高速有线收发器中的光电集成电路的设计与集成

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来源：《半导体芯科技》杂志10/11月刊

作者：Peter Ossieur, IDLab高速收发器项目经理, IMEC

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当前和未来数字应用对数据速率的需求呈现出爆炸式增长，因此，对于承载数据中心间流量和数据中心内部流量的有线收发器就有了更高的要求。本文关注的重点是增加这些光收发器的通量，同时提高每代新产品的集成密度和能量效率。

IMEC的研究人员正在通过开发用于100~130G波特收发器的高速电光集成电路来应对集成密度和能量效率的双重挑战，以便既适用于强度调制直接探测(IMDD)收发器，也适用于相干光收发器。相干收发器对于光学和电学器件的规格和功能要求更高，接收器DSP与IMDD相比也明显更复杂。

△图1：光电收发器方案。

光电收发器方案

对于光学器件，工作在100~130G波特需要至少50~60GHz的光电前端带宽，无论是在发射器（调制器）还是接收器（光电探测器）端。这种带宽已通过基于磷化铟(InP)的集成光学器件以及硅光子学得到演示。IMEC开发了几个硅光子平台，其中包括调制和检测光信号所需的所有器件。同样的平台还可用于实现硅波分复用滤波器和复杂的波导电路等无源器件。迄今为止，缺少的一个组件是用于O波段的电吸收调制器。这种电吸收调制器是非常紧凑的调制器，不需要任何额外的加热器功率，与环形谐振器不同。依靠量子限制的斯塔克效应，IMEC展示出这样的组件可以一直调制到60Gb/s。目前正在进行下一步工作以将这些器件集成到整个平台中。

为了进一步扩展带宽，例如面向200G波特工作，可以将诸如磷化铟之类的化合物半导体集成到硅光子或氮化硅晶圆上。另一种选择是钛酸钡(BTO)。这是一种非常有前途的电光材料，可以进一步推动调制器的性能。IMEC正在考虑将基于BTO的调制器集成到其200mm平台中。目前一个重要的工作是使BTO沉积技术可以适合规模扩大。与LiNbO3等其他材料系统不同，BTO可以引入到CMOS代工厂中，这是其大规模制造的关键优势。

在驱动器和接收器等模拟组件中，能够产生100G波特以上信号的电子器件曾经是InP等化合物半导体的专属领域。IMEC专注于使用主流的SiGe BiCMOS方法来实现这类高速电路的各种技术，这在可集成的功能复杂性和制造能力方面极具优势。

△图2：在iSiPP200上进行硅光子发射器和接收器测试结构工艺。

在iSiPP200上进行硅光子发射器和接收器

测试结构工艺

举个例子，IMEC研究人员制作了一个4通道线性Mach-Zehnder调制器驱动器阵列，他们在其中使用行波放大器电路来实现非常高的带宽（约90GHz）。这里实现了与硅光子双偏振、IQ调制器的共同设计。另一个例子是一个4通道线性跨阻放大器阵列，同样使用行波放大器技术并实现高达60GHz的带宽。该放大器与平衡Ge光电探测器共同设计，集成在硅光子平台上。

就像光电前端一样，对于在100~130G波特工作，DAC和ADC也需要至少60GHz的带宽。这种超高速ADC和DAC可以使用5nm和3nm等节点的CMOS来实现。除了带宽，低功耗和面积也是关键。IMEC目前专注于开发此类高速有线ADC和DAC的新方法，以克服当前最先进技术的限制。使用5nm CMOS的原型设计正在进行中，以便能够在实验室中验证新概念。

在接收器方面，与新ADC方法兼容的节能100G波特PAM-4时钟和数据恢复电路的研究正在进行中。分数过采样用于降低ADC采样率的要求。前馈和决策反馈均衡可以包含在内，从而克服通道对光学元件造成的损伤或带宽限制。

为了实现下一代高速收发器的挑战性规格，集成显然是关键。这涉及来自不同材料系统的芯片和晶圆的集成，每种材料系统的选择都是为了实现所需功能的最佳性能，而集成则可以实现超过100G波特工作所需的极高带宽。异构集成是扩展IMEC硅平台的功能，从而集成例如光放大器和激光器的关键推动力。与Sivers Photonics和ASM AMICRA合作，IMEC演示了使用超高精度对准倒装芯片工艺, 将InP光学放大器和激光器集成到其硅光子晶圆上。对准精度优于500nm，波导耦合基本功率超过10mW。

微转移印刷技术

微转移印刷是实现异构集成的另一种方法。它几乎允许将任何源材料的小组件集成到任何目标基板上。它使用MEMS蚀刻技术将小芯片与供体基板几乎完全分离。然后，使用带有小柱的弹性印章将小芯片从供体基板上取下来，接下来用印章将小芯片放置到目标基板上。这两种操作都需要很小心地选择印章的移动速度。使用这种技术可以通过单次动作将数千个器件一次放置到位。在H2020 Caladan项目中，该技术得到进一步发展，并用于实现GaAs量子点激光器和高速SiGe BiCMOS电子器件。

△图3：微转移印刷技术。

远超100G波特收发器的发展，例如200G波特，可能需要超越传统收发器的创新方法来实现，其中电子器件的功能进一步转向于采用光学元件。IMEC最近展示了这种器件的一个例子就是光学均衡器。该器件可以理解为将Mach-Zehnder调制器视为电输入、光相位输出域中的FIR（有限脉冲响应）滤波器或抽头延迟线滤波器。每个抽头的权重与Mach-Zehnder调制器特定部分的长度（和驱动电压）有关，而FIR滤波器的延迟则对应于光波导的延迟。这两者都可以很容易地操作：例如，使用一块光波导可以很容易地实现引入宽带时间延迟。甚至可能使用波导交叉来实现符号反转（以实现更复杂的滤波器响应）。这种方法可用于折中调制器的驱动电压以提高带宽，或可定制以在电光频率响应中引入特定的峰值。

作者介绍

Peter Ossieur于2000年和2005年在比利时根特大学分别获得了应用电子专业的理学硕士工程学位和电气工程博士学位。2005年至2008年，他是根特大学科学研究基金的博士后研究员。在此期间，他的研究兴趣是10Gbit/s突发模式接收器和面向汽车应用的光电子学。2008年，他成为根特大学工程学院高频电子学兼职教授。

2009年，他加入了爱尔兰科克大学物理系廷德尔国家研究所光子系统组，并于2013年4月成为高级研究员。在此职位上，他建立了一个IC设计组，专注于光子-电子器件应用。2017年10月，他加入了根特大学的IMEC研究小组IDLab，担任高级研究员，目前是高速收发器项目经理。他领导的研究活动专注于开发面向光子应用的高速模拟和混合信号集成电路。他撰写和合作撰写了120篇同行评审论文，并在上述研究领域拥有多项专利。