近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）周林杰教授團隊陸梁軍副教授和李雨副教授通過將低損耗相變材料Sb?Se?與硅基微環(huán)諧振器異質(zhì)集成，首次實現(xiàn)了近零功耗“現(xiàn)場可編程”光收發(fā)芯片。對微環(huán)中的PN結(jié)施加電脈沖觸發(fā)相變，實現(xiàn)了精度達10皮米、超一個自由光譜范圍的非易失波長調(diào)諧，在滿足微環(huán)陣列波長校準需求的同時有效消除了狀態(tài)維持功耗。研究團隊還提出了一種創(chuàng)新反饋機制來抑制溫漂，成功演示了4通道可編程微環(huán)陣列的高速收發(fā)，傳輸速率達到400Gbps。相關(guān)研究成果以“Field Programmable Silicon Microring WDM Transceiver Leveraging Monolithically Integrated Phase-Change Materials”（基于相變材料異質(zhì)集成的非易失現(xiàn)場可編程微環(huán)陣列光收發(fā)芯片）為題，發(fā)表在《PhotoniX》上。
研究背景
隨著人工智能（AI）應(yīng)用對精度與性能的需求持續(xù)攀升，大語言模型的參數(shù)規(guī)模已突破萬億級別，其訓(xùn)練所需的集群規(guī)模亦同步擴大。在此背景下，傳統(tǒng)XPU間有限的互連帶寬正逐漸成為制約算力釋放的關(guān)鍵瓶頸，提升互連帶寬的需求愈發(fā)迫切。 光互連技術(shù)憑借超大帶寬、極低損耗及低串擾等固有優(yōu)勢，能夠構(gòu)建更高帶寬密度與更低功耗的互連鏈路。其中，硅基光電子學(xué)因具備與CMOS工藝的兼容性及高集成度潛力，已成為光互連領(lǐng)域的核心研究方向。相較于傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型調(diào)制器，微環(huán)諧振器（MRR）具有尺寸緊湊、功耗低等特性，能夠滿足光I/O對高密度、低功耗互連的應(yīng)用需求。然而，硅基MRR易受制造工藝偏差與環(huán)境溫度波動的影響，其商業(yè)化落地仍面臨顯著挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新成果
研究團隊打破學(xué)科壁壘，將材料科學(xué)領(lǐng)域的低損耗相變材料Sb2Se3引入到硅基光電子學(xué)，應(yīng)用于硅基高速光收發(fā)芯片中，既解決了光學(xué)器件系統(tǒng)應(yīng)用的難題，又拓展了相變材料在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用。
非易失現(xiàn)場可編程微環(huán)陣列光收發(fā)芯片架構(gòu)與工作原理
研究通過采用硅光后道兼容工藝在硅基MRR的PN結(jié)上異質(zhì)集成了低損耗相變材料Sb2Se3薄膜，以實現(xiàn)非易失“現(xiàn)場可編程”微環(huán)收發(fā)器。通過施加正向偏置電脈沖，能夠促使Sb2Se3在晶態(tài)與非晶態(tài)間轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)覆蓋整個自由光譜范圍的諧振波長靈活調(diào)諧。實驗測得，相變材料的集成對其調(diào)制和探測性能幾乎沒有影響，確保了該技術(shù)的可行性。隨后，研究團隊設(shè)計并制造了基于四個級聯(lián)Sb2Se3-Si異質(zhì)集成MRR的收發(fā)芯片，利用相變實現(xiàn)了諧振波長的均勻分布，并成功演示了單微環(huán)100 Gbps、總速率400 Gbps的開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制和探測。此外，團隊還提出了一種創(chuàng)新反饋方案，利用其中一個MRR作為光功率監(jiān)測器來反饋溫度波動信息，通過整體控溫來補償環(huán)境溫度波動對器件性能的影響。該方案有望實現(xiàn)對相鄰多個MRR的工作狀態(tài)的同時穩(wěn)定，具有可拓展性，降低了溫度反饋控制的硬件需求。
研究成功實現(xiàn)低損耗相變材料Sb2Se3與硅基微環(huán)諧振器的異質(zhì)集成，實現(xiàn)了高效的波長調(diào)諧和高速數(shù)據(jù)傳輸，有效解決了硅基微環(huán)收發(fā)芯片在系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵問題，為下一代高密度、低功耗光互連芯片的研發(fā)提供了可靠解決方案。展望未來，隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化和完善，這項創(chuàng)新成果有望加速微環(huán)諧振器件從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動數(shù)據(jù)中心光互連、高速通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的變革。
論文信息
該項工作第一作者為上海交大集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）2019級博士研究生楊星、2020級博士生冉詩環(huán)，陸梁軍副教授、李雨副教授為論文的共同通訊作者，該工作得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1186/s43074-025-00174-7
