IEEE SiPhotonics2025 | 基于微环调制器O波段相干传输实现每偏振400 Gbps净速率的突破

hdy

引言

在人工智能和大规模数据中心时代，光互连技术变得越来越重要。随着计算需求呈指数级增长，光互连大规模AI数据中心需要高速、能效高的解决方案。本文探讨光通信技术的一项重大进展：首次展示使用基于微环的相干发射机在O波段实现每偏振400 Gbps净速率的传输[1]。

1

微环基相干系统简介

AI应用的快速增长推动了光互连大规模AI数据中心的需求。传统的强度调制直接检测系统正在被相干光互连补充，后者显着提高了接收灵敏度并实现了光交换。这些先进系统需要可扩展、超紧凑且低功耗的调制器。

微环调制器(MRMs)因其紧凑尺寸和高效率成为这一领域的强有力竞争者。虽然O波段因其低光纤色散特性而长期被数据中心链路青睐，但先前的MRMs演示大多限于C波段，对O波段超紧凑同相正交(I/Q)调制器的研究有限。

以往的O波段实现通常仅限于QPSK调制，仅达到每波长每偏振200 Gbps的传输速率。甚至基于马赫-曾德尔调制器(MZMs)的更大器件在O波段也显示出类似的性能限制。

2

实验设置和器件特性

该器件采用超紧凑I/Q微环辅助马赫-曾德尔调制器(MRA-MZM)，工作在O波段。器件的静态表征显示了令人印象深刻的规格：Q因子约为5300，谐振深度为10.7 dB。3-dB电光(EO)带宽为25 GHz，平滑滚降导致6-dB带宽达54 GHz。这种平滑滚降突显了在更高符号率下运行的潜力。

在实验设置中，一个工作在1310 nm的150 kHz线宽连续波激光器被半导体光放大器(SOA)泵浦至14 dBm的光功率。信号被整形为滚降因子为0.2的升余弦脉冲。为了预补偿整个设置中的带宽限制，应用了有限冲激响应滤波器。

来自2^25-1伪随机二进制序列(PRBS)的I和Q数据被发送到110-GHz任意波形发生器(AWG)，该发生器将序列截断为2^19个样本。RF驱动器放大这些信号以确保每个MRM上有足够的电压摆幅，为每个MRM提供最大2 V峰峰值。测试包括QPSK、16-QAM和32-QAM调制，符号率高达160 Gbaud。

3

性能结果和分析

研究团队评估了器件在背对背配置和穿过7公里光纤的性能。在120 Gbaud的16-QAM调制下，使用单一波长和单一偏振，在20%软判决前向纠错(SD-FEC)阈值以下实现了400 Gbps的最大净速率。

值得注意的是，100 Gbaud的QPSK传输在7公里单模光纤(SMF)上实现了低于10^-9的比特错误率(BER)，无需色散均衡(CDE)。这展示了无FEC和无CDE操作的潜力，可显着降低光链路的功耗和延迟。

图1：传输实验和结果：(a)芯片设计和实验设置，显示集成组件，包括微环调制器、激光器、SOA和信号处理元件；(b)不同调制格式的比特错误率与符号率的关系；(c)净速率与符号率的关系，显示最大可达数据速率；(d)背对背和7 km SMF传输后恢复信号的星座图。

4

创纪录的带宽密度

考虑到调制器核心约100 μm的宽度，这一实现代表O波段创纪录的4 Tbps/mm带宽密度。这仅略逊于最先进的C波段结果，同时为O波段性能树立了新标准。

该器件实现了高达160 Gbaud的QPSK调制和高达80 Gbaud的32-QAM。100 Gbaud QPSK调制的稳健性允许无FEC和无CDE操作，特别适合要求低延迟和高能效的相干轻量级应用。

5

结论与未来影响

这项研究标志着光通信技术的重要里程碑。使用仅线性处理在120 Gbaud的16-QAM下实现每波长单偏振400 Gbps净比特率，创下O波段硅基MRM纪录。

基于微环的超紧凑结构实现的O波段创纪录4 Tbps/mm高带宽密度，使该技术成为下一代光互连的有效解决方案。据研究人员所知，这是O波段中硅基调制器（包括MRM和MZM）报告的最高每偏振净比特率。

MRM的可扩展性及其卓越的性能，使其非常适合相干轻量级系统以及数据中心和大型AI/ML集群中的高密度光学相干互连。随着计算需求持续增长，特别是在AI应用中，这类光通信技术进展对实现下一代数据基础设施至为关键。