基于硅基混合集成技术的新一代数据中心高速光模块光子芯片
发布时间：2024-02-22 14:07:03 热度：1413
2/22/2024，光纤在线讯，随着全球AIGC产业的蓬勃发展，国内外IT大厂数据中心的建设如火如荼，通信领域5G、6G网络的布局深度也在迅速增加。这一时代背景下，新一代数据中心光模块的市场需求以及更新迭代速度将大幅提升，这对光模块内部的核心器件——高速光子集成芯片提出了更高的要求，光子集成芯片将在带宽、成本、速率、功耗等方面面临变革与挑战。
传统硅光与EML方案
硅基光电子技术是数据中心及通信领域大量应用的技术平台。传统的纯硅光方案（硅光V1.0）基于其成熟的流片工艺，易于量产且集成度方面有一定的优势。但由于硅材料本身没有电光响应，硅基调制原理是基于等离子色散效应，调制带宽受限（2-3V驱动电压下的上限30GHz对应PAM4单波100Gbps），因此基于硅和硅基衬底，多材料体系的各类混合集成（硅光V2.0）平台已成为热点技术。
近期国内主流学术期刊指出，目前可用作光子集成平台的材料很多，诸如硅（Si）、薄膜铌酸锂（TFLN）、氮化硅（Si3N4）、磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）等是当下集成光子学研究的热门材料，在这些材料平台上人们取得了巨大的突破和进展。需要指出的是，目前还没有一种完美平台材料可以实现高效的片上光产生、传输、操控和探测等各项需求，这也是科研界的普遍共识之一。因此，混合集成和异质集成被认为是当下解决全光集成器件或芯片的必由之路。
薄膜铌酸锂作为新的集成光电子材料，近年来受到了广泛的关注，其本身具有的高电光系数、大带宽、高功率、高稳定性、低驱压、低损耗等优异特性，可实现超快电光响应和高集成度光波导。随着刻蚀工艺的突破，基于CMOS工艺所制备的薄膜铌酸锂调制器可以很好的发挥其高速调制的特性，能够满足PAM4单波200Gbps甚至单波400Gbps的速率要求。
由于技术成熟度相对较高和供应链更加成熟，基于III-V 族半导体的EML方案仍是目前400G光模块的主流解决方案。但在数据中心800G甚至更高速率的需求下，传统EML方案虽然在调制速率上可以满足单波200Gbps速率的要求，但其成本较高且工艺复杂，产品良率并不乐观，这都限制了EML方案在数据中心高速光模块上的应用。同时单波100Gbps的EML供应商全部是海外厂商（美国和日本为主）。而相比于传统硅光平台（硅光V1.0），薄膜铌酸锂晶圆级刻蚀工艺目前尚不成熟，器件尺寸也不具备优势。面对当前的市场需求及技术瓶颈，易缆微基于硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台开发了高速混合集成光子芯片。该技术平台作为硅光V2.0平台，以成熟的硅光工艺制备硅基无源光器件，通过混合集成技术键合薄膜铌酸锂，并以薄膜铌酸锂高速调制的特性解决纯硅光平台调制速率的问题，相比于纯硅光（硅光V1.0）或纯薄膜铌酸锂晶圆平台，易缆微混合集成技术（硅光V2.0）平台充分发挥了硅光无源及铌酸锂有源调制方面的优势，将硅与铌酸锂这两种材料完美结合。
易缆微硅基混合集成技术平台
易缆微基于自主知识产权的硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台，成功设计并制备了数据中心高速光模块光引擎芯片。在芯片调制区域，输入光源从硅基波导层耦合至薄膜铌酸锂波导层，经薄膜铌酸锂MZ调制器实现光调制后，再次耦合回硅基波导层至光输出。
易缆微硅基混合集成技术平台
在这一技术方案中，硅基波导与铌酸锂波导的高效耦合保证了芯片的低插损。经设计优化后，硅基/铌酸锂波导垂直耦合单次插损实测低于0.2dB。薄膜铌酸锂MZ调制器用于实现高速光信号调制，经光学及行波电极设计，调制器可以实现大于67GHz的电光调制带宽，可支持单波200Gbps高速信号调制。
硅基/铌酸锂混合集成电光响应测试
LN/SiN异质集成MZM芯片结构示意图
研发设计
除了实现芯片高带宽的性能需求，易缆微在芯片的低驱压及小尺寸等方面研究工作也取得了很大的进展。常规薄膜铌酸锂调制器的尺寸较长，其半波电压长度乘积（Vπ·L）通常在2~3 V·cm左右，对应于2.4V的半波电压，调制器的长度通常在10mm左右，这会导致芯片尺寸过大（长边超过10mm）。易缆微设计的通过弯曲折叠调制器的方式，可有效缩短调制器的尺寸长度，能够将调制器的长度缩短至4mm以下，完全可以达到传统硅光调制器芯片的长度尺寸，可匹配现有的光模块规格完成封装。
电光调制器的调制效率通常用Vπ·L来评估，此数值越低表明调制效率越高。对应特定值的Vπ·L，调制区的长度和半波电压理论上会相互制约，即低驱压和小尺寸难以同时实现。为了同时使薄膜铌酸锂电光调制器达成低驱压和小尺寸，易缆微通过在电极和铌酸锂平板层间增加缓冲层以降低金属电极的吸收损耗，并通过光学参数优化降低Vπ·L的值。经过这一设计优化，硅基/薄膜铌酸锂混合集成电光调制器的Vπ·L可由2 V·cm以上降低至1.2 V·cm,极大缓解了低驱压和小尺寸之间的限制。
易缆微在硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台上拥有完全自主的知识产权及技术优势，可根据客户需求设计并制备客订化的混合集成光子芯片。面对光通信行业的市场需求，易缆微将会持续发布多类规格速率的混合集成光子芯片产品，包括400G/800G/1.6T DR-4(8)光子芯片，400G/800G/1.6T FR-4(8)光子芯片等产品。同时，为应对未来光通信市场更高的带宽速率需求，易缆微将持续投入研发更高速率的光子芯片产品，在最新设计的硅基混合集成光芯片中，其电光调制带宽已仿真结果超过130GHz，这一方案可以支持未来单波400Gbps光模块3.2T的产品需求。
易缆微单波400G光芯片电光响应
适配LPO光模块的硅基混合集成光芯片
随着AI算力对400G/800G光模块需求的增加，成本优势突出且可满足AI算力短距离、大宽带、低延时的LPO（Linear-drive Pluggable Optics）光模块方案逐渐成为市场热门选择。LPO技术采用了线性直驱的方式，对于目前市场所需的单波200Gbps LPO光模块，其模块链路中对所有元件的线性度要求高，尤其是电光调制器。在已报道的工作中，通常使用交调信号的SFDR来评估调制器的线性度。传统的纯硅调制器SFDR为97dB·Hz2/3，而薄膜铌酸锂调制器可达到120dB·Hz2/3。EML方案的线性度相比于纯硅和薄膜铌酸锂调制器方案则更低。基于薄膜铌酸锂调制器高线性度和高带宽的特性，易缆微设计和制备了用于单波200Gbps的LPO光模块的硅基混合集成光芯片，目前这一产品正在与部分客户开展项目合作测试。
传统硅光与EML方案
硅基光电子技术是数据中心及通信领域大量应用的技术平台。传统的纯硅光方案（硅光V1.0）基于其成熟的流片工艺，易于量产且集成度方面有一定的优势。但由于硅材料本身没有电光响应，硅基调制原理是基于等离子色散效应，调制带宽受限（2-3V驱动电压下的上限30GHz对应PAM4单波100Gbps），因此基于硅和硅基衬底，多材料体系的各类混合集成（硅光V2.0）平台已成为热点技术。
近期国内主流学术期刊指出，目前可用作光子集成平台的材料很多，诸如硅（Si）、薄膜铌酸锂（TFLN）、氮化硅（Si3N4）、磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）等是当下集成光子学研究的热门材料，在这些材料平台上人们取得了巨大的突破和进展。需要指出的是，目前还没有一种完美平台材料可以实现高效的片上光产生、传输、操控和探测等各项需求，这也是科研界的普遍共识之一。因此，混合集成和异质集成被认为是当下解决全光集成器件或芯片的必由之路。
薄膜铌酸锂作为新的集成光电子材料，近年来受到了广泛的关注，其本身具有的高电光系数、大带宽、高功率、高稳定性、低驱压、低损耗等优异特性，可实现超快电光响应和高集成度光波导。随着刻蚀工艺的突破，基于CMOS工艺所制备的薄膜铌酸锂调制器可以很好的发挥其高速调制的特性，能够满足PAM4单波200Gbps甚至单波400Gbps的速率要求。
由于技术成熟度相对较高和供应链更加成熟，基于III-V 族半导体的EML方案仍是目前400G光模块的主流解决方案。但在数据中心800G甚至更高速率的需求下，传统EML方案虽然在调制速率上可以满足单波200Gbps速率的要求，但其成本较高且工艺复杂，产品良率并不乐观，这都限制了EML方案在数据中心高速光模块上的应用。同时单波100Gbps的EML供应商全部是海外厂商（美国和日本为主）。而相比于传统硅光平台（硅光V1.0），薄膜铌酸锂晶圆级刻蚀工艺目前尚不成熟，器件尺寸也不具备优势。面对当前的市场需求及技术瓶颈，易缆微基于硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台开发了高速混合集成光子芯片。该技术平台作为硅光V2.0平台，以成熟的硅光工艺制备硅基无源光器件，通过混合集成技术键合薄膜铌酸锂，并以薄膜铌酸锂高速调制的特性解决纯硅光平台调制速率的问题，相比于纯硅光（硅光V1.0）或纯薄膜铌酸锂晶圆平台，易缆微混合集成技术（硅光V2.0）平台充分发挥了硅光无源及铌酸锂有源调制方面的优势，将硅与铌酸锂这两种材料完美结合。
易缆微硅基混合集成技术平台
易缆微基于自主知识产权的硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台，成功设计并制备了数据中心高速光模块光引擎芯片。在芯片调制区域，输入光源从硅基波导层耦合至薄膜铌酸锂波导层，经薄膜铌酸锂MZ调制器实现光调制后，再次耦合回硅基波导层至光输出。
在这一技术方案中，硅基波导与铌酸锂波导的高效耦合保证了芯片的低插损。经设计优化后，硅基/铌酸锂波导垂直耦合单次插损实测低于0.2dB。薄膜铌酸锂MZ调制器用于实现高速光信号调制，经光学及行波电极设计，调制器可以实现大于67GHz的电光调制带宽，可支持单波200Gbps高速信号调制。
研发设计
除了实现芯片高带宽的性能需求，易缆微在芯片的低驱压及小尺寸等方面研究工作也取得了很大的进展。常规薄膜铌酸锂调制器的尺寸较长，其半波电压长度乘积（Vπ·L）通常在2~3 V·cm左右，对应于2.4V的半波电压，调制器的长度通常在10mm左右，这会导致芯片尺寸过大（长边超过10mm）。易缆微设计的通过弯曲折叠调制器的方式，可有效缩短调制器的尺寸长度，能够将调制器的长度缩短至4mm以下，完全可以达到传统硅光调制器芯片的长度尺寸，可匹配现有的光模块规格完成封装。
电光调制器的调制效率通常用Vπ·L来评估，此数值越低表明调制效率越高。对应特定值的Vπ·L，调制区的长度和半波电压理论上会相互制约，即低驱压和小尺寸难以同时实现。为了同时使薄膜铌酸锂电光调制器达成低驱压和小尺寸，易缆微通过在电极和铌酸锂平板层间增加缓冲层以降低金属电极的吸收损耗，并通过光学参数优化降低Vπ·L的值。经过这一设计优化，硅基/薄膜铌酸锂混合集成电光调制器的Vπ·L可由2 V·cm以上降低至1.2 V·cm,极大缓解了低驱压和小尺寸之间的限制。
易缆微在硅基混合集成技术（硅光V2.0）平台上拥有完全自主的知识产权及技术优势，可根据客户需求设计并制备客订化的混合集成光子芯片。面对光通信行业的市场需求，易缆微将会持续发布多类规格速率的混合集成光子芯片产品，包括400G/800G/1.6T DR-4(8)光子芯片，400G/800G/1.6T FR-4(8)光子芯片等产品。同时，为应对未来光通信市场更高的带宽速率需求，易缆微将持续投入研发更高速率的光子芯片产品，在最新设计的硅基混合集成光芯片中，其电光调制带宽已仿真结果超过130GHz，这一方案可以支持未来单波400Gbps光模块3.2T的产品需求。
适配LPO光模块的硅基混合集成光芯片
随着AI算力对400G/800G光模块需求的增加，成本优势突出且可满足AI算力短距离、大宽带、低延时的LPO（Linear-drive Pluggable Optics）光模块方案逐渐成为市场热门选择。LPO技术采用了线性直驱的方式，对于目前市场所需的单波200Gbps LPO光模块，其模块链路中对所有元件的线性度要求高，尤其是电光调制器。在已报道的工作中，通常使用交调信号的SFDR来评估调制器的线性度。传统的纯硅调制器SFDR为97dB·Hz2/3，而薄膜铌酸锂调制器可达到120dB·Hz2/3。EML方案的线性度相比于纯硅和薄膜铌酸锂调制器方案则更低。基于薄膜铌酸锂调制器高线性度和高带宽的特性，易缆微设计和制备了用于单波200Gbps的LPO光模块的硅基混合集成光芯片，目前这一产品正在与部分客户开展项目合作测试。
