fbpx
Назад
18 сентября, 2022

Технологии интегральной оптики

Intel Labs интегрирует восьмиволновую лазерную решетку DFB в кремниевую пластину

Развивая многоволновую интегрированную оптику, Intel Labs достигает хорошо согласованной выходной мощности с равномерными и плотно расположенными длинами волн с помощью своей восьмиволновой лазерной матрицы с распределенной обратной связью (DFB).

Лаборатория Intel недавно продемонстрировала массив лазеров DFB с восемью длинами волн, полностью интегрированный в кремниевую пластину. Этот прогресс был достигнут за счет существующего управления производством и процессами на фабриках Intel, что обеспечило путь к массовому производству оптики нового поколения в интегральном исполнении для ресурсоемких рабочих нагрузок, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.

Ключевым направлением исследований Intel Labs являются оптические коммуникации, которые являются частью их комплексной работы в области фотоники и включают в себя три основных элемента их общих усилий в области кремниевой фотоники.

Эти основные элементы включают в себя «источник света или лазер, а также возможность его модуляции», — говорит Джеймс Джаусси, старший главный инженер и директор исследовательской лаборатории PHY Intel Labs. «Другой ключевой момент — его усиление, а также обнаружение и прием оптического сигнала и преобразование его в электрический сигнал на КМОП-чипе. 

По мере того, как медные электрические соединения тормозят рост производительности, параллельная интеграция кремниевых схем и оптики в одном корпусе демонстрирует огромные перспективы для будущих интерфейсов ввода-вывода с улучшенной энергоэффективностью и большей доступностью.

Приложениям искусственного интеллекта и машинного обучения требуется высокая скорость без сбоев, которые часто возникают в медных проводниках. Недавние оптические решения в интегральном исполнении, использующие технологию плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM), обещают увеличить пропускную способность при значительном уменьшении физического размера фотонных чипов. Но до сих пор было очень сложно производить источники света DWDM с одинаковым расстоянием между длинами волн и мощностью.

Работа Intel обеспечивает постоянное разделение источников света по длинам волн при сохранении одинаковой выходной мощности, что соответствует ключевому требованию для межсоединений оптических вычислений и связи DWDM. Он также позволяет настраивать вычислительный ввод-вывод следующего поколения с использованием оптических интерфейсов для экстремальных требований высокоскоростных рабочих нагрузок искусственного интеллекта и машинного обучения.

Дизайн и изготовление

Восьмиволновая лазерная матрица DFB Labs Intel разработана и изготовлена ​​на ихкоммерческой 300-миллиметровой гибридной кремниево-фотонной платформе, которая также используется для массового производства оптических приемопередатчиков, поэтому ее можно легко масштабировать.

«Мы продвигаем оптическую связь вплоть до связи между чипами, — говорит Хайшэн Ронг, старший главный инженер исследовательской группы Photonics в Intel Labs. «Для этого требуется много компонентов, если не миллиарды компонентов, а стоимость при использовании традиционной технологии непомерно высока. Мы заранее определили, что технология кремниевой фотоники может обеспечить такую ​​интеграцию, поэтому мы интегрируем все оптические компоненты в кремниевый чип и изготавливаем его на нашем традиционном заводе по производству КМОП».

Составные полупроводниковые лазеры являются ключевым элементом, позволяющим интегрировать их в кремний. Эти лазерные материалы, в частности фосфид индия (InP) и арсенид галлия (GaAs), имеют широкую запрещенную зону, которая очень эффективно излучает свет.

«По мере увеличения пропускной способности мы хотим увеличить длину волны в одном волокне», — говорит Ронг. «Вот почему мы хотели создать массив лазеров, каждый со своей длиной волны. Эти лазеры плотно упакованы в том смысле, что они находятся на одном чипе, а также с точки зрения длины волны, потому что мы хотели, чтобы они были близко друг к другу, чтобы упаковать восемь сейчас, но, возможно, в будущем мы захотим упаковать 16 или 32 канала в один.».

Intel использует плотное мультиплексирование с разделением по длине волны (DWDM) для создания массива лазеров из восьми лазеров с очень равномерным расстоянием между длинами волн, что, по словам Ронга, «очень сложно» реализовать.

Основная цель состоит в том, чтобы свести к минимуму энергопотребление, потому что, если температура чипа изменится, все температуры лазера изменятся, и длины волн изменятся. Этот шаблон движется слева направо в зависимости от температуры, и «для нашей архитектуры очень важно поддерживать постоянное расстояние между длинами волн и не слишком беспокоиться об абсолютном дрейфе длины волны», — говорит Ронг.

Когда они впервые получили лазер, исследователи включили его, начали проводить измерения и были счастливы получить ожидаемую производительность. «Мы включили еще один лазер с разносом около 200 ГГц, что тоже было довольно круто, а затем включили их все и увидели перед собой очень равномерный всплеск», — добавляет Ронг. «Мощность также одинакова, но по мере того, как вы проходите этот процесс, чип немного нагревается, но расстояние остается постоянным».

Эта последняя работа по интеграции знаменует собой значительный прогресс в производстве лазеров на КМОП-фабрике большого объема благодаря той же литографии, которая уже используется для производства кремниевых пластин диаметром 300 мм.

Для этой работы Intel использует передовую литографию для определения решеток длин волн в кремнии до процесса соединения пластин. Исследователи говорят, что этот метод приводит к лучшей однородности длины волны по сравнению с обычными полупроводниковыми лазерами, производимыми на 3- или 4-дюймовых пластинах. А тесная интеграция лазеров позволяет массиву сохранять разнос каналов при изменении температуры окружающей среды.

Следующий шаг

Лаборатория Intel также работает над созданием других основных технологических блоков, включая генерацию света, усиление, обнаружение, модуляцию, интерфейсные схемы CMOS и технологии пакетной интеграции.

Помимо этого, подразделение Intel Silicon Photonics Products реализует многие аспекты своей восьмиволновой интегрированной лазерной матрицы в будущий чипсет для оптических вычислительных соединений. Этот чипсет предназначен для обеспечения энергосберегающих, высокопроизводительных межсоединений со скоростью несколько терабит в секунду между вычислительными ресурсами, включая центральные процессоры, графические процессоры и память.