3D光电子集成技术取得新突破

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(jiàn)集成(chéng)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(shè)端(duān)240 fJ/比(bǐ)特(tè)），但(dàn)接(jiē)收(shōu)端(duān)能(néng)耗(hào)超(chāo)过(guò)1000 fJ/比(bǐ)特(tè)，且(qiě)二(èr)维(wéi)平(píng)面(miàn)布(bù)局(jú)限(xiàn)制(zhì)了(le)密(mì)度(dù)。三(sān)维(wéi)集成(chéng)通(tōng)过(guò)分(fēn)离(lí)光(guāng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)与(yǔ)先(xiān)进(jìn)CMOS电(diàn)子(zi)芯(xīn)片(piàn)，突(tū)破(pò)了(le)上(shàng)述(shù)限(xiàn)制(zhì)。不(bù)过(guò)，现(xiàn)有(yǒu)3D集成(chéng)方(fāng)案(àn)通(tōng)道(dào)数(shù)不(bù)足(zú)8个(gè)，且(qiě)键合(hé)间(jiān)距(jù)远(yuǎn)大(dà)于(yú)器(qì)件(jiàn)尺(chǐ)寸(cùn)。

在(zài)此(cǐ)次(cì)研(yán)究(jiū)中(zhōng)，仅(jǐn)为(wèi)0.3 mm²的(de)芯(xīn)片(piàn)面(miàn)积(jī)上(shàng)集成(chéng)了(le)80个(gè)光(guāng)子(zi)发(fā)射(shè)器(qì)与(yǔ)接(jiē)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。

图(tú)为(wèi)从(cóng)发(fā)射(shè)器到接收器的链路

值得(de)关注(zhù)的(de)是(shì)，该架构兼容商用12英寸（300mm）晶(jīng)圆(yuán)CMOS工(gōng)艺，具备大规模生产潜力。此类超高效(xiào)、高(gāo)带宽的数据链路有望消(xiāo)除(chú)分(fēn)布(bù)式(shì)计(jì)算(suàn)节(jié)点(diǎn)间的带宽瓶颈，支持未来AI计算硬件(jiàn)的(de)扩(kuò)展(zhǎn)。

光(guāng)作(zuò)为(wèi)通(tōng)信(xìn)介(jiè)质(zhì)，能(néng)以(yǐ)极(jí)低(dī)能(néng)耗(hào)传(chuán)输(shū)海(hǎi)量(liàng)数(shù)据(jù)，为(wèi)突(tū)破(pò)当(dāng)前(qián)计(jì)算(suàn)能(néng)力(lì)极(jí)限(xiàn)提(tí)供(gōng)了(le)可(kě)能(néng)。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(yè)的(de)架(jià)构(gòu)与(yǔ)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”。

（附原文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01633-0）