揭秘！我国团队突破氮化物片上光通信瓶颈，200Mbps实时视频传输不再是难题

在光子计算与数据中心内部高速互联的需求驱动下，硅基光电子技术虽已商用，但其固有局限，如无法高效产生与探测特定波段的光，制约了性能的进一步飞跃。氮化物半导体，尤其是氮化镓家族，以其直接带隙、宽波段可调（从紫外到近红外）、高耐压和高热导率等“天赋异禀”的特性，被视为实现下一代高性能、多功能片上光子集成电路的极具潜力的候选者。

然而，如何将氮化物材料优异的发光、调制与探测性能在单个芯片上高效地集成，形成一个完整的“发射-传输-接收”片上光通信系统，一直是全球该领域科研人员努力攻克的重大技术难题。

近日，一个由中国科学家主导的国际联合研究团队传来了令人振奋的突破性消息。中国科学院半导体研究所的王军喜、魏同波研究员团队，联合复旦大学沈超研究员以及沙特国王科技大学李晓航副教授，成功制备出高性能的氮化物片上日盲光通信集成器件，并首次搭建了可以实时传输动态视频信号的片上光通信集成系统原型。这一标志性成果，为氮化物材料在未来超高速、高密度、抗干扰的片上光互连与光计算应用铺平了道路，相关论文已发表在光学领域顶级期刊《激光与光子学评论》上。

01 核心突破：从离散器件到功能集成的跨越

研究团队的核心成就，在于实现了氮化物发光二极管、光波导与光电探测器的高效单片集成。这并非简单地将三个部件拼装在一起，而是在同一块氮化物晶圆上，通过精密的微纳加工工艺，让它们无缝连接、协同工作，构成了一个完整的“光子收发一体”微型系统。

在微观层面，团队巧妙地设计了氮化物微阵列结构。这种结构类似于在芯片表面构建了微小的“发光岛”和“接收岛”，它们通过同样由氮化物材料制成的光波导——“光子高速公路”——相互连接。这种设计极大地增强了光在芯片内部的传输效率和控制能力，实验测得集成光波导的光学限制因子提高了51.9%，意味着光能量被更紧密地束缚在波导中传输，损耗大幅降低。

02 性能飞跃：关键指标达到国际先进水平

该集成器件的各项性能参数均达到了国际先进水平，充分展现了氮化物集成的巨大优势：

• 超高速调制带宽：集成的发光单元在仅30 A/cm²的低电流密度驱动下，其-3 dB通信带宽达到了惊人的451 MHz。这一指标远高于同类氮化物器件，意味着它能够承载更高速的数据流。

• 超高灵敏度探测：集成的光电探测器无需外部电源供电（自驱动），表现出了高达6.51×10⁵的光开关比和73.3 A/W的响应度。前者表明探测器区分明暗信号的极端能力，后者则意味着它对微弱光信号极其敏感，这两项指标均为业界领先。

• 系统级高速通信：基于上述高性能器件，研究团队成功构建了片上光通信演示系统。该系统在实验中被证实可实现高达200 Mbps的实时数据传输速率，足以流畅传输高清视频信号，并展现出纳秒级的瞬态响应能力，为未来实现超高速、低延迟的芯片内光通信奠定了基础。

03 深远影响：开启氮化物光子集成新篇章

这一研究成果的突破性意义，不仅在于实现了高性能的集成演示，更在于它系统地验证了氮化物材料体系在复杂光子集成电路领域的可行性与优越性。

研究团队同期在国际知名期刊《应用物理评论》上发表的综述论文，进一步从理论层面系统阐述了III族氮化物（如GaN、AlN、InN及其合金）在微电子、光子学与光电子学领域实现单片集成的宏伟蓝图。这种“All-in-One”的集成策略，能够从根本上消除传统分立器件互连带来的寄生效应、信号损耗和体积庞大等问题，显著提升系统的可靠性、紧凑性和能效。

该工作为未来在单个芯片上集成激光器、调制器、波导、探测器乃至电子电路，实现真正意义上的“光电融合”芯片，提供了关键的技术路径和理论支撑。可以预见，随着氮化物光子集成技术的成熟，它将在高速光通信、激光雷达、生化传感、量子信息处理等前沿领域发挥不可或缺的核心作用，推动信息技术迈向新的高度。

从单个高性能器件到功能完整的片上系统，这项研究标志着我国科学家在氮化物光电子集成这一战略新兴领域已跻身世界前沿。它不仅仅是实验室里的一项技术突破，更是向构建未来超高速、智能化信息社会所迈出的坚实一步。