[技术前沿]一种混合集成硅基光电子波分复用接收器

随着人工智能和机器学习服务的兴起，数据中心互联对高带宽的需求不断增长。波分复用技术（WDM）是满足需求的技术，允许在一根光纤上传输不同波长的多个光信号。硅基光电子技术利用标准的CMOS制造工艺，为实现波分复用系统提供了经济高效的解决方案，因此对光电共封装器件（CPO）和光电子Chiplets尤其具有吸引力。

波分复用系统的一个关键部件是波长滤波器，负责分离不同的波长信道。环形谐振器滤波器（RRF）具有体积小、集成密度高、波长选择性好等优点，是实现这一目的的理想选择。然而，随着波分复用信道数量的增加，RRF的精心设计和实施变得重要。

RRF面临的主要挑战之一是其对温度和制造工艺变化的敏感性，这可能会严重影响其性能。因此，精确有效地控制RRF的温度对于波分复用器的稳定运行重要。

本文介绍了混合集成硅基光电子技术波分复用接收器，能够利用热控RRF处理4个波长通道，每个通道的NRZ数据速率为28 Gb/s。

系统实现

波分复用接收器由光子集成电路（PIC）和电子集成电路（EIC）组成，如图 1（a）所示。PIC包含四个半径为12μm的RRF，共享一个总线波导。每个 RRF 都有一个锗光电探测器 （Ge-PD），连接到其下降端口。EIC包括四个互阻抗放大器（TIA），每个波分复用器通道一个。

图1：（a）硅基光电子波分复用接收器及其温度控制器框图。（b） 硅光子波分复用接收器照片

该系统包括一个由FPGA、四个模数转换器 （ADC） 和四个驱动器 （DRV） 组成的温度控制器 （TC）。温度控制器监控每个Ge-PD通过相应的RRF接收到的平均功率，并调节RRF的片上加热器电压 （VH） 以保持所需的波长。

图1（b） 显示了硅基光电子波分复用接收器的照片，其中PIC采用IHP的0.25μm硅基光电子工艺制造，EIC采用28-nm CMOS工艺制造。

单通道实现

图2（a） 展示了单波分复用器通道的框图。RRF半径为12μm，自由光谱范围 （FSR） 为8.3nm，Q因子为2200。Ge-PD连接到RRF的下降端口，测量到的接收器光电（O/E）3-dB带宽为22 GHz。

图2：（a）波分复用接收器中单个波分复用信道的框图。（b） 单个波分复用信道的28 Gb/s仿真眼图和O/E频率响应

TIA和EIC中的50-Ω驱动器基于CMOS反相器，采用电感峰值来提高接收器带宽，同时不增加功耗。图2（b） 显示了模拟的28 Gb/s眼图和单波分复用信道的频率响应。

TIA包括一个直流偏移消除（DCOC）环路，由一个低通滤波器、一个运算放大器（OP-AMP）和一个用于汇流的场效应管组成。为了监测通过RRF传输的平均光功率，利用DCOC回路中的运算放大器输出信号实现了接收信号强度指示器（RSSI）。该电路将直流电流电平从PD复制到TIA，并将其转换为监控电压 （VM），TC利用该电压来确定和维持所需的RRF片上加热器电压 （VH），并使用抖动方法来抵御外部温度波动。

测量结果

图3（a） 显示了测量到的误码率 （BER） 曲线，以及28 Gb/s、PRBS-31输入数据的眼图。Ge-PD的输入光功率为-6-dBm，误码率为10^-12。一个TIA的功耗为27 mW。

图3：28-Gb/s、PRBS-31输入数据的 （a） 误码率曲线和眼图，以及 （b） 热应力测试的测量结果

图3（b） 显示了热应力测试的测量结果。每条曲线表示接收器在接收28Gb/s 数据时，温度以0.05°C/s 的速率从30°C变化到20°C，再返回到30°C时，施加在每个RRF上的VH。图中还显示了四个波分复用信道的累积眼图。从图中可以看出，尽管温度发生变化，TC仍能正确生成每个信道的VH信号，保持良好的眼图质量。

结论

本文介绍混合集成硅基光电子波分复用接收器，利用热控环形谐振器滤波器以每通道28 Gb/s的速度处理4个波长通道。由于基于FPGA的温度控制器实现了高效的温度控制，该系统在温度变化的情况下也能稳定运行。这项工作凸显了硅基光电子技术在数据中心互连、光电共封装器件和光子芯片中的高带宽波分复用应用潜力。