近日，上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）周林杰老師團隊李雨副教授，聯(lián)合諸葛群碧教授團隊及華為團隊在數(shù)據(jù)中心高速光互連領域取得突破性進展，首次實現(xiàn)了具有片上自適應色散補償功能的4×256 Gbps硅基高速發(fā)射機，開創(chuàng)性地通過在硅基馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）前集成可調(diào)分光器調(diào)節(jié)MZM調(diào)制信號的啁啾，實現(xiàn)對光纖色散的自適應補償，解決了制約高速光通信發(fā)展的核心技術瓶頸。這項技術為下一代數(shù)據(jù)中心和高性能計算的光互連提供了極具前景的解決方案，有力支撐未來1.6Tbps WDM系統(tǒng)的部署，大幅提升高速調(diào)制信號傳輸距離，為全球數(shù)據(jù)中心向超高速、超大容量方向發(fā)展奠定關鍵技術基礎。

該芯片基于成熟的8英寸絕緣體上硅（SOI）工藝制造，具備優(yōu)異的規(guī)模化生產(chǎn)潛力和產(chǎn)業(yè)化前景。相關研究成果以“A 4×256 Gbps silicon transmitter with on-chip adaptive dispersion compensation”（具有片上自適應色散補償功能的 4×256 Gbps 硅基發(fā)射機）為題，發(fā)表在《Nature Communications》（《自然·通訊》）上。

波分復用（WDM）技術通過多波長并行傳輸顯著提升光模塊總帶寬，但隨著WDM系統(tǒng)中邊緣波長逐漸偏離光纖零色散波長點以及單波調(diào)制速率的快速提升，光纖色散已成為制約高速光通信發(fā)展的核心瓶頸。這一挑戰(zhàn)在基于粗波分復用（CWDM）的光通信系統(tǒng)中尤為突出：1271 nm工作波長處的單模光纖色散系數(shù)達到-2.36至-4.96 ps/nm/km，嚴重限制了調(diào)制信號的傳輸距離。在單波100 Gbps的400GBASE-LR4-6應用中，1271 nm波長處調(diào)制信號傳輸距離僅為6 km；在單波200 Gbps的800GBASE-FR應用中，傳輸距離進一步縮短至2 km。面對這一技術瓶頸，正在制定的IEEE 802.3dj規(guī)范被迫放棄CWDM方案，轉(zhuǎn)而采用LAN-WDM方案中8個低色散系數(shù)波長來實現(xiàn)單波200 Gbps信號10 km傳輸。然而，隨著通信容量需求的爆發(fā)式增長，低色散系數(shù)波長范圍內(nèi)有限的信道數(shù)量將無法滿足未來需求，對高色散波長進行有效色散補償已成為行業(yè)亟待解決的關鍵技術難題。

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具有色散補償功能的發(fā)射機示意圖和工作原理

針對這一產(chǎn)業(yè)核心痛點，本工作首創(chuàng)性地提出并成功實現(xiàn)了具有自適應色散補償功能的硅基MZM發(fā)射機（圖1），為解決光通信傳輸瓶頸提供了革命性的技術方案。該發(fā)射機通過創(chuàng)新集成由1✖2馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）構成的可調(diào)分光器，實現(xiàn)了業(yè)界首個通過簡單調(diào)節(jié)MZM上下兩路輸入光功率比例來精確控制輸出信號啁啾特性的技術突破，能夠動態(tài)生成與光纖色散特性完美匹配的預啁啾調(diào)制信號。實驗驗證表明，該突破性方案實現(xiàn)了MZM小信號啁啾參數(shù)在[-1,1]范圍內(nèi)的連續(xù)精準調(diào)節(jié)，完美滿足了O波段WDM系統(tǒng)色散補償?shù)膰揽烈�求。更為重要的是，在光纖色散系數(shù)高達-3.99 ps/nm/km的1271nm高色散工作波長下，本工作研制的硅基光發(fā)射機在無需高功耗預加重處理的前提下，成功實現(xiàn)了4通道256 Gbps PAM-4信號5 km傳輸和4通道200 Gbps PAM-4信號10 km傳輸，誤碼率均優(yōu)于6.7%開銷的前向糾錯（FEC）硬判決閾值（圖2）。

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發(fā)射機的4通道256 Gbps PAM-4傳輸結(jié)果

該器件具備覆蓋1271-1340 nm全波段的色散補償能力，為下一代1.6 Tbps數(shù)據(jù)中心光互連提供了低功耗、高兼容性的核心光電器件解決方案，不僅突破了傳統(tǒng)CWDM系統(tǒng)的傳輸距離限制，更為充分利用有限的光譜資源、推動超高速光通信技術的產(chǎn)業(yè)化應用奠定了堅實基礎。這一技術創(chuàng)新具有重要的產(chǎn)業(yè)推動價值和廣闊的應用前景，將為全球數(shù)據(jù)中心和光通信行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供關鍵技術支撐。

該項工作第一作者為上海交大集成電路學院（信息與電子工程學院）2020級博士生冉詩環(huán)，李雨副教授、諸葛群碧教授為論文的共同通訊作者，該工作得到國家自然科學基金等項目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61408-7