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

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引言
- f2 n( c7 v/ Z& s+ Y& i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)領域，對計算基礎設施提出了極高要求。這些人工智能系統(tǒng)包含數(shù)十億甚至數(shù)百億個參數(shù)，需要大規(guī)模并行處理能力，而計算節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸限制已成為主要瓶頸。這個挑戰(zhàn)推動了光傳輸技術的創(chuàng)新，其中硅有機混合(SOH)集成技術展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[1]。

圖1：硅有機混合(SOH)技術的概念圖，展示了SOH馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)的基本結(jié)構(gòu)及與競爭技術的對比。該設計實現(xiàn)了高效無啁啾推挽運行，π電壓長度乘積極低。
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傳統(tǒng)硅基光電子技術已經(jīng)成為光電子器件批量生產(chǎn)的基礎。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)器標準時尤為明顯。

* v2 h# E! Y( [0 S9 g: nSOH技術的核心創(chuàng)新在于將硅基光電子結(jié)構(gòu)與有機電光(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致的珀克爾斯型光學非線性缺失。通過整合高效有機材料，研究人員通過理論驅(qū)動的分子設計實現(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SOH調(diào)制器和各種高端硅基光電子線路，用于光通信、信號處理和計量學應用。
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技術突破：克服穩(wěn)定性挑戰(zhàn)
" u* x4 S9 x% `; h  _! k3 YSOH技術商業(yè)化應用的一個主要障礙是有機材料的長期穩(wěn)定性。研究人員識別出兩個主要的退化機制：去極化和光化學退化。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，光化學穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。

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)定運行超過2500小時，標志著該技術實現(xiàn)工業(yè)化應用的重要里程碑。

3 R4 v0 n6 X/ ?% J4 M( `- ySOH器件中的光化學退化機制與早期OLED技術面臨的挑戰(zhàn)相似，涉及光激發(fā)的有機發(fā)色團與環(huán)境氧氣的相互作用。這種相似性促使開發(fā)出專門的處理技術和器件架構(gòu)，有效解決了穩(wěn)定性問題。
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/ _$ q# Z9 z8 e* G+ H% H# z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)實施和未來應用
8 x* z8 ~) B1 p9 t長期穩(wěn)定器件的成功演示為工業(yè)應用提供了基礎。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。

圖5：SilOriX的SOH工藝鏈完整示意圖，從初始光電子集成芯片設計到OEO材料合成、晶圓制造、處理、測試和最終系統(tǒng)集成。

. W& L6 B' E* G3 d" {6 m- m* i9 }3 QSOH技術在強度調(diào)制和直接檢測應用的高性能光收發(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SOH-MZM中使用四態(tài)脈沖幅度調(diào)制實現(xiàn)384G傳輸，驅(qū)動電壓低于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)。

該技術的應用范圍超出傳統(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行，使其適用于量子計算應用，在這些應用中，光鏈路必須將超導線路連接到室溫環(huán)境。此外，SOH技術實現(xiàn)的超高效相移器在可編程光子技術、超寬帶信號處理和光學計量應用中也顯示出優(yōu)勢。

參考文獻
5 o  {# ]: k4 u4 W8 x9 U. `1 y[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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