以学生为主导的光子学、电子学和封装整体协同设计可实现更快、更高效的数据传输

五年多来，Clint Schow一直与Facebook（现在的Meta）合作，以提高社交媒体巨头数据中心的能源效率。在加州大学圣巴巴拉分校的其他研究人员的加入下，电气和计算机工程教授Schow领导了一个团队，其中包括许多学生，开发一种速度为200 Gbps的单波长传输速度并使用1.5瓦功率的相干光链路。

这个雄心勃勃的项目包括由James Buckwalter教授在电气和计算机工程系（ECE）的学生设计的光子学与电子电路的集成封装，以及由ECE研究教授Adel Saleh领导的利用光子交换的网络架构的开发。

最终可交付成果？与英特尔合作开发的相干光链路，由最近在Schow实验室完成博士学位的Aaron Maharry领导。大约十几年前，光子集成电路（PIC）的世界先驱名誉教授Larry Coldren提出了这种联系的愿景。

“没有人相信它能奏效，”Coldren说。“他们认为我们出去吃午饭了，问我们，’你为什么要在数据中心做一个连贯的链接？这太疯狂了。

光链路格局

当在数据中心使用光链路时，信息通过电子信号从一个网络交换机传输到另一个网络交换机，该电子信号从第一个交换机传输到收发器模块，收发器模块将其转换为光信号。然后，该信号通过光纤发送，在另一端接收，在那里它被转回电信号。“我们专注于链路的收发器部分，因为它转换了两端的信号，”Maharry说。

Maharry在项目开始时加入了Schow的小组，他在3月初在圣地亚哥举行的光纤通信会议（OFC）上介绍了这项研究，这是光通信和网络专业人士的首要会议。

“这是迈向建立在相干光链路上的下一代数据中心网络的重要一步，”Maharry在会议上说。“这些链接将使数据中心能够以更低的能耗经济地扩展网络吞吐量，从而实现更好，更可持续和更便宜的互联网。

“Aaron论文的力量在于集成 – 光学设备方面极高水平的光学集成，然后是电气集成和设计这两件事，”Schow说。“获得这一伟大的结果是一项令人印象深刻的成就，我认为这就是 OFC 赞赏并强调我们的论文的原因。”

Schow使用汽车收音机的模拟来解释连贯链路的作用。“天线以某种频率广播，信号向各个方向发出，”他说。“当它到达你身边时，它非常弱，但你可以通过一个本地振荡器——汽车收音机中的正弦波发生器——来增强你选择的电台的信号。 同样的原理在相干光学中起作用。虽然本振是光学的 – 激光 – 但它也可以实现更灵敏的信号检测。

现在构成互联网骨干的数据中心中使用的光链路通常依赖于一种称为强度调制直接检测（IMDD）的通信方法，其中信息仅通过调制光的功率水平来编码。不断上升的数据速率导致人们越来越有兴趣用更具可扩展性的相干链路取代IMDD链路，但它们的高功耗和成本阻碍了它们的广泛采用。

最基本的相干光传输是一种基于调制光的振幅和相位的技术，同时在两个独立的偏振轴上传输，以便通过光纤电缆传输更多信息。

Maharry和几位博士生与英特尔公司合作设计了一种模拟相干检测链路架构;即使用模拟光学处理将接收到的位直接转换为数字电信号的链路。该架构消除了长距离传统相干链路（例如跨洋光纤电缆中使用的链路）所需的耗电数字信号处理功能，但对于数据中心内传输的较短距离信号来说是不必要的。

“整个光通信行业有一个广泛的趋势，即转向链路技术，以实现更高的数据速率并提高接收器的灵敏度，”Maharry说。“广泛用于可以行驶数千公里的海底电缆，在过去十年左右的时间里，它们已被用于越来越短的长度。我们一直在将这种架构应用于最多只有几公里的长度，以便在数据中心内进行大批量使用。

这是一项技术上具有挑战性的任务，Maharry花了六年的博士生时间才完成。“使这项技术既节能又具有成本效益是非常困难的，但是必不可少的，因为它必须与简单，强大的直接检测技术竞争，”他说。“因此，我们不得不重新设计所有芯片，并优化它们的功率效率，以便它可以与其他技术竞争。

“在最高级别，我们优化了一些与信号接收、调节和后处理以恢复数据相关的功能，”他补充说。“对于更长的距离，这些功能通常在DSP专用集成电路（ASIC）中执行，该集成电路约占整个模块成本的一半，消耗的功率仅为整个模块的一半。我们已经找到了在模拟光学领域执行这些复杂信号处理功能的方法，这样我们就可以将它们从DSP芯片中卸载并节省大量功耗。

低功耗相干链路可以实现全光交换，是一项重要的新兴技术。 虽然它不是一项新技术，但直到去年才在大型数据中心网络中使用它。“在谷歌取消了他们在数据中心和机器学习集群中部署光交换机的掩护之前，没有人真正这样做，”Coldren解释说。“我认为大多数人认为现在考虑还为时过早，目前的技术将在可预见的未来扩展。

Schow指出，谷歌最近宣布他们在过去五年中一直在数据中心大规模部署光交换，震惊了整个行业。“这从一开始就是我们的关键应用，”他说。“随着像谷歌这样的重量级人物推出，它验证了我们已经写了一段时间的这个故事。

“谷歌正在部署这些光开关，并从中获得令人难以置信的性能和能效改进，”马哈里说，“但由于信号必须通过一组光开关组件，因此更难检测，所以你必须更加努力地在另一端拾取它。我们的链接比谷歌的更强大，可以容忍更大的信号损失;这就是我们如此热衷于这种光开关应用的原因。

Coldren指出，“在过去的两到三年里，每个人都开始说相干即将到来，但未来可能仍然为重新设计的DSP提供一些空间。但是，在本文中，没有DSP。我们正在做模拟信号处理。

独特的合作

英特尔与Schow的团队合作完成了该项目的一部分，使几名UCSB博士生能够进行为期一年的实习。“（我们）实际上在他们的产品组中工作并为这个项目设计芯片，”Maharry说。“他们的技术非常适合这种应用，因为这种相干方法的关键特征是接收器上的本地振荡器，英特尔近年来的巨大成就之一是将磷化铟激光器直接集成到硅芯片上，以便完整的接收器PIC可以作为一个单元制造。我们能够与英特尔的工程师合作设计和制造这些相干发射器和接收器芯片。

“派遣实习生的模式是独一无二的，”Schow说。“英特尔技术是专有的，他们还没有向外界提供，所以为了如此紧密地合作，我们的学生必须成为英特尔的员工。它让Aaron和其他人有机会研究和设计独特的技术，这种体验真的是你无法通过任何其他方式获得的。

“这很棒，有点压倒性，”马哈里说。“我们正在开展一个UCSB项目，但能够与英特尔在其硅光子学产品部门内的其他团队进行互动。能够利用他们的专业知识真是令人难以置信。“我们采用了与PIC和EIC相同的基本构建模块 – 基本上是发射器和接收器 – 并设计，构建，优化，测试和测量所有这四个模块，以实现这种联系。

发射器有两个芯片——一个电子驱动器和一个光子发射器芯片。接收器还有两个芯片——光子接收器和电子接收器芯片。因此，共有四个组件组成链接。

另一个技术方面涉及使用不同的波段。到目前为止，相干链路已被设计为使用接近 1550 nm 波长的光，当光穿过光纤时，该波长的损耗最低。“但是，在我们的工作中，我们已经建立了第一个使用1310纳米光的连贯链接，”Maharry说。“由于我们正在重新设计短距离相干链路，因此使用 1550 nm 光来确保低光纤损耗不再重要——1310 nm 光最大限度地减少了色散造成的失真。

“我们正在从直接检测（仅调制光的强度）转向相干检测（其中幅度和相位都被调制）。首先，您只能在光上编码单个 0 或 1 转换，但相干调制和检测允许您在光信号的该部分编码多个位。对我们来说，结果是数据速率提高了四倍。