近期，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、舒浩文研究員和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校John E. Bowers院士聯(lián)合團隊在超高速光互連領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，在標(biāo)準(zhǔn)硅基光電子平臺上首次實現(xiàn)了單波400 Gbps的超高速多通道信號傳輸實驗。所提出的人工智能加速硅慢光調(diào)制技術(shù)以高帶寬純硅慢光調(diào)制器芯片為基礎(chǔ)，針對硅慢光平臺非線性失真所設(shè)計的人工智能均衡器為驅(qū)動，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)硅光平臺單波傳輸速率的大幅提高，是國際上首次實現(xiàn)硅基單波400 Gbps的成果，對于下一代算力中心的發(fā)展具有重要意義。7月16日，相關(guān)研究成果以《利用人工智能加速硅慢光技術(shù)探索單波400 Gbps及更高速率傳輸》(“Exploring 400 Gbps/λand beyond with AI-accelerated silicon photonic slow-light technology”)為題，在線發(fā)表于Nature子刊《自然·通訊》(Nature Communications)。
隨著信息社會的高速發(fā)展，作為人工智能(AI)時代和數(shù)字經(jīng)濟的基礎(chǔ)支撐性設(shè)施，通信設(shè)備與互連芯片面臨著速率與容量升級的壓力與挑戰(zhàn)。為應(yīng)對產(chǎn)業(yè)更新對傳輸速率和集成密度的需求，以先進(jìn)成熟的微電子工藝為基礎(chǔ)，充分利用光子技術(shù)高速率、多維度、低延遲、低能耗與高并行等優(yōu)勢，實現(xiàn)硅基片上光互連已成為信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢和業(yè)界的普遍共識。硅基光電子技術(shù)可利用互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容工藝制造光子集成芯片，通過在硅襯底上集成微納光學(xué)器件，充分利用微電子產(chǎn)業(yè)的設(shè)備、技術(shù)與投資來進(jìn)行光子集成回路的設(shè)計、制造與封裝，從而降低光芯片的制造成本，其已成為滿足未來高速互連與超大算力的關(guān)鍵支撐性技術(shù)。因此，以低成本、高集成度的硅基光電子芯片為基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)和機理的優(yōu)化不斷提升傳輸速率，從而滿足數(shù)據(jù)中心與高性能計算接口對數(shù)據(jù)吞吐量的需求，是近年來信息通信領(lǐng)域的研究熱點。對于數(shù)據(jù)中心光互連場景，以四級脈沖幅度調(diào)制（PAM-4）為代表的強度調(diào)制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)通過光強對信號進(jìn)行調(diào)制，由于易于部署而被IEEE標(biāo)準(zhǔn)明確為短距光互連的技術(shù)路線。但是，由于硅材料本身較慢的載流子輸運速率，近年來基于純硅調(diào)制器的單波IM/DD傳輸速率與未來超快光互連所需的單通道400 Gbps傳輸存在顯著差距，限制了硅基光電子學(xué)在超快光互連場景中的實際部署。
針對以上問題，研究團隊基于高帶寬純硅慢光調(diào)制器芯片，創(chuàng)新性地提出了一種AI加速硅慢光調(diào)制技術(shù)，以突破現(xiàn)階段硅光平臺的單波傳輸速率限制。研究團隊采用CMOS兼容的硅基光電子標(biāo)準(zhǔn)工藝，在純硅材料體系下設(shè)計并制備了在1550 nm左右通信波長下工作的八通道高帶寬波分復(fù)用硅基慢光調(diào)制器芯片，其固有帶寬效率權(quán)衡得以減弱。進(jìn)一步，利用所設(shè)計的針對硅慢光平臺非線性失真的AI均衡器，基于產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)高階格式PAM-4，實現(xiàn)了在硅基光電子平臺上的最高單波速率400 Gbps的超高速穩(wěn)定多通道信號傳輸，且誤碼率在整個通帶內(nèi)均低于HD-FEC閾值，總傳輸容量3.2 Tbps，片上數(shù)據(jù)速率密度高達(dá)1.6 Tb/s/mm2，展示了硅基光電子學(xué)方案在超快光互連領(lǐng)域的適用性。該方案在不引入異質(zhì)材料與復(fù)雜工藝的前提下，以產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式實現(xiàn)了純硅材料平臺單波傳輸速率的大幅提升，充分發(fā)揮了硅基光電子學(xué)的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，實現(xiàn)了硅光與AI技術(shù)的深度融合。該成果驗證了硅基光電子學(xué)在下一代3.2 TbE光互連領(lǐng)域的巨大價值，同時也實驗展示了AI for Science(AI4S)背景下硅光平臺與AI驅(qū)動方案的高度適配性，有望應(yīng)用于下一代算力中心，為片上光互連方案提供新思路并加速AI產(chǎn)業(yè)升級。
人工智能加速硅慢光調(diào)制技術(shù)
該論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士、美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后研究員韓昌灝，北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生楊其鵬，北京信息科技大學(xué)秦軍副教授，北京大學(xué)長三角光電研究院周?副研究員。北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、舒浩文研究員和美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校John E. Bowers院士為論文的通訊作者。鵬城實驗室余少華院士參與本工作并給予了重要指導(dǎo)。主要合作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院彭超教授、胡薇薇教授、博士畢業(yè)生鄭昭、博士研究生王藝蒙、吳一晨，鵬城實驗室賀志學(xué)研究員、王磊研究員、博士研究生張云皓、王浩仁，北京大學(xué)長三角光電研究院葛張峰副研究員，北京信息科技大學(xué)碩士研究生孫瑜、呂俊德。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院光子傳輸與通信全國重點實驗室作為第一單位完成。
論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-61933-5
