硅有机混合集成技术推进新一代人工智能系统的光收发器发展

逍遥设计自动化

引言
+ g7 e. `3 @1 G3 q人工智能的快速发展，特别是在生成式人工智能和大型语言模型(LLMs)领域，对计算基础设施提出了极高要求。这些人工智能系统包含数十亿甚至数百亿个参数，需要大规模并行处理能力，而计算节点之间的数据传输限制已成为主要瓶颈。这个挑战推动了光传输技术的创新，其中硅有机混合(SOH)集成技术展现出显著优势[1]。

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: F+ p+ k& f) ?6 Q" ]* w) R图1：硅有机混合(SOH)技术的概念图，展示了SOH马赫-曾德尔调制器(MZM)的基本结构及与竞争技术的对比。该设计实现了高效无啁啾推挽运行，π电压长度乘积极低。
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5 h0 z1 ?2 @2 ?* h) q1 }传统硅基光电子技术已经成为光电子器件批量生产的基础。但是，由于硅材料的固有特性限制，传统硅基光电子收发器面临基本限制。这些限制在面对1.6T-12.8T接口速率的新兴收发器标准时尤为明显。
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SOH技术的核心创新在于将硅基光电子结构与有机电光(OEO)材料相结合。这种混合方法克服了硅的天然限制，特别是由于晶格中心对称性导致的珀克尔斯型光学非线性缺失。通过整合高效有机材料，研究人员通过理论驱动的分子设计实现了390 pm/V的器件内珀克尔斯系数。

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, {! S) Z. u0 W& M( \7 k图2：SilOriX及其合作伙伴制造的8英寸SOH晶圆，集成了超过25,000个SOH调制器和各种高端硅基光电子线路，用于光通信、信号处理和计量学应用。

技术突破：克服稳定性挑战
SOH技术商业化应用的一个主要障碍是有机材料的长期稳定性。研究人员识别出两个主要的退化机制：去极化和光化学退化。虽然通过高玻璃化转变温度材料或基质交联已经有效解决了去极化问题，但直到最近的突破，光化学稳定性仍然是一个挑战。
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图3：SilOriX SOH MZM的长期光稳定性测试结果，在10 mW片上功率下稳定运行超过2500小时，标志着该技术实现工业化应用的重要里程碑。

SOH器件中的光化学退化机制与早期OLED技术面临的挑战相似，涉及光激发的有机发色团与环境氧气的相互作用。这种相似性促使开发出专门的处理技术和器件架构，有效解决了稳定性问题。
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图4：性能演示，显示(a) C波段100 GBaud PAM-4眼图和(b) O波段192 GBaud PAM-4眼图，展示了SOH调制器的高速能力。
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工业实施和未来应用
% H0 u, h' \$ L2 B0 a* b长期稳定器件的成功演示为工业应用提供了基础。制造工艺与现有硅基光电子制造方法保持兼容，通过高效的后处理步骤整合OEO材料。
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图5：SilOriX的SOH工艺链完整示意图，从初始光电子集成芯片设计到OEO材料合成、晶圆制造、处理、测试和最终系统集成。
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SOH技术在强度调制和直接检测应用的高性能光收发器方面表现出特别的优势，这对下一代人工智能集群极为重要。最近的演示取得了令人印象深刻的结果，包括在单个SOH-MZM中使用四态脉冲幅度调制实现384G传输，驱动电压低于1 Vpp。这一成就表明单波长线速率400G或更高是可行的，可能简化未来高速以太网收发器的架构。
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8 q- ~+ X" r0 S& q) c+ P9 A0 k该技术的应用范围超出传统通信。SOH器件已经证明可以在仅几开尔文的低温下成功运行，使其适用于量子计算应用，在这些应用中，光链路必须将超导线路连接到室温环境。此外，SOH技术实现的超高效相移器在可编程光子技术、超宽带信号处理和光学计量应用中也显示出优势。

4 j; A" [4 f  T" ~; i参考文献
: A8 ]& L/ W" k[1] Mertens, C. Eschenbaum, and C. Koos, "Silicon-organic hybrid slot waveguide modulators on the verge of industrial adoption," PIC Magazine, vol. 3, no. 3, pp. 18-23, 2024.

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