過去十年，集成光子學的重要性顯著增加。隨著數據速率和數據吞吐量不斷提高，傳(chuan) 統銅互聯的性能越來越呈現出限製性，光子學和集成光子學的發展已經成為(wei) 網絡基礎設施的關(guan) 鍵。

英特爾實驗室在光子學領域投入了大量資金，該實驗室最近演示了一個(ge) 嚴(yan) 格控製、高度集成的八波長激光器，在集成光子學領域首次獲得了業(ye) 界認可。

近日，筆者有幸與(yu) 英特爾實驗室PHY研究實驗室高級首席工程師兼主任James Jaussi以及高級首席工程師榮海生博士進行了交流，了解了更多關(guan) 於(yu) 該項目的消息。

光子集成的需求

隨著電子行業(ye) 向更快的數據速率和更小的尺寸節點發展，該領域麵臨(lin) 著許多相關(guan) 問題。其中一個(ge) 問題是，由於(yu) 銅的非理想耦合，頻率增加時會(hui) 導致更多的寄生。Jaussi解釋說:

“研究光學和光通信的一個(ge) 動機是改善接口性能。隨著時間的推移，每個(ge) 封裝的性能都在提升，總功耗也在增加。但是，I/O接口的功耗增長速度更快。”

想要提高未來I/O接口的能效和工作範圍，很有可能是在同一個(ge) 封裝中集成矽電路和光學。研究人員認為(wei) ，通過將CMOS和光子學集成到一個(ge) 封裝中，可以解決(jue) 傳(chuan) 統銅互連的局限性，從(cong) 而提高整體(ti) 帶寬、能源效率和電路複雜性。

多波長激光器集成

從(cong) 高集成中受益的一個(ge) 重要的光子應用是多波長激光。

在像互聯網這樣的通信應用中，光通信最簡單的形式是由單一波長的激光TX/RX方案組成的單一光纖。然而在實踐中，工程師們(men) 會(hui) 把一組激光器放入一根光纖中，每組激光器都由不同的波長組成（波長種類隨著帶寬要求增加）。今天，長途通信係統可以在一根光纖中使用近100個(ge) 波長。

但是，當涉及到芯片間通信時，這種方案變得非常難以實現。榮博士解釋說:

“當談論芯片間通信時，我們(men) 需要很多組件，實際上是數十億(yi) 個(ge) 組件，比如單獨的激光器和調製器。這會(hui) 導致使用傳(chuan) 統技術實現時，成本是無法接受的。集成將是向前發展的關(guan) 鍵，而矽光子技術將是實現集成的關(guan) 鍵。”

為(wei) 了實現芯片間通信所需的集成光子學，英特爾實驗室探索了使用密集波分複用(dense wavelength division multiplexing，簡稱DWDM)技術的共封裝光學解決(jue) 方案。這種方案已經顯示出在顯著減少光子芯片物理尺寸的同時增加帶寬的希望。然而，到目前為(wei) 止，一個(ge) 主要的挑戰是如何製造具有均勻波長間距和功率的DWDM光源。

英特爾集成八波長激光器

最近，英特爾公司宣布成功演示了一種嚴(yan) 格控製的集成八波長激光器，在該領域取得了重大進展。

光學解決(jue) 方案是一個(ge) 分布式反饋(DFB)激光陣列，完全集成在一個(ge) 矽晶圓上，並在英特爾的300毫米混合矽光子平台上設計和製造。在此過程中，英特爾使用先進的光刻技術在III-V晶圓鍵合工藝之前定義(yi) 矽波導光柵，這種方法與(yu) 傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器相比，允許更好的波長均勻性。榮博士解釋說:

“我們(men) 用8個(ge) 波長間距非常均勻的激光器來完成這個(ge) 激光區域，這是很難實現的。我們(men) 擁有獨特的設計和製造技術，可以完成別人做不到的事情。通過將一塊非常小的磷酸鹽芯片固定在晶圓上，然後平麵化並移除襯底，最終得到了一個(ge) 上麵有一層非常薄的磷酸鹽薄膜的晶圓。”

該激光器陣列的輸出功率均勻度為(wei) +/- 0.25 dB，波長間距均勻度為(wei) ±6.5%，超過了行業(ye) 標準。

英特爾相信，未來這方麵的進步將有助於(yu) 促進網絡密集型工作，包括人工智能和機器學習(xi) 。