光速互聯(lián)時(shí)代來(lái)了！新材料突破硅光瓶頸，網(wǎng)速將不再卡頓？

云計(jì)算與人工智能的普及催生海量數(shù)據(jù)流，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及跨中心對(duì)超高速、低能耗光互聯(lián)鏈路的需求激增；這類(lèi)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率必須大幅超越當(dāng)前 200 吉比特每秒（200Gb/s）的通用標(biāo)準(zhǔn)。將新材料異質(zhì)集成至硅光平臺(tái)，可打造面向短距、短途互聯(lián)的下一代電光調(diào)制器與光電探測(cè)器。

鈮酸鋰（LiNbO?）是極具代表性的優(yōu)質(zhì)材料，憑借極高的電光系數(shù)，非常適配高速光通信系統(tǒng)。另一熱門(mén)材料為鉭酸鋰（LiTaO?），其優(yōu)勢(shì)在于電光穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、損傷閾值高且具備紫外透光性，適用于高功率、溫敏場(chǎng)景，以及短波長(zhǎng)工作的光通信設(shè)備。

但兩類(lèi)材料均含鋰元素，難以兼容主流 CMOS 制造工藝；同時(shí)，將高速光電探測(cè)器等其他器件與這類(lèi)材料集成，技術(shù)落地難度極大。

為攻克上述難題，業(yè)內(nèi)正在探索多種集成方案。晶圓鍵合技術(shù)雖已在鈮酸鋰器件上實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證，但成本高昂、效率偏低 —— 鍵合后需剝離絕大部分基材，還要增設(shè)大量后續(xù)加工工序。如今，比利時(shí)微電子研究中心（imec）推出微轉(zhuǎn)印技術(shù)，可將鈮酸鋰、鉭酸鋰高效異質(zhì)集成至硅光平臺(tái)，成為極具潛力的新方案。

全球首創(chuàng)：微轉(zhuǎn)印技術(shù)實(shí)現(xiàn)薄膜鈮酸鋰調(diào)制器硅光集成

在本屆歐洲光通信大會(huì)（ECOC）上，imec 與根特大學(xué)團(tuán)隊(duì)展示一項(xiàng)技術(shù)成果：依托全兼容標(biāo)準(zhǔn) CMOS 制程的新型高速集成電路，實(shí)現(xiàn) O 波段 320 吉比特每秒（320Gb/s）無(wú)放大光鏈路，可在 2 公里標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中穩(wěn)定傳輸。

該成果為全球首創(chuàng)，整套驗(yàn)證方案搭配 100 吉赫茲高帶寬鍺光電二極管，通過(guò)微轉(zhuǎn)印工藝將薄膜鈮酸鋰馬赫 - 曾德?tīng)栒{(diào)制器（MZM）集成至 imec 硅光平臺(tái)，并與定制行波驅(qū)動(dòng)器、跨阻放大器（TIA）共封裝。

圖 1：(a) 下一代硅光平臺(tái)架構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖；(b) 硅光子集成電路集成薄膜鈮酸鋰后的實(shí)拍圖，及異質(zhì)電光器件聚焦離子束截面掃描電鏡圖；(c) 鍺硅光電二極管透射電鏡圖，展示深刻硅槽內(nèi)的鍺層生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)；(d) 鍺光電二極管光電帶寬實(shí)測(cè)曲線。（圖源：imec）

此次突破讓 imec 率先實(shí)現(xiàn)薄膜鈮酸鋰器件與硅光平臺(tái)的無(wú)縫集成。研發(fā)團(tuán)隊(duì)優(yōu)化迭代全套硅光工藝流程，并協(xié)同開(kāi)發(fā)光子集成電路（PIC）與電子集成電路（EIC），最大化挖掘性能潛力。該驗(yàn)證方案，為單通道 400Gb/s 光互聯(lián)技術(shù)落地打通了可行路徑。

全球首次：薄膜鉭酸鋰調(diào)制器完成硅光異質(zhì)集成

另一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性成果刊發(fā)于《自然?光子學(xué)》，業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)鉭酸鋰調(diào)制器與硅光子集成電路的異質(zhì)集成。

該技術(shù)沿用適配鈮酸鋰的微轉(zhuǎn)印工藝，可完全兼容整片晶圓堆疊架構(gòu)，能與加熱器、濾波器、鍺光電探測(cè)器等器件無(wú)縫協(xié)同集成，且不會(huì)損耗原有器件性能。

圖 2：主流高端硅光子集成電路平臺(tái)基礎(chǔ)器件通用架構(gòu)示意圖。（圖源：imec）

助力沖刺 400Gb/s 光互聯(lián)技術(shù)里程碑

系列研究成果，彰顯 imec 持續(xù)突破高速光電路與電子電路設(shè)計(jì)邊界的研發(fā)目標(biāo)。盡管該技術(shù)距離全面成熟、商用落地仍有大量?jī)?yōu)化工作，但探索新材料、依托前沿技術(shù)迭代下一代驗(yàn)證方案，是沖刺 400Gb/s 光互聯(lián)技術(shù)里程碑的關(guān)鍵一步。

（來(lái)源：imec）