基于硅基混合集成技術(shù)的新一代數(shù)據(jù)中心高速光模塊光子芯片

  隨著全球AIGC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外IT大廠數(shù)據(jù)中心的建設(shè)如火如荼，通信領(lǐng)域5G、6G網(wǎng)絡(luò)的布局深度也在迅速增加。這一時(shí)代背景下，新一代數(shù)據(jù)中心光模塊的市場(chǎng)需求以及更新迭代速度將大幅提升，這對(duì)光模塊內(nèi)部的核心器件——高速光子集成芯片提出了更高的要求，光子集成芯片將在帶寬、成本、速率、功耗等方面面臨變革與挑戰(zhàn)。

  傳統(tǒng)硅光與EML方案

  硅基光電子技術(shù)是數(shù)據(jù)中心及通信領(lǐng)域大量應(yīng)用的技術(shù)平臺(tái)。傳統(tǒng)的純硅光方案（硅光V1.0）基于其成熟的流片工藝，易于量產(chǎn)且集成度方面有一定的優(yōu)勢(shì)。但由于硅材料本身沒(méi)有電光響應(yīng)，硅基調(diào)制原理是基于等離子色散效應(yīng)，調(diào)制帶寬受限（2-3V驅(qū)動(dòng)電壓下的上限30GHz對(duì)應(yīng)PAM4單波100Gbps），因此基于硅和硅基襯底，多材料體系的各類混合集成（硅光V2.0）平臺(tái)已成為熱點(diǎn)技術(shù)。

  近期國(guó)內(nèi)主流學(xué)術(shù)期刊指出，目前可用作光子集成平臺(tái)的材料很多，諸如硅（Si）、薄膜鈮酸鋰（TFLN）、氮化硅（Si3N4）、磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）等是當(dāng)下集成光子學(xué)研究的熱門材料，在這些材料平臺(tái)上人們?nèi)〉昧司薮蟮耐黄坪瓦M(jìn)展。需要指出的是，目前還沒(méi)有一種完美平臺(tái)材料可以實(shí)現(xiàn)高效的片上光產(chǎn)生、傳輸、操控和探測(cè)等各項(xiàng)需求，這也是科研界的普遍共識(shí)之一。因此，混合集成和異質(zhì)集成被認(rèn)為是當(dāng)下解決全光集成器件或芯片的必由之路。

  薄膜鈮酸鋰作為新的集成光電子材料，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，其本身具有的高電光系數(shù)、大帶寬、高功率、高穩(wěn)定性、低驅(qū)壓、低損耗等優(yōu)異特性，可實(shí)現(xiàn)超快電光響應(yīng)和高集成度光波導(dǎo)。隨著刻蝕工藝的突破，基于CMOS工藝所制備的薄膜鈮酸鋰調(diào)制器可以很好的發(fā)揮其高速調(diào)制的特性，能夠滿足PAM4單波200Gbps甚至單波400Gbps的速率要求。

  由于技術(shù)成熟度相對(duì)較高和供應(yīng)鏈更加成熟，基于III-V 族半導(dǎo)體的EML方案仍是目前400G光模塊的主流解決方案。但在數(shù)據(jù)中心800G甚至更高速率的需求下，傳統(tǒng)EML方案雖然在調(diào)制速率上可以滿足單波200Gbps速率的要求，但其成本較高且工藝復(fù)雜，產(chǎn)品良率并不樂(lè)觀，這都限制了EML方案在數(shù)據(jù)中心高速光模塊上的應(yīng)用。同時(shí)單波100Gbps的EML供應(yīng)商全部是海外廠商（美國(guó)和日本為主）。而相比于傳統(tǒng)硅光平臺(tái)（硅光V1.0），薄膜鈮酸鋰晶圓級(jí)刻蝕工藝目前尚不成熟，器件尺寸也不具備優(yōu)勢(shì)。面對(duì)當(dāng)前的市場(chǎng)需求及技術(shù)瓶頸，易纜微基于硅基混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺(tái)開(kāi)發(fā)了高速混合集成光子芯片。該技術(shù)平臺(tái)作為硅光V2.0平臺(tái)，以成熟的硅光工藝制備硅基無(wú)源光器件，通過(guò)混合集成技術(shù)鍵合薄膜鈮酸鋰，并以薄膜鈮酸鋰高速調(diào)制的特性解決純硅光平臺(tái)調(diào)制速率的問(wèn)題，相比于純硅光（硅光V1.0）或純薄膜鈮酸鋰晶圓平臺(tái)，易纜微混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺(tái)充分發(fā)揮了硅光無(wú)源及鈮酸鋰有源調(diào)制方面的優(yōu)勢(shì)，將硅與鈮酸鋰這兩種材料完美結(jié)合。

  易纜微硅基混合集成技術(shù)平臺(tái)

  易纜微基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硅基混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺(tái)，成功設(shè)計(jì)并制備了數(shù)據(jù)中心高速光模塊光引擎芯片。在芯片調(diào)制區(qū)域，輸入光源從硅基波導(dǎo)層耦合至薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)層，經(jīng)薄膜鈮酸鋰MZ調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光調(diào)制后，再次耦合回硅基波導(dǎo)層至光輸出。

易纜微硅基混合集成技術(shù)平臺(tái)

  在這一技術(shù)方案中，硅基波導(dǎo)與鈮酸鋰波導(dǎo)的高效耦合保證了芯片的低插損。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，硅基/鈮酸鋰波導(dǎo)垂直耦合單次插損實(shí)測(cè)低于0.2dB。薄膜鈮酸鋰MZ調(diào)制器用于實(shí)現(xiàn)高速光信號(hào)調(diào)制，經(jīng)光學(xué)及行波電極設(shè)計(jì)，調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)大于67GHz的電光調(diào)制帶寬，可支持單波200Gbps高速信號(hào)調(diào)制。

硅基/鈮酸鋰混合集成電光響應(yīng)測(cè)試

LN/SiN異質(zhì)集成MZM芯片結(jié)構(gòu)示意圖

  研發(fā)設(shè)計(jì)

  除了實(shí)現(xiàn)芯片高帶寬的性能需求，易纜微在芯片的低驅(qū)壓及小尺寸等方面研究工作也取得了很大的進(jìn)展。常規(guī)薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的尺寸較長(zhǎng)，其半波電壓長(zhǎng)度乘積（Vπ·L）通常在2~3 V·cm左右，對(duì)應(yīng)于2.4V的半波電壓，調(diào)制器的長(zhǎng)度通常在10mm左右，這會(huì)導(dǎo)致芯片尺寸過(guò)大（長(zhǎng)邊超過(guò)10mm）。易纜微設(shè)計(jì)的通過(guò)彎曲折疊調(diào)制器的方式，可有效縮短調(diào)制器的尺寸長(zhǎng)度，能夠?qū)⒄{(diào)制器的長(zhǎng)度縮短至4mm以下，完全可以達(dá)到傳統(tǒng)硅光調(diào)制器芯片的長(zhǎng)度尺寸，可匹配現(xiàn)有的光模塊規(guī)格完成封裝。

  電光調(diào)制器的調(diào)制效率通常用Vπ·L來(lái)評(píng)估，此數(shù)值越低表明調(diào)制效率越高。對(duì)應(yīng)特定值的Vπ·L，調(diào)制區(qū)的長(zhǎng)度和半波電壓理論上會(huì)相互制約，即低驅(qū)壓和小尺寸難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。為了同時(shí)使薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器達(dá)成低驅(qū)壓和小尺寸，易纜微通過(guò)在電極和鈮酸鋰平板層間增加緩沖層以降低金屬電極的吸收損耗，并通過(guò)光學(xué)參數(shù)優(yōu)化降低Vπ·L的值。經(jīng)過(guò)這一設(shè)計(jì)優(yōu)化，硅基/薄膜鈮酸鋰混合集成電光調(diào)制器的Vπ·L可由2 V·cm以上降低至1.2 V·cm,極大緩解了低驅(qū)壓和小尺寸之間的限制。

  易纜微在硅基混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺(tái)上擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)并制備客訂化的混合集成光子芯片。面對(duì)光通信行業(yè)的市場(chǎng)需求，易纜微將會(huì)持續(xù)發(fā)布多類規(guī)格速率的混合集成光子芯片產(chǎn)品，包括400G/800G/1.6T DR-4(8)光子芯片，400G/800G/1.6T FR-4(8)光子芯片等產(chǎn)品。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)未來(lái)光通信市場(chǎng)更高的帶寬速率需求，易纜微將持續(xù)投入研發(fā)更高速率的光子芯片產(chǎn)品，在最新設(shè)計(jì)的硅基混合集成光芯片中，其電光調(diào)制帶寬已仿真結(jié)果超過(guò)130GHz，這一方案可以支持未來(lái)單波400Gbps光模塊3.2T的產(chǎn)品需求。

易纜微單波400G光芯片電光響應(yīng)

  適配LPO光模塊的硅基混合集成光芯片

  隨著AI算力對(duì)400G/800G光模塊需求的增加，成本優(yōu)勢(shì)突出且可滿足AI算力短距離、大寬帶、低延時(shí)的LPO（Linear-drive Pluggable Optics）光模塊方案逐漸成為市場(chǎng)熱門選擇。LPO技術(shù)采用了線性直驅(qū)的方式，對(duì)于目前市場(chǎng)所需的單波200Gbps LPO光模塊，其模塊鏈路中對(duì)所有元件的線性度要求高，尤其是電光調(diào)制器。在已報(bào)道的工作中，通常使用交調(diào)信號(hào)的SFDR來(lái)評(píng)估調(diào)制器的線性度。傳統(tǒng)的純硅調(diào)制器SFDR為97dB·Hz2/3，而薄膜鈮酸鋰調(diào)制器可達(dá)到120dB·Hz2/3。EML方案的線性度相比于純硅和薄膜鈮酸鋰調(diào)制器方案則更低。基于薄膜鈮酸鋰調(diào)制器高線性度和高帶寬的特性，易纜微設(shè)計(jì)和制備了用于單波200Gbps的LPO光模塊的硅基混合集成光芯片，目前這一產(chǎn)品正在與部分客戶開(kāi)展項(xiàng)目合作測(cè)試。