高速有線收發(fā)器中的光電集成電路的設(shè)計與集成

來源：《半導(dǎo)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(dāng)前和未來數(shù)字應(yīng)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(guān)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(yīng)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(xué)和電學(xué)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(fù)雜。

△圖1：光電收發(fā)器方案。

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光電收發(fā)器方案

對于光學(xué)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(xué)器件以及硅光子學(xué)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(fù)用濾波器和復(fù)雜的波導(dǎo)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(yīng)，IMEC展示出這樣的組件可以一直調(diào)制到60Gb/s。目前正在進(jìn)行下一步工作以將這些器件集成到整個平臺中。

為了進(jìn)一步擴(kuò)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(dǎo)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(jìn)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(shù)可以適合規(guī)模擴(kuò)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(guān)鍵優(yōu)勢。

在驅(qū)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(dǎo)體的專屬領(lǐng)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(shù)，這在可集成的功能復(fù)雜性和制造能力方面極具優(yōu)勢。

△圖2：在iSiPP200上進(jìn)行硅光子發(fā)射器和接收器測試結(jié)構(gòu)工藝。

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在iSiPP200上進(jìn)行硅光子發(fā)射器和接收器

測試結(jié)構(gòu)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(qū)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(shè)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(shù)并實現(xiàn)高達(dá)60GHz的帶寬。該放大器與平衡Ge光電探測器共同設(shè)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(guān)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(dāng)前最先進(jìn)技術(shù)的限制。使用5nm CMOS的原型設(shè)計正在進(jìn)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(fù)電路的研究正在進(jìn)行中。分?jǐn)?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(xué)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(guān)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(gòu)集成是擴(kuò)展IMEC硅平臺的功能，從而集成例如光放大器和激光器的關(guān)鍵推動力。與Sivers Photonics和ASM AMICRA合作，IMEC演示了使用超高精度對準(zhǔn)倒裝芯片工藝, 將InP光學(xué)放大器和激光器集成到其硅光子晶圓上。對準(zhǔn)精度優(yōu)于500nm，波導(dǎo)耦合基本功率超過10mW。

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微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)

微轉(zhuǎn)移印刷是實現(xiàn)異構(gòu)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(biāo)基板上。它使用MEMS蝕刻技術(shù)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(biāo)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(shù)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(shù)得到進(jìn)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(zhuǎn)移印刷技術(shù)。

遠(yuǎn)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(jìn)一步轉(zhuǎn)向于采用光學(xué)元件。IMEC最近展示了這種器件的一個例子就是光學(xué)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(yīng)）濾波器或抽頭延遲線濾波器。每個抽頭的權(quán)重與Mach-Zehnder調(diào)制器特定部分的長度（和驅(qū)動電壓）有關(guān)，而FIR濾波器的延遲則對應(yīng)于光波導(dǎo)的延遲。這兩者都可以很容易地操作：例如，使用一塊光波導(dǎo)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(dǎo)交叉來實現(xiàn)符號反轉(zhuǎn)（以實現(xiàn)更復(fù)雜的濾波器響應(yīng)）。這種方法可用于折中調(diào)制器的驅(qū)動電壓以提高帶寬，或可定制以在電光頻率響應(yīng)中引入特定的峰值。