基于前饋均衡和脈沖均衡技術(shù)的25Gbps VCSEL驅(qū)動電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖通訊【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為基于前饋均衡和脈沖均衡技術(shù)的25Gbps?VCSEL驅(qū)動電路。本發(fā)明根據(jù)前饋均衡和脈沖均衡兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上增加一路脈沖均衡電路，使得驅(qū)動器在面對芯片PAD寄生電容和bonding線寄生不確定性時，應(yīng)用更加靈活，提高眼圖的高度和寬度。電路具體設(shè)計的如下：25Gb/s的數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過一個緩沖器后分為三路，其中，路徑一為主路徑，提供VCSEL所需的主要調(diào)制電流；路徑二為FFE均衡路徑，提供FFE均衡電流；路徑三為脈沖式均衡路徑，提供脈沖均衡電流；三個路徑產(chǎn)生的電流在驅(qū)動電路的輸出端直接線性疊加。
【專利說明】基于前饋均衡和脈沖均衡技術(shù)的25Gbps VCSEL驅(qū)動電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種采用兩種均衡技術(shù)的高速VCSEL驅(qū)動電路設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]高速光通信收發(fā)芯片是實現(xiàn)100G光通信系統(tǒng)的核心。由于VCSEL器件和芯片PAD寄生的電容以及bonding線寄生電感的影響，25Gb/s的VCSEL驅(qū)動電路設(shè)計遇到很大的挑戰(zhàn)。前饋均衡(FFE)技術(shù)有FIR類似的電路原理，電路實現(xiàn)起來方便容易，能很有效的對改善信號的上升下降時間，消除負載寄生電容對高頻信號帶來的衰減影響，現(xiàn)在已經(jīng)用于一些高速的VCSEL驅(qū)動電路設(shè)計中。從圖2(a)的二階前饋均衡(FFE)的原理可以看出，它將兩路/[目號中的一路/[目號經(jīng)過反相和延時后，調(diào)整其幅度后幅度與另一路彳目號進行置加，在信號的上升下降沿產(chǎn)生一個脈沖補償信號的高頻成分提高其抗衰減能力。但是在25Gb/s時，bonding線的寄生電感變得不可忽略，由其和芯片PAD寄生電容造成的紋波，嚴重時會使得數(shù)據(jù)眼圖出現(xiàn)閉合如圖4(a)所示。而在VCSEL和驅(qū)動電路芯片互連時，bonding線是一般不可避免的。在消除bonding線的負面影響時，F(xiàn)FE均衡效果是很有限的。
[0003]鑒于上述缺陷，本發(fā)明在FFE均衡的基礎(chǔ)上，增添了另一種均衡技術(shù)-脈沖均衡(Pulse Equalization)。如圖2 (b)所示,它基本思想和FFE相同，也是將信號延時再進行線性疊加。不同之處在于，它采用一個高通濾波器(HPF)對方波輸入信號進行濾波，得到一個脈沖均衡信號，利用這個脈沖來消除電感負載產(chǎn)生的紋波帶來的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是為了提供一種可以消除由于芯片PAD寄生電容和bonding線的寄生電感對眼圖造成影響的，使得電路能工作頻率能達到25Gb/s的VCSEL驅(qū)動電路。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)前饋均衡技術(shù)(Feed Forward Equlization)和脈沖均衡(Pulse Equlization)兩種技術(shù)的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上增加一路脈沖均衡電路，使得驅(qū)動器在面對芯片PAD寄生電容和bonding線寄生不確定性時，應(yīng)用更加靈活，提高眼圖的高度和寬度。具體的電路實現(xiàn)為:
25Gb/s的數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過一個緩沖器后分為三路，其中，路徑一為主路徑，提供VCSEL所需的主要調(diào)制電流；路徑二為FFE均衡路徑，提供FFE均衡電流；路徑三為脈沖式均衡路徑，提供脈沖均衡電流；三個路徑產(chǎn)生的電流在驅(qū)動電路的輸出端直接線性疊加，各個路徑能提供的電流最大幅度之比約為3.5:1:1。如圖1所示。
[0006]路徑一中，主信號通路由一個緩沖器和一個跨導(dǎo)放大器(TCAl)組成。高頻信號經(jīng)過緩沖器緩沖和直接驅(qū)動跨導(dǎo)放大器(TCA1)，獲得VCSEL調(diào)制電流的主要部分?？鐚?dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)如圖2(2)所示，TCAl的偏置電流Iss可調(diào)，進而可以獲得幅度可變的調(diào)制電流。
[0007]路徑二中，高頻信號經(jīng)過一個數(shù)字控制的可變延時單元AT，后經(jīng)由緩沖器緩沖后直接驅(qū)動一個跨導(dǎo)放大器(TCA2)，由跨導(dǎo)放大器(TCA2)產(chǎn)生FFE均衡所需的電流。其中可變延時單元AT—共分為四級，如圖2(1)所示，通過數(shù)字選擇開關(guān)S0-S3選擇延時的級數(shù)進而調(diào)節(jié)FFE均衡信號延時的大小，通過調(diào)節(jié)TCA2偏置電流Iss來調(diào)節(jié)FFE均衡的電流幅度。
[0008]路徑三中，和FFE均衡不同的是，其脈沖是通過一個高通濾波器來產(chǎn)生的。信號先經(jīng)過一個數(shù)字控制的可變延時單元AT ( AT—共分為四級)，開關(guān)S0-S3選擇延時的大小。經(jīng)過一個緩沖器后將信號通入到一個高通濾波器(HPF)，對方波信號進行濾波，進而產(chǎn)生脈沖信號。再經(jīng)過一個限幅放大器(LA)放大，其輸出直接驅(qū)動一個跨導(dǎo)放大器(TCA3)，由跨導(dǎo)放大器(TCA3)轉(zhuǎn)化為脈沖均衡電流，跨導(dǎo)放大器TCA3輸出電流幅度也可通過調(diào)節(jié)其偏置電流Iss來進行調(diào)節(jié)。
[0009]本發(fā)明中，2個可變延時單元AT均一共分為四級，其結(jié)構(gòu)如圖2(1)所示；高通濾波器(HPF)的結(jié)構(gòu)如圖2(2)所示；3個跨導(dǎo)放大器(TCA)的電路結(jié)構(gòu)如圖2(3)所示。
[0010]本發(fā)明是鑒于FFE比較適用于補償電容型負載引起的高頻信號分量的衰減，脈沖均衡適用于消除電感性負載弓I起的紋波的特點。針對VCSEL器件寄生和bonding線電感電容寄生所帶來的不確定性，同時采用兩種均衡技術(shù)，為芯片的測試提供更多選擇余地，使得電路的應(yīng)用更加靈活，工作頻率更高。
[0011]本發(fā)明設(shè)計的驅(qū)動器主要針對的激光器為850nm波長的垂直腔面激光器(VCSEL)，通過對VCSEL直接進行電流調(diào)制，可以將高速的電信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光信號的發(fā)送出去。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點是:
同時采用前饋均衡和脈沖均衡兩種技術(shù)，消除芯片PAD寄生電容和bonding線寄生電感所引起的紋波帶來的影響，版圖后仿真結(jié)果如圖4(b)所示，脈沖均衡對眼圖質(zhì)量的提升還是很明顯的。
[0013]電路采用TSMC 65nm工藝流片，測試芯片的電輸出的工作頻率可以達到25Gb/s。在和VCSEL采用bonding線連接后，受限于20Gb/s帶寬的光示波器，仍可以得到工作頻率為22Gb/s光輸出眼圖，光功率擺幅達到0.9mW。從測試結(jié)果眼圖對比來看，脈沖均衡開啟后，眼圖的RMS抖動可以得到一定程度的提升。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明電路的設(shè)計方案圖。
[0015]圖2為本發(fā)明電路中的一些模塊具體結(jié)構(gòu)。其中，(I)可變延時單元AT，(2)高通濾波器HPF，(3)跨導(dǎo)放大器TCA。
[0016]圖3為前饋均衡和脈沖(PE)均衡技術(shù)的原理圖示。其中，(a)為前饋均衡(FFE)，(b)脈沖(PE)均衡。
[0017]圖4為電路仿真結(jié)果。其中，(a)脈沖均衡前，(b)脈沖均衡后。
[0018]圖5為整個電路系統(tǒng)的芯片圖。
[0019]圖6為25Gb/s電測試結(jié)果。其中，(a)脈沖均衡開啟前，(b)為脈沖均衡開啟后。
[0020]圖7為22Gb/s光測試結(jié)果。其中，(a)為脈沖均衡開啟前，(b)為脈沖均衡開啟后?！揪唧w實施方式】
[0021]本發(fā)明是一種基于兩種均衡技術(shù)的高速VCSEL驅(qū)動電路。結(jié)合FFE均衡和脈沖均衡技術(shù)的優(yōu)缺點，將二者有效的結(jié)合起來，消除25Gb/sVCSEL驅(qū)動電路設(shè)計中芯片PAD寄生電容和bonding線寄生電感對眼圖的影響；電路采用TSMC 65nm工藝流片,測試結(jié)果顯示脈沖均衡對眼圖可以得到一定程度的提高。具體電路設(shè)計如下:
25Gb/s的數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過一個緩沖器后變?yōu)槿?。路徑一為主路徑，提供VCSEL所需的主要調(diào)制電流；路徑二為FFE均衡路徑，提供FFE均衡電流；路徑三為脈沖式均衡路徑，提供脈沖均衡電流。三個路徑產(chǎn)生的電流在驅(qū)動電路的輸出端直接線性疊加，各個路徑能提供的電流最大幅度之比約為3.5:1:1。
[0022]如圖1所示，主信號通路是由一個緩沖器和一個跨導(dǎo)放大器組成(TCA1)。高頻信號經(jīng)過緩沖器緩沖和直接驅(qū)動TCA1，獲得VCSEL調(diào)制電流的主要部分。如圖2(2)所示的跨導(dǎo)放大器的電路結(jié)構(gòu)，TCAl的偏置電流Iss可調(diào)，進而可以獲得幅度可變的調(diào)制電流。
[0023]FFE均衡路徑二中，如圖1所示，高頻信號經(jīng)過一個數(shù)字控制的可變延時單元AT，后經(jīng)由緩沖器緩沖后直接驅(qū)動一個跨導(dǎo)放大器(TCA2)，由TCA2產(chǎn)生FFE均衡所需的電流。其中可變延時單元AT—共分為四級，如圖2(1)所示，通過數(shù)字選擇開關(guān)S0-S3選擇延時的級數(shù)進而調(diào)節(jié)FFE均衡信號延時的大小，通過調(diào)節(jié)TCA2偏置電流Iss來調(diào)節(jié)FFE均衡的電流幅度。
[0024]脈沖式均衡路徑三，如圖1所示，和FFE均衡不同的是，其脈沖是通過一個高通濾波器來產(chǎn)生的。信號先經(jīng)過一個數(shù)字控制的可變延時單元AT，開關(guān)S0-S3選擇延時的大小。經(jīng)過一個緩沖器后將信號通入到一個高通濾波器(HPF)，對方波信號進行濾波，進而產(chǎn)生脈沖信號。再經(jīng)過一個限幅放大器(LA)放大，其輸出直接驅(qū)動一個跨導(dǎo)放大器(TCA3)，由TCA3轉(zhuǎn)化為脈沖均衡電流，TCA3輸出電流幅度也可通過調(diào)節(jié)其偏置電流Iss來進行調(diào)節(jié)。
[0025]本發(fā)明所采用的具體電路模塊如TCA，LA，HPF，緩沖器等以及FFE均衡技術(shù)以及脈沖均衡技術(shù)的原理均不屬于本發(fā)明，本發(fā)明是在FFE均衡的基礎(chǔ)上，增加一路脈沖均衡電路，解決在25Gb/s VCSEL驅(qū)動電路設(shè)計時，芯片PAD寄生電感和bonding線的寄生電感引起的紋波所造成的眼圖閉合，從而使得電路能在25Gb/s更好的工作。整個電路采用TSMC65nm工藝流片，圖5為實際電路芯片圖。盡管受到光示波器20Gb/s的帶寬的限制，測試的數(shù)據(jù)眼圖的RMS抖動仍得到一定改善。
[0026]本發(fā)明設(shè)計的電路采用TSMC 65nm CMOS工藝生產(chǎn)，芯片和VCSEL芯片連接如圖5所示。芯片的測試結(jié)果如圖6、7所示，得到25Gb/s的電輸出測試眼圖。由于受光示波器20Gb/s的帶寬限制，依然可以得到22Gb/s的光輸出眼圖，檢測到光輸出擺幅為0.9mW。無論是電測試和光測試結(jié)果，采用脈沖均衡，數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞MS抖動均可以得到一定程度的改善。
【權(quán)利要求】
1.一種基于前饋均衡和脈沖均衡技術(shù)的25Gbps VCSEL驅(qū)動電路，其特征在于，整個電路具體設(shè)計的如下:25Gb/s的數(shù)據(jù)輸入經(jīng)過一個緩沖器后分為三路，其中，路徑一為主路徑，提供VCSEL所需的主要調(diào)制電流；路徑二為FFE均衡路徑，提供FFE均衡電流；路徑三為脈沖式均衡路徑，提供脈沖均衡電流；三個路徑產(chǎn)生的電流在驅(qū)動電路的輸出端直接線性置加； 路徑一中，主信號通路由一個緩沖器和第一跨導(dǎo)放大器(TCAl)組成，高頻信號經(jīng)過緩沖器緩沖，直接驅(qū)動第一跨導(dǎo)放大器(TCA1)，獲得VCSEL調(diào)制電流的主要部分； 路徑二中，高頻信號經(jīng)過一個數(shù)字控制的第一可變延時單元AT，后經(jīng)由緩沖器緩沖后直接驅(qū)動第二跨導(dǎo)放大器(TCA2)，由第二跨導(dǎo)放大器(TCA2)產(chǎn)生FFE均衡所需的電流； 路徑三中，其脈沖通過一個高通濾波器來產(chǎn)生；信號先經(jīng)過一個數(shù)字控制的第二可變延時單元AT，開關(guān)S0-S3選擇延時的大?。唤?jīng)過一個緩沖器后將信號通入到一個高通濾波器(HPF)，對方波信號進行濾波，進而產(chǎn)生脈沖信號；再經(jīng)過一個限幅放大器(LA)放大，其輸出直接驅(qū)動第三跨導(dǎo)放大器(TCA3)，由第三跨導(dǎo)放大器(TCA3)轉(zhuǎn)化為脈沖均衡電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的25GbpsVCSEL驅(qū)動電路，其特征在于，所述第一可變延時單元AT或第二可變延時單元AT—共分為四級； 路徑二中，通過第一可變延時單元AT的數(shù)字選擇開關(guān)S0-S3選擇延時的級數(shù)進而調(diào)節(jié)FFE均衡信號延時的大小，通過調(diào)節(jié)第二跨導(dǎo)放大器(TCA2)的偏置電流Iss來調(diào)節(jié)FFE均衡的電流幅度； 路徑三中，通過第二可變延時單元AT的數(shù)字選擇開關(guān)S0-S3選擇延時的大??；通過第三跨導(dǎo)放大器(TCA3)的偏置電流Iss來調(diào)節(jié)其輸出電流幅度。
【文檔編號】H01S5/042GK103684331SQ201310711570
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月22日
【發(fā)明者】王俊成, 孫立, 姜培 申請人:復(fù)旦大學(xué)