基于Kerr频率梳的可扩展硅基光电子链路

逍遥设计自动化

引言
6 n' N2 V" T, m2 u随着数据中心计算需求的指数级增长，特别是人工智能和机器学习应用的推动，计算节点间的数据传输面临巨大挑战。传统电子互联在带宽密度和能效方面存在基本限制。本文探讨了创新解决方案：使用Kerr频率梳驱动的硅基光电子链路，实现大规模并行数据传输，同时降低能耗[1]。
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0 C& N% J- l1 J: X* D. E
系统架构与工作原理
该系统采用创新架构，结合氮化硅(Si3N4)微谐振腔产生Kerr频率梳，配合硅基光电子线路传输数据。系统核心使用波分复用技术，将独立数据流编码到不同波长的光信号上，实现单根光纤的并行传输。

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" X' k1 a% q  d' U" v' O图1：分层展示Kerr频率梳驱动的硅基光电子链路在数据中心架构中的集成，展示了高带宽存储堆栈和图形处理单元之间的连接。
2 L( N1 h" g* T" T
系统包含三个主要组件：
* e+ K; K% `- \9 ?1. 频率梳源：连续波激光器泵浦在正色散区域工作的Si3N4微谐振腔，产生具有精确间隔的多个波长通道。
2. 发射器：带有级联微环调制器的硅基光电子线路，将数据编码到各个波长通道。
3. 接收器：匹配的硅基光电子线路，配备微环滤波器和光电探测器，恢复传输的数据。

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图2：单总线架构演示，包括(a)示意图布局，(b)测量的频率梳谱，(c,d)不同数据速率下的误码率瀑布曲线。
$ A  h2 ?7 D* b0 J8 U+ B
先进实现特性
系统实现了多项创新特性以实现高性能：
+ w0 |+ v2 @! i% J0 \- X2 C1. 环辅助马赫-曾德尔干涉仪(RMZI)：与标准MZI相比，提供更优的滤波特性，实现更好的通道分离。
$ d# j  U& d: u& r; x
/ }9 G3 V9 r, ~4 d2 d2. 正色散频率梳操作：与传统孤子方法相比，在正群速度色散区域运行提供更高的转换效率和每线功率。

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' u) i% P3 I9 z3 @; w图3：可扩展系统架构概览，显示(a)系统示意图，(b)未封装芯片显微图像，(c)封装系统，(d)关键组件详细视图。
0 Q# R0 ?: q% W( I1 p5 t3 K0 }
0 {' Q: c3 }) A- y3 [8 k. N: Q性能特征
+ q" {+ X& ]: c! q% G1 S: w" I& v8 ]系统展现了显著的性能指标：
: q( d3 q6 _; l' t32个独立波长通道的总数据传输速率达512 Gb/s
8 H7 p9 v$ [* F200 GHz通道间隔，在密度和串扰之间取得最佳平衡
& R, b/ o! U& w" ~( s+ Q7 L每通道10 Gb/s时实现无错传输(误码率
3 O( P  T1 U& D6 q* r在C波段和L波段(>50 nm带宽)范围内均可工作
[/ol]

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; F$ p. {! o: u& }% S0 L, T& Z5 k图4：三十二通道发射器实验测量的眼图，显示所有通道在(a)10 Gb/s和(b)16 Gb/s时的清晰眼图开口。

系统集成与封装
实现采用多项目晶圆服务的商业硅基光电子制造工艺，确保与现有半导体制造基础设施兼容。芯片封装使用标准技术：
通过8通道单模光纤阵列实现光耦合
4 q1 }- _5 E6 Y( j. M, k通过金线键合实现直流控制的电气连接
通过集成加热器实现热管理
定制PCB集成实现系统控制
, U6 u$ [6 }* F7 H  Z: i[/ol]
" ]/ |5 f- t, c

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图5：全面的误码率(BER)结果，显示(a)频率梳与连续波激光器性能比较，(b)双通道操作，(c)所有32个通道的性能。

未来发展与可扩展性
该架构显示了清晰的性能提升路径：
4 L0 M8 e6 Z' `$ }1 c1 H/ ^+ i$ n每根光纤可支持数百个波长通道
8 ~3 b5 j: ^, Z* r4 G3 e& ]与CMOS电子器件集成形成完整收发器解决方案
: M3 H4 p* _1 K6 E与新型分解式数据中心架构兼容
朝着每比特亚皮焦能耗迈进
0 R9 _( Z; z/ n# l, v[/ol]

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图6：三十二通道接收器结果，展示(a)完整裸片显微图像，(b)封装系统，(c)所有通道的误码率测量。
2 p" o: Z: f- [5 x, ]
实用考虑因素
多个实用方面使该系统特别适合实际部署：
2 a" X7 M0 l9 p0 q7 X6 S: ~1. 能效：系统无需功耗大的数字信号处理或前向纠错，最小化能耗。
# p$ L$ v* o6 w  ]& \! }2. 制造兼容性：设计使用标准CMOS兼容工艺，支持规模化生产。
, |) s4 s( S2 U2 `2 ]( E1 g# f5 V' I3. 热稳定性：与基于孤子的方法相比，正色散频率梳操作提供更强的环境波动抵抗能力。

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图7：详细的实验设置，包括(a)单总线数据传输演示和(b)封装32通道集成发射器测试。

7 \3 f2 _4 n$ I* U7 G! j结论
! x) D% e3 g$ Q! t3 J演示的硅基光电子链路架构代表了光互连技术的重大进展。通过结合Kerr频率梳与硅基光电子技术，系统实现了大规模并行数据传输，同时保持与现有制造工艺的兼容性。这种方法的可扩展性和能效优势使其成为下一代数据中心互连的理想解决方案。

参考文献
[1] Rizzo, A. Novick, V. Gopal, B. Y. Kim, X. Ji, S. Daudlin, Y. Okawachi, Q. Cheng, M. Lipson, A. L. Gaeta, and K. Bergman, "Massively scalable Kerr comb-driven silicon photonic link," Nature Photonics, vol. 17, pp. 781-790, Sep. 2023, doi: 10.1038/s41566-023-01244-7.

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