全球流量正在以呈爆发式地指数增长，巨大的数据流量汇入数据中心亟待处理，这使得数据中心、超级计算机对物理硬件层信息处理速度、存储总量以及传输带宽等方面都提出了更高要求。铜互连的性能已经达到了该材料的物理极限，因此需要发展带宽高、延迟低、功耗低、传输损耗低、无串扰和空间复用能力强的光互连技术。硅基光电子技术利用成熟的CMOS工艺来制造新型大规模光电集成芯片。现在，已经实现了在SOI衬底上单片集成硅基光波导、模斑转换器、波分（解）复用器、光栅耦合器等无源器件以及硅基调制器、SiGe探测器等有源器件。然而，由于硅是间接带隙半导体，发光效率低，因此很难成为硅基光电集成芯片中所需的高效可靠光源。目前，主要通过在硅衬底上引入高增益的Ⅲ-V族半导体来制作高效激光光源，其中硅基量子点激光器由于其具有高增益、低功耗、对温度和缺陷不敏感而受到广泛关注。

应用于数据中心内部的硅基光电转换模块的主要困难在于单片集成不同功能的器件并保证它们之间能够协调、高效工作，而且实现低成本、低功耗、高带宽和大规模集成的优点。

硅光子收发器的整体性能改进取决于每个光学组件的性能突破。本文介绍了激光器的三种耦合方式且重点介绍了硅基量子点激光器、调制器的三种电学类型、三种类型的GeSi探测器以及两种（解）波分复用器。它们各种类型之间的组合应用决定了转换模块的整体性能。

短距离光互连中有多种解决方案，本文重点介绍了并行单模传输（PSM）、波分复用传输（WDM）、PAM-4调制以及相干光通讯。

PSM技术通过增加互连通道数量来增加互连总带宽。日本光电子技术研究协会的Tsuyoshi Aoki实现了高密度宽带16通道×25 Gb/s的硅基高速收发模块，且通道串扰损失低于0.1 dB。

图. AIO Core公司推出的I/O Core可以连接各种光电组件，形成多样化定制的光收发器。

WDM技术是另一种短距离互连方案，它只需要两根光纤进行传输但需要多个不同波长的激光器。而使用片外光频梳锁模激光器则可以实现一个激光器发出多个频率的激光从而分别进行调制，再通过（解）波分复用器耦合进一根光纤进行传输。

上述互连方案中，每个通道都是使用NRZ调制格式，其振幅只能携带一位信号，PAM-4的振幅则可以携带两位信号，其眼图更加复杂难以分辨，因此需要更精确的数字信号处理系统（DSP）与前部纠错系统（FEC）。

一种新型硅光子发射器已在干涉仪拓扑中使用了二进制驱动的GeSi电吸收调制器（EAM）。干涉仪中两个具有90°相位差的强度调制器，其中LSB / MSB编码是通过33 : 66功率比实现的。使用矢量图对PAM-4振幅光学操作进行详细说明。该发射器实现了128 Gb/s的PAM-4传输且不需要DSP，减少了功耗。

相干光通信技术可以将信息加载到光的不同特性上，如偏振、相位等，这使得单根光纤可以最大可能地加载更多信息。Acacia公司实现了硅基100 Gb/s相干光传输且功耗只有4.5 W。阿里巴巴研究人员则表明应用于数据中心的400 G模块中，相干光技术的ASIC功耗略高于PAM-4的ASIC功耗但是低于IMDD系统的ASIC功耗。因此在400 G及其以上的收发器模块中，相干光通讯具有很大的潜力。

PAM-4和相干光通信等高级的调制格式由于能在单通道单波特下传输多个信号，因此只要性能和成本能够得到优化，将来它们就将越来越多地出现在400 G和1 TB收发器模块中。

Silicon photonic transceivers for application in data centers

Haomiao Wang, Hongyu Chai, Zunren Lv, Zhongkai Zhang, Lei Meng, Xiaoguang Yang, Tao Yang

J. Semicond. 2020, 41(10): 101301

doi: 10.1088/1674-4926/41/10/101301

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/10/101301?pageType=en