基于硅基混合集成技術(shù)的新一代數據中心高速光模塊光子芯片

  隨著(zhù)全球AIGC產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內外IT大廠(chǎng)數據中心的建設如火如荼，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，新一代數據中心光模塊的市場(chǎng)需求以及更新迭代速度將大幅提升，這對光模塊內部的核心器件——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。

  傳統硅光與EML方案

  硅基光電子技術(shù)是數據中心及通信領(lǐng)域大量應用的技術(shù)平臺。傳統的純硅光方案（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(méi)有電光響應，硅基調制原理是基于等離子色散效應，調制帶寬受限（2-3V驅動(dòng)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(lèi)混合集成（硅光V2.0）平臺已成為熱點(diǎn)技術(shù)。

  近期國內主流學(xué)術(shù)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(xué)研究的熱門(mén)材料，在這些材料平臺上人們取得了巨大的突破和進(jìn)展。需要指出的是，目前還沒(méi)有一種完美平臺材料可以實(shí)現高效的片上光產(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(lái)受到了廣泛的關(guān)注，其本身具有的高電光系數、大帶寬、高功率、高穩定性、低驅壓、低損耗等優(yōu)異特性，可實(shí)現超快電光響應和高集成度光波導。隨著(zhù)刻蝕工藝的突破，基于CMOS工藝所制備的薄膜鈮酸鋰調制器可以很好的發(fā)揮其高速調制的特性，能夠滿(mǎn)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。但在數據中心800G甚至更高速率的需求下，傳統EML方案雖然在調制速率上可以滿(mǎn)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(lè )觀(guān)，這都限制了EML方案在數據中心高速光模塊上的應用。同時(shí)單波100Gbps的EML供應商全部是海外廠(chǎng)商（美國和日本為主）。而相比于傳統硅光平臺（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(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）平臺開(kāi)發(fā)了高速混合集成光子芯片。該技術(shù)平臺作為硅光V2.0平臺，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制的特性解決純硅光平臺調制速率的問(wèn)題，相比于純硅光（硅光V1.0）或純薄膜鈮酸鋰晶圓平臺，易纜微混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺充分發(fā)揮了硅光無(wú)源及鈮酸鋰有源調制方面的優(yōu)勢，將硅與鈮酸鋰這兩種材料完美結合。

  易纜微硅基混合集成技術(shù)平臺

  易纜微基于自主知識產(chǎn)權的硅基混合集成技術(shù)（硅光V2.0）平臺，成功設計并制備了數據中心高速光模塊光引擎芯片。在芯片調制區域，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調制器實(shí)現光調制后，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(shù)平臺

  在這一技術(shù)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(shí)測低于0.2dB。薄膜鈮酸鋰MZ調制器用于實(shí)現高速光信號調制，經(jīng)光學(xué)及行波電極設計，調制器可以實(shí)現大于67GHz的電光調制帶寬，可支持單波200Gbps高速信號調制。

硅基/鈮酸鋰混合集成電光響應測試

LN/SiN異質(zhì)集成MZM芯片結構示意圖

  研發(fā)設計

  除了實(shí)現芯片高帶寬的性能需求，易纜微在芯片的低驅壓及小尺寸等方面研究工作也取得了很大的進(jìn)展。常規薄膜鈮酸鋰調制器的尺寸較長(cháng)，其半波電壓長(cháng)度乘積（Vπ·L）通常在2~3 V·cm左右，對應于2.4V的半波電壓，調制器的長(cháng)度通常在10mm左右，這會(huì )導致芯片尺寸過(guò)大（長(cháng)邊超過(guò)10mm）。易纜微設計的通過(guò)彎曲折疊調制器的方式，可有效縮短調制器的尺寸長(cháng)度，能夠將調制器的長(cháng)度縮短至4mm以下，完全可以達到傳統硅光調制器芯片的長(cháng)度尺寸，可匹配現有的光模塊規格完成封裝。

  電光調制器的調制效率通常用Vπ·L來(lái)評估，此數值越低表明調制效率越高。對應特定值的Vπ·L，調制區的長(cháng)度和半波電壓理論上會(huì )相互制約，即低驅壓和小尺寸難以同時(shí)實(shí)現。為了同時(shí)使薄膜鈮酸鋰電光調制器達成低驅壓和小尺寸，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)參數優(yōu)化降低Vπ·L的值。經(jīng)過(guò)這一設計優(yōu)化，硅基/薄膜鈮酸鋰混合集成電光調制器的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）平臺上擁有完全自主的知識產(chǎn)權及技術(shù)優(yōu)勢，可根據客戶(hù)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(chǎng)需求，易纜微將會(huì )持續發(fā)布多類(lèi)規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)，為應對未來(lái)光通信市場(chǎng)更高的帶寬速率需求，易纜微將持續投入研發(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，其電光調制帶寬已仿真結果超過(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

  適配LPO光模塊的硅基混合集成光芯片

  隨著(zhù)AI算力對400G/800G光模塊需求的增加，成本優(yōu)勢突出且可滿(mǎn)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(mén)選擇。LPO技術(shù)采用了線(xiàn)性直驅的方式，對于目前市場(chǎng)所需的單波200Gbps LPO光模塊，其模塊鏈路中對所有元件的線(xiàn)性度要求高，尤其是電光調制器。在已報道的工作中，通常使用交調信號的SFDR來(lái)評估調制器的線(xiàn)性度。傳統的純硅調制器SFDR為97dB·Hz2/3，而薄膜鈮酸鋰調制器可達到120dB·Hz2/3。EML方案的線(xiàn)性度相比于純硅和薄膜鈮酸鋰調制器方案則更低?；诒∧も壦徜囌{制器高線(xiàn)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(hù)開(kāi)展項目合作測試。