CMOS工艺下高速光电接口接收机关键电路技术研究

光通信的速度瓶颈目前在于电芯片，我国25G以上中高端芯片完全依赖进口。专用集成电路是互联的关键技术，它的缺失将严重滞后我国国防事业及高性能计算产业发展；同时，过度依赖进口将为我国核心计算技术安全埋下隐患。在电路设计方面，电芯片主要面临的两个技术挑战是速率和功耗。我国在配套集成电路方面研发能力严重落后，25G以上中高端芯片完全依赖进口，这极大阻碍了光子芯片的实用化，限制光模块的性能及成本控制，因此，在电芯片设计方面首要解决的技术挑战是速率的提升；其次，光模块的能耗和发热主要来自于与之封装集成的电芯片，后者的集成度和功耗将直接决定高密度数据中心的建设规模和运行成本，因此要实现低功耗光电接口，主要依靠实现低功耗的电芯片。 本项目围绕CMOS工艺下光电接收机电路的关键共性技术进行以下研究：（1）便于集成的高速光电接收机架构和光电混合系统设计方法；（2）探讨高速光电接收机的降噪声技术；（3）研究适用于补偿整个光电信号通路带宽的均衡技术；（4）研究高速、低抖动、高噪声容忍度的时钟与数据恢复技术；（5）研究CMOS工艺下光电接收机集成电路模块的实现技术，采用65nm CMOS工艺实现光电接收机集成电路。该项目致力于解决CMOS工艺下光电接收机系统的关键电路技术问题，为实现实用的光电接收机系统奠定良好基础。本项目将极大促进高速光电转换的深度融合式发展，从而极大推动国内高性能计算机、通用服务器和大规模数据中心产业的发展。预期通过该课题的研究，突破低功耗高速串行光电接口的若干关键技术，为推动我国国产高端芯片的研制奠定基础。

光纤通信具备低衰减、高带宽的优点，在网络数据中心、高速社区网络等方面得到广泛应用。随着深亚微米集成电路的发展，CMOS工艺已经支持实现光电收发信机集成电路，但高达几十GHz的工作带宽使光电接收机的单片实现存在难度。本项目围绕CMOS工艺下光电接收机电路的关键共性技术进行以下研究：（1）便于集成的高速光电接收机架构和光电混合系统设计方法；（2）探讨高速光电接收机的降噪声技术；（3）研究适用于补偿整个光电信号通路带宽的均衡技术；（4）研究高速、低抖动、高噪声容忍度的时钟与数据恢复技术；（5）研究CMOS工艺下光电接收机集成电路模块的实现技术，采用65nm CMOS工艺实现光电接收机集成电路。该项目致力于解决CMOS工艺下光电接收机系统的关键电路技术问题，为实现实用的光电接收机系统奠定良好基础。

双极-CMOS集成电路(BiCMOS)双极-CMOS集成电路(BiCMOS)由双极型门电路和互补金属-氧化物——半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起，兼有高密度 、低功耗和高速大驱动能力等特点。

高性能BiCMOS电路于20世纪80年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模/数混合电路，用于系统集成。有人预言，BiCMOS集成电路是继CMOS集成电路形式之后最现实的下一代高速集成电路形式。

由于硅基标准 CMOS 工艺的单片光电集成接收机具有成本低、可批量生产、成品率高120 等优点，成为集成光电子领域的研究热点，并取得了飞速的发展。自 1999年Bell 实验室首次报道了基于标准 CMOS 工艺的光电集成接收机后[9]，各发达国家的研究人员对此进行了积极的探索。比利时 K U Leuven 大学的 Hermans C 等人[18,19]从2000 年开始对基于标准 CMOS 的光电探测器、光接收电路及单片集成光接收机进行了广泛的研究。 2006 年，该研究小组采用 0.18 µm 标准 CMOS 工艺研制出工作波长 850 nm 的传输125 速率 1.2 Gb/s、灵敏度–8 dBm 的单片集成接收机[19]。德国斯图加特大学的 Jutzi M 等人对集成差分探测器和空间调制光探测器的光接收机前端进行了研究， 2006 年报道了一种基于标准 CMOS 工艺集成 SML 探测器的 2Gb/s 单片集成光接收机[20]。另外，荷兰 Twente 大学的Radovanovic S 等人[21]对标准 CMOS 工艺中的高速探测器进行了系统的研究，首次提出采用模拟均衡器补偿探测器的光频响应来实现高速、高灵敏度的光电集成接收机。 2005 年，该130 研究小组基于 0.18 µm 标准 CMOS 技术研制出了一种工作波长 850 nm、传输速率 3 Gbit/s、灵敏度达-19 dBm的单片光电集成接收机。

CMOS电路是互补型金属氧化物半导体电路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字头缩写，它由绝缘场效应晶体管组成，由于只有一种载流子，因‘而是一种单极型晶体管集成电路，其基本结构是一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管，如图1所示。