鱼与熊掌可以兼得？1.6T简化相干光模块实现40公里传输，兼顾成本与功耗

人工智能、云计算和大数据的快速发展，推动全球数据中心流量以近30%的年复合增长率持续攀升。数据中心内部及其之间的互联（DCI）需求激增，对光模块的带宽、成本和功耗提出了更高要求。

目前主流技术方案面临两难处境。强度调制直接检测（IM-DD）光模块成本较低，但单通道速率受色散和非线性效应限制，在总速率超过1.6 Tbps时传输距离通常难以突破10公里，无法满足中距光互联需求。传统相干检测技术虽能实现长距离传输，但其系统复杂度与成本居高不下——全功能数字信号处理器（DSP）、可调谐激光器（ITLA）、气密性封装等配置导致功耗和成本过高，难以适应数据中心大规模部署的经济性要求。

如何在传输距离、成本和功耗之间找到平衡点，成为产业界亟待解决的问题。

技术原理

系统级优化的三大关键

针对上述问题，我们提出并验证了一种传输距离为2-40公里的4×400 Gbps简化相干光模块设计方案，进行了三大关键技术优化。该方案在保留相干接收高灵敏度优势的同时，通过系统级架构优化降低复杂度。总容量达1.6 Tbps，采用四通道并行架构，单通道速率400 Gbps。

01

光源架构简化

本方案采用工作波长为1310 nm的O波段窄线宽DFB激光器作为光源。O波段处于标准单模光纤的零色散窗口，对色散不敏感，这为后续DSP简化创造了条件。

在相干光通信系统中，需要维持本振光与信号光频率同步。传统方案通常为每个激光器配置锁相结构，以稳定输出波长。本方案采用无波长锁定的频偏控制技术，通过温度调控实现激光器输出频率的闭环控制。具体而言，选用误差低于0.001 ℃的三线式电阻温度探测器（RTD）采集温度，DSP依据混频后的ADC数据解析频率偏差，MCU据此向热电制冷器（TEC）发送调控指令，通过调节驱动电流改变激光器工作温度，最终将频率偏移稳定控制在±400 MHz以内。图1展示了这一频率控制架构。

图1 简化相干光模块中的频偏控制环路

02

PN结差分双臂抖动偏压控制

本方案采用双并行马赫-曾德尔调制器（DPMZ）实现电光调制，通过偏振复用结合两个硅基MZM支持16 QAM调制。该调制格式配合偏振正交复用，频谱效率较PAM4提升4倍，为单通道400 Gbps传输提供支撑。

MZM的直流偏置点易受温度漂移与器件老化影响而发生漂移，导致信号劣化。常规解决方案是在热光相移器端添加单臂抖动信号，通过监测输出光信号调整偏置点。本方案在射频相移器的上下臂分别叠加低频微扰信号（频率20 kHz，振幅20 mV），如图2所示。电光调制响应速度快于热光调制，且半波电压较高，在硬件实现上无需高分辨率数模转换器。通过构造正交参考信号并对输出光场强度分量进行互相关积分，可快速锁定I、Q、P三个通道的最佳偏置点。

图2 DPMZIQ硅光调制器单偏振结构模型

03

3D倒装堆叠封装工艺

在单一OSFP-XD封装内集成四个光子集成芯片（PIC），需采用高密度互连技术。本方案采用3D倒装堆叠工艺，将TIA以凸块互联方式倒装集成于PIC下方，再整体封装至基板。基板采用类基板印刷电路板（SLP）技术，线宽线距控制在30 μm以下，有效降低高速信号传输路径中的插入损耗与回波损耗。

为评估封装方案的高频特性，我们对金丝键合与倒装堆叠两种互联方式进行带宽仿真对比。图4显示两种方案的带宽性能差异较小，但金丝键合方案在尺寸方面存在劣势。在倒装堆叠的具体实施方案中，采用硅通孔（TSV）技术的方案工艺流程复杂且制造成本较高，因此本研究选择工艺复杂度与性能表现更为均衡的3D倒装堆叠方案1（如图3(a)所示）。

图3 封装技术方案。(a)3D倒装堆叠方案1；(b)3D倒装堆叠方案2；(c)金丝键合

图4 金丝键合与倒装堆叠的性能比较

应用案例

1.6T简化相干光模块性能验证

基于上述设计方案，我们制备出1.6T简化相干光模块样机并搭建了性能验证平台。测试平台示意图如图5所示。

图5 1.6T简化相干光模块实验测试平台

光源性能测试：DFB激光器频率噪声功率谱密度测试结果显示，在全部测试频率范围内，噪声谱密度曲线均低于系统设计规定的上限阈值。根据激光器线宽与频率噪声功率谱密度的物理关联，由频谱中的平坦噪声特征可推算出其线宽低于400 kHz。图6展示了光模块在持续运行状态下频率偏移的长期监测数据，四个传输通道的载波频偏均被稳定控制在±400 MHz的设计容限内，未出现频率失锁或周期性抖动现象。

图6 光源性能测试结果。(a)DFB 激光器频率噪声功率谱；(b)长时间频偏控制结果

传输性能测试：图7为单通道传纤后的光谱，3 dB带宽为78.91 GHz。背靠背传输条件下，单通道400 Gbps的接收灵敏度为-25.56 dBm，发射光功率约-9.49 dBm，误码率容限为1.11 e⁻²。结合O波段1310 nm波长处0.33 dB/km的典型光纤损耗系数，可推得理论最大传输距离超过40公里。图9显示了经过40公里光纤传输后通道4的16QAM星座图，纠前误码率为7.483e⁻³，低于误码率容限，表明信号在传输40公里后仍能被正确解调。

图7 1.6T简化相干光模块光谱

图8 不同方案接收灵敏度测试曲线。（a）简化相干；（b）IM-DD；（c）传统相干

图9 1.6T简化相干方案星座图。CH1(a)、CH2(b)、CH3(c)为背靠背传输，CH4(d)为40km光纤传输

功耗测试：在室温25℃、1.6Tbps全业务负载及40公里传输条件下，模块实测总功耗为39.112 W。功耗分布占比如表1所示。其中DSP芯片为主要功耗单元，占比64.58%；电源系统占比12.83%；光学核心组件（DFB、TEC、PIC和TIA）总占比22.57%。

表1 1.6T简化相干光模块功耗及分布

为评估简化相干方案的功耗特性，我们在相同条件下对IM-DD与传统相干方案进行了对比测试。IM-DD方案采用4个4×100G DR4模块，实测总功耗48.012 W；传统相干方案采用4个400G相干光模块，实测总功耗88.440 W。表2显示，在实现同等1.6Tbps容量时，本简化相干方案的功耗分别为传统相干方案的44.2%和IM-DD方案的81.5%。相较于传统相干方案，本研究通过架构简化实现了显著功耗降低；与IM-DD方案相比，在维持相近能效水平的前提下，通过高阶调制格式提升了单通道速率。

表2 在实现1.6Tbps容量时，不同技术方案的性能对比

未来前景与挑战

本研究系统性地提出了一种1.6 T简化相干光模块整体设计方案，通过在器件层面采用窄线宽DFB激光器与无波长锁定的频偏控制，在控制层面引入PN结差分双臂抖动偏置点锁定技术，在封装层面采用3D倒装堆叠与精细化基板工艺，实现了40公里无中继稳定传输，总功耗39.112 W。本工作为高容量数据中心互联提供了一种兼具性能与成本效益的解决方案。

展望未来，简化相干技术仍有较大发展空间。一方面，可通过进一步简化DSP、采用更高阶调制格式，在降低功耗的同时将单通道速率提升至800Gbps；另一方面，可探索与量子通信等技术融合，为构建下一代高安全数据中心光互联奠定基础。

当然，这项技术也面临挑战。如何在进一步降低成本的同时保证大规模生产的良率和可靠性，如何应对未来更高速率和更复杂网络拓扑的需求，仍需产业界和学术界共同努力。