Intel实现3D混合集成的微环光发射器
8天长假的余额只剩下不足4个小时，抓紧时间写一篇笔记。
这篇笔记主要介绍下Intel在微环光发射器的最新进展，系统中集成了激光器、微环调制器以及基于28nm工艺的driver，实现了112Gb/s的PAM4信号调制，能耗为7.4pJ/bit。
文章中首先提及co-packaged optics的概念，将光芯片、电芯片等放置在一起进行3D封装，如下图所示。关于光芯片与电芯片的混合封装，可以参看硅光芯片与电芯片的封装。
(图片来自文献1)
相比于Mach-Zehnder调制器，微环调制器(micro ring modulator, 以下简称MRM)的尺寸小、功耗低，但是缺点也很明显：
1) 光学带宽较小，只有零点几纳米
2) 对工艺和温度敏感
3) EO转换的非线性
Intel针对EO转换的非线性、热调这两个问题，设计了相关的驱动电路进行补偿与控制，整个系统如下图所示，EIC的尺寸为1.5mmX1.5mm。
（图片来自文献1）
PIC芯片主要包括：
1) III-V混合集成的激光器，波长为1310nm；
2) 微环调制器，利用热效应调节波长；
3) monitor PD。
EIC芯片主要包括:
1) MRM的驱动器；
2) 热控制回路(thermal control loop);
3) 片上码型发生器。
PIC芯片还扮演着Interposer的角色，负责EIC和PCB板之间的信号传递。EIC和PIC之间的电信号通过铜柱(Cu pillar)传递。
微环调制器的传递函数曲线依赖于波长，输出光功率与偏压呈非线性的关系。另外，在较大的偏压下，光学带宽会有所增加，光学带宽与偏压也呈非线性的关系。典型的眼图如下图所示，
（图片来自文献1）
为了解决非线性的问题，Intel提出了双路径非线性均衡(dual-path nonlinear equalization)的方案，对电信号提前进行补偿, 使得最终光信号与电压呈线性关系，如下图所示。
（图片来自文献1）
其中NL-PD(nonlinear pre-distortion)路径主要对不同大小的电信号进行不同程度的放大，解决静态非线性的问题。NL-FFE(nonlinear feed-forward equalizer)主要解决动态非线性的问题，对不同电信号施加不同的FFE系数。由于高速的Mux实现起来较为困难，Intel采用的是数字电路加DAC的方法，通过查询look-up table对驱动信号进行不同程度的调整。
对于heater的控制电路，Intel采用了闭环控制(close-loop control)的方法，在微环调制器输入和输出处放置两个MPD, MPD与TIA相连，TIA的增益可调节。TIA的输出信号通过比较器进行处理，而不是ADC。信号随后通过一个滤积分器，得到12位的数字信号。随后PDAC处将这12位的数字信号转换为4位的模拟信号，对heater处的电流进行调整，找到OMA的最大值。闭环控制电路如下图所示，
（图片来自文献1）
该方案可以降低对输入功率变化的敏感性。
该系统测得的眼图如下图所示，消光比为2.23dB，MRM的插损为4dB。
整个系统的功耗占比如下图所示，112Gb/s速率时的总功耗为836mW，即7.4pJ/bit。
文献1中还列举了与其他已报道结果的比较，如下图所示，
（图片来自文献1）
简单总结一下，Intel展示了一个3D集成的基于微环调制器的光发送器系统，系统中集成了激光器、调制器和电芯片，实现了112Gb/s的PAM4调制速率。目前微环调制器并没有商用，大部分厂商仍是采用Mach-Zehnder调制器，一方面原因是光收发器系统对PIC的尺寸要求不是那么高，几毫米长的调制器还可以接受，对尺寸更小的微环调制器需求不明显，另一方面微环调制器对工艺敏感，需要热调控制，需要有相关的模拟电路设计经验。小豆芽觉得对于更大规模的集成光路，会需要更多数目的调制器，此时微环调制器就成了为数不多的选择，有了应用需求，才会更有效地向前推动这项技术。
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参考文献:
1. H. Li, et.al., "A 3-D-Integrated Silicon Photonic Microring-Based112-Gb/s PAM-4 Transmitter With Nonlinear Equalization and Thermal Control", IEEE Journal of solid-state circuits (2020)