單通道200Gb/s硅基調(diào)制器光互連

       ICCSZ訊 據(jù)愛光學(xué)公眾號(hào)報(bào)道，隨著5G、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、高清視頻等寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對(duì)光纖通信承載海量信息的能力提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)時(shí)代75%以上的數(shù)據(jù)流量產(chǎn)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部。如何實(shí)現(xiàn)低成本、高速率的數(shù)據(jù)中心光互連成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界亟待解決的關(guān)鍵問題。純硅基材料的電光調(diào)制器由于具有成本低、尺寸小、可批量化生產(chǎn)、CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為未來高速光互連非常有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。但是受器件帶寬限制，強(qiáng)度調(diào)制的硅基電光調(diào)制器通常只能工作在100 Gb/s（1 Gb/s=109比特/秒）速率水平。下一代數(shù)據(jù)中心光互連亟需將單通道速率從當(dāng)前的100 Gb/s升級(jí)到200 Gb/s。

       圖1 （a）硅基光調(diào)制示意圖；（b）硅基調(diào)制器顯微圖；（c）硅基調(diào)制器帶寬測(cè)試圖。

       張帆教授團(tuán)隊(duì)基于一款帶寬只有22.5 GHz的常規(guī)硅基強(qiáng)度調(diào)制器，成功演示了80 Gbaud六電平脈沖幅度調(diào)制（PAM-6）光信號(hào)產(chǎn)生，構(gòu)建了單通道最大速率200 Gb/s、傳輸距離1km的硅基短距超高速光互連系統(tǒng)（如圖1）。這一研究成果創(chuàng)造了硅基強(qiáng)度調(diào)制器光互連最高速率紀(jì)錄。他們還實(shí)現(xiàn)了176 Gb/s速率PAM-4 信號(hào)2 km硅基光互連，取得了常規(guī)硅基強(qiáng)度調(diào)制器2km光互連最高速率。針對(duì)常規(guī)硅基電光調(diào)制器帶寬不足的缺點(diǎn)，他們發(fā)展了一套適用于低成本硅基光調(diào)制芯片的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如圖2所示，在發(fā)射端對(duì)信號(hào)進(jìn)行奈奎斯特濾波整形，以降低高速光互連對(duì)器件帶寬的要求；在接收端數(shù)字信號(hào)處理（DSP）中采用基于最小二乘法（RLS）的時(shí)域均衡降低符號(hào)間串?dāng)_，之后引入數(shù)字后濾波器（Post filter）和最大似然序列檢測(cè)（MLSD）算法，抑制均衡增強(qiáng)的高頻帶內(nèi)噪聲，有效彌補(bǔ)了器件帶寬不足的限制。該研究表明硅基強(qiáng)度調(diào)制器在單通道200 G數(shù)據(jù)中心光互連方面具有巨大潛力。

       圖2 （a）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖與發(fā)射接收端數(shù)字信號(hào)處理算法；（b）時(shí)域RLS均衡、數(shù)字后濾波器、最大似然檢測(cè)的算法流程圖；（c）不同數(shù)字信號(hào)處理階段的信號(hào)和噪聲譜示意圖。

       該研究成果前期工作在2019年3月美國(guó)舉行的國(guó)際光纖通信會(huì)議（Optical Fiber Communication Conference, OFC）上作為PDP（Post-deadline paper）論文發(fā)表。該研究工作擴(kuò)展成為期刊論文，以“Toward Single Lane 200G Optical Interconnects with Silicon Photonic Modulator”為題，于2019年9月在線發(fā)表在IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology（DOI:10.1109/JLT.2019.2944762 ）上。北京大學(xué)博士生朱逸蕭為第一作者，張帆教授為通訊作者。相關(guān)研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持。

       期刊論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8853296

       會(huì)議論文鏈接：https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=OFC-2019-Th4A.6