近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）周林杰老师团队李雨副教授，联合诸葛群碧教授团队及华为团队在数据中心高速光互连领域取得突破性进展，首次实现了具有片上自适应色散补偿功能的4×256 Gbps硅基高速发射机，开创性地通过在硅基马赫-曾德尔调制器（MZM）前集成可调分光器调节MZM调制信号的啁啾，实现对光纤色散的自适应补偿，解决了制约高速光通信发展的核心技术瓶颈。这项技术为下一代数据中心和高性能计算的光互连提供了极具前景的解决方案，有力支撑未来1.6Tbps WDM系统的部署，大幅提升高速调制信号传输距离，为全球数据中心向超高速、超大容量方向发展奠定关键技术基础。
该芯片基于成熟的8英寸绝缘体上硅（SOI）工艺制造，具备优异的规模化生产潜力和产业化前景。相关研究成果以“A 4×256 Gbps silicon transmitter with on-chip adaptive dispersion compensation”（具有片上自适应色散补偿功能的 4×256 Gbps 硅基发射机）为题，发表在《Nature Communications》（《自然·通讯》）上。
研究背景
波分复用（WDM）技术通过多波长并行传输显著提升光模块总带宽，但随着WDM系统中边缘波长逐渐偏离光纤零色散波长点以及单波调制速率的快速提升，光纤色散已成为制约高速光通信发展的核心瓶颈。这一挑战在基于粗波分复用（CWDM）的光通信系统中尤为突出：1271 nm工作波长处的单模光纤色散系数达到-2.36至-4.96 psm/km，严重限制了调制信号的传输距离。在单波100 Gbps的400GBASE-LR4-6应用中，1271 nm波长处调制信号传输距离仅为6 km；在单波200 Gbps的800GBASE-FR应用中，传输距离进一步缩短至2 km。面对这一技术瓶颈，正在制定的IEEE 802.3dj规范被迫放弃CWDM方案，转而采用LAN-WDM方案中8个低色散系数波长来实现单波200 Gbps信号10 km传输。然而，随着通信容量需求的爆发式增长，低色散系数波长范围内有限的信道数量将无法满足未来需求，对高色散波长进行有效色散补偿已成为行业亟待解决的关键技术难题。
创新成果
具有色散补偿功能的发射机示意图和工作原理
针对这一产业核心痛点，本工作首创性地提出并成功实现了具有自适应色散补偿功能的硅基MZM发射机（图1），为解决光通信传输瓶颈提供了革命性的技术方案。该发射机通过创新集成由12马赫-曾德尔干涉仪（MZI）构成的可调分光器，实现了业界首个通过简单调节MZM上下两路输入光功率比例来精确控制输出信号啁啾特性的技术突破，能够动态生成与光纤色散特性完美匹配的预啁啾调制信号。实验验证表明，该突破性方案实现了MZM小信号啁啾参数在[-1,1]范围内的连续精准调节，完美满足了O波段WDM系统色散补偿的严苛要求。更为重要的是，在光纤色散系数高达-3.99 psm/km的1271nm高色散工作波长下，本工作研制的硅基光发射机在无需高功耗预加重处理的前提下，成功实现了4通道256 Gbps PAM-4信号5 km传输和4通道200 Gbps PAM-4信号10 km传输，误码率均优于6.7%开销的前向纠错（FEC）硬判决阈值（图2）。
发射机的4通道256 Gbps PAM-4传输结果
该器件具备覆盖1271-1340 nm全波段的色散补偿能力，为下一代1.6 Tbps数据中心光互连提供了低功耗、高兼容性的核心光电器件解决方案，不仅突破了传统CWDM系统的传输距离限制，更为充分利用有限的光谱资源、推动超高速光通信技术的产业化应用奠定了坚实基础。这一技术创新具有重要的产业推动价值和广阔的应用前景，将为全球数据中心和光通信行业的可持续发展提供关键技术支撑。
论文信息
该项工作第一作者为上海交大集成电路学院（信息与电子工程学院）2020级博士生冉诗环，李雨副教授、诸葛群碧教授为论文的共同通讯作者，该工作得到国家自然科学基金等项目资助。
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