【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院譚旻研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在光通信領(lǐng)域頂級期刊 Journal of Lightwave Technology (JLT) 發(fā)表題為“Simultaneous Bias-Polarization Control with Dissimilar Time-Division Multiplexing in Electronic-Photonic Monolithic Integration”的研究論文。該研究針對大規(guī)模光電融合系統(tǒng)面臨的可擴(kuò)展性難題，提出了一種新型的非相似時(shí)分復(fù)用(Dissimilar Time-Division Multiplexing, DTDM)控制架構(gòu)，并基于IHP 250nm BiCMOS 工藝成功研制出我國首款光電融合全集成偏振、偏壓協(xié)同控制芯片。
隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)及云計(jì)算驅(qū)動的數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長，光互連技術(shù)正加速向大規(guī)模、高密度集成方向演進(jìn)。在光子集成電路(PIC)中，器件性能極易受工藝偏差、環(huán)境溫度波動及機(jī)械應(yīng)力的影響，特別是馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)的偏置點(diǎn)漂移與光路中的偏振態(tài)(SOP)旋轉(zhuǎn)，嚴(yán)重制約了鏈路的信號質(zhì)量與穩(wěn)定性。為了維持系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，必須引入有源反饋控制電路對這些物理參量進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)與鎖定。
然而，現(xiàn)有的控制架構(gòu)難以同時(shí)兼顧集成度與異質(zhì)兼容性。傳統(tǒng)的并行控制架構(gòu)采用“單器件-單控制器”模式，其面積與功耗開銷隨集成規(guī)模呈線性增長，成為制約高密度光電融合集成的“功耗墻”與“面積墻”。常規(guī)的時(shí)分復(fù)用(TDM)技術(shù)雖然有效降低了控制器數(shù)量，但僅局限于同質(zhì)器件(如多個相同的微環(huán))的輪詢控制，無法應(yīng)對復(fù)雜光電系統(tǒng)中物理特性截然不同的異質(zhì)器件協(xié)同調(diào)控需求。如何在極受限的芯片資源下，實(shí)現(xiàn)單一控制器對不同類型光器件的高效協(xié)同管理，是光電融合芯片領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通用的非相似時(shí)分復(fù)用(DTDM)控制架構(gòu)，并基于IHP 250nm BiCMOS光電單片集成平臺完成了流片驗(yàn)證。該架構(gòu)的創(chuàng)新之處在于構(gòu)建了統(tǒng)一的誤差域映射機(jī)制，將MZM偏置電壓與偏振態(tài)功率等不同物理維度的反饋信號歸一化，從而使得單一電子控制器能夠分時(shí)復(fù)用高精度的傳感前端、極值鎖定邏輯及驅(qū)動電路。芯片在毫秒級的時(shí)間片內(nèi)，自適應(yīng)地在偏壓控制與偏振控制任務(wù)間切換，首次實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)光器件的單片協(xié)同調(diào)控。
得益于架構(gòu)層面的創(chuàng)新，該芯片在極簡的硬件資源下實(shí)現(xiàn)了高性能的閉環(huán)控制，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：資源效率顯著提升：相比于傳統(tǒng)的并行控制方案，DTDM 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了44.4%的芯片面積節(jié)省和23%的功耗降低，核心控制電路面積僅為0.255 mm²，總功耗低至 2.988 mW。 高精度偏壓/偏振雙重鎖定：在偏壓控制模式下，實(shí)現(xiàn)了0.7 rad的線性控制范圍與5 Hz的跟蹤帶寬，有效抑制了熱串?dāng)_；在偏振控制模式下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)34 dB的消光比(ER)，偏振態(tài)跟蹤分辨率優(yōu)于0.01 rad/s。高速鏈路傳輸能力：實(shí)測結(jié)果表明，在開啟協(xié)同控制后，系統(tǒng)支持 100 Gbps NRZ 信號的單模傳輸；即使在偏壓與偏振雙閉環(huán)同時(shí)工作的復(fù)雜場景下，依然實(shí)現(xiàn)了56 Gbps NRZ的穩(wěn)定無誤碼傳輸，眼圖清晰張開。
該工作不僅研制了國內(nèi)首款全集成偏振、偏壓協(xié)同控制芯片，更為未來超大規(guī)模、異構(gòu)光電集成系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)提供了一條極具擴(kuò)展性的通用架構(gòu)路徑。
集成電路學(xué)院博士生陳驥旻、汪宇航(已畢業(yè))為論文共同第一作者，譚旻為通訊作者。
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