ISSCC 2026：UC Berkeley/MTK/AyarLabs报道0.91pJ/b O波段212Gb/s单片集成相干发射器

◆ 研究背景 为持续提升数据中心内短距离光互连的带宽密度，相较于开关键控（OOK）、PAM-4等传统IMDD技术，正交相移键控（QPSK）、16QAM等相干传输技术已成为当前研究热点。随着共封装光学（CPO）技术的发展，新兴的直接驱动光收发器相较可插拔光模块，展现出更优的能量效率、更高的性能与更简化的设计架构。在光链路总功耗中，含激光源的光发射机功耗占比极高，因此选用高能效的电光调制器，是降低光发射机整体功耗的核心路径。 与微环调制器（MRM）相比，马赫-曾德尔调制器（MZM）具有热稳定性强、工艺偏差敏感度低、线性度优异的优势，而微环调制器的核心短板为热不稳定性与电光非线性。但基于传统反偏耗尽型PN结相位调制器的硅基光子MZM，因半波电压-长度积（Vπ L，实现π相移的电压与长度乘积）性能较差（通常>10V·mm），器件长度普遍超过3mm。这类调制器通常采用两种实现方案：一是行波拓扑，存在芯片面积大、驱动器功耗高的问题；二是分段拓扑，需为PAM-4传输单独配置最高有效位（MSB）与最低有效位（LSB）数据，设计复杂度高。

与之相对，基于正偏PIN结相位调制器的MZM（PIN-MZM）调制效率显著提升（直流下Vπ L<0.05V·mm），可实现光发射机的小型化设计，并大幅优化激光能量效率。但正偏二极管存在固有短板：电光带宽极低（约200~300MHz），且负载阻抗随频率发生显著变化，为其设计适配100Gb/s以上高速传输的线性电驱动器，成为业界尚未解决的核心技术难题。

本文提出一款单片集成的212Gb/s 16QAM相干直接驱动光发射机，核心为PIN-MZM；所设计的线性多级驱动器架构融合多种带宽扩展技术，并针对PIN-MZM优化了低阻抗驱动方案，最终实现了106Gb/s PAM-4电信号传输。

◆ 器件架构与设计 ① 整体发射机架构 图23.5.1为本文提出的相干光发射机架构框图。入射激光被等分为两路，分别送入同相（I）、正交（Q）支路的MZM；每路MZM中，PIN相位移相器完成入射光的调制，低功耗掏空热光移相器（TUPS）用于将MZM的偏置点调至相干传输所需的零点，或IMDD传输所需的正交点。此外，额外配置的TUPS用于调节I、Q支路间的相对相移，满足相干传输的相位匹配要求。片上光功率监测器可实时检测光功率，为所有TUPS提供精准的偏置电压调节依据。host串行解串器（SerDes）生成的高速电数据，驱动单片集成的多级线性电驱动器，以推挽方式为MZM提供驱动信号。 图23.5.1同时给出了正偏PIN相位移相器的物理横截面与简化电模型。低频下，其等效负载阻抗为接触电阻R_S与正偏二极管电阻R_F的串联结构；高频下，负载阻抗由接触电阻R_S主导。器件的寄生参数、VπL与光损耗，均与正偏电流密度I_{DEN}强相关：随着I_{DEN}与移相器长度的增加，相移量提升，但光损耗同步增大。

本设计选取移相器长度0.4mm、I_{DEN}=1.5mA/mm，此时光损耗仅0.6dB，在实现器件紧凑化的同时，保证了足够的光调制幅度（OMA）。尽管高频下大扩散电容（C_{0.1}>20pF/mm）会导致Vπ L恶化、电光带宽下降，但即便在极高频段，其调制效率仍优于传统反偏PN结相位移相器。 ② 带宽扩展与均衡方案 光发射机的电数据通路设计，核心目标是对PIN-MZM的固有电光响应进行均衡补偿，同时保留其高调制效率的优势。图23.5.2总结了本设计采用的技术方案：将PIN相位移相器与无源RC高通滤波器级联，实现低频分量的去加重；通过合理匹配电阻R_E与电容C_E的参数，可获得平坦的电光响应，并拓展器件带宽。

对于0.4mm长、偏置电流0.6mA的PIN相位移相器，当R_E=600Ω、C_E=3.76pF时，可实现4.5GHz的平坦电光响应带宽；保持R_E C_E乘积不变，同步缩放电阻、电容参数，可在维持电光响应平坦度的同时，灵活调节带宽。当R_E=3.6kΩ、C_E=627fF时，器件有效电光带宽可达28GHz，完成对PIN-MZM固有电光响应的完全均衡。 但强RC均衡会导致奈奎斯特频率（112Gb/s PAM-4传输对应奈奎斯特频率为28GHz）处的电光响应衰减，进而恶化有效VπL。而发射端预加重（PE）或TX-FIR技术，可在拓展带宽的同时，保证奈奎斯特频率处的增益为1。将发射端预加重与RC均衡器结合，可恢复器件的有效VπL；但过度的发射端预加重会增大小群时延波动，并在通带内产生纹波。如图23.5.2所示，将0.56倍的发射端预加重（后游标抽头）与20dB的RC均衡相结合，相较纯RC均衡方案，发射OMA提升了1.6倍。 ③ 电驱动器与数据通路设计 图23.5.3为光发射机的电数据通路架构，由RC均衡器、两级线性驱动器与无源输入级构成。可调RC滤波器可实现20dB的标称均衡，且能适配工艺偏差带来的参数波动。经RC均衡后的PIN-MZM，等效负载阻抗从低频的635Ω降至高频的8Ω，因此需设计低输出阻抗的驱动器；本设计采用互补源极跟随器结构实现主驱动器，该结构不仅输出阻抗低，还具备极高的输入、输出线性度，且互补拓扑可显著降低偏置电流需求。

为补偿源极跟随器的固有增益损耗（-1.9dB），以及MZM负载特性导致的高频损耗（-3.7dB），本设计增设了预驱动器级。预驱动器采用无尾电流源的互补电流模逻辑（CML）拓扑，与主驱动器间采用交流耦合；其采用更高的电源电压，并引入共源共栅器件，保证了高输出线性度。此外，预驱动器通过30Ω无源电阻设定直流增益，搭配300pH并联峰化电感，实现了4dB的高频峰化，有效拓展了带宽。 最终设计的两级驱动器，电带宽达40GHz，以总谐波失真（THD）-30dB为判定标准，最大线性摆幅为1.15V。输入级集成200pH电感，可有效解耦预驱动器、铜柱凸点及静电放电（ESD）二极管引入的负载电容，将输入带宽拓展至65GHz，同时实现优异的输入回波损耗（差分模式S_{DD11}=-16dB，共模S_{CC11}=-18dB）。 ◆ 测试与性能验证 ① 芯片实现与测试平台 本文提出的单片集成相干收发器，核心为自主设计的0.4mm长PIN-MZM，基于GlobalFoundries 45nm CMOS-SOI工艺（45SPCLO）流片实现。相干发射机核心（含电学与光子学器件）的芯片面积仅0.612mm²（图23.5.7）；采用氮化硅（SiN）V型槽边缘耦合器与模斑转换器（SSC）实现光信号的片上耦合，采用间距135μm的铜柱凸点阵列实现电信号互连。该单片芯片通过倒装焊工艺键合至有机基板，并与作为高速数据发生器的主机SerDes芯片共封装（图23.5.5）。1310nm分布反馈式（DFB）激光器产生的激光，经4m长保偏光纤耦合至芯片内部。

IMDD模式下，发射光信号由光接收器（RXM25AF）转换为电信号，该接收器转换增益为500V/W，电带宽25GHz；相干模式下，发射光信号与DFB激光器输出的本振光（LO）共同送入Quantifi Photonics公司的IQRX相干接收器，该接收器集成了光混频器与平衡光电二极管（BPD）。 ② 关键测试结果 图23.5.4为激光功率9dBm时，IMDD模式下测得的原始眼图。仅通过单级后游标TX-FIR抽头（0.56倍预加重），即可获得无码间干扰（ISI）的26Gb/s非归零码（NRZ）眼图，OMA达2dBm，验证了本设计提出的RC均衡+发射端预加重带宽扩展方案的有效性。搭配4抽头TX-FIR，并借助是德科技UXR0334B实时示波器的前馈均衡器（FFE）功能，成功实现106Gb/s IMDD PAM-4传输，此时OMA从26Gb/s NRZ模式下的2.04dBm降至106.25Gb/s PAM-4模式下的-2.5dBm。

相干模式下，同一时间仅传输单路（I或Q）数据，采用UXR0334B实时示波器直接测量无源相干接收器的输出电流。由于接收端未集成载波相位恢复与相位跟踪环路，接收数据的长期稳定性不足，本文对采集的实时数据进行后处理，得到了包含10.6k单位间隔（UI）的眼图（图23.5.5），测试采用的TX-FIR与示波器FFE配置，与106.25Gb/s IMDD PAM-4测试一致。 为对比性能，本文在同一晶圆上同步流片了集总式PN-MZM与行波式PN-MZM光发射机，测试结果如图23.5.4所示：在106.25Gb/s速率下实现相同发射OMA的前提下，得益于PIN-MZM的高调制效率，其激光功耗较集总式PN-MZM降低2.5倍，较行波式PN-MZM降低2.76倍；PIN-MZM发射支路的总能量效率（电学+激光）为1.63pJ/b，较PN-MZM提升1.5倍，较传统行波式PN-MZM提升1.45倍；同时，因省去了传输线结构，其管芯面积较行波式PN-MZM缩减5倍。

图23.5.6为该光发射机与已报道的硅基光子MZM光发射机的性能对比。本工作实现了O波段最短的MZM器件，电能量效率低至0.91pJ/b，为当前业界最优水平；同时，相干传输技术使单波长数据速率翻倍，为下一代高带宽密度、高能效光互连技术奠定了基础。