基于CMOS工艺的25GbpsVCSEL激光驱动器设计

 26Vol.3No.3/Mar.2009基于CMOS工艺的2.5GbpsVCSEL激光驱动器设计穆范全李磊摘要 随着网络和数字媒体技术的发展，对数据处理、存储和传输能力的要求不断提高。但是随着集成电路频率的提高，传统的电互连技术面临着越来越严重的损耗、串扰和阻抗匹配等问题，成为系统性能提高的瓶颈，在印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)上传输10Gbps以上的信号非常困难。为克服这些限制所采用的技术使成本随之增加，体现在芯片的面积和PCB板的布线压力上。而光互连技术具有高带宽、低损耗、无串扰、无阻抗匹配和电磁兼容问题等优势，是电互连技术理想的替代者。本文主要针对光互连系统中电光接口部分芯片进行研究。这部分是光互连系统中的关键部件，是限制整个光互连系统带宽的主要方面。关键词 光互连；电互连；激光驱动器；光通信1引言 随着计算机和通信技术的提高和广泛应用，传输的数据量已经显著地提高。这主要是由于现在网络通讯技术和多媒体传输技术的迅速发展，要求通讯数据量急剧增加。第一代的电通讯技术和后来的微电子技术已经为无线互连和卫星互连提供了丰富的模拟与数字通信技术。近些年科学家和工程师已经发现途径去尽可能的拓展带宽，并增加其容纳信息的能力，包括通过改善诸如噪声、串扰、功率、损耗、以及其他一些限制电互连性能的因素。为克服这些限制而做的一些研究已经将通讯系统的开发带入了下一次革命—用光代替电作为通讯媒质。 与传统的电相比较，光具有一些固有的优势，能够在轻松的实现通讯速率达到Mbps的同时，传送距离可达到几千米。例如，宽带光纤能够实现高速率和大的数据容量，同时实现低的传输损耗，从而实现长距离的传输。另外，光对高频电磁干扰天然的免疫特性使其能够在噪声环境下实现很好的信噪比特性。正因为光的这些特性，使其代替了传统的长距离电通信系统，并逐渐在网络中实现短距离的互连。 现在，光通信系统被用在许多应用领域中，比如SDH/SONET，WMD网络系统，局域网系统，城域网系统，FTTX，背板互连，所有这些都采用光纤作为传输媒质[1]。 典型的光通信系统包括三个主要部分：发送机、传输媒质和接收机三部分。系统结构与电通信系统有些相似。不同之处就是传输信号的载体是光。发送机部分由光源、像激光器、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，驱动电路等组成。半导体激光器是当今主要的高速应用光输出器件。其中的驱动电路部分是关键部件，因为它是电器件与光器件的接口部分，影响到整个光通信系统的性能。电路的设计原理上虽然很简单，但也非常有挑战性，难度在于要实现大的输出电流和高的传输速率，以达到设计要求。 许多研究人员和工程师能够设计激光驱动器使其速率达到10Gbps，但他们的设计都采用能够提高带宽并具有较好稳定性的无源材料，例如，GaAs、双极硅器件、InP等[2]。然而在低损耗和大密度、短距离、10Gbps速率的应用中(例如LAN、FTTX、板间互连)，要求激光驱动器的设计逐渐向廉价的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)技术转移。这主要是因为CMOS技术拥有独特的低功率、低损耗特性，而这些特性又使其具有高的产出和高的集成率。因此在上述损耗敏感的应用中，我们的研究主要集中在设计CMOS工艺下的激光驱动器。2光发射机组成 光发射机主要有两部分组成：激光驱动器和光源。激光驱动器将输入的电压信号转换为大的电流信号用于调制光源；光源将调制后的电信号转换为光信号在传输媒质中进行传输。2.1光源 在现代的通信系统中主要采用的光源是LED或者半导体激光器。比较两者，半导体激光器有很多优于LED的特性，比如独特的尺寸大小、工作光谱、高基于CMOS工艺的2.5Gbps VCSEL激光驱动器设计27LVDSECLCMLᘏ㒓㒧ᵘ⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍ࡳ⥛⍜㗫Ԣ催ЁӴ䕧䗳⥛DC~2GbpsDC~10GbpsDC~10Gbps㗺ড়ᮍᓣDCDC៪ACDC៪ACLVDSECLCMLᘏ㒓㒧ᵘ⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍ࡳ⥛⍜㗫Ԣ催ЁӴ䕧䗳⥛DC~2GbpsDC~10GbpsDC~10Gbps㗺ড়ᮍᓣDCDC៪ACDC៪AC效、高的工作速率和良好的线性度。 下图1是对这两种光源的I/P曲线进行的比较： 图1LED与LD的I/P曲线 我们的设计采用的是垂直腔面发射半导体激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)。其模型如下图2所示[3] 图2VCSEL模型 该种激光器是现在应用较多的一种，是光器件领域中的一个突破性产品。相比较于传统的边缘发射激光器其比较适用于阵列形式的光网络形式，因此更容易实现集成和增加传输数据量。VCSEL在光纤通讯中有很多领先性的特性，诸如：发光效率高；阈值电流和工作电流低；工作速率等；寿命长、廉价等优点，能够实现高密度、阵列互连搭建的目标。2.2激光驱动器 激光驱动器根据调制方式通常分为两类。 一种是直接调制发射机，由激光二极管和驱动电路组成。这种类型通常被用在长距离或短距离的传输系统中。如图3所示图3直接调制框图 如上图所示，输入数据流被激光驱动器直接调制，激光二极管按照逻辑电平“0”或“１”输出光信号。虽然很多调制电路结构已经被研究，但最简单和最常用的调制结构仍是直接调制方式，根据数据类型发射光强，被称为开关键(OOK)。 当前的研究主要集中在发展直接调制激光器上，因为这种发射机有许多的优点，诸如低花费、低功耗而且结构简单。另外，许多技术被用于克服与直接调制有关的问题上，比如，减少chirp的方式和通过激光器件的物理调整去抑制驰张振荡[4]。因此，对于10Gbps短距离系统，直接调制发射机有其特殊的优势。 另一种光发射机类型是外部调制方式，由驱动器、激光二极管和一个外部调制器组成，这种结构能够获得低的chirp，甚至负的chirp，从而支持光线内部的散射。外部调制方式能够实现较高的连接效率和低的连接噪声，但是需要高功率的激光器，高电输入功率，并且花费昂贵。在这种调制方式中，如图4所示 图4外部调制框图 这种激光器能够维持恒定的光发射状态，而且外部调制器可根据外部供电电压调制输出光强。3VCSEL激光驱动器3.1设计原理 在通信系统中，对高带宽需求的日趋增加已经直接体现在对集成度的提高和晶体管转换速率提高的要求上。随着转换速率的提高，在短时间内实现高电流的转换会产生很大的电流变化量，这个大的电流变化量在电感上会产生数值较大的电压波动， 。这个电感主要来自片外的封装线和片上的电源线产生的寄生电感。这个噪声被称为同步转换噪声，噪声[5][6]，该噪声会严重影响信号完整性，而且是影响整个驱动器设计的主要噪声之一。因此，本设计中我们将高速转换得激光驱动器采用差分逻辑实现，主要是应用差分结构对噪声有很好的LVDSECLCMLᘏ㒓㒧ᵘ⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍˗໮ߚᬃ˗໮⚍⚍ᇍ⚍ࡳ⥛⍜㗫Ԣ催ЁӴ䕧䗳⥛DC~2GbpsDC~10GbpsDC~10Gbps㗺ড়ᮍᓣDCDC៪ACDC៪AC28Vol.3No.3/Mar.2009免疫功能。 差分驱动有很多优于单端电路的特点。首先，该种电路能够维持相关恒定的供应电流，通过抵消不希望的共模信号影响，因此能够最小化噪声。其次，如果信号能够维持理想的对称状态，则差分电路能够减少串扰的发生。再次，差分电路采用互补信号的对称传输方式，这种方式能够简化宽带信号传输互连的设计，从而提高高速情况下的眼图质量[7]。最后，差分电路有低的共模增益，该特征能够阻止振荡，尽管存在由于封装寄生而导致的不期望的共模反馈存在。 激光驱动器的设计原理主要是通过驱动器为激光器提供恒定的调制电流和偏置电流，并通过串行差分电压数据流控制差分驱动器的开关实现调制激光器的发光。图5演示了激光驱动器的基本电路结构原理图： 图5激光驱动器原理图 如上图所示，本研究中的激光驱动器电路主要由差分电流开关(CS)和两个电流镜(I1，I2)组成。电流开关(CS)是由两个匹配的增强型MOS晶体管M1，M2组成。随着输入晶体管尺寸的增加，能够获得更高的输出电流。但是，晶体管尺寸增加会导致输入电容的增大，进而引起开关延迟增加，最终会限制晶体管的转换速率。因此，优化晶体管的尺寸是必须的，合理的晶体管尺寸能够使激光驱动器电路的设计提供调制电流，同时保证高速的操作。为了输出给激光器合理的驱动电流，电流源I2设置为Imod，电流源I1设置为Ibias。在输出逻辑信号0时，M1晶体管处于开启状态，M2是关断状态，从而只有整个的Ibias电流流过激光器。在输出逻辑1时，M1晶体管关断，而M2晶体管导通，则流过激光器的电流为Imod+Ibias。因此，正如我们前面提到过的，Ibias电流值要被设置为一个合理的大小，使其等于或稍大于激光器的阈值电流值，从而避免开启延迟，确保高速转换的性能。 差分开关的其中一个输出连至激光器，另一个输出连至一个dummy负载(Z1)。Dummy负载的电器特性在仿真过程中被优化以匹配激光器模型，并用片上二极管或电阻替代。这些优化主要是用于实现与输出负载的阻抗匹配，从而抑制噪声。片上匹配电阻能够被用于最小化输入线上的回波损耗。相比之片外匹配电阻，这种情况下的回波特性能够被提高。3.2接口电路设计 由于从上级链路传输过来的信号为差分电压信号，因此在接口电路的设计上我们也采用差分的形式。为能够得到适合驱动器电路工作的电压信号，我们在设计中在I/O与驱动器电路之间添加一级波形整形电路，主要用于整形上级链路信号，将其转换成适合驱动器电路的电压信号，能够使驱动电路达到很好的开关效果；并能够实现信号的缓冲，隔离I/O对输入信号的影响，使驱动器能够得到稳定的电压信号。 差分结构具有很好的抑制共模噪声的功能，对信号的完整性和理想的信噪比有很到好处。同时还可以采用低摆幅的电压驱动实现高速性能。 传统的差分接口电路有以下3种结构[8]： 1)低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling ，LVDS) 其典型电路如图6所示 图6LVDS结构 这种电路的主要优势在于，基于CMOS工艺的LVDS具有高速、低噪声、抗电磁干扰、低功率的特点。常用于高带宽数据传输，特别是背板收发器或者时钟分配器的应用中。这其中LVDS最显著的特点是Low Voltage—低电压信号摆幅。 2) 射级耦合逻辑(Emitter Coupled Logic，ECL) 该种结构是带有射随器输出结构的输入输出接口电路，如图7所示：基于CMOS工艺的2.5Gbps VCSEL激光驱动器设计293.3设计仿真 设计的仿真过程包括前端仿真和后端仿真两部分。 前端仿真主要用于检测电路的性能指标，使其满足我们的设计要求，并保证一定的余量，包括输出电流、输出电压、电路带宽和相位裕度、ESD等的情况。具体结果如下图所示： 图9输出电流波形图10输出电压波形 芯片的版图如下图11所示 图11芯片版图 前仿真与后仿真的眼图比较如下 图12前仿真输出眼图 图7ECL电路结构 这种电路的最大特点是其组成的基本电路工作在非饱和状态，因此，ECL电路的最大优点就是具有相当高的工作速度。该电路的平均延迟时间可达几个ns数量及甚至更少。由于其主要结构是由差分对管和一对射随器组成，所以输入阻抗大，输出阻抗小，驱动能力强，信号检测能力高，差分输出，抗共模干扰能力强。但由于管子始终没有截止状态，因此电路的功耗较大。 3) 电流模式逻辑(Current mode Logic，CML) 该电平模式是所有高速数据接口中最简单的一种，其输入输出是匹配好的，减少了外围器件，使其更适合于工作在高频段上。其输出结构采用图8的形式： 图8CML输出电路结构 这种电路的输入阻抗匹配容易实现，因此适用于大多数的接口电路，并满足高速信号的传输功能。 对上述三种差分接口电路进行比较