IEDM 2025：NTT报道高速率、低功耗硅基异质集成薄膜激光器＋高速EAM

在高性能计算与数据中心系统中，电互连的物理与热限制日益凸显，光互连已成为支撑高带宽传输的核心方案。硅光子学凭借其可扩展性与CMOS工艺兼容性，被公认为理想的光传输平台，但缺乏高效有源功能（如片上光源、高速调制器）的短板，使得III-V族化合物半导体与硅光子学的异质集成成为必然选择。

NTT在iedm 2025会议上发表了题目为Heterogeneously Integrated Membrane Lasers and EAMs on Si Platform for Energy-Efficient Optical Link的文章，详细阐述两种互补的集成技术——微转印（MTP）与晶圆级制造，通过将基于InP的薄膜DFB激光器、电吸收调制器（EAM）与光电探测器（PD）异质集成在硅光平台上，实现了高速率、低功耗的硅基光链路，为封装间与封装内光互连提供了兼具灵活性与可扩展性的解决方案。

一、集成技术的核心互补性：MTP与晶圆级制造的特性解析

III-V族材料与硅平台的异质集成需兼顾性能、灵活性与规模化生产需求，MTP与晶圆级制造两种技术形成了互补：

- 微转印（MTP）的核心优势在于可对独立优化的III-V芯片进行选择性集成，能筛选已知合格芯片（known good dies），但需高精度对准，在吞吐量与可扩展性上存在挑战；

- 晶圆级制造则通过光刻工艺实现精准对准，天生适配大批量应用，但异质材料加工过程限制了工艺灵活性。

本文采用课题组自主研发的薄膜III-V光子器件，分别基于两种技术路径构建光链路：一是MTP集成薄膜DFB激光器与EAM的高速光发射机，二是全晶圆级工艺集成膜激光器、EAM与PD的完整光链路，分别满足可插拔收发器与高能效共封装光学（CPO）的差异化需求。

二、MTP集成：灵活优化的128-Gbit/s高速光发射机

1. 器件结构与制备工艺

MTP集成方案的核心是将独立优化的激光与调制器芯片精准转移至硅波导上，器件结构如图1所示（含俯视图与横截面图）：

- 薄膜DFB激光器采用340nm厚InP膜，内置6个InGaAlAs量子阱（QW），兼顾高输出功率与高效电注入；

- EAM采用230nm厚InP薄膜，集成9个InGaAlAs量子阱，优化高速调制效率；

- 硅波导基于220nm厚绝缘体上硅（SOI）衬底，表面覆盖平坦化SiO₂包层，顶部集成聚合物基SSC——芯层折射率1.58，包层折射率1.53，通过inverse taper结构实现低插入损耗的光纤耦合，且芯片键合后无需额外加工。

制备流程遵循MTP核心逻辑：先在InP衬底上制备含牺牲层的器件，通过刻蚀定义芯片尺寸后，用SiON膜包裹薄膜有源层台面以保护结构；随后采用PDMS印章拾取芯片，精准对准转移至预处理的硅衬底，通过范德华力实现键合（图3）。该工艺允许对激光与调制器分别优化，突破了单片集成的性能权衡。

2. 关键性能测试结果

器件的核心性能验证展现了MTP方案的高速优势：

- 光致发光（PL）光谱证实，激光与EAM的带隙失谐约25nm，满足各自功能优化需求；

- 器件总插入损耗仅3.3dB，DFB激光器在5-25mA偏置电流范围内，激射波长稳定在1295nm左右，边模抑制比（SMSR）均大于50dB；

- EAM因寄生电容低，无需电终端即可实现超50GHz的3dB带宽；

- 室温下的NRZ数据传输实验中，器件实现128-Gbit/s速率下的清晰眼图，消光比达2.0dB，验证了MTP技术在紧凑型高速发射机中的应用潜力。

三、晶圆级集成：0.14 pJ/bit的高能效完整光链路

1. 全流程晶圆级制备工艺

为实现规模化生产，晶圆级集成方案采用全光刻定义的工艺流程（图7）：先在InP衬底上外延生长含牺牲层的III-V材料层，通过O₂辅助等离子体键合技术将Si与InP衬底直接键合后，去除InP衬底；经台面成型后，通过InP层再生长制备掩埋异质结构（BH），并对未掺杂InP区域进行选择性掺杂，形成p型与n型区域，最终实现所有光子元件的精准对准。

2. 光链路构成与性能优化

完整光链路由薄膜膜DFB激光器、薄膜EAM、薄膜PD与7.6mm长SiOx波导组成（图8），所有器件共享统一外延结构，内置InGaAsP多量子阱（MQW）有源层：

- 有源区设计工作波长1340nm，通过与量子阱峰值波长的刻意失谐，同步优化调制与探测性能；

- DFB激光器采用非对称表面光栅，确保光信号向调制器方向定向发射，100μm短腔结构（耦合系数~620cm⁻¹）使阈值电流低至1.7mA；

- 薄膜EAM在反向偏置下带宽超67GHz，膜PD在-3V偏置下的光电器件（OE）带宽超48GHz，响应度达0.54A/W；

- 器件间通过锥形InP波导与低折射率SiOx实现高效绝热模式转换，保障光耦合效率。

3. 光链路静态与动态性能

静态测试中，固定PD偏置电压为-3V，不同EAM偏置电压下（0~-1.5V），PD输出电流与激光输入电流呈稳定线性关系（图9），无扭结现象，证实DFB激光器在无光学隔离器时仍保持稳定单模工作，无模式跳变。当激光驱动电流为5mA与10mA时，EAM偏置电压-1.5V下的PD输出电流分别为44μA与104μA，足以支撑50-Gbit/s与64-Gbit/s NRZ信号传输。

动态性能测试中，无需光学隔离器与终端电阻的配置下，光链路实现了清晰的眼图（图10）：50-Gbit/s速率下能耗低至0.14 pJ/bit，64-Gbit/s速率下能耗为0.26 pJ/bit，较传统共封装光学方案实现显著优化，尤其适配能量受限的计算环境。

四、结论：双技术路径赋能未来光互连

本文通过微转印与晶圆级制造两种异质集成技术，成功实现了III-V族光子器件与硅光子电路的高效融合：MTP方案凭借器件独立优化能力，达成128-Gbit/s的高速传输；晶圆级方案则以规模化优势，实现0.14 pJ/bit（50-Gbit/s）的超低功耗完整光链路，且两种方案均无需光学隔离器与终端电阻即可稳定工作。

这一双技术路径不仅突破了硅基光互连的有源功能瓶颈，更实现了灵活性与可扩展性的兼顾，为未来光子系统提供了多元化选择——既满足可插拔收发器的高速需求，又适配共封装光学的能效要求，将有力推动高性能计算与数据中心光互连的技术升级。