高速低功耗光收發(fā)器驅(qū)動(dòng)放大電路研究.pdf

1、為消除信號(hào)的傳輸速率與處理速度之間的差異，在光互連結(jié)構(gòu)中，并行低速電信號(hào)與高速串行電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換通過 SerDes（Serializer/Deserializer）電路完成，高速串行電信號(hào)在芯片與板端之間傳輸，然后在板端通過光發(fā)送器轉(zhuǎn)換為高速串行光信號(hào)實(shí)現(xiàn)板間的遠(yuǎn)距離傳輸。在該方式中，能量主要消耗于SerDes和光發(fā)送器內(nèi)的放大器電路部分。以目前傳輸速率為28Gbps的系統(tǒng)為例，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)和電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)部分的能量消耗僅為

2、7.2pj/b，而SerDes部分的能量消耗卻高達(dá)29pj/b。除功耗外，傳輸速率也限制了基于光SerDes的光收發(fā)器的繼續(xù)發(fā)展。高速串行電信號(hào)在板上的傳輸距離隨傳輸速率的增長(zhǎng)而減短，在板間傳輸數(shù)英尺就需要信號(hào)重載和重定時(shí)，在光信號(hào)具有很高傳輸速率潛力的背景下，SerDes電路的存在無(wú)疑限制了光收發(fā)器的整體傳輸速率提升。
　　基于硅基光子光電混合集成工藝的發(fā)展和飛秒脈沖隊(duì)列技術(shù)的成熟，一種光電混合流片的實(shí)現(xiàn)低速并行電信號(hào)與高速串行

3、光信號(hào)之間直接轉(zhuǎn)換的解決方案得以提出：利用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，通過高速切換的光開關(guān)和精確控制的光波導(dǎo)延遲線在光路上實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，光學(xué)器件以并行的低頻信號(hào)與調(diào)制/解調(diào)電路對(duì)接，巧妙的避免帶編碼的高速電信號(hào)出現(xiàn)，使得調(diào)制解調(diào)電路可以在低速狀態(tài)下工作。
　　基于光SerDes的光收發(fā)器結(jié)構(gòu)對(duì)于驅(qū)動(dòng)、放大電路的要求有別于傳統(tǒng)光收發(fā)器中的驅(qū)動(dòng)、放大電路。本文針對(duì)由20路2Gbps信號(hào)構(gòu)成的40Gbps基于光SerDes的光收發(fā)器進(jìn)行了放大、驅(qū)動(dòng)電

4、路的設(shè)計(jì)。所用工具為數(shù)學(xué)軟件Matlab和電路模擬程序HSPICE，工藝庫(kù)為SMIC0.13um CMOS工藝。其中放大電路兼具對(duì)于輸入長(zhǎng)周期窄脈沖信號(hào)的放大與整形功能。前置跨阻放大器采用帶有源負(fù)反饋的TIA結(jié)構(gòu)，主放大器選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的限幅放大器，設(shè)計(jì)帶寬為1.58GHz，輸出信號(hào)幅度為400mv，不僅滿足對(duì)于信號(hào)的整形放大要求，又能滿足傳輸速率的要求。驅(qū)動(dòng)電路為面向光開關(guān)的單片集成電路，要求能產(chǎn)生ps級(jí)窄脈沖光信號(hào)。本文在CMOS工藝

5、下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，其具有相位控制精確，可集成性好和適用性廣泛的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中巧妙的利用差分輸出的方式產(chǎn)生推挽式高斯脈沖，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。其在光開關(guān)上產(chǎn)生脈沖寬度窄至25ps。驅(qū)動(dòng)電路可工作于1.2v~2.5v的寬電源電壓范圍以及1GHz~4GHz寬時(shí)鐘頻率范圍，可方便地移植于不同制程的 CMOS工藝平臺(tái)。
　　基于光SerDes的光互連技術(shù)在未來(lái)具有很好的發(fā)展前景與應(yīng)用潛力。本次研究為將來(lái)更高速率的系統(tǒng)以及更高工藝平臺(tái)的集成設(shè)計(jì)積累了