具有极化稳定型硅光纤维芯片接口的空间分割复用相干互连技术

《IEEE Transactions on Learning Technologies》：Space-Division-Multiplexed Coherent Interconnects With a Polarization-Stable Silicon Photonic Fiber-Chip Interface

　　

摘要：

人工智能和高性能计算的飞速发展，使得对超高容量、低能耗光互连的需求不断上升。利用多芯光纤实现空分复用，能够便捷地提升传输容量，而自同频相干检测技术则有望在降低功耗的同时提高传输能力。实际上，本地振荡器的极化状态会发生变化，这就需要采用自适应极化控制措施，从而削弱了自同频操作在能耗方面的优势。在此，我们展示了一种基于硅光子光纤与芯片接口的极化稳定型空分复用相干互连方案，该接口可将1+8芯保偏多芯光纤与相干接收器相连。这项工作的创新之处在于所提出的接口架构，它既能保持本地振荡器的极化状态，又能将多个空间数据通道集成到同一个相干接收器中。其混合光栅耦合器设计能够保持用于发送本地振荡器的中心保偏芯的极化状态，同时以较低的极化依赖损耗将周边芯与接收器连接起来。这种基于硬件的方法无需在电域中进行自适应载波极化恢复。通过采用自同频检测技术，我们实现了8个400 Gb/s通道的总传输容量为3.2 Tb/s，并且与传统内差检测方案相比，接收器的数字信号处理功耗降低了约50%。这些成果为未来多太比特相干互连技术的发展提供了可扩展且低能耗的解决方案。

I. 引言

人工智能[1]、[2]、云计算[3]、[4]以及高性能数据中心[5]、[6]的快速发展，对光互连技术提出了更高的要求，既要具备更高的传输容量，又要具备更好的能效。随着这些系统的发展，其处理单元数量不断增加，互连带宽已成为影响性能的关键因素[7]、[8]。与强度调制直检方案相比，相干光链路具有更高的频谱效率和灵敏度，因此被视为下一代短距离通信技术的理想选择[9]、[10]。通过多芯光纤实现空分复用，还可以进一步提升传输容量，因为多芯光纤能够在较小的空间结构中容纳多个传输通道[11]、[12]。尽管相干传输结合多芯光纤为构建高容量互连提供了有效途径，但相关的数字信号处理操作会带来较大的功耗和复杂度问题。在那些对能效和每比特成本要求极高的短距离、高密度应用场景中，这些问题尤为突出[13]、[14]。自同频相干检测技术试图通过将本地振荡器信号与数据信号一同传送，从而避免进行载波相位恢复，进而降低数字信号处理的开销[15]。不过，这一优势的前提是信号与本地振荡器之间的极化状态必须保持稳定[16]、[18]。如果本地振荡器的极化状态发生变化，就会降低相干接收器的混合效率，这就需要采用自适应极化控制措施，进而削弱自同频相干检测技术在能耗方面的优势[19]、[20]。