近日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院(信息與電子工程學(xué)院)周林杰老師團(tuán)隊(duì)李雨副教授，聯(lián)合諸葛群碧教授團(tuán)隊(duì)及華為團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)中心高速光互連領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了具有片上自適應(yīng)色散補(bǔ)償功能的4×256 Gbps硅基高速發(fā)射機(jī)，開創(chuàng)性地通過在硅基馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)前集成可調(diào)分光器調(diào)節(jié)MZM調(diào)制信號的啁啾，實(shí)現(xiàn)對光纖色散的自適應(yīng)補(bǔ)償，解決了制約高速光通信發(fā)展的核心技術(shù)瓶頸。這項(xiàng)技術(shù)為下一代數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算的光互連提供了極具前景的解決方案，有力支撐未來1.6Tbps WDM系統(tǒng)的部署，大幅提升高速調(diào)制信號傳輸距離，為全球數(shù)據(jù)中心向超高速、超大容量方向發(fā)展奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
 

　　該芯片基于成熟的8英寸絕緣體上硅(SOI)工藝制造，具備優(yōu)異的規(guī)模化生產(chǎn)潛力和產(chǎn)業(yè)化前景。相關(guān)研究成果以“A 4×256 Gbps silicon transmitter with on-chip adaptive dispersion compensation”(具有片上自適應(yīng)色散補(bǔ)償功能的 4×256 Gbps 硅基發(fā)射機(jī))為題，發(fā)表在《Nature Communications》(《自然·通訊》)上。
 

　　研究背景
 

　　波分復(fù)用(WDM)技術(shù)通過多波長并行傳輸顯著提升光模塊總帶寬，但隨著WDM系統(tǒng)中邊緣波長逐漸偏離光纖零色散波長點(diǎn)以及單波調(diào)制速率的快速提升，光纖色散已成為制約高速光通信發(fā)展的核心瓶頸。這一挑戰(zhàn)在基于粗波分復(fù)用(CWDM)的光通信系統(tǒng)中尤為突出：1271 nm工作波長處的單模光纖色散系數(shù)達(dá)到-2.36至-4.96 ps/nm/km，嚴(yán)重限制了調(diào)制信號的傳輸距離。在單波100 Gbps的400GBASE-LR4-6應(yīng)用中，1271 nm波長處調(diào)制信號傳輸距離僅為6 km；在單波200 Gbps的800GBASE-FR應(yīng)用中，傳輸距離進(jìn)一步縮短至2 km。面對這一技術(shù)瓶頸，正在制定的IEEE 802.3dj規(guī)范被迫放棄CWDM方案，轉(zhuǎn)而采用LAN-WDM方案中8個低色散系數(shù)波長來實(shí)現(xiàn)單波200 Gbps信號10 km傳輸。然而，隨著通信容量需求的爆發(fā)式增長，低色散系數(shù)波長范圍內(nèi)有限的信道數(shù)量將無法滿足未來需求，對高色散波長進(jìn)行有效色散補(bǔ)償已成為行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。
 

　　創(chuàng)新成果
 

具有色散補(bǔ)償功能的發(fā)射機(jī)示意圖和工作原理
 

　　針對這一產(chǎn)業(yè)核心痛點(diǎn)，本工作首創(chuàng)性地提出并成功實(shí)現(xiàn)了具有自適應(yīng)色散補(bǔ)償功能的硅基MZM發(fā)射機(jī)(圖1)，為解決光通信傳輸瓶頸提供了革命性的技術(shù)方案。該發(fā)射機(jī)通過創(chuàng)新集成由1?2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)構(gòu)成的可調(diào)分光器，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界首個通過簡單調(diào)節(jié)MZM上下兩路輸入光功率比例來精確控制輸出信號啁啾特性的技術(shù)突破，能夠動態(tài)生成與光纖色散特性完美匹配的預(yù)啁啾調(diào)制信號。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該突破性方案實(shí)現(xiàn)了MZM小信號啁啾參數(shù)在[-1,1]范圍內(nèi)的連續(xù)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，完美滿足了O波段WDM系統(tǒng)色散補(bǔ)償?shù)膰?yán)苛要求。更為重要的是，在光纖色散系數(shù)高達(dá)-3.99 ps/nm/km的1271nm高色散工作波長下，本工作研制的硅基光發(fā)射機(jī)在無需高功耗預(yù)加重處理的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了4通道256 Gbps PAM-4信號5 km傳輸和4通道200 Gbps PAM-4信號10 km傳輸，誤碼率均優(yōu)于6.7%開銷的前向糾錯(FEC)硬判決閾值(圖2)。
 

發(fā)射機(jī)的4通道256 Gbps PAM-4傳輸結(jié)果
 

　　該器件具備覆蓋1271-1340 nm全波段的色散補(bǔ)償能力，為下一代1.6 Tbps數(shù)據(jù)中心光互連提供了低功耗、高兼容性的核心光電器件解決方案，不僅突破了傳統(tǒng)CWDM系統(tǒng)的傳輸距離限制，更為充分利用有限的光譜資源、推動超高速光通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這一技術(shù)創(chuàng)新具有重要的產(chǎn)業(yè)推動價值和廣闊的應(yīng)用前景，將為全球數(shù)據(jù)中心和光通信行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。