如何增加光收發器的容量，提高新一代的集成密度和能源效率。
隨著當前和未來數字應用對數據速率的需求呈爆炸式增長，對數據中心間和內部流量的有線收發器提出了更高的要求。重點是增加這些光收發器的容量，同時提高新一代的集成密度和能源效率。
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imec的研究人員正在通過開發用于100至130Gbaud收發器的高速電子和光子集成電路來應對這一雙重挑戰，既適用于強度調制直接檢測(IMDD)收發器，也適用于相干光收發器。對于相干收發器，光學和電子設備的規格和功能要求更高。接收器DSP也明顯更復雜（與IMDD相比）。
光電收發器方案
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對于光學器件，100到130Gbaud的操作需要至少50到60GHz的光電前端帶寬，無論是在發射器（調制器）還是接收器（光電探測器）端。這種帶寬已通過基于磷酸銦(InP)的集成光學器件以及硅光子學得到證明。imec開發了幾個硅光子平臺，其中包括調制和檢測光信號所需的所有設備。同一平臺還可用于實現硅波分復用濾波器和復雜波導電路等無源器件。迄今為止缺少的一個組件是電吸收調制器為O波段。這些是非常緊湊的調制器，不像環形諧振器那樣需要任何額外的加熱器功率。依靠量子限制的斯塔克效應，imec展示了這樣的組件，這些組件可以一直調制到60Gb/s。正在進行進一步的工作以將這些設備集成到整個平臺中。
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為了將帶寬擴展到更高，例如向200Gbaud運行，可以將諸如磷酸銦之類的化合物半導體集成到硅光子或氮化硅晶片上。另一種選擇是鈦酸鋇(BTO)。這是一種非常有前途的電光材料，可以進一步推動調制器的性能。imec正在考慮將基于BTO的調制器集成到其200mm平臺中。一個重要的焦點是使BTO沉積技術適應體積縮放。與LiNbO3等其他材料系統不同，BTO可以引入CMOS代工廠，這是大規模制造的關鍵優勢。
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在驅動器和接收器等模擬組件中，可以產生高于100Gbaud信號的電子器件曾經是InP等化合物半導體的領域。imec專注于使用主流SiGeBi CMOS實現這些速度的各種電路技術，這在可集成的功能復雜性和制造吞吐量方面具有優勢。
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在iSiPP200上處理的硅光子發射器和接收器測試結構
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例如，imec研究人員制作了一個4通道線性Mach-Zehnder調制器驅動器陣列，他們在其中使用行波放大器電路來實現非常高的帶寬（約90GHz）。它與硅光子雙極化IQ調制器共同設計。另一個例子是一個4通道線性跨阻放大器陣列，同樣使用行波放大器技術，可實現高達60GHz的帶寬。該放大器與平衡的Ge光電探測器共同設計，集成在硅光子平臺上。
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就像光電前端一樣，對于100到130Gbaud的操作，DAC和ADC也需要至少60GHz的帶寬。這種超高速ADC和DACS可以使用5nm和3nm等縮放CMOS來實現。除了帶寬，低功耗和面積也是關鍵。imec目前專注于開發此類高速有線ADC和DAC的新方法，以克服現有最先進技術的限制。使用5nmCMOS的原型設計正在進行中，以在實驗室中驗證新概念。
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在接收器方面，對與新ADC方法兼容的節能100GbaudPAM-4時鐘和數據恢復電路的研究正在進行中。a分數過采樣用于降低ADC采樣率要求。可以包括前饋和決策反饋均衡，以克服光學通道或帶寬限制造成的損傷。
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為了實現具有挑戰性的下一代高速收發器規格，集成顯然是關鍵。這涉及來自不同材料系統的芯片和晶圓的集成，每種材料系統的選擇都是為了為所需的功能提供最佳性能，以及集成以實現超過100Gbaud操作所需的非常高的帶寬。異構集成是擴展imec硅平臺的功能以集成例如光放大器和激光器的關鍵推動力。與Sivers Photonics和ASMAMICRA合作，imec展示了超高精度對準倒裝芯片的使用在其硅光子晶片上集成InP光學放大器和激光器的工藝。對準精度優于500nm，波導耦合基本功率超過10mW。
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微轉移印刷是另一種實現異構集成的方法。它允許將幾乎任何源材料的小組件集成到幾乎任何目標基板。它使用MEMS蝕刻技術將小芯片與供體基板幾乎完全分離。然后，使用帶有小柱的彈性印章將小芯片從供體基板上分離出來。接下來，使用印模將小芯片沉積到目標基板上。這兩種操作都需要仔細選擇印章的移動速度。使用這種技術，可以在一個步驟中沉積數千個設備。在H2020 Caladan項目中，該技術得到進一步發展并用于實現GaAs量子點激光器和高速SiGeBi CMOS電子器件。
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微轉移印刷技術
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如果想要超過100Gbaud，例如向200Gbaud擴展，可能需要超越傳統收發器的創新方法，例如電子設備的功能進一步轉移到光學領域。imec最近展示的這種設備的一個例子是光學均衡器。該設備可以通過將馬赫-曾德爾調制器視為電輸入、光相位輸出域中的FIR（有限脈沖響應）或抽頭延遲線濾波器來理解。每個抽頭的權重與Mach-Zehnder調制器特定部分的長度（和驅動電壓）有關，而FIR濾波器的延遲對應于光波導的延遲。這兩者都可以很容易地操作：例如，使用一塊光波導可以很容易地實現引入寬帶時間延遲。甚至符號反轉（以實現更復雜的濾波器響應）也可能使用波導交叉。
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