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引言

光通信的格局呈现出向更短距离和更高容量数据传输发展的趋势。传统上，光链路主要用于跨越数公里的长距离通信。然而，随着数据中心和计算系统对更高带宽的需求，光技术已被推向更短距离领域——从数米到数厘米的芯片间和片上连接。

图1：显示光通信向更短距离和更高容量发展的趋势，以及电气链路和光链路之间边界随时间变化的图表。

如图1所示，电气链路和光链路之间存在明显的趋势线。虽然电气互连过去在较短距离（厘米到米）领域占主导地位，但约100 Gb/s × m的容量-距离乘积限制正将光技术推向这些领域。趋势线展示了光技术如何从长距离应用（使用数字相干和WDM技术的核心/城域网络）逐渐向更短距离（数据中心和潜在的片上连接）发展。

这种转变需要开发大规模光电子集成芯片(PIC)，具有更多器件数量、更低功耗和更低成本。图2中的创新光无线网络(IOWN)路线图展示了这种演变，从用于长距离网络的电信中继器件到光子分解计算应用，跨越多代器件。

图2：光电子融合器件的演变，展示IOWN从第一代到第五代应用的路线图，从中继器件发展到无光纤光计算。

图3：硅基光电子技术的横截面图，展示SOI衬底结构与各种组件如金属层、硅波导、PN结调制器和锗光电二极管。

尽管具有优势，硅基光电子技术仍面临基本限制。图4展示了不同光子器件材料的比较矩阵，突出了它们在各种功能上的适用性。值得注意的是，基于硅的材料（Si、Ge、SiN、SiOx）在波导、滤波器和开关方面表现出色，但在光发射和放大（LD，SOA）能力方面存在不足。这一缺陷源于硅的间接带隙性质，使其在光生成方面效率低下。

图4：光子器件材料的比较矩阵，展示不同材料系统在激光器、调制器、光电探测器和波导等功能上的优缺点。

这就是III-V族半导体材料变得至关重要的地方。InP和GaAs等材料提供优秀的光发射和探测能力，补充了硅的弱点。图5强调了挑战：如何将这些III-V族材料集成到硅平台上，以创建完整的光子系统。

图5：材料比较矩阵，叠加文字强调将III-V族材料与硅集成以结合两种材料系统优势的挑战。

已经开发了几种将III-V族器件与硅基光电子平台集成的方法：

1. 混合集成：在混合集成中，分别制造的III-V族器件和硅基光电子芯片通过翻转芯片键合等技术组装在一起。图6展示了来自Luxtera（Cisco）和富士通的例子，其中离散激光器组件连接到硅基光电子线路上。虽然这种方法提供高功率输出和良好的可靠性，但随着III-V族器件数量的增加，其成本和复杂性也随之增加。

图6：来自Luxtera（Cisco）和富士通的混合集成方法，展示了分别制造的III-V族激光器和硅波导之间的耦合方案。

2. 直接/粘合剂键合：直接或粘合剂键合代表一种更具可扩展性的方法，如图7所示。这种由UCSB、英特尔等开创的技术，涉及将III-V族外延层键合到加工过的硅晶圆上。其优点包括无需在键合过程中进行精确对准（适合高产量CMOS生产）和仅需低温处理（低于350°C），这与后端CMOS制造兼容。

图7：直接/粘合剂键合方法，展示将III-V族层键合到硅基光电子衬底的横截面结构和工艺步骤。

当前异质集成光电子集成芯片的状态已在硅调制器的偏置光源等应用中取得成功。然而，如图8所示，下一步发展需要将这些技术引入更短距离，使用直接调制激光器(DML)和III-V族调制器进一步降低功耗和占用面积。

图8：异质集成光电子集成芯片状态图，展示向DML和III-V族调制器发展以降低功耗，强调硅和III-V族波导之间的光学模式场控制。

3. 膜式III-V族器件：一种提高性能的方法是用于III-V族器件的"膜式"结构。图9对比了两种不同方法：具有横向PIN结的薄III-V族层（由NTT和TIT开发）与具有垂直PIN结的厚III-V族层（由UCSB、英特尔等开发）。

图9：膜式激光器结构比较，展示具有横向PIN结的薄III-V族层与具有垂直PIN结的厚III-V族层之间的差异，突出光学限制因子的不同。

薄膜方法在光学限制因子(Γ)方面提供显著优势——约50%，相比较厚结构的3-9%。这种膜式方法使用埋入异质结构(BH)技术将光子和电子限制在有源区域，改善热导率并实现高效率直接调制激光器(DML)和调制器。

图10进一步说明了通过调整下方硅波导的宽度，如何精确控制III-V族核心中的光学限制因子。这种可调性使设计人员能够针对特定应用优化器件——调制器的高限制和高功率激光器的低限制。

图10：图表和图解，展示硅波导宽度与III-V族核心中光学限制因子之间的关系，展示了针对不同应用控制限制的能力。

图11：图解说明在硅上制造膜式III-V族光子器件的关键挑战，包括横向PN结、硅上BH和对准要求。

异质集成中的一个关键挑战与硅（2.62 ppm/K）和InP（4.56 ppm/K）之间的热膨胀系数不匹配有关，如图12所详述。这种不匹配在处理和操作过程中产生热应变，可能导致III-V族层退化。分析表明，硅上InP层的临界厚度约为430 nm，这解释了为什么薄膜方法（使用250-350 nm厚层）是有效的。

图12：解释模板上外延生长中热应力问题的图解，显示材料之间的热膨胀系数差异和由此产生的临界厚度限制。

如图13所示，在SiO2/Si衬底上制造分布反馈(DFB)激光器的过程涉及几个关键步骤，包括锌热扩散用于p型掺杂，硅离子植入用于n型区域，以及表面光栅形成。这创建了针对膜式器件优化的横向电流注入结构。

图13：在SiO2/Si衬底上制造DFB激光器的工艺流程，展示p和n型掺杂步骤的顺序、表面光栅形成和电极沉积。

图14：16通道直接调制膜式激光器阵列的图像和性能图，展示器件布局和各通道的输出功率测量。

如图15所示，该阵列展示了112 Gbps (56G-Baud) PAM4信号通过2公里光纤传输，具有良好的误码率。所有通道的性能都低于KP-4 FEC限制，表明运行稳健。

图15：16通道激光器阵列的性能数据，展示112 Gbps PAM4信号经过2公里传输后的误码率和眼图。

如图16所示，通过翻转芯片键合与CMOS驱动电子线路的进一步集成，创建了完整的发射机系统。这种方法将16通道DML阵列与CMOS驱动芯片和光纤阵列结合，形成高度集成的解决方案。

图16：通过翻转芯片键合实现DML阵列与CMOS驱动芯片之间的混合集成图像，展示带有光纤阵列耦合的完整组装体。

图17：微转印过程的示意图，展示将III-V族器件优惠券从InP晶圆转移到硅基光电子晶圆上特定位置的过程。

这种方法使在硅波导上创建先进的电吸收调制分布反馈(EA-DFB)激光器成为可能，如图18所示。这些器件具有专门结构，其中激光器和电吸收调制器(EAM)部分具有不同的带隙和为各自功能优化的结构。

图18：硅波导上EA-DFB激光器的横截面视图和光学特性，展示激光器和EAM部分的不同结构和带隙。

如图19所示，制造的器件展示了优异的性能，具有约-3 dBm的光纤耦合输出功率和在没有终端电阻的情况下约50 GHz的电光带宽。

图19：制造器件的激光光谱和电光响应测量，展示高边模抑制比和宽带宽操作。

如图20所示，这些器件在室温(25°C)和升高温度(50°C)下都展示了高达128 Gbps的数据速率，具有良好的眼图，确认了它们在实际应用中的稳健性。

图20：实验设置和在不同操作温度下高达128 Gbps数据速率的测量眼图，展示EA-DFB激光器的性能能力。

图21：突出强调膜式III-V族光子器件用于短距离光互连的关键优势的总结幻灯片。

III-V族膜式器件与硅基光电子技术的异质集成使创建具有卓越性能的完整光链路成为可能。已经展示了0.14-0.26 pJ/bit的能效，为未来超高效率的芯片间甚至可能的片上通信光互连奠定了基础。

随着数据中心和计算需求的不断增加，这些技术在克服电气互连限制的同时，为下一代系统提供所需的高带宽、低延迟和能源效率方面将发挥关键作用。

参考文献