OFC2025 | 硅基光电子集成芯片在数据中心自由空间光通信中的应用进展

逍遥设计自动化

引言
自由空间光（FSO）传输技术成为应对超大规模数据中心通信需求增长的有效解决方案。传统的有线电气和光学互连面临着难以扩展以满足人工智能和大数据处理日益增长需求的严峻挑战。本文探讨了一种创新型硅基光电子集成芯片（PIC），该芯片实现了全C波段二维光束转向功能，达到了15.36 Tbit/s的显著数据传输能力[1]。

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用于光束转向的硅基光电子技术
数据中心的快速发展需要光学互连的创新解决方案。传统的光束转向技术如机械镜、MEMS和光纤束结构体积大、成本高且复杂，不适合在数据中心大规模部署。硅基光电子技术提供了一种具有吸引力的替代方案，通过提供紧凑、高度集成的光束转向器件，利用与CMOS工艺的兼容性实现经济高效的生产。

" t, O' ~# w1 I/ Z) }' c1 d8 P引用论文中开发的硅基光电子集成芯片采用马赫-曾德（MZ）开关和垂直弯曲波导二维阵列，与传统光栅耦合器相比提供了更宽的工作带宽。这种设计在全C波段范围内实现了256个方向的光束转向，相比之前的实现方式有显着进步。

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器件结构和制造工艺
- G/ ~- m) |$ ^0 D+ Q4 u该光束转向器件采用一个1×256开关，可以动态控制芯片上输入信号的光路。这使信号能从256个垂直弯曲波导发射器中的任意一个输出，这些发射器以50-μm间距排列成16×16矩阵。光束发射器阵列由具有垂直弯曲形状的硅波导组成，集成了SiO?透镜，实现了芯片表面的垂直光发射，具有宽带工作特性。

一个消色差透镜安装在三轴台上，置于光束发射器阵列上方，距离等于焦距（f = 9 mm）。当发射位置从透镜的光轴切换一段距离（d）时，透镜的输出光束以θ = tan?1(d/f)的转向角度转向。这种组件组合实现了动态二维光束转向，具有平坦的损耗特性，从而实现全C波段操作。

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- M3 A: T( N- s图1：(a) 256方向光束转向器件示意图，(b) 发射器阵列的SEM图像，(c) 单个光束发射器示意图，(d) 带有输入光纤和电气连接的芯片载体上的光电子集成芯片模块，(e) 通过开关引导光的每个光束发射器的近场图像。
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该1×256光学开关由255个1×2热光型MZ开关组成，使用300毫米CMOS试验线制造。制造后，晶圆被切割成单独的光电子集成芯片，垂直弯曲波导光束发射器通过额外的处理形成。然后，芯片被焊接在陶瓷载体上，通过线键合连接到电极焊盘，并通过输入光纤阵列连接。最后，该模块安装在连接多通道电流源的扇出电路板上。

通过观察未安装消色差透镜的芯片发射光的近场图像，完成了1×256开关的初始相位校准。测试确认了256个方向中的252个正常工作，包括四个角落和中心位置的大多数发射器都能正常运行。
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测量和性能评估
通过测量器件表面125毫米距离处输出光束的转向角度，评估了器件的二维光束转向特性。使用传感器区域为W9.60 × H7.68毫米的红外摄像机观察传输光束的远场图像。测量的转向角度在水平方向为4.78°，垂直方向为4.79°，与设计值4.77°非常接近。两个方向的最小转向角度步长均为0.32°。
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, k7 q# c6 h' J5 y: U- s* @, S图2：(a) 评估设置示意图，包括用于转向角度测量的消色差透镜和红外摄像机，(b) 水平(x)和垂直(y)方向的发射光束图像，叠加远场图像，(c) 用于CW传输评估的1.5米自由空间光学实验的示意图，(d) 组装的FSO系统的光纤到光纤传输频谱，(e) 60通道信号FSO传输实验设置，(f) 在中心和上/下左/右角测量的所有通道的BER结果。
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1 z2 J! k9 o0 L使用从中心发射器发出波长为1543 nm的连续波和光纤准直器以及光功率计，评估了1.5米传输距离的FSO系统的总插入损耗。总的光纤到光纤损耗约为11 dB，细分为输入光纤到芯片耦合损耗3.5 dB、硅光电子集成芯片内传播损耗2.4 dB和透镜系统损耗5.1 dB。其他光束转向方向下的损耗范围在11至12 dB之间。
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6 v% E2 M6 ?$ D% J, M使用宽带光源和光谱分析仪测量了FSO系统在整个C波段的损耗频谱。观察到C波段内变化在1.9 dB以内的平坦频谱，确认了FSO系统的宽带操作。

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高容量FSO信号传输
进行了FSO信号传输实验以展示系统能力。生成了75-GHz间隔60通道WDM（1529.9-1565.3 nm）、单偏振16-QAM信号，符号速率为64 Gbaud，总数据速率达15.36 Tbit/s。信号经过掺铒光纤放大器、波长选择开关（用于均衡各通道功率）和偏振控制器（用于将偏振对准光电子集成芯片的TE模式）后，以6 dBm的总功率注入光电子集成芯片。

首先，在1.5米距离和五个光束转向方向（对应16×16光束发射器阵列的中心和四个角落位置）下进行FSO传输实验。信号经自由空间传播后被光纤准直器捕获，放大，处理，并评估位错误率（BER）。所有光束方向的所有通道的测量BER均低于KP4 FEC限制（2.2×10??），证明了基于硅光电子集成芯片器件的FSO系统成功实现了具有二维光束转向的全C波段传输，达到创纪录的高容量。

随后将传输距离延长至10米，光束转向方向固定在发射器的中心位置。4.77°的最大光束转向角度在此传输距离对应约0.82米的转向宽度。尽管插入损耗增加到16.2 dB，但当发射功率增加到12 dBm时，所有波长通道的BER仍低于KP4 FEC限制，表明该系统对数据中心应用具有足够的传输性能。

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( i( B# J8 o& ~2 g, s% y) ]结论
3 j2 O5 H# i% ]( I  x8 ]* I+ T  d本研究展示了一种基于硅基光子技术的256方向二维光束转向FSO系统，可应用于超大规模数据中心的光无线通信。垂直弯曲波导发射器和MZ开关的宽带工作特性使得在全C波段范围内实现了二维光束转向的1.5米和10米FSO传输，信号容量高达15.36 Tbit/s。这些结果展示了基于硅光电子集成芯片的FSO传输系统在数据中心实现高性能光网络的潜力，满足了人工智能和大数据应用日益增长的需求。

参考文献
[1] T. Yoshida, T. Inoue, Y. Atsumi, R. Matsumoto, R. Konoike, K. Ikeda, and K. Suzuki, "Full C-band Two-Dimensional Beam-Steering Silicon PIC and 15.36-Tbit/s Free-Space Optical Transmission," in Optical Fiber Communication Conference (OFC), 2025, paper Th4D.2
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/ J3 }* v/ {1 q8 Q) ^5 O深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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