过去十年，集成光子学的重要性显著增加。随着数据速率和数据吞吐量不断提高，传统铜互联的性能越来越呈现出限制性，光子学和集成光子学的发展已经成为网络基础设施的关键。

英特尔实验室在光子学领域投入了大量资金，该实验室最近演示了一个严格控制、高度集成的八波长激光器，在集成光子学领域首次获得了业界认可。

近日，笔者有幸与英特尔实验室PHY研究实验室高级首席工程师兼主任James Jaussi以及高级首席工程师荣海生博士进行了交流，了解了更多关于该项目的消息。

光子集成的需求

随着电子行业向更快的数据速率和更小的尺寸节点发展，该领域面临着许多相关问题。其中一个问题是，由于铜的非理想耦合，频率增加时会导致更多的寄生。Jaussi解释说:

“研究光学和光通信的一个动机是改善接口性能。随着时间的推移，每个封装的性能都在提升，总功耗也在增加。但是，I/O接口的功耗增长速度更快。”

想要提高未来I/O接口的能效和工作范围，很有可能是在同一个封装中集成硅电路和光学。研究人员认为，通过将CMOS和光子学集成到一个封装中，可以解决传统铜互连的局限性，从而提高整体带宽、能源效率和电路复杂性。

多波长激光器集成

从高集成中受益的一个重要的光子应用是多波长激光。

在像互联网这样的通信应用中，光通信最简单的形式是由单一波长的激光TX/RX方案组成的单一光纤。然而在实践中，工程师们会把一组激光器放入一根光纤中，每组激光器都由不同的波长组成（波长种类随着带宽要求增加）。今天，长途通信系统可以在一根光纤中使用近100个波长。

但是，当涉及到芯片间通信时，这种方案变得非常难以实现。荣博士解释说:

“当谈论芯片间通信时，我们需要很多组件，实际上是数十亿个组件，比如单独的激光器和调制器。这会导致使用传统技术实现时，成本是无法接受的。集成将是向前发展的关键，而硅光子技术将是实现集成的关键。”

为了实现芯片间通信所需的集成光子学，英特尔实验室探索了使用密集波分复用(dense wavelength division multiplexing，简称DWDM)技术的共封装光学解决方案。这种方案已经显示出在显著减少光子芯片物理尺寸的同时增加带宽的希望。然而，到目前为止，一个主要的挑战是如何制造具有均匀波长间距和功率的DWDM光源。

英特尔集成八波长激光器

最近，英特尔公司宣布成功演示了一种严格控制的集成八波长激光器，在该领域取得了重大进展。

光学解决方案是一个分布式反馈(DFB)激光阵列，完全集成在一个硅晶圆上，并在英特尔的300毫米混合硅光子平台上设计和制造。在此过程中，英特尔使用先进的光刻技术在III-V晶圆键合工艺之前定义硅波导光栅，这种方法与传统半导体激光器相比，允许更好的波长均匀性。荣博士解释说:

“我们用8个波长间距非常均匀的激光器来完成这个激光区域，这是很难实现的。我们拥有独特的设计和制造技术，可以完成别人做不到的事情。通过将一块非常小的磷酸盐芯片固定在晶圆上，然后平面化并移除衬底，最终得到了一个上面有一层非常薄的磷酸盐薄膜的晶圆。”

该激光器阵列的输出功率均匀度为+/- 0.25 dB，波长间距均匀度为±6.5%，超过了行业标准。

英特尔相信，未来这方面的进步将有助于促进网络密集型工作，包括人工智能和机器学习。