引 言

一根光纤，让-269℃的量子世界与室温环境实现高速对话。

在量子计算和超导计算机研发的道路上，科学家们一直面临一个棘手难题：如何让超导芯片在接近绝对零度的极寒环境中与室温环境进行高效通信？传统电缆不仅笨重脆弱，还会泄漏宝贵低温资源，而无线解决方案又受限于带宽和干扰问题。

近日，来自加州大学伯克利分校和波士顿大学的研究团队在《自然电子学》杂志发表了一项突破性研究，他们成功开发出了一种完全封装的低温光学发射器，能够直接与超导芯片接口，仅需毫伏级别的电压摆动即可运行，为未来低温计算系统提供了全新的互联解决方案。

第一章 为什么需要低温光学互联？

超导电子器件和量子处理器需要在极低温度下运行（通常接近-269℃），以获得其独特的量子特性。然而，这些设备的控制和数据读取需要与室温环境进行通信。

传统的电互联方案使用同轴电缆和焊接接头，这些组件不仅体积庞大、易损，还会形成热泄漏路径，降低整体能效。无线解决方案虽能减少热泄漏，但可扩展性受天线尺寸和信号干扰限制。

光学互联则提供了最佳解决方案：光纤轻便、带宽高、抗电磁干扰，且能极大提高低温计算系统的可靠性、密度和能效。但直到现在，实现这一技术面临重大挑战——如何将超导电路产生的极低电压信号（约1mV）有效转换为光信号，而无需复杂的放大环节。

图1 单芯片光学接口连接到SCEIC。提出的用于SCE IC读出的低温电光接口。

第二章 技术突破：单芯片光电接口的诞生

研究团队描述了一种单片单芯片低温光电接口（CRYO-TX），该芯片采用商业互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术制作，无需对代工工艺进行任何更改即可容纳光子器件。

该团队使用了GlobalFoundries的45纳米节点绝缘体上硅（SOI）工艺来制造芯片。超导逻辑核心产生的单磁通量子电压脉冲经过SFQ-to-d.c。转换器和SQUID堆栈放大器（SSA）处理，输出毫伏级不归零脉冲。

这些脉冲被传输到CRYO-TX芯片，该芯片包含低噪声CMOS放大器和微环调制器（MRM）。晶体管与光子组件之间的距离小于10微米，这使得寄生电容可忽略不计，从而提高了能效。

每个NRZ信号被放大后用于驱动MRM。这些具有不同共振波长的MRM在单个总线波导上级联，实现了多通道波分复用传输。

研究团队采用了激光前向相干链路架构，减少了低温环境中的能量耗散。实验表明，该链路可运行至1Gbit/s，能耗低至每比特50fJ（仅计算发射器能量）和每比特673fJ（包括驱动能量、激光功率和光学损耗）。

图2 集成电光发射器。a, 发射器单元细胞的显微图。b, CMOS放大器的示意图（实现细节见补充部分2）。c,d, CMOS放大器在低温下的模拟频率响应（c）和瞬态响应（d），负载电容为30-fF，输入驱动电压为4mV峰峰值。e, MRM的透视图。f, 其横截面，显示在谐振器光导区域形成的垂直p-n结。Decap, 去耦电容；ESD, 静电放电单元；Tx, 发射器；Vin, 输入电压；Vterm, 终止电阻偏压；Vout, 输出电压；|Ex|, 导模的电场幅度。

第三章 低温下的卓越性能

为了验证技术在极端环境下的可靠性，研究团队对芯片进行了全面的低温测试。

晶体管的电流-电压特性测量显示，在低温下，由于载流子迁移率增加，晶体管的性能实际上得到了改善。尽管载流子冻结导致阈值电压增加，但在高栅源电压区域，电流整体增加。

亚阈值摆幅在低温下减小，导致亚阈值区域电流急剧变化。因此，当在亚阈值区域工作时，晶体管跨导在低温下显著改善，跨导效率提高数倍，使低温CMOS更加节能。

光学调制器在4K温度下表现出17dB至26dB的共振消光比，平均调制效率为20GHz/V。电光发射器的频率响应显示，当调制器反向偏置时，3dB带宽为500MHz。

高速数据调制实验采用相位调制激光前向相干检测方案进行。结果显示，仅需几毫伏的驱动信号就足以驱动光学发射器获得清晰的眼图。

图3 低温下器件的表征。a, 不同温度下，尺寸为W=1.3μm、L=56nm的n型金属氧化物半导体晶体管的I_D与V_GS关系图，V_DS=950mV，使用对数（左y轴）和线性（右y轴）尺度。b, 晶体管在2.5K和300K下的跨导（g_m）和跨导效率（g_m/I_D）与漏电流I_D的关系。c, 4K下MRM在不同偏压下的光学传输响应。d, 4K和299K下相对共振偏移与偏压的关系。e, 集成光学发射器在4K下不同偏压的频率响应（S21系数）。f, 在4K下测量的外部驱动电压为4mV峰峰值（左）或10mV峰峰值（右）的1Gbit/s眼图。将驱动电压从10mV峰峰值降低到4mV峰峰值后，需要两倍激光功率才能获得相同的光学调制幅度，代价是信噪比略有降低。补充部分4提供了实验设置的更多细节。V_GS和V_DS分别是晶体管的栅源电压和漏源电压。

第四章 全封装系统的实现与测试

为模拟实际应用，光学发射器需要完全封装，以便与超导集成电路安装在同一个工作站中进行测试。封装后的芯片通过低温环氧树脂固定，尽管低温下热膨胀略微改变了光纤阵列的位置，使耦合损耗增加了几个分贝，但系统仍保持稳定运行。

图4 封装的光学发射器。a, 封装芯片的显微图。插图为CMOS芯片的放大图。b, 光学封装在4K和299K的端到端耦合损耗。c, 低温恒温器中光学发射器和SCE模块的测试设置。

链路演示中，超导模块的输出首先用商用放大器进行测试，产生67mVpp的电压摆动，表明超导集成电路的输出摆动约为4.7mVpp。随后，光学发射器在强度调制直接检测配置下进行测试，结果显示光学发射器在低温下被超导集成电路直接驱动时工作正常。

当采用PM-LFCD配置时，所需的激光功率和相应的光损失大大降低，从而提高了能效。与IMDD相比，达到相同误码率所需的激光功率降低了近9dB。当误码率为5x10^-5时，对于50/50和10/90的分光比，4K参考能效分别为每比特871fJ和673fJ。

终章 展望

尽管这项低温光学互联技术已取得突破性进展，但研究团队指出仍有多个方向值得探索。若采用代工厂已在电子-光子45SPCLO工艺中开发的自对准光纤附着方案（单面损耗<1.5dB），系统能效可提升至每比特101fJ，比现有水平提高近6倍。通过使用更复杂的接收器与决策反馈均衡技术，链路数据速率有望从1Gbit/s提升至5Gbit/s，届时能效将进一步提高至约每比特20fJ。多通道波分复用技术的成熟应用将实现在单根光纤上同时传输数十个信道，大幅提升互联带宽密度。随着超导芯片规模扩大，双向光学互联技术的完善将为超导计算机提供真正的"光速I/O"能力。这项技术不仅适用于量子计算系统，在天文观测、深空探测等需要极端低温环境的高灵敏度探测器领域同样具有广阔应用前景。随着技术瓶颈的突破和产业生态的成熟，低温光学互联有望成为连接量子世界与经典计算世界的重要桥梁，推动未来计算技术进入新发展阶段。

论文链接：Yin, B., Gevorgyan, H., Onural, D. et al. A fully packaged cryogenic optical transmitter directly interfaced with a superconducting chip. Nat Electron (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01505-z