近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）周林杰教授團(tuán)隊(duì)陸梁軍副教授和李雨副教授通過將低損耗相變材料Sb?Se?與硅基微環(huán)諧振器異質(zhì)集成，首次實(shí)現(xiàn)了近零功耗“現(xiàn)場(chǎng)可編程”光收發(fā)芯片。對(duì)微環(huán)中的PN結(jié)施加電脈沖觸發(fā)相變，實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)10皮米、超一個(gè)自由光譜范圍的非易失波長(zhǎng)調(diào)諧，在滿足微環(huán)陣列波長(zhǎng)校準(zhǔn)需求的同時(shí)有效消除了狀態(tài)維持功耗。研究團(tuán)隊(duì)還提出了一種創(chuàng)新反饋機(jī)制來抑制溫漂，成功演示了4通道可編程微環(huán)陣列的高速收發(fā)，傳輸速率達(dá)到400Gbps。相關(guān)研究成果以“Field Programmable Silicon Microring WDM Transceiver Leveraging Monolithically Integrated Phase-Change Materials”（基于相變材料異質(zhì)集成的非易失現(xiàn)場(chǎng)可編程微環(huán)陣列光收發(fā)芯片）為題，發(fā)表在《PhotoniX》上。

隨著人工智能（AI）應(yīng)用對(duì)精度與性能的需求持續(xù)攀升，大語言模型的參數(shù)規(guī)模已突破萬億級(jí)別，其訓(xùn)練所需的集群規(guī)模亦同步擴(kuò)大。在此背景下，傳統(tǒng)XPU間有限的互連帶寬正逐漸成為制約算力釋放的關(guān)鍵瓶頸，提升互連帶寬的需求愈發(fā)迫切。光互連技術(shù)憑借超大帶寬、極低損耗及低串?dāng)_等固有優(yōu)勢(shì)，能夠構(gòu)建更高帶寬密度與更低功耗的互連鏈路。其中，硅基光電子學(xué)因具備與CMOS工藝的兼容性及高集成度潛力，已成為光互連領(lǐng)域的核心研究方向。相較于傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型調(diào)制器，微環(huán)諧振器（MRR）具有尺寸緊湊、功耗低等特性，能夠滿足光I/O對(duì)高密度、低功耗互連的應(yīng)用需求。然而，硅基MRR易受制造工藝偏差與環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，其商業(yè)化落地仍面臨顯著挑戰(zhàn)。

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△非易失現(xiàn)場(chǎng)可編程微環(huán)陣列光收發(fā)芯片架構(gòu)與工作原理

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研究團(tuán)隊(duì)打破學(xué)科壁壘，將材料科學(xué)領(lǐng)域的低損耗相變材料Sb?Se?引入到硅基光電子學(xué)，應(yīng)用于硅基高速光收發(fā)芯片中，既解決了光學(xué)器件系統(tǒng)應(yīng)用的難題，又拓展了相變材料在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

研究通過采用硅光后道兼容工藝在硅基MRR的PN結(jié)上異質(zhì)集成了低損耗相變材料Sb?Se?薄膜，以實(shí)現(xiàn)非易失“現(xiàn)場(chǎng)可編程”微環(huán)收發(fā)器。通過施加正向偏置電脈沖，能夠促使Sb?Se?在晶態(tài)與非晶態(tài)間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋整個(gè)自由光譜范圍的諧振波長(zhǎng)靈活調(diào)諧。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，相變材料的集成對(duì)其調(diào)制和探測(cè)性能幾乎沒有影響，確保了該技術(shù)的可行性。隨后，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了基于四個(gè)級(jí)聯(lián)Sb?Se?-Si異質(zhì)集成MRR的收發(fā)芯片，利用相變實(shí)現(xiàn)了諧振波長(zhǎng)的均勻分布，并成功演示了單微環(huán)100Gbps、總速率400Gbps的開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制和探測(cè)。此外，團(tuán)隊(duì)還提出了一種創(chuàng)新反饋方案，利用其中一個(gè)MRR作為光功率監(jiān)測(cè)器來反饋溫度波動(dòng)信息，通過整體控溫來補(bǔ)償環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)器件性能的影響。該方案有望實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰多個(gè)MRR的工作狀態(tài)的同時(shí)穩(wěn)定，具有可拓展性，降低了溫度反饋控制的硬件需求。

研究成功實(shí)現(xiàn)低損耗相變材料Sb?Se?與硅基微環(huán)諧振器的異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)了高效的波長(zhǎng)調(diào)諧和高速數(shù)據(jù)傳輸，有效解決了硅基微環(huán)收發(fā)芯片在系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，為下一代高密度、低功耗光互連芯片的研發(fā)提供了可靠解決方案。展望未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和完善，這項(xiàng)創(chuàng)新成果有望加速微環(huán)諧振器件從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)數(shù)據(jù)中心光互連、高速通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的變革。

來源：半導(dǎo)體芯科技

審核編輯 黃宇