CMOS工藝下高速光電接口接收機關鍵電路技術研究

光通信的速度瓶頸目前在于電芯片，我國25G以上中高端芯片完全依賴進口。專用集成電路是互聯(lián)的關鍵技術，它的缺失將嚴重滯后我國國防事業(yè)及高性能計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展；同時，過度依賴進口將為我國核心計算技術安全埋下隱患。在電路設計方面，電芯片主要面臨的兩個技術挑戰(zhàn)是速率和功耗。我國在配套集成電路方面研發(fā)能力嚴重落后，25G以上中高端芯片完全依賴進口，這極大阻礙了光子芯片的實用化，限制光模塊的性能及成本控制，因此，在電芯片設計方面首要解決的技術挑戰(zhàn)是速率的提升；其次，光模塊的能耗和發(fā)熱主要來自于與之封裝集成的電芯片，后者的集成度和功耗將直接決定高密度數(shù)據(jù)中心的建設規(guī)模和運行成本，因此要實現(xiàn)低功耗光電接口，主要依靠實現(xiàn)低功耗的電芯片。 本項目圍繞CMOS工藝下光電接收機電路的關鍵共性技術進行以下研究：（1）便于集成的高速光電接收機架構和光電混合系統(tǒng)設計方法；（2）探討高速光電接收機的降噪聲技術；（3）研究適用于補償整個光電信號通路帶寬的均衡技術；（4）研究高速、低抖動、高噪聲容忍度的時鐘與數(shù)據(jù)恢復技術；（5）研究CMOS工藝下光電接收機集成電路模塊的實現(xiàn)技術，采用65nm CMOS工藝實現(xiàn)光電接收機集成電路。該項目致力于解決CMOS工藝下光電接收機系統(tǒng)的關鍵電路技術問題，為實現(xiàn)實用的光電接收機系統(tǒng)奠定良好基礎。本項目將極大促進高速光電轉換的深度融合式發(fā)展，從而極大推動國內(nèi)高性能計算機、通用服務器和大規(guī)模數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。預期通過該課題的研究，突破低功耗高速串行光電接口的若干關鍵技術，為推動我國國產(chǎn)高端芯片的研制奠定基礎。

光纖通信具備低衰減、高帶寬的優(yōu)點，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心、高速社區(qū)網(wǎng)絡等方面得到廣泛應用。隨著深亞微米集成電路的發(fā)展，CMOS工藝已經(jīng)支持實現(xiàn)光電收發(fā)信機集成電路，但高達幾十GHz的工作帶寬使光電接收機的單片實現(xiàn)存在難度。本項目圍繞CMOS工藝下光電接收機電路的關鍵共性技術進行以下研究：（1）便于集成的高速光電接收機架構和光電混合系統(tǒng)設計方法；（2）探討高速光電接收機的降噪聲技術；（3）研究適用于補償整個光電信號通路帶寬的均衡技術；（4）研究高速、低抖動、高噪聲容忍度的時鐘與數(shù)據(jù)恢復技術；（5）研究CMOS工藝下光電接收機集成電路模塊的實現(xiàn)技術，采用65nm CMOS工藝實現(xiàn)光電接收機集成電路。該項目致力于解決CMOS工藝下光電接收機系統(tǒng)的關鍵電路技術問題，為實現(xiàn)實用的光電接收機系統(tǒng)奠定良好基礎。

雙極-CMOS集成電路(BiCMOS)雙極-CMOS集成電路(BiCMOS)由雙極型門電路和互補金屬-氧化物——半導體（CMOS）門電路構成的集成電路。特點是將雙極（Bipolar）工藝和CMOS工藝兼容，在同一芯片上以一定的電路形式將雙極型電路和CMOS電路集成在一起，兼有高密度 、低功耗和高速大驅動能力等特點。

高性能BiCMOS電路于20世紀80年代初提出并實現(xiàn)，主要應用在高速靜態(tài)存儲器、高速門陣列以及其他高速數(shù)字電路中，還可以制造出性能優(yōu)良的模/數(shù)混合電路，用于系統(tǒng)集成。有人預言，BiCMOS集成電路是繼CMOS集成電路形式之后最現(xiàn)實的下一代高速集成電路形式。

由于硅基標準 CMOS 工藝的單片光電集成接收機具有成本低、可批量生產(chǎn)、成品率高120 等優(yōu)點，成為集成光電子領域的研究熱點，并取得了飛速的發(fā)展。自 1999年Bell 實驗室首次報道了基于標準 CMOS 工藝的光電集成接收機后[9]，各發(fā)達國家的研究人員對此進行了積極的探索。比利時 K U Leuven 大學的 Hermans C 等人[18,19]從2000 年開始對基于標準 CMOS 的光電探測器、光接收電路及單片集成光接收機進行了廣泛的研究。 2006 年，該研究小組采用 0.18 μm 標準 CMOS 工藝研制出工作波長 850 nm 的傳輸125 速率 1.2 Gb/s、靈敏度–8 dBm 的單片集成接收機[19]。德國斯圖加特大學的 Jutzi M 等人對集成差分探測器和空間調制光探測器的光接收機前端進行了研究， 2006 年報道了一種基于標準 CMOS 工藝集成 SML 探測器的 2Gb/s 單片集成光接收機[20]。另外，荷蘭 Twente 大學的Radovanovic S 等人[21]對標準 CMOS 工藝中的高速探測器進行了系統(tǒng)的研究，首次提出采用模擬均衡器補償探測器的光頻響應來實現(xiàn)高速、高靈敏度的光電集成接收機。 2005 年，該130 研究小組基于 0.18 μm 標準 CMOS 技術研制出了一種工作波長 850 nm、傳輸速率 3 Gbit/s、靈敏度達-19 dBm的單片光電集成接收機。

CMOS電路是互補型金屬氧化物半導體電路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字頭縮寫，它由絕緣場效應晶體管組成，由于只有一種載流子，因‘而是一種單極型晶體管集成電路，其基本結構是一個N溝道MOS管和一個P溝道MOS管，如圖1所示。