IEEE J-STQE更新 | 大型混合激光器阵列用于光电共封装的热扩展性分析

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引言
$ h) n# K. ]: h- A: K. C随着数据中心流量持续呈指数级增长,对更高效的I/O链路的需求也在不断增加。硅基光电子技术在开发光电共封装收发器方面展现出巨大潜力,可以最大限度地缩短与网络交换机的物理距离并减少寄生损耗。硅基光电子收发器的一个关键组件是光源模块,通常采用波分复用(WDM)架构在不同波长上传输数据。
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9 K5 V- @+ e1 N% d/ z5 F开发用于这些应用的多波长激光器阵列面临几个挑战,特别是在热管理方面。随着阵列中激光器数量的增加,热串扰和模块整体高温问题变得更加显着。本文将探讨用于光电共封装的大型混合激光器阵列的热扩展性分析,重点关注翻转芯片键合的InP-on-Si激光器[1]。

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9 R" N3 X3 L) g9 l; X; h
2 j% \8 v6 X7 v! S1 m4 k1 m激光器表征和建模
6 @1 D; a& ]' M% T9 I- h4 Y% c为开始分析,首先需要对激光器进行实验表征并开发精确的模型。本研究使用的激光器是尺寸为350x300x100 μm3的InP分布反馈(DFB)激光器,设计为在C波段工作,线宽小于1 MHz。
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9 g+ ~& v# ^& l, s2 L) R9 s4 t图1：显示了测量的L-I-V曲线(光-电流-电压)以及提取的激射效率和阈值电流随温度的变化。
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' m5 L$ p7 O6 M7 ]  G  R激光器的激射效率和阈值电流在不同温度下进行测量。如图1所示,这两个参数都表现出强烈的温度依赖性。阈值电流随温度呈指数增加,而激射效率则呈指数下降。这些关系可以用以下方程描述:

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其中I0和η0是拟合参数,T0和T1是特征温度。
3 R& r9 e) b0 H5 Y, F' W) V) ^
! B+ g# y, {, t热阻是另一个关键参数,决定了给定热生成下激光器的工作温度。可以通过以下方程实验确定:
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1 _3 }5 g1 c1 ]* o8 c8 H其中λ是发射波长,T是温度,P是输入功率。
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图2：显示了测量的激光器波长漂移与芯片温度(左)和波长漂移与施加电功率(右)的关系。
$ ]* g3 y" ^6 n+ i  L' j
$ c" g' Y7 c+ N& ]- Z$ g  }建模方法
为分析大型激光器阵列的热行为,我们需要开发光学和热学模型。光学模型描述了激光器输出功率作为电流和温度的函数:

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; I& a9 O- j+ f2 F; Q* v
. Q9 D) W( N5 f/ I. C# }这个方程需要迭代求解,以考虑光功率和温度之间的相互依赖关系。
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对于热建模,使用有限元分析来模拟激光器及周围环境的温度分布。模型包括激光器、载体芯片和键合结构。
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9 s/ W6 S$ r" |% K

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图3：显示了热有限元模型的几何结构和计算网格。
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  J( b. t! J; _& i7 r为高效地模拟大型激光器阵列,基于热耦合剖面开发了一个紧凑的热光模型。该模型区分了激光器内部耦合(单个激光器芯片内增益段之间的耦合)和激光器间耦合(独立激光器芯片之间的耦合)。

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图4：提供了混合激光器阵列的概念示意图,突出显示了激光器内部和激光器间的热耦合。

& t% q& _( i. C4 F8 Q0 y( J( k" t紧凑模型使用矩阵乘法计算阵列中的温度:
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7 \* x! |8 S% K2 C其中T是温度向量,P是热生成向量,R是热阻矩阵,C是热耦合矩阵。

* m. D+ z6 R  F. s; J9 W3 @4 k热扩展性分析
现在模型已经就绪,可以分析各种因素如何影响激光器阵列的热性能。

1. 激光器宽度扩展
4 W/ n$ ?' v0 K) H7 i7 [# i, B6 R随着增加激光器芯片中的增益段数量,单位耗散热量的热阻会发生变化。
/ d# a* {3 v& s1 f9 Q9 }; C# c0 ]

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图5：显示了激光器宽度从1个增益段增加到4个再到16个的有限元模拟结果。
. s9 k' U4 P' W% S4 v0 ~4 ]1 x* T
模拟结果显示,随着增益段数量的增加,由于增益段之间的激光器内部热耦合,最高温度也随之上升。
) u" i" T  I" K7 C  L) J' V; N; M
8 y5 G$ }' Q3 @& D0 N7 r2. 激光器长度扩展
* g- a) W; v5 f/ ~$ _增加激光器长度可能会产生不同的效果,这取决于如何扩展功率密度。
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7 r$ ?- c! E1 J0 U& K

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图6：显示了在总功率恒定和功率密度恒定条件下,有限元模拟的激光器热阻随长度的变化。

9 F0 d! X$ q! l  e. \- J1 J+ b; O如果保持总耗散热量恒定,增加激光器长度会由于功率密度降低而减小热阻(K/W)。然而,如果我们保持功率密度恒定(W/mm),以K-mm/W为单位的热阻则保持相对恒定。

3 R5 U6 S# ]+ a" u, n3. 顶部冷却
/ ^' E( j2 K. g; Y在激光器顶部添加散热器可以显着改善热性能,特别是对于较大的激光器。
, n1 P; C* K. X, x4 P' V
( Y; x8 |  o8 o& f7 K

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+ I, f) V  z6 T2 _  k( _图7：说明了顶部散热器对激光器热阻的影响,作为散热器阻力和热界面材料(TIM)阻力的函数。

结果显示,顶部冷却对多增益段激光器的影响更为显着。对于16增益段激光器,一个现实的TIM(RTIM = 50 mm2-K/W)和散热器(Rhs = 1 K/W)可以将热阻降低高达45%。

$ g) ?7 _/ L4 f9 \2 m! `, y( |案例研究:8 x 8 WDM光源
$ x% v! B) K! I6 P6 F为展示热扩展性分析的实际应用,让我们考虑用于光收发器的8 x 8 WDM光源案例研究。
3 V, u6 e! J0 e( _! A6 V

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! }0 |# l8 m: S: b* I5 |* N图8：显示了WDM光源的示意图,指出了波长通道数和物理端口数。
$ U* j* B2 K( O
该案例研究的规格包括:

8个WDM通道(200 GHz网格)

8个端口

每个单元5.8 dBm波导耦合光功率

2 dB边缘耦合器损耗

, P0 b4 F! ~8 \: a! M使用热光模型,可以分析各种配置以优化功耗和占用面积。
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图9(a)：显示了8 x 8激光器阵列在500 μm和100 μm间距下的模拟热阻。图15(b)是25°C下集成激光器所有模拟设计的散点图。

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图10：显示了在各种条件下激光器阵列的模拟总电功耗,包括不同环境温度、集成vs外部激光器以及每个激光器的增益段数。
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5 r7 w2 A$ @  @  ~  w8 ?8 C! ]该案例研究的主要发现包括:

由于额外的光纤插入损耗,外部激光器的功耗是集成激光器的2-4倍。

增加激光器长度通常会增加功耗,但允许更高的光功率供应多个端口每增益段,可能减少激光器芯片总数。

最小功耗的最佳配置在很大程度上取决于环境温度和其他因素。

在较高的环境温度下,许多设计由于无法达到所需的光功率规格而变得不可行。

激光器阵列的能量效率和占用面积之间存在明显的权衡。
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结论
热管理对于开发用于光收发器的大规模、多波长激光器阵列极为重要。本文提出了全面的方法来分析混合InP-on-Si激光器的热扩展性,包括实验表征、详细的热学和光学建模,以及在实际场景中的应用。

8 \+ F/ s+ T( s4 n. t/ O本分析的主要结论包括:
1. 激光器热阻与长度成反比,但由于热串扰而随宽度增加而增加。
4 Y. w* B2 R! J6 a2. 顶部冷却可以显着改善热性能,特别是对于具有多个增益段的较大激光器。
3. 优化激光器阵列设计需要仔细考虑多个因素,包括环境温度、集成方法(外部vs集成)以及功耗和占用面积之间所需的平衡。
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通过应用这些热扩展性原理并使用所提出的建模框架,设计人员可以为下一代数据中心应用创建更高效、更可靠的光收发器。随着继续推动数据传输速率和集成密度的边界,这种热感知设计方法对于光电共封装的成功将变得越来越重要。
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参考文献
[1] D. Coenen et al., "Thermal Scaling Analysis of Large Hybrid Laser Arrays for Co-Packaged Optics," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2024.
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