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(lái)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(mǎn)足TB級(jí)別的成本目標(biāo)。這需要通過(guò)銅柱互連,光纖的無(wú)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(kāi)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(guò)單個(gè)總線(xiàn)波導(dǎo)連接在管芯上。八個(gè)環(huán)形調(diào)制器在總線(xiàn)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(guò)中介層中的過(guò)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(méi)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(kāi)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(lái)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(guò)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。
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