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引言
随着数据中心和高性能计算系统需求的不断增长，功耗效率高、延迟低、密度大的互连设计变得格外重要。本文探讨了数据中心应用中光互连设计的关键技术，主要针对约100米传输距离的应用场景[1]。
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系统架构
现代数据中心的光互连系统需要在保持功耗效率的同时处理大量数据吞吐量。一个高速光互连系统的基本架构包含多个协同工作的复杂组件。
图1. 数据中心高速光互连的简化框图，展示了发射机和接收机组件与光电器件的集成。
系统架构将基于CMOS的组件与光电器件精密结合。在发射端，PAM-4串行器处理输入数据流，经专用驱动线路调节。锁相环(PLL)为这些操作提供精确的时序控制。接收端采用跨阻放大器(TIA)进行初始信号调理，随后通过PAM-4采样器恢复数据。时钟数据恢复(CDR)线路确保接收信号的正确时序对齐。激光器/调制器负责发射端的电光转换，光电二极管负责接收端的光电转换。
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发射机设计
发射机设计需要解决垂直腔面发射激光器(VCSEL)特性管理的复杂挑战。
图2. VCSEL的非理想特性，展示了带宽非线性和输出光PAM-4特性。图中显示了输入电PAM-4信号与输出光信号之间的关系。
VCSEL器件具有三个需要仔细管理的关键非理想特性。首先，光电流(L-I)特性表现出显著的非线性，斜率效率随偏置电流变化。其次，VCSEL的带宽随偏置电流变化，在工作点和信号完整性之间形成复杂关系。第三，器件在上升和下降转换之间表现出不对称响应特性，在更高数据速率下尤为明显。
图3. 采用分段补偿方案的VCSEL发射机架构，展示了通过多个数据片段处理VCSEL非理想特性的方法。
现代发射机设计采用精密的分段补偿方案来应对这些挑战。此方案将信号处理分为三个独立的数据片段，每个片段针对PAM-4信号的特定特性进行优化。该方案能够精确控制PAM-4信号的每个子眼图，允许独立调节增益、带宽和转换特性。每个片段都包含针对其特定工作区域定制的均衡和预加重线路。
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接收机设计
接收机设计需要在增益、带宽、噪声和线性度等多个相互竞争的要求之间取得平衡。这些参数需要精心优化以实现最佳系统性能。
图4. 不同接收机架构的比较：(a) 带CTLE的两级设计，(b) 带电感峰化的TIA，(c) 集成在采样器中的后TIA均衡器，用于改善整体带宽和灵敏度。
当代接收机设计倾向于将均衡功能集成到采样器而非TIA中。这种架构选择在保持功耗效率的同时提供更优的整体性能。该方法能更有效地管理符号间干扰，同时在整个信号链中保持信号完整性。
图5. PAM-4光接收机架构，展示了从光输入到数字输出的完整信号路径，包含集成时钟恢复。
接收机架构实现了多个复杂的信号处理级段。初始级采用线性TIA进行精确的信号调理，随后是提供必要动态范围控制的可变增益放大。设计包含半速率采样线路和加法网络以优化数据恢复。集成的时钟和数据恢复系统确保接收信号的精确时序对齐。
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时钟生成与分配
时钟生成与分配需要特别注意时序精度和抖动最小化。
图6. 双路径锁相环架构概览，展示了次采样相位检测器和环路滤波器组件的集成。
时钟生成系统采用包含双路径架构的先进锁相环设计。这种方法通过复杂的反馈机制和滤波技术，实现精确的时序关系控制和抖动最小化。
图7. 典型时钟分配线路，展示了时钟信号处理和系统分配的各个阶段。
时钟分配网络实现了多级信号处理，以在多个通道中维持时序完整性。系统生成具有精确相位关系的差分时钟信号，创建用于复杂时序要求的正交时钟信号，并为各个系统组件产生多个相位对齐的时钟信号。设计通过复杂的缓冲和分配网络仔细管理时序关系，确保系统可靠运行。
这种全面的光互连设计方法使现代数据中心能够满足当今计算环境对带宽和延迟的严格要求。先进CMOS线路与光电器件的成功集成持续提升着数据中心通信的性能和效率水平。这些技术的进步为未来更高速度和更低功耗的数据中心通信奠定了技术基础。
