一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件制造技术

本发明专利技术公开了一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件。该芯片组件可基于包含氮化硅工艺的绝缘体上硅(SOI)和磷化铟(InP)等半导体加工工艺制造而成。该光引擎收发组件以硅光芯片为基底，通过键合或倒装焊等方式将InP激光器和光放大器光芯片与硅光芯片实现异质集成。激光器作为泵浦光源，经超低损耗氮化硅谐振腔产生光孤子光频梳，从而可以作为多波长激光器，减少了单波长激光器芯片的使用，降低了光子引擎光芯片中的激光器功耗以及热传导，并且提升了光器件的集成度。此外，光频梳可以产生带宽覆盖范围广、波长数量多的光载波，因此可以实现基于波分复用技术的超大通信容量的硅基光引擎芯片。通信容量的硅基光引擎芯片。通信容量的硅基光引擎芯片。

【技术实现步骤摘要】
一种面向高速光通信的6.4 Tbps硅基光引擎收发芯片组件


[0001]本专利技术涉及一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件，特别涉及多种不同材料平台的光子集成芯片。

技术介绍

[0002]云计算、大数据、人工智能、物联网、工业互联网等技术的发展和应用，对数据处理、计算、存储、传递的需求不断提高。行业数字化和企业上云驱动流量呈指数增长，预计2025 年全球IP流量将达到175ZB。超大规模数据中心(HDC)作为算力基础设施，通过边缘节点、新型服务器、新型存储、新型供电制冷等技术，模块化、预制化等建设方式，承载了新一代技术和平台的运转，已成为全球数据网络的关键枢纽。根据Arizton的报告显示，预计全球超大规模数据中心市场规模将在2026年达到1276.4亿美元，该市场将以超过4.02％的复合年增长率保持增长。截至2020年二季度末，全球HDC总数已增至541个，其中我国的占比为9％。
[0003]数据中心的建设和升级将增加对更高数据吞吐量以及更低能耗的交换机系统的需求。为满足数据中心带宽每年增长超50％的需求，以太网交换机ASIC芯片和光模块在单位容量成本、带宽密度和能效方面保持同步。由于面板式可插拔光模块(FPP)具有较强的灵活性、互操作性，以及丰富的多供应商生态系统，在数据中心内部署最为广泛。基于可插拔光模块的交换机I/O架构，交换机间的高速数据交换通过基于安装在前面板上的可插拔光模块完成，电交换芯片的串行器/解串器(SerDes)IC端口通过PCB高频走线至前面板光模块接口。从 2010年至今，ASIC芯片和光模块的容量均增加了40倍，交换机ASIC芯片遵循摩尔定律，带宽从0.64Tbps增加到25.6Tbps，保持每两年翻一番；可插拔光模块从10Gbps增加到 400Gbps，保持每4年翻两番。但SerDes芯片每3～4年翻一番，需通过高速并行(scale out)技术增加单通道速率或数量保持交换容量的同步增长。
[0004]目前，数据中心内互连以40G和100G的可插拔光模块为主，逐渐向400G、800G以及 1.6T演进。随着交换机速率的快速提升，使用可插拔光模块会受到连接器密度、散热以及信号完整性等方面的限制，因此目前并未有支持800G及以上容量的可插拔光模块。此外，基于可插拔光收发光模块的交换机光I/O架构效率也正日益成为进一步提升带宽密度、降低单位容量成本和能耗效率方面的主要瓶颈。由于共封装技术可以将光引擎和交换机芯片封装在同一基板上，不需要RF走线和Re
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driver/Re
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timer等器件，从而降低功耗并使得交换机带宽持续增加，有望实现高集成度、低功耗和低成本的下一代高速光交换机研发方案。
[0005]大多数光引擎目前是基于粗波分复用技术，例如1.6T光引擎使用8个波长(单波长传输速率为200Gbps)，每个波长对应两个个激光器(一个主激光器，一个备份激光器)。然而，随着交换机速率的增长，光引擎的传输速率也需每两年翻倍。因此，传统的粗波分复用技术已经不能满足未来102.4T甚至204.8T的交换机速率需求。而使用基于光频梳的密集波分复用技术将大大提升单个光引擎的传输速率，不仅极大的减少了激光器的使用数量，而且降低了单个光引擎的功耗和体积，为实现碳中和做出非常大的贡献。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件。本专利技术将采用具有SiN工艺的硅光集成技术，与InP基激光器和半导体光放大器进行异质集成，基于超低损耗SiN谐振腔产生光孤子光频梳以及密集波分复用技术，设计出传输速率为6.4Tbps的光引擎芯片，极大的推动了超高速、低功耗和小尺寸的光引擎收发芯片实用化。
[0007]本专利技术首先提供了一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件，其包括光发射芯片和光接收芯片，
[0008]所述光发射芯片包括两个DFB(Distributed
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Feedback Laser,DFB Laser)激光器、2
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1 SiN光开关、超低损耗SiN微环谐振腔、半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)、SiN解波分复用器(DMUX)、32个硅光载流子耗尽型调制器、SiN波分复用器(MUX)、Si
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SiN波导过渡结构和SiN光纤端面耦合器；
[0009]其中，DFB激光器和半导体光放大器通过键合方式与硅光芯片集成，两个DFB激光器作为超低损耗SiN微环谐振腔的泵浦光源，由2
×
1SiN光开关在两个DFB激光器之间进行切换，超低损耗SiN微环谐振腔内部的四波混频非线性效应产生光频梳(一系列等频率间隔的光载波)，半导体光放大器设置在SiN谐振腔的输出端，用于提升链路增益；SiN解波分复用器对光频梳中的光载波进行选择，选择频率间隔为200GHz的32根光频梳作为光载波；32路光载波分别被对应的32个硅光载流子耗尽型调制器调制，32路被调制的光载波经Si
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SiN波导过渡结构与SiN波分复用器连接并合成一路光信号，再经SiN光纤端面耦合器耦合入单模光纤中进行传输；
[0010]所述光接收芯片基底为硅光芯片基底，包括InP基半导体光放大器、SiN解波分复用器、 Si
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SiN波导过渡结构、32个锗硅光电探测器(Ge Photodiode,GePD)以及SiN光纤端面耦合器；
[0011]InP基半导体光放大器通过键合方式与硅光芯片集成，光纤中传输的光信号经SiN光纤端面耦合器耦合到光接收芯片中，并由片上InP基半导体光放大器对链路损耗进行放大补偿，被放大的光信号经SiN解波分复用器解复用为32路光信号，并经由Si
‑
SiN波导过渡结构输入到对应的GePD进行直接强度检测。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述光发射芯片中的硅光载流子耗尽型调制器为硅基载流子耗尽型马赫增德尔调制器(Mach
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Zehnder Modulator,MZM)、硅基载流子耗尽型微环调制器 (Micro
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Ring Modulator,MRM)或锗硅电吸收调制器(GeSi Electrical Absorption Modulator, EAM)。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述光发射芯片中的硅光载流子耗尽型调制器使用四电平、六电平或八电平幅度直接强度调制格式(4or 6/8Pulse Amplitude Modulation,PAM4or PAM6/8)对硅光载流子耗尽型调制器进行调制，数字调制速率为200Gbps，对应32路光载波可以实现 6.4Tbps总通信容量。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述光接收芯片中的InP基半导体光放大器的放大系数为20
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30 dB。
[0015]作为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向高速光通信的6.4Tbps硅基光引擎收发芯片组件，其特征在于包括光发射芯片和光接收芯片；所述光发射芯片包括两个DFB激光器、2
×
1SiN光开关、超低损耗SiN微环谐振腔、半导体光放大器、SiN解波分复用器、32个硅光载流子耗尽型调制器、SiN波分复用器、Si
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SiN波导过渡结构和SiN光纤端面耦合器；其中，DFB激光器和半导体光放大器通过键合方式与硅光芯片集成，两个DFB激光器作为超低损耗SiN微环谐振腔的泵浦光源，由2
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1SiN光开关在两个DFB激光器之间进行切换，超低损耗SiN微环谐振腔内部的四波混频非线性效应产生光频梳，半导体光放大器设置在SiN谐振腔的输出端，用于提升链路增益；SiN解波分复用器对光频梳中的光载波进行选择，选择频率间隔为200GHz的32根光频梳作为光载波；32路光载波分别被对应的32个硅光载流子耗尽型调制器调制，32路被调制的光载波经Si
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SiN波导过渡结构与SiN波分复用器连接并合成一路光信号，再经SiN光纤端面耦合器耦合入单模光纤中进行传输；所述光接收芯片基底为硅光芯片基底，包括InP基半导体光放大器、SiN解波分复用器、Si
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SiN波导过渡结构、32个锗硅光电探测器以及SiN光纤端面耦合器；InP基半导体光放大器通过键合方式与硅光芯片集成，光纤中传输的光信号经SiN光纤端面耦合器耦合到光接收芯片中，并由片上InP基半导体光放大器对链路损耗进行放大补偿，被放大的光信号经SiN解波分复用器解复用为32路光信号，并经由Si
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【专利技术属性】
技术研发人员：张强，余辉，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：