出一種基于環(huán)形諧振器調(diào)制器的光學(xué)引擎架構(gòu)，以解決共封裝光學(xué)應(yīng)用的容量需求。展示了核心100Gb/s發(fā)射器單元的系統(tǒng)性能，并展示了使用8個(gè)波長(zhǎng)在單根光纖上的800 Gb/s傳輸。（IPC 2020）

第二節(jié)    光學(xué)引擎架構(gòu)

圖1顯示了基于環(huán)形諧振器的3.2Tb/s光學(xué)引擎的建議概念。環(huán)形諧振器調(diào)制器為高密度應(yīng)用提供了許多優(yōu)勢(shì)。首先，它的占地面積非常小，小于0.01mm^2。因此，結(jié)電容小于100 fF。調(diào)制器可以作為集總元件來驅(qū)動(dòng)，從而簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)并限制了功耗。其次，環(huán)形諧振器調(diào)制器是波長(zhǎng)選擇的，允許使用波分復(fù)用（WDM）方案的體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)光纖對(duì)具有多個(gè)通道（波長(zhǎng)）。與多波長(zhǎng)激光器（例如量子點(diǎn)激光器）結(jié)合使用，可將TB容量光學(xué)引擎所需的光纖和激光器數(shù)量減少到實(shí)用水平。

光學(xué)引擎的制造必須具有很高的良率，才能滿足TB級(jí)別的成本目標(biāo)。這需要通過銅柱互連，光纖的無源對(duì)準(zhǔn)和晶圓級(jí)激光附著進(jìn)行2.5D或3D集成。

圖1-a）用于具有51.2 T開關(guān)ASIC的共封裝應(yīng)用中的3.2 Tb/s光學(xué)引擎的建議架構(gòu)，由基于環(huán)的100G調(diào)制器和接收器單元構(gòu)成，并具有邊緣耦合光纖陣列；b）100G調(diào)制器單元的SEM，位于150μm間距的Cu柱之間。

圖2-a）由驅(qū)動(dòng)器IC和SiP芯片組成的800G發(fā)射機(jī)的框圖，以及梳狀輸入頻譜和調(diào)制輸出頻譜；b）環(huán)形諧振調(diào)制器的消光比與插入損耗的關(guān)系，突出顯示了插入損耗為6dB時(shí)的工作點(diǎn)；c）在最佳工作點(diǎn)處的100 Gb/s PAM-4眼圖，已捕獲且在Rx處施加了5抽頭FFE。

第三節(jié)   800 Gb/s傳輸器性能

為了演示50 Gbaud發(fā)射機(jī)單元的性能，制作了一個(gè)800 Gb/s發(fā)射機(jī)演示，如圖2所示。它由8個(gè)通道組成，這些通道由100 Gb/s PAM-4調(diào)制，并以WDM配置發(fā)射到單根光纖中。調(diào)制器包含兩個(gè)相移段，它們具有2：1的環(huán)覆蓋率。較長(zhǎng)的段使用最高有效位（MSB）進(jìn)行編碼，較短的段使用同步的最低有效位（LSB）進(jìn)行編碼，以使組合的光調(diào)制為PAM-4格式。每個(gè)段均由一個(gè)22 nm CMOS的3.2 V擺幅50Gb/s NRZ驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)。

硅光子管芯由公共邊緣面上的輸入和輸出邊緣耦合器形成，并通過單個(gè)總線波導(dǎo)連接在管芯上。八個(gè)環(huán)形調(diào)制器在總線波導(dǎo)上串行定向，每個(gè)調(diào)制器均由熱調(diào)諧器控制。外部量子點(diǎn)激光源提供了以100 GHz間隔的8個(gè)C波段波長(zhǎng)的輸入梳。如圖2a所示，將每個(gè)環(huán)形調(diào)制器熱調(diào)諧到單獨(dú)的波長(zhǎng)。

硅光子管芯和驅(qū)動(dòng)器IC均具有150um間距的銅柱陣列，并倒裝芯片安裝在335 um厚的有機(jī)中介層上。MSB和LSB驅(qū)動(dòng)器位于環(huán)形調(diào)制器的正上方，直接通過中介層中的過孔互連。

驅(qū)動(dòng)器IC包含用于每個(gè)通道的內(nèi)部PRBS發(fā)生器，需要28 GHz外部時(shí)鐘輸入。因此，發(fā)射器不需要RF輸入波形，從而形成了獨(dú)立的發(fā)射器組件。

每個(gè)通道的插入損耗為6 dB，消光比為5dB，如圖2b所示。這是模擬的工作點(diǎn)，可提供-4.2 dBm（相對(duì)于0 dBm輸入）的最大光調(diào)制幅度（OMA）和0.95 dB的TDECQ。還顯示了此狀態(tài)的原始眼圖。請(qǐng)注意，驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)部沒有Tx預(yù)加重，電平設(shè)置或FFE。在TDECQ計(jì)算中添加5個(gè)抽頭的RxFFE會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開放且均勻的眼圖。

每個(gè)100 Gb/s的通道平均耗散2.25pj/bit的電能，并占用0.27 mm^2的面積。不考慮邊緣光纖耦合所需的裸片面積，這提供了370 Gb/mm^2的帶寬密度。

第四節(jié)    結(jié)論

提出了一種光學(xué)引擎架構(gòu)，能夠解決未來十年數(shù)據(jù)中心連接性和存儲(chǔ)面臨的高密度光學(xué)互連挑戰(zhàn)。該基于環(huán)形諧振器的平臺(tái)通過使用具有單光纖輸出的800 Gb/s PAM-4發(fā)射機(jī)進(jìn)行了演示，該發(fā)射機(jī)在C頻段工作，能耗為2.25 pJ/bit。