英特爾集成光電研究最新進(jìn)展推動(dòng)共封裝光學(xué)和光互連技術(shù)進(jìn)步

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

英特爾研究院宣布其集成光電研究取得重大進(jìn)展，這是提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心計(jì)算芯片互聯(lián)帶寬的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。這一最新研究在多波長(zhǎng)集成光學(xué)領(lǐng)域取得了業(yè)界領(lǐng)先的進(jìn)展，展示了完全集成在硅晶圓上的八波長(zhǎng)分布式反饋（DFB）激光器陣列，輸出功率均勻性達(dá)到+/- 0.25分貝（dB），波長(zhǎng)間隔均勻性到達(dá)±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(xiàng)新的研究表明，均勻密集的波長(zhǎng)和良好適配的輸出功率是可以同時(shí)實(shí)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(diǎn)。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(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)等新興網(wǎng)絡(luò)密集型工作負(fù)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(cè)，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(chǎng)的規(guī)模也達(dá)到了26億美元。對(duì)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(zhǎng)，以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心應(yīng)用和其它方面。

光連接在20世紀(jì)80年代開始取代銅線，是因?yàn)楣饫w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(shí)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(jìn)展，這些進(jìn)展通常用于交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心和其他高性能計(jì)算環(huán)境。

隨著電氣互連性能逐漸接近實(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)的，這意味著在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)后，其成本將會(huì)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(shí)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(zhǎng)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(jìn)展則確保了光源在保持波長(zhǎng)分隔一致性的同時(shí)有均勻的輸出功率，滿足了光計(jì)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(duì)未來AI和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的極高帶寬需求進(jìn)行定制。

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

八波長(zhǎng)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(tái)設(shè)計(jì)和制造的，這一平臺(tái)被用于量產(chǎn)光收發(fā)器?；谂c制造300 mm硅晶圓相同的，嚴(yán)格制程控制下的光刻技術(shù)，此項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)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(shí)現(xiàn)匹配功率和均勻波長(zhǎng)間隔，這一創(chuàng)新標(biāo)志著大型晶圓廠量產(chǎn)多波長(zhǎng)激光器能力的重大飛躍。

在這項(xiàng)研究中，英特爾使用了先進(jìn)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(xiàng)技術(shù)提高了波長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)的對(duì)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(cè)、調(diào)制、CMOS接口電路和封裝集成。

此外，八波長(zhǎng)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(jì)算資源之間，實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能、太比特每秒（multi-terabits per second）的互連。對(duì)實(shí)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。