近期，北京大學電子學院王興軍教授、舒浩文研究員和美國加州大學圣塔芭芭拉分校John E. Bowers院士聯(lián)合團隊在超高速光互連領域取得突破性進展，在標準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制技術以高帶寬純硅慢光調制器芯片為基礎，針對硅慢光平臺非線性失真所設計的人工智能均衡器為驅動，實現(xiàn)了標準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，相關研究成果以《利用人工智能加速硅慢光技術探索單波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)濟的基礎支撐性設施，通信設備與互連芯片面臨著速率與容量升級的壓力與挑戰(zhàn)。為應對產(chǎn)業(yè)更新對傳輸速率和集成密度的需求，以先進成熟的微電子工藝為基礎，充分利用光子技術高速率、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發(fā)展的必然趨勢和業(yè)界的普遍共識。硅基光電子技術可利用互補金屬氧化物半導體(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器件，充分利用微電子產(chǎn)業(yè)的設備、技術與投資來進行光子集成回路的設計、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鍵支撐性技術。因此，以低成本、高集成度的硅基光電子芯片為基礎，通過結構和機理的優(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，以四級脈沖幅度調制（PAM-4）為代表的強度調制/直接檢測（IM/DD）系統(tǒng)通過光強對信號進行調制，由于易于部署而被IEEE標準明確為短距光互連的技術路線。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制器芯片，創(chuàng)新性地提出了一種AI加速硅慢光調制技術，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準工藝，在純硅材料體系下設計并制備了在1550 nm左右通信波長下工作的八通道高帶寬波分復用硅基慢光調制器芯片，其固有帶寬效率權衡得以減弱。進一步，利用所設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)標準的基礎高階格式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1.6 Tb/s/mm2，展示了硅基光電子學方案在超快光互連領域的適用性。該方案在不引入異質材料與復雜工藝的前提下，以產(chǎn)業(yè)標準格式實現(xiàn)了純硅材料平臺單波傳輸速率的大幅提升，充分發(fā)揮了硅基光電子學的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，實現(xiàn)了硅光與AI技術的深度融合。該成果驗證了硅基光電子學在下一代3.2 TbE光互連領域的巨大價值，同時也實驗展示了AI for Science(AI4S)背景下硅光平臺與AI驅動方案的高度適配性，有望應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制技術
該論文的共同第一作者為北京大學電子學院博士、美國加州大學圣塔芭芭拉分校博士后研究員韓昌灝，北京大學電子學院博士研究生楊其鵬，北京信息科技大學秦軍副教授，北京大學長三角光電研究院周?副研究員。北京大學電子學院王興軍教授、舒浩文研究員和美國加州大學圣塔芭芭拉分校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。主要合作者還包括北京大學電子學院彭超教授、胡薇薇教授、博士畢業(yè)生鄭昭、博士研究生王藝蒙、吳一晨，鵬城實驗室賀志學研究員、王磊研究員、博士研究生張云皓、王浩仁，北京大學長三角光電研究院葛張峰副研究員，北京信息科技大學碩士研究生孫瑜、呂俊德。該工作由北京大學電子學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
