海量数据推动新一代光互连需求

云计算和人工智能的迅猛发展，带来了前所未有的数据流量。为了支撑数据中心内部和数据中心之间的通信，对超高速、低功耗光链路的需求持续攀升。这些链路不仅要具备高能效，还必须在数据速率上大幅超越当前主流的 200Gb/s 标准。

在这一背景下，将新型功能材料通过异质集成方式引入成熟的硅光子平台，被视为推动下一代电光调制器和光电探测器发展的关键路径，可满足短距离和中距离互连场景对带宽和能效的双重要求。

铌酸锂与钽酸锂：两种关键电光材料

在众多候选材料中，铌酸锂（LiNbO₃）尤为突出。凭借其优异的电光系数，它长期以来都是高速光通信系统中电光调制器的“黄金标准”材料，非常适合构建高带宽调制器。

另一种备受关注的材料是钽酸锂（LiTaO₃）。它具有良好的电光稳定性、高损伤阈值以及对紫外波段的透明性，因此特别适合用于高功率、对温度敏感的应用场景，以及在较短波长下运行的光子系统。

与标准 CMOS 工艺的兼容性挑战

尽管性能优异，铌酸锂和钽酸锂都含有锂元素，这给与标准 CMOS 制造工艺的兼容性带来了额外复杂性。同时，要在同一平台上将高速光电探测器等其他关键组件与这些材料高效集成，也存在不小的工艺难度。

为应对这些挑战，业界和学术界已尝试多种集成路线。例如，晶圆键合技术已在铌酸锂上得到验证，但其成本和工艺效率并不理想：键合后需要去除大部分材料，并且还要增加多道后键合处理步骤，整体流程复杂且材料利用率偏低。

微转印：面向硅光子的全新异质集成方案

为寻找更具可行性的解决方案，imec 引入了微转印技术，将其作为在硅光子平台上异质集成 LiNbO₃ 和 LiTaO₃ 的有前景替代路径。

微转印技术通过在源晶圆上制备薄膜器件或结构，再将其精确“转印”到目标晶圆上，从而实现高效材料复用和局部集成。这种方式有望在成本、工艺兼容性和集成灵活性之间取得更好的平衡。

世界首创：薄膜 LiNbO₃ 调制器在硅光子平台上的集成

在欧洲光通信会议（ECOC）上，imec 与根特大学的研究团队展示了一条 O 波段 320Gb/s 无放大光链路。这条链路基于标准单模光纤，传输距离达到 2 公里，并采用了与标准 CMOS 制造完全兼容的新型高速集成电路。

这一概念验证系统的核心包括：

• 带宽高达 100 GHz 的锗光电二极管；
• 通过微转印技术制备的薄膜铌酸锂马赫-曾德调制器（MZM）；
• 以上器件集成在 imec 的硅光子平台上；
• 与定制设计的行波驱动器和跨阻放大器（TIA）共同封装。

通过这项工作，imec 成为首个实现薄膜 LiNbO₃ 器件与硅光子平台无缝集成的机构。团队不仅对硅光子工艺流程进行了针对性调整和优化，还协同开发了光子集成电路（PIC）与电子集成电路（EIC），以获得整体系统的最佳性能。

该概念验证结果表明，基于这一集成路线，未来有望将单通道光互连速率进一步提升至 400Gb/s 级别。

首次实现薄膜 LiTaO₃ 在硅光子上的异质集成

另一项重要进展发表于《自然光子学》期刊，首次展示了钽酸锂调制器在硅光子集成电路上的异质集成。

研究团队沿用此前应用于铌酸锂的同一套微转印工艺，使其能够与整个硅光子晶圆堆栈完全兼容。这种方法实现了钽酸锂调制器与加热器、滤波器以及锗光电探测器等多种组件的无缝共集成，同时保持各自器件性能不受明显影响。

论文第一作者 Margot Niels 指出：“基于我们在铌酸锂上的经验，我们发现同样的微转印技术同样适用于钽酸锂，充分展示了这一工艺路线的多功能性。”

她进一步表示，这一结果增强了团队的信心：随着更多新材料的出现，可以通过类似方式高效地将其引入硅光子平台，为下一代光互连技术打下基础。

向 400Gb/s 光互连里程碑迈进

上述成果集中体现了 imec 在推动高速光电子电路设计极限方面的布局与雄心。尽管距离工艺完全成熟并实现大规模商业化应用仍有不少工作要做，但持续探索新材料，并将这些进展融入下一代概念验证系统，是迈向 400Gb/s 光互连里程碑过程中不可或缺的一环。

随着铌酸锂和钽酸锂等材料在硅光子平台上的异质集成逐步走向成熟，新一代高带宽、低功耗、可扩展的光互连方案正加速从实验室走向实际应用。