（电路与系统专业论文）12路并行40gbs+035μm+sige+bicmos高速激光驱动器设计与实现.pdf

摘要 摘要 进入2 1 世纪后，随着电信网络、计算机网络以及互联网络的快速发展，i t 业不断迅猛的发展， 通信领域尤其是以光波为载体、光纤为传输媒质的光纤通信发展十分迅速，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。在光通信系统中，光发射芯片是光纤通 信系统用集成电路芯片的主要部分，它主要由复接器和激光驱动器组成。激光驱动器位于发射系统 的末端，其主要作用是放大复接器输出的高速信号，从而驱动激光二极管发光，实现从电到光的转 换，因而激光驱动器是光发射芯片、甚至是整个光纤通信系统中非常重要的部分之一，o 是实现电 信号向光信号转变的关键电路，得到国内外研究机构的广泛研究。 论文基于j a z z 公n o 3 5 i t ms i g eb i c m o s t 艺，对1 2 路并行4 0 g b s 激光驱动器的设计与实现进行 研究，设计的难点在于激光驱动器的大输出电流要求输出级差分管尺寸很大，由此产生的大寄生电 容将严重限制电路的工作速度。另外消除各路信号之间的衬底耦合噪声是本次设计的另外一个难点。 设计的激光驱动器采用输入缓冲、差分放大电路、源极跟随级、电流开关级与输出缓冲级电路级联 结构。为降低输出开关与射极跟随器之间的负载电容，电路采用交叉耦合密勒电容消除技术。此外， 为避免衬底耦合噪声的- t 扰，电路采用了一种并行放人器的隔离技术。芯片面积为4 lm m 2 。测试结 果表明芯片的- t 作速率可以达到3 3 1 8 g b s ，输出驱动电流在5 m a 至2 0 m a 之间可调，测试眼图清晰。 在峰值输出电流为6 m a 时，单路激光驱动器电路功耗为8 8 m w ；在峰值输出电流为2 0 m a 时，单路激 光驱动器电路功耗为1 8 8 m w ，电路一次流片成功，测试结果满足设计要求。 现阶段我国光纤通信系统中用到的芯片主要来自国外，所以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十分迫切。本文设计的1 2 路并行4 0 g b s 激光驱动器可以应用 于甚短距离( v s r ) 光传输系统中。 【关键词】 光纤通信系统激光驱动器直接耦合交叉耦合 s i g eb i c m o s 沟道长度调制 a b s t r a c ：t 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 ft 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 di n t e r n e ta f t e rt h e w o r l de n t e r st h e21s tc e n t u r y , i ti n d u s t r ya n dt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sd e v e l o pr a p i d l y , e s p e c i a l l yi n 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 sw h i c hb a s eo nt h el i g h tw a v ea n do p t i c - f i b e r , a n di t h a sa l r e a d y b e c o m et h em a i np a r to ft h ei 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 sa r es u i t a b l e f o rm a n yk i n d so fm u l t i d a t as e r v i c ef o ri t sm e r i t ss u c h 弱g 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 eo p t i c a lt r a n s c e i v e ri ci so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp a r t so fa 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 nt h et r a n s m i td i r e c t i o n i n c l u d e st w oc r i t i c a lp a r t sw h i c ha r em u l t i p l e x e rc i r c u i t ( m u x ) a n dt h el a s e rd i o d ed r i v e r ( l d d ) t h el d d i sa tt h ee n do ft h et r a n s c e i v e rc i r c u i t ，a n 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 f i f - s i g n a lf r o mt h e m u xt od r i v e rt h eo p t i c a ld i o d et os h o o t i ti st h ec r i t i c a lp a r tt oc h a n g et h ee l e c t r i c a ls i g n a lt ol i g h t , s oi ti s o n eo ft h eh o tt o p i c so fr e s e a r c h e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa12 一c h a n n e l sp a r a l l e l4 0g b sl a s e rd i o d ed r i v e r c i r c u i tf a b r i c a t e db y0 3 5 p ms i g eb i c m o st e c h n o l o g yf r o mj a z z t h ed i f f i c u l t yo ft h i sd e s i g nf o c u so n h o wt od e c r e a s et h ep a r a s i t i c a lc a p a c i t a n c eo ft h el a r g es i z eb i p o l a rt r a n s i s t o ra tt h eo u t p u ts t a g e ，b e c a u s ei t a f f e c t st h es p e e do ft h ec i r c u i ts e r i o u s l y a l s oh o wt oa v o i ds u b s t r a t ec o u p l i n gn o i s eb r o u g h tb yt h eu n i t n e a ri ti sag r e a tc h a l l e n g et ot h i sd e s i g n e m p l o y i n gs t r u c t u r eo fi n p u tb u f f e r , d i f f e r e n t i a la m p l i f i e r s ，s o u r c e f o l l o w e r , c u r r e n ts w i t c ha n do u t p u tb u f f e r , t h ec i r c u i tc a l lp r o v i d e5 m at o2 0 m aa t3 318 g b s t om i n i m i z e t h el o a d i n gc a p a c i t a n c ep r e s e n t e db yt h eo u t p u ts w i t c ht ot h ed y n a m i ce m i t t e rf o l l o w , ac r o s s - c o u p l e d m i l l e rc a p a c i t a n c ec a n c e l l a t i o nt e c h n i q u ei su s e d a l s oa ni s o l a t i o nd e s i g no fp a r a l l e la m p l i f i e r si s p r e s e n t e dt oa v o i ds u b s t r a t ec o u p l i n gn o i s e t h et e s tr e s u l t ss h o ww h e nt h eo u t p u tc u r r e n ti s6 m a ，t h e p o w e rc o n s u m p t i o no fs i n g l ec i r c u i ti s8 8 m w ；a n dw h e nt h eo u t p u tc u r r e n ti s2 0 m a ，t h ep o w e r c o n s u m p t i o no f s i n g l ec i r c u i ti s1 8 8 m w t h ec h i ps i z ei s 4 x 1m m 2 i no u rc o n t u r yn o w , t h ec h i po fo 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 mi sa l m o s tf r o mo u tw o r l d s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt od e s i g nh i g hs 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 ns y s t e m sw i t hi n d e p e n d e n t p r o p e r t y o u r12 - c h a n n e l sp a r a l l e l4 0g b s l a s e rd i o d ed r i v e ra d a p t st ov s ro p t i c f i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m k e y w 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 ns y s t e m l a s e rd i o d ed r i v e rd i r e c tc o u p l e dc r o s sc o u p l e d s i g eb i c m o s c h a n n e ll e n g t hm o d u l a t i o n l i 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：鲤链日期：望望：堕：! 矿 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( 包括书登) 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。 第l 章概述 第1 章概述 1 1 光纤通讯系统及s d h 标准 近年来随着社会的发展，信息交换量与日俱增，这就要求通信系统的传输速率不断提高，以满 足高速增长的信息传递要求。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，适于多种通信数据业务，优点突出，发展迅猛，是未来宽带通信网络的发展方向。 近代通信主要可以分为电通信和光通信两类。电通信分为有线以及无线通信，技术上已经比较 成熟，但是在传输速率和传输容量方面都i ；现了瓶颈。而光通信则是当代通信领域的最新成果，是 以光波作为载波、以光纤作为传输介质的一种先进的通信手段，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i i j 。 与其他通信方式相比，光纤通信具有以下一些的优点1 2 l ： ( 1 ) 原料为石英，来源丰富，节省铜、铝等大量有色金属能源； ( 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； ( 4 ) 输入与输出之间电隔离，能抗电磁干扰、防闪电雷击； ( 5 ) 光纤间无漏信号和串音，安全可靠、保密性强； ( 6 ) 抗腐蚀、抗辐射、抗酸碱； ( 7 ) 传输频带宽，通信容量大。 光纤通信的上述这些优点使其成为当代最热门的通信方式。我国开展对光纤通信的研究可以追 溯到卜世纪7 0 年代初。如今国内已经广泛使用光纤通信2 5 g b s 速率的高速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。同时由于在光源、传输介质方面研究的进展促成了 光纤通信的实际应用。另外由于光纤通信系统能够提供高速、低损耗、高保真、多址访问的信号传 输，使其在今天的广域网w a n 、城域网m a n 和局域网l a n 中得到了广泛的应用。 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l 乜路目前几乎伞部从国外购买。因此开发具有自主知识产权、性能 可靠、造价低廉商用化的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，本 着上述原则，我们设计实现的l d d 就是源于中国科学院半导体所的光发射模块项目，具有重要的应 用价值。 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 标准是国际电信联盟电信委员会( i t u - t ) 的前 身国际电报咨询委员会( c c r r t ) 规定的两种基本复用标准之一，是从美国的光接u 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。为了适应欧洲的接u 速率，s d h 被c c i t t ( 现在的 i t u t ) 采用为全球传输标准。c c i t t 定义了s d h 几个基本传输速率，其中最基本的传输速率是 s t m 1 ，它的比特率是1 5 5 5 2 m b s 。更高速率的s t m n 信号是通过n 个s t m 1 字节交错获得的【3 1 。 它们各自对应的比特率如表1 1 所示。 东南大学硕士学位论文 表1 1s d h s o n e t 的系统标准 s d hs o n e t 系列 比特率( m b s ) 系列 比特率( m b s ) s t s 15 i 8 4 0 s t m 1 1 5 5 5 2 0 s t s 31 5 5 5 2 0 s t s 94 6 6 5 6 0 s t m 4 6 2 2 0 8 0 s t s 1 26 2 2 0 8 0 s t s 1 89 3 3 1 2 0 s t s 2 41 2 4 4 1 6 0 s t m - 1 62 4 8 8 3 2 0s t s 4 82 4 8 8 3 2 0 s t s 9 64 9 7 6 6 4 0 s t m 6 49 9 5 3 2 8 0s t s 1 9 29 9 5 3 2 8 0 1 2 光纤通信的发展历史 光通信的发展可以追溯到“烽火台”报警、旗语等这些古老的方式。直到十九世纪四十年代，法 国物理学家j a c q u eb a b i n e t 证实了光能够沿水射流传播：十九世纪末，科学家发现了光可以在石英棒 内部传播，这是光纤的雏形；1 9 5 4 年，a b r a h a mv a i lh e e l ，h a r o l dh o p k i n s 和n a f i n d e r 这三人独白发 表了削光纤传输图像的想法；与此同时，b r i a no b f i e n 意识到裸光纤将会把大部分能量消耗到周围环 境中，这激发a b r a h a mv a nh e e l 新的想法：把光纤芯包裹起来以降低损耗，但是损耗依然很高 0 0 0 0 d a k m ) ，大大限制了应用。 2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 2 年第一只半导体激光器诞生，随后半导体光检测器也研究成功。 1 9 6 6 年英籍华人科学家高锟与h o c k h a m 提出用玻璃可以制成衰减为2 0 d b k m 的通信光导纤维， 1 9 7 0 年美国康宁公司首先制出了2 0 d b k m 的光纤，这标志着光纤通信系统的实际研究条件得以具备。 2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 0 年发明了l d 的双异质结构，使得光源与光检测器的寿命都达到了l o 万小时 的实用化水平。1 9 7 9 年发现了光纤1 3 1 0 n m 平q 1 1 5 5 0 n m 新的低损耗窗口，紧接着单模光纤问世。光纤的 衰减系数一下降n o 5 d b k m 。这使得光纤通信迈进了实用化阶段，从8 0 年代初开始光纤通信便大步 地迈向了市场。 2 0 世纪9 0 年代初。19 8 9 年掺铒光纤放大器e d f a 的研制成功是光纤通信新一轮突破的开始。e d f a 的应用不仅解决了光纤传输衰减的补偿问题，而且为一批光网络器件的应用创造了条件。使得光纤 通信的数字传输速率迅速提高，促成了波分复用技术的实用化。 光纤通信是目前世界上发展最快的领域，平均每9 个月性能翻一番、价格降低一半，其速度已超 过了计算机：占片性能每1 8 个月翻一番的摩尔定律的一倍。在短短的3 0 多年时间里已经经历了五代通 信系统的使用。 目前，光纤通信技术日益成熟，1 2 5 g b s 以及2 5 g b s 的光纤通信系统已得到广泛应用，1 0 g b s 速率的超高速光纤通信系统正逐渐得到推广并将成为未来高速通信系统的丰流。回顾光通信技术的 历史，光纤通信的发展可以分为下面几个阶段1 2 j ： 第代光纤通信系统2 0 世纪7 0 年代后期投入使用，采用8 5 0 n m 波长段的多模光纤系统，传输比 特率在2 0 - - 1 0 0 m b s 之问。 第_ 代光纤通信系统2 0 t 廿= 纪8 0 年代中期投入使用，采h j l 3 1 0 r i m 波长段的单模光纤通信系统。可 传送准同步数字体系( p d h ) 的各次群信号，最高传输速率可达1 7 g b s 。 第三代光纤通信系统2 0 世纪8 0 年代后期投入使用，采用1 5 5 0 n m 波长段的单模光纤通信系统。应 用在同步数字体系( s d h ) 光纤传输网，传输速率达2 5 g b s 。 第四代光纤通信系统采用光放大器增加中继距离，采用波分复用和频分复用技术提高传输速率， 2 第l 章概述 已完成的单信道速率为2 5 g b s 。2 0 世纪9 0 年代初光纤放大器的研制成功并投入使用，已经引起了光 纤通信的重大变革。 第五代光纤通信系统是利用光纤的非线性压缩，抵消由于光纤色散产生的脉冲展宽的新概念产 生的光孤子，来实现光脉冲的保形传输。 1 3 集成电路工艺介绍及工艺选择 集成电路发展迅猛，不同的工艺适用于不同的设计要求和电路类型。表1 2 1 4 1 歹1 j了不同的半导 体材料所实现的集成电路工艺，不同类型的集成元件，从而可以得到不同种类的集成电路和集成度。 表i 2 不同材料对应的工艺元件逻辑电路与规模 材料 上艺 元件电路形式电路规模 s i - b i p o l a rd ，b j t ，r ，c ，lt t l ，e c l ，c m l l s i s i l i c o n ( 硅1 c m o s d ，p n m o s ，r ，c ，l c m o s s c lg s i b i c m o s d ，p n - m o s ，r ，c ，l ，b j t c m o s e c lu l s i s i g e ( t 锗) b j c m o s d ，p n - m o s ，r ，c ，l ，h b te c l s c l ，c m o s v l s i m e s f e t d ，l d ，p d ，m e s f e t ，r ，c ，l s c lv l s i g a a s o f $ 化镓) h e m t d ，l d ，p d ，h e m t ，c ，l s c lv l s i g a a s ( 砷化镓) h b t d ，l d ，p d ，h b t , r c ，l e c l ，c m ll s i h e m t d ，l d ，p d ，h e m t r ，c ，l s c l 。c m lm s i l n p ( 磷化铟) h b t d l d ，p d ，h b l r c ，l s c l c m lm s i 光纤通信系统一般都是工作在g b s 级速率以上，大部分工作速率为g b s 的超高速集成电路多用 高速双极性硅或l l l n 族工艺比如砷化镓( g a a s ) 工艺等来实现1 5 】。从上表中可以看出，集成电路的 种类是比较多的，但是哪种工艺比较好，这是很难定论的，实际上每种工艺都是有各自的特点：g a a s 、 i n p 和i l l i v 族工艺成本比较昂贵、功耗大、集成度低并且工艺支持特别是国内的代工服务支持不够。 c m o s i 艺成本低、工艺成熟简单，但标准电源电压低，激光驱动器设计中经典的差分放大接源极 跟随器的结构无法使用。双极性硅工艺具有高速度、高跨导、低躁声等特性，因而被广泛应用。而 s i g eb i c m o s 工艺更是集合了c m o s 工艺集成度高、功耗低和双极性器件驱动能力强的特点，因此 本次设计采用j a z z 公司的0 3 5 9 ms i g eb i c m o s 工艺进行电路设计。 1 4 集成电路设计流程 为了保证性能的实现，不但需要选择适合的实现工艺，尽量挖掘工艺潜力，还要在电路实现中 按照标准的设计流程进行设计。如图1 16 j 所示，是通常采用的高速集成电路设计流程示意图。为了 简单起见，忽略了有些步骤问的迭代关系。 在设计电路之前，首先要分析电路的功能以及技术指标，提出所谓电路的定义；然后根据电路 的功能定义，采用模块化的思想，把系统按照电路功能进行分解为子系统，再划分为功能模块，最 后划分为基本单元；根据成本等角度选用适合的实现工艺，通过计算，得到电路单元的实现结构， 然后通过电路仿真对系统从底向上进行细致验证。 对电路设计来讲，流片之前的电路后仿真是非常重要的，能有效预测电路的性能，使得设计者 在设计过程中占有丰导的地位。通过仿真能大大降低苇复设计与流片的次数，有效降低设计的周期 与费用。不仅如此，通过软件对电路进行仿真，设计者能够得到优化电路参数，充分挖掘工艺的潜 力，扶得最佳的i 乜路性能。 3 东南大学硕- 上学位论文 另外，为了最终获得较佳的测试结果，版图设计也非常重要，特别是在高速、高频电路中。需 要强调的是，在高频电路设计中，版图与电路设计是一个密不可分的整体。随着频率的升高，分布 寄生参数对电路的性能影响越来越大。这时候要通过寄生参数提取以及电路后仿真步骤使得电路与 版图之间互丰甘进行验证。 图1 1 集成电路设计流程图 在电路模拟工具上，有多种优秀的软件，如h s p i c e 、e l d o 、a d s 、s m a r t s p i c e 等。版图设计软件 有c a n d e n c e 、熊猫九天等。在后仿真通过后，就可以进行：卷片制造。当然在芯片制造后，还要进行 芯片在片测试、封装测试、键合测试等，这里不再赘述。 1 5 设计内容与设计指标 本课题来源于国家8 6 3 项目。项目要求奉次设计的激光驱动器用来驱动1 2 路共阴级的激光器， 其主要性能参数如下l ”1 ： 单路信号速率： 4 g b s ： 连续正向电流( c o n t i n u o u sf o r w o r dc u r r e n t ) ：3 - 1 5 m a ； 连续反向电压( c o n t i n u o u sr e v e r s ev o l t a g e ) ：5 v ( l o 衅) ； 阈值电流( t h r e s h o l dc u r r e n t ) ：1 5 2 5 m a ； 电光转换效率( s l o p ee f f i c i e n c y ) ：0 3 - 0 7 w a ； 工作电压( o p e r a t i n gv o l t a g e ) ：2 2 4 v ： 动态电阻( d y n a m i cr e s i s t e n c e ) ：2 0 “0 q ； 根据激光器的性能参数确定本次设计的激光驱动器的性能指标如下： 单路信号速率： 3 31 8 g b s ； 电源电压： 5 v ： 工艺：j a z z0 3 5 9 ms i g eb i c m o s ； 信道数：1 2 路并行输出 阈值电流可调，其调整范围为：l 5 m a ： 输出调制电流幅度可调，其调整范围为：5 2 0 m a 。 4 第l 章概述 1 6 论文组织 激光驱动器电路设计属于模拟集成电路的设计。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、 参加m p w ( m u l t i p r o j e c tw a f e r ) 代1 流片、在芯片测试、键合测试等步骤。 从第2 章开始简要介绍光纤通信系统定义和系统设计；第3 章则简要的介绍了s i g eb i c m o s 工 艺的发展应用以及工艺的特点；第4 章则分解介绍激光驱动器电路和版图设计要领、心得以及模拟 结果：第5 章主要介绍了给予本次设计电路的多种测试方案并对各种结果进行对比，最后在第6 章 对所做工作进行了总结。 5 第2 章光纤通信系统 第2 章光纤通信系统 光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过 光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和 光接收机组成。其中数据源包括所有的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得 到的信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，先后用过的光波 窗1 2 1 有0 8 5 i _ t m 、1 3 l g m 和1 5 5 9 m 。光学信道包括最基本的光纤，还有中继放大器e d f a 等；而光 学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后符至毒对应的话音、图象、数据 等信息l 们。 2 1 系统组成 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2 1 所示。系统主要由三部 分组成：发射系统、传输系统、接收系统p l 。 ( 1 ) 发射系统：主要由复接器、激光驱动器、发光器件三部分组成。发射系统的主要任务是将电学的 数字信号转变为数字的光信号。 ( 2 ) 传输系统：主要由光纤组成。传输系统主要任务是引导光信号从一端稳定可靠的传到另一端。 ( 3 ) 接收系统：主要由光电检测器、前置放人器、主放大器、数据判决电路、时钟恢复电路、分接器 组成。接收系统的主要任务是将接收到的一路高速的光信号转变为儿路低速电信号。 图2 1 光纤通信系统框图 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，来驱动激光二二极管( l d ) 。载有信号的光波通过 i 】光纤和巾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，驱动数捌判决电路( d a t ad 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电路( c l o c kr e c o v e r y ) 产生。 7 东南人学硕上学位论文 从广义上讲，一个光发射机包括发射方面的所有电路，即信号源的接1 ：3 、复接器、光波发射器 件及其驱动电路等等，而狭义上讲，个光发射机仅包括光波发射器件及其驱动电路。这样，光发 射机电路的设计主要就是指驱动电路的设计。 激光驱动器电路则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。最初的驱动器都是使用分立元件实训7 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实现，近年来更是 有基于不同的上艺技术、应用于不同速率等级的驱动器陆续得到报道。 2 2 光发射芯片性能指标 光发射芯片的性能是整个数字光纤通信系统技术性能的重要体现。衡量光发射单元性能优劣主 要通过调制电流输：l 幅度、抖动、比特率和眼图张开度等米衡量。 ( 1 ) 因为光发射单元直接和激光极管相连，故输入到激光二极管的电流必须克服激光极管阈 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 电流和阈值电流两部分，其中调制电流随着控制电压的变化而呈线性变化。 ( 2 ) 抖动是通信系统的晕要性能指标。为尽量较小误码率，复接时应选择最佳的判决阈值，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。 ( 3 ) 电路t 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。 2 3 光纤 应用于目前通信系统的光纤有多种类型，按照传输模式可以分为多输以及单模光纤两种。光纤 作为光纤通信的信道，其功能就是将光信号从光发射机不失真地传送到光接收机，因此其性能直接 决定了信息传输的距离以及传输质量。光纤的基本特性参数是损耗以及色散，其单位分别是d b k m 和p s ( n m k m ) 。当光纤作为光纤通信的媒质在1 9 6 6 年被提出之后，其卓越的特性导致了光纤通信的 高速发展，迄今为止已经经历了三代l 引。 在早期的光纤通信中，由二r 缺乏长波长光源，系统通常采用短波长( o 8 9 m ) 的多模光纤，其色 散以及损耗都比较大，因此主要用于短距离低速通信系统中，即第一代光波系统。在1 3 9 m 的光波 系统中，光纤有多模以及单模两种。1 3 9 m 靠近零色散波长处，光纤色散比较低，由于形成第代 光波系统。用于1 5 m 光波系统的光纤为单模光纤，色散比较大，一般在1 6 - - - 2 0p s ( n m k m ) ，但损耗 很低，可以用于长距离、高速光纤通信中，即是所谓第三代光波系统。但其色散较大的缺点也对光 源的调制等造成一定的影响。为了降低1 5 9 i n 单模光纤的色散。又发展了一种新的单模光纤，成为 色散位移光纤( d s f ) ，其损耗约为0 2 5 d b k m ，色散参数在l p s ( n m k m ) ，显而易见这种光线具有 更大的信息传输能力。 8 第2 章光纤通信系统 2 4 光源 光源是光纤通信的关键元件，其性能直接影响着光发射机的性能指标。为了保证通信的可靠性， 光纤通信系统对光源的波长、输出光功率、可靠性、光谱宽度、光源与光纤耦合效率等提出了一系 列要求。另外光源的调制模式也在一定程度影响着通信系统的性能。 在日前的光纤通信系统中，常用的光源有：( 1 ) 发光极管( l e d ) ；( 2 ) 激光二极管( l d ) ；( 3 ) 垂直 腔面发射激光暑$ 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 i n gl a s 哪；( 4 ) 光调制器等。这几种器件具有不 同的工作原理，在性能上具有各自的优缺点。从电路角度来看，光源是驱动器的负载。 2 4 1 发光二极管 发光_ 极管是一个正向偏置的p n 同质结，电子空穴对在耗尽区辐射复合发光，即是所谓电致 发光，其产生的功率由正向偏置电压产生的注入电流提供。发光二极管结构简单，发射出的光波是 非相干光，具有较宽的频谱( 典型值是几十到几百n m ) 和较大的发射角( = 1 0 0 0 ) ，适合于低速、短 距离广播系统中。 2 4 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。注入电流超过阂值电流后激光束 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阈值电流i m 、输出功率尸d 、微分转化效率叩、峰值波长如、光束发 射角印与8 山、脉冲响应时间而等。p i 特性是选择半导体激光器最重要的依据，由于激光二极管 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1 6 。 曛 米 茁 舞 幽 脚 i u t l1 1 1 1 2i 图2 2 激光二极管电流、正向电压以及输出光功率之间的关系 图2 2 给出了激光极管正向电压与电流关系以及激光器输出光功率与电流关系，在图中给出 了温度对激光器的影响。需要指出的是，激光二极管是一种阈值器件。阈值电流i t 表示激光二极管 能够激励发射光量子的最小电流。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 以的电流对激光器进行偏置。激光二极管的输光功率取决于驱动电流的幅度以及电流到光功率的 转换效率( 有时也叫做斜率效率：激光器输出光功率( 单位是m w ) 与驱动电流( m a ) 之比) 。斜率效 率和闽值电流都与激光极管的结构、制造流程、材料和工作温度都有关i 丌。 当温度升高时阈值电流早指数增长，温度与闽值电流之问的关系可以表达为： 9 东南人学硕上学位论文 其中，l 、k i 和乃都是常量。 鼍 v 簪 霞 燕 骥 碗 l t h ( t ) = i o + k 1 0 口 ( 2 1 ) l 乜漉r a t a ) 图2 3 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m w ) 与输入电流( r n a ) 的比值，如图2 3 所示，温 度增加导致斜率效率下降。它们之间关系的表达式为 s ( 丁) = s o k s e “i s ( 2 2 ) 其中，s o 、k s 、b 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 = o 4 8 5 m w m a ，k s = 0 0 0 3 3 m w m a 、r s = 4 0 u 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m a x 、m n ，以获得合适的平均光功率p a v ， 并使消光比最大。 匕矿= ( p m 强+ e m i n ) 2 ( 2 3 ) r e = 尸m i n 激光二极管_ t 作电乐与输出工作电流之间的关系可以描述成以下的公式： i = l q 吩 其中厶是二极管饱和电流，所是热电压，叮是制造常数。 一个简单的二极管模型如图2 4 所示： 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第2 章光纤通信系统 。( 1 i 如) 图2 4 激光二极管的简化等效模型 如图2 4 所示，直流偏移电压与激光二极管的带隙电压有关，凡表示二极管的动态电阻，输 出光功率如等效为己= s ( x i , h ) ，s 为常数。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 4 3 光调制器 光调制器具有阈值电流低、阈电流对温度不敏感等优点。在过去几十年中，已经研制出采用强 度调制方式的几种不同类型外调制器，这包括l i n b 0 3 ( l i t h i u mn 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1 8 】。 当前的大多数宽带调制器都基j 二两种物理特性：一种是线性光电效应( e o ，e l e c t o p t i c ) ，也被 称为p o c k e l s 效应；另外一种是电吸收( 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电场，这 也就是光调制器通常被称为压控器件的原因1 1 3 1 。线性e o 效应是指非线性光晶体的折射率由于电场的 存在而改变的效应。折射率的改变引起光波相位的改变，这可以在m a c h z e h a n d e 斤涉仪中转化为强 度调制。电吸收( e a ) 效应是指材料在电场作用下，光吸收系数改变的效应。当通过e a 调制材料时， 光信号按照所加电场的强度成一定比例地被吸收。 对各种调制器而言，其性能主要体现于以下的参数：调制效率，偏振的敏感度、频率啁啾、光 损耗、饱和功率、消光比、偏置的稳定性、光带宽、线性度等。这些参数在一定程度上决定了调制 器的使用范围。 l i n b 0 3m z m 显著的优势是其具有最低的光损耗，其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 调制器中，l i n b 0 3 被认为是具有最好性能的器件例。与e a m 相比，其还具有较大 的光带宽、啁啾为零或者可调、对温度不敏感等优势。l i n b 0 3m z m 调制器缺点是尺寸较大。由于 具有偏置漂移的问题，需要偏置控制电路。与e a m 相比，l 烈b 0 3 对偏振更为敏感，所以一般在应用 中需要加保偏控制。另外由于其与其他器件难以集成，在批量生产中造价较贵。 e a m s 最显著的优势是尺寸较小，与具有同样带宽和效率的l i n b 0 3 调制器相比，e a m s 尺寸是其 尺寸的1 2 0 0 。e a m s 另外一个非常重要的特点是能与d f b 激光器进行集成，并被认为最有可能在某 些对偏振要求比较苛刻的系统巾得到应用。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 的驱动电压相对较低。与l i n b 0 3m z m 相比，其缺点是只能够处理较小的光功率、嘣啾较 大、光波带宽较小。 调制器未来的发展是进一步降低驱动电压与制造成本，进一步提高集成度。把驱动电压降低到 3 v ，既能提高驱动器的效率同时降低驱动器的造价。如果把驱动电压降低到0 7 v ，则将完全排除驱 动器1 1 4 l 。 东南大学硕_ 上学位论文 2 4 4 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- 瓦联和信息处理；适合制成光电子集成组件；而且由 于工艺卜的特别氧隔离方式，其光、电极相隔距离很近，使得其具有高速和高转换效率的特点。 同时与传统的边发射激光器相比，v c s e l 更加低廉，在光纤耦合效率等方面也具有自己独特的 优势：另外其阈值电流较低【1 0 1 0 t l 。其在工艺上容易实现高密度的阵列集成，发射波长通常为8 5 0 n m 左右，因此该器件在v s r 并行光连接系统中被认为是理想的光源。 2 5 光纤通信系统设计1 1 2 i