短距离光互连核心光电芯片的国产化攻坚

2024-06-06 02:06

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）转载自公众号【悦智网】，作者：佟存柱、田思聪，谢谢。

短距离高速光互连光电芯片及模块技术是数据中心、超级计算中心发展的关键。当前，全球数据量激增，网络算力和信息传输速率需求强劲，这对光互连技术在高速率、低能耗等方面提出了更高要求；同时，我国在核心的互连光芯片、电芯片方面还严重依赖于进口。对此，在国家重点研发计划项目的支持下，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所佟存柱研究员牵头组建的创新研究团队将目标锁定在短距离光互连应用关键芯片、器件国产化关键技术攻关等方面，突破了25 Gb/s 850 nm垂直腔面发射激光器芯片、探测器芯片、发射和接收集成电路芯片国产化技术，实现进口芯片的批量化替代，打破了我国该类芯片长期依赖进口的困境，成功研制了低功耗（小于1W）的100 Gb/s国产化光模块，并在数据中心实现示范应用。

近年来，随着云计算、区块链、物联网、5G网络、人工智能等新一代信息技术的快速发展以及ChatGPT等人工智能大模型的推广应用，全球数据流量急剧增长，网络算力和信息传输速率需求强劲，数据中心、超级计算中心正面临巨大压力。有数据显示，75%的流量发生在数据中心内部。基于高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）体制的高速短距离光互连模块，具有高带宽、低成本的优点，已成为大数据和人工智能时代的关键核心技术，广泛用于数据中心、超级计算中心机柜以及数据板间的信息传输。该类光模块主要由垂直腔面发射激光器、高速PIN探测器光芯片以及高速收发集成电路芯片等组成。以超级计算机为例，“天河二号”采用的是单向14 Gb/s垂直腔面发射激光器，“太湖之光”采用的是双向14 Gb/s垂直腔面发射激光器，E级及以上的超级计算机采用的是100 Gb/s及以上速率的垂直腔面发射激光器光模块。然而，我国尽管是世界上最大的光模块生产国，但在此类应用中的高速率垂直腔面发射激光器、探测器、驱动电路和接收电路芯片却主要依赖于进口，这严重制约了我国大数据、云计算、超级计算机、人工智能等技术迈向先进、自主的发展步伐。

因此，短距离高速光互连光电芯片及模块技术作为数据中心、超级计算中心发展的关键，其研发也需要回应大数据和人工智能时代对光互连技术在高速率、低能耗、国产化等方面提出的更高要求和最新挑战。

依托“十三五”国家重点研发计划项目“面向短距离光互连应用关键芯片、器件与模块技术”，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所牵头，与华芯半导体科技有限公司、北京工业大学、上海科技大学、芯思杰技术（深圳）股份有限公司、江苏华兴激光科技有限公司、福建亿芯源半导体股份有限公司、复旦大学、武汉华工正源光子技术有限公司、深圳市迅特通信技术股份有限公司等项目成员的相关研发人员组成联合攻关团队，面向短距离光互连技术升级演进的重大需求，聚焦高速、低功耗两个核心关键点，围绕短距离高速光互连能耗机理及控制方法关键科学问题，突破关键核心光器件与电芯片技术壁垒，实现进口芯片的国产化替代，改变我国短距离光互连核心元器件受制于人的被动局面，支撑通信网络、高性能计算、物联网与智慧城市等应用领域的自主可控发展，满足国家发展战略需求。

高速垂直腔面发射激光器芯片

项目团队在高速低阈值850 nm垂直腔面发射激光器芯片产业化关键技术上取得突破，实现了25 Gb/s垂直腔面发射激光器的批量化应用。项目团队提出修正的寄生参数提取理论模型，获得了器件结构与寄生参数关联关系，从而指导优化设计外延结构、器件电极结构。在垂直腔面发射激光器的外延生长方面，开发了纳米层精确控制与补偿外延技术，通过优化设计应力补偿层，控制晶片翘曲，提高生长均匀性，获得了高质量的分布式布拉格反射器（DBR）材料及全结构外延生长技术，实现了DBR高低带隙材料间的带阶平坦化，有效降低了串联电阻和芯片电压。在垂直腔面发射激光器的工艺制备方面，优化了高速垂直腔面发射激光器的湿法氧化、苯并环丁烯（BCB）平坦化等关键工艺，提高了工艺的均匀性和一致性，实现了高速垂直腔面发射激光器芯片的高良率制备，器件的可靠性也得到大幅提升。项目团队采用短腔、小氧化孔径及输出面沉积介质层调控光子寿命，研制的垂直腔面发射激光器3dB带宽可达29 GHz，在OM5多模光纤中基于不归零码（NRZ）调制实现了50 Gb/s的高速数据传输和240 fJ/bit的能耗，通过进一步优化垂直腔面发射激光器的腔内光子寿命、降低其偏置电流，实现了单通道25 Gb/s下100 fJ/bit的超低能耗。

此外，项目团队建立了完善的可靠性测试体系，实现了高可靠性、高良率25 Gb/s垂直腔面发射激光器的规模化生产，可靠性比肩国际先进水平，产品获得2020光连接大会（CFCF2020）的“2020年度创新产品奖”，截至2023年2月已销售近500万颗，并有多家国际排名前10的光模块厂商通过采用项目团队研制的芯片实现了进口产品的替代，大大缓解了我国相关产业在该类高端芯片上完全依赖进口的困境。

为进一步提升传输速率和传输距离，项目团队通过模式调控技术开发出可传输300 m的25 Gb/s垂直腔面发射激光器（见图1），实现了50 Gb/s垂直腔面发射激光器的小批量出货，最高传输速率拓展到84 Gb/s（见图2）。为推动垂直腔面发射激光器芯片技术及行业发展，项目团队还主要参与发起了首届亚洲“VCSEL DAY”的国际会议，会议主席为迪特尔•宾贝格（Dieter Bimberg）院士（本项目课题骨干）、副主席为佟存柱研究员（本项目首席），参会者来自7个国家和地区，近240名（其中外籍人员约30人），会议受到了学术界及产业界的高度关注与认可（见图3）。

850nm高速探测器芯片

项目团队在高速高响应度850 nm探测器光芯片关键工艺上获得重要进展。项目团队完成了高速850 nm PIN探测器的关键工艺优化，包括材料生长、光刻、台面制备、介质膜保护、合金等关键工艺。降低材料的背景掺杂，优化了金属有机化学气相沉积（MOCVD）材料生长质量；根据芯片寄生电容电感特点设计了最佳的台面形状，采用高精度刻蚀及湿法腐蚀工艺制作；为确保芯片具有低暗电流，对保护膜的类型、厚度等进行了优化，并对制作工艺中的关键工艺参数进行了设计。项目团队完成了高速850 nm砷化镓（GaAs）探测器关键工艺开发，包括器件台面制作、台面介质膜保护及电极工艺。同时，为确保器件具有低暗电流，对保护膜的类型、厚度等进行了优化，并对制作工艺中的关键工艺参数进行了设计。项目团队研制出了高速高响应度低暗电流850 nm探测器产品，其-3 dB带宽＞ 21 GHz，暗电流＜ 1 pA，响应度＞ 0.5 A/W，与美国公司类似产品的技术指标相当，并实现批量出货。

为进一步提高带宽，降低模块功耗，项目团队还研发了新型的850 nm高速探测器，包括（1）零偏压工作850 nm高速探测器：0伏下响应度大于0.5 A/W，20 μm直径器件带宽达到22 GHz，-2 V下的暗电流仅为40 fA，实现了25.8 Gb/s传输速率下清晰的眼图；（2）46 GHz 850 nm高速探测器：采用双耗尽区设计，外部电路通过引入高特征阻抗传输线来实现RLC谐振，进一步提高了带宽，带宽远高于国际上已报道的850 nm高速探测器；（3）光伏模式下工作的850 nm高速探测器：正偏压下，通过光伏特性向外部电路（负载）持续供能，同时实现射频光信号的接收，带宽与光电能量转换效率均超过目前文献中报道的850 nm波段同类器件（见图4和图5）。

光收发集成电路芯片

项目团队在高速低功耗光收发集成电路芯片设计方面获得重要进展，25 Gb/s跨阻放大器实现了批量推广和应用。项目团队首先建立了25 Gb/s收发器灵敏度、噪声、带宽、抖动等关键指标与主要器件参数的关联模型，完成了电路模块功耗区分及相应电路设计，包括跨阻放大器（TIA）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复（CDR）、自动增益控制（AGC）电路及输出驱动电路。接着，围绕提高跨阻放大器芯片灵敏度的关键问题，提出了宽带低噪声设计技术方案。通过创新前置放大器拓扑结构，结合动态直流恢复电路技术、高电源抑制比的低压差线性稳压器（LDO）电源技术、有源负电容技术、增益自举技术和串并联电感峰化技术，降低了芯片工作带宽内的积分噪声，提高了相同速率下的眼图裕度。

芯片灵敏度典型值为-14.5 dBm，带宽大于20 GHz，过载光功率达到+4 dBm，具有较高的动态范围。该芯片灵敏度核心指标与美国MACOM公司同款产品性能相当，是国内首颗大规模量产出货的25 Gb/s

跨阻放大器芯片，累积销售超过300万颗，2020年获第十五届“中国芯”集成电路产业促进大会“芯火”新锐产品奖，受邀参加国家“十三五”科技创新成就展。项目团队研发了集成跨阻放大器的4×25 Gb/s接收器芯片、基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的低功耗4×25 Gb/s CMOS发射器芯片，光眼图质量与国外产品相当，并实现量产和进口产品替代（见图6）。

低功耗多通道集成光收发模块

项目成员武汉华工正源光子技术有限公司和深圳市迅特通信技术股份有限公司采用本项目自主研发的垂直腔面发射激光器和探测器光芯片以及发射和接收集成电路芯片，完成了光模块光路设计和方案验证，获得了良好的光收发性能。项目团队针对100 G光模块内芯片与电路的集成度提升这一关键问题，对光芯片的光学仿真参数、发射和接收光路、监控光路进行了设计，确定了光路透镜参数，通过光学仿真对光模块的耦合容差进行了系统分析，实现了光路设计0.5 dB容差范围：TX小于±12 μm、RX小于±8 μm。此外，项目团队开展了100G光模块的热管理研究，解决了由芯片及元器件的温度敏感性带来的光模块性能与可靠性的问题，建立了发热芯片（热点）与空气（热沉）之间的热通道，使光模块具有良好的导热性能。基于项目研制的低功耗电芯片，以及高速VCSEL和探测器芯片，实现了功耗小于1W的100 G SR4光模块，在数据中心完成光互连应用示范并小批量应用于市场。

在完成本项目的基础上，项目团队将面向数据中心内部高速短距离光互连应用的更高需求，继续深入研究高速率垂直腔面发射激光器芯片和高速率、高响应度、低暗电流的面接收探测器芯片设计与制备工艺技术，研究多模驱动控制电路技术和多模跨阻放大及时钟恢复电路技术，推动多模芯片板载封装光收发模块技术与系统应用，以期获得400 Gb/s乃至800 Gb/s的短距离光互连芯片与模块，为短距离光互连升级演进提供国产化芯片及模块解决方案。

致谢：感谢国家重点研发计划“光电子与微电子器件及集成”专项项目“面向短距离光互连应用关键芯片、器件与模块技术”（项目编号：2018YFB2201000）的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2024年3月刊。

专家简介

佟存柱：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，研究员。

田思聪：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，研究员。

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