美元。對低功耗、高帶寬和快速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髱砹斯韫庾有枨蟮耐皆鲩L，以支持數(shù)據(jù)中心應(yīng)用和其它方面。

光連接在20世紀80年代開始取代銅線，是因為光纖中固有的高帶寬光傳輸優(yōu)于通過金屬線纜傳輸?shù)碾娒}沖。從那時起，由于組件尺寸和成本的降低，光纖技術(shù)變得更加高效，促成了過去幾年里光互連網(wǎng)絡(luò)解決方案的突破性進展，這些進展通常用于交換機、數(shù)據(jù)中心和其他高性能計算環(huán)境。

隨著電氣互連性能逐漸接近實際極限，將硅電路和光學(xué)器件并排集成在同一封裝上，有望在未來提高輸入/輸出（I/O）接口的能源效率，延長其傳輸距離。這些光子技術(shù)是在英特爾晶圓廠中使用現(xiàn)有制程技術(shù)實現(xiàn)的，這意味著在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)后，其成本將會降低。

最新的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，展現(xiàn)了在增加帶寬的同時顯著縮小光子芯片尺寸的前景。然而，截止到目前，要制造具有均勻波長間隔和功率的密集波分復(fù)用光源還非常困難。

英特爾的這一新進展則確保了光源在保持波長分隔一致性的同時有均勻的輸出功率，滿足了光計算互聯(lián)和密集波分復(fù)用通信的需求。使用光互連的下一代輸入/輸出接口可針對未來AI和機器學(xué)習(xí)工作負載的極高帶寬需求進行定制。

8個微環(huán)調(diào)制器和光波導(dǎo)。每個微環(huán)調(diào)制器都被調(diào)節(jié)到特定的波長（或者說“光色”）。利用多波長，每個微環(huán)都可單獨調(diào)制光波，以實現(xiàn)獨立通信。這種使用多個波長的方法就叫做波分復(fù)用。（圖片來源：英特爾公司）

八波長分布式反饋激光器陣列是在英特爾的商用300 mm混合硅光子平臺設(shè)計和制造的，這一平臺被用于量產(chǎn)光收發(fā)器?；谂c制造300 mm硅晶圓相同的，嚴格制程控制下的光刻技術(shù)，此項創(chuàng)新實現(xiàn)了大型CMOS晶圓廠激光器制造能力的重大飛躍。

8通道III-V族/硅混合分布式反饋激光器陣列。通過實現(xiàn)匹配功率和均勻波長間隔，這一創(chuàng)新標(biāo)志著大型晶圓廠量產(chǎn)多波長激光器能力的重大飛躍。

在這項研究中，英特爾使用了先進的光刻技術(shù)，以在III-V族晶圓鍵合制程前完成硅片中波導(dǎo)光柵的配置。與在三或四英寸III-V族晶圓廠制造的普通半導(dǎo)體激光器相比，這項技術(shù)提高了波長均勻性。此外，由于激光器的高密度集成，陣列在環(huán)境溫度改變時也能保持通道間距的穩(wěn)定。

未來，作為硅光子技術(shù)的先鋒，英特爾將繼續(xù)致力于研究各類解決方案，以滿足日益增長的對效率更高、功能更全面的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的需求。目前，英特爾正在開發(fā)的集成光電關(guān)鍵構(gòu)建模塊包括光的產(chǎn)生、放大、檢測、調(diào)制、CMOS接口電路和封裝集成。

此外，八波長集成激光器陣列制造技術(shù)的許多方面正被英特爾的硅光子產(chǎn)品部門（Silicon Photonics Products Division）用于打造未來的光互連芯粒。這一即將推出的產(chǎn)品將在包括CPU、GPU和內(nèi)存在內(nèi)的各種計算資源之間，實現(xiàn)低功耗、高性能、太比特每秒（multi-terabits per second）的互連。對實現(xiàn)光互連芯粒的大規(guī)模制造和部署而言，集成激光器陣列是縮小體積、降低成本的關(guān)鍵。