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

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

  上篇提到采用單片集成技術實現的MRM調制器能夠實現低能耗擴展收發(fā)方案，但需要復雜的溫控波鎖以及均衡技術。MZM調制器具有更好的熱穩(wěn)定性、對工藝變化的敏感度更低，在性能方面表現更優(yōu)。

  基于傳統反偏pn 結的硅光MZM調制效率 VπL較差（通常>10Vmm）長度很長（超過3mm），要么通過行波拓撲結構，要么通過分別處理MSB和 LSB的分段拓撲結構來實現。

  基于正偏 pin結的 MZM調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電光響應提升，同時保持調制效率。

  下圖總結提升方法，將 PIN 相位調制器與無源RC 高通濾波器級聯，可降低低頻分量影響，通過適當選擇 RC，可獲得平坦的電光響應和更高的帶寬，該方法可參考之前分享。

  對于一個長度為 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。

  在保持RECE 乘積不變情況下，同時縮放 RE 和 CE 值以實現帶寬縮放，可以保持電光響應的平坦性，如圖所示。對于 RE = 3.6kohm和 CE = 627 pF，可獲得 28GHz帶寬。但強RC會降低有效 VπL。

  采用 TX 預加重（PE）并結合 RC平衡器可恢復有效 VπL，但過多TX PE效果會增加群延遲變化并導致平坦帶內的紋波。如圖所示，通過將 0.56 倍的 PE與 20dB 的 RC平衡器相結合，傳輸 OMA 獲得1.6 倍的改進。

  下圖展示電路徑優(yōu)化方案，該路徑由 RC平衡器、兩級線性驅動器和無源輸入級組成。

  可調 RC 濾波器能在工藝變化范圍內提供約 20dB的均衡效果。

  經過 RC 平衡處理的 PIN-MZM 的等效負載阻抗在低頻時為 635ohm，在高頻時降至 8ohm，這需要一個低輸出阻抗的驅動器，該驅動器通過互補源跟隨器級來實現。源跟隨器提供低驅動阻抗，并實現非常高的輸入和輸出線性度，而互補拓撲結構則減少所需的偏置電流。

  為了補償驅動器的非單位增益（-1.9dB）以及 MZM 與高頻損耗相關的高頻率損失（-3.7dB），使用一個前置驅動級。由CML 拓撲結構實現的前置驅動器與主驅動器進行交流耦合，利用更高的電源電壓和共源共柵器件來實現高輸出線性度。

  使用 30Ω 的無源電阻來設定其直流增益，并配合 300pH 峰值電感來實現 4dB的高頻峰值。由此產生的兩級驅動器具有 40GHz 電氣帶寬和最大線性擺幅 1.15Vppd。

  輸入級使用 200pH 電感來隔離來自預驅動器、銅柱和 ESD 二極管的負載電容。這些電感將輸入帶寬擴展至 65GHz，同時實現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SiN V 形槽邊緣耦合器和SSC耦合到芯片上，電氣信號使用 135μm 間隔的銅柱陣列。

  芯片通過倒裝芯片鍵合技術與有機基板連接，與主機串行接口芯片（SerDes 芯片）進行封裝（如圖所示）。

  在 IMDD 模式下，光信號通過一個具有 500V/W增益和 25GHz 電帶寬的光接收器（RXM25AF）轉換為電信號。

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

  下圖展示在激光功率為 9dBm 時測量得到的 IMDD 原始眼圖，獲得完整的無 ISI 26Gb/s NRZ 眼圖，證實基于 RC 平衡和 TX PE 的帶寬擴展方法的有效性。使用TX FFE 實現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 與傳統的反偏 MZM 的性能，還在一個相同的芯片上制造基于lumped PN-MZM 的 OTX 和TW-MZM的 OTX進行比較。

  對于 106.25Gb/s 的相同OMA，由于 PIN-MZM調制效率更高，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，這項工作報道O 波段長度最短的 MZM，且能耗最低，僅為 0.91pJ/b。

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

  參考文獻

  【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