【儀表網 研發快訊】近日，華中科技大學集成電路學院譚旻研究員帶領的團隊在光通信領域頂級期刊 Journal of Lightwave Technology (JLT) 發表題為“Simultaneous Bias-Polarization Control with Dissimilar Time-Division Multiplexing in Electronic-Photonic Monolithic Integration”的研究論文。該研究針對大規模光電融合系統面臨的可擴展性難題，提出了一種新型的非相似時分復用(Dissimilar Time-Division Multiplexing, DTDM)控制架構，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、偏壓協同控制芯片。
 

　　隨著人工智能、機器學習及云計算驅動的數據流量爆發式增長，光互連技術正加速向大規模、高密度集成方向演進。在光子集成電路(PIC)中，器件性能極易受工藝偏差、環境溫度波動及機械應力的影響，特別是馬赫-曾德爾調制器(MZM)的偏置點漂移與光路中的偏振態(SOP)旋轉，嚴重制約了鏈路的信號質量與穩定性。為了維持系統的可靠運行，必須引入有源反饋控制電路對這些物理參量進行實時校準與鎖定。
 

　　然而，現有的控制架構難以同時兼顧集成度與異質兼容性。傳統的并行控制架構采用“單器件-單控制器”模式，其面積與功耗開銷隨集成規模呈線性增長，成為制約高密度光電融合集成的“功耗墻”與“面積墻”。常規的時分復用(TDM)技術雖然有效降低了控制器數量，但僅局限于同質器件(如多個相同的微環)的輪詢控制，無法應對復雜光電系統中物理特性截然不同的異質器件協同調控需求。如何在極受限的芯片資源下，實現單一控制器對不同類型光器件的高效協同管理，是光電融合芯片領域亟待突破的關鍵技術瓶頸。
 

　　針對上述挑戰，研究團隊提出了一種通用的非相似時分復用(DTDM)控制架構，并基于IHP 250nm BiCMOS光電單片集成平臺完成了流片驗證。該架構的創新之處在于構建了統一的誤差域映射機制，將MZM偏置電壓與偏振態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復用高精度的傳感前端、極值鎖定邏輯及驅動電路。芯片在毫秒級的時間片內，自適應地在偏壓控制與偏振控制任務間切換，首次實現了異質光器件的單片協同調控。
 

　　得益于架構層面的創新，該芯片在極簡的硬件資源下實現了高性能的閉環控制，關鍵技術指標如下：資源效率顯著提升：相比于傳統的并行控制方案，DTDM 架構實現了44.4%的芯片面積節省和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，實現了0.7 rad的線性控制范圍與5 Hz的跟蹤帶寬，有效抑制了熱串擾；在偏振控制模式下，實現了高達34 dB的消光比(ER)，偏振態跟蹤分辨率優于0.01 rad/s。高速鏈路傳輸能力：實測結果表明，在開啟協同控制后，系統支持 100 Gbps NRZ 信號的單模傳輸；即使在偏壓與偏振雙閉環同時工作的復雜場景下，依然實現了56 Gbps NRZ的穩定無誤碼傳輸，眼圖清晰張開。
 

　　該工作不僅研制了國內首款全集成偏振、偏壓協同控制芯片，更為未來超大規模、異構光電集成系統的低功耗設計提供了一條極具擴展性的通用架構路徑。
 

　　集成電路學院博士生陳驥旻、汪宇航(已畢業)為論文共同第一作者，譚旻為通訊作者。