人工智能時(shí)代是由海量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，而數(shù)據(jù)中心作為其關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模正在快速擴(kuò)張。為滿足海量數(shù)據(jù)互通，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)廣泛采用光互聯(lián)技術(shù)，這驅(qū)使中短距光模塊成為光通信產(chǎn)業(yè)的主要增長點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球排名前5的云公司2020年間共耗資14億美元用于數(shù)通光模塊，預(yù)計(jì)2026年支出將超過30億美元。

同時(shí)，隨著光接口速率的提高，DSP芯片制程也由2010年的65nm演進(jìn)到2022年的7nm。而下一代超800G光傳輸需要采用5nm甚至3nm制程才能滿足要求，繼續(xù)依靠DSP電域處理推動(dòng)相干光模塊速率升級(jí)難以持續(xù)。

此外，從供應(yīng)鏈安全來看，目前400G和超400G相干光模塊的DSP芯片大都被少數(shù)國外公司所壟斷。而國內(nèi)芯片工藝受技術(shù)封鎖被迫回退到14nm時(shí)代，高端相干光模塊面臨嚴(yán)峻的自主可控問題。

解決方案

同源相干架構(gòu)本質(zhì)是利用發(fā)端激光器分光產(chǎn)生同源遠(yuǎn)端本振，饋送至接收端與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行“同源的”相干探測(cè)。團(tuán)隊(duì)前期已對(duì)該架構(gòu)開展了充分的可行性論證和系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目進(jìn)一步發(fā)揮同源相干光電融合信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)，以光電融合集成芯片和低功耗實(shí)時(shí)相干算法兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)為抓手，擺脫相干信號(hào)處理對(duì)先進(jìn)制程的高度依賴，體現(xiàn)為：

（1）“光域開源”：開展高速硅基偏振控制芯片、偏振控制算法及其ASIC芯片與具備偏振控制功能的高速相干收發(fā)芯片的研究。在系統(tǒng)架構(gòu)層面，通過研究偏振互易的自適應(yīng)偏振追蹤硅基光子集成芯片，在800Gbps雙工同源相干系統(tǒng)中同時(shí)補(bǔ)償遠(yuǎn)端本振光和反向傳輸信號(hào)光的600rad/s擾偏速率下的偏振不確定性，可豁免MIMO算法，實(shí)現(xiàn)了迄今為止最簡化的相干DSP架構(gòu)（“First real-time MIMO-free 800Gb/s DP-64QAM demonstration using bi-directional self-homodyne coherent transceivers” ECOC, 2021, PDP）；在芯片層面，采用了光電融合的研究思路，過高速低功耗的光場熱調(diào)諧結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的電學(xué)控制算法實(shí)現(xiàn)了最高速偏振控制芯片，跟蹤速度超過100krad/s（APL Photonics, 9, 066116, 2024）。

（2）“電域節(jié)流”：開展同源相干高波特率光信號(hào)損傷來源與機(jī)理、靈活速率數(shù)字多載波信號(hào)生成技術(shù)研究，以精確匹配信道特征，提升系統(tǒng)容量。同時(shí)，費(fèi)馬域信號(hào)處理等開發(fā)低復(fù)雜度調(diào)制解調(diào)及損傷補(bǔ)償算法，研究低量化位寬和低采樣率下信號(hào)的分辨率增強(qiáng)、時(shí)鐘同步和新型變換域均衡技術(shù)，在性能無損的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功耗與性能的整體最優(yōu)。

圖1 光電融合同源相干集成芯片

技術(shù)指標(biāo)