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摘要：广泛应用硅光子学（SiPh）技术所面临的一个突出挑战是集成平台的通用性，该平台可以在不同的应用场合同时满足各种功率、性能和成本的要求。因此，人们提出并实现了多种SiPh集成解决方案，但没有一种被大家认为是通用解决方案。在本文中，我们首先研究了业界提出的单片和异质集成光子引擎结构，分别了解其优缺点。然后，我们提出了一种紧凑型通用光子引擎（PE）结构—COUPE（紧凑型通用光子引擎），它可以将不同的需求整合到同一个集成平台上。

COUPE具有电子IC–光子IC集成电路和电子接口，旨在最大限度地减少EIC–PIC耦合损耗。与业界提出的PE技术相比，COUPE可以为光栅耦合器（GC）和边缘耦合器（EC）提供低插入损耗。无论是GC还是EC，COUPE都是实心的坚固结构，没有空腔或机械薄弱部件，因此能够实现低插入损耗，不会产生任何污染或机械问题。COUPE还具有与主机ASIC轻松集成的灵活性，以便形成一种联合封装结构。COUPE集成方案可以满足最苛刻的系统要求，并为基于SiPh的晶圆级系统集成（WLSI）的高性能计算应用铺平道路。

关键词：硅光子学；3D集成；异构集成；高性能计算；光纤耦合器

 

一、导言

十多年前，互联网流量的爆炸式增长促使数据中心转向光学通信。此后，硅光子学（SiPh）以其高速和低功耗而成为各数据中心之间以及数据中心内部通信的最佳解决方案。图1显示了SiPh封装的演变：从可插拔光学器件、板载光学器件（OBO）到联合封装光学器件（CPO）。随着带宽需求的增加，PE逐渐靠近主机ASIC（交换机、CPU、GPU、FPGA、内存等），以减少铜导线的功率损耗和信号衰减。无论与主机ASIC的距离有多近，将电信号转换为光信号（反之亦然，即将光信号转换为电信号）的高性能PE仍然是SiPh技术的核心。

图1.主板上的SiPh封装配置：从（A）可插拔光学器件，（B）板载光学器件（OBO）发展到（C）联合封装光学器件（CPO）

PE由光子集成电路（PIC）和电子集成电路（EIC）组成。PIC和EIC通过PE的电子接口相连接。PE还通过其光学接口—光纤耦合器进行光的接收和传输。如图2所示，来自激光二极管的未经调制的光首先通过源PE中的光纤耦合器耦合到PIC中。再经过驱动器控制的调制器（MOD）后，承载信息的调制光信号通过光纤传输到目的PE。

PIC中的光电检测器（PD）对光信号进行检测，并将其转换为电流。电流信号随后被EIC中的跨阻放大器（TIA）放大，并转换为电压信号。最后，电压信号通过电子通道从EIC传输到目的ASIC。

从其运行情况可以看出，PE的性能主要受EIC和PIC之间的电子接口以及PIC上的光学接口的影响。在以下的章节中，我们将首先研究各种SiPh集成方案，然后依次讨论电子和光学接口，最后得出结论。

图2 在PE操作中，来自激光二极管（LD）的未经调制的光首先通过源PE中的光纤耦合器耦合到PIC中。经过驱动器（DRV）控制的MOD后，承载信息的调制光信号通过光纤传输到目的PE。PIC中的光电检测器（PD）对光信号进行检测，并将其转换为电流。该电流信号随后被EIC中的跨阻放大器（TIA）放大，并转换为电压信号。

（相关信息和图片来源于论文，经过翻译修改）