光纤通信用高dI/dt集成半导体激光器驱动器研究

摘要

通信应用中对数据速率不断提高的要求，使光通信系统得到了广泛的应用，并推动高速集成电路设计成为研究热点。半导体激光器驱动器（LDD）作为光纤通信系统发射端的关键组成部分，其电路设计也面临严重挑战，这是因为LDD电路需要在很宽的温度范围内工作，并以很短的上升和下降时间转换几十甚至上百毫安大的电流。另外，半导体激光器即激光二极管（LD）在快速开关状态转换时需要较大的电压摆幅，这使得低功耗设计要求采用低电压供电电源（比如低至+3.3 V单电源供电），直流耦合输出驱动激光器变得更为困难。 本文首先系统地研究了高速大电流转换半导体激光器调制驱动器（简称为调制器）的设计方法，包括工艺选择、电路结构设计以及电路模块的实现与优化技术；然后从激光二极管的温度和寿命特性出发，详细研究了平均光功率和消光比控制的电路设计方案及具体电路设计；并且实际设计并制造出了两款低电压（+3.3 V），多速率（155 Mbps/622 Mbps/1.25 Gbps），驱动电流高达185 mA，集成了自动功率控制和消光比控制功能的可直流耦合驱动LDD芯片。 高速电路的设计，只有将现代高性能的制造工艺与优化的电路设计相结合才能制造出高度集成的、灵活可调的、高性能的芯片。论文经过详细分析，选定BiCMOS制造工艺开发适合高速和高功率应用的激光器驱动器。 在驱动器的结构设计方面，通过对ΔI噪声的分析，IC芯片间互连问题以及驱动器与激光二极管接口问题的讨论，研究适合高速大电流转换的调制器电路结构。提出采用全差分电路结构、PECL标准数据输入接口以及直流耦合驱动激光二极管的调制电路设计方案。特别是，提出了一种调制器输出结构的独特设计，驱动器输出电压只要高于0.6 V就可保证合适的输出高速性能。 在实现调制器的高速性能方面，提出了多种宽带电路设计技术，包括VBE补偿技术、动态电路设计技术等，并采用了ECL电路结构、电流模电路设计以及低电压摆幅设计等高速电路设计方法。VBE补偿技术能够保证调制器在宽工作温度范围下的高频性能；动态电路设计能够保证调制器输出电流值大范围变化时的高频性能。 由于激光二极管特性随着寿命和温度的变化而变化，在设计光模块时，平均光功率和消光比是要考虑的两个十分重要的光学参数。本文提出了结合自动功率控制环路和对调制电流进行温度补偿来获得恒定平均光功率输出和最小消光比变化的方案。通过采用调制电流的温度补偿电路调整调制电流的大小以跟踪LD电光转换斜率的变化，采用自动功率控制电路调整直流偏置电流的大小以跟踪LD阈值电流的变化并且补偿由于器件老化引起的LD的特性变化。在具体电路设计中，首次提出了一种简单新颖的技术——温控电流开关技术来实现可编程的调制电流的温度补偿。该技术利用一个工作于饱和区的三极管的基极注入电流来获得所需的与温度成正比的电流，并且利用放大器环路的“开”与“闭”来打开或关断补偿电流开关。 在前面研究的基础上，采用Jazz 0.35 μm BiCMOS制造工艺设计并制造了两款集成LDD芯片。芯片仿真结果表明，在＋3.3 V电源电压下，芯片可工作在155 Mbps/622 Mbps/1.25 Gbps的速率上，具有过流保护及报警、环路失效报警、使能控制终止发射、平均功率控制以及调制电流可编程温度补偿功能。在155 Mbps速率上，芯片的光学测试得到了清晰的眼图，并且输出光功率恒定，消光比的变化在0.7 dB内。