高速有线收发器光子和电子集成电路的设计与集成

随着当前和未来数字应用对数据速率的需求呈爆炸式增长，对数据中心间和内部流量的有线收发器提出了更高的要求。重点是增加这些光收发器的容量，同时提高新一代的集成密度和能源效率。

imec的研究人员正在通过开发用于100至130Gbaud收发器的高速电子和光子集成电路来应对这一双重挑战，既适用于强度调制直接检测(IMDD)收发器，也适用于相干光收发器。对于相干收发器，光学和电子设备的规格和功能要求更高。接收器DSP也明显更复杂（与IMDD相比）。

光电收发器方案

对于光学器件，100到130Gbaud的操作需要至少50到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酸铟(InP)的集成光学器件以及硅光子学得到证明。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设备。同一平台还可用于实现硅波分复用滤波器和复杂波导电路等无源器件。迄今为止缺少的一个组件是电吸收调制器为O波段。这些是非常紧凑的调制器，不像环形谐振器那样需要任何额外的加热器功率。依靠量子限制的斯塔克效应，imec展示了这样的组件，这些组件可以一直调制到60Gb/s。正在进行进一步的工作以将这些设备集成到整个平台中。

为了将带宽扩展到更高，例如向200Gbaud运行，可以将诸如磷酸铟之类的化合物半导体集成到硅光子或氮化硅晶片上。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。一个重要的焦点是使BTO沉积技术适应体积缩放。与LiNbO₃等其他材料系统不同，BTO可以引入CMOS代工厂，这是大规模制造的关键优势。

在驱动器和接收器等模拟组件中，可以产生高于100Gbaud信号的电子器件曾经是InP等化合物半导体的领域。imec专注于使用主流SiGeBi CMOS实现这些速度的各种电路技术，这在可集成的功能复杂性和制造吞吐量方面具有优势。

在iSiPP200上处理的硅光子发射器和接收器测试结构

例如，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）。它与硅光子双极化IQ调制器共同设计。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，可实现高达60GHz的带宽。该放大器与平衡的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100到130Gbaud的操作，DAC和ADC也需要至少60GHz的带宽。这种超高速ADC和DACS可以使用5nm和3nm等缩放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，以克服现有最先进技术的限制。使用5nmCMOS的原型设计正在进行中，以在实验室中验证新概念。

在接收器方面，对与新ADC方法兼容的节能100GbaudPAM-4时钟和数据恢复电路的研究正在进行中。a分数过采样用于降低ADC采样率要求。可以包括前馈和决策反馈均衡，以克服光学通道或带宽限制造成的损伤。

为了实现具有挑战性的下一代高速收发器规格，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为所需的功能提供最佳性能，以及集成以实现超过100Gbaud操作所需的非常高的带宽。异构集成是扩展imec硅平台的功能以集成例如光放大器和激光器的关键推动力。与Sivers Photonics和ASMAMICRA合作，imec展示了超高精度对准倒装芯片的使用在其硅光子晶片上集成InP光学放大器和激光器的工艺。对准精度优于500nm，波导耦合基本功率超过10mW。

微转移印刷是另一种实现异构集成的方法。它允许将几乎任何源材料的小组件集成到几乎任何目标基板。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分离出来。接下来，使用印模将小芯片沉积到目标基板上。这两种操作都需要仔细选择印章的移动速度。使用这种技术，可以在一个步骤中沉积数千个设备。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SiGeBi CMOS电子器件。

微转移印刷技术

如果想要超过100Gbaud，例如向200Gbaud扩展，可能需要超越传统收发器的创新方法，例如电子设备的功能进一步转移到光学领域。imec最近展示的这种设备的一个例子是光学均衡器。该设备可以通过将马赫-曾德尔调制器视为电输入、光相位输出域中的FIR（有限脉冲响应）或抽头延迟线滤波器来理解。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。甚至符号反转（以实现更复杂的滤波器响应）也可能使用波导交叉。