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
: k1 F* Z: y6 `" E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]。
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圖1：硅有機混合(SOH)技術的概念圖，展示了SOH馬赫-曾德爾調制器(MZM)的基本結構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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& E# o- N  z" {0 U5 \3 e傳統(tǒng)硅基光電子技術已經成為光電子器件批量生產的基礎。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。

9 M, u" s  K. A$ \7 oSOH技術的核心創(chuàng)新在于將硅基光電子結構與有機電光(OEO)材料相結合。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動的分子設計實現(xiàn)了390 pm/V的器件內珀克爾斯系數(shù)。

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)
SOH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變溫度材料或基質交聯(lián)已經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)。
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8 S0 B5 r: m. w4 P  A  P2 }圖3：SilOriX SOH MZM的長期光穩(wěn)定性測試結果，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。

  A/ d3 [  Z  d( t5 e4 f! s$ bSOH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，有效解決了穩(wěn)定性問題。

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調制器的高速能力。

工業(yè)實施和未來應用
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。
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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。
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SOH技術在強度調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果，包括在單個SOH-MZM中使用四態(tài)脈沖幅度調制實現(xiàn)384G傳輸，驅動電壓低于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收發(fā)器的架構。
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$ P# X: m6 `3 [6 I該技術的應用范圍超出傳統(tǒng)通信。SOH器件已經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
2 B0 n) x' Y& D4 x[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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