基于硅基混合集成技術的新一代數(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，國內(nèi)外IT大廠數(shù)據(jù)中心的建設如火如荼，通信領域5G、6G網(wǎng)絡的布局深度也在迅速增加。這一時代背景下，新一代數(shù)據(jù)中心光模塊的市場需求以及更新迭代速度將大幅提升，這對光模塊內(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

  硅基光電子技術是數(shù)據(jù)中心及通信領域大量應用的技術平臺。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。但由于硅材料本身沒有電光響應，硅基調(diào)制原理是基于等離子色散效應，調(diào)制帶寬受限（2-3V驅(qū)動電壓下的上限30GHz對應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）平臺已成為熱點技術。

  近期國內(nèi)主流學術期刊指出，目前可用作光子集成平臺的材料很多，諸如硅（Si）、薄膜鈮酸鋰（TFLN）、氮化硅（Si3N4）、磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）等是當下集成光子學研究的熱門材料，在這些材料平臺上人們?nèi)〉昧司薮蟮耐黄坪瓦M展。需要指出的是，目前還沒有一種完美平臺材料可以實現(xiàn)高效的片上光產(chǎn)生、傳輸、操控和探測等各項需求，這也是科研界的普遍共識之一。因此，混合集成和異質(zhì)集成被認為是當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，近年來受到了廣泛的關注，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，可實現(xiàn)超快電光響應和高集成度光波導。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。

  由于技術成熟度相對較高和供應鏈更加成熟，基于III-V 族半導體的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雜，產(chǎn)品良率并不樂觀，這都限制了EML方案在數(shù)據(jù)中心高速光模塊上的應用。同時單波100Gbps的EML供應商全部是海外廠商（美國和日本為主）。而相比于傳統(tǒng)硅光平臺（硅光V1.0），薄膜鈮酸鋰晶圓級刻蝕工藝目前尚不成熟，器件尺寸也不具備優(yōu)勢。面對當前的市場需求及技術瓶頸，易纜微基于硅基混合集成技術（硅光V2.0）平臺開發(fā)了高速混合集成光子芯片。該技術平臺作為硅光V2.0平臺，以成熟的硅光工藝制備硅基無源光器件，通過混合集成技術鍵合薄膜鈮酸鋰，并以薄膜鈮酸鋰高速調(diào)制的特性解決純硅光平臺調(diào)制速率的問題，相比于純硅光（硅光V1.0）或純薄膜鈮酸鋰晶圓平臺，易纜微混合集成技術（硅光V2.0）平臺充分發(fā)揮了硅光無源及鈮酸鋰有源調(diào)制方面的優(yōu)勢，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平臺

  易纜微基于自主知識產(chǎn)權的硅基混合集成技術（硅光V2.0）平臺，成功設計并制備了數(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層耦合至薄膜鈮酸鋰波導層，經(jīng)薄膜鈮酸鋰MZ調(diào)制器實現(xiàn)光調(diào)制后，再次耦合回硅基波導層至光輸出。

易纜微硅基混合集成技術平臺

  在這一技術方案中，硅基波導與鈮酸鋰波導的高效耦合保證了芯片的低插損。經(jīng)設計優(yōu)化后，硅基/鈮酸鋰波導垂直耦合單次插損實測低于0.2dB。薄膜鈮酸鋰MZ調(diào)制器用于實現(xiàn)高速光信號調(diào)制，經(jīng)光學及行波電極設計，調(diào)制器可以實現(xiàn)大于67GHz的電光調(diào)制帶寬，可支持單波200Gbps高速信號調(diào)制。

硅基/鈮酸鋰混合集成電光響應測試

LN/SiN異質(zhì)集成MZM芯片結(jié)構示意圖

  研發(fā)設計

  除了實現(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展。常規(guī)薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的尺寸較長，其半波電壓長度乘積（Vπ·L）通常在2~3 V·cm左右，對應于2.4V的半波電壓，調(diào)制器的長度通常在10mm左右，這會導致芯片尺寸過大（長邊超過10mm）。易纜微設計的通過彎曲折疊調(diào)制器的方式，可有效縮短調(diào)制器的尺寸長度，能夠?qū)⒄{(diào)制器的長度縮短至4mm以下，完全可以達到傳統(tǒng)硅光調(diào)制器芯片的長度尺寸，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來評估，此數(shù)值越低表明調(diào)制效率越高。對應特定值的Vπ·L，調(diào)制區(qū)的長度和半波電壓理論上會相互制約，即低驅(qū)壓和小尺寸難以同時實現(xiàn)。為了同時使薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器達成低驅(qū)壓和小尺寸，易纜微通過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，并通過光學參數(shù)優(yōu)化降低Vπ·L的值。經(jīng)過這一設計優(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（硅光V2.0）平臺上擁有完全自主的知識產(chǎn)權及技術優(yōu)勢，可根據(jù)客戶需求設計并制備客訂化的混合集成光子芯片。面對光通信行業(yè)的市場需求，易纜微將會持續(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，為應對未來光通信市場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，在最新設計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130GHz，這一方案可以支持未來單波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

  適配LPO光模塊的硅基混合集成光芯片

  隨著AI算力對400G/800G光模塊需求的增加，成本優(yōu)勢突出且可滿足AI算力短距離、大寬帶、低延時的LPO（Linear-drive Pluggable Optics）光模塊方案逐漸成為市場熱門選擇。LPO技術采用了線性直驅(qū)的方式，對于目前市場所需的單波200Gbps LPO光模塊，其模塊鏈路中對所有元件的線性度要求高，尤其是電光調(diào)制器。在已報道的工作中，通常使用交調(diào)信號的SFDR來評估調(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?；诒∧も壦徜囌{(diào)制器高線性度和高帶寬的特性，易纜微設計和制備了用于單波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展項目合作測試。