數據中心內部密集部署的計算機所依賴的光鏈路，不久后或許將迎來關鍵性升級。現在，至少有兩家公司 Imec 和 NLM Photonics 表示，他們要么已經實現了每通道 400 吉比特的數據速率，這是數據中心的下一個關鍵目標，要么已經實現了這些速度。此外，兩個團隊的設備都不依賴奇特的新技術，而是基于硅。

如今，數據中心內的服務器機架使用光收發器在數十或數百米外相互通信，光收發器將電子位編碼到光束上，并在另一端解碼它們。收發器位于電纜的末端，每根電纜都裝有 8 根光纖。比利時根特大學 Imec 研究小組 IDLab 的研究員 Cedric Bruynsteen 表示，目前，此類收發器的典型數據速率為每通道 100 Gb/s，該行業正在迅速提高到 200 Gb/s。

然而，“人工智能訓練集群和其他計算密集型應用程序的爆炸性增長正在推動對更大帶寬、更高性能和更高效率的迫切需求，”Bruynsteen 說。因此，每通道 400 Gb/s 收發器“將代表一個新的里程碑”。

為滿足這一需求，科研人員正探索多種技術路徑。例如，半導體巨頭臺積電正與美國艾維西納公司合作研發基于微型發光二極管的互聯設備。加州大學圣巴巴拉分校電子與計算機工程教授 Clint Schow 表示：“這些技術都有可能成為最終的主流方案，目前該領域的競爭態勢尚不明朗，就像一片待開拓的蠻荒之地。”

西雅圖 NLM Photonics 首席技術官兼聯合創始人 Lewis Johnson 表示，由于能源效率和其他因素，硅光子學通常被認為無法擴展到每通道 400 Gb/s。因此，研究人員正在探索其他平臺，例如磷化銦 （InP）、鈦酸鋇 （BTO） 和薄膜鈮酸鋰 （TFLN），他指出。

然而，這些新平臺在光互連方面也有其自身的缺點。例如，Bruynsteen 表示，InP 從根本上受到較小晶圓尺寸和較高制造成本的限制。Johnson補充說，BTO 和 TFLN 都需要昂貴的制造修改。

現在，Imec 和 NLM 都表明，現在否定硅可能還為時過早。“即使對于要求最苛刻的高速應用，硅仍然有足夠的空間。”Bruynsteen 說。

Imec 的新型調制器

Imec 的研究人員開發了一種硅鍺電吸收調節器。當施加電壓時，半導體會吸收更多的光，從而使器件控制通過它的光信號的強度。

Imec 指出，新設備可以提供每通道 448 Gb/s 的數據速率，這是所有硅基電吸收調制器中的首創。“電吸收調制器一直是一個有趣的組件，因為它們獨特地結合了低功耗、緊湊的占地面積和高速運行，”Bruynsteen 說。“將所有這些優勢整合到一個設備中可以說是調制器設計的圣杯。”

448 Gb/s 可能不是該技術的最高速度。“我們現在已經到了測試設備成為限制因素的地步，”Bruynsteen 說。他指出，更高頻率的測量工具可以幫助探索新設備的數據速率可以達到多快。

這款器件在傳統 C 波段（波長約 1550 納米的紅外線，常用于長距離光通信）下性能最佳。不過 Clint Schow 指出，當前多數數據中心的光鏈路采用 O 波段（中心波長約 1310 納米）傳輸。這是因為 O 波段的色度色散現象更輕微 —— 色度色散會導致不同波長的光在介質中傳播速度不同，進而造成光脈沖擴散失真。但他補充道，鑒于數據中心內部光鏈路的傳輸距離相對較短，色度色散不會對該器件的應用造成影響。

Bruynsteen 說，這種大約 300 平方微米的新型設備使 Imec“能夠利用標準 CMOS 制造的可擴展性和成本效益”。這“可能是 Imec 在這方面的強項之一，”Schow 說，他沒有參與 Imec 或 NLM 的研究。這家總部位于比利時的研究機構在 9 月于哥本哈根舉行的歐洲光通信會議上詳細介紹了其工作。

Bruynsteen 說，目前 Imec 正在與合作伙伴分享他們的新設備，以探索其在 AI 訓練集群和其他高性能環境中的潛力。“我們的下一個目標是在真實的數據中心條件下驗證設備，例如升高的工作溫度和廣泛的光功率水平，以確保穩定可靠的性能，”他說。

混合硅有機光子學

與 Imec 相比，NLM Photonics 采用硅-有機混合光子學。他們的每個新芯片都擁有八個 Mach-Zehnder 調制器，這些調制器將光從兩個獨立的臂中分開進入它們。該芯片可以電改變其中一條路徑的光學特性，從而改變其相位。當這些光束重新結合時，任何相移都會改變產生光的強度。與普通硅相比，NLM 使用的硅-有機雜化材料需要更少的電壓來改變其光學特性。

第三方測試發現 NLM 的芯片每通道數據速率為 224 Gb/s。Johnson 說，該公司現在的目標是“與我們的合作伙伴一起展示每通道 400 Gb/s 的鏈路，展示實際的性能擴展”。NLM 在 10 月份的光子云計算行業峰會上詳細介紹了其發現。

NLM 聲稱其八通道芯片的運行效率是傳統硅光子調制器的 10 至 15 倍，這要歸功于極低的工作電壓：新器件的工作驅動電壓為 1 V 或更低，而類似的硅光子調制器的工作電壓為 2.5 至 3.5 V。NLM 芯片也比采用競爭技術制造的芯片更小——17 平方毫米，而 25 至 50 平方毫米。

盡管 NLM 的設備使用了當今光子學制造中不常見的有機材料，但它在制造過程中的處理時間足夠晚，因此不會導致昂貴的修改。

Johnson 表示，公司近期的核心目標是推動該技術的規模化量產。團隊正在研發自動化生產流程，以便將有機電光材料融入現有的晶圓代工廠生產流程，且不會干擾現有的生產線運行。

Schow 指出，對 NLM 工作最有可能的批評將集中在有機材料隨著時間的推移證明如何穩定的問題上，“但這些年來聚合物已經變得更好了。

Johnson 說，NLM“記錄了出色的材料級穩定性結果”。它顯示出超過 120 °C 的長期熱穩定性和能夠承受電信硬件 85 °C、濕度和熱測試要求的封裝技術。他說，NLM 還在內部開發下一代材料，以增強熱穩定性，適用于更苛刻的加工條件，以及數據通信以外的應用，例如量子計算。

Schow 評價稱，在這兩項技術突破中，愛思強的方案或許更為穩妥可靠，該器件目前已能實現 300 毫米晶圓級生產，不存在制造層面的爭議。不過他也提到，聚合物材料有望成為 “超越硅基” 的創新性技術。“隨著光鏈路速率不斷提升，在新一代材料的影響下，最終哪項技術會成為主流，現在還難以定論。”