IEEE SiPhotonics2025 | 使用硅基光电子实现创纪录的非放大光传输
引言人工智能(AI)基础设施的发展增加了对能效高且可扩展的光互连技术的需求。硅基光电子(Silicon Photonics)因其与CMOS制造工艺的兼容性和可扩展性潜力而成为一种有望解决这一需求的方案。本文探讨了一项使用差分驱动硅基光电子行波马赫-曾德尔调制器(SiP TW-MZM)实现净300 Gb/s非放大光传输的突破性研究。
1高速光互连的硅基光电子技术简介AI基础设施的最新进展要求光互连技术能够提供高带宽并保持能源效率。由于硅基光电子可以与现有的CMOS工艺集成，它在这一领域获得了广泛关注。目前已开发了几种类型的硅基光电子调制器，每种都有其自身的优势和局限性。环形谐振器调制器(RRMs)占用空间小且能效高，但带宽有限。锗硅电吸收调制器(EAMs)提供卓越的带宽，但受自热效应影响导致输出功率低。马赫-曾德尔调制器(MZMs)提供差分驱动优势和高消光比，使其特别适合高速应用。
之前的硅基光电子调制器演示虽然取得了令人印象深刻的结果，但通常需要光放大，这增加了功耗和系统复杂性。本文介绍的研究展示了使用C波段差分驱动SiP TW-MZM实现的创纪录非放大传输，在100米单模光纤(SMF)传输后实现了低于6.25% HD-FEC阈值的误码率(BER)性能。
2实验设置图1. (a)实验装置图，显示TW-MZM配置与AWG、激光源、SMF和测量设备。(b)调制器的幅度响应，显示3-dB带宽为42 GHz。(c)调制器和参考波导的插入损耗曲线。
图1(a)所示的实验装置采用了在不同温度(25°C、45°C、65°C和85°C)下测试的TW-MZM。OOK(开关键控)、PAM4(4级脉冲幅度调制)和PAM6的信号比特序列在MATLAB中离线生成，来源于使用梅森旋转算法及混洗种子数获得的随机二进制序列。这些序列经过适当的脉冲整形处理，使用0.4至0.6滚降因子的根升余弦(RRC)滤波器进行数字处理。
TW-MZM采用虚拟差分通道驱动，每个AWG(任意波形发生器)输出通道的输出电压摆幅为2.7 Vpp，与单臂操作相比提供了3 dB信噪比增益。调制器使用110 GHz偏置T型网络在2.5 V下反向偏置以实现最佳带宽，信号和偏置通过67 GHz RF探针施加。
TW-MZM展示了42 GHz的3-dB带宽(图1(b))，而6-dB带宽远超67 GHz。测量的光栅耦合器插入损耗在1570 nm处为每个耦合器2.5 dB，MZM损耗包括波导在内为3.6 dB，在较高光输入功率下观察到额外0.7 dB的非线性损耗(图1(c))。通过在3-dB点偏置调制器，该配置向70-GHz PIN光电二极管提供高达2.3 dBm的功率。
从光电二极管传送的信号被送到采样率为256 GSa/s的110-GHz实时数字存储示波器。值得注意的是，没有使用AWG到DSO的时钟转发，确保符合实际应用场景。信号处理包括匹配滤波、定时恢复、下采样和具有各种前馈和反馈抽头配置的判决反馈均衡。
3结果与讨论图2. BER随接收功率变化的结果图：(a) OOK，(b) PAM4和(c) PAM6调制格式。(d) 256 Gbaud OOK，(e) 150 Gbaud PAM4和(f) 128 Gbaud PAM6的温度依赖性。眼图显示为插图。
SiP TW-MZM的性能在6.25%开销(OH) HD-FEC阈值4.5×10^-3下进行评估，并在不同的前向纠错阈值下进行额外分析。性能测量包括光学背靠背(ob2b)和经过100米SMF传输后的情况。
图2(a)展示了高达256 Gbaud OOK信号传输成功满足6.25% OH HD-FEC要求。此外，使用33个前馈和33个反馈抽头的判决反馈均衡器时，200 Gbaud OOK信号传输满足更严格的2.7% OH KR-FEC要求。
对于PAM4调制，图2(b)显示高达155 Gbaud信号传输成功满足6.25% OH HD-FEC要求。当使用77个前馈和77个反馈抽头的DFE时，系统还实现了满足4% OH KP-FEC要求的128 Gbaud PAM4信号传输。
图2(c)展示了当使用99个反馈抽头和77个前馈抽头的DFE配置时，高达128 Gbaud PAM6信号传输成功满足6.25% OH HD-FEC要求。图中插图显示了100米光链路的选定眼图，在最高接收光功率下捕获，使用与BER曲线相同的DFE配置。
对256 Gbaud OOK、150 Gbaud PAM4和120 Gbaud PAM6信号进行了温度分析(图2(d-f))。对于256 Gbaud OOK传输，在HD-FEC阈值下，65°C时观察到0.4 dB损失，45°C和85°C时均为0.6 dB损失。对于150 Gbaud PAM4传输，观察到45°C时为0.2 dB损失，65°C时为0.6 dB损失，85°C时为0.9 dB损失。对于120 Gbaud PAM6，测量到45°C时为0.4 dB损失，65°C时为0.8 dB损失，85°C时为0.9 dB损失。虽然这些与温度相关的损失保持在1 dB以下，但在设计SiP MZM发射器时应考虑这些因素，以确保在所有工作温度下都有足够的功率预算。
4结论本文展示了一种非光放大TW-MZM，能够在6.25% OH HD-FEC阈值下通过100米SMF传输高达256 Gbaud OOK、155 Gbaud PAM4和128 Gbaud PAM6信号。据作者所知，这代表了使用常规硅基光电子调制器的首次非放大净300 Gb/s演示，标志着能效高的光互连技术在下一代AI基础设施中取得了显著进展。
差分驱动操作、先进信号处理技术和热稳定性的结合使这种方法特别适合数据中心和高性能计算环境中的实际应用，这些环境对功率效率和高带宽有严格要求。
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