本期ISSCC論文解讀有幸邀請到中科院半導體所的祁楠教授。
(此文有6219字)
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各位朋友大家好，本人學生時代做過模擬和射頻電路，畢業後接觸到光通信電路，並恰趕上硅基光電子（Silicon Photonics）迅速發展的快車。借最近宅在家裡的難得機會，通過賈教授的平臺和大家進行交流。
本期與大家分享的論文來自Intel，作者也是筆者的朋友（敬稱“昊總”），本篇論文是典型的硅光子與電路集成之作，也是作者及其公司長期積累的方向。
1、應用背景
數據中心的互連帶寬需求飛速增長，雖然目前產品主流是100G（4x25G）光模塊，但國際範圍都緊盯著400G開展研究，其中單波長速率期望達到100Gb/s。這裡需要說明的是，光通信系統中還有另一維度波長（類似於無線通信載波頻率），由於長距離通信常採取波分複用同一物理信道，人們通常用“單波長”來對應電芯片中的單通道。考慮到本文主要講電路，我們暫且簡單稱之為“單通道速率”吧。
如果把每個光模塊做小，並圍繞服務器主芯片就近放置，上述長走線問題就有望大幅緩解
2、光電協同設計
在PAM4調製下，MRM調製器最關鍵的三項參數，也是其驅動電路最大的設計挑戰，是調製效率、線性度和波長穩定度。下面我們力求形象的逐個進行說明，
（1）調製效率為了調製後的‘0’和‘1’有足夠區分度（稱為消光比
本文中Intel做的MRM顯然比較牛，詳見他們2018年OFC的論文[1]，其結果是僅需要差分2.4Vpp的驅動電壓，就可產生>5dB消光比，還能有50GHz的調製帶寬。這和文章作者2015年ISSCC文章中的MRM相比，所需幅度降低近一半，帶寬反而提升近一倍。本文則關注於電路技術，旨在實現大擺幅的驅動電壓。具體來說，就是要用單管耐壓0.9V的28nm CMOS電路，實現高速3Vpp的輸出擺幅。
（2）線性度首先，MRM存在靜態非線性，如下圖即便driver輸出理想線性PAM4波形，電光轉換後也將產生明顯的非線性“大小眼”；
其次，耗盡型MRM存在動態非線性，驅動電壓大範圍變化導致其等效電容受調製，造成驅動信號在邏輯高和低處帶寬不相等。仔細觀察下圖，帶寬不足的程度還與碼型相關：短“0”的帶寬不足最明顯，因此均衡時需要針對碼型提供不同的均衡強度。本文的主要貢獻在於此處，即提出了非線性預失真（NL-PD）和非線性FFE（NL-FFE）相結合的均衡方法，抵消上述兩種非線性。
（3）波長穩定性
MRM到目前為止最大的技術難題是其波長的穩定和調節。前文我們提到，為提高輸出光信號消光比、支持DWDM，MRM的濾波特性陷波Notch必須非常窄，Q值高達上千。在此情況下，工藝偏差、溫度變化都將造成顯著的諧振波長漂移，必須搭建光電閉環的調節系統再出現PVT偏差時將波長穩定在確定數值。本文的主要貢獻也在於，提出改進型的波長自動穩定技術，監控並實時調節MRM波長。
3、電路和系統亮點
本文內容較多，全部平敘一遍可能導致讀者丟掉重點；因此，我們僅對應上面提到的三項參數，向大家分別解讀亮點工作，而剩餘細節電路則留給感興趣者深入研讀。
（1）高速大擺幅輸出級為實現足夠大的消光比，我們需要在高速下提供3Vpp的輸出擺幅。如下圖，本文Driver由30個結構相同和尺寸不同的單元並聯實現：每個單元內，差分信號到達輸出級之前分成工作在0~VDD和VDD~2*VDD的兩條並行之路：前者在輸出邏輯高時，負責將負載電容上拉到2*VDD（2.2V）；後者則負責在邏輯低時，將負載電容洩放至0。這相當於把2.2V電壓擺幅均攤到兩個串聯的PMOS（或NMOS），實現了2倍於單電壓域的電壓擺幅。
考慮到driver與硅光MRM的對接，首先，調製器PN
（2）非線性驅動與均衡這部分比較複雜，我們看最終目標：為抵消MRM兩種非線性，driver需要將理想PAM4波形（藍色），預失真成特定形狀（紅色），以獲得線性度改善後的光眼圖（綠色）。從上向下觀察目標眼圖形狀，其眼高依次變化（預失真比例係數αn），均衡的強度也各不相同（預失真比例係數βn）；PAM4每個眼皮處都呈現四種不同預加重強度，並取決於前一UI的數據碼型。這裡筆者認為紅色曲線的繪製，在均衡強度邏輯上稍有點錯亂，有待讀者根據自己理解進行判斷。
為達到上述效果，作者把driver主要電路做成結構相同、尺寸各不相同的30個slice，其中21個一倍尺寸（1x）單元給線性雙抽頭（2-tap）PAM4調製，（4*1x+1*0.5x）單元給非線性預失真，（1*1x+2*0.5x+1*0.25x）給非線性均衡。這裡要注意的是，每個slice中是28Gb/s NRZ的CMOS信號，只有在最終相加節點才產生56GBaud/sPAM4信號；每個slice中都有獨立的查找表（LUT）、串化器（2：1）和SSTdriver。
為了在對應不同數據電平（A/B/C/D）的情況下，打開對應數目的driver cell單元，本文將上述30個slice按照溫度計碼方式進行排列組合。這裡有點繞，我們先看非線性預失真的編碼方法：線性情況下顯然為等間隔為8的四個幅值（24/16/8/0）；而為了抵消非線性“大小眼”，上述碼型預失真為（24/13/5/0）。具體電路實現中，則使用PAM4的2-bit輸入信號（MSB/LSB），直接選中四個電平所對應的溫度計編碼（24/13/5/0）進行輸出。每位數據的LUT具體電路如下圖所示，其核心思路是最小化對輸出節點充放電時間，減少關鍵路徑上串聯的晶體管個數，因為DUT都運行在28Gb/s。
上述思路同樣可使用在FFE中，比如在NRZ調製時可根據數據流的相鄰2個UI數據d1、d0，去選擇當前碼型轉換時main-tap和post-tap分別打開的slice的數量，實現與碼型相關的均衡。擴展到PAM4調製情況，則應當產生（1*1x+2*0.5x+1*0.25x）四種slice的打開與否的控制信號，這在下圖中分別對應了x4、x2和x1的四個LUT。具體的編碼對應關係我們不再細講，但需要注意的是，這裡的求和DAC指的是最終driver輸出節點，而並不是在DUT的輸出就進行了求和處理，因為在輸出級之前信號通路上傳輸的仍是NRZ格式。
（3）波長自動調節MRM的諧振波長對溫度變化非常敏感，文中提到約為10GHz/K；考慮到諧振時Q值非常高，閉環實時調節是穩定工作所必須的。常用的波長調節方法是從MRM波導總線分出5-10%的光功率，反饋到一個集成在調製器上的監控探測器（monitoring PD）；該功率轉換成電流作為監控對象。波長調節則試圖使此平均光功率達到最大值，以實現輸入信號波長對準到調製器自諧振波長。微環的波長控制常採用加熱波導的方式，即在環形波導附近放置電阻並施加電流，利用DAC調節此電流而控制實時加熱功率，將MRM諧振波長穩定在期望值附近。上述過程中，幾個關鍵參數需要考慮：調節精度、調節範圍、硬件代價、能耗效率和反饋調節的可信度。
傳統的波長閉環監控，採用低帶寬的光電轉換和放大器件，僅觀測平均光功率的絕對值進行調節。它的問題在於觀測值的變化可能來自入射光功率、信號碼型、MRM濾波等多個因素，據此調節的結果可信度可能較低。本文對此進行改進，同時將進入和通過MRM的平均光功率拾取出來，監測其相對數值變化，更大的差值意味著更多的功率trap在微環中，即諧振波長更接近輸入信號波長。另外，觀測量轉化成兩路徑輸入I-V增益的比R1/R2，避免了與絕對數值（片上很難實現）相比，提高了反饋調節的置信度。這裡筆者有個小疑問，兩次MPD的光功率拾取，必然造成更大的光功率分流，這就對整個TX光路損耗提出更高的要求，不知道本文實際的鏈路開銷如何。
另外，為了同時實現大調節範圍和精細調節步長，我們需要較大的反饋系統線性動態範圍，本文是通過兩部動作實現：首先，使用sigma-delta調製器的方式實現12-bit的電流DAC；其次，將光功率通過MOS管平方率特性向電流量綱做線性映射。兩者結合實現50mW功率範圍，14uW的調節步長。
4、測試結果討論
首先，我們來看看本文實現的完整光電集成發射機系統。得益於Intel強大的集成能力，本文的電芯片EIC倒扣在一個大的硅光芯片PIC上，並通過Cupper Pillar進行電氣連接；同時III-V族激光器通過混合異質集成的方式，生長在同一個硅光芯片上；上述作為承載體的硅光芯片在通過平面金線的方式，集成到一個PCB基板上。這種集成方案的優勢是：
（1）高速信號僅通過cupper pillar出現在EIC和PIC兩芯片間，電源和低速信號通過PIC連接至PCB，在112Gb/s速率信號完整性好；
（2）激光器直接出光至片上波導，與外置激光器方案相比節省了輸入光纖耦合的次數，有望提高整體光鏈路的信號插入損耗裕量。上述兩芯片構成一個（目測）僅有數平方毫米的小型化共封裝光電引擎，適用於本文開頭提到的板載光模塊。
文中兩種均衡的效果在上圖中得到驗證，通過NL-PD有效改善了“大小眼”問題；與之相比在-0.7V下NL-FFE的均衡效果似乎沒那麼明顯，這主要是因為反向偏置太低，MRM器件結電容導致帶寬不足，而提高FFE強度帶來邏輯低時overshoot比較明顯。
為了得到更好看一些的眼圖，作者提高了反向偏置，並且優化了均衡和波長調節；筆者這裡認為提高偏置的影響可能是主要的，估計也相應降低了FFE強度。這樣一來眼圖質量得到明顯提升。關於TDECQ是什麼意思呢？筆者在這裡僅簡單的介紹一下，想象我們的TX芯片發射PAM4光信號，與此同時還有一個理想的TX也發射相同的PAM4信號，假如用相同的光電接收機去處理並實現相同的BER目標，顯然我們的芯片需要該接收機“費更大的勁”，這轉換成dB量綱就是上述的TDECQ；而實際情況下，測試儀器是通過疊加不斷增大的噪聲來尋找上述數值的。顯然TDECQ越小，說明我們的TX越接近於一個理想的golden TX，性能也就越好。
最後，我們來看看波長調節帶來的效果：實測在28°C到55°C下都能保證TDECQ不會惡化0.5dB以上，這是一個很有效且直觀的數據支撐；而開環情況下，40°C左右基本信號質量就差到不可用了。波長自動調節是微環諧振型光電收發機，走出實驗室實現未來量產化，最重要的技術。當然，波長穩定目前還有許多未解決的問題，例如大芯片中的熱串擾、調節範圍、響應速度、DWDM多波長情況下的調節邏輯等，這些也都是讀者可以深入探索的潛在方向。
4、總結
面對數據中心，尤其是Switch等應用中對於高密度、低功耗、高帶寬光模塊的需求，光電接口仍是整個鏈路的性能瓶頸；微環MRM收發機的光器件尺寸小、驅動能耗低，恰能解決上述問題。MRM光器件本身呈電容性負載，便於深亞微米CMOS工藝下與數字電路的集成，是最有可能實現光電單片集成的方案之一。然而長期以來，國內慣性思維認為該方案波長穩定問題難以跨越，距離實用化遙遙無期，也不願投入過多精力開展研究；而已開展的研究多集中於單獨微環光器件的優化，與電路集成方面涉獵較少。
筆者在這裡認為，在當前技術發展的趨勢看，我們應跳出傳統光電分家的視角來看待此問題。硅光子技術最大的特點是與CMOS電路的兼容，我們應充分放大此優勢，藉助大規模CMOS電路強大的處理能力解決上述問題。以近期關注度較高的創業公司Ayar Labs為例，通過單片光電集成，數據傳輸的能耗效率已降低到標杆性的1pJ/bit以下，而單片總帶寬也達到1.2T水平，實現了上述技術的初步產業化。筆者相信微米級的硅基光電集成，為後摩爾時代集成電路的發展，探索出一條嶄新的、前景可期的道路。最後，如果大家問我Ayar Labs做的究竟怎麼樣？我借用“昊總”先前私下的交流：“非常牛”。
感謝大家閱讀本期對於ISSCC2012-1論文的解讀，接下來我們會繼續和大家分享更多的光電集成方向的優秀論文。祝大家早日發上ISSCC。
*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。
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