單通道200Gb/s硅基調制器光互連

       ICCSZ訊 據愛光學公眾號報道，隨著5G、云計算、虛擬現實、高清視頻等寬帶業務的發展，人們對光纖通信承載海量信息的能力提出了更高的要求。大數據時代75%以上的數據流量產生在數據中心內部。如何實現低成本、高速率的數據中心光互連成為學術界和工業界亟待解決的關鍵問題。純硅基材料的電光調制器由于具有成本低、尺寸小、可批量化生產、CMOS工藝兼容等優點，成為未來高速光互連非常有競爭力的解決方案。但是受器件帶寬限制，強度調制的硅基電光調制器通常只能工作在100 Gb/s（1 Gb/s=109比特/秒）速率水平。下一代數據中心光互連亟需將單通道速率從當前的100 Gb/s升級到200 Gb/s。

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

       張帆教授團隊基于一款帶寬只有22.5 GHz的常規硅基強度調制器，成功演示了80 Gbaud六電平脈沖幅度調制（PAM-6）光信號產生，構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（如圖1）。這一研究成果創造了硅基強度調制器光互連最高速率紀錄。他們還實現了176 Gb/s速率PAM-4 信號2 km硅基光互連，取得了常規硅基強度調制器2km光互連最高速率。針對常規硅基電光調制器帶寬不足的缺點，他們發展了一套適用于低成本硅基光調制芯片的數字信號處理技術，如圖2所示，在發射端對信號進行奈奎斯特濾波整形，以降低高速光互連對器件帶寬的要求；在接收端數字信號處理（DSP）中采用基于最小二乘法（RLS）的時域均衡降低符號間串擾，之后引入數字后濾波器（Post filter）和最大似然序列檢測（MLSD）算法，抑制均衡增強的高頻帶內噪聲，有效彌補了器件帶寬不足的限制。該研究表明硅基強度調制器在單通道200 G數據中心光互連方面具有巨大潛力。

       圖2 （a）實驗結構圖與發射接收端數字信號處理算法；（b）時域RLS均衡、數字后濾波器、最大似然檢測的算法流程圖；（c）不同數字信號處理階段的信號和噪聲譜示意圖。

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

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

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