人工智能时代的关键：短距离光互连核心光电芯片的国产化攻坚

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。

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）。

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）。

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）。

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。