本文系统介绍了基于可见光通信（VLC）的光互连关键技术，重点分析了三类典型系统：基于激光器（LD）的50通道波分复用（WDM）系统，基于4通道Micro-LED的芯片互连系统，以及基于304通道高密度Micro-LED阵列的互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容系统。

1. 研究背景：

o 问题：随着光通信技术的持续演进，基于可见光通信（VLC）的光互连技术已成为新兴研究热点。VLC工作在400~800THz波段，具备带宽大、数据传输速率高等优势，同时兼具低功耗、高安全性以及对大气环境影响较小等特点。然而，传统光互连技术在频谱资源、功耗和传输距离等方面存在诸多挑战。

o 难点：该问题的研究难点在于如何在有限的频谱资源下实现高数据传输速率，同时降低功耗和传输延迟。特别是在数据中心和芯片间互连中，如何实现高密度、高带宽和低功耗的通信是一个重要的挑战。

o 相关工作：现有工作主要集中在利用波分复用（WDM）技术和Micro-LED技术来提升光互连的性能。WDM技术通过多波长复用提升通信带宽，而Micro-LED技术则以其低成本、低功耗和高响应速度等优势，成为芯片间光互连的有效解决方案。

2. 基于LD的50通道数据中心光互连：

o 该系统采用50通道的WDM-VLC系统，通过多波长复用传输，实现了519.21 Gb/s的总速率，适用于中长距离数据中心互连。

o 发射端使用50个激光器，通过正交相移键控-离散多音（QPSK-DMT）调制和自适应比特加载技术，提升通信性能。信号经过数字预均衡和电放大器处理后，由任意波形发生器（AWG）转换为模拟信号，驱动激光器发射光信号。

o 接收端采用50通道光电探测器阵列，通过DMT解调和均衡技术恢复原始数据。系统在1m多模光纤（MMF）和17cm自由空间传输链路中，各信道误码率均低于7%硬判决前向纠错（HD-FEC）阈值。

3. 基于Micro-LED的芯片间光互连：

o 发射端集成304个有源单元，每个单元包含Micro-LED驱动器、单抽头预加重电路及偏置电流源。光信号通过成像光纤传输，接收端集成304个接收单元，每个单元包含跨阻放大器、锁相放大器与重定时电路。

o 系统在3.3 Gb/s速率下实现每比特能耗低于1pJ，各通道误码率低于10⁻¹³，展示了高密度并行传输下的可靠性。

o 发射端使用3层纳米结构设计的Micro-LED芯片，输出光功率为508.81 μW，带宽为2.644 GHz。信号通过成像光纤传输，接收端使用光电探测器阵列和DMT解调技术恢复数据。

o 系统在光纤传输条件下，误码率降低至2.83×10⁻¹³，展示了低功耗与高可靠性。

o 4通道Micro-LED互连：该系统采用纳米结构InGaN有源区的Micro-LED芯片，支持短距离高速数据通信，单通道速率达2.60 Gb/s，4通道并行传输速率达15.05 Gb/s。

o 304通道Micro-LED互连：该系统集成304通道Micro-LED阵列，实现了总带宽超过1Tb/s的双向数据链路，每比特能耗低于1pJ。

4. 对比与讨论：

o 通过对三类系统的对比分析，基于LD的系统适用于中长距离数据中心互连，基于4通道Micro-LED的系统适用于短距离芯片级互连，而基于304通道Micro-LED的系统适用于高带宽需求场景。

o 表1详细比较了不同光互连系统的成本、设计复杂度、功耗、通信速率、通道数、传输介质、串扰抑制、适用距离和应用场景。

5. 总结与展望：

o 本文验证了VLC光互连技术的高效性与实用性，通过优化调制策略、提升通道集成度以及创新传输介质，能够显著增强系统性能，适应多样化的通信需求。

o 未来研究应致力于开发更高效率的调制方法、设计更低功耗的光电器件，以及优化混合信道中的信号完整性，推动光互连技术在数据中心与超大规模计算系统中的规模化应用。

这篇论文通过系统分析和实验验证，展示了基于VLC的光互连技术在高速、低功耗互连中的巨大潜力，为未来的研究和应用提供了重要的参考。