OFC 2026 PDP： McGill/Ciena/Lumiphase展示448G PAM4薄膜BTO硅光异质集成芯片

一、研究背景与行业技术挑战

人工智能驱动的数据中心流量爆发式增长，推动光互连向单通道400Gbps以上的速率演进。当前主流技术路线均存在明显瓶颈：

- 薄膜铌酸锂（TFLN）平台虽已实现单通道400Gbps PAM4传输，但存在差分RF接口适配难度大、相移器尺寸偏大、与硅平台异质集成复杂度高等工程化难题；

- InP材料器件带宽性能优异，但受限于3-6英寸的小晶圆尺寸，成本效率不足，难以支撑超大规模数据中心的放量需求；

- 纯硅调制器受限于等离子体色散效应的固有局限，带宽与损耗性能难以兼顾，此前硅光子平台始终未实现净400Gbps PAM4的传输演示；

- 薄膜BTO作为新兴电光材料，具备低光学损耗、硅基材料体系中最大的直流普克尔斯系数、与标准硅光子工艺完全兼容的核心优势，且已在GlobalFoundries 300mm硅光子工艺中实现95%的功能良率(PsiQuantum)，具备大规模量产潜力。但此前BTO基IMDD器件的最高净传输速率未突破256Gbps PAM4，6dB电光带宽未超过50GHz，材料潜力未被充分释放。

二、BTO硅光子集成芯片的设计与制造

本次工作基于商用200mm硅光子代工厂工艺，设计并制造了面向400G/lane应用的BTO DR4原型芯片，核心设计与性能如下：

1. 芯片架构与工艺方案

芯片尺寸为5.1×3.5mm²，采用“硅基无源+BTO有源”的异构集成架构，最大化复用成熟硅光子工艺能力：

- 所有无源器件（包括硅/氮化硅波导、1×4光分路器、MMI、热相移器、边缘耦合器）、锗光电二极管（PD）、掺杂硅电阻均在商用硅光子平台完成流片；

- 采用分子束外延生长薄膜BTO材料，转移至已完成流片的硅光子晶圆上，通过层间模式耦合器实现硅/氮化硅层与BTO波导的低损耗光耦合，仅高速电光相移器采用BTO材料，大幅降低工艺改造成本；

- 高速相移器通过后道工艺（BEOL）完成制备，同步集成50Ω差分终端、片上热调谐结构，工艺完全兼容现有硅光子量产线。目前该技术基于200mm晶圆制造，已完成300mm BTO晶圆的晶体质量验证，具备向更大尺寸晶圆升级的能力。

2. 核心器件性能

本次研制的BTO芯片实现了器件性能的量级突破，核心参数如下：

- 电光带宽：裸片实现3dB电光带宽55GHz，6dB电光带宽105GHz，是此前非等离子体BTO调制器带宽的2倍以上，首次将BTO调制器的6dB带宽提升至100GHz以上；

- 调制效率：1.75mm长的相移器实现差分Vπ=6V@1GHz，直流消光比＞35dB，验证了模式耦合器与干涉仪结构的高均匀性；

- 集成功能：片上集成8个锗监测PD、高效热相移器（Pπ=13mW）、带模斑转换器的氮化硅边缘耦合器，具备完整的商用光芯片功能；

- 封装方案：采用适配IMDD系统的相干驱动调制器（CDM）封装，复用Ciena WaveLogic 6 Extreme技术的量产组件，内置100GHz差分RF驱动器（100GHz处增益达30dB），通过绑线实现与BTO差分推挽接口的匹配，解决了TFLN等平台难以适配标准差分RF接口的痛点。

3. 链路损耗情况

芯片成品的光纤到光纤总插入损耗为12.5-14dB，其中PIC本身固有损耗仅11.5dB（包括1×4光分路器6dB、单端边缘耦合器1.25dB、片上传输损耗3dB），额外1-2.5dB损耗来自80μm包层与125μm包层光纤的非标准化熔接，后续可优化。

三、实验测试系统搭建

为验证芯片的高速传输性能，团队搭建了113GHz带宽的IMDD传输测试系统，核心配置如下：

- 光载波：20dBm O波段1310nm量子点DFB激光器，经片上1×4分路器均匀分配至4个通道；

- 电信号源：采用3nm CMOS工艺制造的Ciena WaveLogic 6 Extreme 225GBaud SerDes，通过带宽＞113GHz的RF PCB与柔性带状线向芯片传输高速电信号；

- 环境控制：采用热电制冷器（TEC）将芯片与驱动器加热至最高85℃，验证高温工作稳定性；

- 传输链路：发射端平均输出光功率2dBm，经掺镨光纤放大器（PDFA）补偿链路损耗（替代未到位的PD+TIA方案），通过2km单模光纤传输后，由100GHz O波段PD接收，113GHz实时示波器（RTO）采样；

- 信号处理：发射端离线DSP采用重采样与最高100GHz的预加重，补偿SerDes的频响衰减；接收端采用DFE+1-tap MLSE非线性均衡，补偿RF驱动器100GHz后约15dB的增益滚降（驱动器原面向DWDM相干系统设计）。

串扰测试验证：芯片相邻通道电极间距625μm，100GHz频率处串扰仅约-20dB，低频段串扰几乎可忽略，单通道测试结果与多通道并行工作性能无差异，本次实验采用单通道依次驱动的方式完成测试。

四、核心实验结果与分析

本次测试完整验证了BTO芯片的高速传输、温度稳定性与系统余量，核心结果如下：

1. 高速传输性能突破

所有4个通道均在2km光纤传输中实现了超400Gbps的单通道净速率，达成了硅光子平台的首次突破：

- PAM4调制：225GBaud符号率下，所有通道BER均低于HD-FEC阈值（4.5×10^-3），单通道净速率422Gbps，总净容量达1.6Tbps（4×448Gbps）；112GBaud符号率下，仅采用DFE均衡即可实现BER＜1e-6，达到示波器测量极限；

- PAM6调制：225GBaud符号率下，所有通道BER均低于OFEC阈值（2×10^-2），单通道净速率506Gbps，总净容量达2.02Tbps；

- PAM8调制：225GBaud符号率下，所有通道BER均低于SD-25 FEC阈值（5×10^-2），单通道净速率540Gbps，总净容量达2.16Tbps。

通道间的性能差异仅来自光纤熔接损耗的不一致（性能最优的MZM3通道插入损耗较其他通道低1dB），与芯片本身的良率、均匀性无关。

2. 温度稳定性验证

测试覆盖20℃、50℃、85℃三个温度点（TEC极限温度），结果显示：芯片仅在≥50℃时出现轻微的性能衰减，该衰减完全来自RF驱动器高温下约2dB的增益下降，而非BTO材料本身的性能退化。

值得注意的是，体相BTO的居里温度仅120℃，但薄膜BTO器件已被验证可在250℃下实现无 penalty的稳定工作，证明薄膜BTO的居里温度远高于体相材料，具备商用光模块所需的高温可靠性。

3. 接收灵敏度与系统余量

225GBaud PAM4信号的接收灵敏度测试显示：接收端最大输入光功率为10.5dBm，仅需PDFA提供5dB的增益即可实现BER低于HD-FEC阈值；85℃高温下，额外引入3dB插入损耗仍可满足HD-FEC误码要求，具备充足的系统余量，可适配商用光模块的典型链路预算。

五、结论与行业价值

本次工作首次在商用硅光子平台上，基于薄膜BTO材料实现了单通道400Gbps以上的净传输速率，完成了4通道净1.6Tbps的O波段IMDD传输演示，刷新了硅光子平台单通道IMDD传输的速率纪录。

该成果的核心价值在于：既充分释放了BTO材料的高带宽、低损耗、高调制效率优势，又完全复用了成熟的商用硅光子量产工艺与封装技术，解决了此前高速调制材料的工程化与量产难题，为AI时代单波400G/3.2T超高速光互连提供了低成本、可量产的核心技术方案。