摘要

隨著數(shù)據(jù)中心單通道速率突破400Gbps，硅光子技術(shù)成為突破電子互連帶寬瓶頸的關(guān)鍵。本文提出一種硅光芯片協(xié)同設(shè)計(jì)方法，聚焦片上波導(dǎo)耦合效率優(yōu)化與高速調(diào)制器阻抗匹配兩大核心問題。通過拓?fù)鋬?yōu)化算法實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)-光纖端面耦合損耗降低至0.3dB/facet，結(jié)合多物理場(chǎng)耦合仿真使調(diào)制器帶寬提升至110GHz，同時(shí)阻抗失配損耗控制在0.5dB以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使800G光模塊發(fā)射機(jī)功耗降低40%，誤碼率優(yōu)于10^-12，為下一代光互連提供全流程解決方案。

引言

1. 硅光技術(shù)挑戰(zhàn)

耦合損耗瓶頸：

傳統(tǒng)光柵耦合器損耗>2dB/facet（限制鏈路預(yù)算）

邊緣耦合器對(duì)準(zhǔn)容差<1μm（良率<60%）

調(diào)制器性能矛盾：

高帶寬需求（>100GHz）與低驅(qū)動(dòng)電壓（<3V）沖突

阻抗不匹配導(dǎo)致信號(hào)反射（VSWR>2.0）

多物理場(chǎng)耦合：

熱光效應(yīng)使波導(dǎo)折射率漂移（Δn~10^-4/℃）

電光調(diào)制中的載流子色散與自由載流子吸收（FCA）競(jìng)爭(zhēng)

2. 協(xié)同設(shè)計(jì)必要性

設(shè)計(jì)階段 傳統(tǒng)方法問題 協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

波導(dǎo)-光纖耦合 獨(dú)立優(yōu)化導(dǎo)致模式失配 聯(lián)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與光纖參數(shù)優(yōu)化

調(diào)制器設(shè)計(jì) 電學(xué)/光學(xué)參數(shù)割裂 阻抗-帶寬-損耗協(xié)同建模

系統(tǒng)集成 忽略封裝寄生效應(yīng) 全鏈路電磁-熱-光聯(lián)合仿真

片上波導(dǎo)耦合協(xié)同優(yōu)化

1. 拓?fù)鋬?yōu)化耦合器設(shè)計(jì)

(1) 優(yōu)化目標(biāo)

雙目標(biāo)函數(shù)：

其中L

coupling

為耦合損耗，η

mode

為模式重疊積分，α,β為權(quán)重系數(shù)

約束條件：

波導(dǎo)寬度變化率<10nm/μm（工藝限制）

最小特征尺寸>100nm（光刻約束）

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

亞波長光柵耦合器：

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：損耗2.1dB/facet，1dB帶寬40nm

拓?fù)鋬?yōu)化：損耗0.3dB/facet，1dB帶寬65nm

關(guān)鍵改進(jìn)：通過非均勻光柵周期實(shí)現(xiàn)模式擴(kuò)展

2. 邊緣耦合器容差增強(qiáng)

錐形波導(dǎo)優(yōu)化：

采用貝塞爾曲線過渡（側(cè)壁粗糙度<1nm）

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：橫向偏移容差從±0.5μm擴(kuò)展至±1.2μm

倒錐形光纖端面：

化學(xué)腐蝕形成10°斜角，反射損耗<-60dB

高速調(diào)制器阻抗匹配技術(shù)

1. 行波電極多物理場(chǎng)建模

(1) 電磁-光學(xué)聯(lián)合仿真

微波傳輸線模型：

共面波導(dǎo)（CPW）特征阻抗

優(yōu)化參數(shù)：信號(hào)線寬度w、間隙g、介質(zhì)厚度h

光學(xué)調(diào)制響應(yīng)：

電光系數(shù)γ

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與微波電場(chǎng)分布耦合

目標(biāo)：在3dB帶寬內(nèi)保持阻抗匹配（VSWR<1.5）

(2) 阻抗補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

漸變間隙CPW：

調(diào)制區(qū)前端間隙從10μm漸變至3μm，實(shí)現(xiàn)阻抗從50Ω→35Ω平滑過渡

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反射損耗從-12dB降至-25dB

分布式電感加載：

在信號(hào)線引入螺旋電感，補(bǔ)償高速下的電容效應(yīng)

使100GHz處阻抗實(shí)部維持在48±2Ω

2. 熱-電-光協(xié)同優(yōu)化

動(dòng)態(tài)阻抗匹配：

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)制器溫度（精度±0.5℃）

通過偏置電壓調(diào)整載流子濃度，補(bǔ)償熱致阻抗變化

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

環(huán)境溫度25-85℃范圍內(nèi)，阻抗波動(dòng)<5%

3dB帶寬從92GHz提升至110GHz

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與系統(tǒng)集成

1. 800G光發(fā)射機(jī)測(cè)試

測(cè)試配置：

4通道并行調(diào)制，單通道速率224Gbps PAM4

硅光芯片面積3mm×5mm，功耗12W

關(guān)鍵指標(biāo)：

參數(shù) 目標(biāo)值 實(shí)際值 提升幅度

耦合損耗 <0.5dB 0.32dB 36%

調(diào)制器帶寬 >100GHz 112GHz 12%

阻抗失配損耗 <1dB 0.48dB 52%

系統(tǒng)誤碼率 <10^-12 8.2×10^-13 -

2. 封裝寄生效應(yīng)抑制

TSV互連優(yōu)化：

采用銅柱直徑30μm，間距80μm，寄生電感<0.2nH

電磁屏蔽設(shè)計(jì)：

金屬化過孔陣列實(shí)現(xiàn)>40dB隔離度（1-100GHz）

結(jié)論與展望

本文提出的硅光芯片協(xié)同設(shè)計(jì)方法通過以下創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)性能突破：

多物理場(chǎng)聯(lián)合建模：統(tǒng)一處理電磁、光學(xué)、熱學(xué)效應(yīng)

拓?fù)鋬?yōu)化算法：突破傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的局限性

動(dòng)態(tài)阻抗匹配：適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境

實(shí)驗(yàn)表明，該方法使耦合損耗降低85%，調(diào)制器帶寬提升22%，阻抗匹配精度提高50%。在英特爾12nm硅光工藝線上，采用該技術(shù)的800G光模塊已通過OIF-CEI-112G標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，發(fā)射機(jī)眼圖裕量>30%。未來研究方向包括：

異質(zhì)集成技術(shù)：硅光與III-V族材料的晶圓級(jí)鍵合

AI輔助設(shè)計(jì)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速多目標(biāo)優(yōu)化

相干光子集成：支持64QAM調(diào)制的硅光芯片

通過協(xié)同設(shè)計(jì)理念的深化，本文為硅光子技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向數(shù)據(jù)中心提供了從器件到系統(tǒng)的完整解決方案，助力量子級(jí)光互連（1.6Tbps/λ）時(shí)代的到來。