华科&光谷实验室团队研制出我国首款单片集成光电融合偏振、偏压控制芯片

研究背景与挑战

随着人工智能、机器学习及云计算驱动的数据流量爆发式增长，光互连技术正加速向大规模、高密度集成方向演进。在光子集成电路（PIC）中，器件性能极易受工艺偏差、环境温度波动及机械应力的影响，特别是马赫-曾德尔调制器（MZM）的偏置点漂移与光路中的偏振态（SOP）旋转，严重制约了链路的信号质量与稳定性。为了维持系统的可靠运行，必须引入有源反馈控制电路对这些物理参量进行实时校准与锁定。

然而，现有的控制架构难以同时兼顾集成度与异质兼容性。传统的并行控制架构采用“单器件-单控制器”模式，其面积与功耗开销随集成规模呈线性增长，成为制约高密度光电融合集成的“功耗墙”与“面积墙”。常规的时分复用（TDM）技术虽然有效降低了控制器数量，但仅局限于同质器件（如多个相同的微环）的轮询控制，无法应对复杂光电系统中物理特性截然不同的异质器件协同调控需求。如何在极受限的芯片资源下，实现单一控制器对不同类型光器件的高效协同管理，是光电融合芯片领域亟待突破的关键技术瓶颈。

核心技术突破与性能指标

针对上述挑战，研究团队提出了一种通用的非相似时分复用（DTDM）控制架构，并基于IHP 250nm BiCMOS光电单片集成平台完成了流片验证。该架构的创新之处在于构建了统一的误差域映射机制，将MZM偏置电压与偏振态功率等不同物理维度的反馈信号归一化，从而使得单一电子控制器能够分时复用高精度的传感前端、极值锁定逻辑及驱动电路。芯片在毫秒级的时间片内，自适应地在偏压控制与偏振控制任务间切换，首次实现了异质光器件的单片协同调控。

图1 (a) 并行控制、传统时分复用控制与非相似时分复用控制的对比；

图1（b）所提出的非相似时分复用控制架构

图2 光电融合全集成偏振、偏压协同控制芯片

得益于架构层面的创新，该芯片在极简的硬件资源下实现了高性能的闭环控制，关键技术指标如下：

资源效率显著提升：相比于传统的并行控制方案，DTDM 架构实现了44.4%的芯片面积节省和23%的功耗降低，核心控制电路面积仅为0.255 mm²，总功耗低至 2.988 mW。

高精度偏压/偏振双重锁定：在偏压控制模式下，实现了0.7 rad的线性控制范围与5 Hz的跟踪带宽，有效抑制了热串扰；在偏振控制模式下，实现了高达34 dB的消光比（ER），偏振态跟踪分辨率优于0.01 rad/s。

高速链路传输能力：实测结果表明，在开启协同控制后，系统支持 100 Gbps NRZ 信号的单模传输；即使在偏压与偏振双闭环同时工作的复杂场景下，依然实现了56 Gbps NRZ的稳定无误码传输，眼图清晰张开。

综上所述，该工作不仅研制了国内首款光电融合全集成偏振、偏压协同控制芯片，更为未来超大规模、异构光电集成系统的低功耗设计提供了一条极具扩展性的通用架构路径。