3D光电子集成技术取得新突破

近日，哥伦比亚大学研究团队的一项关于三维（3D）光电子集成技术的研究成(chéng)果(guǒ)在(zài)国(guó)际(jì)学(xué)术(shù)期(qī)刊(kān)《自(zì)然(rán)光(guāng)子(zi)学(xué)》（Nature Photonics）上(shàng)在(zài)线(xiàn)发(fā)表(biǎo)，该(gāi)研(yán)究(jiū)通(tōng)过(guò)80通(tōng)道(dào)的(de)三(sān)维(wéi)集成(chéng)验(yàn)证(zhèng)了(le)光(guāng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)在(zài)AI计(jì)算(suàn)中(zhōng)的(de)潜(qián)力(lì)。

硅(guī)光(guāng)子(zi)技(jì)术(shù)可(kě)将(jiāng)光(guāng)学(xué)元(yuán)件(jiàn)集成(chéng)于(yú)单(dān)一(yī)芯(xīn)片(piàn)。论(lùn)文指(zhǐ)出(chū)，此(cǐ)前(qián)研(yán)究(jiū)已(yǐ)实(shí)现(xiàn)单(dān)芯片64通道系统（发射端240 fJ/比特），但接收端能耗超过1000 fJ/比特，且二维平面布局限制了密度。三维集成通过分离光子芯片与先进CMOS电子芯片，突破了上述限制。不过，现有3D集成方案通道数不足8个，且键合间距远大于器件尺寸。

在此次研究中，仅为0.3 mm²的芯片面积上集成了80个光子发射器与接收器，其3D集成通道数量较此前提升了一个数量(liàng)级(jí)。由(yóu)此(cǐ)实(shí)现(xiàn)了(le)高(gāo)带(dài)宽(kuān)（800 Gb/s）与(yǔ)高(gāo)密(mì)度(dù)（5.3 Tb/s/mm²）的(de)3D通(tōng)道(dào)。据(jù)介(jiè)绍(shào)，在(zài)收(shōu)发(fā)器(qì)组(zǔ)装(zhuāng)中(zhōng)，光(guāng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)通(tōng)过(guò)美(měi)国(guó)集成(chéng)光(guāng)子(zi)制(zhì)造(zào)研(yán)究(jiū)所(suǒ)（AIM Photonics）定(dìng)制(zhì)工(gōng)艺(yì)制(zhì)造(zào)，电(diàn)子(zi)芯(xīn)片(piàn)采用(yòng)了(le)台(tái)积(jī)电(diàn)28nm CMOS工(gōng)艺(yì)。键合(hé)工(gōng)艺(yì)结(jié)合(hé)了(le)铜(tóng)锡(xī)凸(tū)点(diǎn)与(yǔ)热(rè)压(yā)键合(hé)技(jì)术(shù)。

图(tú)为(wèi)从(cóng)发(fā)射(shè)器(qì)到(dào)接(jiē)收(shōu)器(qì)的(de)链(liàn)路

值(zhí)得(de)关注(zhù)的(de)是(shì)，该(gāi)架(jià)构(gòu)兼(jiān)容(róng)商(shāng)用(yòng)12英(yīng)寸(cùn)（300mm）晶(jīng)圆(yuán)CMOS工(gōng)艺(yì)，具(jù)备(bèi)大(dà)规(guī)模(mó)生(shēng)产(chǎn)潜(qián)力(lì)。此(cǐ)类(lèi)超(chāo)高(gāo)效(xiào)、高(gāo)带(dài)宽(kuān)的(de)数(shù)据(jù)链(liàn)路有(yǒu)望(wàng)消(xiāo)除(chú)分(fēn)布(bù)式(shì)计(jì)算(suàn)节(jié)点(diǎn)间(jiān)的(de)带(dài)宽(kuān)瓶(píng)颈(jǐng)，支(zhī)持(chí)未(wèi)来(lái)AI计(jì)算(suàn)硬(yìng)件(jiàn)的(de)扩(kuò)展(zhǎn)。

光(guāng)作(zuò)为(wèi)通(tōng)信(xìn)介(jiè)质(zhì)，能(néng)以(yǐ)极(jí)低(dī)能(néng)耗(hào)传(chuán)输(shū)海(hǎi)量(liàng)数(shù)据(jù)，为(wèi)突(tū)破(pò)当(dāng)前(qián)计(jì)算(suàn)能(néng)力(lì)极(jí)限(xiàn)提(tí)供(gōng)了(le)可(kě)能(néng)。光(guāng)互(hù)联(lián)技(jì)术(shù)利(lì)用(yòng)光(guāng)子(zi)传(chuán)输(shū)数(shù)据(jù)替(tì)代(dài)传(chuán)统(tǒng)电(diàn)信(xìn)号(hào)，正(zhèng)深(shēn)刻(kè)重(zhòng)塑(sù)芯(xīn)片(piàn)产(chǎn)业(yè)的(de)架(jià)构(gòu)与(yǔ)性(xìng)能(néng)边(biān)界(jiè)。目(mù)前(qián)，光(guāng)互(hù)联(lián)正(zhèng)从(cóng)“技(jì)术(shù)实(shí)验(yàn)”迈(mài)向(xiàng)“产(chǎn)业(yè)支(zhī)柱(zhù)”，其(qí)高(gāo)带(dài)宽(kuān)、低(dī)功(gōng)耗(hào)特(tè)性(xìng)将(jiāng)重(zhòng)塑(sù)芯(xīn)片(piàn)设(shè)计(jì)范(fàn)式(shì)。而(ér)随(suí)着(zhe)3D集成(chéng)、硅(guī)光(guāng)子(zi)和(hé)先(xiān)进(jìn)封(fēng)装(zhuāng)技(jì)术(shù)的(de)协(xié)同(tóng)突(tū)破(pò)，未(wèi)来(lái)十(shí)年(nián)光(guāng)互(hù)联(lián)有(yǒu)望(wàng)成(chéng)为(wèi)高(gāo)性(xìng)能(néng)计(jì)算(suàn)、AI及(jí)6G通(tōng)信(xìn)的(de)底(dǐ)层(céng)标(biāo)配(pèi)，驱(qū)动(dòng)芯(xīn)片(piàn)产(chǎn)业(yè)进(jìn)入(rù)“光(guāng)子(zi)时(shí)代(dài)”。

（附(fù)原(yuán)文链(liàn)接(jiē)：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01633-0）