3D光电子集成技术取得新突破

中国电子报

2025-03-24 16:26发布于北京中国电子报官方账号

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近日，哥伦比亚大学研究团队的一项关于三维（3D）光电子集成技术的研究成果在国际学术期刊《自然光子学》（Nature Photonics）上在线发表，该研究通过80通道的三维集成验证了光子芯片在AI计算中的潜力。

硅光子技术可将光学元件集成于单一芯片。论文指出，此前研究已实现单芯片64通道系统（发射端240 fJ/比特），但接收端能耗超过1000 fJ/比特，且二维平面布局限制了密度。三维集成通过分离光子芯片与先进CMOS电子芯片，突破了上述限制。不过，现有3D集成方案通道数不足8个，且键合间距远大于器件尺寸。

在此次研究中，仅为0.3 mm²的芯片面积上集成了80个光子发射器与接收器，其3D集成通道数量较此前提升了一个数量级。由此实现了高带宽（800 Gb/s）与高密度（5.3 Tb/s/mm²）的3D通道。据介绍，在收发器组装中，光子芯片通过美国集成光子制造研究所（AIM Photonics）定制工艺制造，电子芯片采用了台积电28nm CMOS工艺，键合工艺结合了铜锡凸点与热压键合技术。

从发射器到接收器的链路

值得关注的是，该架构兼容商用12英寸（300mm）晶圆CMOS工艺，具备大规模生产潜力。此类超高效、高带宽的数据链路有望消除分布式计算节点间的带宽瓶颈，支持未来AI计算硬件的扩展。

光作为通信介质，能以极低能耗传输海量数据，为突破当前计算能力极限提供了可能。光互联技术利用光子传输数据替代传统电信号，正深刻重塑芯片产业的架构与性能边界。目前，光互联正从“技术实验”迈向“产业支柱”，其高带宽、低功耗特性将重塑芯片设计范式。而随着3D集成、硅光子和先进封装技术的协同突破，未来十年光互联有望成为高性能计算、AI及6G通信的底层标配，驱动芯片产业进入“光子时代”。

作者丨杨鹏岳

编辑丨张心怡

美编丨马利亚

监制丨连晓东

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