近日，上海交通大學集成電路學院(信息與電子工程學院)周林杰老師團隊李雨副教授，聯合諸葛群碧教授團隊及華為團隊在數據中心高速光互連領域取得突破性進展，首次實現了具有片上自適應色散補償功能的4×256 Gbps硅基高速發射機，開創性地通過在硅基馬赫-曾德爾調制器(MZM)前集成可調分光器調節MZM調制信號的啁啾，實現對光纖色散的自適應補償，解決了制約高速光通信發展的核心技術瓶頸。這項技術為下一代數據中心和高性能計算的光互連提供了極具前景的解決方案，有力支撐未來1.6Tbps WDM系統的部署，大幅提升高速調制信號傳輸距離，為全球數據中心向超高速、超大容量方向發展奠定關鍵技術基礎。
 

　　該芯片基于成熟的8英寸絕緣體上硅(SOI)工藝制造，具備優異的規模化生產潛力和產業化前景。相關研究成果以“A 4×256 Gbps silicon transmitter with on-chip adaptive dispersion compensation”(具有片上自適應色散補償功能的 4×256 Gbps 硅基發射機)為題，發表在《Nature Communications》(《自然·通訊》)上。
 

　　研究背景
 

　　波分復用(WDM)技術通過多波長并行傳輸顯著提升光模塊總帶寬，但隨著WDM系統中邊緣波長逐漸偏離光纖零色散波長點以及單波調制速率的快速提升，光纖色散已成為制約高速光通信發展的核心瓶頸。這一挑戰在基于粗波分復用(CWDM)的光通信系統中尤為突出：1271 nm工作波長處的單模光纖色散系數達到-2.36至-4.96 ps/nm/km，嚴重限制了調制信號的傳輸距離。在單波100 Gbps的400GBASE-LR4-6應用中，1271 nm波長處調制信號傳輸距離僅為6 km；在單波200 Gbps的800GBASE-FR應用中，傳輸距離進一步縮短至2 km。面對這一技術瓶頸，正在制定的IEEE 802.3dj規范被迫放棄CWDM方案，轉而采用LAN-WDM方案中8個低色散系數波長來實現單波200 Gbps信號10 km傳輸。然而，隨著通信容量需求的爆發式增長，低色散系數波長范圍內有限的信道數量將無法滿足未來需求，對高色散波長進行有效色散補償已成為行業亟待解決的關鍵技術難題。
 

　　創新成果
 

具有色散補償功能的發射機示意圖和工作原理
 

　　針對這一產業核心痛點，本工作首創性地提出并成功實現了具有自適應色散補償功能的硅基MZM發射機(圖1)，為解決光通信傳輸瓶頸提供了革命性的技術方案。該發射機通過創新集成由1?2馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)構成的可調分光器，實現了業界首個通過簡單調節MZM上下兩路輸入光功率比例來精確控制輸出信號啁啾特性的技術突破，能夠動態生成與光纖色散特性完美匹配的預啁啾調制信號。實驗驗證表明，該突破性方案實現了MZM小信號啁啾參數在[-1,1]范圍內的連續精準調節，完美滿足了O波段WDM系統色散補償的嚴苛要求。更為重要的是，在光纖色散系數高達-3.99 ps/nm/km的1271nm高色散工作波長下，本工作研制的硅基光發射機在無需高功耗預加重處理的前提下，成功實現了4通道256 Gbps PAM-4信號5 km傳輸和4通道200 Gbps PAM-4信號10 km傳輸，誤碼率均優于6.7%開銷的前向糾錯(FEC)硬判決閾值(圖2)。
 

發射機的4通道256 Gbps PAM-4傳輸結果
 

　　該器件具備覆蓋1271-1340 nm全波段的色散補償能力，為下一代1.6 Tbps數據中心光互連提供了低功耗、高兼容性的核心光電器件解決方案，不僅突破了傳統CWDM系統的傳輸距離限制，更為充分利用有限的光譜資源、推動超高速光通信技術的產業化應用奠定了堅實基礎。這一技術創新具有重要的產業推動價值和廣闊的應用前景，將為全球數據中心和光通信行業的可持續發展提供關鍵技術支撐。