中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
?近日，天津工業(yè)大學(xué)張贊允教授、中國科學(xué)院半導體研究所黃北舉研究員聯(lián)合研究團隊創(chuàng )新性地提出了基于光柵耦合的8通道Lan-WDM硅光收發(fā)集成方案。集成芯片采用自研超高效率完全垂直光柵耦合器作為光學(xué)接口，采用交錯型角度多模干涉儀實(shí)現超低損耗波分復用/解復用，采用硅馬赫-曾德調制器和鍺波導光電探測器實(shí)現高速光發(fā)射和接收功能。
??經(jīng)定制光纖陣列封裝后測試，芯片中光發(fā)射機和接收機的總數據容量分別為1.56和1.42Tb/s。當工作在收發(fā)模式時(shí)，B2B、2km和10km傳輸的總數據容量分別降低到1.18、1.16和1.09Tb/s。該工作為國內外首次流片實(shí)現基于8通道Lan-WDM的硅光收發(fā)集成芯片，同時(shí)相關(guān)性能指標達到了國際先進(jìn)水平。這一研究為解決高性能硅光收發(fā)芯片面臨的瓶頸提供了一個(gè)絕佳的技術(shù)方案，有望在數據通信、電信等領(lǐng)域取得重要應用。
??該成果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews，題為“Grating-based Eight-channel Lan-WDM Silicon Photonic Transceiver for Tb/s Applications”，展示了在硅光收發(fā)芯片領(lǐng)域的重要進(jìn)展。該研究成果由天津工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院半導體研究所、鵬城實(shí)驗室、蘇州微光電子融合技術(shù)研究院有限公司多個(gè)單位和科研機構共同完成，受到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會(huì )資助項目、鵬程實(shí)驗室重點(diǎn)項目、企業(yè)委托項目、天津市光電檢測技術(shù)與系統重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題等經(jīng)費支持。天津工業(yè)大學(xué)張贊允教授為論文第一作者，通訊作者為中國科學(xué)院半導體研究所黃北舉研究員。
??設計思路和工作原理
??集成芯片(圖1)采用自研超高效率完全垂直光柵耦合器作為光學(xué)接口，采用交錯型角度多模干涉儀實(shí)現超低損耗波分復用/解復用，采用硅馬赫-曾德調制器和鍺波導光電探測器實(shí)現高速光發(fā)射和光接收功能，實(shí)現一體化的光信號傳輸和處理，提高了系統的集成度和性能。
圖1：收發(fā)芯片封裝后圖像以及顯微鏡圖像
完全垂直的光柵耦合器被精確排列于芯片的頂部并以固定間距分布，通過(guò)與定制的光纖陣列對準，能夠實(shí)現快速且低成本封裝。由于光柵帶寬有限，在發(fā)射機中精心設計了三種不同的光柵耦合器以改善信道插損的均勻性。
??硅基電光調制器采用非等臂結構設計，其FSR設計為4.4nm，與波分復用器件相同，有利于調制器與波分復用器之間的波長(cháng)對準和調諧。波分復用器件的通道間距為4.4nm，八個(gè)通道波長(cháng)選擇基于Lan-WDM標準定義的12個(gè)波長(cháng)中，以減少光傳輸過(guò)程中的色散效應。
??為實(shí)現偏振不敏感的光接收，接收機中采用偏振不敏感的二維光柵耦合器作為光接口，經(jīng)過(guò)波分解復用器件后傳輸至雙端口鍺硅光電探測器，實(shí)現光信號至電信號的高效轉換。經(jīng)光封裝后測試，芯片發(fā)射端光纖到光纖插入損耗僅約12 dB，信道非均勻度為1.44 dB;調制器和探測器帶寬分別達到了45和47 GHz;在滿(mǎn)足SD-FEC判決標準的前提下，光發(fā)射機和光接收機總通信容量分別達1.56和1.42 Tb/s，收發(fā)互連后總通信容量仍然高達1.18 Tb/s。為驗證芯片在傳輸距離方面的優(yōu)勢，團隊還進(jìn)行了2公里和10公里數據傳輸實(shí)驗。結果顯示：得益于Lan-WDM波段的低光纖色散，收發(fā)芯片可實(shí)現10 km的單模光纖數據傳輸。
??芯片靜態(tài)特性及小信號串擾測試
??在本研究中，發(fā)射機的靜態(tài)光譜通道不均勻性得到了顯著(zhù)降低，這主要歸功于在發(fā)射端采用了三種不同的光柵設計。通過(guò)這種設計，發(fā)射機的串擾水平降低至小于-16dB。接收機的通道波長(cháng)與發(fā)射機的通道波長(cháng)之間的高度一致性表明，所設計的不對稱(chēng)多模干涉(AMMI)器件在制造過(guò)程中展現出了良好的均勻性。這種均勻性允許僅通過(guò)控制馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI)處的熱調諧來(lái)實(shí)現波長(cháng)的精確匹配。
??進(jìn)一步地，本研究對實(shí)際工作時(shí)存在的電光(EO)和光電(OE)串擾進(jìn)行了詳細測試，如圖2所示。在40GHz的頻率范圍內，所有歸一化的EO串擾均遠低于-30dB，表明即使在考慮兩個(gè)EO串擾可能在調制器的差分工作中累積的情況下，EO串擾對發(fā)射機性能的影響也微乎其微。在接收端，由于器件間距較小，OE串擾水平高于EO串擾。具體而言，相鄰光電探測器(PD)之間的串擾水平低于-20dB，而不相鄰PD之間的串擾水平低于-30dB。這些結果表明，為了進(jìn)一步降低串擾，未來(lái)的設計中應考慮選擇更大的器件間距，以?xún)?yōu)化系統的整體性能。
圖 2：發(fā)射機靜態(tài)傳輸光譜及接收機光電流響應譜以及小信號EO、OE串擾測試
發(fā)射機和接收機數據傳輸測試
??受限于測量裝置，使用O波段可調諧激光器對八個(gè)波長(cháng)通道進(jìn)行逐一測試。結果如圖3c-h所示，測試包括發(fā)射機和接收機在多種速率下的眼圖結果：發(fā)射機在100G OOK、112G OOK、100Gbaud PAM4速率下測試，以及接收機在100G OOK、112G OOK和90Gbaud PAM4速率下測試。
圖 3：發(fā)射機和接收機數據傳輸測試
在B2B傳輸條件下，只有5個(gè)通道可以達到200 Gbps的比特率，其他三個(gè)通道在64tap-FFE時(shí)，200 Gbps PAM4眼圖的BER分別為4.5×10?2,5.5×10?2和8.5×10?2。光發(fā)射器的總數據容量分別為1.56 (B2B)、1.48 (2km)和1.35 Tb/s (10km)。
??單線(xiàn)接收B2B傳輸的最高比特率為180 Gbps，誤碼率估計為2×10?2。由于光損耗增加，一些通道表現出明顯的性能下降，導致總數據容量為1.29Tb/s。為了實(shí)現各通道的帶寬均勻性，通過(guò)調節OFA的輸出功率來(lái)補償多個(gè)通道的多余光損耗可提高總數據容量到1.42Tb/s。
??收發(fā)芯片數據傳輸測試
??在驗證收發(fā)芯片的集成性能研究中，實(shí)驗設計包括將發(fā)送端(Tx)的輸出端直接連接至接收端(Rx)的輸入端，并在選定的波長(cháng)通道上對調制器和光電探測器施加射頻(RF)探針。由于測量設備的局限性，實(shí)驗過(guò)程中對收發(fā)芯片進(jìn)行了逐通道的測試。
圖4：收發(fā)芯片數據傳輸測試 在啟用五抽頭前饋均衡(5tap-FFE)的條件下，100 Gbaud OOK(開(kāi)關(guān)鍵控)和112 Gbaud OOK的信噪比(SNR)分別測量為5 dB和3.96 dB。在啟用32tap-FFE的情況下，80 Gbaud PAM4(四階脈沖幅度調制)信號的時(shí)域眼圖(TDECQ)測量值為1.22 dB，且誤碼率(BER)優(yōu)于軟判決前向糾錯(SD-FEC)的閾值。
??此外，實(shí)驗還評估了每個(gè)波長(cháng)通道所能達到的最高比特率，進(jìn)而計算出總數據容量。結果顯示，在背對背(B2B)、2公里和10公里光纖傳輸條件下，總數據容量分別為1.18 Tb/s、1.16 Tb/s和1.09 Tb/s。在光功率補償模式下，觀(guān)察到數據容量有所提高。
??總結與展望
??該硅光收發(fā)器設計在光學(xué)和電學(xué)領(lǐng)域仍有很多改進(jìn)的空間，包括在GC設計中利用overlay結構，使用電感峰值技術(shù)提高有源器件的帶寬，使用先進(jìn)的封裝實(shí)現緊密的光電集成等。通過(guò)與匹配的電子電路緊密集成，該芯片有希望在可接受的誤碼率下實(shí)現1.6 Tb/s的數據傳輸。
