ISSCC2026：UCB基于預(yù)加重和RC平衡技術(shù)的正偏PIN-MZM的212Gb/s/λ 0.91pJ/b 直驅(qū)單片集成相干發(fā)射器

  ICC訊   包括激光源在內(nèi)的光發(fā)射機(jī)（OTX）的功耗是整個(gè)鏈路功率的主要組成部分，選擇高效的電光（EO）調(diào)制器可以顯著降低 OTX功耗。

  上篇提到采用單片集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的MRM調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)低能耗擴(kuò)展收發(fā)方案，但需要復(fù)雜的溫控波鎖以及均衡技術(shù)。MZM調(diào)制器具有更好的熱穩(wěn)定性、對(duì)工藝變化的敏感度更低，在性能方面表現(xiàn)更優(yōu)。

  基于傳統(tǒng)反偏pn 結(jié)的硅光MZM調(diào)制效率 VπL較差（通常>10Vmm）長(zhǎng)度很長(zhǎng)（超過(guò)3mm），要么通過(guò)行波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要么通過(guò)分別處理MSB和 LSB的分段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  基于正偏 pin結(jié)的 MZM調(diào)制效率更好但帶寬較低，但在非常高的頻率下仍優(yōu)于傳統(tǒng)的反向偏置 PN 相移器，如圖所示。OTX 電路徑優(yōu)化旨在使固有PIN-MZM電光響應(yīng)提升，同時(shí)保持調(diào)制效率。

  下圖總結(jié)提升方法，將 PIN 相位調(diào)制器與無(wú)源RC 高通濾波器級(jí)聯(lián)，可降低低頻分量影響，通過(guò)適當(dāng)選擇 RC，可獲得平坦的電光響應(yīng)和更高的帶寬，該方法可參考之前分享。

  對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度為 0.4mm、偏置電流為 0.6mA的 PIN，要求 RE = 600ohm，CE = 3.76pF，具有 4.5GHz 帶寬的電光響應(yīng)。

  在保持RECE 乘積不變情況下，同時(shí)縮放 RE 和 CE 值以實(shí)現(xiàn)帶寬縮放，可以保持電光響應(yīng)的平坦性，如圖所示。對(duì)于 RE = 3.6kohm和 CE = 627 pF，可獲得 28GHz帶寬。但強(qiáng)RC會(huì)降低有效 VπL。

  采用 TX 預(yù)加重（PE）并結(jié)合 RC平衡器可恢復(fù)有效 VπL，但過(guò)多TX PE效果會(huì)增加群延遲變化并導(dǎo)致平坦帶內(nèi)的紋波。如圖所示，通過(guò)將 0.56 倍的 PE與 20dB 的 RC平衡器相結(jié)合，傳輸 OMA 獲得1.6 倍的改進(jìn)。

  下圖展示電路徑優(yōu)化方案，該路徑由 RC平衡器、兩級(jí)線性驅(qū)動(dòng)器和無(wú)源輸入級(jí)組成。

  可調(diào) RC 濾波器能在工藝變化范圍內(nèi)提供約 20dB的均衡效果。

  經(jīng)過(guò) RC 平衡處理的 PIN-MZM 的等效負(fù)載阻抗在低頻時(shí)為 635ohm，在高頻時(shí)降至 8ohm，這需要一個(gè)低輸出阻抗的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)互補(bǔ)源跟隨器級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。源跟隨器提供低驅(qū)動(dòng)阻抗，并實(shí)現(xiàn)非常高的輸入和輸出線性度，而互補(bǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則減少所需的偏置電流。

  為了補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)器的非單位增益（-1.9dB）以及 MZM 與高頻損耗相關(guān)的高頻率損失（-3.7dB），使用一個(gè)前置驅(qū)動(dòng)級(jí)。由CML 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的前置驅(qū)動(dòng)器與主驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行交流耦合，利用更高的電源電壓和共源共柵器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高輸出線性度。

  使用 30Ω 的無(wú)源電阻來(lái)設(shè)定其直流增益，并配合 300pH 峰值電感來(lái)實(shí)現(xiàn) 4dB的高頻峰值。由此產(chǎn)生的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器具有 40GHz 電氣帶寬和最大線性擺幅 1.15Vppd。

  輸入級(jí)使用 200pH 電感來(lái)隔離來(lái)自預(yù)驅(qū)動(dòng)器、銅柱和 ESD 二極管的負(fù)載電容。這些電感將輸入帶寬擴(kuò)展至 65GHz，同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的輸入回波損耗（SDD11 = -16dB，SCC11 = -18dB）。

  單片相干收發(fā)器的PIN-MZM長(zhǎng)0.4mm，在GF 45nm CMOS-SOI（45SPCLO）工藝制造。TX 核心（電子+光子）使用 0.612mm^2面積。光通過(guò)SiN V 形槽邊緣耦合器和SSC耦合到芯片上，電氣信號(hào)使用 135μm 間隔的銅柱陣列。

  芯片通過(guò)倒裝芯片鍵合技術(shù)與有機(jī)基板連接，與主機(jī)串行接口芯片（SerDes 芯片）進(jìn)行封裝（如圖所示）。

  在 IMDD 模式下，光信號(hào)通過(guò)一個(gè)具有 500V/W增益和 25GHz 電帶寬的光接收器（RXM25AF）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

  在相干模式下，光信號(hào)和DFB 激光器的LO 送往由光學(xué)混合器和平衡 PD 組成的 Quantifi 光子學(xué) IQRX 相干接收器。

  下圖展示在激光功率為 9dBm 時(shí)測(cè)量得到的 IMDD 原始眼圖，獲得完整的無(wú) ISI 26Gb/s NRZ 眼圖，證實(shí)基于 RC 平衡和 TX PE 的帶寬擴(kuò)展方法的有效性。使用TX FFE 實(shí)現(xiàn)106.25Gb/s IMDD PAM4，OMA 從26Gb/s NRZ的 2.04dBm降至 106.25Gb/s PAM4 的-2.5dBm。

  為了比較所提出的基于正偏 PIN-MZM 的 OTX 與傳統(tǒng)的反偏 MZM 的性能，還在一個(gè)相同的芯片上制造基于lumped PN-MZM 的 OTX 和TW-MZM的 OTX進(jìn)行比較。

  對(duì)于 106.25Gb/s 的相同OMA，由于 PIN-MZM調(diào)制效率更高，其激光功率分別比lumped PN-MZM 和TW-MZM 低 2.5 倍和 2.76 倍。

  PIN-MZM 通道的總能效（電能 + 激光能）為 1.63pJ/b，比 PN-MZM 高 1.5 倍，比傳統(tǒng)TW-MZM 高 1.45 倍。此外，由于消除傳輸線路，其面積效率比 TW MZM 高 5 倍。

  下圖比較所提出的 OTX 與之前硅光MZM性能，這項(xiàng)工作報(bào)道O 波段長(zhǎng)度最短的 MZM，且能耗最低，僅為 0.91pJ/b。

  此外展示的相干方案使每波數(shù)據(jù)速率翻倍，為未來(lái)高帶寬密度和節(jié)能的光互連鋪平道路。

  參考文獻(xiàn)

  【1】A 212Gb/s/λ 0.91pJ/b Direct-Drive O-Band Monolithic Coherent Transmitter Based on Carrier-Injection-Mode Mach-Zehnder Modulator Antroy Roy Chowdhury1, Wahid Rahman1, Ahmed ElShater2, Tamer Ali2, Vladimir Stojanovic1,3 1University of California, Berkeley