28纳米CMOS中1.54皮焦/比特、64Gb/s 16-QAM内差相干光接收机设计与实现

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A 1.54-pJ/b 64-Gb/s 16-QAM Intradyne Coherent Optical Receiver in 28-nm CMOS

本文报道了一种针对短距离数据中心互连的低功耗16-QAM相干光接收机创新方案。研究团队通过设计新型决策导向相位检测器，巧妙利用内外层星座符号提升载波相位恢复性能，在28纳米CMOS工艺上实现了64Gb/s数据传输速率下1.54pJ/bit的能效突破。该成果为高阶调制格式在功率受限环境中的应用提供了关键技术支撑，标志着模拟相干接收机向实用化迈进的重要一步。

　　

随着云计算和人工智能应用的爆发式增长，现代数据中心正面临着前所未有的数据传输压力。传统脉冲幅度调制(PAM)等非相干调制方案在向更高速率演进时逐渐触及 scalability 极限，而具有更高频谱效率的相干检测技术因此备受关注。相干系统采用双偏振正交幅度调制(DP-QAM)等先进调制格式，但通常依赖复杂的数字信号处理(DSP)进行偏振、相位和定时恢复，导致功耗显著增加。

在这一技术背景下，Ahmed E. Abdelrahman等研究人员在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》上报道了一种突破性的解决方案——面向短距离数据中心互连的低功耗16-QAM相干光接收机。该研究针对高阶调制格式实现中的核心挑战，特别是精确载波相位恢复这一关键技术瓶颈，提出了创新性的设计方法。

研究人员采用的关键技术方法包括：设计了一种新型决策导向16-QAM相位检测器(PD)，通过加权利用内外层星座符号提升相位检测性能；开发了16相谐波抑制混频器(HRM)架构，有效降低总谐波失真至3%；实现了完整的模拟前端(AFE)信号链，包含跨阻放大器(TIA)、可变增益放大器(VGA)和跟踪保持电路；构建了载波相位恢复(CPR)闭环系统，采用比例积分二阶无源环路滤波器控制环形压控振荡器(RVCO)。

接收机架构设计

提出的16-QAM相干光接收机电子集成电路(EIC)部分采用多层信号处理结构。接收到的差分I/Q电流首先通过具有24GHz带宽和280Ω跨阻增益的高速并联反馈TIA转换为电压信号，随后经过两级逆变器基VGA放大，并通过交叉耦合逆变器提高共模抑制比。核心的复杂混频级采用16相逆变器基谐波抑制混频器(HRM)，通过将输入信号与本地生成的方波本振(LO)混频来稳定旋转的16-QAM星座图。PAM-4信号随后在数据路径和CPR路径中并行处理，其中数据路径采用四组跟踪保持(T/H)电路进行四分之一速率采样，而CPR路径则通过16-QAM相位检测器提取相位误差信息。

16-QAM信号误码率分析

针对16-QAM信号传输的特殊性，研究团队深入分析了相位和幅度噪声对接收机性能的影响。16-QAM星座图可视为两个正交的PAM-4信号调制在I/Q载波上。在理想条件下，仅受加性高斯白噪声(AWGN)影响的符号错误率(SER)可通过解析表达式描述。然而在实际系统中，载波恢复不完美且信号受到相位噪声(PN)影响，导致星座图随机旋转，此时SER必须通过对相位误差分布的积分来评估。研究显示，对于1E-12的苛刻误码率目标，16-QAM仅能容忍约2.5°的均方根相位噪声，约为QPSK的三分之一，这表明高阶调制对相位噪声具有更高的敏感性。

相位误差检测机制

相位误差检测是16-QAM系统实现中的核心挑战。与QPSK接收机相比，16-QAM对相位偏差更为敏感，即使微小相位偏移也可能导致显著符号检测错误。研究团队提出的决策导向相位检测器采用混合策略，同时利用内外层星座符号，将过渡密度加倍至α=0.5，并采用3:1的加权比平衡内外层符号的贡献。这种设计既保留了外层符号的信噪比优势，又受益于内层符号更宽的相位检测范围，有效消除了PD特性中的低增益区域，使CPR和PD能够在±π/4的更宽相位误差范围内可靠工作。

16-QAM相位检测器实现

相位检测器的具体实现集成了伪差分2位格雷编码PAM-4比较器、复杂混频器和符号检测逻辑。前端通过两个主T/H电路捕获接收到的基带信号的I/Q分量，并采用额外的虚拟T/H电路平衡输入负载。缓冲后的I/Q样本馈入2位格雷编码PAM-4比较器，生成的数字符号决策随后在两个并行复杂混频器中使用，通过将采样模拟基带电压与相应决策符号的复共轭相乘来计算相位误差信号。符号检测逻辑块通过分析I/Q比较器输出的最低有效位(LSB)来确定接收符号属于内层、外层还是中间集，并选择性路由V₁₁或V₃₃到最终PD输出节点。

测量结果验证

原型芯片在28纳米CMOS工艺中制造，芯片面积1mm²，有效面积0.26mm²。在64Gb/s数据速率下，接收机消耗98.8mW功率，能效为1.54pJ/bit。通过浴缸曲线测量评估性能，结果显示在CPR环路启用、F_IF=2GHz且相位检测同时使用内外层符号时，接收机保持误码率低于1E-10。相位噪声测量表明，当同时使用内外层符号进行相位检测时，实现了最低的带内相位噪声，这归因于更高的PD增益和增加的过渡密度带来的联合优势。

研究结论表明，这种低功耗16-QAM模拟内差相干光接收机为短距离互连提供了一种创新解决方案。提出的决策导向相位检测器通过利用内外层星座符号增强相位检测性能，显著提高了对激光相位噪声和频率漂移的鲁棒性。实验验证了在20MHz CPR环路带宽下实现64Gb/s操作的能力，能效达到1.54pJ/bit，与最佳报道设计相当。这些结果证明了模拟相干架构在未来光学链路中实现高能效且不牺牲频谱效率的可行性，为下一代数据中心互连技术发展指明了重要方向。

该研究的重要意义在于成功将高阶调制格式引入功率受限的应用环境，通过创新的模拟信号处理技术规避了传统DSP方案的高功耗问题。特别是在内差探测架构中实现可靠的16-QAM解调，为未来短距离光互连向更高容量发展提供了关键技术支撑。研究中提出的相位检测器加权策略和系统优化方法，对后续相干接收机设计具有重要参考价值，标志着模拟相干技术向实用化迈出了关键一步。