单模光纤阵列降低光电共封装成本

光电共封装技术与现有挑战

随着加速计算需求的持续增长，现代数据中心和高性能计算系统中的大规模数据传输正在成为关键瓶颈。为了实现数据传输需求，电气互连的总吞吐量快速增长。基于硅基光电子技术的光电共封装(CPO)技术已经成为解决带宽密度和能源效率挑战的重要方案[1]。

图1：NVLink在五代GPU中部署的大规模性能表现

在典型的CPO系统中，光电Chiplet将CMOS芯片与硅基光电子集成芯片相结合，而外部激光源通过连接到光电器件的光纤连接器提供信号传输所需的光源。当前的标准方法依赖于外部激光源和光电器件之间的保偏光纤阵列，以确保硅基光电子器件获得最佳性能所需的稳定偏振态。

图2：有机基板上主机ASIC的2.5D集成光电共封装俯视图

虽然保偏光纤提供稳定的偏振控制，但也带来显著缺点，包括高精度对准要求、增加的制造复杂性以及大幅增加的封装成本。这些限制推动研究人员探索替代方案，在不影响系统性能的前提下降低成本和复杂性。

挑战在于寻找成本降低与性能维持之间的平衡。虽然单模光纤由于对称纤芯结构提供更低的制造成本和宽松的对准容差，但引入的偏振态漂移可能在偏振敏感的硅基光电子波导中降低系统性能。理解这一基本权衡对于开发下一代光互连解决方案具有重要意义。

CPO系统中保偏光纤需求的深入分析

CPO系统中的光连接涉及三种主要光纤类型。第一种连接外部激光源到光发射器输入，第二种将光发射器输出路由到前面板，第三种连接前面板到光接收器输入。在这些连接中，只有承载激光的光纤需要保偏特性，其他连接可以使用标准单模光纤。

图3：由ELS模块供电的基于CPO的交换ASIC线卡侧视图

保偏光纤具有与标准单模光纤不同的独特横截面结构。虽然两种类型都具有相似的纤芯和包层结构，但保偏光纤包含应力棒来改变折射率。这些应力棒通过沿慢轴提高折射率，同时沿快轴保持较低折射率，从而创建不同的快轴和慢轴。这种非对称结构使保偏光纤能够在光传播过程中保持偏振态。

图4：从ELS模块中激光二极管到CPO输入的光路径

保偏光纤实施的关键要求源于沿光路每个接口处精确对准的需要。从外部激光源中的激光二极管到CPO输入，通常有六个关键接口需要精确的保偏光纤对准。在每个接口处，慢轴和快轴必须正确对准，以防止引入显著插入损耗的旋转失配。

图5：PANDA保偏光纤横截面，显示(a)理想对准和(b)旋转失配情况

当发生旋转失配时，会产生误差角，导致插入损耗增加。只有一部分输入功率仍沿慢轴传导，而一部分功率耦合到快轴，降低整体效率。所有接口的累积插入损耗可以使用传输矩阵公式进行量化，即使±5度的小旋转偏差也会引入0.35dB的插入损耗，更大的失配会导致损耗快速增加。

图6：(a)旋转失配和(b)ELS有限偏振消光比的仿真影响

偏振消光比也会因旋转失配而降低。即使激光二极管发射具有理想无限偏振消光比的纯TE偏振光，旋转失配也会引入显著劣化。随着光在连续接口中传播，这种劣化持续进行，不过可以通过在CPO输入处使用偏振器或结合紧弯曲波导来缓解，这些波导优先散射不需要的TM偏振分量。

针对SMF系统的硅基光电子线路实现

将外部激光源和光发射器输入之间的保偏光纤替换为单模光纤，在降低插入损耗和封装成本方面提供显著优势。然而，单模光纤的对称纤芯结构支持任意偏振，要求硅基光电子集成芯片能够在输入端处理具有随机偏振态的光。这需要实现能够锁定到任意偏振态的硅基光电子线路。

图7：使用保偏光纤和单模光纤连接外部激光源与光发射器的组合方案，硅基光电子集成芯片使用1D和2D光栅作为光输入/输出

使用光纤连接外部激光源和光发射器出现四种不同场景。在第一和第三种场景中，每个独立的外部激光源为一个独立的光发射器供电，而在第二和第四种场景中，每个外部激光源被分割为四个光发射器供电。第四种场景更为理想，因为有助于改善外部激光源效率、可靠性和良率。

偏振锁定机制根据选择的场景而有所不同。对于单光发射器配置，锁定线路必须通过将下臂功率驱动至零同时最大化上臂功率来实现功率传输最大化。相比之下，对于分路配置，偏振锁定线路可以集成到分路器架构中，其中锁定线路被调谐使两个臂接收相等的功率分配。

图8：使用φ1和φ2热光相移器的偏振锁定光电子集成芯片

实际实施受益于数据中心部署中典型的稳定环境条件。连接外部激光源到光发射器的光纤使用盒式组件和托盘Assembly固定，产生固定的弯曲应力而无显著振动。此外，使用先进液体冷却解决方案调节环境温度，最小化双折射变化并减少温度波动引起的偏振漂移。一旦偏振被锁定线路补偿，就保持相对稳定，随时间只需要微小调整。

实验实施与结果分析

偏振锁定光电子集成芯片实施采用300mm绝缘体上硅晶圆制造工艺，利用成熟的CMOS技术。该工艺集成多层后端金属化、先进光刻和精密刻蚀来定义光电子器件的精细特征。先进的光学邻近效应校正最小化关键尺寸变化，而离子注入和选择性锗外延能够实现高性能有源器件，如光电二极管和调制器。

图9：仿真输出功率(PU/PL)显示(a)φ2热光相移器补偿输入偏振旋转角θ和(b)φ1热光相移器补偿3π/8寄生相移

实验设置证明了偏振锁定方法的有效性。使用热光相移器和宽带绝热3dB耦合器形成的可重构平衡马赫-曾德尔干涉仪能够精确控制两个偏振分量的相位和幅度。通过控制这些相移器，输入偏振态漂移可以得到有效校正。

图10：偏振锁定光电子集成芯片硅基光电子测试芯片的芯片显微照片

测试芯片实施包括用于去嵌入插入损耗测量的光栅环回位点和具有来自全单模光纤阵列单元优化耦合的主要测试位点。紧凑的布局在最顶层重分布层实现大部分金属布线，具有足够的堆叠通孔以从探针焊盘向金属加热器传导高达200mA的峰值电流。

图11：偏振锁定硅基光电子测试芯片的测试台

实验表征使用在1310nm处提供光功率的外部激光源，对应于光栅表现出最低插入损耗的波长。偏振合成器产生随机偏振态，通过全单模光纤阵列单元注入芯片。同一光纤阵列单元将光输出功率传送到功率计，功率计量化光功率并将数据传输到执行锁定算法的计算机。

图12：闭环条件下随时间测量的光功率，(a)上臂功率最大化，(b)两臂功率相等

测量结果展示了在两种工作模式下的成功偏振锁定：上臂功率最大化和两臂功率均衡。算法有效收敛并锁定到目标输出光功率，在最大化单臂功率时实现臂间消光比超过25dB，在均衡两臂时保持功率平衡误差小于0.06dB。

成本分析与性能权衡

经济分析显示，与传统保偏光纤实施相比，基于单模光纤的系统具有显著成本优势。四个关键成本因素构成保偏光纤开销：光纤带复杂性、旋转对准要求、保偏光纤专用连接器以及光纤阵列单元中的主动对准。当系统中使用甚至四根保偏光纤时，光纤带必须分割以适应保偏光纤，与统一的单模光纤束相比增加成本和复杂性。

保偏光纤所需的精密旋转对准增加了大量制造和Assembly成本，使端接成本显著高于单模光纤替代方案。此外，光纤混洗盒需要具有严格旋转对准约束的保偏光纤专用连接器，进一步增加系统成本。在光纤阵列单元V型槽内定位保偏光纤所需的主动对准过程代表最重要的成本贡献之一。

综合成本分析表明，保偏光纤实施开销约为等效单模光纤解决方案的2.7倍。保偏光纤占CPO实施所需总光学组件成本的15.2%，而切换到单模光纤将此降低到仅5.6%。这代表可显著影响大规模部署经济可行性的巨大成本节省。

与单模光纤实施相关的性能权衡包括额外插入损耗和能效损失。带有偏振跟踪线路的单模光纤系统产生高达0.74dB的额外插入损耗，与基线保偏光纤系统相比，链路能效损失约为每比特0.2皮焦耳。然而，这些损失可以通过改进热调谐效率和优化耦合方案部分缓解。

结论与发展方向

从保偏光纤阵列向具有主动偏振跟踪的单模光纤系统的转换代表了光电共封装技术的重要进展。这种方法成功解决了与传统保偏光纤实施相关的高成本和复杂性挑战，同时保持可接受的系统性能水平。实验验证证明了硅基光电子偏振锁定线路在管理单模光纤系统中偏振态漂移方面的可行性和有效性。

综合分析显示，与保偏光纤替代方案相比，基于单模光纤的系统提供约2.7倍的成本降低，具有可管理的性能损失，包括0.74dB额外插入损耗和在200吉比特每秒操作下每比特0.17皮焦耳的能效损失。这些发现表明，具有主动偏振跟踪的基于单模光纤的系统为优化光电共封装系统提供了可行且经济有效的途径，同时在光互连中保持高效率。

未来发展应专注于进一步降低与2D光栅相关的插入损耗损失，并改善热光相移器的热调谐效率。此外，探索替代耦合方案和先进偏振跟踪算法可能进一步增强基于单模光纤的光电共封装系统的性能和成本效益。该技术为下一代高性能计算和数据中心架构提供了可扩展的解决方案，实现更高效和经济的光互连实施。