移动互联网和云计算带来不断增长的大数据需求，而超大规模数据中心和高性能计算机依赖光互连硬件的支撑。应对光模块对于高带宽、小尺寸和高密度的要求，其核心光电收发芯片的发展趋势是低功耗和高集成度。硅基光电子在CMOS兼容工艺中集成高速电路、光路和光电器件，特别是基于新结构硅光子器件协同设计高速CMOS电路，可有效提升带宽密度和能耗效率。
中国科学院半导体研究所祁楠团队，联合武汉国家信息光电子创新中心肖希团队，设计并展示了一款高速硅光通信发射机芯片，通过平面键合形式将CMOS驱动与硅光调制器芯片集成，实现了PAM4调制下单波长50Gb/s的光信号输出。该项工作针对2:1双段式硅光行波调制器协同设计，创新的提出分布式限幅驱动和数字时钟门控的电光匹配技术；将PAM4多幅值调制从电子域转移到光子域，克服了CMOS电路电压摆幅低、模拟线性度差的难题。该芯片还集成25 GBaud/s PAM4 CDR，恢复数据并优化抖动性能。经测试，驱动芯片在25 Gb/s实现差分4VPP摆幅电压输出，均方根抖动小于1.4 ps；光电集成后，发射机实现50 Gb/s清晰光眼图输出，并充分消除因电光失配带来的PAM4眼图失真。

图1. 硅光集成发射机芯片照片。

图2. 芯片照片及实测50Gb/s PAM4光眼图。
该研究成果在2020年5月以“A 50-Gb/s PAM4 Si-Photonic Transmitter With Digital-Assisted Distributed Driver and Integrated CDR in 40-nm CMOS”为题发表在IEEE Journal of Solid-State Cirsuits (JSSC)上。论文第一作者为博士研究生廖启文，祁楠研究员为通讯作者。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/8974442