【摘 要】
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随着信息技术的不断进步,全球数据中心和高性能计算中心都面临着通信带宽严重不足、系统功耗不断增大的挑战。在传统的光互连通信技术中,通过采用更高阶的调制方式可以有效地提升通信带宽,降低互联能耗。其中,采用四级幅度脉冲调制（Four-level pulse-amplitude modulation,PAM-4）的硅光发射器集多阶调制技术和电光集成技术于一体,在传输速率、通信功耗和集成度上具有明显的优势,
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随着信息技术的不断进步,全球数据中心和高性能计算中心都面临着通信带宽严重不足、系统功耗不断增大的挑战。在传统的光互连通信技术中,通过采用更高阶的调制方式可以有效地提升通信带宽,降低互联能耗。其中,采用四级幅度脉冲调制（Four-level pulse-amplitude modulation,PAM-4）的硅光发射器集多阶调制技术和电光集成技术于一体,在传输速率、通信功耗和集成度上具有明显的优势,成为数据中心和高性能计算机中心下一代高带宽、低能耗光互联的关键技术。本文面向下一代数据中心和高性能计算中心的通信带宽需求,重点研究光学PAM4发射器的设计。首先,论文基于单环调制器的PAM-4光发射器,通过分析微环调制器的物理效应以及光学信号加权的方式,提出了针对双环调制器的PAM-4发射器系统架构。在此基础上,搭建了双环调制器的行为级模型,并对该模型进行仿真分析。然后,搭建了PAM-4发射器的光电一体化仿真模型,验证了该发射器结构的合理性。最后,基于28nm TSMC CMOS工艺和IMEC i SSi PP50G先进硅光子工艺,先后完成了电学驱动器和硅光子芯片的仿真设计工作,包括输入级电路设计、前置放大器电路设计、输出级电路设计以及双环调制的版图设计。在此基础上,通过提取电路寄生参数完成了系统的光电联合后仿。仿真结果表明,论文设计的PAM-4光发射器的芯片面积为0.0312mm2,可以实现112Gbps的PAM-4通信带宽,PAM-4失配比为96.4%,在1V供电电压下的功耗仅为1.03p J/bit。
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