高速低驱压硅基聚合物电光调制器

由德国KIT孵化的SilOriX公司专注于面向下一代光互连的高速硅基聚合物混合调制器，公司CTO及联合创始人Carsten Eschenbaum在OCP EMEA 2025上做了题目为Silicon-organic hybrid electro-optic modulators for next generation optical interconnects的报告。

一、AI时代光互连的核心挑战

人工智能技术的爆发式增长正推动计算系统向超大规模参数网络演进——当前主流AI模型已包含数万亿参数，且规模以每两年400倍的速度扩张。这一趋势对数据中心的互连性能提出了严苛挑战：传统光互连技术的带宽仅能以每两年1.7倍的速度提升，GPU算力提升速度为每两年3倍，两者均远低于AI模型的扩展需求。更严峻的是，光互连的高功耗问题已成为数据中心能效的主要瓶颈——大型数据中心中高达40%的能耗用于网络互连，而作为光互连核心组件的电光调制器，因其固有的体积、驱动电压和功耗限制，成为制约AI集群规模化扩展的关键因素。

二、硅-有机混合调制器的技术架构

（一）硅光子平台的兼容性与扩展性

Silorix的解决方案基于标准硅绝缘体（SOI）平台，兼容全球主流硅光子代工工艺，仅需代工方提供氧化物开口工艺即可实现集成。这一设计保留了硅光子技术的大规模量产能力和成本优势，同时为有机材料的引入开辟了路径。

（二）有机电光材料的特性与集成工艺

1. 材料特性：

采用具有超高极化率的有机分子，研究表明其线性电光系数R33超过1000 pm/V(与BTO接近)，通过分子结构设计（包含电子供体、受体及π桥接结构）实现外电场下的高效电子迁移，激活分子层面的普克尔斯效应（Pockels effect）。材料可针对C波段（通信波段）和O波段（原始波段）应用进行定制化设计。

2. 晶圆级集成工艺：

- 结构制备：通过代工厂获取带有220 nm厚硅层的SOI晶圆，其氧化物开口结构（常见于生物传感等工艺）用于后续有机材料注入。

- 分子定向：通过喷墨打印技术在晶圆表面涂覆有机材料，随后施加极化电压并加热至玻璃化转变温度，使分子在外加电场作用下定向排列；冷却后保持电压，将分子“冻结”在所需取向，形成具有宏观电光响应的调制层。

（三）槽波导器件的设计原理

核心器件采用硅狭缝波导结构：由硅平板和脊波导形成宽度100-200 nm的slot，slot填充有机电光材料。电极连接两侧硅平板，当施加电信号时，电场垂直作用于slot区域，与光场模式高度重叠（光学模场与射频场重叠率>90%），从而实现高效的折射率调制。Silorix通过光子集成电路设计团队与化学团队的协同优化，确保器件的光学与电学特性匹配。

三、关键性能指标与实验验证

（一）功耗与驱动能力

器件支持驱动电压<1 V，可直接由DSP芯片驱动，无需RF放大器，使收发器能耗从20 pJ/bit降至5 pJ/bit（降幅达75%）。在OFC 2024展示的无放大器驱动实验中，实现了112G PAM4信号传输，驱动电压仅为265 mV峰峰值。

（二）带宽与数据速率

- 带宽特性：实测3 dB带宽达74 GHz，模拟显示6 dB带宽可超过100 GHz（受限于110 GHz测试设备）。通过优化硅平板掺杂浓度，在降低RC时间常数的同时抑制自由载流子吸收，实现器件长度<1 mm、插入损耗2-3 dB/mm的高性能平衡。

- 高速传输验证：

- C波段测试：利用外置RF放大器（驱动电压1.6 V峰峰值），实现192 Gbd PAM4、176 Gbd PAM6及176 Gbd PAM8传输，单通道速率突破500 Gbps。

- O波段测试：无放大器辅助下，实现192 Gbd PAM4传输，验证了材料在低功耗场景下的适用性。

（三）可靠性与稳定性

有机材料通过极端条件测试：在芯片级10 dBm光功率注入下（slot内光强达5 MW/cm²，相当于太阳表面强度的数百倍），材料性能在数千小时测试中保持稳定。通过类似OLED的沉积保护层工艺，器件长期使用下的可靠性没有问题。

四、结论

Silorix的硅-有机混合电光调制器通过融合硅光子的可扩展性与有机材料的高电光效率，为AI数据中心的光互连瓶颈提供了突破性解决方案。其亚毫米级器件尺寸、＜1V驱动、74 GHz带宽及近400 Gbps单波长速率等特性，不仅满足当前AI集群的高带宽低功耗需求，更以硅基工艺兼容性为未来Tbps级光互连奠定了基础。随着晶圆级工艺的成熟，这一技术有望在未来成为数据中心光互连的潜在方案，推动算力基础设施向更高性能、更低能耗演进。