數據密集型人工智能計算的爆炸式增長對數據中心的互連帶寬提出更高要求。傳統可插拔光模塊難以滿足新型51.2T以太網交換機對功耗和外形尺寸的要求，必須采用功耗較高的基于DSP的光收發機來補償每通道的損耗。通過將緊湊型光引擎緊密集成到交換機封裝中，板載金屬線大部分被光纖取代，從而節省了信號功率并提高了前面板的帶寬密度（如圖1所示，每個3.2T的光引擎在封裝中實現了光纖通道直接連接到交換機封裝邊緣）。與此同時，集成的共封裝光學器件（CPO）用嵌入了連續時間線性均衡器（CTLE）的線性驅動器和放大器取代了 DSP，從而簡化了光收發機。近年來，這種線性直驅CPO逐漸受到關注，因為它能顯著降低功耗、成本和延遲。

中國科學院半導體研究所半導體物理實驗室劉力源、祁楠研究員團隊，長期專注于高速硅基光電集成收發機的研究，并取得了一系列成果。團隊成功構建了由時鐘數據恢復電路（CDR）、分布式CMOS驅動器與集總分段式馬赫-增德爾調制器（MZM）構成的單路50Gb/s光電發射機（JSSC，2022），和由硅光探測器（PD）、跨阻放大器（TIA）與CDR構成的單路50Gb/s光電接收機 （TCAS-I，2023）。近期，劉力源、祁楠研究員團隊與國家信息光電子創新中心總經理肖希合作，在4×112Gb/s線性直驅硅基光電集成收發機研究領域取得新進展，構建了了用于線性直驅CPO的4×112 Gb/s硅基光電混合集成收發機組件。

圖1 集成在交換機中線性直驅光引擎

該研究團隊通過四通道集電極開路的驅動器與陣列化的行波MZM協同設計，實現了高帶寬和高驅動效率，還提出了一種二階混合無源-有源CTLE，用于補償高達12dB的非線性信道損耗。此外，該團隊還提出了一種帶有T-π輸入網絡和級聯內嵌式CTLE的線性TIA，可在保持平坦帶內頻率響應的同時提高帶寬。該驅動器和TIA采用180nm SiGe BiCMOS工藝實現，測量結果顯示其帶寬超過35GHz。通過將驅動器與MZM、TIA與PD共同封裝，構建了完整的硅基光電集成收發機前端（圖2為光發射機和光接收機的封裝照片，圖3為實驗結果）。電光調制和光電接收均可實現400G速率的應用需求。光發射機實現了5dB的光消光比和4.8pJ/bit的功耗效率，而光接收機實現了67dB的跨阻增益和2.95pJ/bit的功耗效率。

圖2 混合集成光收發機封裝照片

圖3 光收發機NRZ和PAM-4的測試結果

該成果由半導體所博士生劉翰、半導體所祁楠研究員、國家信息光電子創新中心肖希等共同完成，并得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和北京市科技計劃項目的資助.