高速有線收發(fā)器中的光電集成電路的設計與集成

來源：《半導體芯科技》雜志10/11月刊

作者：Peter Ossieur, IDLab高速收發(fā)器項目經(jīng)理, IMEC

當前和未來數(shù)字應用對數(shù)據(jù)速率的需求呈現(xiàn)出爆炸式增長，因此，對于承載數(shù)據(jù)中心間流量和數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量的有線收發(fā)器就有了更高的要求。本文關注的重點是增加這些光收發(fā)器的通量，同時提高每代新產(chǎn)品的集成密度和能量效率。

IMEC的研究人員正在通過開發(fā)用于100~130G波特收發(fā)器的高速電光集成電路來應對集成密度和能量效率的雙重挑戰(zhàn)，以便既適用于強度調(diào)制直接探測(IMDD)收發(fā)器，也適用于相干光收發(fā)器。相干收發(fā)器對于光學和電學器件的規(guī)格和功能要求更高，接收器DSP與IMDD相比也明顯更復雜。

△圖1：光電收發(fā)器方案。

對于光學器件，工作在100~130G波特需要至少50~60GHz的光電前端帶寬，無論是在發(fā)射器（調(diào)制器）還是接收器（光電探測器）端。這種帶寬已通過基于磷化銦(InP)的集成光學器件以及硅光子學得到演示。IMEC開發(fā)了幾個硅光子平臺，其中包括調(diào)制和檢測光信號所需的所有器件。同樣的平臺還可用于實現(xiàn)硅波分復用濾波器和復雜的波導電路等無源器件。迄今為止，缺少的一個組件是用于O波段的電吸收調(diào)制器。這種電吸收調(diào)制器是非常緊湊的調(diào)制器，不需要任何額外的加熱器功率，與環(huán)形諧振器不同。依靠量子限制的斯塔克效應，IMEC展示出這樣的組件可以一直調(diào)制到60Gb/s。目前正在進行下一步工作以將這些器件集成到整個平臺中。

為了進一步擴展帶寬，例如面向200G波特工作，可以將諸如磷化銦之類的化合物半導體集成到硅光子或氮化硅晶圓上。另一種選擇是鈦酸鋇(BTO)。這是一種非常有前途的電光材料，可以進一步推動調(diào)制器的性能。IMEC正在考慮將基于BTO的調(diào)制器集成到其200mm平臺中。目前一個重要的工作是使BTO沉積技術可以適合規(guī)模擴大。與LiNbO3等其他材料系統(tǒng)不同，BTO可以引入到CMOS代工廠中，這是其大規(guī)模制造的關鍵優(yōu)勢。

在驅動器和接收器等模擬組件中，能夠產(chǎn)生100G波特以上信號的電子器件曾經(jīng)是InP等化合物半導體的專屬領域。IMEC專注于使用主流的SiGe BiCMOS方法來實現(xiàn)這類高速電路的各種技術，這在可集成的功能復雜性和制造能力方面極具優(yōu)勢。

△圖2：在iSiPP200上進行硅光子發(fā)射器和接收器測試結構工藝。

舉個例子，IMEC研究人員制作了一個4通道線性Mach-Zehnder調(diào)制器驅動器陣列，他們在其中使用行波放大器電路來實現(xiàn)非常高的帶寬（約90GHz）。這里實現(xiàn)了與硅光子雙偏振、IQ調(diào)制器的共同設計。另一個例子是一個4通道線性跨阻放大器陣列，同樣使用行波放大器技術并實現(xiàn)高達60GHz的帶寬。該放大器與平衡Ge光電探測器共同設計，集成在硅光子平臺上。

就像光電前端一樣，對于在100~130G波特工作，DAC和ADC也需要至少60GHz的帶寬。這種超高速ADC和DAC可以使用5nm和3nm等節(jié)點的CMOS來實現(xiàn)。除了帶寬，低功耗和面積也是關鍵。IMEC目前專注于開發(fā)此類高速有線ADC和DAC的新方法，以克服當前最先進技術的限制。使用5nm CMOS的原型設計正在進行中，以便能夠在實驗室中驗證新概念。

在接收器方面，與新ADC方法兼容的節(jié)能100G波特PAM-4時鐘和數(shù)據(jù)恢復電路的研究正在進行中。分數(shù)過采樣用于降低ADC采樣率的要求。前饋和決策反饋均衡可以包含在內(nèi)，從而克服通道對光學元件造成的損傷或帶寬限制。

為了實現(xiàn)下一代高速收發(fā)器的挑戰(zhàn)性規(guī)格，集成顯然是關鍵。這涉及來自不同材料系統(tǒng)的芯片和晶圓的集成，每種材料系統(tǒng)的選擇都是為了實現(xiàn)所需功能的最佳性能，而集成則可以實現(xiàn)超過100G波特工作所需的極高帶寬。異構集成是擴展IMEC硅平臺的功能，從而集成例如光放大器和激光器的關鍵推動力。與Sivers Photonics和ASM AMICRA合作，IMEC演示了使用超高精度對準倒裝芯片工藝, 將InP光學放大器和激光器集成到其硅光子晶圓上。對準精度優(yōu)于500nm，波導耦合基本功率超過10mW。

微轉移印刷是實現(xiàn)異構集成的另一種方法。它幾乎允許將任何源材料的小組件集成到任何目標基板上。它使用MEMS蝕刻技術將小芯片與供體基板幾乎完全分離。然后，使用帶有小柱的彈性印章將小芯片從供體基板上取下來，接下來用印章將小芯片放置到目標基板上。這兩種操作都需要很小心地選擇印章的移動速度。使用這種技術可以通過單次動作將數(shù)千個器件一次放置到位。在H2020 Caladan項目中，該技術得到進一步發(fā)展，并用于實現(xiàn)GaAs量子點激光器和高速SiGe BiCMOS電子器件。

△圖3：微轉移印刷技術。

遠超100G波特收發(fā)器的發(fā)展，例如200G波特，可能需要超越傳統(tǒng)收發(fā)器的創(chuàng)新方法來實現(xiàn)，其中電子器件的功能進一步轉向于采用光學元件。IMEC最近展示了這種器件的一個例子就是光學均衡器。該器件可以理解為將Mach-Zehnder調(diào)制器視為電輸入、光相位輸出域中的FIR（有限脈沖響應）濾波器或抽頭延遲線濾波器。每個抽頭的權重與Mach-Zehnder調(diào)制器特定部分的長度（和驅動電壓）有關，而FIR濾波器的延遲則對應于光波導的延遲。這兩者都可以很容易地操作：例如，使用一塊光波導可以很容易地實現(xiàn)引入寬帶時間延遲。甚至可能使用波導交叉來實現(xiàn)符號反轉（以實現(xiàn)更復雜的濾波器響應）。這種方法可用于折中調(diào)制器的驅動電壓以提高帶寬，或可定制以在電光頻率響應中引入特定的峰值。

作者介紹

Peter Ossieur于2000年和2005年在比利時根特大學分別獲得了應用電子專業(yè)的理學碩士工程學位和電氣工程博士學位。2005年至2008年，他是根特大學科學研究基金的博士后研究員。在此期間，他的研究興趣是10Gbit/s突發(fā)模式接收器和面向汽車應用的光電子學。2008年，他成為根特大學工程學院高頻電子學兼職教授。

2009年，他加入了愛爾蘭科克大學物理系廷德爾國家研究所光子系統(tǒng)組，并于2013年4月成為高級研究員。在此職位上，他建立了一個IC設計組，專注于光子-電子器件應用。2017年10月，他加入了根特大學的IMEC研究小組IDLab，擔任高級研究員，目前是高速收發(fā)器項目經(jīng)理。他領導的研究活動專注于開發(fā)面向光子應用的高速模擬和混合信號集成電路。他撰寫和合作撰寫了120篇同行評審論文，并在上述研究領域擁有多項專利。

審核編輯黃昊宇