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陈昇祐，Whoscored中文官网

摘要

光电共封装和集成是下一代高速和大容量光互连的关键技术。本文回顾了光电芯片与电子芯片的共封装以及单片集成方法的优势。主要优势包括：增加的带宽密度,降低的功耗,更小的尺寸，更低的成本。这些优势正在推动数据中心、电信和消费类设备的应用采用这些技术。利用 PIC Studio中的pSim联合仿真工具使设计师能够优化集成光电系统。

引言

数据流量的指数增长正在推动对更高容量光互连的需求。然而，由于带宽限制、功耗约束和成本问题，电接口正在努力跟上步伐。光电子同封装和集成通过使光电器件与电子器件更紧密结合来克服这些挑战。在同封装中，光电芯片和电子芯片装配在一个封装内，在利用现有制造基础设施的同时实现紧密集成。单片集成在同一半导体衬底上制造光电子器件，以实现最大程度的集成。与传统的分立封装和组装相比，这两种方法都提供了优势。

本文回顾了同封装和单片集成对光互连的优势。并讨论了在数据中心、电信网络和消费类设备中的应用。还重点介绍了pSim在集成光电系统联合仿真方面的能力。

增加的带宽密度

光电子集成的一个关键优势是增加的总带宽密度,定义为单位面积的总吞吐量。使光电芯片与电子芯片靠近可以减少电连接的长度。更短的连接具有更高的可用带宽，允许聚合更多的数据通道。例如，一个与CMOS电子芯片翻转焊接的硅光子芯片，与单独的光学引擎相比可以实现更高的连接密度。这种密度优势使单个同封装模块可以达到多Tb/s的吞吐量。

降低的功耗

除了带宽的提升,同封装和集成还可以降低模块的功耗。消除功率密集型的电接口和长的PCB走线可以减少静态功耗。由于更短的连接需要更少的驱动功率来传输高速信号,动态功耗也有所下降。联合设计和仿真可以优化像选择性关闭激光驱动器等节能技术。随着带宽的提高,这一点尤其重要。总体而言，与具有等效吞吐量的分立组件相比，集成模块的功耗可以降低50%以上。

图1. 联合设计和封装TIA芯片、驱动芯片与基于硅基光电子的PIC放在与DSP ASIC相同的衬底上,可以消除DAC终端,从而可以使DAC功耗降低35% [来源: Cisco]

更小的尺寸

集成还可以大大减小光互连模块的物理尺寸。一个硅基光电子收发器芯片的尺寸通常只有几毫米，而一个分立的光学引擎通常占据100平方厘米以上。通过消除芯片间连接和将多个芯片组合成一个封装，可以将总尺寸降低10倍以上。这种尺寸的减小对于在空间受限的系统(如大规模数据中心)中集成更多容量至关重要。

图2. 在过去十年中,光电子集成和共封装技术使相干收发器的体积显着缩小[来源: Cisco]

更低的成本

除了减小物理尺寸，共封装和集成还通过提高制造效率和规模经济来降低成本。成熟的半导体组装和封装工厂可以利用现有的大规模制造能力。与传统光学模块不同，共封装可以实现精确的无源对准，从而最小化了对组件的昂贵的光学测试和主动对准。总体而言，与传统光学模块相比，成本可以降低2-3倍。

关键应用

pSim的联合仿真

为了加速这类集成光电子系统的开发，设计人员需要联合仿真工具。PIC Studio工具链中的pSim支持光电链路、电子电路和系统环境的原理图驱动联合仿真。先进的模型、自定义器件，标准Python3语法的分析和后处理功能使设计人员能够优化设计,而无需进行时间消耗的制造循环。集成光电子需要像pSim这样可以统一光电子、电子和系统建模的平台。

 图3. pSim 光电芯片链路仿真工具可以对接最流行的 Spice 仿真器进行光电融合仿真

总结

光电共封装和集成的优势是非常吸引人的:增加的带宽密度，降低的功耗，更小的尺寸和更低的成本。这些优势正在推动它在数据通信、电信和消费应用中的采用。pSim联合仿真工具可以促进快速的设计优化。封装组装、互连集成和联合设计方法论的持续发展将进一步释放集成光电子的潜力。