撰稿人 | 冉诗环，陆梁军，李雨
论文题目 | Field programmable silicon microring WDM transceiver leveraging monolithically integrated phase-change materials
作者 | 杨星1，冉诗环1，李子权1，陆梁军1,2，李雨1,2，Ngon Phu Wai3，MingHua Zhang3，Guo Qiang Lo3，陈建平1,2，周林杰1,2
完成单位 | 上海交通大学，新加坡先进微电子制造有限公司
研究背景
随着人工智能（AI）应用对更高精度和更广泛能力的需求日益增长，大语言模型的参数规模已超过万亿，其训练所需的集群规模也越来越大。传统XPU之间有限的互连带宽正成为算力瓶颈，提升互连带宽迫在眉睫。光互连技术因为其超大带宽、极低损耗和串扰等优势，能够实现更高带宽、更低功耗的互连。硅基光电子学凭借其与CMOS 工艺兼容、可实现高集成度的优势，成为光互连领域的研究热点。相比于传统的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型调制器，微环谐振器（MRR）因具备尺寸小、功耗低等特点，可以满足光I/O对于高密度低功耗互连的需求。然而，硅基MRR易受制造工艺差异和环境温度变化的影响，其商业应用仍面临显著挑战。
导读
光子全重周林杰教授团队在PhotoniX发表突破性成果：通过将低损耗相变材料Sb₂Se₃与硅基微环谐振器异质集成，全球首次实现了近零功耗“智能可编程”光收发芯片。对微环中的PN结施加电脉冲触发相变，实现了精度达10皮米、超一个自由光谱范围的非易失波长调谐，在满足微环阵列波长校准需求的同时有效消除了状态维持功耗。研究团队还提出了一种创新反馈机制来抑制温漂，成功演示了4通道可编程微环阵列的高速收发，传输速率达到400Gbps。
X特点
本研究是光电子学与材料科学交叉融合的典范。研究团队打破学科壁垒，将材料科学领域的低损耗相变材料Sb₂Se₃引入到硅基光电子学，应用于硅基高速光收发芯片中。通过相变材料与硅光器件的异质集成，实现了MRR谐振波长的精确后裁剪（post-trimming）。这种跨学科的创新思维，既解决了光学器件系统应用的难题，又拓展了相变材料在光电子领域的应用边界，为多学科交叉融合推动技术创新提供了全新思路。
主要研究内容
研究团队针对硅微环谐振器的性能优化展开深入研究，采用硅光后道兼容工艺在硅基MRR的PN结上异质集成了低损耗相变材料Sb₂Se₃薄膜，以实现非易失“智能可编程”微环收发器。通过施加正向偏置电脉冲，能够促使Sb₂Se₃在晶态与非晶态间转换，从而实现覆盖整个自由光谱范围的谐振波长灵活调谐。实验测得，相变材料的集成对其调制和探测性能几乎没有影响，确保了该技术的可行性。接着，设计并制造了基于四个级联Sb₂Se₃-Si异质集成MRR的收发芯片，利用相变实现了谐振波长的均匀分布，并成功演示了单微环100Gbps、总速率400Gbps的开关键控（OOK）调制和探测。此外，团队还提出了一种创新反馈方案，利用其中一个 MRR 作为光功率监测器来反馈温度波动信息，通过整体控温来补偿环境温度波动对器件性能的影响。该方案有望实现对相邻多个MRR的工作状态的同时稳定，具有可拓展性，降低了温度反馈控制的硬件需求。
技术突破与创新
本研究在多个方面实现了重大技术突破与创新。在材料集成方面，开发了硅光工艺后道兼容的相变材料异质集成技术，将低损耗相变材料Sb₂Se₃直接集成到硅基MRR收发器中，利用相变材料的非易失特性，打破了传统MRR谐振波长校准依赖额外静态功耗的局限，简化了器件结构，减小了芯片面积，为大规模集成创造了条件。在波长调谐技术方面，创新地利用 PN结正向偏置引发相变，实现了双向谐振波长调节，波长调节范围超过一个FSR，且调谐过程仅需毫秒级电脉冲，相比传统方法更加快速、灵活，可实现现场编程。在系统性能优化方面，级联集成Sb₂Se₃收发器实现了4×100Gbps的高速数据传输，同时反馈方案的提出有效解决了温度波动问题，大幅提升了系统稳定性和可靠性。这种从材料到器件、再到系统的全方位创新，为硅基MRR在光互连领域的商业应用开辟了新道路。
图1 低损耗相变材料Sb2Se3集成到硅微环谐振器PN结的结构，清晰呈现材料与器件的结合方式。
观点评述
本研究成功实现低损耗相变材料Sb₂Se₃与硅基微环谐振器的异质集成，实现了高效的波长调谐和高速数据传输，有效解决了硅基微环收发芯片在系统应用中面临的关键问题，为下一代高密度、低功耗光互连芯片的研发提供了可靠解决方案。展望未来，随着技术的进一步优化和完善，这项创新成果有望加速微环谐振器件从实验室走向产业化应用，推动数据中心光互连、高速通信网络等领域的变革。同时，该研究也为多学科交叉研究提供了范例，激励更多科研人员探索光学与其他学科融合的创新路径，催生更多颠覆性技术，为光通信产业的持续发展注入新动力。
主要作者介绍
杨星，上海交通大学光子全重博士研究生（2019级），研究方向是硅-相变材料混合集成光子器件。
冉诗环，上海交通大学光子全重在读博士生（2020级），研究方向为硅基高速电光调制器。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-025-00174-7
文献检索： PhotoniX 6, 17 (2025). https://doi.org/10.1186/s43074-025-00174-7
