數據中心內部密集部署的計算機之間的光鏈路，或許即將迎來關鍵性升級。目前至少有兩家機構 —— 比利時微電子研究中心（Imec）與 NLM 光子學公司（NLM Photonics）表示，它們要么已實現數據中心的下一關鍵目標 —— 單通道 400 吉比特 / 秒（Gb/s）的數據速率，要么已近在咫尺。此外，兩大團隊的器件均基于硅材料打造，而非依賴新型特殊材料技術。

比利時根特大學 IDLab（Imec 下屬研究團隊）研究員塞德里克?布魯因斯泰恩（Cedric Bruynsteen）指出，如今數據中心內的服務器機柜之間，會通過光收發器在數十至數百米范圍內實現通信：這類設備會將電子比特編碼到光束上，再在接收端完成解碼。光收發器連接在光纜兩端，每根光纜內均包含 8 根光纖。他表示，目前這類光收發器的典型單通道數據速率為 100 Gb/s，行業正快速向 200 Gb/s 速率升級。

然而，布魯因斯泰恩強調：“人工智能訓練集群及其他計算密集型應用的爆發式增長，催生了對更大帶寬、更高性能與更高效率的迫切需求。” 因此，單通道 400 Gb/s 的光收發器 “將成為一個全新里程碑”。

研究人員正探索多種技術以滿足這一需求。例如，半導體制造巨頭臺積電與美國加利福尼亞州桑尼維爾市的 Avicena 公司合作，開發基于微型發光二極管（microLED）的互連技術。美國加利福尼亞大學圣巴巴拉分校電氣與計算機工程教授Clint Schow表示：“這些技術中任何一種都有可能最終勝出，目前行業仍處于‘群雄逐鹿’的階段。”

比利時微電子研究中心（Imec）宣稱，其新型 300 毫米晶圓的單通道數據速率超過 400 吉比特 / 秒。

硅光子學的 “逆襲”

美國西雅圖 NLM 光子學公司聯合創始人兼首席技術官劉易斯?約翰遜（Lewis Johnson）稱，此前由于能效等因素，業界普遍認為硅光子學無法實現單通道 400 Gb/s 的速率突破。他指出，正因如此，研究人員正探索其他技術平臺，如磷化銦（indium phosphide, InP）、鈦酸鋇（barium titanate, BTO）與薄膜鈮酸鋰（thin-film lithium niobate, TFLN）。

但在光互連領域，這些新型平臺自身也存在短板。布魯因斯泰恩舉例道，磷化銦本質上受限于晶圓尺寸較小與制造成本較高的問題；約翰遜則補充稱，鈦酸鋇與薄膜鈮酸鋰均需對現有制造流程進行高成本改造。

如今，Imec 與 NLM 的研究均表明，否定硅光子學或許為時尚早。布魯因斯泰恩表示：“即便對于要求最嚴苛的高速應用，硅材料仍有充足的性能提升空間。”

Imec 的新型調制器

Imec 的研究人員開發出一種硅鍺電吸收調制器：當施加電壓時，這種半導體材料會吸收更多光線，進而實現對通過其中的光信號強度的精準控制。

Imec 指出，這款新型器件的單通道數據速率可達 448 Gb/s，這是硅基電吸收調制器首次達到這一速率水平。布魯因斯泰恩評價道：“電吸收調制器一直是極具吸引力的組件，因為它獨特地融合了低功耗、小尺寸與高速運行三大優勢。將所有這些優勢整合到單個器件中，堪稱調制器設計領域的‘圣杯’。”

448 Gb/s 或許并非該技術的速度上限。布魯因斯泰恩透露：“目前測試設備已成為制約性能的瓶頸。” 他指出，更高頻率的測量工具或有助于進一步挖掘這款新型器件的數據速率潛力。

該器件在常規 C 波段（波長約 1550 納米的紅外線，通常用于長距離光通信）表現最佳。但肖指出，如今多數數據中心鏈路在 O 波段（中心波長約 1310 納米）運行 —— 這是因為 O 波段的色度色散更小。色度色散指不同波長的光在材料中傳播速度不同，會導致光脈沖擴散并失真。不過他補充道，考慮到數據中心內鏈路距離相對較短，色度色散在此類應用中不會構成問題。

這款尺寸約 300 平方微米的新型器件，使 Imec 能夠 “充分利用標準 CMOS 制造工藝的可擴展性與成本優勢”，布魯因斯泰恩說。未參與 Imec 與 NLM 任何一方研究的肖評價道：“這或許是 Imec 在該領域的最大優勢之一。” 今年 9 月，這家總部位于比利時的研究機構在丹麥哥本哈根舉行的歐洲光通信會議（European Conference on Optical Communication）上，詳細介紹了其研究成果。

布魯因斯泰恩表示，目前 Imec 正與合作伙伴共享這款新型器件，探索其在人工智能訓練集群及其他高性能環境中的應用潛力。“我們的下一目標是在真實數據中心環境下驗證該器件的性能 —— 例如在升高的工作溫度與寬范圍光功率條件下，確保其實現穩定可靠運行。”

硅 - 有機混合光子學

與 Imec 不同，NLM 光子學采用硅 - 有機混合光子學技術。其新型芯片均配備 8 個馬赫 - 曾德爾調制器（Mach-Zehnder modulator）：這種調制器會將入射光分為兩路，通過電學方式改變其中一路的光學特性，使其相位發生偏移；當兩路光重新匯合時，相位偏移會改變最終出射光的強度。NLM 使用的硅 - 有機混合材料，改變其光學特性所需的電壓低于普通硅材料。

第三方測試顯示，NLM 的芯片單通道數據速率可達 224 Gb/s。約翰遜表示，該公司目前的目標是 “與合作伙伴共同演示單通道 400 Gb/s 的鏈路，展示實際性能的可擴展性”。今年 10 月，NLM 在光賦能云計算產業峰會（Photonic-Enabled Cloud Computing Industry Summit）上詳細公布了其研究成果。

NLM 宣稱，其 8 通道芯片的運行效率是傳統硅光子調制器的 10 至 15 倍，核心原因在于其極低的工作電壓：新型器件的驅動電壓不超過 1 伏，而同類硅光子調制器的驅動電壓通常為 2.5 至 3.5 伏。此外，NLM 芯片的尺寸也小于采用競爭技術的產品 —— 僅 17 平方毫米，而后者通常為 25 至 50 平方毫米。

盡管 NLM 的器件使用了如今光子學制造中并不常見的有機材料，但由于有機材料的引入環節處于制造流程的后期，因此無需對現有工藝進行高成本改造。

約翰遜表示：“我們近期的重點是推進規模化制造能力。我們正在開發自動化流程，這些流程對于將有機電光材料整合到現有代工廠工作流程中、且不干擾既定生產線至關重要。”

肖指出，業界對 NLM 研究成果最可能的質疑，將集中在有機材料的長期穩定性上，“但近年來聚合物材料的性能已大幅提升”。

約翰遜稱，NLM 已 “記錄下出色的材料級穩定性結果”：該材料不僅展現出超過 120℃的長期熱穩定性，其封裝技術還能承受電信硬件所需的 85℃高溫高濕測試。他補充道，NLM 還在內部開發下一代材料，以提升熱穩定性，滿足更嚴苛的工藝條件，并拓展至數據通信以外的應用領域（如量子計算）。

對于這兩項技術突破，肖評價道：“Imec 的方案或許更為穩妥 —— 其 300 毫米晶圓級器件現已可用，制造方面不存在任何疑問。” 但他也表示，“聚合物材料有望成為‘超越硅’的創新方向。隨著我們開發出越來越快的鏈路，在最終結果揭前，誰也無法確定贏家是誰，尤其是在涉及下一代材料的情況下。”