近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系长聘副教授陆梁军、研究员杜江兵联合开展研究工作，提出了基于强度调制直接检测（IM-DD）方案的并行数据传输系统，利用片上单孤子光频梳和色散补偿实现了大容量低功耗的并行数据传输，该系统在未来超大规模、超低功耗数据中心互连中具有广泛的应用前景及重要的应用价值。相关成果以“Parallel wavelength-division-multiplexed signal transmission and dispersion compensation enabled by soliton microcombs and microrings”（基于光孤子频率梳与级联微环的并行数据传输与色散补偿）为题发表在《Nature Communications》（自然-通讯）期刊上。

根据国际数据中心的预测，2025年全球数据总量将突破175ZB。数据量的爆炸性增长推动着数据中心以及数据中心互连（DCI）的发展，低成本、低功耗、大容量的数据中心互连成为产业界及学术界研究的目标。相比于相干系统，基于IM-DD的系统具有结构简单、成本低、功耗低等优点，但由于单模光纤色散的影响，目前基于IM-DD的方案主要应用在损耗相对较高的O波段、光纤距离小于10km的数据中心互连场景下。此外，波分复用（WDM）技术虽然可用于IM-DD系统来提升数据传输容量，但多个波长通道往往需要多个激光器，系统成本也会随之增加。因此，如何在基于IM-DD系统架构下，在损耗较低的C波段实现较长距离下的低功耗、大容量数据传输仍面临巨大挑战。

图1 用于数据中心互连的片上并行IM-DD数据传输系统及关键器件显微照片

针对以上挑战，本工作提出片上并行IM-DD数据传输系统（图1a），该系统主要由片上发射端、接收端，以及中间用于数据传输的单模光纤构成。在该系统的发射端，多波长光源由微环产生的光频梳提供，不同波长的光信号通过与其波长相对应的片上调制器可将电信号调制到光载波上。调制后的光信号随后送入单模光纤中进行传输。在系统的接收端，片上八微环级联的结构用于实现对光纤色散的补偿。在色散补偿之后，不同波长的光信号经过波分解复用器进行波长解复用，然后送入相应的片上光电探测器进行光电转换，获得相应的传输数据。基于以上架构，本工作设计并实现了片上光频梳（图1b）以及级联微环色散补偿（图1c）这两个关键器件，二者的自由频谱范围（FSR）相匹配，以实现并行的色散补偿及数据传输。色散补偿器件中每个微环的谐振波长和耦合系数均可独立调节，可实现在C波段对40km以内单模光纤的连续可调的色散补偿。

图2 并行数据传输测试结果

本工作进一步进行了并行数据传输的实验测试。在进行并行数据传输测试前，首先对级联微环进行了标定及热串扰补偿。随后，选出15根光频梳作为多波长光源，对每根光频梳分别调制80Gbit/s PAM4信号（图2a）以及112Gbit/s DMT信号（图2d），在传输20km单模光纤之后利用级联微环进行色散补偿，分别实现了1.2Tbit/s和1.68Tbit/s的数据传输总量。经过色散补偿之后，可以获得清晰的眼图（图2b）及星座图（图2e），各通道误码率（图2c，图2f）均可控制在合理范围内。此外，本文对色散补偿所需功耗做了详细分析，传输距离统一至40km，本工作的归一化色散补偿功耗低至~0.3 pJ/bit，此功耗是目前商用400G-ZR相干光模块色散补偿功耗的约六分之一，是未来下一代1.6T-ZR相干光模块色散补偿功耗的约三分之一。

从左到右：刘源彬，张宏毅，刘嘉程，陆梁军，杜江兵

上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系博士研究生刘源彬、张宏毅、刘嘉程为论文的共同第一作者，陆梁军副教授、杜江兵研究员为论文的共同通讯作者。上海交通大学电子信息与电气工程学院为论文第一单位，该工作得到国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47904-2