新型光頻梳光源，讓光信號(hào)傳輸又快又節(jié)能 | 科技前線

光頻梳是高速光通信的基石。通過(guò)它實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸，為破解傳統(tǒng)光通信技術(shù)面臨的帶寬瓶頸和功耗難題提供了可能方案。然而，將光頻梳推向大規(guī)模實(shí)用化仍是業(yè)界面臨的一大挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所陳思銘團(tuán)隊(duì)與其合作者，成功研制出一款可在140°C的極端溫度下穩(wěn)定工作的100GHz量子點(diǎn)光頻梳激光器，為未來(lái)Tbps量級(jí)的光互連提供了至關(guān)重要的光源解決方案。

▲量子點(diǎn)鎖模光頻梳示意圖及性能展示

01

能耗挑戰(zhàn)下的光源需求

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心內(nèi)部仍普遍依靠銅線傳輸電信號(hào)，電子在高速傳輸中產(chǎn)生巨大阻力與熱量，隨著人工智能的發(fā)展，其算力需求正以指數(shù)級(jí)攀升，其背后是驚人的能源消耗。

為構(gòu)建新一代更快、更節(jié)能的光互連技術(shù)，業(yè)界正全力研發(fā)一種名為“共封裝光學(xué)”（CPO）的革新性架構(gòu)。有望將系統(tǒng)功耗降低30%至50%，并極大提升帶寬密度。

然而，CPO技術(shù)成功的關(guān)鍵，在于緊鄰著計(jì)算芯片的光學(xué)引擎——它必須具備極致的耐高溫性、高效率、緊湊性與高可靠性，這是傳統(tǒng)光源無(wú)法企及的嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。

光頻梳就像一把精密的“光梳子”，能同時(shí)產(chǎn)生數(shù)十乃至上百個(gè)穩(wěn)定的光信道，相當(dāng)于將單車(chē)道公路拓展為多個(gè)“車(chē)道”并跑，每條信道不僅頻率精準(zhǔn)，相位也高度同步，從而在大幅提升傳輸效率和穩(wěn)定性的同時(shí)，顯著縮小設(shè)備體積。

優(yōu)質(zhì)的光頻梳還能覆蓋很寬的頻率范圍，滿足不同數(shù)據(jù)的傳輸需求。但要讓這把“光梳子”在芯片旁的“火爐”中穩(wěn)定工作，并兼具超寬帶寬與超長(zhǎng)壽命，實(shí)現(xiàn)難度極大。

02

CPO理想光源的突破

面對(duì)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)從材料、工藝到結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性創(chuàng)新，研制出一種基于量子點(diǎn)材料的光頻梳激光器。

在材料層面，激光器采用量子點(diǎn)這一納米級(jí)半導(dǎo)體晶體作為增益介質(zhì)。由于電子在其中受到三維空間的量子限制，其能級(jí)結(jié)構(gòu)如同分立的原子，從而賦予了激光器卓越的溫度穩(wěn)定性與抗光反饋能力。

在工藝層面，針對(duì)傳統(tǒng)n型或p型單種摻雜技術(shù)中低功耗與高耐熱性難以兼顧的矛盾，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用“共摻雜”策略，巧妙地實(shí)現(xiàn)了二者的平衡與統(tǒng)一。

在結(jié)構(gòu)層面，團(tuán)隊(duì)采用了“碰撞脈沖鎖模”設(shè)計(jì)，通過(guò)光脈沖在腔內(nèi)精確對(duì)撞直接倍增頻率，在保證高輸出功率的同時(shí)，滿足了高速傳輸所需的100GHz寬信道間隔。

團(tuán)隊(duì)研制的光頻梳激光器在工作溫度、傳輸容量和可靠性方面均取得突破，展現(xiàn)出優(yōu)越的綜合性能：

在室溫（25°C）下，激光器實(shí)現(xiàn)了14.312nm的3dB光學(xué)帶寬，可產(chǎn)生26個(gè)并行信道，每個(gè)信道均可承載128Gb/s的PAM-4調(diào)制信號(hào)；在高達(dá)140°C的溫度下，該器件仍保持穩(wěn)定鎖模；在85°C的工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)高溫下，關(guān)鍵性能幾乎無(wú)衰減，仍能支持22個(gè)信道穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)總量2.816Tb/s的數(shù)據(jù)傳輸。

同時(shí)，該器件傳輸每比特?cái)?shù)據(jù)的能耗在25°C和85°C下分別低至0.394pJ和0.532pJ。通過(guò)在85°C高溫下進(jìn)行超過(guò)1500小時(shí)的加速老化實(shí)驗(yàn)推算，其平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)207年，完全滿足嚴(yán)苛的商業(yè)應(yīng)用要求。

該器件利用量子點(diǎn)材料對(duì)光反饋不敏感的特性，省去了傳統(tǒng)系統(tǒng)中昂貴且笨重的光隔離器，從而大幅減輕了系統(tǒng)在尺寸、重量和成本上的壓力。

03

賦能未來(lái)

該項(xiàng)工作不僅在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了在單一芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高寬帶、耐高溫、長(zhǎng)壽命和高集成度量子點(diǎn)光頻梳的可行性，更為下一代數(shù)據(jù)中心與AI算力集群的光互連系統(tǒng)，提供了一條性能強(qiáng)大且兼具高經(jīng)濟(jì)效益的光源實(shí)現(xiàn)路徑。

未來(lái)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，我們的數(shù)據(jù)傳輸將變得更快、更穩(wěn)定、更節(jié)能，為人工智能、云計(jì)算等前沿領(lǐng)域的發(fā)展注入源源不斷的強(qiáng)勁動(dòng)力。

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

責(zé)任編輯：宋同舟