Схема Intel для фотонной интеграции

В 2022 году Intel сообщила о ходе разработки своих основных устройств и будущей компоновке в области кремниевой фотоники на OFC, а также анонсировала свои продукты кремниевой фотоники 400G DR4 и 800G 2xFR4. На рисунке ниже показана схема фотонной интеграции Intel. Слева — традиционный подключаемый модуль панели. Тот, что посередине, — это модуль оптической коммутации CPO, который Intel продемонстрировала в 2020 году, со скоростью интерфейса 1.6 Тбит/с. Тот, что справа, — это будущий оптический ввод-вывод со скоростью интерфейса 4–64 Тбит/с. В настоящее время оптоэлектронные чипы значительно интегрированы, а также интегрированы лазеры. Общая тенденция — более высокая плотность, большая емкость и более низкое энергопотребление.

На рисунке ниже показан модуль оптической коммутации CPO, который Intel продемонстрировала в 2020 году. Спрос на увеличение пропускной способности является жестким требованием, а энергопотребление заставляет оптические устройства использовать решения для интеграции ASIC. Поскольку оптическая коммутация большой пропускной способности со скоростью 51 Тбит/с находится в стадии разработки в течение ограниченного времени, CPO будет предпочтительным решением. На диаграмме ниже показан субмодуль CPO 1.6 Тбит/с. Он основан на корпусе 2.5D, гибридной интеграции PIC и EIC, а также технологии пассивного выравнивания на основе SSC и V-образных канавок для достижения преобразования оптического интерфейса. 40-кратная плотность полосы пропускания обеспечивает повышение энергоэффективности более чем на 30%.

Модуль оптической коммутации CPO, который Intel продемонстрировала в 2020 году

Структура PIC 1.6 Тбит/с показана на рисунке ниже. Длина волновода >30 см, >600 электродов и 4 датчика температуры. Оно включает:

Лазер: 16*2 каналов на базе собственного гибридного интегрированного лазера; каждый канал имеет два резервных лазера для повышения надежности системы x.

Оптический переключатель выбора лазера: 16 конструкций MZI 2×1 на базе нагревателя

Микрокольцевые модуляторы кремниевой фотоники: 16 микрокольцевых модуляторов кремниевой фотоники со встроенной тепловой настройкой, обеспечивающие модуляцию PAM106 со скоростью 4 Гбит/с.

ПДД: 48 германиевых PD, каждый из которых поддерживает сигналы модуляции PAM106 со скоростью 4 Гбит/с.

Технология пассивного выравнивания: 16 интегрированных V-образных канавок и структура SSC.

На рисунке ниже показана платформа PIC-EIC, которая включает в себя все активные устройства, пассивные устройства и структуры электрических чипов.

Платформа ПИК-ЭИК

SOA-on-chip — это уникальная технология, позволяющая достичь выходной мощности 100 мВт (20 дБм) внутри волновода с минимальными потерями, как показано на рисунке ниже.

SOA-технология

Лазер основан на гибридных DFB-лазерах III/V-Si. Структурная схема представлена ​​ниже. Он может работать от 0 до 150 градусов, поэтому поддерживает неохлаждаемый режим. Оптическая мощность составляет 25 мВт при 80 °С при 100 мА, низкий RIN <-155 дБ/Гц и высокий SMSR> 40 дБ.

Структурная схема лазера

Микрокольцевой модулятор использует легированную PNJ-структуру L-типа с высокой эффективностью модуляции (оптимизированы перекрытие и легирование) <0.55 Всм при 1310 нм, чрезвычайно малым размером <20 мкм и широкой полосой пропускания 50 ГГц EO BW (низкое последовательное сопротивление и паразитные емкость).

Микрокольцевой модулятор

На рисунке ниже показана глазковая диаграмма микрокольцевого модулятора NRZ 128 Гбит/с с Vpp=0.8 В, ER=3.8 дБ, что было самой высокой скоростью модуляции, достижимой на тот момент.

Глазковая диаграмма микрокольцевого модулятора

Самая большая проблема с микрокольцевым модулятором — это дрейф центральной длины волны. Один тип дрейфа вызван изменениями окружающей среды в реальной работе, с которыми у Intel есть своя уникальная технология мониторинга и методы компенсации, чтобы справиться. Другой тип — это дрейф центральной длины волны, вызванный во время технологического проектирования. У Intel есть своя уникальная технология подгонки, как показано на рисунке ниже. В процессе производства выполняется легирование Ge для компенсации в соответствии со смещением длины волны, и в конечном итоге может быть достигнут контроль уровня пластины ±32пм, что значительно снижает энергопотребление при настройке длины волны.

Технология обрезки

Для оптического ввода-вывода пятого поколения Intel также разработала решения, которые могут реализовать двунаправленную передачу 8 Тбит/сде, включая 8-волновое одноволоконное волокно NRZ со скоростью 64 Гбит/с, 8 передатчиков и 8 приемников, высокопроизводительные встроенные лазеры и SOA, высокоскоростные микрокольцевые модуляторы, высокоскоростной Ge PD и технология пассивного выравнивания волокон с V-образными канавками. На рисунке ниже показана мультиплексированная 8-волновая DFB-решетка с разносом 200 ГГц.

Мультиплексная 8-волновая антенная решетка DFB с разносом 200 ГГц

На рисунке ниже представлен взгляд Intel на будущее оптического ввода-вывода. Трехмерная структура упаковки гибридных интегрированных чипов является неизбежной тенденцией. Как показано на рисунке ниже, PIC перевернут на EIC, а чип EIC и вычислительный чип XPU соединены между собой на подложке через EMIB. Целевое энергопотребление составляет 3 пДж/бит, а каждое оптическое волокно передает 3 Тбит/с на расстояние > 1 м с задержкой < 100 нс.

Взгляд Intel на будущее оптического ввода-вывода

Таким образом, на основе основного IP компания Intel постепенно реализовала кремниевые фотонные трансиверы 800G, CPO и оптический ввод-вывод. Мы можем сказать, что и CPO, и оптический ввод-вывод могут в полной мере раскрыть преимущества кремниевых фотонных чипов с точки зрения интеграции и энергопотребления, решить проблемы с пропускной способностью чипа, а трехмерная структура упаковки гибридных интегрированных чипов может стать реальной областью применения. применения III-V и кремниевой фотоники.