備注：本文轉載自“中國光學”公眾號 https://mp.weixin.qq.com/s/l0lNstCcylQrPsspAqz3vQ

  ICC訊 隨著全球網絡流量的爆炸性增長，數據中心規模不斷擴大，對帶寬和功耗的要求也越來越高。傳統的電子互連架構已無法滿足日益增長的帶寬和節能需求。硅光技術以其高帶寬、低能耗和與CMOS技術的兼容性，成為解決這些挑戰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、大規模制造等突出技術優勢，具有廣泛應用前景。

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

  近日，天津工業大學張贊允教授、中國科學院半導體研究所黃北舉研究員聯合研究團隊創新性地提出了基于光柵耦合的8通道Lan-WDM硅光收發集成方案。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接口，采用交錯型角度多模干涉儀實現超低損耗波分復用/解復用，采用硅馬赫-曾德調制器和鍺波導光電探測器實現高速光發射和接收功能。

  經定制光纖陣列封裝后測試，芯片中光發射機和接收機的總數據容量分別為1.56和1.42Tb/s。當工作在收發模式時，B2B、2km和10km傳輸的總數據容量分別降低到1.18、1.16和1.09Tb/s。該工作為國內外首次流片實現基于8通道Lan-WDM的硅光收發集成芯片，同時相關性能指標達到了國際先進水平。這一研究為解決高性能硅光收發芯片面臨的瓶頸提供了一個絕佳的技術方案，有望在數據通信、電信等領域取得重要應用。

  該成果發表在Laser & Photonics Reviews，題為“Grating-based Eight-channel Lan-WDM Silicon Photonic Transceiver for Tb/s Applications”，展示了在硅光收發芯片領域的重要進展。該研究成果由天津工業大學、中國科學院半導體研究所、鵬城實驗室、蘇州微光電子融合技術研究院有限公司多個單位和科研機構共同完成，受到了國家自然科學基金、中國科學院青促會資助項目、鵬程實驗室重點項目、企業委托項目、天津市光電檢測技術與系統重點實驗室開放課題等經費支持。天津工業大學張贊允教授為論文第一作者，通訊作者為中國科學院半導體研究所黃北舉研究員。

  設計思路和工作原理

  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接口，采用交錯型角度多模干涉儀實現超低損耗波分復用/解復用，采用硅馬赫-曾德調制器和鍺波導光電探測器實現高速光發射和光接收功能，實現一體化的光信號傳輸和處理，提高了系統的集成度和性能。

圖1：收發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，通過與定制的光纖陣列對準，能夠實現快速且低成本封裝。由于光柵帶寬有限，在發射機中精心設計了三種不同的光柵耦合器以改善信道插損的均勻性。

  硅基電光調制器采用非等臂結構設計，其FSR設計為4.4nm，與波分復用器件相同，有利于調制器與波分復用器之間的波長對準和調諧。波分復用器件的通道間距為4.4nm，八個通道波長選擇基于Lan-WDM標準定義的12個波長中，以減少光傳輸過程中的色散效應。

  為實現偏振不敏感的光接收，接收機中采用偏振不敏感的二維光柵耦合器作為光接口，經過波分解復用器件后傳輸至雙端口鍺硅光電探測器，實現光信號至電信號的高效轉換。經光封裝后測試，芯片發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;調制器和探測器帶寬分別達到了45和47 GHz;在滿足SD-FEC判決標準的前提下，光發射機和光接收機總通信容量分別達1.56和1.42 Tb/s，收發互連后總通信容量仍然高達1.18 Tb/s。為驗證芯片在傳輸距離方面的優勢，團隊還進行了2公里和10公里數據傳輸實驗。結果顯示：得益于Lan-WDM波段的低光纖色散，收發芯片可實現10 km的單模光纖數據傳輸。

  芯片靜態特性及小信號串擾測試

  在本研究中，發射機的靜態光譜通道不均勻性得到了顯著降低，這主要歸功于在發射端采用了三種不同的光柵設計。通過這種設計，發射機的串擾水平降低至小于-16dB。接收機的通道波長與發射機的通道波長之間的高度一致性表明，所設計的不對稱多模干涉(AMMI)器件在制造過程中展現出了良好的均勻性。這種均勻性允許僅通過控制馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)處的熱調諧來實現波長的精確匹配。

  進一步地，本研究對實際工作時存在的電光(EO)和光電(OE)串擾進行了詳細測試，如圖2所示。在40GHz的頻率范圍內，所有歸一化的EO串擾均遠低于-30dB，表明即使在考慮兩個EO串擾可能在調制器的差分工作中累積的情況下，EO串擾對發射機性能的影響也微乎其微。在接收端，由于器件間距較小，OE串擾水平高于EO串擾。具體而言，相鄰光電探測器(PD)之間的串擾水平低于-20dB，而不相鄰PD之間的串擾水平低于-30dB。這些結果表明，為了進一步降低串擾，未來的設計中應考慮選擇更大的器件間距，以優化系統的整體性能。

圖2：發射機靜態傳輸光譜及接收機光電流響應譜以及小信號EO、OE串擾測試

  發射機和接收機數據傳輸測試

  受限于測量裝置，使用O波段可調諧激光器對八個波長通道進行逐一測試。結果如圖3c-h所示，測試包括發射機和接收機在多種速率下的眼圖結果：發射機在100G OOK、112G OOK、100Gbaud PAM4速率下測試，以及接收機在100G OOK、112G OOK和90Gbaud PAM4速率下測試。

圖3：發射機和接收機數據傳輸測試

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

  單線接收B2B傳輸的最高比特率為180 Gbps，誤碼率估計為2×10?2。由于光損耗增加，一些通道表現出明顯的性能下降，導致總數據容量為1.29Tb/s。為了實現各通道的帶寬均勻性，通過調節OFA的輸出功率來補償多個通道的多余光損耗可提高總數據容量到1.42Tb/s。

  收發芯片數據傳輸測試

  在驗證收發芯片的集成性能研究中，實驗設計包括將發送端(Tx)的輸出端直接連接至接收端(Rx)的輸入端，并在選定的波長通道上對調制器和光電探測器施加射頻(RF)探針。由于測量設備的局限性，實驗過程中對收發芯片進行了逐通道的測試。

圖4：收發芯片數據傳輸測試

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

  此外，實驗還評估了每個波長通道所能達到的最高比特率，進而計算出總數據容量。結果顯示，在背對背(B2B)、2公里和10公里光纖傳輸條件下，總數據容量分別為1.18 Tb/s、1.16 Tb/s和1.09 Tb/s。在光功率補償模式下，觀察到數據容量有所提高。

  總結與展望

  該硅光收發器設計在光學和電學領域仍有很多改進的空間，包括在GC設計中利用overlay結構，使用電感峰值技術提高有源器件的帶寬，使用先進的封裝實現緊密的光電集成等。通過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現1.6 Tb/s的數據傳輸。

  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