隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)服務(wù)的興起，數(shù)據(jù)中心互聯(lián)對(duì)高帶寬的需求不斷增長(zhǎng)。波分復(fù)用技術(shù)（WDM）是滿足需求的技術(shù)，允許在一根光纖上傳輸不同波長(zhǎng)的多個(gè)光信號(hào)。硅基光電子技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS制造工藝，為實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，因此對(duì)光電共封裝器件（CPO）和光電子Chiplets尤其具有吸引力。

波分復(fù)用系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件是波長(zhǎng)濾波器，負(fù)責(zé)分離不同的波長(zhǎng)信道。環(huán)形諧振器濾波器（RRF）具有體積小、集成密度高、波長(zhǎng)選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)這一目的的理想選擇。然而，隨著波分復(fù)用信道數(shù)量的增加，RRF的精心設(shè)計(jì)和實(shí)施變得重要。

RRF面臨的主要挑戰(zhàn)之一是其對(duì)溫度和制造工藝變化的敏感性，這可能會(huì)嚴(yán)重影響其性能。因此，精確有效地控制RRF的溫度對(duì)于波分復(fù)用器的穩(wěn)定運(yùn)行重要。

本文介紹了混合集成硅基光電子技術(shù)波分復(fù)用接收器，能夠利用熱控RRF處理4個(gè)波長(zhǎng)通道，每個(gè)通道的NRZ數(shù)據(jù)速率為28 Gb/s。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

波分復(fù)用接收器由光子集成電路（PIC）和電子集成電路（EIC）組成，如圖 1（a）所示。PIC包含四個(gè)半徑為12μm的RRF，共享一個(gè)總線波導(dǎo)。每個(gè) RRF 都有一個(gè)鍺光電探測(cè)器 （Ge-PD），連接到其下降端口。EIC包括四個(gè)互阻抗放大器（TIA），每個(gè)波分復(fù)用器通道一個(gè)。

圖1：（a）硅基光電子波分復(fù)用接收器及其溫度控制器框圖。（b） 硅光子波分復(fù)用接收器照片

該系統(tǒng)包括一個(gè)由FPGA、四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 和四個(gè)驅(qū)動(dòng)器 （DRV） 組成的溫度控制器 （TC）。溫度控制器監(jiān)控每個(gè)Ge-PD通過(guò)相應(yīng)的RRF接收到的平均功率，并調(diào)節(jié)RRF的片上加熱器電壓 （VH） 以保持所需的波長(zhǎng)。

圖1（b） 顯示了硅基光電子波分復(fù)用接收器的照片，其中PIC采用IHP的0.25μm硅基光電子工藝制造，EIC采用28-nm CMOS工藝制造。

單通道實(shí)現(xiàn)

圖2（a） 展示了單波分復(fù)用器通道的框圖。RRF半徑為12μm，自由光譜范圍 （FSR） 為8.3nm，Q因子為2200。Ge-PD連接到RRF的下降端口，測(cè)量到的接收器光電（O/E）3-dB帶寬為22 GHz。

圖2：（a）波分復(fù)用接收器中單個(gè)波分復(fù)用信道的框圖。（b） 單個(gè)波分復(fù)用信道的28 Gb/s仿真眼圖和O/E頻率響應(yīng)

TIA和EIC中的50-Ω驅(qū)動(dòng)器基于CMOS反相器，采用電感峰值來(lái)提高接收器帶寬，同時(shí)不增加功耗。圖2（b） 顯示了模擬的28 Gb/s眼圖和單波分復(fù)用信道的頻率響應(yīng)。

TIA包括一個(gè)直流偏移消除（DCOC）環(huán)路，由一個(gè)低通濾波器、一個(gè)運(yùn)算放大器（OP-AMP）和一個(gè)用于匯流的場(chǎng)效應(yīng)管組成。為了監(jiān)測(cè)通過(guò)RRF傳輸?shù)钠骄夤β?，利用DCOC回路中的運(yùn)算放大器輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)了接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）。該電路將直流電流電平從PD復(fù)制到TIA，并將其轉(zhuǎn)換為監(jiān)控電壓 （VM），TC利用該電壓來(lái)確定和維持所需的RRF片上加熱器電壓 （VH），并使用抖動(dòng)方法來(lái)抵御外部溫度波動(dòng)。

測(cè)量結(jié)果

圖3（a） 顯示了測(cè)量到的誤碼率 （BER） 曲線，以及28 Gb/s、PRBS-31輸入數(shù)據(jù)的眼圖。Ge-PD的輸入光功率為-6-dBm，誤碼率為10^-12。一個(gè)TIA的功耗為27 mW。

圖3：28-Gb/s、PRBS-31輸入數(shù)據(jù)的 （a） 誤碼率曲線和眼圖，以及 （b） 熱應(yīng)力測(cè)試的測(cè)量結(jié)果

圖3（b） 顯示了熱應(yīng)力測(cè)試的測(cè)量結(jié)果。每條曲線表示接收器在接收28Gb/s 數(shù)據(jù)時(shí)，溫度以0.05°C/s 的速率從30°C變化到20°C，再返回到30°C時(shí)，施加在每個(gè)RRF上的VH。圖中還顯示了四個(gè)波分復(fù)用信道的累積眼圖。從圖中可以看出，盡管溫度發(fā)生變化，TC仍能正確生成每個(gè)信道的VH信號(hào)，保持良好的眼圖質(zhì)量。

結(jié)論

本文介紹混合集成硅基光電子波分復(fù)用接收器，利用熱控環(huán)形諧振器濾波器以每通道28 Gb/s的速度處理4個(gè)波長(zhǎng)通道。由于基于FPGA的溫度控制器實(shí)現(xiàn)了高效的溫度控制，該系統(tǒng)在溫度變化的情況下也能穩(wěn)定運(yùn)行。這項(xiàng)工作凸顯了硅基光電子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心互連、光電共封裝器件和光子芯片中的高帶寬波分復(fù)用應(yīng)用潛力。