用于光互连的硅光子与量子点激光器，满足AI基础设施需求

如何扩展下一代系统的光互连技术？一个解决方案是集成量子点光增益的硅光子技术。

Aeluma公司的300毫米III-V族材料硅基沉积（左）与300毫米硅光子晶圆上的选择性区域异质外延（右）

人工智能（AI）和高性能计算（HPC）应用的快速增长，正在推动AI基础设施对高带宽、低延迟和节能光互连技术的空前需求。

这些应用需要更具可扩展性和成本效益的光子数据传输解决方案，因此硅光子学已成为光模块和其他光互连功能的关键技术。主要半导体代工厂——包括TowerJazz、GlobalFoundries、英特尔、台积电、三星和意法半导体——正在完善并推广其硅光子技术能力，这验证了该技术作为新一代通信与计算系统核心架构的重要性。

激光器集成挑战

尽管硅光子技术取得巨大进展，但高性能激光器与光增益的集成仍是持续存在的挑战。某些链路架构可能满足于"远程激光器"独立封装并通过光纤与硅光子器件耦合的方案，但片上光增益在最小化功耗与占地面积、最大化性能方面具有显著优势。为实现集成光增益，部分商用平台采用预制激光器或增益芯片的倒装焊技术，另一些则依赖晶圆或小芯片键合后加工。这些方法增加了复杂性和成本，且在可扩展性和增益密度（每芯片增益元件数量）方面存在局限。

更优解决方案是在硅基上直接外延生长激光材料，使其能集成到硅光子前端制造工艺中。金属有机化学气相沉积（MOCVD）正成为该领域的领先技术，因其具备可扩展性和选区生长能力——能在其他组件之间的图案化结构中实现选择性材料沉积。这种沉积方式与硅光子中光电二极管选择性沉积锗的工艺具有相似性。

MOCVD vs MBE：工艺集成与可扩展性

历史上，分子束外延（MBE）主要用于III-V族化合物半导体材料的研发与小规模生产。MBE的较低吞吐量和较高运营成本制约其大规模制造。相比之下，MOCVD已成为LED、高电子迁移率晶体管（HEMT）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）等器件大规模制造的行业标准。除可扩展性外，MOCVD的选区生长能力可实现工艺集成，这对硅光子学具有重要价值。

量子点：硅光子学的理想增益介质

在片上光增益方面，量子点（QD）相较传统量子阱具有显著优势。量子点激光器展现出更低的阈值电流、温度敏感性和线宽增强因子。后者使QD激光器特别适用于窄线宽激光器和频率梳光源应用。

另一优势是QD光增益介质对光背向反射敏感度较低，无需光隔离器。由于载流子迁移长度缩短一个数量级以上，且离散点分布具有缺陷捕获能力，QD对材料缺陷更具耐受性。

MOCVD量子点激光器：制造突破

虽然MBE曾主导QD激光器制造，但MOCVD因其可扩展性和工艺集成性更受青睐。Aeluma公司通过选区生长法，在硅光子学常用的200/300毫米衬底上实现了MOCVD高质量量子点合成。这种选择性MOCVD生长技术规避了晶圆/小芯片键合的挑战，提供了与前端工艺兼容的光增益集成方案。该单片集成方法为新型激光腔设计提供终极灵活性，并支持超高增益密度集成。

满足下一代计算需求

MOCVD生长QD激光器的可扩展性，有望满足AI和HPC应用对高带宽、低延迟、节能光互连的激增需求。现代AI工作负载需要数据中心内部/间海量数据传输，传统电互连已逼近物理极限。集成QD光增益的硅光子学为扩展下一代系统光互连技术指明方向。

文章来源：Laser Focus World，作者Bei Shi 是位于加利福尼亚州戈利塔的半导体公司 Aeluma, Inc. 的首席科学家。