半導(dǎo)體所在大規(guī)模單片集成高速光互連研究方面取得新進(jìn)展
近年來(lái)，人工智能、萬(wàn)物互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，帶動(dòng)全球數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并對(duì)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(shù)，是實(shí)現(xiàn)互連技術(shù)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(jì)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(fù)雜、成本高、難以大規(guī)模制備等問(wèn)題，單片集成還需突破高效發(fā)光、損耗抑制等瓶頸，導(dǎo)致現(xiàn)有公開報(bào)道中尚未見(jiàn)能夠有效解決上述問(wèn)題的技術(shù)方面。
近期，半導(dǎo)體所固態(tài)光電信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室楊曉光研究員團(tuán)隊(duì)在大規(guī)模單片集成高速光互連方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出在硅基外延量子點(diǎn)平臺(tái)上開展可自由定義的單元器件和功能模塊制備，并實(shí)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(diǎn)結(jié)構(gòu)的晶圓，同時(shí)制備用于信號(hào)發(fā)射與接收的直調(diào)激光器、波導(dǎo)型光電探測(cè)器及集成互聯(lián)結(jié)構(gòu)。高速帶寬信號(hào)測(cè)試表明激光器和探測(cè)器的最大3-dB帶寬分別為4.5 GHz和2.02 GHz。NRZ編碼信號(hào)測(cè)試表明，激光器的直調(diào)速率可達(dá)12.5 Gbit/s，探測(cè)器的數(shù)據(jù)接收能力為5 Gbit/s。在此基礎(chǔ)上，基于自由空間光耦合集成結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高速信號(hào)互連，速率可達(dá)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(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews），半導(dǎo)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(cè)試上提供了重要支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(diǎn)光互聯(lián)系統(tǒng)
圖2 硅基片上集成量子點(diǎn)激光器與探測(cè)器互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 硅基光互連測(cè)試結(jié)果。激光器的輸出曲線及探測(cè)器響應(yīng)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(shí)，探測(cè)器在不同負(fù)偏壓下的頻率響應(yīng)。(d) 在不同的激光器注入電流和探測(cè)器偏壓條件下，硅基光互連系統(tǒng)的3-dB帶寬測(cè)試
