高速抗辐照VCSEL驱动芯片设计

摘要

随着社会的快速发展，光纤通信以其传输距离远、容量大、低功耗、抗干扰、抗辐照等优点占据了通信市场的主体地位。如何利用光纤通信的优点并使其应用在例如航天航空、高能物理实验等辐照环境成为了光纤传输发展的重要方向之一。而这其中最为关键的是作为光电转换模块的光发射芯片能否满足高速、低功耗、抗辐照等多种要求。在此背景下，本文采用具有抗辐照特点的SOI(Silicon-on-insulator)工艺对光纤通信系统发射端的激光驱动芯片进行了设计。
　　基于0.13μm SOI CMOS工艺，作者设计了一款以交流耦合方式驱动共阳极垂直腔表面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）的驱动芯片。主要工作体现在:采用多级级联放大器并结合有源电感并联峰化技术扩展了驱动器带宽，且既避免了工艺角偏差，又减小了芯片面积;设计了偏置电流、调制电流的数字可调电路，解决了激光器的个体差异问题，为工业化应用提供了良好的基础;优化了高速电路版图，减小了金属连线的寄生效应，从而提高了驱动芯片的传输速率。
　　论文首先介绍了光纤通信的发展现状、VCSEL及其驱动器的结构和工作原理分析了应用于驱动器核心电路的多种带宽提高技术。在此基础上，详细阐述了扩展驱动器带宽的有源电感并联峰化电路，以及激光驱动器芯片所需的辅助电路如DAC、带隙基准源、输出缓冲器的设计方法;接着根据驱动器的工作方式，设计了仿真电路，给出了驱动芯片的仿真结果;最后论文讨论了高速版图的匹配及寄生效应并给出后仿真结果。
　　该驱动芯片的实际仿真结果表明，本设计在5Gbp/s的速率上工作性能良好，且总功耗低于65mW，芯片整体面积约为1.1μm×1.1μm，目前该芯片已进入流片阶段。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文内容及结构

第二章 VCSEL及其驱动器的理论基础

2．1 半导体光源器件

2．1．1 发光二极管

2．1．2 激光二极管

2．1．3 特殊结构激光器

2．2 VCSEL的结构与原理

2．2．1 VCSEL的结构与原理

2．2．2 VCSEL的小信号模型

2．2．3 激光器的调制方式

2．3 VCSEL的驱动

2．3．1 驱动器的工作原理

2．3．2 驱动器的性能

2．4 本章小结

第三章 VCSEL驱动芯片设计

3．1 工艺介绍

3．2 驱动芯片结构设计

3．3 输入匹配电路

3．4 主放大电路

3．4．1 差分放大器

3．4．2 级联放大器

3．4．3 电感峰化技术

3．5 输出级设计

3．6 VCSEL直流偏置电路

3．7 控制电路设计

3．7．1 8 bit DAC

3．7．2 带隙基准源

3．7．3 缓冲器设计

3．8 本章小结

4．1 仿真电路设计

4．2 驱动器仿真结果及分析

4．3 本章小结

5．1 版图设计

5．1．1 匹配

5．1．2 寄生效应

5．2 整体布局及版图设计

5．2．2 VCSEL驱动芯片整体布局

5．2．1 主放大电路版图设计

5．3 后仿真结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢