半导体行业逼近 400 Gb/s 光子学里程碑：两大团队展示硅基技术如何满足未来数据中心需求 作者： 时间：2025-11-05 来源： 加入技术交流群 扫码加入和技术大咖面对面交流海量资料库查询

数据中心内部密集部署的计算机之间的光链路，或许即将迎来关键性升级。目前至少有两家机构 —— 比利时微电子研究中心（Imec）与 NLM 光子学公司（NLM Photonics）表示，它们要么已实现数据中心的下一关键目标 —— 单通道 400 吉比特 / 秒（Gb/s）的数据速率，要么已近在咫尺。此外，两大团队的器件均基于硅材料打造，而非依赖新型特殊材料技术。

比利时根特大学 IDLab（Imec 下属研究团队）研究员塞德里克・布鲁因斯泰恩（Cedric Bruynsteen）指出，如今数据中心内的服务器机柜之间，会通过光收发器在数十至数百米范围内实现通信：这类设备会将电子比特编码到光束上，再在接收端完成解码。光收发器连接在光缆两端，每根光缆内均包含 8 根光纤。他表示，目前这类光收发器的典型单通道数据速率为 100 Gb/s，行业正快速向 200 Gb/s 速率升级。

然而，布鲁因斯泰恩强调：“人工智能训练集群及其他计算密集型应用的爆发式增长，催生了对更大带宽、更高性能与更高效率的迫切需求。” 因此，单通道 400 Gb/s 的光收发器 “将成为一个全新里程碑”。

研究人员正探索多种技术以满足这一需求。例如，半导体制造巨头台积电与美国加利福尼亚州桑尼维尔市的 Avicena 公司合作，开发基于微型发光二极管（microLED）的互连技术。美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校电气与计算机工程教授Clint Schor:破高膙辚?f然揩襮嫛蟿F鸠5pep=k?确矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鹆黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鲩M(缬s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫表示：“这些技术中任何一种都有可能最终胜出，目前行业仍处于‘群雄逐鹿’的阶段。”

比利时微电子研究中心（Imec）宣称，其新型 300 毫米晶圆的单通道数据速率超过 400 吉比特 / 秒。

美国西雅图 NLM 光子学公司联合创始人兼首席技术官刘易斯・约翰逊（Ler:破高膙辚?f然揩襮嫛蟿F鸠5pep=k?确矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鹆黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鲩M(缬s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫is Johnson）称，此前由于能效等因素，业界普遍认为硅光子学无法实现单通道 400 Gb/s 的速率突破。他指出，正因如此，研究人员正探索其他技术平台，如磷化铟（indium phosphide, InP）、钛酸钡（barium titanate, BTO）与薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate, TFLN）。

但在光互连领域，这些新型平台自身也存在短板。布鲁因斯泰恩举例道，磷化铟本质上受限于晶圆尺寸较小与制造成本较高的问题；约翰逊则补充称，钛酸钡与薄膜铌酸锂均需对现有制造流程进行高成本改造。

如今，Imec 与 NLM 的研究均表明，否定硅光子学或许为时尚早。布鲁因斯泰恩表示：“即便对于要求最严苛的高速应用，硅材料仍有充足的性能提升空间。”

Imec 的研究人员开发出一种硅锗电吸收调制器：当施加电压时，这种半导体材料会吸收更多光线，进而实现对通过其中的光信号强度的精准控制。

Imec 指出，这款新型器件的单通道数据速率可达 448 Gb/s，这是硅基电吸收调制器首次达到这一速率水平。布鲁因斯泰恩评价道：“电吸收调制器一直是极具吸引力的组件，因为它独特地融合了低功耗、小尺寸与高速运行三大优势。将所有这些优势整合到单个器件中，堪称调制器设计领域的‘圣杯’。”

448 Gb/s 或许并非该技术的速度上限。布鲁因斯泰恩透露：“目前测试设备已成为制约性能的瓶颈。” 他指出，更高频率的测量工具或有助于进一步挖掘这款新型器件的数据速率潜力。

该器件在常规 C 波段（波长约 1550 纳米的红外线，通常用于长距离光通信）表现最佳。但肖指出，如今多数数据中心链路在 O 波段（中心波长约 1310 纳米）运行 —— 这是因为 O 波段的色度色散更小。色度色散指不同波长的光在材料中传播速度不同，会导致光脉冲扩散并失真。不过他补充道，考虑到数据中心内链路距离相对较短，色度色散在此类应用中不会构成问题。

这款尺寸约 300 平方微米的新型器件，使 Imec 能够 “充分利用标准 CMOS 制造工艺的可扩展性与成本优势”，布鲁因斯泰恩说。未参与 Imec 与 NLM 任何一方研究的肖评价道：“这或许是 Imec 在该领域的最大优势之一。” 今年 9 月，这家总部位于比利时的研究机构在丹麦哥本哈根举行的欧洲光通信会议（European Conference on Optical Communication）上，详细介绍了其研究成果。

布鲁因斯泰恩表示，目前 Imec 正与合作伙伴共享这款新型器件，探索其在人工智能训练集群及其他高性能环境中的应用潜力。“我们的下一目标是在真实数据中心环境下验证该器件的性能 —— 例如在升高的工作温度与宽范围光功率条件下，确保其实现稳定可靠运行。”

与 Imec 不同，NLM 光子学采用硅 - 有机混合光子学技术。其新型芯片均配备 8 个马赫 - 曾德尔调制器（Mach-Zehnder modulator）：这种调制器会将入射光分为两路，通过电学方式改变其中一路的光学特性，使其相位发生偏移；当两路光重新汇合时，相位偏移会改变最终出射光的强度。NLM 使用的硅 - 有机混合材料，改变其光学特性所需的电压低于普通硅材料。

第三方测试显示，NLM 的芯片单通道数据速率可达 224 Gb/s。约翰逊表示，该公司目前的目标是 “与合作伙伴共同演示单通道 400 Gb/s 的链路，展示实际性能的可扩展性”。今年 10 月，NLM 在光赋能云计算产业峰会（Photonic-Enabled Cloud Computing Industry Summit）上详细公布了其研究成果。

NLM 宣称，其 8 通道芯片的运行效率是传统硅光子调制器的 10 至 15 倍，核心原因在于其极低的工作电压：新型器件的驱动电压不超过 1 伏，而同类硅光子调制器的驱动电压通常为 2.5 至 3.5 伏。此外，NLM 芯片的尺寸也小于采用竞争技术的产品 —— 仅 17 平方毫米，而后者通常为 25 至 50 平方毫米。

尽管 NLM 的器件使用了如今光子学制造中并不常见的有机材料，但由于有机材料的引入环节处于制造流程的后期，因此无需对现有工艺进行高成本改造。

约翰逊表示：“我们近期的重点是推进规模化制造能力。我们正在开发自动化流程，这些流程对于将有机电光材料整合到现有代工厂工作流程中、且不干扰既定生产线至关重要。”

肖指出，业界对 NLM 研究成果最可能的质疑，将集中在有机材料的长期稳定性上，“但近年来聚合物材料的性能已大幅提升”。

约翰逊称，NLM 已 “记录下出色的材料级稳定性结果”：该材料不仅展现出超过 120℃的长期热稳定性，其封装技术还能承受电信硬件所需的 85℃高温高湿测试。他补充道，NLM 还在内部开发下一代材料，以提升热稳定性，满足更严苛的工艺条件，并拓展至数据通信以外的应用领域（如量子计算）。

对于这两项技术突破，肖评价道：“Imec 的方案或许更为稳妥 —— 其 300 毫米晶圆级器件现已可用，制造方面不存在任何疑问。” 但他也表示，“聚合物材料有望成为‘超越硅’的创新方向。随着我们开发出越来越快的链路，在最终结果揭前，谁也无法确定赢家是谁，尤其是在涉及下一代材料的情况下。”