ISSCC2024|基于GlobalFoundries 45CLO CMOS SOI硅基光电子工艺的单片集成8通道光发射机
本文解析了宾州大学发表在ISSCC2024的”Monolithically Integrated Sub-63 fJ/b 8-Channel 256Gb/s Optical Transmitter with Autonomous Wavelength Locking in 45nm CMOS SOI”。数据中心、人工智能等应用领域对高速数据传输的迫切需求推动了尖端光通信技术的发展。光链路由光源、发射器和接收器组成，在满足日益增长的带宽需求方面发挥着举足轻重的作用。在各种集成方法中，单片集成在能效、紧凑性和可扩展性方面大有可为。本教程将深入探讨一种突破性的单片集成 8 通道光波分复用发射器，利用新型微环调制器（MRM）设计和自主波长锁定实现了前所未有的性能[1]。发射器芯片采用 GlobalFoundries 45CLO CMOS SOI 硅基光电子工艺，单片集成了高效的片上调制器驱动器阵列、紧凑型电容调谐环形调制器阵列和片上自主电子顺序波长锁定系统。图 1（上图）展示了发射器芯片的结构，8 个具有不同周长（因而具有不同自由光谱范围 （FSR））的 MRM 串联在一起，每个都调谐到一个输入光载波。
图 1. 芯片结构（上图）和带有 8 个级联 MRM 的芯片显微照片（下图）。该发射机的核心是一种新颖的多层多节 MRM 设计，可实现高效的电容调谐和锁定，同时实现零静态功耗的宽带调制。如图 2 所示，MRM 结构包括两个部分：用于高速调制的 p-n 部分和用于波长调谐的电容可调部分。
图 2. 带有 p-n 和电容部分的微型环形调制器（MRM）结构
p-n 部分半径为 7 微米，占环周长的 49%，由 33% 的硅波导横向 n 掺杂和其余部分 p 掺杂形成。电容可调部分的半径为 5μm，占环周长的 41%，由垂直重叠的硅层和多晶硅层构成，类似于 MOSFET 栅极结构。这种设计提高了电容调谐的效率，同时优化了调制增强的耦合。MRM 的光学响应如图 3（左上）所示，消光比超过 10dB，FSR 为 12.8nm。电容调谐响应如图 3（右上角和左下角）所示，共振波长偏移约为 100pm/V，静态功耗为零。通过放置在环形结构内部的掺杂硅加热器（图 3（右下））实现的热调谐提供了二级粗调机制，效率为 0.17 nm/mW。
图 3：MRM 的光学响应（左上）、MRM 电容调谐响应（右上）、电容波长偏移与电容部分外加电压的关系（左下）以及热波长偏移与加热器功率的关系（右下）。基于伪差分结构的调制器驱动器架构（图 4，左上角）使用无源电平转换器将输入信号分为两路，并使用正负级对其进行放大。伪差分输出连接到环形 p-n 部分，用于高速调制。驱动器内器件的大小可最大限度地降低功耗，同时在 32Gb/s 速率下保持无差错运行。
图 4. 调制器驱动器框图（左上）、调制器驱动器正负级原理图（右上）、DSAM 单元框图（左下）和电压电平转换器原理图（右下）。如图 5（右下角）所示，8 通道发射器的能效（包括所有环的自主电容波长锁定）在每通道 5Gb/s 时约为 15fJ/b，在每通道 32Gb/s 时约为 63fJ/b。这种高能效是通过零静态功率电容调谐、面积和功率优化的电子和光子设计实现的。
图 5. 调谐后 8 通道 TX 的光学响应（左上）、调制器驱动器的电光响应（右上）、MRM 波长锁定（左下）以及无差错运行时的能效与每通道数据速率的关系（右下）。该发射机的一项关键创新是片上自主电子顺序波长锁定系统，可确保 MRM 锁定并跟踪光载波。如图 6（左下）所示，该系统由每个 MRM 的双传感、致动和记忆（DSAM）单元组成。
图 6. 调制器驱动器框图（左上）、调制器驱动器正负级原理图（右上）、DSAM 单元框图（左下）和电压电平转换器原理图（右下）。在顺序调谐和控制过程中，每次使用片上解码器选择一个 DSAM 单元。相应电容调谐部分的电压通过一个 5 位上/下计数器（作为 5 位存储器）进行设置。在对环路进行电容调谐时，使用 DSAM 单元的硅锗光电二极管检测环路输出的 2%。由此产生的光电流被转换成电压，并通过跨阻抗放大器（TIA）进行放大。跨阻放大器的输出（反馈信号）与预先设置的阈值电压进行比较，比较器的输出用于控制上/下计数器，从而有效地将环形响应调整和锁定到所需波长。图 7（左下）展示了电容环波长锁定过程，其中反馈信号（橙色）与阈值电平（黑色虚线）进行比较。当反馈信号越过阈值时，应用于电容部分的控制信号（蓝色）会进行调整，从而将电容环锁定在阈值上。当系统锁定下一个 MRM 时，存储器将保持控制信号值，依次重复该过程。
图 7. 调谐后 8 通道 TX 的光学响应（左上）、调制器驱动器的电光响应（右上）、MRM 波长锁定（左下）以及无差错运行时的能效与每通道数据速率的关系（右下）。发射器的无差错数据传输速率高达每信道 32Gb/s，总数据传输速率为 256Gb/s。图 8 显示了所有 8 个通道同时以 32Gb/s 速率运行时的测量眼图，误码率 （BER） 小于 10^-12。
图 8. 所有 8 个通道同时工作的眼图（每个通道的速度为 32 Gb/s）。该芯片包括所有电子和光子器件，实现了 13.25Tb/s/mm^2 的带宽密度，大大高于其他最先进的实现方法。图 9 比较了这项工作与其他工作的性能，突出显示了其卓越的能效和带宽密度。
图 9. 采用 NRZ 调制方案的性能总结以及与其他作品的比较。本文解析的 ISSCC2024论文中单片集成 8 通道光发射器是高速光通信领域的重大突破[1]。通过利用新颖的 MRM 设计、自主波长锁定以及优化的电子和光子设计，该发射器实现了前所未有的能效、带宽密度和可扩展性。这款发射器具有 256Gb/s 的无差错数据传输速率和 13.25Tb/s/mm^2 的带宽密度，为太比特/秒光链路打开道路，使要求不断提高数据传输速率的各种应用成为可能。单片集成方法不仅简化了封装，而且为扩展到更多通道打开了大门，进一步拓展了高速光通信的领域。[1]Omirzakhov, K., Aflatouni, F. (2024). Monolithically Integrated Sub-63 fJ/b 8-Channel 256Gb/s Optical Transmitter with Autonomous Wavelength Locking in 45nm CMOS SOI. 2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).
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