研究三维堆叠光子和电子芯片的热影响

人工智能领域的最新进展，尤其是大型语言模型（如 ChatGPT），给数据中心带来了压力。人工智能模型需要大量数据来训练，而为了在处理单元和内存之间移动数据，高效的通信链路就变得十分必要。

对于长距离通信，几十年来光纤一直是首选解决方案。对于数据中心内部的短距离通信，由于光纤的性能优于传统的电力链路，现在业界也开始采用光纤。最近的技术发展甚至可以在极短距离内将电气互连转换为光纤互连，例如同一封装内芯片之间的通信。

这需要将数据流从电域转换到光域，而这需要在光收发器中进行。硅光子技术是制造这些光收发器最广泛使用的技术。

芯片内的有源光子器件（调制器和光电探测器）仍需要与电子驱动器连接，以便为器件供电和读取输入的数据。通过三维堆叠技术，将电子芯片（EIC）直接堆叠在光子芯片（PIC）之上，可实现元件的紧密集成和低寄生电容。

最近发表在《光学微系统杂志》上的一项研究对这种三维集成的热影响进行了研究。

混合三维集成光收发器。(A、B）测试装置：光子芯片（PIC）置于电路板（绿色）上，电子芯片（EIC）粘接在光子芯片上。(C）是带有芯片堆叠的 EIC-PIC 组件的横截面。(D) 显示有限元模型的网格。资料来源：David Coenen等人，《Thermal modeling of hybrid three-dimensional integrated, ring-based silicon photonic–electronic transceivers》，《Journal of Optical Microsystems》（2023）。

光子芯片的设计由环形调制器阵列组成，众所周知，环形调制器对温度非常敏感。要在数据中心等苛刻的环境中运行，它们需要主动热稳定。这可以通过集成加热器的形式实现。出于节能考虑，热稳定所需的功率显然应该降到最低。

比利时鲁汶大学和 Imec 公司的研究团队在将 EIC 倒装芯片焊接到 PIC 上之前和之后，通过实验测量了环形调制器的加热器效率。结果发现，效率相对降低了-43.3%，影响很大。

此外，三维有限元模拟将这种损失归因于 EIC 中的热扩散。这种热扩散应该避免，因为在理想情况下，集成加热器中产生的所有热量都被控制在光子器件附近。粘合 EIC 后，光子器件之间的热串扰也增加了高达 +44.4%，使单独的热控制变得更加复杂。

量化三维光子电子集成的热影响至关重要，但防止加热器效率损失也同样重要。为此，我们进行了一项热模拟研究，以提高加热器效率为目标，改变了典型的设计变量。结果表明，通过增大 µbump 和光子器件之间的间距以及减小互连线宽，可以将三维集成的热影响降至最低。