（电路与系统专业论文）10gbs+gaassige激光驱动器设计.pdf

东南大学硕士论文 摘要 随着社会的发展，信息交换量与日俱增。近年来，以光波为载体、光纤为传输媒质的光 纤通信异军突起，发展十分迅速，已成为信息高速公路的主体。光纤通信适用于多种综合数 据业务，具有容量大、传输距离远、节省能源、抗干扰、抗辐射等诸多优点，发展势头迅猛， 是未来宽带网络的发展方向。开发具有自主知识产权、用于光纤传输的高速集成电路对我国 信息化建设具有重大意义。 用于光纤传输系统的光发射芯片包括复接器和激光驱动器两块关键电路。作为光发射芯 片的关键电路，激光驱动器电路的作用是提供一定的增益，放大复接器输出的高速信号，驱 动后面的激光二极管。由于它是光纤传输系统中实现从数字信号向模拟信号转变、电压信号 向电流信号转变、电信号向光信号转变的关键电路，因此在国内外都得到了广泛而深入的研 究。 本文分析了激光驱动器的基本原理，并分别介绍了基于0 2 岫g a a sp h e m t 工艺和 0 3 5 9 ms i g eb i c m o s 工艺的1 0 g b s 激光驱动器电路的工艺背景、电路结构、应用技术、设 计过程，比较了两种工艺激光驱动器的各项性能指标及实验结果。全部电路经验证基本功能 正常。各项性能符合设计要求，并希望进一步改进后送交芯片制造厂商流片。 本次毕业设计的课题得到国家8 6 3 计划支持，国家8 6 3 课题为1 0 - - 4 0 g b s 光收发关键器 件芯片技术研究( 续) 。 关键字：光纤通信：驱动电路 p h e m t ；b i c m o s 东南大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s 、c o m p u t e rn e t w o r k sa n d i n t e m e t ，i ti su r g e n tt ob u i l di n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a y o p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a r et h ep r i n c i p a lp a n so f i n f o r m a t i o ns u p e r - h i g h w a yf o ri t sm e r i t ss u c ha sg r e a tc a p a c i t y 、 l o n gt r a n s m i td i s t a n c e 、e c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e 、a n t ii n t e r f e r e n c ea n da n t ir a d i a t i o ne t c t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e s i g nh i 曲s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t sf o ro p t i c a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m sw i t hi n d e p e n d e n tp r o p e r t y i nt h eb u i l d i n gb l o c k so f a no p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h et r a n s c e i v e rc i r c u i ti si nt h e t r a n s m i td i r e c t i o n a n di ti n c l u d i n gt w oc r i t i c a lp a r t sw h i c ha r e4 ：1m u l t i p l e x e rc i r c u i t ( m u x ) a n d t h el a s e rd i o d ed r i v e r ( l d d ) t h el d di su s e dt op r o v i d ee n o u g hg a i nt om a g n i f yi n p u ts i g n a l b e c a u s ei ti st h ec r i t i c a lp a r tt oc h a n g et h ed i g i t a ls i g n a lt oa n a l o g ，v o l t a g et oc u r r e n ts oi ti s o n eo f t h eh o tt o p i c so f r e s e a r c h e s t h i sp a p e ra n a l y s e st h eb a s i ct h e o r yo f l a s e rd i o d ed r i v e r w ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n d ， c i r c u i ts 廿1 d e t u r e ，a p p l yt e c h n o l o g ya n dd e s i g np r o c e d u r e ，b a s i co nao 2 u mg a a sp h e m t t e c h n o l o g ya n da0 3 5 u ms i g eb i c m o st e c h n o l o g yr e s p e c t i v e l y ，a l la s p e c t so f p e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d t h em e a s u r er e s u l t so f t h e c i r c u i t s v a l i d a t eo u rd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s w eh o p et od e l i v e rt h ec l i pm a n u f a c t u r e ra n ds u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e da f t e ri m p r o v e m e n tt h ed e s i g n t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h e ”n a i o n a l - h i g h - t e c h - p r o g r a m ”( 8 6 3p r o j e c t ) ，t h ep r o j e c t i sr e s e a r c ho nt h ek e yc h i pi n1 0 - 4 0 g b so p t i c a lt r a n s c e i v e r ( c o n t ) k e yw o r d s ：o p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o n ；l a s e rd i o d ed r i v e r ；p h e m t ；b i c m o s 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： 幺趣 日期：鱼盟蔓 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。 日期：伽j ， 6 东南大学硕士论文 第一章概述 1 1 光纤通信系统和s d h 标准 随着社会的发展，信息交换量与日俱增，要求现代通信系统不断提高数据传输速度，以 满足高速增长的信息传递需要。光纤通信是以光波作为载波，以光纤作为传输介质的一种先 进通信手段，适于多种综合数据业务，优点突出，发展迅猛，是未来宽带网络的发展方向。 光纤通信与现行电缆通信和微波通信相比，光纤通信显示出系列优越性，主要表现在 以下几个方面【】： ( 1 ) 传输频带宽，通信容量大； ( 2 ) 光纤传输损耗低，适于长途传输； ( 3 ) 光纤体积小、重量轻、可绕性强： f 4 ) 输入与输出之间电隔离，能抗电磁干扰、防闪电雷击； ( 5 ) 几乎无漏信号和串音，安全可靠、保密性强： f 6 ) 抗腐蚀、抗辐射、抗酸碱； f 7 ) 原料为石英，节省铜、铝等大量有色金属能源。 光纤通信的上述优点促成了他的迅速发展。7 0 年代初，我国已经开展了对光纤通信的研 究。1 。现在国内已经广泛使用光纤通信：2 5 g b s 速率的告诉干线系统的建设已经成为主流， 1 0 g b s 的超高速干线系统也将得到推广。当今信息传输速度的瓶颈不在于光纤和光子器件， 而在于光纤两端的信号发射和接收电路，但是这些系统的核心收发模块集成电路目前几乎全 部从国外购买。因此开发具有自主知识产权、性能可靠、造价低廉商用化系统芯片用于光纤 传输的高速集成电路符合我国信息高速公路建设的迫切需要，也具有深远而现实的意义。 随着光纤通信的发展，作为数字光纤传输系统标准的同步数字体系( s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ，简称s d h ) 得到越来越广泛的应用。s d h 是从美国的光接口标准s o n e t 演化 而来的，解决了准同步数字序列( p d h ) 的缺点。c c i t t ( 现在的i t u t ) 建议定义了几个s d h 的基本传输速率，其中基本的是s t m 1 ，它的比特率是1 5 5 5 2 m b s 。而更高速率的s t m - n 信 号是通过n 个s t m 1 的字节复接而成，各自对应的比特率如表1 1 所示。 东南大学硕士论文 s t m 级别比特率 s t m 一11 5 5 5 2 m ：b s s t m 一46 2 2 0 8 m b s s t m 一1 62 4 8 8 g b s s t m 一6 4 9 9 5 3 g b s 表1 1s d h 系统中各s t m 级对应的比特率 1 2 光发射，接收模块描述 在光纤通信系统中，信息通过光纤传输。但信息的处理是通过电子电路进行的，在整个 光纤通信系统中就必然存在光电、电光接口电路，即光接收、发射芯片，如图1 1 所示。 4 x 2 茹聃抄吲鹌眵瓣妣聃 图11 光收发机模块图 在光发射芯片中，由时分多路复接器( m u x ) 把几路并行低速数据在时钟作用下复接 为一路高速信号；后接的激光驱动器( l dd r i v e r ) 放大高频宽带信号到足够大的幅度，产 生足够大的电流脉冲，来驱动激光二极管( l d ) 。载有信号的光波通过由光纤和中继器构 成的光纤信号传输到光接收芯片中。在接收单元中，光信号首先通过光检测器( p d ) 变换 成电信号：然后被低噪声前置放大器( p r e _ a m p ) 和随后的主放大器- ( a m p ) 放大，驱动数据 判决电路( d a t a d e c i s i o n ) ；判决电路对信号相位和幅度进行再生；然后数据流再经分接器 ( d e m u x ) 分解为原来的多路低比特率的信号，判决电路和分接所需时钟信号由时钟恢复 i 电路( c l o c kr e c o v e 忉产生。3 ” 光发射单元是整个光纤通信系统中非常重要的组成部分，它的性能尤其是驱动器部分的 性能决定了整个系统传输的信号的质量，包括误码率、传输容量、传输距离等一些重要的参 数。 激光驱动器电路是光纤传输系统中实现从数字信号向模拟信号转变、电压信号向电流信 东南大学硕士论文 号转变、电信号向光信号转变的关键电路。最初的驱动器都是使用分立元件实现”1 ，但是成 本、集成度、速度上都会受到限制；随着集成电路工艺的不断进步，特征尺寸向深亚微米发 展，晶圆尺寸不断增加，集成电路规模不断增大、速度不断提高，越来越多的片内驱动器得 到了设计和实现”。1 “，近年来更是有基于不同的工艺技术、应用于不同速率等级的驱动器陆 续得到报道。 1 3 光发射芯片性能 光发射芯片的性能是整个数字光纤通信系统技术性能的综合体现。衡量光发射单元性能 优劣主要通过调制电流输出幅度、抖动、比特率和眼图张开度等来衡量。 因为光发射单元直接和激光二极管相连，故输入到激光二极管的电流必须克服激光二极 管闽值电流的影响后才能使输出光束与输入电流成线性变化。因此光发射单元的输出电路必 须包括调制电流和闽值电流两部分，其中调制电流随着控制电压的变化而呈线性变化。 抖动是通信系统的重要性能指标。为尽量较小误码率，复接时应选择最佳的判决阚值， 并在最佳的判决时间进行取样。时钟的抖动将使判决偏离最佳的判决时间，增加误码。设计 时必须尽量减小信号，尤其是时钟信号的抖动。 电路工作的最高比特率是电路的重要特性之一；而眼图的张开度则说明了该电路工作的 情况，只有眼图张开充分才能尽量减小传输的误码率。 此外，功耗、可靠性、尺寸和性价比也是在设计光发射单元时需要考虑的重要因素。 在设计光发射芯片时需要综合考虑各种因素，使它的性能达到最优。 1 4 工艺选择 由于光纤通信系统一般都是工作在o b s 以上，大部分工作速率为g b s 的超高速集成电 路多用1 1 w 族工艺比如砷化镓( g a a s ) “或高速锗硅( b i c m o s ) 等工艺来实现，本文主 要采用o a a s i 艺s h b i c m o s i 艺来实现激光驱动器的设计。下面对这两种工艺进行下简单的介 绍。 0 2 u mg a a sp h e m t 工艺 o a a s 是优良的化合物固态材料。虽然目前g a a s l i l 艺在价格和大规模集成方面还不能s i 东南大学硕士论文 工艺相比，但是经过数十年的发展，已经逐渐成熟。与s i 相比，g a a s 有以下几个方面的优点： g e a s 中载流子的迁移率是s i 的四倍，因此可以制造初更快的半导体器件和集成龟路。 g a a s 晶体管的特征频率 可达2 0 0 g h z ，而目前最快的s i 晶体管只有不到l o o o h z 。对于 毫米波睁3 0 g h z ) 和超高速( 4 0 g b s 以上) 的电路而言，g a a s 工艺将占主导地位。 由于g a a s 材料特殊的物理特性，可以用来制作发光器件，如激光二极管和光电集成电 路，而s i 不行。 g a a s 衬底是半绝缘的，所以可以在其上面做出高性能的无源器件，如电感、传输线等。 g a a s 的器件i c 与s i 的相比，可以工作在诸如高温等恶劣的环境中。特别是g a a s 具 有很好的抗辐射性能，所以g a a s 器件和电路在宇宙航天方面有着特殊的应用。 基于g a a s 工艺的这些优点，我们选择了o m m i c 公司的o2 u m g a a sp h e m t 工艺进行 设计。这种工艺的有源器件是基于g a a i a s - - o a i n a s - - g a a s 的异质结构，通过m o v p e 法 生成。衬底厚度为6 2 0 u r n ，其电阻率大于1 0 7 q g m ，而前面介绍的c m o s 衬底的电阻率只 有8 1 2 nc m 。 该工艺的主要特点是：提供了两种晶体管增强型和耗尽型场效应管，这为集成电 路设计者选择电路形式提供了方便。这两种晶体管的典型参数列于表中；提供了两种二极管 g m 型和b e 型，他们的尺寸和饱和电流等特性不同，可以根据需要，适当的选取来用 混频、电平移位或者作为变容二极管使用：提供了两种电阻g a a s 电阻和n i c r 薄膜电阻， 前者适用于阻值比较大的场合，后者主要使用于需要阻值比较小但精度要求比较高的场合， 其方块电阻值为4 0 0 ；提供了两种m i m 电容电容值较小的s i 。n 。型和电容值比较大的 s i3 n 。+ s i 0 2 型；提供了供连接使用的两种不同厚度的金属b e 和i n ，其中厚金属n 的 厚度为1 2 5 u m ，可以用来制作螺旋电感：提供了空气桥，用于相邻次间的空气隔离以减少 寄生电容；提供衬底过孔接地，可以使衬底面前的金属于衬底背面厚度为3 5 u m 的金相连， 从而减少金属连接到地的寄生电感。 0 3 5 u mh b tb i c m o s 工艺 与c m o s 相反的是，双极器件在高速度、高驱动能力、高精度方面较c m o s 优越，因 此，一直在高性能电路领域占有重要地位。担它的功耗大，集成度较低。因此在高密度集成 方面，与c m o s 相比就相形见绌了。 最近几年迅速崛起的b i c m o s 技术可以将双极器件和c m o s 器件同时制作在同一芯片 4 东南大学硕士论文 上，使其互相取长补短，发挥各自的优势，引起了广大集成电路工作者的极大关注。目前对 b i c m o s 的看法有两种，一种认为b i c m o s 主要是在一些特定领域中应用，例如要求与e c l 、 t t l 接口的r a m 和门阵列、模拟一数字电路；另一种看法则认为，b i c m o s 将成为今后推 动所有i c 发展的主要技术。但无论任何看法，人们都看到了b i c m o s 既有双极电路的高速 度。又有c m o s 电路的低功耗这一优点。所以近年来许多i c 产家都不遗余力地去开发 b i c m o st 艺和产品。 1 5 集成电路设计流程 集成电路设计通常运用分层设计和模块化设计原理把一个复杂的集成电路系统逐级分 解为单元功能较简单的单元，如图1 2 所示。这样可以降低设计的复杂度、提高设计效率： 首先，确定系统的功能和主要技术指标，如功耗、电源电压、接口电平等：然后，根据系统 的性能要求确定电路结构，并选择合适的实现工艺；接下来用模拟软件l l j 口h s p i c e 、a d s 、 s m a r t s p i c e 、e l d o 等对电路进行模拟，对系统和选择的结构自底向上进行验证。如果验证系 统和模块的划分以及选择的结构能够实现设计要求，则继续对电路参数进行优化，充分挖掘 工艺潜力，否则需要重新选择结构甚至工艺；当最终模拟结果满足系统性能指标要求后，进 行版图设计。特别要说明的是在超高速电路中版图设计成为越来越重要的一环，好的版图能 够实现设计的要求并尽可能的减小寄生效应对电路性能的影响。最后提取版图的寄生参数进 行后仿真。如果后仿真结果不满足系统性能指标要求，则有必要对电路参数或版图进行修改， 直到后仿真结果满足系统性能指标要求；在完成版图验证和后仿真之后，将版图文件转化成 g d s i i 格式，交付芯片制造商流片：最后，对制作完成的芯片进行测试以确定功能是否达 到设计目标。 东南大学硕士论文 蜷 靼 叫 攫 怯 图1 2 集成电路分层设计流程 1 6 集成电路的设计要求 在集成电路的设计中基本要求如下： ( 1 ) 设计时间。设计时间不仅仅影响设计费用和产品成本，而且还会影响到新产品上市 参与市场竞争。设计时间过长，会使新产品失去投入市场的机会。 ( 2 ) 设计的正确性。由于集成电路的流片费用高，流片后电路是无法修改的所以集成 电路设计必须保证一次成功。设计失误带来的不仅仅是流片费用的损失，还有设计时间延误、 产品上市的推迟、竞争失败等一系列的损失。随着集成度的增加，在设计中引入错误的机率 也随着加大。目前在一个集成电路上所集成的是很复杂的电路甚至是一个系统，要对这样的 集成电路进行一次修改，所花费的代价是昂贵的。因此必须保证设计的正确性。 ( 3 ) 设计成本。影响集成电路的成本的因素包括硅片的工艺成本、平均成品率和每片的 集成电路数目等。 ( 4 ) 产品性能。产品性能主要取决于所选择的器件结构和电路形式，但是对于高速和低 6 东南大学硕士论文 耗的电路尤其是深亚微米集成电路设计，互连线的延时比逻辑门延时大的多，版图设计中的 布图与布线及其寄生参数对电路性能影响很大。因此要获得高性能的产品，在版图设计中布 局要紧凑，并尽量减小互连线长度；并且要使电路能在不同的温度、不同的工作环境和不同 模式下都能稳定地且差别较小的工作，提高电路稳定性。 ( 5 ) 集成电路设计的可测性。提高可测性主要是指牺牲一部分集成电路面积，引入测试 结构和电路用以检查和发现电路设计中可能存在的错误和制造工艺中可能出现的问题，验证 电路的功能，测试电路的性能。因为集成电路测试费用很高，有的专用集成电路的测试费用 高达设计费用的5 0 以上。通过可测性设计变不可测故障为可测故障，可以缩短测试时间， 减少测试数据量，减少甚至摆脱对昂贵测试设备的依赖，能从根本上降低测试成本，并增加 电路的可靠性。 1 。7 激光驱动器设计和论文结构安排 激光驱动器电路的设计实际是模拟集成电路的设计，属于全定制。电路设计从系统级开 始，包括指标定义、系统设计、子系统划分、单元模块设计、系统仿真、版图设计、版图验 证、版图寄生参数提取、后仿真、参t n m p w ( m u l t ip r o j e c tw a f e r ) 代工流片、在芯片测试、 封装测试等步骤。 本文将对用于光纤通信系统的激光驱动器的原理和设计方法作简要的介绍。从第二章开 始简要介绍光发射机系统定义和系统设计；第三章则简要叙述深亚微米集成电路设计流程和 设计时需要考虑的因素；第三章则是分别介绍g a a s i 艺s d b i c o m s 工艺激光驱动器的具体模块 电路设计和模拟结果：第四章是这两块电路版图设计要领和心得；第五章给出测试方案，并 在第六章进行了总结。 东南大学硕士论文 第二章光发射机系统 光发射机是数字光纤系统中的三大组成部分之一( 光发射机、光纤光缆和光接收机) 。 其功能是把激光驱动器输出的电脉冲转换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输所要求 的光脉冲信号波形从光源器件组件的尾纤发射出去。激光驱动器正好位于复接器和光发射机 之间，故设计激光驱动器之前必须对光纤及其工作方式和光发射机有所了解。激光驱动器的 输入接口是与复接器的输出相连，定义好了两者之间接口信号的速率、电平类型和匹配电阻 则既能独立工作，将来也能在片内连接两块电路，实现光发射芯片的单片集成。 2 1 光纤 光纤是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，按组成材料不同分为二氧化硅 ( 石英玻璃s i 0 2 ) 为主要成分的石英光纤、玻璃光纤、液态光纤和塑料光纤等；按照光纤内 部能传输的电磁场的总模数来分可分为多模光纤和单模光纤。光纤传输的主要参数包括衰 减和色散：其中光纤衰减主要包括吸收衰减、散射衰减、微弯衰减和接头衰减，只有光纤的 衰减降1 2 0 d b k m 以下才有实际意义。而光纤传输中的色散指的是集中的光能，比如光脉 冲通过光纤传输后在输出端产生能量分散，导致传输信号畸变。单模光纤没有模间色散，主 要色散包括材料色散、波导色散和折射率剖面色散；多模光纤的色散主要包括：模间色散、 材料色散、波导色散等，其中模间色散占主要成分。在数字通信系统中由于信号各频率成分 或模式成分的传输速度不同，在光纤中传输一段距离后将互相散开，脉冲加宽。严重时，前 后脉冲将相互重叠形成码间干扰，增加误码率、影响光纤的带宽，限制了光纤的传输容量。 2 2 调制方式 光纤通信中调制信号的处理有模拟和数字两种方式。由于激光器、发光二极管非线性比 较严重，故现代光纤通信系统绝大多数采用数字调制方式。 在光端机上，电信号对光的调制分两种：一种是在光源上，比如激光二极管上，直接改 变光源的输入电流来产生所需的光数字信号。这就是直接调制，也是目前使用最多的方法， 也是本文采用的方法。这种调制方式是光波的产生和调制在同一器件中( 即l d 或l e d 中) 完成的。实现容易、设备简单、成本低而且带宽较宽。另一种是外调制，一般是利用电光晶 东南大学硕士论文 体调制器在光源外部进行调制，激光器中的连续光波在光调制器中被所要传输的数字信号所 调制。外调制的调制速率略高，与内调制不同的是外调制中l d 或l e d 中注入的电流是不变 的。外调制的优点在于可以使得阻碍比特率提高的最大因素啁啾效应减小，从而获得更高的 比特率和更远的传输距离。运用外调制的实验传输系统已经能达到1 0 g b s 的比特率。“” 2 3 光源 光源是把电信号转为光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。光源器件的性能直 接影响着光发射机的主要性能指标。为了保证通信的质量，系统要求光源输出功率必须足够 大和光源发光的峰值波长应该在光纤低损耗窗口内。光源的工作波长和谱线宽度必须台适， 光源的温度特性要好，要能工作稳定、可靠寿命要长、使用方便；电光转换效率不能太低， 还应该省电。另外，光源的调制模式也在一定程度上影响通信系统的性能。 在目前的光纤通信系统中，常用的光源主要有1 ) l e d ( 发光二极管) ，2 ) l d ( 激光 二极管) ，3 ) 垂直腔体发射激光器v c s e l ( v e r t i c a l c a v i t y - s u r f a c e - e m i t t m gl a s e r ) ，4 ) 光调 制器等。它们工作原理不同，性能各有优缺点。从电路的角度看光源是驱动器的负载，为了 获得更好的系统性能，驱动器的设计必须要考虑光源的特性。 2 3 1 发光二极管( l e d ) 半导体发光二极管是利用半导体p - n 结自发发射的器件的统称。它的输出功率比较小 发射角比较大，与光纤的耦合效率较低。它的优点：首先是半导体发光二极管寿命很长，温 度效应比较小；其次输出光功率与注入电流的线性度比较好，具有较宽的频谱；然后价格便 宜，而且没有模式噪声。故它可以做为中短距离、中小容量的光纤通信系统的光源。“” 2 3 2 激光二极管( l d ) 半导体激光二极管是正向工作的器件，p 为正极、n 为负极。注入电流超过闽值电流后 激光束开始发射出来，发射的光为相干光。半导体激光器能产生大的输出功率，而且输出光 发射角窄，与单模光纤耦合效率高。 半导体激光器的特性主要包括闽值电流i c h 、输出功率p 。、微分转化效率卟峰值波长k 、 光束发射角0 n 与e 、脉冲响应时间等。p i 特性是选择半导体激光器最重要的依据，由 东南大学硕士论文 于激光二极管的载流子复合寿命短，可以直接进行高速直接调制，适合作高速长距离光纤通 信系统的光源。“” v l 如l a s e rc u r r e n t i 量 墨 董 金 图2 1 激光二极管电流、正向电压以及输出光功率之间的关系“7 1 图2 1 y d d 出了激光二极管正向电压与电流之间的关系以及激光器输出光功率与驱动电流 之间的关系，图中清楚给出了温度对激光器的影响。另外需要指出的是，激光二极管是一种 闽值器件。闽值电t e t h 表示激光二极管能够激励发射光量子的晟小电流( 产生连续的相干 光输出) 。为了使激光器快速开关、避免开关延迟，需要用稍大于阈值电流i t l l 的电流对激 光器进行偏置。激光二极管的输出光功率取决于驱动电流的幅度、电流到光功率的转换效率 以及激光二极管的微分转化效率。阈值电流和微分转化效率与激光二极管的结构、制造流程、 材料和工作温度都有关。当温度升高时阈值电流呈指数增跃，温度与阂值电流之间的关系可 以表达为： i t h ( t ) = i 。+ k ，e 7 协 ( 2 1 ) 其中，i 。、k ，和巧都是常量。 菪鲁。高。嚣口。 东南大学硕士论文 c u r r e n t ( m a ) 2 2 典型的l d 的p i 特性随温度变化曲线 斜率效率是指激光器输出光功率( 单位是r o w ) 与输入电流( m a ) 的比值，如图2 2 所 示，温度增加导致斜率效率下降。他们之间关系的表达式为 s ( r ) = s o k s e ”4 ( 2 2 ) 其中，s o 、k s 、五分别为与特定激光二极管相关的参数，比如某一种典型的d f b 激光 二极管的s o = 0 4 8 5 m w m a ，k s = o0 0 3 3 m w m a 、t s = 4 0 0 c 。 理想情况下，为了保证输出光功率的稳定偏置电流应该跟随阈值电流的变化，调制电流 应该跟随激光二极管斜率效率的变化。 在实际应用中，应该选择合适的最大、最小驱动电流，。、1 m m ，以获得合适的平均 光功率只，并使消光比最大。 只，= ( 尸m 。+ 。) 2 ( 23 ) = p m 。p m 。 ( 2 4 ) 激光二极管工作电压与输出工作电流之间的关系可以描述成以下的公式： 1 = i s e ”抑”咋) ( 2 5 ) 其中，s 是二极管饱和电流，是热电压，叩是制造常数。 东南大学硕士论文 一个简单的二极管模型如图2 3 所示 “( i _ 1 0 图2 3 激光二极管的简化等效模型 如图2 3 所示，直流偏移电压g 与激光二极管的带隙电压有关，r l 表示二极管的动态 电阻，输出光功率p o 等效为e o = s ( ，一l ) 。值得一提的是，一些寄生效应( 比如绑定线 电感) 在封装激光二极管后建模时必须加以考虑。 2 3 3 垂直腔面发射激光器 垂直腔面发射激光器是一种新型的半导体激光器，具有许多边发射激光器无法比拟的优 良特性，主要包括以下几点：由于其腔长比较短，垂直于衬底方向有较大的纵膜间距，可动 态单膜工作：适合长距离相干光通信；适合制成高密度二维光互联和信息处理：适合制成光 电子集成组件；有发射角小的圆形光束，便于光纤耦合；阈值比较低“”1 ；而且由于工艺上 的特别氧隔离方式，使得其具有高速和高转换效率的特点：它的发射波长通常在8 5 0 n m 左右。 2 3 4 光调制器 光调制器具有闽值电流低、闽值电流对温度不敏感等优点。在过去几十年中，几种不同 类型采用强度调制方式的外调制器已经被发展，这包括l i n b 0 3 ( l i t h i u m n i o b a t e ) 调制器、 半导体电吸收调制器( e a m s ) 、半导体m a c h z e h n d e r 调制器等等。与激光二极管直接调制 相比，采用光调制器对光波进行调制在啁啾可控制性、高速适用性等方面显得更有竞争力。 2 当前的大多数宽带调制器都基于两种物理特性：一种是线性光电效应( e o ，e l e c t o p t i c ) ， 1 ， 东南大学硕士论文 也被称为p o c k e l s 效应；另外一融是电吸收( e a ，e l e c t r o a b s o r p t i o n ) 效应。这两种效应都依 赖于龟场，这也裁是光诱籁秣运常棱称巍蔗控嚣俘的琢霹。4 3 线萑e o 效成是指菲线饿毙鑫 体的折射率豳于电场的存谯而改变的效威。折射率的改搬引起光波相位的改变，这可以在 m a e h - z e h a n d e r 干涉仪中转化为强度调制。电投收( e a ) 效艘是指材料在融场作用下，光吸收 系数改变瓣效应。当遥过e a 调囊材辩簿，毙信号按照联翱电场的强度袋一定毙镶逢被疆收。 对各种调制器而言，其性能主要体现予以下的参数：调制效率，偏搬的敏感度、频率啁 嗽、光损耗、饱和功率、消光比、壤置的稳定性、光带宽、线性度等。这些参数在一定程度 上决定了调制器的使用范溅。 l i n b 0 3m z m 最显著的优势是其具有最低的光损耗，麒所能处理的光功率在各种调制器 中也最大。因此在所有的m z m 调毒8 器中，l i n b o ，被认为憝其有最好性能的器件”。与e a m 相比，其还纂有较大鲍光带觉、啊啾为零或者可调、对温魔不被感等仇势。l i n b o ，m z m 调 制器缺点魑尺寸较大。由于具有偏置漂穆的问题，需要偏鬣控制电路。与e a m 相比，l i n b o ， 对德振更为敏感，所以一般程往用中霰要加傈偏控制。受外由予其与其健爨 牛难以集成，在 批量生产中造价较贵。 e a m s 娥显著的优势是尺寸较小，与具肖同样带宽和效率的l i n b o ，调制器相比，e a m 尺 寸是其只寸幻1 2 0 0 。e a m s 舄卦一个非常蘩簧的特点是能与d 糟激光器避行集成。“，劳被认 为最有可能猩某些对偏掘簧求比较苛刻的系统中得至6 应用。小的芯片尺寸一方面方便了应 用，同时也大大降低了造价。e a m 的驱动电压相对鞍低。与l i n b o ，m z m 相比，其缺点是 只毙够处理较小戆光功率、骤壤较大、光波带宽较小。 调制器术柬的发展是滋一步降低驱动电压与制造成本进一步提商集成度。把驱动电压 降低到3 v ，既能提高驱动嚣的效率同时降低驱动器的造价。如果把驱动电压降低到o 7v ， 劐将完全掺躲驱动器。“。 2 。4 光纤通信系统设计2 3 】 在避抒系统设计之裁，营先要确定整个系统完成斡珐能班及技术撩椽。 误码特性是光纤系统的重要指标，在避里误码率指的是系统在规定的较长时期内的平均 b e r ，称为嵌期平均b e r 。然而，对于一个易受外界环境影响的系统，臌然其长期平均b e r 可耱合格，健在菜一段时隈肉静b e 娟可缝远远超过可戳接受的求平。为了能正确反淤实际 系统的b e r ： 性，c c i t t 规定了一些其他的指标：劣化分( d m ) 、严煎误码秒( s e s ) 及 】3 东南大学硕士论文 误码秒( e s ) 。 抖动性能则是另一个重要的参数。抖动是指数字信号脉冲的有效瞬时相对于标准时间位 置的偏差，它包括输入信号脉冲在某一平衡位置附近的变化及提取的时钟信号在中心位置附 近的变化。抖动严重时可因接收脉冲移位而造成误码。抖动的单位为u i ，它表示单位时隙。 当信号脉冲为n r z 码时，1 - u i 为1 - b i t 占用的时间长度( 即l i f o ，f b 为码元速率) 。数字段各 次群容许输入抖动的容限必须符合c c i t t 建议o 8 2 3 和邮电部标准( y d j l 4 9 1 ) 。而数字段 的抖动转移特性要求抖动转移函数最大增益不大于l d b 。 关于飘动特性，光纤传输系统要求全程飘动指标不超过6 u s ，光纤时延变化3 5 p s k m 。 在光纤系统的设计中，为了保证系统的性能，需要考虑系统的功率预算和上升时间预算 等。 功率预算：功率预算的目的在于保证整个光纤通信系统在整个寿命期间有足够的光功率 到达光接收机使得系统的性能稳定可靠。接收机的最小光功率是接收机的灵敏度，发射机 输出光功率对特定的光发射机而言都是既定的。将功率用d b m 来表示的话，则功率预算可以 表示为： b = 只+ c l + m 。 ( 2 7 ) 式中的c 。为信道总损耗，包括所有可能的功率损耗源：比如光纤的分布损耗、连接器 损耗等。m s 为系统裕量，其意义在于分配一定量的功率，克服系统在整个寿命期间由于元 器件退化或其它不可预知的事件而引起的功率亏损，可以取为6 8 d b 。 在选好系统元器件后，可以根据式( 2 7 ) 估计最大的传输距离，并确定相应的工作波长以 及光纤。然后根据工作波长确定合适的光发射机以及接收机，当然还要考虑光发射机以及接 收机的响应速度是否满足系统的要求，也就是上升时间预算的问题。 上升时间预算的目的在于检验选用的光源、光纤以及检测器的响应速度是否满足系统设 计的要求，以确保系统在预定的比特率上能够正常工作。有时即使系统各个部分的带宽都超 过既定比特率的信号带宽，但整个系统还是有可能不能在该比特率下工作，那么上升时间预 算提出的意义就是用来在各个系统组成部分间分配带宽。一个线性系统的上升时间工定义 为在输入端加入阶跃信号时，系统响应从最终输出值的1 0 上升到9 0 所需要的时间。通常 线性系统的带宽厂与上升时间0 成反比，例如在a r c 电路组成的简单线性系统中： r = o 3 5 f ( 2 8 ) 1 4 末毒大学颧士论文 上升时间的容限一般可以确定为 r 0 3 5 1 3 r z 码 ( 2 9 ) t o 7 t 3s p z r 羁( 2 1 光波系统总的上升时阔决定于系统各缀成攀元鲍上舞时间，可表示为： 0 2 = 瑶+ 巧十瓦2 ( 2 1 1 1 上式中，矗、咒和瓦分别为光发射机、光纤、光接收机相鹿的上升时间：前者主要 决定予光发翦撬静毫系娩敬爱与光源穗关懿奄娥参数；螽者鬟l 主要凌定予接瞧桩兹薅魏3 d b 带宽。光纤盼上升时间则主要由色散参数决怒。 1 5 东南大学硕士论文 第三章超高速激光驱动器电路设计 3 。1 概述 一个基本的光发射杌包黼光发射爝阀班殿驱动电路，隧着系统集成魔静不断提离，现在 往往称其为光笈射模块。发光器件可以是片外期间，也可以是片内器件，由于受到工艺和应 翔场合等漂聪麓疆裁，要裁娃冀卦器 孛较多，在避 亍驱动壤籍设计时，设诗者必须事先了解 有关发光器件的重要数据，以建立其可用于电路模拟的模戳。在电路设计中需要注意的主要 有： ( 1 ) 发光器静的阑毽电流或电压。设诗者必霉i 摄据遮魏 耋来设诗台邋黪编萋宅路。圆为 只有当电路掇供的支流电流域直流电压超过这个闽值时，器件才会发光。 ( 2 )器件的发光原理。必须事先搞清楚是电流控制的发光器件。还是电压控制的，因为 这褥凌定其麓动电路器重邀溅驱动器还是奄搓驱动器；这霹j 孛驱动器存袭不穗熬电路结鞠静电 路特性。 ( 3 ) 发光器件的等效动态阻抗。因为谯混和集成( 将发光器件与驱动电路集成在超) 瓣嚣攘，存在菪疆撬錾嚣熬瓣麓。 ( 4 )发光器件的功率温度特性。因为发光器件的输出光功率会随湓度的变化产生十 分显著的起伏波动，而为了保证信号的可靠发送，输出的光功率必须稳定，所以再驱动电路 设诗中茬 烹彀含垂动瀑度按翻耱塞动功率技露l 功能毫路。 激光驱动器集成电路使光纤通信系统中光发射模块的关键芯片，其性能将直接影响艇个 传输系统的质量，包括误码率、传输容量和传输距离等戴疆指标参数。为了保证足够低的传 输误鸦率帮越够远豹蒋输溅离，激免器妊簇暴毒莲匏消觉毙帮游鹣辩髓，遮藏要求驱动瓣挺 供的调制电流或电压有较大的摆幅。通常，激光二级管需要的调制电流幅度要大于4 0 m a ， e a 调制器需要的调制电服爱- 2 v ，而l i n b 0 3 m - z 调制器的调制电压则需要5 v 。在c m o s 工艺孛，嚣舞豹高臻声和铰，l 、魏釜m 都给惫路莰谤带采了一定静垂难。勇耪，醚藿c m o s 鑫 体管特征尺寸的不断减少，尽管f t 增加了，但是器件的允许工作电压却越来越低，例如， o 3 5 u m c m o s 晶体管的工作电压为5 v ，i i 西o 1 8 u m c m o s 晶体管的工作电压只有1 8 v ，显 然这对要求寄犬翰鑫信号攒疆静驱翡器惫魏设诗是令不繁l 嚣素。考虑翔 瓣实嚣在蔫邃条停下 满足大信号输出的要求，对集成电路设计者而言，激光驱动器电路是个很有意义的挑战。 l s 东南大学硕士论文 3 。2 超离逮激光驱动器集成毫路豹基本结构 激光驱动器集成电路大致由四个部分缎成：电压参考源负责为片内的电流源提供稳 定的直流参考电压；直流偏蹩电路负责为激光二极管提供直流偏置电流；主电路一一由 超高速宽带放大器缝藏，负责为激毙二撮瓣捷供太嘱度的调稍电流或宅嚣；蜜动琏率 空髑电 路负责跟踪激光二极瞥的功率，建立反馈信号来自动调整偏置电流的大小和调制电流的 幅度。 其中，主电路豹设计决定了整个驱动器龟路驹佳箍，甑捂工作速度，镯镧电流或毫聪泛 输出摆幅，峰到峰的抖动，功耗等性能指标。所以，主电路的改进对性能的提高至关爨要。 作为离遄电路的通常选择，驱动器主电路大多采用源级糨舍场效应晶体管逻辑的差分结 构。它一般又颈放大器和输出驱动器蕴成 通常，预放大器由一到两级差分放大器构成在差分放大器之间采用源级跟随器逡接 笮用是阻抗燮换和电平移位，以保证下一级放大器有合邋麴工作点来获得鼹大的电压域菇。 为了获褥最够的电压增益采驱动输出级放大器，在我们的电路中，预放大嚣由两级差分瓣稳 成，如图所示，其中，是电流源的参滞电压，p k 。用来控制输出调制信号的大小。 下嚣对圭宅薅孛| l 冬差分放大嚣露源级鞭夔舞躲避露分凝。 3 2 1 差分放大器设计 放大器霹默分为单端藏大嚣和差分放大箍。攀漆放大秣中酶单端信号参考电平是一确定 电位，通常悬地；差分放大器“中的差分信号则通常具有两对信号，它们在某一电平附i 垃形 成互为反囱的电筮摆蝠，该电平称为共模魄匿，如图4 1 所示。相比于肇端信号，由予麓分 信号是透过穗互比较进行确定酌，利用差分信号能最大稔度遣棉毹噪声簿共模干扰。蜀外运 过差分操作，可以获得较为相近的上升、下降描特性，避免了单端信号出于晶体管开关特性 嚣导致的波黧不对称。差分放大器的两个对称的差分臀熬据长和栅宽应该完全一致，两 个负载阻抗大小、尺寸电成该完全一致。通过恰当的偏麓，应该使麓分对管工俸褒蟪帮 区。尾电流源也应该被偏鼹在饱和区，它的作用是抑制输入共模电平变化对场效应臀工 筝和输入电平变让的影响。 东南亢学硕士论文 圈3 1 单端与麓分电路中鲢傣号眈较( a ) 革端信号泊)