面向极端环境的高可靠性硅基光电子光收发器
引言硅基光电子技术通过微型化和集成化显著提升了数据中心的光通信能力。然而，现在越来越需要能够在超出数据中心受控条件的恶劣环境中可靠运行的光收发器。本文探讨了专为极端条件设计的尖端硅基光电子技术，重点介绍了IOCore®微型收发器，该收发器采用量子点激光器技术，在超过100°C的温度下可连续可靠运行十年以上。
1光通信的应用拓展传统光互连主要部署在温度受控的数据中心环境中，工作温度在40°C至70°C之间。然而，高性能计算和高带宽光通信日益需要应用于更恶劣的环境，包括"未来工厂"中的工业自动化设备、射频天线柜内的户外安装设备、多接入边缘计算(MEC)系统、汽车应用、飞机系统和通信卫星。
这些应用可能使光组件暴露在高达125°C的环境温度中。在此类环境中，可靠性变得更加重要，因为组件更换通常困难、成本高昂，甚至不可能。例如，在自动驾驶汽车中，传感器与车载计算机之间的光通信关系到安全，使可靠性成为事关生死的问题。图1：需要可靠光收发器的各种应用环境，包括超大规模数据中心、现场/边缘应用和卫星。
图2：按工作温度和可靠性要求映射的不同应用环境，显示汽车和卫星应用具有最苛刻的条件。
2IOCore®硅基光电子微型收发器IOCore®微型收发器代表了应对这些挑战的创新方法。这种硅基光电子芯片工作在1310 nm波长范围(O波段)，采用开关键控(OOK)调制，每通道支持25、32和50 Gbps的数据速率。此外，IOCore集成了四个发射和四个接收通道，采用专有的多模光接口，尺寸仅为5 × 5 mm。图3：(a) IOCore硅基光电子微型收发器芯片，(b) 集成IOCore的中板收发器模块，(c) 集成IOCore的可插拔QSFP收发器模块。
3面向恶劣环境的创新设计IOCore架构集成了几项关键创新，使其能够在极端环境中运行：首先，IOCore不使用传统量子阱激光器，而是采用法布里-珀罗量子点(FP-QD)激光器，提供了更高的温度稳定性和可靠性。
其次，采用专有的"光针"阵列接口，实现低成本组装和高温环境下的稳健连接。这种独特设计允许多模光纤阵列和微型收发器之间进行双向通信。
第三，发射部分将QD激光器的连续波光耦合到硅波导中，连接到马赫-曾德尔干涉仪调制器；接收部分采用锥形光针，直接引导入射光至硅锗光电探测器。图4：IOCore结构的(a) 示意图，(b) 接收器横截面，(c) 发射器横截面，(d) 器件照片，(e) 接收部分的多模光接口，(f) 发射部分的多模光接口。
图5：(a) 未安装组件的硅光子基板和(b) 完全组装好的安装了各组件的器件。
4高温运行的关键技术法布里-珀罗量子点激光器在高温下表现出显著的稳定性。与传统量子阱激光器不同，QD激光器在-40°C至125°C的宽温度范围内保持强劲性能。量子点激光器的另一个显著优势是其对背反射的抗性，消除了对光隔离器的需求，简化了收发器设计。长期可靠性测试证明了量子点激光器技术的卓越耐久性。在105°C环境温度下连续运行10年后，累积故障率低于0.049%，相当于每十亿小时运行仅5.6次故障(FIT)。图6：FP-QD激光器在高达125°C不同组件温度下的光功率-电流(LI)特性曲线，即使在极端温度下也表现良好。
图7：比较了量子点激光器与量子阱激光器在背反射时的相对强度噪声，显示出量子点激光器的卓越性能。图8：双通道量子点激光二极管的累积故障率曲线，证明了其随时间推移的出色可靠性。
IOCore采用对称马赫-曾德尔干涉仪设计，最大限度地减少对波长和温度的依赖性，实现了宽温度范围内的一致光调制。通过使用CMOS反相器线路，该调制器即使在高温下(Tj=105°C)也能保持良好的电输出波形。图9：(a) IOCore MZI光调制器的示意图，(b) Tj = 25°C时的电输出波形，(c) Tj = 105°C时的电输出波形，展示了在高温下的稳定性能。
5先进的封装和组装技术QD激光器直接安装在硅基光电子基板上，具有极高的精度。自动化设备实现平均水平安装精度为0.06μm，带来稳定的光学性能，平均输出功率为3.57 dBm，且变化极小(标准偏差为0.44 dB)。图10：(a) 安装到硅基光电子基板中的激光二极管水平偏差直方图，(b) IOCore的光功率输出直方图，展示了制造的高度一致性。
光接口采用创新设计，使用倾斜(41°)的多模光纤，其位置与光针的8°光发射角相匹配。这创造了光纤阵列和硅光子线路之间的最佳耦合。倾斜的光纤端面镀金，防止信号因污染或冷凝而衰减。图11：模块和定位在模块上的多模光纤阵列，以及41°镀金光纤接口的详细视图。
IOCore的关键创新是其光针设计，可适应温度引起的波长变化。随着温度变化，激光波长发生偏移，影响光栅耦合器的发射角。光针设计确保在从-40°C到105°C的整个工作温度范围内有效的光耦合。图12：在不同温度和波长下光针中光传播的模拟结果：-40°C (1257.8 nm)，25°C (1283.9 nm)，85°C (1310 nm)和105°C (1321.6 nm)。
6可靠性测试和性能IOCore已经过基于修改的Telcordia Technologies要求的广泛可靠性测试。测试条件包括温度循环、湿热暴露、高温运行、机械冲击、振动和ESD测试。所有模块均通过了这些严格测试，没有出现故障。长期高温测试展示了卓越的耐久性，在Tj = 105°C下稳定运行5,000小时，在Tj = 130°C下稳定运行2,000小时。收发器在高温下保持出色的数据传输性能，在温度高达125°C时实现32 Gbps操作(适用于PCIe Gen 5)。图13：四个发射通道在50°C和125°C时以32 GBaud运行PCIe Gen 5的眼图，即使在高温下也显示了清晰的信号完整性。
图14：四个接收通道在不同温度下的BER曲线：4°C、50°C、95°C和125°C，证明了各温度范围内的一致性能。
7浸没式冷却应用IOCore设计采用密封光接口，无气隙，天然兼容浸没式冷却应用。集成IOCore技术的QSFP模块已在浸没式冷却环境中成功测试。图15：(a) QSFP模块，(b) 安装了IOCore的内部QSFP模块PCB，(c) 浸泡在单相浸没冷却液中的QSFP模块演示。
8结论集成量子点激光器技术的IOCore硅基光电子微型收发器为恶劣环境中的光通信提供了重要进展。在100°C环境温度下连续运行10年后，其可靠性达到5.6 FIT，使该技术能够在传统光学过于苛刻的应用中实现光连接。IOCore技术在工业、汽车和航空航天等领域展现了卓越的应用价值。
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