基于硅基自适应色散补偿的4×256 Gbps光互连发射器研究

为解决数据中心高速光互连中色散限制传输容量的关键问题，上海交通大学林杰周团队开发了一种集成自适应色散补偿功能的4通道硅基发射器。该研究通过可调输入光强分配比的马赫-曾德尔调制器(MZM)产生可控啁啾信号，在1271 nm(-3.99 ps/nm/km)波长下实现了4×256 Gbps PAM-4信号5 km传输，误码率低于硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值。这项发表于《Nature Communications》的工作为突破波分复用(WDM)系统边缘波长传输限制提供了创新解决方案。

　　

随着云计算和人工智能的爆发式增长，数据中心正面临着前所未有的数据传输压力。光互连技术作为数据中心的核心基础设施，其传输容量和能效直接决定着整个系统的性能上限。当前主流的强度调制直接检测(IM-DD)系统虽然结构简单、成本低廉，但在单通道速率突破200 Gbps时，光纤色散导致的信号失真已成为制约传输距离和容量的"阿喀琉斯之踵"。特别是在波分复用(WDM)系统中，当工作波长偏离零色散波长(约1310 nm)时，色散效应会呈指数级放大——以1271 nm为例，其色散系数高达-3.99 ps/nm/km，这使得传统技术难以实现高速长距离传输。

上海交通大学的研究团队独辟蹊径，在硅基光电子芯片上实现了革命性的自适应色散补偿技术。这项发表于《Nature Communications》的研究展示了一个集成4通道、总容量达1 Tbps的硅基发射器，其核心创新在于马赫-曾德尔调制器(MZM)中引入了可调输入光强分配器。通过精确控制两臂光强比例，研究人员实现了对信号啁啾大小和方向(α参数)的灵活调控，从而针对不同波长和传输距离的色散特性进行精准补偿。在1271 nm波长下，该系统成功实现了4×256 Gbps PAM-4信号在5 km标准单模光纤中的传输，仅使用前馈均衡(FFE)时误码率即低于软判决前向纠错(SD-FEC)阈值，结合最大似然序列检测(MLSD)后更可达到硬判决前向纠错(HD-FEC)标准。

研究团队采用了多项关键技术：1）基于热光效应的1×2马赫-曾德尔干涉仪(MZI)作为输入光强调节器；2）2.5 mm长的推挽式高速电光相位调制器；3）155抽头递归最小二乘(RLS)算法的前馈均衡器；4）基于维特比算法的最大似然序列检测系统；5）50 km G652.D标准单模光纤传输测试平台。所有器件均采用193 nm工艺在8英寸绝缘体上硅(SOI)晶圆上制备，确保了系统的可扩展性和稳定性。

在器件结构与理论分析部分，研究团队推导出了输出光场方程(式1)和啁啾α参数表达式(式5)，揭示了通过调节两臂光强比(A²:B²)可精确控制信号啁啾特性的物理机制。当θ_h=π/2且A²≠B²时，调制信号会产生瞬态啁啾效应，其符号和幅度可通过MZI偏置电压连续调节。仿真结果显示，在极端9:1分光比下，α参数绝对值可达1.3，同时保持-4 dB的插入损耗和6 dB的静态消光比(ER)。

实验验证部分展示了令人振奋的结果：显微镜图像显示制造的四通道发射器结构紧凑、集成度高。通过调节MZI热相移器电压，研究人员实现了输入光强比从5:5到1:9的连续调控，对应的α参数从0变化至±1以上。在256 Gbps PAM-4信号5 km传输实验中，当MZI偏压从1.204 V增至1.382 V时，接收光功率6 dBm下的误码率从2.4×10^-2(SD-FEC阈值)显著降低至3.8×10^-3(HD-FEC阈值)。眼图分析显示，优化后的信号质量提升相当于3.5 dB的信噪比(SNR)增益。

这项研究的意义不仅在于创造了硅基发射器的传输记录，更开辟了高速光互连的新范式。相比传统数字信号处理(DSP)方案，这种光学域自适应色散补偿技术具有三大优势：1）功耗降低——MZI调谐仅需1.98 mW；2）延迟缩短——避免了复杂的电域均衡算法；3）兼容性强——可适配局域网波分复用(LAN-WDM)系统的16个波长通道。研究团队进一步指出，该技术有望将WDM系统的工作波长范围扩展到传统低色散区之外，为未来1.6 Tbps乃至更高速率的光互连系统铺平道路。

在讨论部分，作者将本工作与最新文献进行了系统对比：在5107.2 Gbps·ps/nm（256 Gbps×5 km×3.99 ps/nm/km）的色散-速率积指标上，该方案超越了所有已报道的O波段IM-DD系统，且无需采用预加重技术。这种创新设计为突破"香农极限"提供了新思路，有望推动硅光技术在数据中心、高性能计算等领域的广泛应用。正如审稿人所评价的："这项工作代表了硅基光电子集成技术的重要里程碑，其自适应补偿理念将深刻影响下一代光互连系统的架构设计。"