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800G光通信CMOS单片集成PAM8光电接收芯片关键技术研究

批准号:
62074074
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
潘权
依托单位:
学科分类:
集成电路设计
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
潘权

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
全球海量信息传输和高性能计算的强烈需求极大的推动了光电互连系统的发展和应用,但目前通用的混合式光电芯片系统存在成本高和功耗大的问题。本课题将对CMOS单片集成PAM8光电接收芯片中的三项关键技术开展理论研究和电路验证,拟通过把CMOS单片集成和PAM8调制模式相结合,明确调制模式、线性度和数据率之间的理论关系,分析超低纹波均衡和线性度之间的相互影响,揭示多通道间串扰和系统误码率的内在关联,建立硅基雪崩空间调制光电探测器和高速线性电路单片集成的设计方法。本课题拟采用标准CMOS工艺实现一款低成本和低功耗的PAM8高速线性CMOS全集成光电接收芯片:系统单通道数据率达到224Gb/s,系统误码率<1E-3,光灵敏度达到-5dBm,总功耗100mW,总谐波失真<3%。本课题将对推动我国在800GbE高端光通信芯片系统领域的创新提供重要的基础研究支持。
英文摘要
The dramatically increasing demand for massive data transmission all over the word has greatly stimulated the development and application of optoelectronic integrated circuits (OEIC) system. However, the conventional hybrid OEIC system has the problem of high cost and large power consumption. This project will focus on research on key techniques of 800GbE monolithic PAM8 OEIC in standard CMOS. By combining monolithic integration and high-level pulse-amplitude modulation (PAM), we will investigate the theoretical relationship between system linearity and data rate, explore the inner connection between multi-channel crosstalk and system bit-error-rate (BER), obtain the model of complimentary equalizer circuit with ultra-low ripple, and build the methodology of integrating photodetectors and high-speed linear circuits onto one CMOS substrate. This research will realize one low-cost and low-power PAM8 high-speed linear monolithic OEIC in standard CMOS technology, achieving: 224Gb/s data rate per lane, BER<1E-3, -5dBm optical sensitivity, 100mW power consumption, total harmonic distortion<3%. This research will give an important support to boost the fundamental research of our countries’ high-speed optical communication circuits, especially 800 Gigabit Ethernet (GbE) applications.
针对下一代光通信系统,如果继续使用PAM4,将使得系统依赖更为先进的工艺和更为复杂的数字信号处理(DSP)技术,从而导致成本、功耗和延迟的大幅增。而PAM8具备更高的频谱效率(spectrum efficiency),将是下一代光通信系统的更佳选择。同时,现有的光通信架构和电路均无法实现功耗和成本的重大突破。如果将CMOS单片集成和高调制模式结合起来,必将能实现一个超低成本和功耗的光通信系统。因此,针对下一代光通信系统的CMOS单片集成PAM8光电接收机芯片的基础研究和设计有着较高的科学价值。.本项目主要研究内容包括:(1)对片上雪崩光电探测器的原理及实现方式进行研究。通过对片上光电探测器的结构与尺寸进行分析,建立了片上光电探测器的电学模型,并进行了理论验证。(2)对低噪声高线性度光电前端电路的设计方法进行研究。通过对光电接收前端电路进行理论分析以及光电联合建模仿真,建立了在高调制模式和光电探测器带宽有限条件下的高性能光电接收前端电路的设计方法。(3)对低功耗时钟与数据恢复电路进行了研究。通过采用更高效的系统架构降低了系统功耗。同时,通过引入码型滤波器提升系统抖动以及误码率性能。(4)对单片集成光电接收电路芯片进行了研究,成功实现了性能处于国际领先水平的PAM-8低噪声高线性度光电接收机芯片。.在本项目执行期间,项目负责人与研究团队顺利完成了本项目预定的研究内容,实现了片上光电探测器并建立了片上光电探测器的电学模型,掌握了光电联合仿真的方法;实现了低噪声高线性度的光电接收机前端电路,掌握了在有限带宽下高线性度电路的设计方法;实现了可以支持高阶调制信号的时钟与数据恢复电路;最终,本研究团队实现了单片集成PAM-8光电接收机芯片。.针对上述研究成果,项目负责人以通讯作者发表会议论文14篇,期刊论文16篇,申请发明专利6项,培养博士研究生1人和硕士研究生10人。
低功耗线性高速接口接收芯片的关键技术研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    潘权
  • 依托单位:
国内基金
海外基金