数据中心互联光电融合同源相干集成芯片

人工智能时代是由海量数据驱动的，而数据中心作为其关键基础设施规模正在快速扩张。为满足海量数据互通，数据中心网络广泛采用光互联技术，这驱使中短距光模块成为光通信产业的主要增长点。据统计，全球排名前5的云公司2020年间共耗资14亿美元用于数通光模块，预计2026年支出将超过30亿美元。

同时，随着光接口速率的提高，DSP芯片制程也由2010年的65nm演进到2022年的7nm。而下一代超800G光传输需要采用5nm甚至3nm制程才能满足要求，继续依靠DSP电域处理推动相干光模块速率升级难以持续。

此外，从供应链安全来看，目前400G和超400G相干光模块的DSP芯片大都被少数国外公司所垄断。而国内芯片工艺受技术封锁被迫回退到14nm时代，高端相干光模块面临严峻的自主可控问题。

解决方案

同源相干架构本质是利用发端激光器分光产生同源远端本振，馈送至接收端与调制信号进行“同源的”相干探测。团队前期已对该架构开展了充分的可行性论证和系统最优设计，本项目进一步发挥同源相干光电融合信号处理优势，以光电融合集成芯片和低功耗实时相干算法两个关键点为抓手，摆脱相干信号处理对先进制程的高度依赖，体现为：

（1）“光域开源”：开展高速硅基偏振控制芯片、偏振控制算法及其ASIC芯片与具备偏振控制功能的高速相干收发芯片的研究。在系统架构层面，通过研究偏振互易的自适应偏振追踪硅基光子集成芯片，在800Gbps双工同源相干系统中同时补偿远端本振光和反向传输信号光的600rad/s扰偏速率下的偏振不确定性，可豁免MIMO算法，实现了迄今为止最简化的相干DSP架构（“First real-time MIMO-free 800Gb/s DP-64QAM demonstration using bi-directional self-homodyne coherent transceivers” ECOC, 2021, PDP）；在芯片层面，采用了光电融合的研究思路，过高速低功耗的光场热调谐结构和先进的电学控制算法实现了最高速偏振控制芯片，跟踪速度超过100krad/s（APL Photonics, 9, 066116, 2024）。

（2）“电域节流”：开展同源相干高波特率光信号损伤来源与机理、灵活速率数字多载波信号生成技术研究，以精确匹配信道特征，提升系统容量。同时，费马域信号处理等开发低复杂度调制解调及损伤补偿算法，研究低量化位宽和低采样率下信号的分辨率增强、时钟同步和新型变换域均衡技术，在性能无损的同时实现功耗与性能的整体最优。

图1 光电融合同源相干集成芯片

技术指标