密集波分复用(DWDM)硅基光电子发射器为提高数据中心互联的带宽密度和能效提供了一种极具吸引力的解决方案。通过在单个光子集成电路 (PIC) 上集成多个光学组件(包括激光器、调制器和放大器)，这些发射器实现了高性能、紧凑型和高成本效益的光链路。
这篇教程详细介绍了异构集成 DWDM 硅光子发射机，涵盖了关键的设计方面、性能指标和应用。我们总结 Intel三月份发表在IEEE Journal of Solid State Circuits-期刊》上的 8-λ × 50 Gbps/λ 异质集成硅基光电子 DWDM 发射机，其中介绍了 DWDM 和硅基光电子技术的基本概念，讨论了光学和电子组件的集成，并分析了系统设计中的性能权衡[1]。最后，强调了这些发射器在实现未来人工智能(AI)、机器学习(ML)和高性能计算(HPC)工作负载的光计算互连(OCI)方面的潜力。
随着数据中心对计算、内存和存储的需求不断增长，传统网络架构面临着带宽和延迟瓶颈。光互连，尤其是基于硅基光电子技术的光互连，与电子链路相比，具有更高的带宽密度、更低的延迟和更高的能效，有望应对这些挑战。DWDM 允许在单根光纤上同时传输多个光波长，从而进一步提高了带宽密度，极大地提高了总数据传输速率。
异质集成的 DWDM 硅基光电子发射机集两家之长：PIC 上的高性能光学组件和 CMOS 电子集成电路 (EIC) 中的先进高速电子组件。这种集成允许使用最合适的制造工艺对每个组件进行优化，从而实现卓越的整体性能和可扩展性。
图 1：(a)带有分层交换机的典型数据中心网络;(b)由 OCI 实现的带有资源池的扁平化网络拓扑结构[1]。
· 多波长激光器(MWL)： 多波长激光器(MWL)是一个关键组件，能够产生多个紧密间隔的光载波。DFB 激光器因其窄线宽和稳定性而成为常见选择。
· 微环调制器(MRM)： 这些结构紧凑的电光器件利用微环的谐振特性来调制光载波的强度。MRM 对 DWDM 至关重要，可对每个波长通道进行独立调制。
· 半导体光放大器(SOA)：SOA 提供片上光学增益，以补偿链路中的损耗，并确保接收器有足够的信号功率。它们通常被置于战略位置，以优化性能并降低激光功率要求。
· 热光学调谐： 由于制造变化和温度波动，MRM 需要主动对准相应的激光波长。集成加热器和热控制单元 (TCU) 可用于这种精确的热调整。
· 光调制振幅(OMA)和消光比(ER)：OMA 表示 1 和 0 电平之间的光功率差，而 ER 则是这些功率电平的比率。这些指标直接影响可实现的误码率 (BER)。
· 链路预算分析： 全面分析整个链路的光功率损耗(如光纤耦合、MRM 插入损耗、连接器损耗)对于确定接收器所需的激光功率、SOA 增益和 OMA 至关重要。
· 权衡： 设计选择涉及 MRM 调制效率、反向偏置电压、带宽要求和能耗之间的权衡。需要仔细优化，以平衡性能和功耗。
· 高速数据路径：CMOS EIC 包括串行器、时钟电路和堆叠电压模式驱动器，旨在提供高输出摆幅(1.8 Vpp)，以实现最佳的 MRM 调制。
· 时钟： 采用具有占空比校正和正交误差检测功能的多相时钟方案，以确保精确的定时并最大限度地减少抖动。
· MRM 热控制单元(TCU)： 每个 MRM 都有一个专用的 TCU，利用光电流感应来保持环谐振和激光波长之间的恒定失谐，从而确保链路的稳定运行。
图 4. 基于 CMOS 的 TCU 电路实现，以保持 MRM 谐振与 λ 激光器之间的恒定失谐。
· 眼图：50 Gbps NRZ 眼图是评估信号完整性和潜在误码率性能的关键指标。我们的系统在所有信道同时实现了优于 4.5 dB 的误码率(图 7)。
· 链路误码率测量： 不同条件(温度、数据模式)下的误码率测量用于验证发射机的性能和可靠性。在我们的设计中，使用集成 ORX 进行收发器光环回测量，所有八个通道的误码率均优于 10^-12[26]。
· 能效： 能效通常以每比特皮焦(pJ/bit)为单位衡量，是一项至关重要的指标，尤其是对于数据中心应用而言。高速 EIC TX 数据路径和时钟的能效测量值为 1.17 pJ/bit，同时在每个波长上传输 PRBS10 模式(数据路径为 0.56 pJ/bit，时钟为 0.61 pJ/bit)。为了全面了解 OTX 的能效，我们考虑了光学组件的功耗。在这些测量中使用的 MRM 映射中，MRM 加热器的平均功率为 6.25 mW/加热器，预计会随着环境温度的变化而略有增加。SOA 功率(350 mW)额外增加了 0.9 pJ/b。重要的是，巨大的激光功率可在多个 8λ DWDM 链路上分担，因此，当在八个 OTX 上摊销时，激光能效估计为 0.36 pJ/b。两者相加，我们的 400 Gbps OTX 能效为 2.5 pJ/b。
· 光计算互联(OCI)：异质集成 DWDM 硅光子发射器在实现人工智能、ML 和 HPC 应用的 OCI 方面发挥着重要作用。这些应用需要高带宽和低延迟，以便在计算节点、存储设备和加速器之间实现高效数据传输。DWDM 硅基光电子发送器可提供必要的带宽密度和能效，以支持这些要求苛刻的工作负载。
· 可扩展性和成本效益：与分立组件解决方案相比，在单个 PIC 上集成多个激光器、调制器和放大器的能力可显着实现小型化并降低成本。随着带宽需求的不断扩大，这一点变得越来越重要。
· 先进的调制格式：目前正在进行研究，探索使用 PAM-4 和 DMT 等 NRZ 以外的高级调制格式，以进一步提高带宽和频谱效率。我们选择的 NRZ 调制方式和 O 波段的低光纤色散使这种方法对低延迟、高能效的 OCI 特别有吸引力，其目标是 AI/ML/HPC扩展结构。
· 与 CMOS 处理器集成：预计未来异质集成的进步将使硅基光电子发射器与 CMOS 处理器之间的耦合更加紧密，从而为共同封装的光学解决方案铺平道路。这将进一步减少延迟，提高系统整体性能。
异质集成 DWDM 硅基光电子发射机是一种很有前途的技术，可满足数据中心和高性能计算应用日益增长的带宽需求。通过将硅光子技术的优势与先进的高速电子技术相结合，这些发射器提供了高性能、小尺寸和成本效益的完美组合。
随着研究和开发的不断深入，可以期待性能、可扩展性和集成能力的进一步提高，为未来的高带宽、低延迟光通信网络铺平道路。这些发射器集高性能、紧凑型和成本效益于一身，非常引人注目。本文展示了一种异构集成的 O 波段 DWDM 硅基光电子发射器，可实现低延迟、长距离和高能效的 OCI。我们的设计集成了 DWDM 链路的所有关键电气和光学组件，包括具有 200-GHz 信道间隔的集成 O 波段 MWL 阵列。本文演示了在 8 个波长上同时可靠传输 50 Gbps NRZ 数据，在单根光纤上实现了 400 Gbps 的总数据传输速率，突出了硅基光电子发射机的性能和竞争优势。
