半導體所在大規(guī)模單片集成高速光互連研究方面取得新進展
近年來，人工智能、萬物互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等領域取得重大進展，帶動全球數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級增長，并對高性能的互連能力提出迫切需求。硅基光電集成作為光與電深度融合的革新性技術，是實現(xiàn)互連技術向高帶寬、低延遲、高能效和輕量化方向跨越發(fā)展的重要途徑。例如，在高性能分布式計算系統(tǒng)中，硅基光I/O是突破傳統(tǒng)電I/O限制，滿足CPU、GPU矩陣間高速互連需求的有效方法。然而，目前硅基光電集成還面臨結(jié)構(gòu)復雜、成本高、難以大規(guī)模制備等問題，單片集成還需突破高效發(fā)光、損耗抑制等瓶頸，導致現(xiàn)有公開報道中尚未見能夠有效解決上述問題的技術方面。
近期，半導體所固態(tài)光電信息技術實驗室楊曉光研究員團隊在大規(guī)模單片集成高速光互連方面取得新進展。團隊提出在硅基外延量子點平臺上開展可自由定義的單元器件和功能模塊制備，并實現(xiàn)大規(guī)模硅基單片集成光互聯(lián)的創(chuàng)新策略。在CMOS兼容硅襯底上外延出含8層InAs/GaAs量子點結(jié)構(gòu)的晶圓，同時制備用于信號發(fā)射與接收的直調(diào)激光器、波導型光電探測器及集成互聯(lián)結(jié)構(gòu)。高速帶寬信號測試表明激光器和探測器的最大3-dB帶寬分別為4.5 GHz和2.02 GHz。NRZ編碼信號測試表明，激光器的直調(diào)速率可達12.5 Gbit/s，探測器的數(shù)據(jù)接收能力為5 Gbit/s。在此基礎上，基于自由空間光耦合集成結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高速信號互連，速率可達1.01 GHz。
該研究成果以Large-Scale Monolithically-Integrated High-Speed Interconnect Chips via Direct Growth of InAs/GaAs Quantum Dot Lasers and Photodetectors on Si(001)為題，發(fā)表于《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews），半導體所博士生王勝林為第一作者，楊曉光研究員和楊濤研究員為通訊作者，陸丹研究員在器件測試上提供了重要支持。該研究得到國家自然科學基金重點項目（62334007，62035012）等資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202503131
圖1 具備豐富功能的大規(guī)模硅基片上集成量子點光互聯(lián)系統(tǒng)
圖2 硅基片上集成量子點激光器與探測器互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 硅基光互連測試結(jié)果。激光器的輸出曲線及探測器響應到的光電流曲線，激光器尺寸分別為(a) 3×1000 μm2和(b) 3×600 μm2。(c) 激光器注入電流為 80 mA時，探測器在不同負偏壓下的頻率響應。(d) 在不同的激光器注入電流和探測器偏壓條件下，硅基光互連系統(tǒng)的3-dB帶寬測試
