中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研制出超大數(shù)據(jù)容量八通道LWDM硅光收發(fā)器

  備注：本文轉(zhuǎn)載自“中國(guó)光學(xué)”公眾號(hào) https://mp.weixin.qq.com/s/l0lNstCcylQrPsspAqz3vQ

  ICC訊 隨著全球網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)帶寬和功耗的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的電子互連架構(gòu)已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的帶寬和節(jié)能需求。硅光技術(shù)以其高帶寬、低能耗和與CMOS技術(shù)的兼容性，成為解決這些挑戰(zhàn)的有前景的解決方案。硅光集成芯片具有集成度高、成本低廉、大規(guī)模制造等突出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具有廣泛應(yīng)用前景。

  目前，硅光收發(fā)芯片已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心高速光模塊。為滿足日益增長(zhǎng)的帶寬需求，下一代光模塊需要將數(shù)據(jù)率提升到800 Gb/s以上。為提升通信容量，現(xiàn)有硅光模塊多采用PSM(并行光纖)或CWDM(稀疏光波分復(fù)用)的多信道復(fù)用方式。前者雖然理論上可實(shí)現(xiàn)較高信道數(shù)目，然而受限于功率預(yù)算只適合于500米光傳輸;后者受限于可容納信道數(shù)目和較高光纖色散，通信容量難以突破800 Gb/s，也很難實(shí)現(xiàn)2公里以上傳輸距離。為實(shí)現(xiàn)更高通信容量和更遠(yuǎn)傳輸距離，硅光收發(fā)芯片采用新型復(fù)用方式和實(shí)現(xiàn)方案迫在眉睫。

  近日，天津工業(yè)大學(xué)張贊允教授、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所黃北舉研究員聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了基于光柵耦合的8通道Lan-WDM硅光收發(fā)集成方案。集成芯片采用自研超高效率完全垂直光柵耦合器作為光學(xué)接口，采用交錯(cuò)型角度多模干涉儀實(shí)現(xiàn)超低損耗波分復(fù)用/解復(fù)用，采用硅馬赫-曾德調(diào)制器和鍺波導(dǎo)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高速光發(fā)射和接收功能。

  經(jīng)定制光纖陣列封裝后測(cè)試，芯片中光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的總數(shù)據(jù)容量分別為1.56和1.42Tb/s。當(dāng)工作在收發(fā)模式時(shí)，B2B、2km和10km傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)容量分別降低到1.18、1.16和1.09Tb/s。該工作為國(guó)內(nèi)外首次流片實(shí)現(xiàn)基于8通道Lan-WDM的硅光收發(fā)集成芯片，同時(shí)相關(guān)性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。這一研究為解決高性能硅光收發(fā)芯片面臨的瓶頸提供了一個(gè)絕佳的技術(shù)方案，有望在數(shù)據(jù)通信、電信等領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。

  該成果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews，題為“Grating-based Eight-channel Lan-WDM Silicon Photonic Transceiver for Tb/s Applications”，展示了在硅光收發(fā)芯片領(lǐng)域的重要進(jìn)展。該研究成果由天津工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、鵬城實(shí)驗(yàn)室、蘇州微光電子融合技術(shù)研究院有限公司多個(gè)單位和科研機(jī)構(gòu)共同完成，受到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)資助項(xiàng)目、鵬程實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)項(xiàng)目、企業(yè)委托項(xiàng)目、天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等經(jīng)費(fèi)支持。天津工業(yè)大學(xué)張贊允教授為論文第一作者，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所黃北舉研究員。

  設(shè)計(jì)思路和工作原理

  集成芯片(圖1)采用自研超高效率完全垂直光柵耦合器作為光學(xué)接口，采用交錯(cuò)型角度多模干涉儀實(shí)現(xiàn)超低損耗波分復(fù)用/解復(fù)用，采用硅馬赫-曾德調(diào)制器和鍺波導(dǎo)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高速光發(fā)射和光接收功能，實(shí)現(xiàn)一體化的光信號(hào)傳輸和處理，提高了系統(tǒng)的集成度和性能。

圖1：收發(fā)芯片封裝后圖像以及顯微鏡圖像

  完全垂直的光柵耦合器被精確排列于芯片的頂部并以固定間距分布，通過(guò)與定制的光纖陣列對(duì)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速且低成本封裝。由于光柵帶寬有限，在發(fā)射機(jī)中精心設(shè)計(jì)了三種不同的光柵耦合器以改善信道插損的均勻性。

  硅基電光調(diào)制器采用非等臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其FSR設(shè)計(jì)為4.4nm，與波分復(fù)用器件相同，有利于調(diào)制器與波分復(fù)用器之間的波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)和調(diào)諧。波分復(fù)用器件的通道間距為4.4nm，八個(gè)通道波長(zhǎng)選擇基于Lan-WDM標(biāo)準(zhǔn)定義的12個(gè)波長(zhǎng)中，以減少光傳輸過(guò)程中的色散效應(yīng)。

  為實(shí)現(xiàn)偏振不敏感的光接收，接收機(jī)中采用偏振不敏感的二維光柵耦合器作為光接口，經(jīng)過(guò)波分解復(fù)用器件后傳輸至雙端口鍺硅光電探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)至電信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換。經(jīng)光封裝后測(cè)試，芯片發(fā)射端光纖到光纖插入損耗僅約12 dB，信道非均勻度為1.44 dB;調(diào)制器和探測(cè)器帶寬分別達(dá)到了45和47 GHz;在滿足SD-FEC判決標(biāo)準(zhǔn)的前提下，光發(fā)射機(jī)和光接收機(jī)總通信容量分別達(dá)1.56和1.42 Tb/s，收發(fā)互連后總通信容量仍然高達(dá)1.18 Tb/s。為驗(yàn)證芯片在傳輸距離方面的優(yōu)勢(shì)，團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了2公里和10公里數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：得益于Lan-WDM波段的低光纖色散，收發(fā)芯片可實(shí)現(xiàn)10 km的單模光纖數(shù)據(jù)傳輸。

  芯片靜態(tài)特性及小信號(hào)串?dāng)_測(cè)試

  在本研究中，發(fā)射機(jī)的靜態(tài)光譜通道不均勻性得到了顯著降低，這主要?dú)w功于在發(fā)射端采用了三種不同的光柵設(shè)計(jì)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)的串?dāng)_水平降低至小于-16dB。接收機(jī)的通道波長(zhǎng)與發(fā)射機(jī)的通道波長(zhǎng)之間的高度一致性表明，所設(shè)計(jì)的不對(duì)稱多模干涉(AMMI)器件在制造過(guò)程中展現(xiàn)出了良好的均勻性。這種均勻性允許僅通過(guò)控制馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)處的熱調(diào)諧來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的精確匹配。

  進(jìn)一步地，本研究對(duì)實(shí)際工作時(shí)存在的電光(EO)和光電(OE)串?dāng)_進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，如圖2所示。在40GHz的頻率范圍內(nèi)，所有歸一化的EO串?dāng)_均遠(yuǎn)低于-30dB，表明即使在考慮兩個(gè)EO串?dāng)_可能在調(diào)制器的差分工作中累積的情況下，EO串?dāng)_對(duì)發(fā)射機(jī)性能的影響也微乎其微。在接收端，由于器件間距較小，OE串?dāng)_水平高于EO串?dāng)_。具體而言，相鄰光電探測(cè)器(PD)之間的串?dāng)_水平低于-20dB，而不相鄰PD之間的串?dāng)_水平低于-30dB。這些結(jié)果表明，為了進(jìn)一步降低串?dāng)_，未來(lái)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮選擇更大的器件間距，以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

圖2：發(fā)射機(jī)靜態(tài)傳輸光譜及接收機(jī)光電流響應(yīng)譜以及小信號(hào)EO、OE串?dāng)_測(cè)試

  發(fā)射機(jī)和接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

  受限于測(cè)量裝置，使用O波段可調(diào)諧激光器對(duì)八個(gè)波長(zhǎng)通道進(jìn)行逐一測(cè)試。結(jié)果如圖3c-h所示，測(cè)試包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在多種速率下的眼圖結(jié)果：發(fā)射機(jī)在100G OOK、112G OOK、100Gbaud PAM4速率下測(cè)試，以及接收機(jī)在100G OOK、112G OOK和90Gbaud PAM4速率下測(cè)試。

圖3：發(fā)射機(jī)和接收機(jī)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

  在B2B傳輸條件下，只有5個(gè)通道可以達(dá)到200 Gbps的比特率，其他三個(gè)通道在64tap-FFE時(shí)，200 Gbps PAM4眼圖的BER分別為4.5×10?2,5.5×10?2和8.5×10?2。光發(fā)射器的總數(shù)據(jù)容量分別為1.56 (B2B)、1.48 (2km)和1.35 Tb/s (10km)。

  單線接收B2B傳輸?shù)淖罡弑忍芈蕿?80 Gbps，誤碼率估計(jì)為2×10?2。由于光損耗增加，一些通道表現(xiàn)出明顯的性能下降，導(dǎo)致總數(shù)據(jù)容量為1.29Tb/s。為了實(shí)現(xiàn)各通道的帶寬均勻性，通過(guò)調(diào)節(jié)OFA的輸出功率來(lái)補(bǔ)償多個(gè)通道的多余光損耗可提高總數(shù)據(jù)容量到1.42Tb/s。

  收發(fā)芯片數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

  在驗(yàn)證收發(fā)芯片的集成性能研究中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括將發(fā)送端(Tx)的輸出端直接連接至接收端(Rx)的輸入端，并在選定的波長(zhǎng)通道上對(duì)調(diào)制器和光電探測(cè)器施加射頻(RF)探針。由于測(cè)量設(shè)備的局限性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)收發(fā)芯片進(jìn)行了逐通道的測(cè)試。

圖4：收發(fā)芯片數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

  在啟用五抽頭前饋均衡(5tap-FFE)的條件下，100 Gbaud OOK(開關(guān)鍵控)和112 Gbaud OOK的信噪比(SNR)分別測(cè)量為5 dB和3.96 dB。在啟用32tap-FFE的情況下，80 Gbaud PAM4(四階脈沖幅度調(diào)制)信號(hào)的時(shí)域眼圖(TDECQ)測(cè)量值為1.22 dB，且誤碼率(BER)優(yōu)于軟判決前向糾錯(cuò)(SD-FEC)的閾值。

  此外，實(shí)驗(yàn)還評(píng)估了每個(gè)波長(zhǎng)通道所能達(dá)到的最高比特率，進(jìn)而計(jì)算出總數(shù)據(jù)容量。結(jié)果顯示，在背對(duì)背(B2B)、2公里和10公里光纖傳輸條件下，總數(shù)據(jù)容量分別為1.18 Tb/s、1.16 Tb/s和1.09 Tb/s。在光功率補(bǔ)償模式下，觀察到數(shù)據(jù)容量有所提高。

  總結(jié)與展望

  該硅光收發(fā)器設(shè)計(jì)在光學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域仍有很多改進(jìn)的空間，包括在GC設(shè)計(jì)中利用overlay結(jié)構(gòu)，使用電感峰值技術(shù)提高有源器件的帶寬，使用先進(jìn)的封裝實(shí)現(xiàn)緊密的光電集成等。通過(guò)與匹配的電子電路緊密集成，該芯片有希望在可接受的誤碼率下實(shí)現(xiàn)1.6 Tb/s的數(shù)據(jù)傳輸。

  論文信息

  Z. Zhang, M. Li, X. Lv, K. Zhang, L. Zhou, H. Jiang, K. Li, T. Liu, Q. Wang, B. Huang, Grating-Based Eight-Channel Lan-WDM Silicon Photonic Transceiver for Tb/s Applications. Laser Photonics Rev 2024, 2401249.

  https://doi.org/10.1002/lpor.202401249