简介
光通信领域对更高数据传输速率的需求不断增长，推动了相干检测技术的发展。与传统的强度调制/直接检测（IM/DD）系统相比，相干光系统具有更高的覆盖范围、光谱效率和数据传输率。然而，实现相干接收器面临着巨大的挑战，包括超宽模拟带宽、低时钟抖动以及可插拔光学模块的严格功率限制。本文解析了 Marvell采用 5 纳米 CMOS 工艺制造的的 200GS/s 8 位接收器集成电路，该集成电路可应对这些挑战，从而实现 800Gbps 的相干光通信 [1]。
相干光通信
相干光通信系统采用先进的调制格式，如正交相移键控（QPSK）和正交振幅调制（QAM），对每个符号进行多比特编码。与传统的非归零（NRZ）或脉冲振幅调制（PAM）IM/DD 系统相比，这种编码方式与双极化相结合，可使相干系统实现更高的频谱效率和数据传输速率（图 1）。
图 1. 相干光通信
相干系统的高数据传输率增加了接收器设计的复杂性。相干接收器需要超采样模数转换器 (ADC)，以捕捉双极化信号的同相 (I) 和正交 (Q) 分量。此外，模拟前端必须提供超过符号率的带宽，以支持所需的过采样率并适应信道损伤。
图 2. 相干技术的演进
随着相干技术的发展，它已扩展到长途和城域网以外的新应用领域，如接入、数据中心互连和卫星通信（图 2）。这种发展促使相干接收器集成电路需要更高的数据传输速率、更宽的带宽和更低的功耗。
接收器架构
所介绍的接收器集成电路采用分层采样架构，具有三层信号缓冲和时间交错功能（图 3）。模拟前端由连续时间线性均衡器 (CTLE)、匹配网络和有源缓冲器组成，可提供超过 60GHz 的带宽，以支持 800Gbps 的数据传输速率。
图 3. RX 架构
时间交错架构将高采样率分配到多个并行通道。在第一层，16 个跟踪和保持放大器（TAH）以 12.5-25GHz 的频率工作，每 4 个采样周期采集一次输入信号。第二级采用 256 个采样和保持放大器 (SAH)，排列成四个 SAR ADC 阵列，采样率为 TAH 的 1/16。
时钟方案
时钟方案对于保持高度并行架构的同步很重要。中央锁相环（PLL）以 12.5-25GHz 的频率和 50% 的占空比产生八个阶段的采样时钟（fs/8）。这些时钟除以 2，得到 TAH 的 16 个相位，并由一个精细的锁相环 (DLL) 对偏移进行补偿。再除以 16，产生 256 SAR ADC 的脉冲（图 4）。
图 4. RX 时钟
校准和修正
为了在大规模并行架构中保持高线性度和精确度，接收器采用了各种校准和校正技术。在数字处理的辅助下，背景校准不断调整各个通道的振幅、偏移和偏斜。非线性数字校正和通道间校准进一步提高了性能（图 5）。
图 5. RX 校准
校准期间对通道进行分层分组，重新分配校准范围，最大限度地提高产量。子节点按照其父节点的统计平均值进行校准，通过后校正放宽模拟要求（图 6）。
图 6. 背景校准
模拟前端设计
模拟前端采用了多项创新设计技术，以达到所需的带宽和线性度。负 T 型线圈匹配网络（图 7 和图 8）可增加奈奎斯特频率附近的峰值，同时通过降低输入回波损耗来提高带宽。
图 7. 负 T 型线圈匹配网络
图 8. 阻抗分流示意图
CTLE（图 9）采用 PMOS 拓扑结构，带有正 T 型线圈滤波、中和电容器和用于增益调整的可调电阻器。具有主动电感峰值功能的 AB 类缓冲器（图 10）可进一步调节高频信号。
图 9. 高带宽信号调节
图 10. 有源电感信号峰值
具有 gm/gm 增益提升和电容耦合的超级源跟随器（图 11）可确保 ADC 之前的最后缓冲级具有快速快速稳定性和高增益。
图 11. 快速稳定的高增益缓冲器
SAR ADC 架构
接收器采用异步 SAR ADC 架构（图 12）和连续自适应电压缩放 (AVS) 技术，以优化能效。SAR 逻辑基于环形振荡器运行，可持续跟踪每个转换级的最佳电源电压。
图 12. SAR ADC 策略
测量结果
接收器集成电路性能卓越，在考虑信道损耗后，测量带宽超过 60GHz（图 13）。低频 SNDR 和总谐波失真（THD）测量结果表明了设计的高线性度，在较高频率下，时钟抖动和 AFE 非线性会导致一些衰减（图 14）。
图 13. 测量带宽
图 14. 正弦性能
Walden FOM 图表（图 15）突出显示了接收器的能效，在考虑整个接收器功耗的情况下，接收器在低频时的能效为 20fJ/转换步长，在高频时的能效为 38fJ/转换步长。
图 15. 沃顿 FOM 图
与现有技术相比（表 1），所介绍的接收器集成电路表现出最先进的性能，据报告，光接收器的最高采样率为 200GS/s，带宽超过 60GHz，包括 PLL 在内的接收器总抖动最低，仅为 70fs-rms。此外，它还实现了 100GS/s 以上完整接收器的最低性能系数 (FOM)，约为 20fJ/转换步长。
表 1. 与先前技术的比较
结论
Marvell设计的 200GS/s 8 位接收器集成电路代表了相干光通信领域的一项重大进步，可实现 800Gbps 的数据传输速率，同时应对超宽带、低抖动和严格的功率限制等挑战。分层采样架构、创新的模拟前端设计和校准技术为集成电路的卓越性能和能效做出了贡献。凭借其先进的技术规格，这款接收器为下一代高速相干光网络克服障碍，支持各个领域的新兴应用。
参考文献
[1] R. L. Nguyen, A. Mellati, A. Fernandez, et al., "A 200GS/s 8-b 20fJ/c-s Receiver with >60GHz AFE Bandwidth and 256-way Interleaved SAR ADC for 800Gbps Coherent Communications in 5nm FinFET," in ISSCC 2024.
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