CMOS高速激光驱动器与光发射系统芯片设计

摘要

光纤通信市场正在快速增长。光发射电路，尤其激光器、光调制器以及VCSEL驱动器是光纤通信系统中最为关键的模块，其设计需要考虑低功耗以及低费用。目前主流的CMOS工艺在实现以上要求方面具有优势，但需要采用合适的电路结构以及设计技术。
　　 为了更好地设计驱动器，本论文首先在系统的层次上对驱动器的应用进行了分析，得出一些设计参数。然后分析了CMOS工艺的特点，包括其优势以及劣势。讨论了驱动器组成单元的设计，并给出了高速驱动器一些设计考虑
　　 利用0.35μm CMOS工艺，实现了长距离光纤通信用传统结构的驱动器以及改进结构的驱动器。测试结果表明，在5V电源电压、2.SGb/s上，传统结构的激光驱动器能够在50Ω负载上形成最大值为3.4V电压摆幅；分别采用金丝键合以及微球焊键合技术，将传统结构的驱动器与激光器相连，均得到2.5Gb/s的光眼图。在改进结构的驱动器设计中，提出了准推挽源极跟随电路，其具有一定的放大能力，增加了电路设计的自由度。另外通过采用动态放大技术，有效抑制了过冲，同时提高了电源电流转化效率以及功率效率，拓展了输出电流的调制范围。测试结果表明，该电路能在3.3V、5V电源电压下工作，典型功耗分别为310mW、945mW。在2.5Gb/s速率上，当电源电压为3.3V、5V时，可以在50Ω负载上分别得到最大值为4.2V、6.2V的电压摆幅，最大摆率为28200V/μs。在5Gb/s上，其能在50Ω负载上获得最大值为5V的电压摆幅。与铌酸锂光调制器连接，采用5V电源电压，分别在2.5Gb/s、5Gb/s上获得清晰的光眼图，消光比最大值分别为12.3dB、8.45dB。
　　 为了有效利用CMOS工艺在集成度等方面具有的优势，分别利用0.25μm CMOS以及0.35μmCMOS工艺实现了VSR通信用12通道VCSEL驱动器阵列以及长距离光纤通信用光发射机电路，其中光发射机电路含有激光驱动电路以及4:1复接器。VSR通信用VCSEL阵列驱动电路分别在2.5Gb/s、5Gb/s上获得电眼图，2.5Gb/s上输出电流最大摆幅为36mA，并可连续调节。驱动器阵列电路中各个通道的输出信号摆幅具有较好的一致性。光发射机电路测试结果显示，复接器中的分频电路可以在15MHz-3.6GHz之间工作。复接器数据输入端分别加上直流电平和脉冲信号，在2.5Gb/s以及3.3Gb/s上都获得较好的输出瞬态波形。时钟相位裕度为179°。受限于分频电路的工作范围，该电路最高速率为3.6Gb/s。