高速低功耗光收發(fā)器驅(qū)動放大電路研究.pdf

1、為消除信號的傳輸速率與處理速度之間的差異，在光互連結構中，并行低速電信號與高速串行電信號之間的轉(zhuǎn)換通過 SerDes（Serializer/Deserializer）電路完成，高速串行電信號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實現(xiàn)板間的遠距離傳輸。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，光信號轉(zhuǎn)換為電信號和電信號轉(zhuǎn)換為光信號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。高速串行電信號在板上的傳輸距離隨傳輸速率的增長而減短，在板間傳輸數(shù)英尺就需要信號重載和重定時，在光信號具有很高傳輸速率潛力的背景下，SerDes電路的存在無疑限制了光收發(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)展和飛秒脈沖隊列技術的成熟，一種光電混合流片的實現(xiàn)低速并行電信號與高速串行

3、光信號之間直接轉(zhuǎn)換的解決方案得以提出：利用時分復用技術，通過高速切換的光開關和精確控制的光波導延遲線在光路上實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，光學器件以并行的低頻信號與調(diào)制/解調(diào)電路對接，巧妙的避免帶編碼的高速電信號出現(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)器結構對于驅(qū)動、放大電路的要求有別于傳統(tǒng)光收發(fā)器中的驅(qū)動、放大電路。本文針對由20路2Gbps信號構成的40Gbps基于光SerDes的光收發(fā)器進行了放大、驅(qū)動電

4、路的設計。所用工具為數(shù)學軟件Matlab和電路模擬程序HSPICE，工藝庫為SMIC0.13um CMOS工藝。其中放大電路兼具對于輸入長周期窄脈沖信號的放大與整形功能。前置跨阻放大器采用帶有源負反饋的TIA結構，主放大器選用結構簡單的限幅放大器，設計帶寬為1.58GHz，輸出信號幅度為400mv，不僅滿足對于信號的整形放大要求，又能滿足傳輸速率的要求。驅(qū)動電路為面向光開關的單片集成電路，要求能產(chǎn)生ps級窄脈沖光信號。本文在CMOS工藝

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