Intel的高帶寬高能效異質集成硅基光電子DWDM發(fā)射機技術解析

  摘要

  密集波分復用(DWDM)硅基光電子發(fā)射器為提高數據中心互聯的帶寬密度和能效提供了一種極具吸引力的解決方案。通過在單個光子集成電路 (PIC) 上集成多個光學組件(包括激光器、調制器和放大器)，這些發(fā)射器實現了高性能、緊湊型和高成本效益的光鏈路。

  這篇教程詳細介紹了異構集成 DWDM 硅光子發(fā)射機，涵蓋了關鍵的設計方面、性能指標和應用。我們總結 Intel三月份發(fā)表在IEEE Journal of Solid State Circuits-期刊》上的 "8-λ × 50 Gbps/λ 異質集成硅基光電子 DWDM 發(fā)射機"，其中介紹了 DWDM 和硅基光電子技術的基本概念，討論了光學和電子組件的集成，并分析了系統(tǒng)設計中的性能權衡[1]。最后，強調了這些發(fā)射器在實現未來人工智能(AI)、機器學習(ML)和高性能計算(HPC)工作負載的光計算互連(OCI)方面的潛力。

  引言

  隨著數據中心對計算、內存和存儲的需求不斷增長，傳統(tǒng)網絡架構面臨著帶寬和延遲瓶頸。光互連，尤其是基于硅基光電子技術的光互連，與電子鏈路相比，具有更高的帶寬密度、更低的延遲和更高的能效，有望應對這些挑戰(zhàn)。DWDM 允許在單根光纖上同時傳輸多個光波長，從而進一步提高了帶寬密度，極大地提高了總數據傳輸速率。

  異質集成的 DWDM 硅基光電子發(fā)射機集兩家之長：PIC 上的高性能光學組件和 CMOS 電子集成電路 (EIC) 中的先進高速電子組件。這種集成允許使用最合適的制造工藝對每個組件進行優(yōu)化，從而實現卓越的整體性能和可擴展性。

圖 1：(a)帶有分層交換機的典型數據中心網絡;(b)由 OCI 實現的帶有資源池的扁平化網絡拓撲結構[1]。

  DWDM 硅基光電子組件

  · 多波長激光器(MWL)： 多波長激光器(MWL)是一個關鍵組件，能夠產生多個緊密間隔的光載波。DFB 激光器因其窄線寬和穩(wěn)定性而成為常見選擇。

  · 微環(huán)調制器(MRM)： 這些結構緊湊的電光器件利用微環(huán)的諧振特性來調制光載波的強度。MRM 對 DWDM 至關重要，可對每個波長通道進行獨立調制。

  · 半導體光放大器(SOA)：SOA 提供片上光學增益，以補償鏈路中的損耗，并確保接收器有足夠的信號功率。它們通常被置于戰(zhàn)略位置，以優(yōu)化性能并降低激光功率要求。

  · 熱光學調諧： 由于制造變化和溫度波動，MRM 需要主動對準相應的激光波長。集成加熱器和熱控制單元 (TCU) 可用于這種精確的熱調整。

  系統(tǒng)級設計和鏈路預算

  · 光調制振幅(OMA)和消光比(ER)：OMA 表示 "1 "和 "0 "電平之間的光功率差，而 ER 則是這些功率電平的比率。這些指標直接影響可實現的誤碼率 (BER)。

  · 鏈路預算分析： 全面分析整個鏈路的光功率損耗(如光纖耦合、MRM 插入損耗、連接器損耗)對于確定接收器所需的激光功率、SOA 增益和 OMA 至關重要。

  · 權衡： 設計選擇涉及 MRM 調制效率、反向偏置電壓、帶寬要求和能耗之間的權衡。需要仔細優(yōu)化，以平衡性能和功耗。

圖 2. 8-λ DWDM 光發(fā)射器 (OTX) 的光鏈路預算和性能指標[1]。

  28 納米 CMOS EIC 發(fā)射器實現

  · 高速數據路徑：CMOS EIC 包括串行器、時鐘電路和堆疊電壓模式驅動器，旨在提供高輸出擺幅(>1.8 Vpp)，以實現最佳的 MRM 調制。

  · 時鐘： 采用具有占空比校正和正交誤差檢測功能的多相時鐘方案，以確保精確的定時并最大限度地減少抖動。

  · MRM 熱控制單元(TCU)： 每個 MRM 都有一個專用的 TCU，利用光電流感應來保持環(huán)諧振和激光波長之間的恒定失諧，從而確保鏈路的穩(wěn)定運行。

圖 3. 基于堆疊驅動器的 50-Gbps 電子發(fā)射器的電路實現，采用 28-nm CMOS [1]。

圖 4. 基于 CMOS 的 TCU 電路實現，以保持 MRM 諧振與 λ 激光器之間的恒定失諧。

圖 5. PIC 28-nm EIC 的顯微照片，帶時鐘、8 個 TX 通道和注釋的單通道細節(jié) [1]。

圖 6. 附有 EIC 的 PIC 顯微圖和 8-λ DWDM OTX 原型的光學測量設置 [1]。

  性能評估

  · 眼圖：50 Gbps NRZ 眼圖是評估信號完整性和潛在誤碼率性能的關鍵指標。我們的系統(tǒng)在所有信道同時實現了優(yōu)于 4.5 dB 的誤碼率(圖 7)。

  · 鏈路誤碼率測量： 不同條件(溫度、數據模式)下的誤碼率測量用于驗證發(fā)射機的性能和可靠性。在我們的設計中，使用集成 ORX 進行收發(fā)器光環(huán)回測量，所有八個通道的誤碼率均優(yōu)于 10^-12[26]。

  · 能效： 能效通常以每比特皮焦(pJ/bit)為單位衡量，是一項至關重要的指標，尤其是對于數據中心應用而言。高速 EIC TX 數據路徑和時鐘的能效測量值為 1.17 pJ/bit，同時在每個波長上傳輸 PRBS10 模式(數據路徑為 0.56 pJ/bit，時鐘為 0.61 pJ/bit)。為了全面了解 OTX 的能效，我們考慮了光學組件的功耗。在這些測量中使用的 MRM 映射中，MRM 加熱器的平均功率為 6.25 mW/加熱器，預計會隨著環(huán)境溫度的變化而略有增加。SOA 功率(350 mW)額外增加了 0.9 pJ/b。重要的是，巨大的激光功率可在多個 8λ DWDM 鏈路上分擔，因此，當在八個 OTX 上攤銷時，激光能效估計為 0.36 pJ/b。兩者相加，我們的 400 Gbps OTX 能效為 2.5 pJ/b。

圖 7. 同時傳輸八個波長的每個波長的 50 Gbps NRZ 眼圖 [1]。

  應用和未來發(fā)展方向

  · 光計算互聯(OCI)：異質集成 DWDM 硅光子發(fā)射器在實現人工智能、ML 和 HPC 應用的 OCI 方面發(fā)揮著重要作用。這些應用需要高帶寬和低延遲，以便在計算節(jié)點、存儲設備和加速器之間實現高效數據傳輸。DWDM 硅基光電子發(fā)送器可提供必要的帶寬密度和能效，以支持這些要求苛刻的工作負載。

  · 可擴展性和成本效益：與分立組件解決方案相比，在單個 PIC 上集成多個激光器、調制器和放大器的能力可顯著實現小型化并降低成本。隨著帶寬需求的不斷擴大，這一點變得越來越重要。

  · 先進的調制格式：目前正在進行研究，探索使用 PAM-4 和 DMT 等 NRZ 以外的高級調制格式，以進一步提高帶寬和頻譜效率。我們選擇的 NRZ 調制方式和 O 波段的低光纖色散使這種方法對低延遲、高能效的 OCI 特別有吸引力，其目標是 AI/ML/HPC擴展結構。

  · 與 CMOS 處理器集成：預計未來異質集成的進步將使硅基光電子發(fā)射器與 CMOS 處理器之間的耦合更加緊密，從而為共同封裝的光學解決方案鋪平道路。這將進一步減少延遲，提高系統(tǒng)整體性能。

  結論

  異質集成 DWDM 硅基光電子發(fā)射機是一種很有前途的技術，可滿足數據中心和高性能計算應用日益增長的帶寬需求。通過將硅光子技術的優(yōu)勢與先進的高速電子技術相結合，這些發(fā)射器提供了高性能、小尺寸和成本效益的完美組合。

  隨著研究和開發(fā)的不斷深入，可以期待性能、可擴展性和集成能力的進一步提高，為未來的高帶寬、低延遲光通信網絡鋪平道路。這些發(fā)射器集高性能、緊湊型和成本效益于一身，非常引人注目。本文展示了一種異構集成的 O 波段 DWDM 硅基光電子發(fā)射器，可實現低延遲、長距離和高能效的 OCI。我們的設計集成了 DWDM 鏈路的所有關鍵電氣和光學組件，包括具有 200-GHz 信道間隔的集成 O 波段 MWL 陣列。本文演示了在 8 個波長上同時可靠傳輸 50 Gbps NRZ 數據，在單根光纖上實現了 400 Gbps 的總數據傳輸速率，突出了硅基光電子發(fā)射機的性能和競爭優(yōu)勢。

  參考文獻

  [1]C. S. Levy et al., "8-λ × 50 Gbps/λ Heterogeneously Integrated Si-Ph DWDM Transmitter," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 59, no. 3, pp. 690-701, March 2024, doi: 10.1109/JSSC.2023.3344072.

  [2]Z. Xuan et al., “A 256 Gbps heterogeneously integrated silicon photonic microring-based DWDM receiver suitable for in-package optical I/O,” in Proc. IEEE Symp. VLSI Technol. Circuits (VLSI Technol. Circuits), Jun. 2023, pp. 1–2.