硅有機(jī)混合集成技術(shù)推進(jìn)新一代人工智能系統(tǒng)的光收發(fā)器發(fā)展

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
人工智能的快速發(fā)展，特別是在生成式人工智能和大型語言模型(LLMs)領(lǐng)域，對(duì)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施提出了極高要求。這些人工智能系統(tǒng)包含數(shù)十億甚至數(shù)百億個(gè)參數(shù)，需要大規(guī)模并行處理能力，而計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸限制已成為主要瓶頸。這個(gè)挑戰(zhàn)推動(dòng)了光傳輸技術(shù)的創(chuàng)新，其中硅有機(jī)混合(SOH)集成技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[1]。
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8 K4 ^/ w# T0 z. F圖1：硅有機(jī)混合(SOH)技術(shù)的概念圖，展示了SOH馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)的基本結(jié)構(gòu)及與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的對(duì)比。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效無啁啾推挽運(yùn)行，π電壓長(zhǎng)度乘積極低。

; x* H" `; C, N# A+ R" F& ]傳統(tǒng)硅基光電子技術(shù)已經(jīng)成為光電子器件批量生產(chǎn)的基礎(chǔ)。但是，由于硅材料的固有特性限制，傳統(tǒng)硅基光電子收發(fā)器面臨基本限制。這些限制在面對(duì)1.6T-12.8T接口速率的新興收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)尤為明顯。

SOH技術(shù)的核心創(chuàng)新在于將硅基光電子結(jié)構(gòu)與有機(jī)電光(OEO)材料相結(jié)合。這種混合方法克服了硅的天然限制，特別是由于晶格中心對(duì)稱性導(dǎo)致的珀克爾斯型光學(xué)非線性缺失。通過整合高效有機(jī)材料，研究人員通過理論驅(qū)動(dòng)的分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了390 pm/V的器件內(nèi)珀克爾斯系數(shù)。
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圖2：SilOriX及其合作伙伴制造的8英寸SOH晶圓，集成了超過25,000個(gè)SOH調(diào)制器和各種高端硅基光電子線路，用于光通信、信號(hào)處理和計(jì)量學(xué)應(yīng)用。
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$ W& u, o4 ^. v7 [2 ?# J技術(shù)突破：克服穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
+ |1 U/ e% ]- Z4 F  G% q  E% a9 LSOH技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)主要障礙是有機(jī)材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。研究人員識(shí)別出兩個(gè)主要的退化機(jī)制：去極化和光化學(xué)退化。雖然通過高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度材料或基質(zhì)交聯(lián)已經(jīng)有效解決了去極化問題，但直到最近的突破，光化學(xué)穩(wěn)定性仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
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$ Z" D, ]% i$ ^; l& X圖3：SilOriX SOH MZM的長(zhǎng)期光穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，在10 mW片上功率下穩(wěn)定運(yùn)行超過2500小時(shí)，標(biāo)志著該技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的重要里程碑。
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SOH器件中的光化學(xué)退化機(jī)制與早期OLED技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)相似，涉及光激發(fā)的有機(jī)發(fā)色團(tuán)與環(huán)境氧氣的相互作用。這種相似性促使開發(fā)出專門的處理技術(shù)和器件架構(gòu)，有效解決了穩(wěn)定性問題。
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9 f, Q3 t  F6 g圖4：性能演示，顯示(a) C波段100 GBaud PAM-4眼圖和(b) O波段192 GBaud PAM-4眼圖，展示了SOH調(diào)制器的高速能力。
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工業(yè)實(shí)施和未來應(yīng)用
長(zhǎng)期穩(wěn)定器件的成功演示為工業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。制造工藝與現(xiàn)有硅基光電子制造方法保持兼容，通過高效的后處理步驟整合OEO材料。
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, W/ ^3 V$ F- @% Q! y' _; ?0 _圖5：SilOriX的SOH工藝鏈完整示意圖，從初始光電子集成芯片設(shè)計(jì)到OEO材料合成、晶圓制造、處理、測(cè)試和最終系統(tǒng)集成。

SOH技術(shù)在強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測(cè)應(yīng)用的高性能光收發(fā)器方面表現(xiàn)出特別的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)下一代人工智能集群極為重要。最近的演示取得了令人印象深刻的結(jié)果，包括在單個(gè)SOH-MZM中使用四態(tài)脈沖幅度調(diào)制實(shí)現(xiàn)384G傳輸，驅(qū)動(dòng)電壓低于1 Vpp。這一成就表明單波長(zhǎng)線速率400G或更高是可行的，可能簡(jiǎn)化未來高速以太網(wǎng)收發(fā)器的架構(gòu)。
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該技術(shù)的應(yīng)用范圍超出傳統(tǒng)通信。SOH器件已經(jīng)證明可以在僅幾開爾文的低溫下成功運(yùn)行，使其適用于量子計(jì)算應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，光鏈路必須將超導(dǎo)線路連接到室溫環(huán)境。此外，SOH技術(shù)實(shí)現(xiàn)的超高效相移器在可編程光子技術(shù)、超寬帶信號(hào)處理和光學(xué)計(jì)量應(yīng)用中也顯示出優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)
[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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