近年来，人工智能、万物互联、大数据等领域取得重大进展，带动全球数据流量呈现指数级增长，并对高性能的互连能力提出迫切需求。硅基光电集成作为光与电深度融合的革新性技术，是实现互连技术向高带宽、低延迟、高能效和轻量化方向跨越发展的重要途径。例如，在高性能分布式计算系统中，硅基光I/O是突破传统电I/O限制，满足CPU、GPU矩阵间高速互连需求的有效方法。然而，目前硅基光电集成还面临结构复杂、成本高、难以大规模制备等问题，单片集成还需突破高效发光、损耗抑制等瓶颈，导致现有公开报道中尚未见能够有效解决上述问题的技术方面。
近期，半导体所固态光电信息技术实验室杨涛和杨晓光研究员团队在大规模单片集成高速光互连方面取得新进展。团队提出在硅基外延量子点平台上开展可自由定义的单元器件和功能模块制备，并实现大规模硅基单片集成光互联的创新策略。在CMOS兼容硅衬底上外延出含8层InAs/GaAs量子点结构的晶圆，同时制备用于信号发射与接收的直调激光器、波导型光电探测器及集成互联结构。高速带宽信号测试表明激光器和探测器的最大3-dB带宽分别为4.5 GHz和2.02 GHz。NRZ编码信号测试表明，激光器的直调速率可达12.5 Gbit/s，探测器的数据接收能力为5 Gbit/s。在此基础上，基于自由空间光耦合集成结构实现了高速信号互连，速率可达1.01 GHz。
该研究成果以Large-Scale Monolithically-Integrated High-Speed Interconnect Chips via Direct Growth of InAs/GaAs Quantum Dot Lasers and Photodetectors on Si(001)为题，发表于《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews），半导体所博士生王胜林为第一作者，杨晓光研究员和杨涛研究员为通讯作者，陆丹研究员在器件测试上提供了重要支持。该研究得到国家自然科学基金重点项目（62334007，62035012）等资助。
图1 具备丰富功能的大规模硅基片上集成量子点光互联系统
图2 硅基片上集成量子点激光器与探测器互联结构示意图
图3 硅基光互连测试结果。激光器的输出曲线及探测器响应到的光电流曲线，激光器尺寸分别为(a) 3×1000 µm2和(b) 3×600 µm2。(c) 激光器注入电流为 80 mA时，探测器在不同负偏压下的频率响应。(d) 在不同的激光器注入电流和探测器偏压条件下，硅基光互连系统的3-dB带宽测试
