近日，我校电子与信息工程学院张赞允教授在超高数据容量硅光集成芯片方向取得重要研究成果，以第一作者在国际光学顶级期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表题为“Grating-based Eight-channel Lan-WDM Silicon Photonic Transceiver for Tb/s applications”的论文。审稿人评价该工作为所在领域前5%的研究结果。
硅基光电子集成技术是21世纪信息时代的关键使能技术。硅光集成芯片具有集成度高、成本低廉、大规模制造等突出技术优势，在数据通信、电信、光传感、人工智能等领域具有广泛应用前景。目前，硅光收发芯片已经应用于数据中心高速光模块。为满足日益增长的带宽需求，下一代光模块需要将数据率提升到800 Gb/s以上。为提升通信容量，现有光模块多采用PSM（并行光纤）或CWDM（稀疏光波分复用）的多信道复用方式。前者虽然理论上可实现较高信道数目，然而受限于功率预算只适合于500米光传输；后者受限于信道数目和较高光纤色散，通信容量难以突破800 Gb/s，也很难实现2公里以上传输距离，硅光收发芯片急需在新型复用方式和实现方案方面取得突破。
为解决该难题，张赞允教授及其研究团队创新性地提出了基于光栅耦合的8通道Lan-WDM硅光收发集成方案，集成芯片（图b）采用自研超高效率完全垂直光栅耦合器作为光学接口，采用交错型角度多模干涉仪实现超低损耗波分复用/解复用，采用硅马赫-曾德调制器和锗波导光电探测器实现高速光发射和光接收功能。经光封装后（图a）测试，芯片发射端光纤到光纤插入损耗仅约12 dB，信道非均匀度为1.44 dB；调制器和探测器带宽分别达到了45和47 GHz；在满足SD-FEC判决标准的前提下，光发射机和光接收机总通信容量分别达1.56和1.42 Tb/s，收发互连后总通信容量仍然高达1.18 Tb/s。为验证芯片在传输距离方面的优势，团队分别进行了2公里和10公里数据传输实验。结果显示，得益于Lan-WDM波段的低光纤色散，收发芯片可实现10 公里的单模光纤数据传输。
图a 芯片封装后照片 图b 芯片显微照片
该研究成果由天津工业大学、中国科学院半导体研究所、鹏城实验室、苏州微光电子融合技术研究院有限公司多个单位和科研机构共同完成，受到了国家自然科学基金、中国科学院青促会资助项目、鹏程实验室重点项目、企业委托项目、天津市光电检测技术与系统重点实验室开放课题等经费支持。据了解，该工作从构思、设计、流片测试到论文撰写用时超过三年，是国内外首次流片实现基于8通道Lan-WDM的硅光收发集成芯片，相关性能指标达到了国际先进水平。这一研究为解决高性能硅光收发芯片面临的瓶颈提供了绝佳的技术方案，有望在数据通信、电信等领域取得重要应用。
致力于解决我国高端光电子芯片“卡脖子”难题，张赞允教授近年来持续在高速硅基光电子集成芯片方向深耕，相继研发出224 Gb/s偏振不敏感硅光强度调制器、8通道LWDM硅光收发集成芯片、单片集成锗硅BiCMOS光接收芯片等多个成果。经专家鉴定和第三方测试，芯片性能总体达到国际先进水平，其中硅光调制器的偏振不敏感性处于国际领先水平。2024年10月21日，中国光学工程学会公布了第十届科学技术奖获奖结果，张赞允作为第二完成人的“硅基光电集成中光耦合、调制、滤波关键技术及应用”项目获得技术发明二等奖。
（审稿：电子与信息工程学院 牛萍娟 编辑：党委宣传部 胡敏）
图片来源：电子与信息工程学院