（电路与系统专业论文）018μm+cmos超高速并行vcsel驱动器设计.pdf

l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期：型、矽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：耋丝茎陛导师签名： 日期： 1 卅，。名 置电流4 5 7 5 m a 可调，调制电流5 1 1 5 m a 可调，在1 0 g b s 速率下输出眼图良好。1 2 路 v c s e l 电流驱动器阵列芯片采用了倒装焊焊盘布局设计，芯片面积为3 1 2 5 岬9 9 0 p m ，相 邻通路间距为2 5 0 1 a m 。在芯片测试时对各个通路进行了逐一测试，每一通路在1 0 g b s 速率 下输出眼图良好，最高可工作到1 2 g b s 。 超高速v c s e l 电压驱动器也由预放大级和驱动级两部分构成，其中预放大级采用了与 v c s e l 电流驱动器相同的结构，驱动级采用了电阻电容负反馈技术和c 3 a 结构相结合的技 术。v c s e l 电压驱动器阵列的隔离结构设计也与电流驱动器阵列的设计相同。单通路芯片 面积为4 7 5 r t m 4 2 5 1 a m ，设计功耗约1 4 6 r o w ，在芯片测试表明，在1 s v 电源电压下，单路 流片的v c s e l 电压驱动器在1 0 g b s 速率下输出眼图良好。v c s e l 电压驱动器阵列芯片面 积为3 3 7 0 岬6 2 3 岬，相邻通路间距为2 5 0 p m ，在芯片测试时对各个通路进行了逐测试， 每一通路在5 g b ，s 速率下输出眼图良好，最高可工作到l o g b s 。 本论文中首先对v s r 技术和本课题背景做了简要介绍，然后分别讨论了超高速v c s e l 电流驱动器阵列设计、超高速v c s e l 电压驱动器阵列设计，以及各电路的版图设计，最后 详细讨论了各芯片的在芯片测试结果。本论文为探索c m o s 工艺下超高速v c s e l 驱动器的 设计提供了经验，有助于我国v s r 技术的发展和对世界先进水平的赶超。 关键词：甚短距离光互连，垂直腔面发光激光器，电流驱动器阵列，电压驱动器阵列，电容 耦合电流放大器，电阻电容负反馈，隔离结构，超高速c m o s 集成电路。 东南大学硕士学位论文 i l r e s e a r c ht o p i ca r o u n dt h ew o r l d v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r s ( v c s e l s ) h a v eb e c o m et h ep r e f e r r e dl i g h ts o u r c ef o r v s rs y s t e m ，d u et ot h el o wc o s t ，s m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a n dh i g hm o d u l a t i o n b a n d w i d t h u l t r a - h i g hs p e e dv c s e ld r i v e r sa r ed e s i g n e di nt h i sw o r k ，w h i c ha r ek e ym o d u l e si n v s rs y s t e m s b a s e do nt h et w ot y p e so fv c s e ld r i v e r ，t w ot y p e su l t r a h i g hs p e e dv c s e ld r i v e r a r r a ya r ed e s i g n e di ns m i co 18 p mm i x e d - s i g n a lt e c h n o l o g y ：1 2 - c h a n n e lu l t r a - h i g hs p e e d v c s e lc u r r e n td r i v e ra n d12 - c h a n n e lu l t r a h i g hs p e e dv c s e lv o l t a g ed r i v e ri no r d e rt of a c i l i t a t e o n - c h i pt e s t i n g ，s i n g l ec h a n n e lv c s e lc u r r e n td r i v e ra n ds i n g l ec h a n n e lv c s e lv o l t a g ed r i v e r a r ea l s ot a p e do u t t h ev c s e lc u r r e n td r i v e ri sc o m p r o m i s e do fag a i ns t a g eu t i l i z i n gm u l t i s t a g el o wr e s i s t o r i o a dd i f f e r e n t i a la m p l i f i e ri nc o n s i d e r a t i o no ft h ea r e ar e s t r i c t i o no ft h e1 2 c h a n n e lp a r a l l e la r r a y a n dad r i v e rs t a g eu t i l i z i n gc a p a c i t i v e l y - c o u p l e dc u r r e n ta m p l i f i e r ( c 3 a ) s t r u c t u r et or e d u c et h e f a l lt i m eo ft h eo u t p u tw a v e f o r m a ni s o l a t i o ns t r u e t m ec o m b i n e dw i t hap + g u a r d - r i n g a nn - w e l l g u a r d - r i n ga n dad e e p - w e l lg u a r d - r i n gi st a k e ni nt h ev c s e lc u r r e n td r i v e ra r r a y 1 1 h es i n g l e v c s e lc u r r e n td r i v e r sc h i ps i z ei s4 7 5 1 a m x 4 2 5 i _ t m t h eo n - c h i pt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed c p o w e rc o n s u m p t i o ni sa b o u t6 8m ww i t ha1 8 vp o w e rs u p p l y , t h eb i a sc u r r e n tc a l li sa d j u s t a b l e b e t w e e n4 5 - 7 5m a t h em o d u l a t i o nc u r r e n ti sa d j u s t a b l eb e t w e e n5 1 1 5m aa n dt h eo u t p u te y e d i a g r a mi sg o o da t10g b s t h el a y o u to ft h e12 - c h a n n e lv c s e lc u r r e n td r i v e ra r r a yh a sa f l i p c h i pp a dd e s i g ni nw h i c ht h ea d j a c e n tc h a n n e ls p a c i n gi s2 5 0l a ma n dt h ec h i pa r e ai s 31 2 5 1 a m 9 9 0 t m e a c hc h a n n e li st e s t e di n d i v i d u a l l ya n dt h eo n c h i pt e s tr e s u l t ss h o wt h a te a c h c h a n n e lh a sag o o de y ed i a g r a ma t10g b sa n dc a no p e r a t eu pt o1 2g b s t h eu l t r a h i g hs p e e dv c s e lv o l t a g ed r i v e ri sc o m p r o m i s e do fag a i ns t a g ew h i c hi st h es a m e w i t ht h ev c s e lc u r r e n td r i v e ra n dad r i v e rs t a g ew h i c hi sac o m b i n a t i o no fa nr cd e g e n e r a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ec 3 as t r u c t u r e t h ei s o l a t i o ns t r u c t u r eo ft h e12 c h a n n e lv c s e lv o l t a g ed r i v e r a r r a yi st h es a m ew i t ht h ec u r r e n td r i v e ra r r a y s t h ec h i ps i z eo ft h es i n g l ev c s e lv o l t a g ed r i v e r i s4 7 5 p m x 4 2 5 p ma n dt h ed e s i g np o w e rc o n s u m i p t i o ni sa b o u t1 4 6m w t h eo n - c h i pt e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h es i n g l ev c s e lv o l t a g ed r i v e rh a sag o o do u t p u te y ed i a g r a ma t10g b sw i t ha1 8 - v s u p p l yp o w e r t h ec h i pa r e ao ft h ev c s e lv o l t a g ed r i v e ra r r a yi s3 3 7 0 p m x 6 2 3 1 t ma n dt h e a d j a c e n tc h a n n e ls p a c i n gi s2 5 0l a m e a c hc h a n n e lo f t h ev c s e ld r i v e ra r r a yi st e s t e di n d i v i d u a l l y a n dt h eo n - c h i pt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a te a c hc h a n n e lh a sag o o de y ed i a g r a mo u t p u ta t5 - g b sa n d c a nw o r ku pt o1 0 一g b s t h ev s rt e c h n o l o g ya n dt h eb a c k g r o u n do f t h i sp a p e ra r eb r i e f l yi n t r o d u c e da tf i r s t ，a n dt h e n i i i 东南大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fu l t r a - h i g hs p e e dv c s e lc u r r e n td r i v e ra r r a ya n dt h eu l t r a - h i g hs p e e dv c s e l v o l t a g ed r i v e ra r r a yi si n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y , a f t e rt h a tt h el a y o u to f e a c h c i r c u i ti sp r e s e n t e da n d t h et e s tr e s u l t so fe a c hc h i pa r ed i s c u s s e di nd e t a i la tl a s t t h i sp a p e rp r o v i d e sv a l u a b l ee x p e r i e n c e f o rt h ed e s i g no fv c s e ld r i v e ri nc m o st e c h n o l o g ya n dc o n t r i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n ta n dt h e c a t c h u pw i t ht h ew o r l d sa d v a n c e dl e v e lo fo u rn a t i o n sv s rt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：v e r ys h o r tr e a c h ( v s r ) ，v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) ，c u r r e n t d r i v e ra r r a y , v o l t a g ed r i v e ra r r a y , c a p a c i t i v e l yc o u p l e dc u r r e n ta m p l i f i e r ( c 3 a ) ，r c d e g e n e r a t i o n , i s o l a t i o ns t r u c t u r e ，u l t r a - h i g hs p e e dc m o si n t e g r a t e dc i r c u i t i v 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 甚短距离光传输技术概述1 1 2 本课题的研究背景和意义3 1 3 本论文的主要研究工作和结构安排5 第2 章c m o s 超高速v c s e l 驱动器设计基本理论7 2 1v c s e l 光源基本介绍7 2 2 超高速v c s e l 驱动器的设计考虑8 2 2 1 带宽考虑9 2 2 2 电流或电压驱动能力1 0 2 2 3 功耗1 0 2 2 4 数字信号的眼图1 0 2 3c m o s 工艺及集成电路设计流程简介1 l 2 3 1c m o s 器件电容l l 2 3 2c m o s 器件的二阶效应1 2 2 3 3 迁移率退化13 2 3 4 载流子速度饱和13 2 4c m o s 电路设计流程1 3 第3 章超高速并行v c s e l 电流驱动器阵列设计15 3 1 高速芯片之间光互连系统简介1 5 3 2v c s e l 电流驱动器的工作原理与设计参数1 7 3 3 输入阻抗匹配电路1 8 3 4 主放大电路l8 3 4 1 差分放大器直流特性18 3 4 2 差分放大器频率特性2 0 3 4 3 无源电感并联峰化技术2 1 3 4 4 电阻电容负反馈技术2 2 3 5 驱动级设计2 3 3 5 1 容性耦合电流放大器技术2 3 3 5 2v c s e l 与激光驱动器的耦合方式2 4 3 5 - 3v c s e l 电流驱动器整体结构2 4 3 6 电流驱动器前仿真结果2 5 3 6 1 直流仿真2 5 3 6 2 大信号瞬态波形仿真2 5 3 71 2 10 g b s 并行v c s e l 电流驱动器设计2 7 第4 章超高速并行v c s e l 电压驱动器阵列设计2 9 4 1v c s e l 电压驱动器的设计挑战2 9 4 2 激光电压驱动器的工作原理2 9 4 3v c s e l 阵列参数3 0 4 4v c s e l 电压驱动器的设计指标3l 4 5v c s e l 电压驱动器的设计3l 4 6v c s e l 电压驱动器前仿真3 2 4 6 1 直流仿真3 2 4 6 2 大信号瞬态波形仿真3 3 4 71 2 x1 0 g b s 并行v c s e l 电压驱动器阵列设计3 4 第5 章版图设计与后仿真3 5 5 1 引言3 5 5 2 版图设计基本流程3 5 5 3 版图设计的考虑因素3 6 5 3 1 寄生电容3 6 东南大学硕士学位论文 5 3 2 闩锁效应3 6 5 3 3 衬底串扰噪声3 7 5 3 4 线电流密度3 7 5 3 5 天线效应3 7 5 3 6 对称特性3 8 5 3 7 其它因素3 8 5 4 隔离结构设计3 8 5 5 单路v c s e l 驱动器版图设计3 9 5 6 单路v c s e l 驱动器后仿真4 0 5 6 1v c s e l 电流驱动器后仿真4 0 5 6 2 单路v c s e l 电压驱动器阵列后仿真4 l 5 7v c s e l 电流驱动器阵列版图设计4 3 5 8v c s e l 电压驱动器阵列版图设计4 4 第6 章v c s e l 驱动器芯片测试4 5 6 1 测试环境：4 5 6 2 单路v c s e l 电流驱动器测试4 6 6 2 1 测试方案4 6 6 2 2 直流测试结果4 7 6 2 3 大信号瞬态波形测试4 7 6 2 a 偏置特性测试4 8 6 2 5 调制特性测试4 9 6 2 6 测试小结5 0 6 3 单路v c s e l 电压驱动器测试5 0 6 3 1 测试方案5 0 6 3 2 直流测试5 l 6 3 3 大信号瞬态波形测试5 2 6 3 4 测试小结5 4 6 4v c s e l 电流驱动器阵列测试。5 5 6 4 1 芯片焊盘与测试方案5 5 6 4 2 直流测试5 6 6 4 3 大信号瞬态波形测试5 7 6 4 4 测试小结5 9 6 5v c s e l 电压驱动器阵列测试6 0 6 5 1 芯片焊盘与测试说明6 0 6 5 2 直流测试6 1 6 5 3 大信号瞬态波形测试6 2 6 5 4 测试小结6 3 第7 章总结与展望6 5 参考文献6 7 至! 谢一6 9 攻读硕士学位期间发表的论文7 l i l 损耗小于2 0 d b k m 就可以用于通信，同时发表了关于传输介质新概念的论文，指出利用光 纤进行信息传输的可能性和技术途径，指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使 用的低损耗光纤”这一发展方向。2 0 0 9 年高锟因为在光纤通信方面的巨大贡献而荣获诺贝尔 物理学奖。1 9 7 0 年，美国康宁( c o m i n g ) 公司成功研制出损耗为2 0 d b k m 的石英光纤。1 9 7 6 年，日本电报电话( n 兀) 公司将光纤损耗降低到0 4 7 d b k m 。1 9 8 6 年，光纤损耗达到 0 1 5 4 d b k m ，接近了光纤最低损耗的理论极限。在光纤发展同时，通信用光源也取得进展。 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室、日本电气公司洲e c ) 和前苏联先后研制成功室温下连续振荡的镓 铝砷( g a a l a s ) x 叹异质结半导体激光器，它为半导体激光器的发展奠定了基础。1 9 7 7 年，贝 尔实验室研制的半导体激光器寿命达到1 0 万小时。1 9 7 9 年美国电报电话( a t & d 公司和日本 电报电话公司研制成功发射波长为1 5 5 1 a n 的连续振荡半导体激光器。由于光纤和半导体激 光器的技术进步，使得光纤通信成为了现实1 2 j 。 2 0 世纪8 0 年代以来，数字传输技术快速发展，传输体制迅速从准同步数字系歹t j ( p d h ) 过渡到同步数字系3 i t j ( s d h ) 。从美国的光接口标准s o n e t 演化而来的国际标准s d h 定义了 一个在光纤干线链路中传送复用数字业务的同步帧结构【3 j 。对于长距离光纤骨干网传输而 言，传的距离越远越好，单纤能够传送的信息量越大越好，目标是降低单位信息传送成本。 一个典型的光纤通信系统框图如图1 1 所示p 】，它主要包含一个光发射机、一条光纤信 道和一个光接收机。在光发射机中，多路低速数据在时钟信号的作用下复接成一路高速信号， 激光驱动器驱动激光二极管( l d ：l a s e rd i o d e ) 发光，将电信号转换为光信号后通过光纤进 行传输。光信号通过由光纤和中继器构成的光纤信道，传输到光接收机。在光接收机中，光 信号首先被一个光检测器( p d ：p h o t od e t e c t o r ) 转变为微弱的电信号，然后由前置放大器和 东南大学硕士学位论文 主放大器( 限幅放大器) 放大，再经时钟恢复电路和数据判决电路分别从中恢复出时钟信号 和数据信号。最后分接器把接收和处理过的高速信号还原成低速数据信号，以便后续电路处 理。 发射机接收机 酗磊丫 图1 1 光纤传输系统基本结构框图 在实际应用中，不仅有长距离传输的要求，还有短距离或甚短距离的传输需求。例如， 计算机网络的事实标准以太网技术，其作用距离不过几百米，但是速率却达到了千兆和 万兆；在交换中心节点，一个端口的速率可以达到l o g b s ，总的吞吐量达到几百g b s 。机 房之间和机架之间可能传1 0 g b s 或4 0 g b s 的信息；在设备内部，由于总速率的提高，信号 总线的速率也越来越高，4 0 g b s 设备内部就要用到2 5 g b s 以上的总线1 4 j 。 以上问题可以简单概括为：如何在较短的距离内传输高速大容量的信息? 这种较短距离 可以是机房到机房之间、机架到机架之间或计算机内部的连接，其传输速率一般不超过 1 0 g b s ，传输距离小于6 0 0 米。对于这样高速率的信息，用电连接已经不适应，采用光传输 技术是解决这一问题的首选。在较短的距离内传送高速大容量的信息是光通信技术发展遇到 的一个新问题 4 1 。 现有的同步光网络系统是按长距离骨干网设计的，采用的是比较昂贵的串行光发送和接 收设备，对光纤线路的要求较高，必须对整个光纤链路进行细致的设计、模拟。而短距离的 光传输方式与此有很大不同，由于传送的距离较短，可以不必考虑复杂的光纤线路设计，不 需要解决光放大等中继问题，对光源的要求也相应降低1 4 】。与长距离光纤传输技术不同，甚 短距离光传输不一定采用串行，而是多采用并行传送的方式，以降低每根光纤上的传送速率， 降低对光器件和收发设备的要求，降低连接成本。 甚短距离光传输 v s r , v e r ys h o r tr e a c h ) 技术正是在这种背景下产生的，曾在2 0 0 0 年度被美国t e l e c o m m u n i c a t i o n s 杂志评选为当年电信领域十大热门技术之一。v s r 光传输技 术是一种物理层传输技术，其传输距离在6 0 0 m 以内。在这一通信距离内，所采用的光连接 技术和电接口规范同传统的骨干网传输技术有很大区别，它是光通信技术发展的一个全新领 域。在构建下一代高速、大容量全光通信网络中，由于光接口器件在网络系统中的应用数量 巨大，v s r 技术以其低的成本和稳定的性能优势，引起了众多光电子器件和网络设备制造 商的兴趣，逐渐成为国际通信的标准技术，是全光网络的一个重要组成部分。v s r 技术是 随着人们对信息量需求的增加而出现的，从c i s c o 公司2 0 0 0 年底发布第一个产品起，在不 超过3 年的时间里，v s r 技术已经成为现在通信领域的一热门技术【5 】。由于这一技术主要面 向实际市场应用，因此在国际标准公布的同时，相关产品很快推出。其收发模块具有低功耗、 小封装的特点。由于v s r 技术面向在较短距离上传输较高速率的信息，因此其与骨干光传 输技术有很大不同。对光传输过程中存在的损耗、非线性效应、色散和偏振模色散等不利因 2 第1 章绪论 素不敏感，对光源和接收机的要求也不是很严格。因此，综合考虑，v s r 技术具有如下特 点1 4 1 ： 1 ) 系统传输距离短，传输速率高。传输距离一般不超过6 0 0 米，但是总的传输速率在1 0 g b $ 以上。 2 ) 主要采用并行光传输技术。同串行光传输相比，并行方式可以降低每根光纤上的传输速 率，从而降低对系统其它器件的要求，并且可以在需要的时候，适当提高每根光纤上的 传输速率，以提高系统总吞吐量。并行光传输技术在实现上采用并行多模光纤带。 3 ) 系统面向低成本方案。利用光互连是实现v s r 技术必须满足市场应用的需要，大量设备 的互连决定了其造价不能过高。对于每一个技术方案，都要求其能够做到具有广阔的市 场前景，应用面广，兼容性好，技术上和经济上可行的特点，这样可以获得大多数设备 提供商的支持。 v s r 技术的目的是采用最经济的光通信技术在短距离传输上占据市场，其最关键点技 术便是垂直腔面发光激光器( v c s e l ：v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ) 。v c s e l 相对 于传统的边沿发光激光器来讲，最大的优势在于低成本。g a a s 基的v c s e l 研究和制造已 经很成熟，价格非常便宜。目前长波长的v c s e l 还不成熟，无法应用于长距离光通信系统， 但对于对成本敏感的短距离应用场合，如接入网、以太网、高速背板等v s r 应用场合，v c s e l 是发光源最合适的选择。 1 2 本课题的研究背景和意义 从广义上讲，任何有别于骨干光网传输、能够在较短距离内高效传送信息的光传输系统 都可以称为甚短距离光传输系统。在高速芯片之间的互连通信研究方面，由于传统的电互连 方式在高速信号传输中所表现出来的带宽小、功耗大、互连密度小、抗干扰能力差等不足， 已经严重影响到了高速芯片互连通信的设计，限制了系统性能的进一步提高。光互连技术在 解决这些问题方面具有明显优势：光互连具有极高的空间和时间带宽积；光波遵循独立传播 原理，抗干扰性强；光波并行性好，可进行高密度的波分复用，互连密度非常大；光互连信 号损耗小，传输距离远。因而光瓦连技术成为解决大容量数据传输系统、新一代通信设备和 高性能计算机中高速芯片间互连通信的关键技术之一。自1 9 8 4 年国际著名的光学专家j w g o o d m a n 提出在v l s i 中采用光互连方案以来，光互连技术已经取得巨大的进步，并开始在 计算机系统和通信系统中代替电互连技术，目前已经成为世界各国研究的热点。 在此背景下，2 0 0 7 年开始国防科学技术大学、东南大学射频与光电集成电路研究所和 中国科学院半导体所联合进行国家高技术研究发展计划“高速芯片之间光互连技术与试验平 台”的研究，研究以高密度、高速化、集成化、抗干扰、低功耗为特征的新型光互连技术路 线与实现方法，掌握基础性的高速芯片之间光互连关键技术，研制出高速芯片之间光互连基 础试验验证平台，完成相关光互连实验、性能测试与典型功能演示。探索在大容量数据传输、 新一代通信设备、高性能计算机等方面的系统应用技术。探索研制内嵌高性能微处理器的高 速光互连芯片，构建高性能微处理器芯片间高速光互连专用试验平台。本论文即为该课题研 究的主要内容之一“高速、高密度的v c s e l 光源和探测器阵列模块技术”的主要组成部分。 3 东南人学硕士学位论文 在并行光收发模块与转换芯片的设计方面，i n f i n e o n 和a g i l e n t 公司已经推出 1 2 x 2 5 g b s 、1 2 x 3 1 2 5 g b s 、1 2 3 3 g b s 等速率的v c s e l 光发射模块和并行接收模块。i b m 公司和法国i n t e x y s 公司都已研制出1 2 x 1 0 g b sv c s e l 光发射模块和并行接收模块。在并行 超高速v c s e l 驱动芯片与接收芯片产品研制方面，国外在并行v c s e l 研究方面进展迅速， 已推出较成熟的1 2 x 3 3 g b sv c s e l 驱动电路阵列与并行光发射模块和1 2 3 3 g b s 并行光接 收阵列与并行接收模块。p r i m a r i o n 公司分别推出了1 2 3 3 g b s 和4 1 0 7 g b s 的v c s e l 驱 动器和接收阵列芯片；韩国的s a e k y o u n gk a n g 研究设计了单通道带宽为8 g b s 的并行高速 接收芯片阵列；东南大学与德国斯图加特大学研究人员采用c m o s 工艺已研发出单通道速 率为1 0 g b s 的宽带全差分c m o s 跨阻前置放大器。美国康奈尔大学、i b m 和安捷伦公司联 合研制出了单通道速率高达2 0 g b s 的v c s e l 驱动器【5 1 。 国外在并行v c s e l 驱动器阵列方面的研究较为成熟，产业方面i b m 公司和法国i n t e x y s 公司都已宣布己研制出1 2 x1 0 g b sv c s e l 光发射模块和并行接收模块，m a x i m 、a n a l o g d e v i c e s 、v i t e s s e 等公司都已有成熟的商用单路1 0 g b s 激光驱动器产品，g i g o p t i x 等公司推 出了1 2 x1 0 g b s 的v c s e l 驱动器商用芯片。学术研究方面，目前国外公开发表的文献中， 最有代表性的是d a n i e lm k u c h t a 等的研究结果1 6 1 ，其完整地实现了一个1 2 路每路1 0 g b s 的甚短距离双向光互连试验平台，其中的v c s e l 驱动器是用s i g eb i c m o s 工艺设计的： c h r i s t i a nk r o m e r 等设计了一个基于c m o s 工艺的4 x1 0 g b s 的光互连系统1 7 j ，其设计的 v c s e l 驱动器采用了8 0 n m 的c m o s 工艺。s h a h r i a rr a b i i 等设计了一个基于0 1 3 9 mc m o s 工艺的1 0 g b sv c s e l 驱动器，采用了电流驱动的方式j 。在电压驱动器方面很有代表性的 是d a n i e lk u c h a r s k i 等设计的2 0 g b s 的驱动器，也采用了0 1 3 岬c m o s 工艺，并采用了无 源电感【3 4 】。 国内目前在设计超高速v c s e l 驱动芯片尚处于起步阶段，研究成果主要为单通道驱动 芯片设计和速率较低的并行驱动阵列芯片设计。在驱动器阵列方面，比较有代表性的是东南 大学射光所解锋用0 3 5 p ms i g eb i c m o s 工艺的设计的1 2 路并行每路3 3 18 g b s 激光驱动器 1 9 1 ，以及黄颞等用0 2 5 1 m ac m o s 工艺设计的1 2 3 1 2 5 g b sv c s e l 驱动器阵列【i 。在单路 激光驱动器方面，东南大学射光所雷恺用0 1 8 p a nc m o s 工艺设计了一个单路1 0 g b s 的激光 电流驱动器，其采用了电感并联峰化技术i n ；东南大学射光所钱照华用0 1 8 p mc m o s 工艺 设计了单路1 0 g b s 的v c s e l 电流驱动器和电压驱动器l l 川。在单路及多通路激光驱动器方 面，国内尚未见有超过上述芯片性能的文献报导。 如前所述，在甚短距离的光互连中，由于v c s e l 具有成本低、体积小、功耗低、调制 带宽高及垂直腔面发光的优点，在v s r 系统中成为首选的发光源，这就使得低功耗、超高 速的v c s e l 驱动器成为高速光互连系统中至关重要的一部分。目前见诸文献的大部分的超 高速v c s e l 驱动器是采用s i g eb i c m o s 工艺或0 13 u m 栅长及更小栅长工艺实现的，c m o s 工艺较s i g eb i c m o s 工艺的低成本优势使设计基于c m o s 工艺的v c s e l 驱动器成为一个 理想的选择。用0 1 8 p mc m o s 工艺设计的1 0 g b s 速率级别并行v c s e l 驱动器阵列在国内 尚处于探索阶段，国际上相关文献也较少，本课题的价值在于采用0 1 8 9 mc m o s 工艺设计 低成本、超高速的v c s e l 驱动器阵列，避免采用s i g eb i c m o s 等较昂贵的工艺，挑战工 艺本身的速率极限，这对于降低光互连成本、推动国内高速芯片之间光互连技术的发展及探 索超高速电路设计理论有重要现实意义和工程价值。 4 第1 章绪论 1 3 本论文的主要研究工作和结构安排 本论文以实际系统要求为准，设计并实现了基于o 1 8 u mc m o s 工艺的电压驱动型和电 流驱动型两种1 2 x 1 0 g b s 的v c s e l 驱动器。另外，为了测试的需要，实现了电压驱动型和 电流驱动型两种单片1 0 g b sv c s e l 驱动器。芯片经多项目晶圆( m p w ) 流片后进行了在 芯片测试。本论文讨论了超高速电压驱动和电流驱动两种类型的v c s e l 驱动器的设计理论 和方法，并给出了电路的在芯片测试结果。本论文内容结构安排如下： 第一章为绪论，主要对甚短距离光通信技术做了概要介绍并调研了目前国内外在 v c s e l 驱动器领域内的主要研究成果和进展，阐述了本论文的主要研究内容和意义。 第二章中分析了v c s e l 驱动器设计的基本理论和技术，介绍了超高速v c s e l 驱动器 设计的基本理论、概念和技术。是后面各章具体电路设计的基础。 第三章阐述了超高速并行v c s e l 电流驱动器阵列电路的设计。首先对v c s e l 电流驱 动器的工作原理做了介绍，然后分析了电路的各个组成模块的设计理论和方法，最后给出了 v c s e l 电流驱动器的前仿真结果。 第四章中介绍了超高速并行v c s e l 电压驱动器阵列电路的设计。首先分析了超高速 v c s e l 电压驱动器的设计挑战，然后介绍了v c s e l 电压驱动器的工作原理，最后给出了 j电路结构和前仿者结果。 f 第五章中介绍了电路的版图设计。首先介绍了集成电路版图的设计流程和版图设计的考 虑因素，然后介绍了v c s e l 驱动器阵列设计中的隔离方法，最后给出了单路v c s e l 驱动 器版图和后仿结果及v c s e l 驱动器阵列的版图设计。 督第六章给出了芯片的测试过程和结果。依次介绍了单路v c s e l 电流驱动器、单路 v c s e l 电压驱动器、1 2 路v c s e l 电流驱动器阵列、1 2 路v c s e l 电压驱动器阵列的测试 方法和结果并对各电路的测试结果作了概要分析。 第七章对本论文的工作做了总结，并对今后的工作提出建议和展望。 5 东南大学硕士学位论文 6 第2 章c m o s 超高速v c s e l 驱动器设计基本理论 第2 章c m o s 超高速v c s e l 驱动器设计基本理论 2 1v c s e l 光源基本介绍 在v c s e l 诞生之前，传统的边发射激光器一直在光通信中扮演着主要角色。尽管这些 年来，边发射激光器在结构优化、制造技术、工作特性以及应用领域方面都取得了巨大进展， 但仍存在一些不足。例如不能进行单