硅光微环收发器：迈向1.6Tbps高密度光互连

Advanced Photonics Nexus2026年3期文章：

Shenlei Bao, Chao Cheng, Xianglin Bu, Houyou Lai, Xishan Yu, Jianjun Zhou, Jintao Xue, Wenfu Zhang, Binhao Wang, "Silicon photonic microring-based eight-channel wavelength-division multiplexing transceiver for high-density optical interconnects," Adv. Photon. Nexus 5, 036002 (2026)

随着人工智能、大规模数据中心和高性能计算系统快速发展，芯片间数据传输正在面临带宽、能耗和延迟等多重挑战。传统电子输入/输出（I/O）在高带宽密度和低功耗方面逐渐逼近瓶颈，而光互连凭借高带宽、低损耗和良好的扩展能力，被认为是下一代芯片间通信和共封装光学（co-packaged optics, CPO）的关键技术方向。

硅光子技术具有与CMOS工艺兼容、集成度高和规模化制造潜力强等优势，是实现高密度光 I/O 的重要平台。然而，在多通道波分复用系统中，硅光微环器件仍面临三类核心问题：一是微环调制器和滤波器容易受到温度变化影响，产生谐振波长漂移；二是接收端对输入偏振态敏感，可能导致链路性能波动；三是在多通道系统中，逐通道波长校准耗时较长，难以满足实际部署中对快速稳定控制的需求。

针对上述问题，中国科学院西安光学精密机械研究所王斌浩团队提出了一种基于硅光微环的八通道密集波分复用收发器。该系统在发射端采用紧凑型单总线微环调制器阵列，在接收端引入偏振分离结构、双环滤波器和双向入射光电探测器，并结合统一的多通道热光反馈控制，实现了高密度、高速率和高稳定性的片间光互连。本文是Advanced Photonics Nexus “共封装光学（Co-Packaged Optics）”专题的收录文章之一。该专题汇聚了该领域的诸多前沿突破。

为解决高速硅光收发器在带宽密度、偏振稳定性和波长校准效率方面的综合挑战，研究团队提出了一种八通道密集波分复用硅光收发器架构。该系统由发射端微环调制器阵列、接收端偏振分离结构、双环滤波器和硅锗光电探测器共同组成，可在紧凑芯片面积内实现多通道高速收发与稳定解复用（图1）。

图1 八通道硅光波分复用收发器整体架构

在发射端，团队采用单总线八通道微环调制器阵列。八个微环调制器沿同一条总线波导级联排列，不仅用于高速电光调制，也承担波分复用功能，从而减少额外复用器件带来的面积开销。为提升微环调制器在高速工作下的性能，研究人员从器件结构入手，通过优化掺杂分布和谐振腔结构，在调制效率、光学损耗和电光带宽之间取得平衡，为单通道200 Gbps PAM4信号发射提供基础（图2）。

图2 八通道硅光波分复用发射端设计图

在接收端，团队设计了偏振不敏感的八通道接收架构。输入光首先通过二维偏振分离光栅耦合器被转换为两个TE模式，随后由级联双环滤波器完成不同波长通道的解复用，并进入双向入射硅锗光电探测器完成光电转换。该结构一方面降低了输入偏振态变化对链路性能的影响，另一方面通过双向入射设计增加了光场与吸收区的有效相互作用长度，有助于在紧凑尺寸内兼顾响应度和带宽（图3）。

图3 八通道硅光波分复用接收端设计图

此外，针对硅光微环器件易受温度和工艺偏差影响的问题，研究团队提出了多通道并行波长稳定方案。不同于传统逐个微环扫描和锁定的方式，该方法利用光电流反馈和统一热光控制，使发射端和接收端的多个微环同步参与调谐，并实现链路级协同波长对准。该设计为多通道硅光收发器的快速启动和长期稳定运行提供了支撑。

为验证发射端设计的高速调制能力，研究团队首先对微环调制器进行了建模、仿真与器件表征。结果表明，优化后的微环在−3 V偏压下实现了74 GHz的3 dB电光带宽，能够支持200 Gbps PAM4信号传输。八个通道均获得清晰对称的眼图，TDECQ均低于3 dB，说明发射端具有良好的多通道一致性和高速信号质量（图4）。

图4 八通道硅光发射端的200 Gbps PAM4眼图测试结果

接收端测试进一步验证了偏振不敏感架构和双向入射光电探测器的有效性。双向入射硅锗光电探测器在−2 V偏压下实现了0.81 A/W的内部响应度和59 GHz的3 dB光电带宽；偏振分束光栅耦合器在30 nm波长范围内保持低于0.32 dB 的偏振相关损耗。进一步的八通道接收测试显示，各通道在200 Gbps PAM4信号下均获得清晰开启的眼图，表明该接收端能够在不同输入偏振状态下保持稳定工作，并满足高速多通道接收需求（图5）。

图5 八通道硅光接收端芯片及200 Gbps PAM4接收眼图

在系统级测试中，该收发器在八个密集波分复用通道上均实现了200 Gbps PAM4传输，总片间数据速率达到1.6 Tbps。八通道眼图均保持清晰开启，表明该架构在高通道密度条件下仍能维持良好的信号质量和并行传输能力（图6）。

图6 八通道硅光收发器的系统级高速传输测试结果

进一步的波长稳定测试显示，多通道并行波长锁定方案可将锁定时间缩短至传统逐通道方法的约1/30，并实现2.74 pm的精细波长跟踪精度。该结果说明，该系统不仅能够实现高速传输，还能有效应对硅光微环器件在实际运行中常见的温度漂移和波长失配问题（图7）。

图7 多通道并行波长锁定过程及性能对比

针对高密度片间光互连在带宽密度、偏振稳定性和波长校准效率方面的挑战，研究团队提出了一种基于硅光微环的八通道密集波分复用收发器。该系统在发射端采用单总线微环调制器阵列，在接收端集成偏振分离架构、级联双环滤波器和双向入射硅锗光电探测器，实现了高速调制、稳定接收与紧凑集成。实验结果表明，该收发器在8个DWDM通道上实现了单通道200 Gbps PAM4传输，总片间数据速率达到1.6 Tbps；同时，多通道并行波长锁定方案将锁定时间缩短至传统逐通道方法的约1/30，展现出高速率、小尺寸和高稳定性的综合优势。

未来，随着硅光器件工艺、热调谐效率和电子—光子协同封装技术的进一步优化，该类硅光微环收发器有望向更高通道数、更低功耗和更高集成密度发展。相关技术预计将在共封装光学、光I/O、数据中心短距互连和高性能计算等场景中发挥重要作用，为Tbps级片间光互连的实际部署提供可扩展的技术路径。