An 8 × 160 Gb/s all-silicon avalanche photodiode chip

DOI:  https://doi.org/10.1038/s41566-024-01495-y

随着人工智能模型和深度神经网络变得越来越复杂和精密，计算集群需要在处理器、内存和计算节点之间实现更快、更高效的网络通信。然而，当前基于电气链路的芯片内和芯片间网络正在努力满足对带宽、延迟和功耗日益增长的需求。随着数据传输成为计算的瓶颈，提供距离、速度和节能优势的光互连已成为一种很有前途的解决方案。在不久的将来，将部署 800Gb/s、1.6 Tb/s及更高的光互连，以满足不断增长的需求。硅光子学利用成熟的 CMOS 制造工艺，具有更高的集成密度、更低的成本和 CMOS 加工精度等巨大优势。该技术允许将光学 I/O 小芯片直接与电子芯片（如 CPU、GPU、张量处理单元和专用集成电路）共同封装。

高速、高响应度的光电探测器PD在光互连中至关重要，但实现高性能光电探测器面临着一个主要挑战：硅（Si）材料的带隙较宽（对应的截止波长约为1.1 µm），限制了其在通信波长下的光探测效率。传统的解决方案是通过异质外延生长锗（Ge）等材料来扩展硅基光电探测器的光谱响应范围，但这不仅增加了制造过程的复杂性，还提高了成本。以数据密集型400 Gb/s短距离收发器为例，成本约为每千兆位 1 美元，远低于每Gb/s10美分或更低的目标成本。此外，硬件的发展也给带宽密度、成本、可靠性和良率等光学指标带来了压力。

为了克服这些挑战，研究人员一直在探索全硅光电探测器，以利用成熟的CMOS制造工艺实现低成本、高集成度的光电互连解决方案。然而，全硅光电探测器也面临着响应度与带宽之间的权衡，以及信道容量与串扰之间的挑战。微环谐振器（MRR）已被证明可以增强光探测器的响应度，并作为波分复用（WDM）系统中的解复用器，实现高数据速率传输。然而，传统的单MRR雪崩光电二极管（APD）在带宽与响应度之间以及信道容量与串扰之间存在固有的权衡。

基于此，美国大型集成光子学实验室的Peng等人通过开发一种基于双MRR结构的全硅APD，来解决上述挑战。这种设计旨在提高响应度与带宽的乘积，同时抑制信道间的串扰，从而实现高性能、低成本的全硅光电接收器（RX）。这一研究对于推动硅光子学在高速、高密度光学互连中的应用具有重要意义，有望为未来光学网络提供超过3.2 Tb/s的互连能力，并实现显著的芯片成本节省。

图1a是双 MRR APD 的示意图。总线波导中的光高度为 220 nm，宽度为 500 nm，与 MRR 耦合。双 MRR APD 由两个半径为 7.5 μm 的谐振器组成。第一个未掺杂的 MRR 具有低传播损耗。第二个 MRR 有一个充当 PD 的 PIN 连接。图 1b 是它的横截面示意图。

不对称的 PIN 结确保耗尽区位于弯曲波导部分的光模式中心。P和N区之间的本征区域通过增加与电场的模式重叠来改善光子吸收。未掺杂区域还减少了损耗并增强了腔体谐振，从而提高了总响应度。除了PIN结，第二个MRR还可以有一个 Z 形 PN 结，其特征是能够增强与磁场的模态重叠。图 1c 显示了第二个MRR中−8V下的模拟电场分布。当 PIN 结受到较大的偏置电压时，强电场使导带和价带靠得更近。这使得价带电子更容易隧穿到导带中，这种现象称为 PAT。因此，亚带隙吸收在−8V时变得明显。此外，高电场足以让冲击电离提高光电流。

图3 MRR APD 的频谱和串扰

图 3a 显示了八通道 RX 的测量透射光谱，其中加热器进行了调整，以补偿制造误差并匹配谐振。MRR RX 的 FSR 为 9.02 nm （1.57 THz），通道间隔为 1.07 nm （187 GHz）。选择通道 4 进行后续通道串扰测量。APD 的工作电压设置为−8 V。双 MRR APD 的 S21 曲线如图3b所示。经测得，相邻通道之间的串扰在所有频率上均小于 −50 dB，这在 DWDM RX 系统中可以忽略不计。测量表明，仅 0.77 nm 的信道间隔可以保证小于−40 dB的串扰，这不会显著影响四电平信号 （PAM-4） 的脉冲幅度调制质量PAM-4。如果采用 5 μm 半径的 MRR，则抑制的串扰可以在单个 FSR 内启用 18 通道 DWDM 链路。

I-V 特性是在中心谐振波长下测量的，如图4a所示。得益于成熟的 Si 工艺，所有八个通道的 APD 都表现出良好的均匀性。当−8.0或−8.1V时的响应度分别为 0.4 或 0.75A/W时，它们都表现出~1或~2 nA的极低暗电流。在波导中测得的光功率为 −16.5 dBm。如图4c所示在较高光功率下，响应度较低。这可以归因于雪崩增益饱和，这也发生在传统的 APD 中。当光功率为 3.5 或 -6.5 dBm 时，在 -8.0 V 时的响应度分别下降到 0.175A/W和0.3A/W。

除了抑制信道串扰外，双微环谐振器（MRR）结构的另一个优点是具有高带宽。图5a描绘了所有八个通道在-8 V电压和-16.5 dBm光功率下全硅雪崩光电二极管（APD）的频率响应。小信号响应也表现出良好的一致性。在无增益的低偏压下，最大带宽超过50 GHz。在增益为5.9（-8.0 V）或8.9（-8.1 V）时，所有器件在-8.0 V和-8.1 V下分别实现了约40 GHz和约35 GHz的3 dB带宽，这几乎是单MRR APD的两倍。实验数据证实了带宽的理论预测。在-8.0 V和-8.1 V下，增益-带宽积分别为236 GHz和311 GHz，与常见的商用InAlAs APD相当。

为了研究雪崩光电二极管（APD）的动态特性，该工作在没有跨阻放大器（TIA）的情况下进行了眼图测量。所有眼图测量都是在2.5 dBm的光功率下进行的，该功率受到光路损耗的限制。APD的工作偏压为-8V。图5b展示了在示波器上直接应用了八抽头前馈均衡的92 Gb/s非归零（NRZ）和160 Gb/s四电平脉冲幅度调制（PAM-4）眼图的测量结果。

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