近日，超快光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室王斌浩研究員和張文富研究員團隊在硅基光互連芯片領(lǐng)域取得系列進展。
2026年5月25日，華為發(fā)布后摩爾時代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“韜（τ）定律”，提出以“時間（τ）微縮”代替“幾何微縮”指導(dǎo)半導(dǎo)體與電子系統(tǒng)演進的新原則。
光互連技術(shù)是系統(tǒng)層面實現(xiàn)時間延遲（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)院西安光機所團隊圍繞硅光芯片及適配的CMOS電芯片實現(xiàn)了從核心器件到光電集成的系統(tǒng)性進展：
在硅光器件方面，團隊開發(fā)出增益帶寬積達7564 GHz的硅鍺雪崩光電探測器（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，團隊完成多通道硅光發(fā)射機研發(fā)，實現(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)，通過量子點鎖模激光器與MRM陣列協(xié)同集成，分別實現(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；
在配套電路方面，開發(fā)了28nm CMOS高速電芯片，驅(qū)動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，能效達到0.67 pJ/bit，帶寬密度達4.9 Tbps/mm2，通過光電融合與3D集成實現(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，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?西安光機所2026年硅光互連芯片研究進展示意圖
A 高性能硅光器件
A1 增益帶寬積7564 GHz硅鍺雪崩光電探測器
團隊薛錦濤博士、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，通過精準調(diào)控電場分布，最大化硅區(qū)倍增效應(yīng)的同時抑制鍺區(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現(xiàn)二次吸收，有效提高器件響應(yīng)度。
測試結(jié)果表明，在低輸入光功率下成功實現(xiàn)64至200 Gbps高速信號接收，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
團隊博士研究生鮑慎雷、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，團隊創(chuàng)新性地將由兩個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)實現(xiàn)了高效電光轉(zhuǎn)換。
測試結(jié)果表明，在0 V偏壓下，1 dB帶寬超過67 GHz，調(diào)制效率達到1.14 V·cm。利用該調(diào)制器，實驗演示了從64 Gbaud到192 Gbaud的OOK信號傳輸。
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，并增強了電場與光場的空間重疊。
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)制效率達到0.9 V·cm，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升24%。實驗演示了280 Gbps PAM6和256 Gbps PAM4高速信號傳輸，展示了其在光模塊和近封裝光學(xué)（NPO)等光互連場景中的應(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，研制了一款基于擴展耗盡型硅基MDM陣列的4 Tbps 16通道DWDM光發(fā)射機芯片。
團隊將MDM的半徑縮減至約4.1 μm，成功在O波段實現(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)體研究所陳思銘團隊、湖南匯思光電科技公司，研制出基于200 GHz間距量子點鎖模激光器與級聯(lián)硅基微環(huán)陣列的高度集成DWDM發(fā)射機。
團隊采用200 GHz間隔量子點鎖模激光器提供高質(zhì)量多波長光源，驅(qū)動了8通道硅基微環(huán)調(diào)制器陣列，實現(xiàn)了單通道256 Gbps的PAM4高速傳輸，達到超過2 Tbps的單纖速率。
圖7?由量子點鎖模激光器驅(qū)動的8通道發(fā)射機架構(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)體研究所陳思銘團隊、湖南匯思光電科技公司，驗證了一種由量子點鎖模激光器驅(qū)動的單總線16通道、100 GHz間隔硅光微環(huán)發(fā)射機。
圖8 由量子點鎖模激光器驅(qū)動的16通道發(fā)射機架構(gòu)及高速眼圖
此外，團隊提出了一種基于MRM自身PN結(jié)光電流的波長鎖定方案，該方法利用調(diào)制器本身進行波長監(jiān)測，無需額外集成監(jiān)控光電探測器，在實現(xiàn)16個通道與梳線精確對準的同時，顯著降低了片上光損耗。
該系統(tǒng)實現(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CPO和光I/O對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、放大電芯片。
團隊通過協(xié)同均衡過峰化與復(fù)零點CTLE，發(fā)射和接收部分均實現(xiàn)了>60GHz帶寬，群延時波動小于2.3ps。發(fā)射驅(qū)動電路采用非對稱偏置驅(qū)動級，有效補償微環(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撲下達到65GHz帶寬，電學(xué)測試成功接收280Gbps PAM4信號。該芯片整體能效為0.67pJ/bit，帶寬密度達4.9Tbps/mm2。
圖9 28nm CMOS收發(fā)機電芯片架構(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)。
