光聯(lián)AI，芯載未來：面向智算的高性能CW光源！

  ICC訊 在AI算力需求的強(qiáng)勁推動(dòng)下，高速光模塊市場(chǎng)不斷迭代，主流產(chǎn)品已經(jīng)逐步從400G切換到800G/1.6T，Lightcounting的最新預(yù)測(cè)顯示26年將迎來800G光模塊需求的爆發(fā)式增長(zhǎng)。在AI光互聯(lián)中，針對(duì)100m以上的互聯(lián)場(chǎng)景往往以單模解決方案為主，底層光芯片解決方案主要分為兩類：傳統(tǒng)的EML方案、新興的硅光方案(SiPh)。其中EML方案憑借其優(yōu)秀的傳輸特性主要用于FR等合波場(chǎng)景，在2km傳輸場(chǎng)景更具性價(jià)比；硅光方案以其天然的易集成優(yōu)勢(shì)，多用于DR等多路并行場(chǎng)景，傳輸距離以500m應(yīng)用居多。

圖1：400G硅光光模塊架構(gòu)（來源：Intel）

  受限于硅材料本身特性的限制，目前硅光方案還需要通過外置光源耦合的方式為硅基芯片提供持續(xù)穩(wěn)定的光輸入，這對(duì)外置光源激光器提出了更高要求：穩(wěn)定的單模輸出、優(yōu)異的高溫性能、高可靠性。當(dāng)前硅光外置光源通常是采用工作在O波段的連續(xù)波(CW)分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)芯片。作為核心發(fā)光元件，CW DFB光源技術(shù)路線的選擇直接影響著光模塊的性能、可靠性與成本結(jié)構(gòu)，如材料體系（InGaAsP /InGaAlAs）、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（BH/RWG）及集成方案，從根本上決定了光模塊的性能上限、可靠性表現(xiàn)與成本構(gòu)成。下文將系統(tǒng)剖析其關(guān)鍵影響因素與技術(shù)發(fā)展路徑。

  CW DFB光源的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  在CW DFB光源芯片中，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單橫模輸出，必須引入有效的橫向光場(chǎng)和載流子限制結(jié)構(gòu)。目前，掩埋型異質(zhì)結(jié)（BH）和脊型波導(dǎo)（RWG）是業(yè)內(nèi)兩種主流的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同設(shè)計(jì)也決定了相應(yīng)的激光器的性能、制造工藝和適用場(chǎng)景。以下列表對(duì)比說明兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：

圖2：BH結(jié)構(gòu)和RWG結(jié)構(gòu)差異示意圖

  CW DFB光源的有源區(qū)材料選擇

  除了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有源區(qū)材料體系的選擇對(duì)激光器性能，尤其是高溫性能，起著決定性作用。目前，有兩種主流有源區(qū)材料：InGaAlAs (鋁鎵銦砷)和InGaAsP (銦鎵砷磷)，下表對(duì)比了兩種材料體系的優(yōu)缺點(diǎn)：

圖3：InGaAlAs和InGaAsP材料能帶結(jié)構(gòu)示意圖(來源FUJITSU)

  CW光源技術(shù)路線對(duì)比

  綜合考慮以上兩種波導(dǎo)設(shè)計(jì)和材料體系，目前主流的芯片設(shè)計(jì)方案主要包含如下三種：

  因此，目前的市場(chǎng)上兩種可行的組合是BH+InGaAsP和RWG+InGaAIAs。

  可靠性視角下的CW DFB光源 技術(shù)路線差異

  DFB激光器的典型失效模式主要分為腔內(nèi)失效和端面失效兩大類，不同技術(shù)方案的可靠性風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)各不相同. 下圖列舉了半導(dǎo)體激光器芯片的典型失效模式。

圖4：激光器芯片的典型失效模式       來源M. Fukuda / Microelectronics Reliability 47 (2007) 1619–1624

  BH+InGaAsP方案的腔內(nèi)可靠性挑戰(zhàn)

  · 可靠性風(fēng)險(xiǎn)：二次外延再生長(zhǎng)界面缺陷

  · 失效機(jī)理：復(fù)雜的掩埋生長(zhǎng)和刻蝕工藝在腔內(nèi)引入的界面態(tài)、晶格缺陷等，可能成為非輻射復(fù)合中心，導(dǎo)致器件性能漸進(jìn)性退化

  · 質(zhì)量控制：強(qiáng)烈依賴于極其精密的外延控制與界面處理工藝技術(shù)

  RWG+InGaAlAs方案的端面可靠性解決方案

  · 風(fēng)險(xiǎn)焦點(diǎn)：含鋁材料的端面氧化問題

  · 解決方案：通過特殊的端面處理設(shè)備與工藝，如原位鈍化技術(shù)，在超高真空環(huán)境下完成端面清潔與介質(zhì)膜沉積，顯著增強(qiáng)端面強(qiáng)壯性

  實(shí)踐證明，通過優(yōu)化端面工藝，RWG+InGaAlAs方案可實(shí)現(xiàn)極高的可靠性等級(jí)。

  長(zhǎng)光華芯CW光源系列產(chǎn)品

  RWG + InGaAlAs方案綜合性能優(yōu)異，工藝復(fù)雜度低，具備良好的可制造性，優(yōu)勢(shì)十分顯著，但是依然存在一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：激光器出光端面（Facet）的鋁在解離后存在氧化的可能性，引發(fā)漸變性功率衰減甚至災(zāi)變性光學(xué)損傷（COD），長(zhǎng)期可靠性仍是亟待攻克的核心難點(diǎn)。

  長(zhǎng)光華芯在高功率半導(dǎo)體激光芯片方面有十余年研發(fā)和產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)，高功率系列產(chǎn)品均基于脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了解決高功率激光器芯片含鋁端面氧化問題，長(zhǎng)光華芯成功開發(fā)了超高真空解離+原位端面鈍化技術(shù)，確保了端面在最潔凈的狀態(tài)下被完美“封存”， 從根本上解決端面氧化問題。采用該技術(shù)方案，長(zhǎng)光華芯高功率半導(dǎo)體激光芯片累計(jì)發(fā)貨量達(dá)億顆級(jí)別，經(jīng)過市場(chǎng)長(zhǎng)期驗(yàn)證，工藝成熟性與產(chǎn)品穩(wěn)定性獲得市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。

  基于高功率半導(dǎo)體激光芯片領(lǐng)域十余年的技術(shù)積累，長(zhǎng)光華芯沿用成熟的RWG設(shè)計(jì)和端面鈍化工藝開發(fā)了硅光光源芯片，解決了長(zhǎng)期可靠性難題，現(xiàn)已成功推出寬溫 70mW/100mW/200mW等 CW DFB光源產(chǎn)品，持續(xù)為高速硅光模塊提供高性能光源解決方案！