简介
现代计算和通信系统对数据传输的需求不断增长，推动了大容量光互连的发展。硅基光电子技术在硅基板上集成光学组件，是实现高性能、低成本和可扩展光子集成电路（PIC）的解决方案。然而，在硅基板上集成高效、紧凑的激光源一直是关键挑战之一。
IEEE 国际固态电路会议 (ISSCC2024) 的 “Innovations from Outside the (ISSCC’s) Box” 环节探讨突破传统电路设计界限的非常规和前沿想法，今年特别邀请 John E. Bowers 教授讲解量子点锁模激光器和光频梳技术的最新进展为利用硅基光电子技术实现大容量光互连开辟了新途径 [1]。让我们来详细了解演讲内容。
经济驱动因素和应用
数据中心、高性能计算、人工智能 (AI) 训练以及增强/虚拟现实 (AR/VR)、生物传感器和光学计算等新兴技术等各种应用推动了对大容量互连的需求（图 1）。例如，人工智能培训对功耗的要求越来越难以为继，因此需要更高效的光互连（图 2）。
图 1. 量产硅基光电子技术的应用
图 2. 数据中心增长的驱动力： 人工智能训练的需求
带宽和能效要求
为满足日益增长的数据传输需求，互连器件必须实现高带宽密度和高能效。图 3 举例说明了各种互连技术的带宽密度和能效的互连性能指标。由美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助的 PIPES（Photonics in the Package for Extreme Scalability）计划的目标是实现 1 Pbps（每秒千万比特）的速度，能效达到 100 fJ/bit，超越当前最先进的技术（图 4）。
图 3. 互联的性能指针在封装内外的区间比较
图 4. PIPES（用于极端可扩展性封装的光电子技术）计划
硅上的激光光源集成
硅基光电子技术的关键挑战之一是在硅衬底上集成高效激光源。目前已探索出几种方法，包括片外激光集成、混合集成、异质集成和单片集成（图 5）。异质集成将 III-V 族化合物半导体增益材料粘合到硅波导上，是很有前途的技术（图 6）。可在单个硅芯片上集成激光器、调制器、探测器和无源组件，从而实现高性能专用集成电路。
图 5. 集成激光器的几种方法
图 6. 异质集成
量子点锁模激光器和光频梳
量子点锁模激光器由于能够产生稳定的宽带光频梳而备受关注。这些激光器利用了量子点的独特特性，如高差分增益、低线宽增强因子和对光反馈的低灵敏度（图 7）。光频梳由等距锁相光频率组成，已在包括大容量光通信在内的多个领域得到应用。
图 7. 量子点激光器
大容量互连演示
硅基光电子技术与量子点锁相光频梳的结合实现了大容量光互连的演示，显着的成果包括：
- 1 Tbps 强度调制链路，能效为 0.5 pJ/比特（图 8）。
- 使用宽带量子点锁相梳的 2 Tbps 强度调制链路（图 9）。
- 12 Tbps 相干传输链路，使用两个量子点锁模激光器，一个用于发射器，一个用于接收器（图 10）。
- 58 Tbps 相干传输链路，使用基于自注入锁定和孤子微谐振子频梳的高功率相干频梳源（图 11）。
使用光频梳作为光载波具有多种优势，包括高光谱效率、可扩展性和降低数字信号处理（DSP）要求。此外，通过自注入锁定等技术实现的梳状线窄线宽，可显著降低相干系统中的 DSP 功耗。
图 8. 1 Tbps 调制链路
图 9. 2 Tbps 调制链路
图 10. 12 Tbps 调制链路
图 11. 58 Tbps 调制链路
集成平台和晶圆制造工艺
一些研究小组和公司正在开发异构集成平台和代工工艺，以实现量子点激光器和硅基光电子技术在量产晶圆上的共同集成。例如，由 DARPA 资助的 LUMOS 计划旨在直接在 300 毫米硅基光电子芯片上实现量子点激光器和放大器的外延生长（图 12）。Nexus Photonics 公司已经展示了在氮化硅平台上实现砷化镓激光器和 PIC 异质集成的代工工艺，从而实现高温激光、窄线宽和宽可调谐性（图 13-15）。
图 12. QD 激光器和硅基光電子技術的外延生长
图 13. Nexus 光子异质氮化硅平台
图 14. 用于异质集成的 Nexus 代工工艺
图 15. 异质砷化镓激光器和 PIC
结论
量子点锁模激光器和光频梳与硅基光电子技术的集成为大容量光互连开辟了新的可能性。研究人员利用硅基光电子技术的优势（如低损耗波导、高密度集成和高性价比制造），并将其与量子点激光器和频率梳的独特特性相结合，展示了容量超过 50 Tbps 的互连器件。这些进步为下一代数据中心、高性能计算系统和通信网络克服障碍，使其能够处理未来不断增长的数据需求。
参考文献
[1] Bowers, J. E., Netherton, A., Dumont, M., Nelson, Z., & Theogarajan, L. (2024). Short-Reach Silicon Photonic Interconnects with Quantum Dot Mode Locked Laser Comb Sources. Presented at the International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).
微信公众号 
bilibili 
微信视频号