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进阶教程|硅基光电子技术在面向数据中心需求的激光器集成方案

前言

数据需求的指数增长正在推动数据中心互连的快速创新，以提高容量和效率。硅基光电子技术利用先进的CMOS制造工艺，实现了在硅衬底上大规模生产光子集成电路（PIC)。但是，作为间接带隙材料。硅无法有效发光，这就需要与III-V族增益材料集成以实现激光源。本教程文章回顾了将激光器与硅基光电子电路集成的各种方法，以满足高容量数据通信不断发展的性能、成本和可扩展性要求。

采用硅基光电子技术的动机

相比电连接，数据中心中的光互连具有以下突出优势：

更高带宽–光载波带宽是电连接的100倍
更低功耗–光子链路每比特功耗降低10倍
更长传输距离–光信号损耗更低。允许更长距离连接

这些优势推动了服务器、交换机和处理器组件中的电输入/输出向光输入/输出的转变。硅基光电子技术利用现有的CMOS工艺和大规模300毫米晶圆制造来降低成本，实现光子器件与交换机/计算芯片的共封装。随着数据速率从100GbE扩展到400GbE、800GbE和1.6TbE，硅基光电子组件和光子集成电路处理大量波长和光纤上的密集复用信号的路由和传输。

尽管在硅上已经实现了性能出色的调制器、滤波器、解复用器、开关和检测器，但发光仍然具有挑战性。集成高效的激光源对于实现芯片级光子系统非常重要。

激光器与硅集成的方法

已出现了四种将激光器与硅基光电子芯片集成的方法：

离散：通过边缘或光栅耦合器将光纤耦合的激光器与芯片连接
混合集成：独立的III-V族激光二极管与硅芯片紧密封装
异质集成：III-V族薄膜与图案化的硅波导键合
单片集成：III-V族材料在硅衬底上外延生长

每种方法都有不同的权衡取舍（图2）。离散耦合需要光学调整并可扩展性有限。翻晶技术和微转印可实现优化的III-V族和硅主动器件/无源器件的混合组装。采用晶圆级工艺。异质集成有望实现与其他光子组件集成于一体的最高激光器密度。单片III-V族器件在硅衬底上的生长可以通过消除III-V族衬底来降低成本。

图1 各种集成方法中激光器与硅光子集成电路的配置示意图。必须通过端面耦合的方式将单片激光器与硅基光电子集成电路连接形成混合集成。异质集成的激光器能够在芯片上直接向硅基光电子集成电路耦合[1]。

图2 混合集成激光器与硅基光电子集成电路的实例。混合集成基于:（A）被动对准;（B）金属键合;（C）光子线键合;（D）氮化硅斑点尺寸转换器辅助的被动对准;以及（E）卢森塔的密封硅激光微封装 [1]。

集成激光器性能要求

数据中心和硅基光电子应用对集成激光源提出了严格要求：

输出功率：>10毫瓦，1公里以上传输距离需要>70毫瓦
效率：壁插效率>30%实现无冷却运转
阈值电流：<1毫安，最小化功耗
温度范围：20-80°C，无需冷却即可可靠运行
调制速率：>50吉赫。每个波长目标100吉比特/秒
短脉冲抑制比：>30分贝，单模光谱纯度
线宽：<100千赫，支持相干传输
相对强度噪声：<-135分贝/赫兹，最小化误码
寿命：>100万小时，在60-80°C环境下平均失效时间

这些要求会因架构（CWDM与DWDM)、传输距离、调制格式等而有所不同。但是能效、可靠性和成本效益仍是关键的可行性因素。

基本的集成挑战

单片III-V族器件在硅衬底上的生长面临基本材料挑战，包括：

晶格失配– GaAs与Si之间约8%的失配会导致位错，降低外延质量
热失配– 热膨胀系数差异达到54%，会导致开裂
反相域– 会导致非辐射缺陷。除非使用特殊衬底

这些固有的材料不兼容性至今阻碍了高性能的电驱动激光器直接外延在硅上。而异质集成和混合集成避免了外延生长中的挑战。但不同特性仍带来集成问题。包括：

热预算– 过高温度会降解键合界面，因此热处理必须在键合前完成
键合缺陷– 颗粒污染造成大于颗粒本身大小的键合空隙
热应力– 导致键合界面产生位错，降低器件性能

解决方案包括应变超晶格层来阻止缺陷扩散，以及优化表面活化和退火以提高键合强度。

混合集成的挑战

混合集成还必须满足其他要求：

高精度对准– 需要亚微米精度以最小化耦合损耗
机械稳定性– 对保持对准至关重要的环境稳定性
可扩展性– 封装数百个性能匹配的芯片变得复杂

这些约束推动了诸如光子线键合等新技术。简化 III-V族与硅的准确对位和组装。

最先进的集成激光器

混合集成和异质集成通过将 III-V族增益区域与低损耗硅基光电子波导集成。实现了外腔和分布反馈设计。这在过去是无法实现的（图3）。

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图3 实现窄线宽异质III-V/Si激光器的方法比较。（A）使用高Q硅微腔的单独激光器。（B）使用串联的高Q硅微环谐振器的外腔可调谐激光器。（C）低相干度分布反馈激光器通过自我注入锁定到高Q Si₃N₄微环谐振器 [1] 。

利用这种性能，异质集成的分布反馈激光器阵列首次商业化应用于100吉比特/秒硅基光电子收发器。通过集成密度的进一步提升，集成了数十个混合集成激光器和光接收器以及硅基光电子调制器和开关的器件已展示完整的光子系统可以实现。如锁模激光器和孤子微梳这样的新型波长复用源，唯一地通过异质III-V/Si集成得以实现。这些梳状激光器提供了从单一紧凑设备生成数百个波长通道的潜力。与此同时，外延生长的量子点激光器的稳步性能改进取得了记录数据，包括毫瓦级输出功率、低于10毫安的阈值电流、超过40%的壁插效率以及100万小时以上的寿命。尽管将此类单片激光器与硅波导耦合仍具有挑战性，但一旦解决。可能会提供一种有吸引力的低成本集成解决方案。

展望数据通信集成激光器的前景

在未来5年的近期技术需求中，每个信道的输出功率需要提高到20毫瓦以上，以支持更大规模的光纤分割、波道复用以及光子集成的复杂性。异质集成激光器提供晶圆级测试和先进集成与测试方法的兼容性。这将有利于与封装光学共封装的架构。

从更长远来看，随着带宽密度需求的继续增加，光子器件的扩展依然不可避免。异质集成和硅衬底上的外延生长将推动集成激光梳和包含数百个组件的硅基光电子收发器的广泛采用。最终出于经济考虑，单片方法可能更具优势，尽管将III-V组件与低损耗硅波导耦合仍然是一个持续的挑战。在不同时间尺度上，集成的可调谐激光器与窄线宽对于支持相干调制格式将变得越来越重要。

总结

数据需求的指数增长加速了先进CMOS工艺制造的硅基光电子技术的应用。将III-V族增益材料通过混合集成、异质键合和单片生长与硅集成对于提供高效、可靠和低成本的激光器以完成光子集成电路非常重要。随着数据中心互连容量继续扩展到1Tb/s以上，集成激光源的输出功率、效率、调制速率和集成密度需要不断提高，同时成本还需要进一步降低。

参考文献

[1]Madeleine Glick, Ling Liao, and Katharine Schmidtke. Integrated Photonics for Data Communication Applications. New York, NY, USA: Columbia University Press, 2023