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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

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發(fā)表于 2024-12-10 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言" U, E! o1 R/ ~
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[1]。
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7 j) G( E3 y( p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)及與競爭技術(shù)的對比。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效無啁啾推挽運(yùn)行,π電壓長度乘積極低。
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7 P  ^* g0 `9 T! p  h% 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。
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  b- i. d* o# E# M" G1 iSOH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)。1 g2 f  b" C% Z; z: z# ~8 C
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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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* i; }- U, n( J  q8 T技術(shù)突破:克服穩(wěn)定性挑戰(zhàn)1 x2 d2 r/ k- I( X+ `; r
SOH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)。5 t5 y; h. F! e" z5 Y# C7 e

. i( Q' V3 o5 \  ]( e圖3:SilOriX SOH MZM的長期光穩(wěn)定性測試結(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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8 d1 _: F. y! b/ g/ Y* m6 D+ n; O6 ISOH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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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
& w: U; Z2 d/ ^) \) Y9 [長期穩(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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7 o$ ~: N! X& V5 a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、測試和最終系統(tǒng)集成。
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# [7 T1 C! N1 z+ e4 vSOH技術(shù)在強(qiáng)度調(diào)制和直接檢測應(yīng)用的高性能光收發(fā)器方面表現(xiàn)出特別的優(yōu)勢,這對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線速率400G或更高是可行的,可能簡化未來高速以太網(wǎng)收發(fā)器的架構(gòu)。# o4 I. D# z# b2 g) f9 c

/ u' t- y/ F2 P0 R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。* `- p2 y# o, ~5 @& `( ?* `# \- S! f
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參考文獻(xiàn)
+ y0 U& M& Z2 @. d' J/ G, j  `[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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, q! u+ s/ `, g& c/ ^$ n深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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