引言
人工智能模型規模的指數級增長在數據中心互連方面造成了瓶頸。隨著AI訓練和推理工作負載持續擴展，連接處理器、內存和加速器的scale-out和scale-up互連Fabric必須實現大幅演進。下一代可插拔光學器件和光電共封裝(CPO)正準備采用每通道400 Gbps的信號速率，這要求調制器和光電探測器技術實現根本性進步。本文探討緊湊型硅基光電子器件的最新發展，這些器件旨在滿足苛刻的性能要求，同時保持與先進半導體制造工藝的兼容性[1]。
緊湊型高速調制器的挑戰
基于薄膜鈮酸鋰、鉭酸鋰和硅-有機混合結構的傳統Pockels效應調制器已展示出優異的性能指標，帶寬超過100 GHz，調制效率低于5V，光學損耗小于1 dB。然而，這些技術在CPO和光學I/O應用中面臨顯著的集成挑戰。器件占用面積大，通常超過5 mm，加上鋰材料潛在的污染問題，使其難以在前段工藝制造設施中與基于銅的先進混合鍵合集成。此外，硅-有機混合器件在加工過程中對熱預算施加了嚴格限制。這些約束促使業界將重點轉向更緊湊的器件架構，芯片面積占用小于1 mm，同時保持前段工藝兼容性。
圖1：鍺硅Franz-Keldysh電吸收調制器的橫截面示意圖，顯示了二氧化硅基底上圍繞有源鍺硅層的N型和P型摻雜區域的器件結構。
圖2：鍺硅FK EAM的電場仿真展示了施加偏壓下的場分布，強度范圍從1.000e+04到1.500e+05 V/cm橫跨整個器件結構。
鍺硅電吸收調制器
鍺硅Franz-Keldysh電吸收調制器代表了一項成熟的技術，利用與集成鍺光電探測器相同的外延生長工藝。在過去十五年中，多個研究團隊已展示鍺硅FK EAM具有超過50 GHz的調制帶寬、約4到5 dB的消光比以及4到8 dB之間的插入損耗。發射器功率代價定義為邏輯1和邏輯0的光功率差除以兩倍輸入功率，通常在9到12 dB范圍內。這些器件提供跨越30到40 nm的1 dB光學工作窗口，在溫度變化達50 K時仍能保持穩定性。主要限制在于波長覆蓋范圍，仍局限于光譜的C波段或L波段部分。
最近的進展通過仔細優化阻容寄生參數，將鍺EAM的調制帶寬推至關鍵的100 GHz閾值之上。最新的C波段鍺硅FK EAM實現了超過100 GHz的帶寬，同時保持同類最佳的消光比和插入損耗，在2 Vpp驅動擺幅下均為4 dB。這代表了緊湊型調制器性能的一個重要里程碑。
圖3：鍺硅FK EAM的S21電光頻率響應顯示帶寬超過100 GHz，歸一化響應在不同偏置電壓下從0到110 GHz繪制。
圖4：靜態電光響應特性展示了在1520到1580 nm波長范圍內約4 dB的消光比、4 dB的插入損耗和約9 dB的發射器功率代價。
為驗證每通道400 Gbps傳輸的潛力，EAM被集成到PAM-4強度調制直接檢測鏈路中。器件通過帶有偏置T的110 GHz射頻探針進行電接觸，由高速任意波形發生器直接驅動。測試信號由PRBS15位序列組成，映射到四電平符號，并使用滾降因子為0.05的根升余弦濾波器進行脈沖整形。在上采樣以匹配AWG采樣率后，信號通過23抽頭有限沖激響應濾波器進行預加重。在1560 nm波長下以7 mW光輸入功率和-1.1V反向偏壓工作時，調制信號在由100 GHz光電探測器檢測并在110 GHz采樣示波器上捕獲之前，由摻鉺光纖放大器進行放大。離線數字信號處理包括定時恢復、重采樣至每符號兩個樣本、匹配根升余弦濾波，以及使用半符號間隔的50抽頭FIR濾波器進行均衡。
圖5：425 Gbps PAM-4傳輸的眼圖顯示清晰的信號分離，眼圖密度隨時間繪制，展示四個不同的幅度電平，上眼和下眼的信噪比分別為15.4 dB和13.9 dB。
圖6：PAM-4傳輸的誤碼率性能與波特率的關系顯示，在400和425 Gbps時工作在6.25%開銷硬判決FEC閾值以下，在448 Gbps時性能在25%開銷軟判決FEC限制范圍內。
實驗結果顯示，在400和425 Gbps數據速率下，誤碼率低于6.25%開銷硬判決前向糾錯閾值，實現無錯誤操作。在更激進的448 Gbps速率下，誤碼率保持在25%開銷軟判決FEC限制內。這些測量驗證了鍺硅FK EAM技術用于下一代CPO應用的能力，特別適用于不強制要求標準化O波段工作的scale-up網絡架構。
替代調制器方案
為實現工作在O波段波長區域的鍺硅基調制器，研究人員探索了量子限制斯塔克效應。這種方法使用多量子阱結構，其中斯塔克效應在施加電場下移動吸收邊緣。在過去十年中，基于QCSE的鍺硅EAM顯示出有希望的帶寬和消光比性能，盡管超過7 dB的插入損耗和高于12 dB的發射器功率代價限制了實際部署。持續的優化工作集中在降低量子阱和勢壘層中的鍺含量，以抑制導致光學損耗的過度間接帶隙吸收。
III-V族材料在硅基底上的異質集成提供了另一條引人注目的路徑。砷化鎵和磷化銦的直接帶隙特性使QCSE EAM具有顯著更低的插入損耗，成熟的外調制激光器技術在原生InP基底上已證明這一點。使用晶圓到晶圓鍵合技術，InP-on-Si QCSE EAM最近展示了超過80 GHz的帶寬和7 dB或更低的發射器功率代價。這些性能指標使異質III-V族調制器成為在每通道400 Gbps工作的未來CPO實施中用于scale-up和scale-out網絡的有力候選者。
用于高能效鏈路的硅環形和盤式調制器
硅環形調制器已被宣布用于每通道200 Gbps的第一代CPO產品，下一代系統預計將采用400 Gbps信號傳輸。然而，CPO架構的功率效率預計不會顯著低于每比特5皮焦。數字信號處理增加了額外的功耗和延遲代價。一種替代方法是將光引擎與主機集成線路一起集成在硅或有機Interposer上，在光鏈路中實現更大的并行度。這些光學I/O架構在32到64 Gbps之間的較低、更節能的信道速率下使用非歸零調制工作，無需DSP即可實現無錯誤操作。硅環形和盤式調制器通過密集波分復用特別適合這種并行架構。
圖7：硅環形和盤式調制器在1 Vpp驅動擺幅下的發射器功率代價與帶寬之間的權衡關系顯示，帶寬高于50 GHz的器件通常表現出超過12 dB的發射器功率代價。
要實現每比特2 pJ或更低的整體鏈路功率效率，環形和盤式調制器必須在低于2 Vpp的驅動電壓下展示低于8 dB的極低發射器功率代價，并結合超過100 GHz/mW的極高熱調諧效率。在過去十年中，硅環形和盤式調制器經歷了顯著的設計和工藝改進，形成了針對帶寬或功率代價性能優化的器件。通常，帶寬高于50 GHz的環形調制器表現出超過12 dB的高發射器功率代價，這是由于為實現足夠短的光子腔壽命而需要降低諧振質量因子。相反，帶寬低于40 GHz的環形和盤式調制器可以設計為發射器功率代價遠低于10 dB，甚至在僅1 Vpp驅動擺幅下接近7 dB，在32到64 Gbps實現高能效光學I/O鏈路。
圖8：硅盤式調制器的顯微鏡俯視圖和橫截面示意圖，顯示了半徑2 μm的圓形結構，盤腔中的P和N結周圍有P+和N+摻雜區域。
最近開發的一款O波段盤式調制器針對高能效32到40 Gbps NRZ操作進行了優化。通過精心設計p-n結和具有部分刻蝕側壁的回音壁盤諧振器，調制效率達到了同類最佳性能，為75 pm/V，同時保持約22 GHz的適度調制帶寬和在1 Vpp驅動擺幅下僅6.7 dB的極低發射器功率代價。盡管彎曲半徑極小，僅為2.1微米，仍實現了對應質量因子6400的足夠低諧振器損耗。這種緊湊半徑實現了6.47 THz的寬自由光譜范圍，允許在超過400 GHz的寬松通道間距下級聯DWDM盤式調制器陣列，最多可達16個通道。小盤半徑還提供了改進的熱調諧效率，特別是與局部襯底去除相結合時，測得的熱調諧效率高達148 GHz/mW。內部鏈路建模表明，這種盤式調制器的綜合性能將使DWDM-32光鏈路實現低于每比特2 pJ的整體功率效率。
圖9：硅盤式調制器在1 Vpp驅動擺幅下的靜態電光響應顯示了在1311.90到1312.35 nm波長范圍內的消光比、插入損耗和發射器功率代價。
圖10：八通道硅盤式調制器DWDM陣列展示了600 GHz通道間距和6.47 THz的自由光譜范圍，歸一化透射率跨越1260到1330 nm波長。
圖11：硅盤式調制器的S21電光響應表明3 dB帶寬約為22 GHz，歸一化響應從0到50 GHz測量。
圖12：在1.6 Vpp驅動擺幅下32和40 Gbps NRZ傳輸的眼圖展示了清晰的信號質量，信噪比分別為15.4 dB和13.5 dB，抖動低于1.65 ps。
圖13：熱調諧效率測量顯示波長偏移與施加熱功率的關系，展示了根據熱隔離設計從約67到148 GHz/mW的效率范圍。
高性能鍺光電探測器
工作在每通道400 Gbps的未來CPO鏈路需要帶寬超過100 GHz的光電探測器，同時保持高于1 A/W的高響應度和低于50 nA的低暗電流。提議的光學I/O鏈路要求類似的響應度和暗電流規格，帶寬要求更適中，超過40 GHz，但關鍵需要低于10 fF的極低寄生電容。當與具有小于10 fF寄生電容的縮放銅-銅混合鍵合和協同設計的跨阻放大器相結合時，這種低電容光電探測器使光接收器具有優異的靈敏度。
圖14：在-2V偏壓下鍺光電探測器的橫截面示意圖和電場仿真顯示了深凹陷結構，具有N+和P+接觸以及跨有源Ge區域的電場分布。
圖15：橫截面透射電子顯微鏡圖像揭示了深凹陷鍺-硅波導光電探測器的物理結構，179 nm鍺層位于硅波導結構內。
最近開發的深凹陷鍺-硅波導光電探測器通過單一統一設計滿足所有性能要求。測量顯示帶寬約為106 GHz，O波段響應度約為0.93 A/W，暗電流約10 nA，寄生電容僅為3 fF。這種規格的優異組合使該器件成為即將到來的CPO和光學I/O實施的關鍵使能技術。
圖16：鍺光電探測器的S12光電響應在-1V到-3V的偏置電壓下保持平坦響應，直到約106 GHz，從0到100 GHz測量。
緊湊型硅基光電子調制器和光電探測器的這些進展展示了下一代光互連的技術就緒狀態。電吸收調制器、硅諧振調制器和高速鍺光電探測器的組合為滿足光電共封裝和光學I/O架構的多樣化需求提供了全面的工具集，支持AI基礎設施和高性能計算系統的持續演進。
參考文獻
[1] J. Van Campenhout et al., "Silicon Photonics Modulators and Photodetectors for Next-Generation CPO and Optical I/O," in 2025 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2025
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