近日，超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王斌浩研究員和張文富研究員團(tuán)隊(duì)在硅基光互連芯片領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。
2026年5月25日，華為發(fā)布后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“韜（τ）定律”，提出以“時(shí)間（τ）微縮”代替“幾何微縮”指導(dǎo)半導(dǎo)體與電子系統(tǒng)演進(jìn)的新原則。
光互連技術(shù)是系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲（τ）壓縮，支撐韜（τ）定律的關(guān)鍵?？梢酝黄浦撬?/span>系統(tǒng)“功耗墻”與“通信墻”的限制，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模算力集群的高效協(xié)同，支撐下一代AI算力基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建。
面向共封裝光學(xué)(Co-Packaged Optics ,CPO)與下一代AI算力基礎(chǔ)設(shè)施的光互連需求，中國科學(xué)院西安光機(jī)所團(tuán)隊(duì)圍繞硅光芯片及適配的CMOS電芯片實(shí)現(xiàn)了從核心器件到光電集成的系統(tǒng)性進(jìn)展：
在硅光器件方面，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出增益帶寬積達(dá)7564 GHz的硅鍺雪崩光電探測(cè)器（Si-Ge APD），1 dB帶寬超100 GHz的微環(huán)調(diào)制器（MRM），以及1 dB帶寬超67 GHz的硅基馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM），為高帶寬、低功耗光引擎奠定了器件基礎(chǔ)；
在陣列硅基光發(fā)射芯片方面，團(tuán)隊(duì)完成多通道硅光發(fā)射機(jī)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了兼容16通道的大自由光譜范圍(FSR) 微盤調(diào)制器陣列(MDM)，通過量子點(diǎn)鎖模激光器與MRM陣列協(xié)同集成，分別實(shí)現(xiàn)8通道200 GHz間隔與16通道100 GHz間隔兩種2 Tbps光發(fā)射機(jī)；
在配套電路方面，開發(fā)了28nm CMOS高速電芯片，驅(qū)動(dòng)和跨阻放大電路帶寬均超60 GHz，支持200 Gbps PAM4發(fā)射與280 Gbps PAM4接收信號(hào)，能效達(dá)到0.67 pJ/bit，帶寬密度達(dá)4.9 Tbps/mm2，通過光電融合與3D集成實(shí)現(xiàn)了完整的收發(fā)鏈路協(xié)同。
這些成果構(gòu)建了以微環(huán)光引擎為核心的高帶寬、低功耗、高密度光互連方案，可直接適配CPO架構(gòu)，單引擎數(shù)據(jù)吞吐量＞2 Tbps，具備低延遲特性與緊湊封裝形態(tài)的特點(diǎn)，為下一代AI算力基礎(chǔ)設(shè)施提供從器件到系統(tǒng)的完整互連技術(shù)支撐。
圖1?西安光機(jī)所2026年硅光互連芯片研究進(jìn)展示意圖
A 高性能硅光器件
A1 增益帶寬積7564 GHz硅鍺雪崩光電探測(cè)器
團(tuán)隊(duì)薛錦濤博士、程超博士研究生（共同第一作者）等研制出一款橫向分離吸收電荷倍增（Separate Absorption Charge Multiplication，SACM）結(jié)構(gòu)Si-Ge APD，實(shí)現(xiàn)了7564 GHz 增益帶寬積(Gain Bandwidth Product, GBP)，可有效提高高速通信系統(tǒng)的接收靈敏度。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，該GBP為目前國際最高水平。
采用橫向SACM結(jié)構(gòu)將鍺吸收區(qū)與摻雜區(qū)空間分離，通過精準(zhǔn)調(diào)控電場(chǎng)分布，最大化硅區(qū)倍增效應(yīng)的同時(shí)抑制鍺區(qū)電離，有效提高了器件增益并降低暗電流。器件前端引入錐形波導(dǎo)減小耦合損耗，后端集成分布式布拉格反射器實(shí)現(xiàn)二次吸收，有效提高器件響應(yīng)度。
測(cè)試結(jié)果表明，在低輸入光功率下成功實(shí)現(xiàn)64至200 Gbps高速信號(hào)接收，100 Gbps NRZ和200 Gbps PAM4靈敏度分別為-17.1 dBm和-9.6 dBm，均滿足HD-FEC閾值。
圖2?器件結(jié)構(gòu)示意圖及高速眼圖
相關(guān)成果以"High-speed Si-Ge avalanche photodiode with a gain-bandwidth product of 7564 GHz"為題發(fā)表。
A2 1dB帶寬大于110GHz的硅基微環(huán)調(diào)制器
團(tuán)隊(duì)博士研究生鮑慎雷、楊懿豪（共同第一作者）等研制出一款集成T型電感峰化網(wǎng)絡(luò)的高帶寬硅基MRM，單通道傳輸速率突破400 Gbps。
依托等效電路模型協(xié)同設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將由兩個(gè)互感耦合線圈組成的T-Coil網(wǎng)絡(luò)嵌入到調(diào)制器的寄生參數(shù)網(wǎng)絡(luò)中，基于標(biāo)準(zhǔn)硅光工藝研制出的MRM調(diào)制器1 dB電光帶寬突破110 GHz，展現(xiàn)了目前硅基微環(huán)調(diào)制器極高的帶寬水平。
圖3 高帶寬微環(huán)調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖及高速眼圖
相關(guān)成果以"Ultra-High Bandwidth Silicon Microring Modulator with T-Coil Inductive Peaking for >400 Gbps Transmission"為題發(fā)表于OFC M2A.2 (2026)。
A3 超緊湊蛇形分段馬赫-曾德爾調(diào)制器
博士研究生劉倩等針對(duì)MZM器件尺寸受限的問題，提出一種基于蛇形分段電極結(jié)構(gòu)的硅基MZM，將三個(gè)調(diào)制段以蛇形方式排布，配合Ground-signal單臂推挽式行波電極，在約1mm2的緊湊面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效電光轉(zhuǎn)換。
測(cè)試結(jié)果表明，在0 V偏壓下，1 dB帶寬超過67 GHz，調(diào)制效率達(dá)到1.14 V·cm。利用該調(diào)制器，實(shí)驗(yàn)演示了從64 Gbaud到192 Gbaud的OOK信號(hào)傳輸。
圖4 蛇形分段電極MZM結(jié)構(gòu)圖及高速眼圖
相關(guān)成果以"High-Bandwidth Serpentine Segmented Silicon Photonic Mach-Zehnder Modulator for 192 Gbaud Transmission "為題發(fā)表于OFC W2A.14 (2026)。
A4 1dB帶寬大于67GHz馬赫-曾德爾調(diào)制器
博士研究生劉倩、博士薛錦濤（共同第一作者）等針對(duì)MZM調(diào)制帶寬受限的問題，通過在傳統(tǒng)行波電極中引入周期性金屬"梯形凸片"，構(gòu)建阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，顯著改善了微波與光波的速率匹配，并增強(qiáng)了電場(chǎng)與光場(chǎng)的空間重疊。
圖5 梯形電極MZM結(jié)構(gòu)圖及高速眼圖
該調(diào)制器帶寬相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升69%；半波電壓為4.5 V，調(diào)制效率達(dá)到0.9 V·cm，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升24%。實(shí)驗(yàn)演示了280 Gbps PAM6和256 Gbps PAM4高速信號(hào)傳輸，展示了其在光模塊和近封裝光學(xué)（NPO)等光互連場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。
相關(guān)成果以"A 280 Gbps PAM6 Silicon Photonic Tabbed-Electrode Mach-Zehnder Modulator with Co-Optimized Modulation Efficiency and Electro-Optic Bandwidth "為題發(fā)表于OFC Th2A.11 (2026)。
B 大容量陣列硅基光發(fā)射芯片
B1 16通道的大FSR的微盤調(diào)制陣列芯片
博士研究生鮑慎雷等針對(duì)多通道波分復(fù)用系統(tǒng)中大自由光譜范圍(FSR)受限的問題，研制了一款基于擴(kuò)展耗盡型硅基MDM陣列的4 Tbps 16通道DWDM光發(fā)射機(jī)芯片。
團(tuán)隊(duì)將MDM的半徑縮減至約4.1 μm，成功在O波段實(shí)現(xiàn)了19.6 nm的超大FSR。該16通道陣成功支持16×256 Gbps的PAM4高速信號(hào)傳輸。
圖6 微盤調(diào)制器架構(gòu)圖
相關(guān)成果以" A 4 Tbps 16-Channel DWDM Transmitter Using Extended-Depletion Silicon Photonic Microdisk Modulator Array "為題發(fā)表于OFC W2A.12 (2026)。
B2 2Tbps（8×256Gbps）量子點(diǎn)激光器與高速率微環(huán)調(diào)制器協(xié)同集成光發(fā)射芯片
博士研究生卜祥林等聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所陳思銘團(tuán)隊(duì)、湖南匯思光電科技公司，研制出基于200 GHz間距量子點(diǎn)鎖模激光器與級(jí)聯(lián)硅基微環(huán)陣列的高度集成DWDM發(fā)射機(jī)。
團(tuán)隊(duì)采用200 GHz間隔量子點(diǎn)鎖模激光器提供高質(zhì)量多波長光源，驅(qū)動(dòng)了8通道硅基微環(huán)調(diào)制器陣列，實(shí)現(xiàn)了單通道256 Gbps的PAM4高速傳輸，達(dá)到超過2 Tbps的單纖速率。
圖7?由量子點(diǎn)鎖模激光器驅(qū)動(dòng)的8通道發(fā)射機(jī)架構(gòu)及高速眼圖
相關(guān)成果以"An 8×256 Gbps DWDM Silicon Photonic Microring Transmitter Using a 200 GHz Spaced Quantum-Dot Comb Laser "為題發(fā)表于OFC M1B.2 (2026)。
B3 2Tbps（16×128Gbps）量子點(diǎn)激光器與高密度微環(huán)調(diào)制器協(xié)同集成光發(fā)射芯片
博士研究生卜祥林等聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所陳思銘團(tuán)隊(duì)、湖南匯思光電科技公司，驗(yàn)證了一種由量子點(diǎn)鎖模激光器驅(qū)動(dòng)的單總線16通道、100 GHz間隔硅光微環(huán)發(fā)射機(jī)。
圖8 由量子點(diǎn)鎖模激光器驅(qū)動(dòng)的16通道發(fā)射機(jī)架構(gòu)及高速眼圖
此外，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于MRM自身PN結(jié)光電流的波長鎖定方案，該方法利用調(diào)制器本身進(jìn)行波長監(jiān)測(cè)，無需額外集成監(jiān)控光電探測(cè)器，在實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道與梳線精確對(duì)準(zhǔn)的同時(shí)，顯著降低了片上光損耗。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單通道128 Gbps PAM4和單纖2 Tbps的總傳輸速率，所有通道均保持清晰眼圖，且通道串?dāng)_低于?20 dB。
相關(guān)成果以"A 16×128 Gbps DWDM Wavelength-Locked Silicon Photonic Microring Transmitter Enabled by a Quantum-Dot Comb Laser "為題發(fā)表于OFC M2A.4 (2026)。
C 200Gbps 28nm CMOS高速電芯片
面對(duì)CPO和光I/O對(duì)電芯片能效與帶寬密度的高要求，博士研究生楊懿豪等研制出一款適配硅光3D集成的28nm CMOS驅(qū)動(dòng)、放大電芯片。
團(tuán)隊(duì)通過協(xié)同均衡過峰化與復(fù)零點(diǎn)CTLE，發(fā)射和接收部分均實(shí)現(xiàn)了>60GHz帶寬，群延時(shí)波動(dòng)小于2.3ps。發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路采用非對(duì)稱偏置驅(qū)動(dòng)級(jí)，有效補(bǔ)償微環(huán)調(diào)制器非線性，支持200Gbps PAM4光發(fā)射；接收跨阻放大電路在單端拓?fù)湎逻_(dá)到65GHz帶寬，電學(xué)測(cè)試成功接收280Gbps PAM4信號(hào)。該芯片整體能效為0.67pJ/bit，帶寬密度達(dá)4.9Tbps/mm2。
圖9 28nm CMOS收發(fā)機(jī)電芯片架構(gòu)
相關(guān)成果以"A 200 Gbps 0.67pJ/bit Transceiver Front-end for silicon-photonics with group delay and nonlinear adjustment in 28nm CMOS "為題發(fā)表于RFIC Tu2J (2026)。
