硅光与电路集成

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ISSCC 2020年论文解析
; P7 O- }. W  `. \4 A) w( g1、应用背景
( ~2 q8 e9 e2 m数据中心的互连带宽需求飞速增长，虽然目前产品主流是100G（4x25G）光模块，但国际范围都紧盯着400G开展研究，其中单波长速率期望达到100Gb/s。这里需要说明的是，光通信系统中还有另一维度波长（类似于无线通信载波频率），由于长距离通信常采取波分复用同一物理信道，人们通常用“单波长”来对应电芯片中的单通道。考虑到本文主要讲电路，我们暂且简单称之为“单通道速率”吧。 单路速度的提升引入越来越大的功耗、串扰和散热方面问题。我们看下图，传统的plugable光模块一般都放在服务器背板边沿，服务器Payload主芯片（xPU、switch、FPGA等）需要先走一长段背板线才能到达。在单路100Gb/s速率下通常需要n多tap的FFE、DFE电路均衡走线的高频损耗。大家不难想象，仅仅是把数据走到光口，可能上百mW功耗就已烧掉，更别说多路并行的总能耗和串扰了。另外，密密麻麻一排光模块堵在板边沿，服务器内风路不畅，散热也成了大问题。
% q& X9 s* U. n0 b8 I如果把每个光模块做小，并围绕服务器主芯片就近放置，上述长走线问题就有望大幅缓解。这是目前国际范围的发展趋势——共封装（co-packaged）板载光模块（On-board optics），我们形象的称之为“芯片出光”。Intel擅长做chiplet（详见session-8），几个裸片封到一起，再罩个盖子，外表看就像一个直接以光信号通信的magic chip。如下图所示，这种情况下光模块端的电路也可简化：节省掉（或使用轻度的）均衡与时钟数据恢复（CDR），并降低接收端灵敏度需求。当然，此发展趋势还要平衡旧有商业利益的问题，其大规模产业化还有待观望。


. F  E  T8 c2 ?! b" v$ @  k6 d$ o2、光电协同设计 光模块小型化最大的挑战是提高芯片集成度和降低功耗，而硅基光电子（Silicon Photonics）在CMOS兼容的衬底上同时制备光器件和高速电路，是实现此目标的有潜力方案。说句题外话，我们这里强调“CMOS兼容”，是因为至今硅光技术还未实质的将光电单片集成推进到实用化。一方面光器件大部分性能仍被III-V族完爆；另一方面，也是最重要的，光器件尺寸与深亚微米CMOS晶体管不在同一量级，目前主流应用场景中单片化成本上不划算。 本文选择了微米量级的硅光微环谐振型调制器（Micro-ring Resonator Modulator, MRM）作为上述问题的突破口，原因有三：首先尺寸小，相比于马赫-赞得调制器（Mach-ZehnderModulator, MZM）动辄2-3mm的长度，它的尺寸下降两个量级，直径大概只有20um左右，为将来光电单片化打开大门；其次好驱动，相比于MZM等效50-ohm的阻抗，MRM仅相当于PAD大小的一个电容负载，使得CMOS反相器直接驱动成为可能；再次并行度好，多个MRM并行集成，可实现天然的波分服用（WDM），无需额外的透镜芯片。 简单科普一下MRM的原理，光波信号在芯片上的“导线”称为波导，在硅光工艺中就是用SiO2包裹着纯Si做一个“管道”：光在里面透射不出去，只能直线或者来回反射着向前传播。我们在波导总线旁边很近的地方（几微米，但不接触），放置额外的闭合环形波导，总线上的光能量将泄漏到环中，使得总线最终输出能量减小。这里一个有意思的特性是，当某波长的光沿微环走一圈恰是其波长的整数倍时，大部分能量都将困到环中，不再沿总线传输了。而如果人为改变加在环形波导中的电场，光波的传播速度会改变，那么它走一圈的时间会改变，即环形波导的谐振波长将改变。利用这一特性，MRM就类似于一个高Q值的“坑状”带陷（notch）滤波器，滤除掉极小波长范围的光。而对于固定波长的信号，我们在MRM波导上施加交变电压，就能造成其谐振波长往复平移，进而产生对总线光信号强度的调制效果。再进一步，如果我们沿总线放置多个微环，并且设置它们具有不同直径，就能得到多个分离谐振波长，这就使得单信道的波分复用成为可能。当然，在一定范围内容纳更多波长，实现密集波分复用（DWDM），带陷滤波的“坑”就必须足够窄和深。在PAM4调制下，MRM调制器最关键的三项参数，也是其驱动电路最大的设计挑战，是调制效率、线性度和波长稳定度。下面我们力求形象的逐个进行说明， （1）调制效率为了调制后的‘0’和‘1’有足够区分度（称为消光比ER），我们希望MRM的波长选择对带内/带外信号抑制度足够大。由于调制是靠平移微环的谐振波长实现的，上述语句就翻译成调制产生的谐振波长移动足够大。为此，我们要么做一个高效率MRM，在低电压幅度驱动下就能实现足够大的波长移动；要么做一个电压摆幅高的驱动芯片，造成光波传输速度的改变非常大。 本文中Intel做的MRM显然比较牛，详见他们2018年OFC的论文[1]，其结果是仅需要差分2.4Vpp的驱动电压，就可产生>5dB消光比，还能有50GHz的调制带宽。这和文章作者2015年ISSCC文章中的MRM相比，所需幅度降低近一半，带宽反而提升近一倍。本文则关注于电路技术，旨在实现大摆幅的驱动电压。具体来说，就是要用单管耐压0.9V的28nm CMOS电路，实现高速3Vpp的输出摆幅。 （2）线性度首先，MRM存在静态非线性，如下图即便driver输出理想线性PAM4波形，电光转换后也将产生明显的非线性“大小眼”；

5 r& u3 \% h: N  {/ ?/ L其次，耗尽型MRM存在动态非线性，驱动电压大范围变化导致其等效电容受调制，造成驱动信号在逻辑高和低处带宽不相等。仔细观察下图，带宽不足的程度还与码型相关：短“0”的带宽不足最明显，因此均衡时需要针对码型提供不同的均衡强度。本文的主要贡献在于此处，即提出了非线性预失真（NL-PD）和非线性FFE（NL-FFE）相结合的均衡方法，抵消上述两种非线性。
（3）波长稳定性MRM到目前为止最大的技术难题是其波长的稳定和调节。前文我们提到，为提高输出光信号消光比、支持DWDM，MRM的滤波特性陷波Notch必须非常窄，Q值高达上千。在此情况下，工艺偏差、温度变化都将造成显著的谐振波长漂移，必须搭建光电闭环的调节系统再出现PVT偏差时将波长稳定在确定数值。本文的主要贡献也在于，提出改进型的波长自动稳定技术，监控并实时调节MRM波长。 3、电路和系统亮点
本文内容较多，全部平叙一遍可能导致读者丢掉重点；因此，我们仅对应上面提到的三项参数，向大家分别解读亮点工作，而剩余细节电路则留给感兴趣者深入研读。 （1）高速大摆幅输出级为实现足够大的消光比，我们需要在高速下提供3Vpp的输出摆幅。如下图，本文Driver由30个结构相同和尺寸不同的单元并联实现：每个单元内，差分信号到达输出级之前分成工作在0~VDD和VDD~2*VDD的两条并行之路：前者在输出逻辑高时，负责将负载电容上拉到2*VDD（2.2V）；后者则负责在逻辑低时，将负载电容泄放至0。这相当于把2.2V电压摆幅均摊到两个串联的PMOS（或NMOS），实现了2倍于单电压域的电压摆幅。与此同时，类似于SST型电压driver，每个driver单元的输出阻抗由晶体管导通电阻、额外串联的电阻RL构成，用来吸收封装后信道不连续导致的反射。文中作者声称额外的RT用来提升线性度，笔者猜测driver输出阻抗随PAM4调制变化较大，因此额外并联固定数值RT可缓解其波动，其代价可能是充放电速度和输出摆幅的降低。SST driver的阻抗控制这里不再展开，感兴趣的朋友借鉴一下相关SERDES论文。考虑到driver与硅光MRM的对接，首先，调制器PN结（也就是差分两端）之间需要一个反向偏置，因此driver和MRM通过电容耦合，阴极和阳极分别通过电阻外加偏压；其次，MRM的容性负载导致driver输出带宽不足，本论文通过series-peaking电感的方式，将核心电路和负载大电容隔离，获得32GHz左右的带宽提升。
% V- |# f' E* ]% b（2）非线性驱动与均衡这部分比较复杂，我们看最终目标：为抵消MRM两种非线性，driver需要将理想PAM4波形（蓝色），预失真成特定形状（红色），以获得线性度改善后的光眼图（绿色）。从上向下观察目标眼图形状，其眼高依次变化（预失真比例系数αn），均衡的强度也各不相同（预失真比例系数βn）；PAM4每个眼皮处都呈现四种不同预加重强度，并取决于前一UI的数据码型。这里笔者认为红色曲线的绘制，在均衡强度逻辑上稍有点错乱，有待读者根据自己理解进行判断。 为达到上述效果，作者把driver主要电路做成结构相同、尺寸各不相同的30个slice，其中21个一倍尺寸（1x）单元给线性双抽头（2-tap）PAM4调制，（4*1x+1*0.5x）单元给非线性预失真，（1*1x+2*0.5x+1*0.25x）给非线性均衡。这里要注意的是，每个slice中是28Gb/s NRZ的CMOS信号，只有在最终相加节点才产生56GBaud/sPAM4信号；每个slice中都有独立的查找表（LUT）、串化器（2：1）和SSTdriver。为了在对应不同数据电平（A/B/C/D）的情况下，打开对应数目的driver cell单元，本文将上述30个slice按照温度计码方式进行排列组合。这里有点绕，我们先看非线性预失真的编码方法：线性情况下显然为等间隔为8的四个幅值（24/16/8/0）；而为了抵消非线性“大小眼”，上述码型预失真为（24/13/5/0）。具体电路实现中，则使用PAM4的2-bit输入信号（MSB/LSB），直接选中四个电平所对应的温度计编码（24/13/5/0）进行输出。每位数据的LUT具体电路如下图所示，其核心思路是最小化对输出节点充放电时间，减少关键路径上串联的晶体管个数，因为DUT都运行在28Gb/s。
（3）波长自动调节MRM的谐振波长对温度变化非常敏感，文中提到约为10GHz/K；考虑到谐振时Q值非常高，闭环实时调节是稳定工作所必须的。常用的波长调节方法是从MRM波导总线分出5-10%的光功率，反馈到一个集成在调制器上的监控探测器（monitoring PD）；该功率转换成电流作为监控对象。波长调节则试图使此平均光功率达到最大值，以实现输入信号波长对准到调制器自谐振波长。微环的波长控制常采用加热波导的方式，即在环形波导附近放置电阻并施加电流，利用DAC调节此电流而控制实时加热功率，将MRM谐振波长稳定在期望值附近。上述过程中，几个关键参数需要考虑：调节精度、调节范围、硬件代价、能耗效率和反馈调节的可信度。传统的波长闭环监控，采用低带宽的光电转换和放大器件，仅观测平均光功率的绝对值进行调节。它的问题在于观测值的变化可能来自入射光功率、信号码型、MRM滤波等多个因素，据此调节的结果可信度可能较低。本文对此进行改进，同时将进入和通过MRM的平均光功率拾取出来，监测其相对数值变化，更大的差值意味着更多的功率trap在微环中，即谐振波长更接近输入信号波长。另外，观测量转化成两路径输入I-V增益的比R1/R2，避免了与绝对数值（片上很难实现）相比，提高了反馈调节的置信度。这里笔者有个小疑问，两次MPD的光功率拾取，必然造成更大的光功率分流，这就对整个TX光路损耗提出更高的要求，不知道本文实际的链路开销如何。 另外，为了同时实现大调节范围和精细调节步长，我们需要较大的反馈系统线性动态范围，本文是通过两部动作实现：首先，使用sigma-delta调制器的方式实现12-bit的电流DAC；其次，将光功率通过MOS管平方率特性向电流量纲做线性映射。两者结合实现50mW功率范围，14uW的调节步长。 4、测试结果讨论
# q5 [9 M1 _. w首先，我们来看看本文实现的完整光电集成发射机系统。得益于Intel强大的集成能力，本文的电芯片EIC倒扣在一个大的硅光芯片PIC上，并通过Cupper Pillar进行电气连接；同时III-V族激光器通过混合异质集成的方式，生长在同一个硅光芯片上；上述作为承载体的硅光芯片在通过平面金线的方式，集成到一个PCB基板上。这种集成方案的优势是：（1）高速信号仅通过cupper pillar出现在EIC和PIC两芯片间，电源和低速信号通过PIC连接至PCB，在112Gb/s速率信号完整性好；（2）激光器直接出光至片上波导，与外置激光器方案相比节省了输入光纤耦合的次数，有望提高整体光链路的信号插入损耗裕量。上述两芯片构成一个（目测）仅有数平方毫米的小型化共封装光电引擎，适用于本文开头提到的板载光模块。
文中两种均衡的效果在上图中得到验证，通过NL-PD有效改善了“大小眼”问题；与之相比在-0.7V下NL-FFE的均衡效果似乎没那么明显，这主要是因为反向偏置太低，MRM器件结电容导致带宽不足，而提高FFE强度带来逻辑低时overshoot比较明显。
, C7 _3 ^3 t) B5 S2 F9 G为了得到更好看一些的眼图，作者提高了反向偏置，并且优化了均衡和波长调节；笔者这里认为提高偏置的影响可能是主要的，估计也相应降低了FFE强度。这样一来眼图质量得到明显提升。关于TDECQ是什么意思呢？笔者在这里仅简单的介绍一下，想象我们的TX芯片发射PAM4光信号，与此同时还有一个理想的TX也发射相同的PAM4信号，假如用相同的光电接收机去处理并实现相同的BER目标，显然我们的芯片需要该接收机“费更大的劲”，这转换成dB量纲就是上述的TDECQ；而实际情况下，测试仪器是通过叠加不断增大的噪声来寻找上述数值的。显然TDECQ越小，说明我们的TX越接近于一个理想的golden TX，性能也就越好。
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  T# w$ p1 W* \; j$ v最后，我们来看看波长调节带来的效果：实测在28°C到55°C下都能保证TDECQ不会恶化0.5dB以上，这是一个很有效且直观的数据支撑；而开环情况下，40°C左右基本信号质量就差到不可用了。波长自动调节是微环谐振型光电收发机，走出实验室实现未来量产化，最重要的技术。当然，波长稳定目前还有许多未解决的问题，例如大芯片中的热串扰、调节范围、响应速度、DWDM多波长情况下的调节逻辑等，这些也都是读者可以深入探索的潜在方向。4、总结
6 a2 f; C5 R7 i* d8 Q! h' L面对数据中心，尤其是Switch等应用中对于高密度、低功耗、高带宽光模块的需求，光电接口仍是整个链路的性能瓶颈；微环MRM收发机的光器件尺寸小、驱动能耗低，恰能解决上述问题。MRM光器件本身呈电容性负载，便于深亚微米CMOS工艺下与数字电路的集成，是最有可能实现光电单片集成的方案之一。然而长期以来，国内惯性思维认为该方案波长稳定问题难以跨越，距离实用化遥遥无期，也不愿投入过多精力开展研究；而已开展的研究多集中于单独微环光器件的优化，与电路集成方面涉猎较少。
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5G应该硅光规模商用吧