[發(fā)明專利]H橋集成激光驅(qū)動器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010475792.3
• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN112019176A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: K·V·阿卜杜勒海林;M·Q·勒
• 申請（專利權(quán)）人: 上海橙科微電子科技有限公司
• 主分類號: H03F3/45
• 分類號: H03F3/45;H01S5/042
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 劉瑜

H橋集成激光驅(qū)動器針對電吸收調(diào)制激光器(EML)和直接調(diào)制激光二極管(DML)應用、VCSEL/硅光子以及需要高擺幅驅(qū)動器或者控制的阻抗的其它應用優(yōu)化了功耗、阻抗匹配、低擺幅和高擺幅可靠性。激光驅(qū)動器包括：用于將低速并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速串行位流和高速并行位流的反相表示的重定時器；被配置為接收第一緩沖位流的M位PMOS DAC；被配置為接收與第一緩沖位流基本同步的第二緩沖位流的N位NMOS DAC。保護器件耦合在M位DAC和N位DAC之間。第一DC電平移位預驅(qū)動器陣列耦合在重定時器和M位DAC之間，以接收高速并行位流和反相的高速并行位流，并且第二DC電平移位預驅(qū)動器陣列耦合在重定時器與N位DAC之間，以接收高速并行位流和反相的高速并行位流。阻抗匹配模塊耦合到保護器件的輸出端。激光驅(qū)動器可以被集成在CMOS通信芯片上。

相關(guān)申請

本申請要求于2019年5月29日提交的美國臨時申請62/854,219的優(yōu)先權(quán)，并且其全部內(nèi)容通過引用并入本文。本申請涉及美國專利申請16/855,945，其全部內(nèi)容也通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及數(shù)字通信系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于電吸收調(diào)制激光器(EML)、直接調(diào)制激光二極管(DML)應用、硅光子、VCSEL或者需要高擺幅電壓\電流調(diào)制的其它非光學應用，的CMOS PAM4通信芯片的集成激光驅(qū)動器的電子架構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)帶寬需求的增加以及移動電話的連接性發(fā)展到5G，移動數(shù)據(jù)通信，尤其是從蜂窩塔到基站以及在數(shù)據(jù)中心內(nèi)用于數(shù)據(jù)中心互連(DCI)或其他裝置間通信的光纖通信要求更高的傳輸速度。常規(guī)的數(shù)字通信系統(tǒng)使用NRZ或PAM2方案來調(diào)制信號，使得信息位由對應于二進制0或1的兩個可能的信號電平之一表示。為了提高位速率，已經(jīng)提出了PAM4方案以用于調(diào)制信號，使得由對應于二進制00、01、10或11的四個可能信號電平之一來表示位。PAM4方案因此通過增加脈沖幅度調(diào)制的電平數(shù)量而有效地使串行數(shù)據(jù)傳輸中的位速率加倍，但這樣做是以降低噪聲敏感性為代價的，信噪比下降了約三分之二。

因此，例如以56Gb/s的速率傳輸?shù)母咚俟鈱WPAM4系統(tǒng)需要復雜的數(shù)字信號處理(DSP)才能使得在具有較低信噪比的電路中進行操作。由于集成、成本和功率的限制，只有通過現(xiàn)代CMOS技術(shù)才能使這樣的系統(tǒng)的實際實施成為可能。該領(lǐng)域的高級設(shè)計設(shè)想將PAM4激光驅(qū)動器集成在CMOS芯片上。

在PAM4 DSP芯片上集成PAM4激光驅(qū)動器將有利地減少功耗，降低總材料成本，并減小激光模塊的大小。然而，用于EML和DML應用的激光驅(qū)動器需要高電流調(diào)制(高達60mA)和典型的高達2.2V單端峰值至峰值(ppse)的高壓擺幅，同時要實現(xiàn)針對PAM4方案的高帶寬(10GHz)和高線性度。由于這些高擺幅電壓和大調(diào)制電流需要，很難在現(xiàn)代CMOS技術(shù)中實施激光驅(qū)動器，這要求在不承受過壓和可靠性的情況下來實現(xiàn)高速性能。例如，現(xiàn)代核心器件MOSFET在其所有端子(VGS、VGD和VDS)兩端只能承受大約1V的電壓。由于這些原因，激光驅(qū)動器通常作為外部(即非集成)驅(qū)動器以非CMOS技術(shù)(例如硅鍺(SiGE)和磷化銦(InP)異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管(HBT)技術(shù))實施。在圖1的典型PAM4光學系統(tǒng)10中示出了這種實施方式。在系統(tǒng)10中，PAM4通信芯片11從外部跨阻放大器13接收傳入的信號，并將輸出信號發(fā)送到非集成的激光驅(qū)動器15。激光驅(qū)動器15是電耦合到通信芯片11的外部芯片。

具有外部驅(qū)動器的典型PAM4光學系統(tǒng)需要PAM4通信IC來提供如下信號到100歐姆系統(tǒng)(差分測量)中，該信號具有高達1V差分峰值至峰值(ppd)擺幅，然后該信號作為單端1.5Vpp被發(fā)送到50歐姆的EML負載中，或者該信號以高達60mA的調(diào)制電流被差分發(fā)送到25歐姆的DML負載中。通過將激光驅(qū)動器直接集成到PAM4 IC中以驅(qū)動EML或DML，從而避免了兩級的PAM4傳輸，這在帶寬、功耗、和線性度方面會更加有效。用于實施高速發(fā)射機驅(qū)動器的兩種已知方法是電流模式驅(qū)動器(CML)和電壓模式驅(qū)動器(SST)。