用于可扩展密集波分复用（DWDM）互连的梳驱动相干光发射机

《Laser & Photonics Reviews》：Comb-Driven Coherent Optical Transmitter for Scalable DWDM Interconnects

　　

下一代大规模人工智能（AI）系统的数据移动需求即将超过当前光互连技术的容量，这对发射机的可扩展性与集成兼容性提出了严格约束。研究人员在硅/氮化硅（Si/SiN）平台上提出一种梳驱动相干光发射机架构，通过将密集波分复用（DWDM）与相干信令统一在一个框架内来应对这些挑战。可扩展性通过关键构件的实验演示得到验证，包括超紧凑微环基相干调制器和DWDM交织器，从而实现高波特率运行与高效波长管理。单频实验在O波段实现了每偏振400 Gb/s净线路速率（16-QAM，120 GBaud）， shoreline带宽密度达4 Tb/s/mm。研究人员还演示了背对背160 GBaud QPSK传输以及无色散补偿下100 GBaud经7 km光纤的传输。多波长运行利用量子点频率梳验证，在六个100 GHz间隔信道上顺序传输，5 km上聚合净速率达1.08 Tb/s。系统级分析表明该架构可在实际功耗与封装约束下支持每光纤超过10 Tb/s的聚合速率，为迈向petabit级互连提供了可行路径。

研究人员主要采用以下关键技术方法：在Si/SiN平台上设计制备超紧凑微环辅助马赫-曾德尔调制器（MRA-MZM）与氮化硅（SiN）平顶（flat-top）DWDM交织器（interleaver），利用标准Si/SiN代工厂多项目晶圆（MPW）服务完成加工；采用非均匀侧向PN结加载硅波导结构并通过TiN微加热器与锗（Ge）光电探测器构成闭环谐振稳定控制系统；测试光源包括连续波（CW）激光器与InAs/GaAs量子点（quantum-dot）锁模频率梳光源（通道间隔100 GHz，碰撞脉冲模式）；高速电信号由宽带数模转换器（DAC）生成并经射频（RF）放大器驱动，接收端采用外差相干检测（heterodyne coherent detection）结合铋掺杂光纤放大器（BDFA）/镨掺杂光纤放大器（PDFA）两级放大与光学带通滤波；离线数字信号处理（DSP）包含升余弦整形、有限脉冲响应（FIR）补偿、2×2多输入多输出（MIMO）均衡、快速傅里叶变换（FFT）频偏补偿（FOC）与盲搜载波相位恢复（CPR）；器件表征使用光学矢量分析仪（OVA）获取传输与相位响应，电光（EO）带宽由小信号S₂₁测量获得；实验中通过闭环节点控制维持微环调制器（MRM）与激光频梳线锁定。

论文针对下一代AI集群与高性能计算（HPC）中处理器间数据移动瓶颈问题，指出传统强度调制直接检测（IM-DD）链路与C波段相干方案难以满足O波段短距数据中心互连对带宽密度、能耗与集成的综合需求。研究人员提出一种基于Si/SiN平台的梳驱动相干光发射机架构，核心思想是利用多总线结构结合SiN平顶DWDM交织器将频率梳多波长分解为奇偶子组并路由至独立SiN总线，各总线上级联超紧凑微环辅助马赫-曾德尔（MRA-MZM）I/Q调制器（单端推挽差分驱动），调制后再由SiN交织器合波耦合入光纤；该架构通过解交织倍增有效信道间距，消除相邻微环调制器（MRM）静态滤波与动态串扰，降低硅波导内光功率以缓解双光子吸收（TPA），同时利用SiN低传播损耗与高功率耐受特性提升DWDM可扩展性。研究人员通过理论建模分析MRM过耦合条件、插入损耗、调制损耗、半波电压（V_π）与电光（EO）带宽间的权衡关系，构造MRA-MZM性能设计空间；进一步推导单自由光谱范围（FSR）内聚合光学带宽与调制损耗、插入损耗、环半径的关系式，评估波长/偏振复用下发射机容量缩放潜力。实验制备了O波段I/Q MRA-MZM（环半径10 μm，波导宽410 nm，PN结非均匀掺杂）与SiN平顶交织器（SiN波导宽800 nm、厚400 nm），封装于定制印制电路板（PCB）并热电冷却；利用光学矢量分析仪、射频探针与高速示波器完成直流与电光表征；搭建单频连续波（CW）与量子点频率梳两种光源下的相干传输实验，在背对背与多公里单模光纤（SMF）链路上测试QPSK、16-QAM、32-QAM等多种格式。

研究结果如下：

2.1 可扩展架构（Scalable Architecture）：研究人员提出多总线架构引入SiN平顶解交织器/交织器替代单总线级联微环方案，分析表明该结构将相邻调制器光谱间距加倍，消除同一总线上相邻MRM静态滤波效应与动态串扰，同时将每总线MRM数量减半从而降低累积插入损耗；SiN材料低传播损耗与弱双光子吸收（TPA）提升功率处理能力，解交织使硅波导平均功率低于输入SiN波导，利于高功率运行； shoreline宽度由I/Q MRA-MZM尺寸决定（约0.2 mm），匹配标准光纤阵列节距，可通过并行光纤简单扩展；架构对称且可独立配置每波长调制格式，并能扩展至双偏振与多级交织。

2.2 MRA-MZM可扩展性（Scalability of MRA-MZM）：研究人员建立过耦合MRM传输与相位响应模型，分析波导掺杂密度、环-总线耦合系数对过耦合深度、电光（EO）带宽、插入损耗、调制损耗的影响；结果表明电光带宽与总损耗在设计空间中存在相反最优参数区，插入损耗随过耦合加深而增加，调制损耗随耦合系数增大近似反比下降；以非均匀PN结剖面为基准，证明在固定峰值-峰值驱动摆幅下EO带宽主要由耦合强度与掺杂分布决定，半波电压（V_π）随波导损耗（即掺杂密度）降低而升高；绘制的性能曲面显示概念验证器件（黄星）选取低调制损耗兼顾合理插入损耗，替代设计（蓝方、粉三角）通过更强耦合或更高等效掺杂可使EO带宽翻倍但牺牲损耗；环半径减小（绿圈，7 μm）在相同掺杂/耦合下最大化单FSR聚合光学带宽，支持50 GHz间隔100 GBaud信道。

2.3 发射机可扩展性（Transmitter Scalability）：研究人员推导单FSR内聚合光学带宽公式，计入调制损耗导致的总线首末MRM间最大损耗差与MRM非谐振插入损耗（off-resonance insertion loss）限制；数值表明小半径环（7 μm）在较低EO带宽下可实现更大波长通道数，高度过耦合设计利于DWDM容量提升；调制每比特能耗分析显示I/Q MRA-MZM在2 V_pp摆幅下低于100 fJ/bit，高阶调制（16-QAM、32-QAM）与更小环半径进一步降低至十余fJ/bit量级，且对非均匀PN结掺杂密度弱依赖；系统投影以7 μm环、双偏振、100 GBaud信道计，单FSR内可超10 Tb/s每光纤，结合多FSR技术可进一步扩展； shoreline带宽密度估算与实验器件宽0.1 mm下400 Gb/s每偏振对应4 Tb/s/mm吻合。

2.4 梳驱动超紧凑O波段I/Q调制器实验演示（Experimental Demonstration of Comb-Driven Ultra-Compact O-Band I/Q Modulator）：研究人员制备环半径10 μm、嵌套MZI型I/Q MRA-MZM，核心区宽0.1 mm、含四个MRM与热隔离深槽，单端串联推挽驱动配50 Ω终端与片上电感隔直；直流表征显示MRM谐振深度约10.5 dB，Q因子5300，波导损耗约57 dB/cm，半波电压长度积（V_πL）1.08 V·cm（0.5 V反偏），FSR 6.9 nm（1.2 THz）、FWHM 43 GHz，微加热器半波功率40–50 mW；MRA-MZM在正交点消光比近25 dB、无啁啾工作，小信号电光（EO）S₂₁带宽3 dB达20 GHz、6 dB达40 GHz，符合双极系统主导极模型。单频相干传输中，160 GBaud QPSK背对背误码率（BER）低于20%开销软判决（SD）-FEC门限；120 GBaud 16-QAM实现400 Gb/s每偏振净速率（低于同门限），32-QAM在较低符号率优化净速率；QPSK符号率扫至120 GBaud时光信噪比（OSNR）低于30 dB可维持7%开销硬判决（HD）-FEC门限以下，100 GBaud QPSK经5 km与7 km SMF无色散补偿仅引入约1 dB OSNR代价。多波长配置下量子点频率梳6线（100 GHz间隔，6 dB功率范围）经半导体光放大器（SOA）放大后逐线锁定对应MRM，100 GBaud QPSK在背对背与5 km上BER均低于SD-FEC门限，聚合净速率背对背1.10 Tb/s、5 km 1.08 Tb/s，证实色散未补偿下兼容多千米链路；性能受限于梳线OSNR与芯片耦合损耗（原型约13 dB），非谐振插入损耗与可用输入功率共同制约多波长远景。

讨论部分研究人员总结认为，所提梳驱动超紧凑发射机架构为克服未来AI硬件带宽瓶颈提供了可扩展相干互连路径，聚焦O波段（适合AI数据中心与HPC短距）并在紧凑硅调制器上实现创纪录单波长每偏振400 Gb/s速率与4 Tb/s/mm shoreline带宽密度。可扩展性通过协同设计验证的关键构件（MRA-MZM与SiN平顶交织器）与多公里无色散补偿链路多波长传输得到确认。结果指明基于紧凑高能效器件与梳光源实现petabit级相干互连的可行路线；展望该架构可为集成光子引擎奠基，满足下一代AI与HPC系统极端带宽与能效需求。

研究结论部分翻译如下：研究人员提出一种梳驱动超紧凑发射机架构，可实现可扩展相干互连以克服未来AI硬件带宽瓶颈。针对适合AI数据中心与HPC的O波段，研究人员在紧凑硅调制器上演示了创纪录传输速率，以及迄今最高报道的 shoreline带宽密度。可扩展性通过协同设计与实验验证的构件（MRA-MZM与平顶SiN交织器）得到确认；在千米级无色散补偿链路上多波长传输证实了该方法适用于密集波分复用。这些结果为基于紧凑高能效器件与梳光源迈向petabit级相干互连明确了路径；展望未来，该架构为能够满足下一代AI与高性能计算系统极端带宽与效率需求的集成光子引擎奠定基础。