數(shù)據密集型人工智能計算的爆炸式增長對數(shù)據中心的互連帶寬提出更高要求。傳統(tǒng)可插拔光模塊難以滿足新型51.2T以太網交換機對功耗和外形尺寸的要求，必須采用功耗較高的基于DSP的光收發(fā)機來補償每通道的損耗。通過將緊湊型光引擎緊密集成到交換機封裝中，板載金屬線大部分被光纖取代，從而節(jié)省了信號功率并提高了前面板的帶寬密度（如圖1所示，每個3.2T的光引擎在封裝中實現(xiàn)了光纖通道直接連接到交換機封裝邊緣）。與此同時，集成的共封裝光學器件（CPO）用嵌入了連續(xù)時間線性均衡器（CTLE）的線性驅動器和放大器取代了 DSP，從而簡化了光收發(fā)機。近年來，這種線性直驅CPO逐漸受到關注，因為它能顯著降低功耗、成本和延遲。

中國科學院半導體研究所半導體物理實驗室劉力源、祁楠研究員團隊，長期專注于高速硅基光電集成收發(fā)機的研究，并取得了一系列成果。團隊成功構建了由時鐘數(shù)據恢復電路（CDR）、分布式CMOS驅動器與集總分段式馬赫-增德爾調制器（MZM）構成的單路50Gb/s光電發(fā)射機（JSSC，2022），和由硅光探測器（PD）、跨阻放大器（TIA）與CDR構成的單路50Gb/s光電接收機 （TCAS-I，2023）。近期，劉力源、祁楠研究員團隊與國家信息光電子創(chuàng)新中心總經理肖希合作，在4×112Gb/s線性直驅硅基光電集成收發(fā)機研究領域取得新進展，構建了了用于線性直驅CPO的4×112 Gb/s硅基光電混合集成收發(fā)機組件。

圖1 集成在交換機中線性直驅光引擎

該研究團隊通過四通道集電極開路的驅動器與陣列化的行波MZM協(xié)同設計，實現(xiàn)了高帶寬和高驅動效率，還提出了一種二階混合無源-有源CTLE，用于補償高達12dB的非線性信道損耗。此外，該團隊還提出了一種帶有T-π輸入網絡和級聯(lián)內嵌式CTLE的線性TIA，可在保持平坦帶內頻率響應的同時提高帶寬。該驅動器和TIA采用180nm SiGe BiCMOS工藝實現(xiàn)，測量結果顯示其帶寬超過35GHz。通過將驅動器與MZM、TIA與PD共同封裝，構建了完整的硅基光電集成收發(fā)機前端（圖2為光發(fā)射機和光接收機的封裝照片，圖3為實驗結果）。電光調制和光電接收均可實現(xiàn)400G速率的應用需求。光發(fā)射機實現(xiàn)了5dB的光消光比和4.8pJ/bit的功耗效率，而光接收機實現(xiàn)了67dB的跨阻增益和2.95pJ/bit的功耗效率。

圖2 混合集成光收發(fā)機封裝照片

圖3 光收發(fā)機NRZ和PAM-4的測試結果

該成果由半導體所博士生劉翰、半導體所祁楠研究員、國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希等共同完成，并得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和北京市科技計劃項目的資助.