上海交大突破硅基瓶颈！近零功耗“现场可编程”光收发芯片问世

近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）周林杰教授团队陆梁军副教授和李雨副教授通过将低损耗相变材料Sb?Se?与硅基微环谐振器异质集成，首次实现了近零功耗“现场可编程”光收发芯片。对微环中的PN结施加电脉冲触发相变，实现了精度达10皮米、超一个自由光谱范围的非易失波长调谐，在满足微环阵列波长校准需求的同时有效消除了状态维持功耗。研究团队还提出了一种创新反馈机制来抑制温漂，成功演示了4通道可编程微环阵列的高速收发，传输速率达到400Gbps。相关研究成果以“Field Programmable Silicon Microring WDM Transceiver Leveraging Monolithically Integrated Phase-Change Materials”（基于相变材料异质集成的非易失现场可编程微环阵列光收发芯片）为题，发表在《PhotoniX》上。

随着人工智能（AI）应用对精度与性能的需求持续攀升，大语言模型的参数规模已突破万亿级别，其训练所需的集群规模亦同步扩大。在此背景下，传统XPU间有限的互连带宽正逐渐成为制约算力释放的关键瓶颈，提升互连带宽的需求愈发迫切。光互连技术凭借超大带宽、极低损耗及低串扰等固有优势，能够构建更高带宽密度与更低功耗的互连链路。其中，硅基光电子学因具备与CMOS工艺的兼容性及高集成度潜力，已成为光互连领域的核心研究方向。相较于传统的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型调制器，微环谐振器（MRR）具有尺寸紧凑、功耗低等特性，能够满足光I/O对高密度、低功耗互连的应用需求。然而，硅基MRR易受制造工艺偏差与环境温度波动的影响，其商业化落地仍面临显著挑战。

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△非易失现场可编程微环阵列光收发芯片架构与工作原理

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研究团队打破学科壁垒，将材料科学领域的低损耗相变材料Sb?Se?引入到硅基光电子学，应用于硅基高速光收发芯片中，既解决了光学器件系统应用的难题，又拓展了相变材料在光电子领域的应用。

研究通过采用硅光后道兼容工艺在硅基MRR的PN结上异质集成了低损耗相变材料Sb?Se?薄膜，以实现非易失“现场可编程”微环收发器。通过施加正向偏置电脉冲，能够促使Sb?Se?在晶态与非晶态间转换，从而实现覆盖整个自由光谱范围的谐振波长灵活调谐。实验测得，相变材料的集成对其调制和探测性能几乎没有影响，确保了该技术的可行性。随后，研究团队设计并制造了基于四个级联Sb?Se?-Si异质集成MRR的收发芯片，利用相变实现了谐振波长的均匀分布，并成功演示了单微环100Gbps、总速率400Gbps的开关键控（OOK）调制和探测。此外，团队还提出了一种创新反馈方案，利用其中一个MRR作为光功率监测器来反馈温度波动信息，通过整体控温来补偿环境温度波动对器件性能的影响。该方案有望实现对相邻多个MRR的工作状态的同时稳定，具有可拓展性，降低了温度反馈控制的硬件需求。

研究成功实现低损耗相变材料Sb?Se?与硅基微环谐振器的异质集成，实现了高效的波长调谐和高速数据传输，有效解决了硅基微环收发芯片在系统应用中面临的关键问题，为下一代高密度、低功耗光互连芯片的研发提供了可靠解决方案。展望未来，随着技术的进一步优化和完善，这项创新成果有望加速微环谐振器件从实验室走向产业化应用，推动数据中心光互连、高速通信网络等领域的变革。

来源：半导体芯科技

审核编辑 黄宇