近日，上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）周林杰教授團隊陸梁軍副教授和李雨副教授通過將低損耗相變材料Sb?Se?與硅基微環諧振器異質集成，首次實現了近零功耗“現場可編程”光收發芯片。對微環中的PN結施加電脈沖觸發相變，實現了精度達10皮米、超一個自由光譜范圍的非易失波長調諧，在滿足微環陣列波長校準需求的同時有效消除了狀態維持功耗。研究團隊還提出了一種創新反饋機制來抑制溫漂，成功演示了4通道可編程微環陣列的高速收發，傳輸速率達到400Gbps。相關研究成果以“Field Programmable Silicon Microring WDM Transceiver Leveraging Monolithically Integrated Phase-Change Materials”（基于相變材料異質集成的非易失現場可編程微環陣列光收發芯片）為題，發表在《PhotoniX》上。

隨著人工智能（AI）應用對精度與性能的需求持續攀升，大語言模型的參數規模已突破萬億級別，其訓練所需的集群規模亦同步擴大。在此背景下，傳統XPU間有限的互連帶寬正逐漸成為制約算力釋放的關鍵瓶頸，提升互連帶寬的需求愈發迫切。光互連技術憑借超大帶寬、極低損耗及低串擾等固有優勢，能夠構建更高帶寬密度與更低功耗的互連鏈路。其中，硅基光電子學因具備與CMOS工藝的兼容性及高集成度潛力，已成為光互連領域的核心研究方向。相較于傳統的馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）型調制器，微環諧振器（MRR）具有尺寸緊湊、功耗低等特性，能夠滿足光I/O對高密度、低功耗互連的應用需求。然而，硅基MRR易受制造工藝偏差與環境溫度波動的影響，其商業化落地仍面臨顯著挑戰。

?

△非易失現場可編程微環陣列光收發芯片架構與工作原理

?

研究團隊打破學科壁壘，將材料科學領域的低損耗相變材料Sb?Se?引入到硅基光電子學，應用于硅基高速光收發芯片中，既解決了光學器件系統應用的難題，又拓展了相變材料在光電子領域的應用。

研究通過采用硅光后道兼容工藝在硅基MRR的PN結上異質集成了低損耗相變材料Sb?Se?薄膜，以實現非易失“現場可編程”微環收發器。通過施加正向偏置電脈沖，能夠促使Sb?Se?在晶態與非晶態間轉換，從而實現覆蓋整個自由光譜范圍的諧振波長靈活調諧。實驗測得，相變材料的集成對其調制和探測性能幾乎沒有影響，確保了該技術的可行性。隨后，研究團隊設計并制造了基于四個級聯Sb?Se?-Si異質集成MRR的收發芯片，利用相變實現了諧振波長的均勻分布，并成功演示了單微環100Gbps、總速率400Gbps的開關鍵控（OOK）調制和探測。此外，團隊還提出了一種創新反饋方案，利用其中一個MRR作為光功率監測器來反饋溫度波動信息，通過整體控溫來補償環境溫度波動對器件性能的影響。該方案有望實現對相鄰多個MRR的工作狀態的同時穩定，具有可拓展性，降低了溫度反饋控制的硬件需求。

研究成功實現低損耗相變材料Sb?Se?與硅基微環諧振器的異質集成，實現了高效的波長調諧和高速數據傳輸，有效解決了硅基微環收發芯片在系統應用中面臨的關鍵問題，為下一代高密度、低功耗光互連芯片的研發提供了可靠解決方案。展望未來，隨著技術的進一步優化和完善，這項創新成果有望加速微環諧振器件從實驗室走向產業化應用，推動數據中心光互連、高速通信網絡等領域的變革。

來源：半導體芯科技

審核編輯 黃宇