25G NRZ或50G PAM-4双模式VCSEL激光器驱动电路研究设计
发布时间：2022-02-11 23:29
近年来大数据、云计算、5G、物联网以及人工智能等应用市场快速发展,10G PON将逐渐成为市场主流,并将在未来几年提升至25G甚至50G。激光器驱动电路位于发射机的末端,驱动激光器实现电信号到光信号的转换,其信号处理的速度与质量是光通信系统中通信质量的重要保证。本文对25G NRZ或50G PAM-4双模式VCSEL激光器驱动电路进行了研究与设计。论文的主要工作概括如下:①对Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS工艺库中BJT特性进行仿真分析,以指导高速通道电路的设计。②建立了一个考虑VCSEL器件非线性的动态模型,该模型包含电学和光学两个部分,光学部分可以模拟激光器的发光功率。整个VCSEL动态模型采用Verilog A代码编写实现,仿真带宽先是随着偏置电流的增大而增大,在11.279mA的偏置电流下VCSEL动态模型的带宽达到最大值19.317GHz,然后随着偏置电流的继续增大而减小,该VCSEL动态模型可以直接在Cadence的仿真软件里进行仿真,用来辅助驱动电路的设计和优化过程。③采用Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS工艺设计了驱动电...
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤通信系统框图
第2章动态VCSEL建模及Jazz工艺与数据通信分析9从式子（2.6）可以知道，增加VCSEL电流可以提高其谐振频率，但是同时这也将导致式子（2.7）阻尼系数相应的增加。这表明VCSEL的调制带宽并不能通过增加偏置电流而实现无期限地增加，因为它最终会受到阻尼因子的限制。谐振频率和阻尼因子对偏置电流的依赖使得VCSEL在进行数据调制时的有效频率响应是非线性的。由于数据在逻辑“0”和逻辑“1”跳变时IVCSEL变化很大，小信号假设被打破，VCSEL的带宽并不是固定，而是随着传输数据序列的变化而变化。因此VCSEL不再是一个线性时不变（LTI）系统。除了VCSEL固有的速度限制外，另一个带宽限制来自于VCSEL的电寄生。与VCSEL二极管相关的电容，结合分布布拉格反射器（DBR）的串联电阻，形成一阶的低通RC滤波器。在高频时，部分VCSEL电流通过寄生电容分流到有源区域之外，从而阻碍了有效的VCSEL带宽，这种电学寄生限制是线性的[37]。2.1.2VCSEL动态模型建模为了辅助电路的设计过程，VCSEL响应的非线性建模是必不可少的。以前的方法都使用小信号假设，即用特定偏置电流下的调制响应同时用于逻辑“0”和逻辑“1”[37]。然而，此线性化处理会导致对大消光比的不准确。另一方面，基于精确速率方程的VCSEL建模虽然准确，但是很难在电路仿真器中进行模拟仿真，因为基于速率方程的VCSEL模型在瞬态仿真中存在求解收敛性的问题[36]。基于式子（2.4）~（2.7）的动态模型考虑了偏置电流变化的影响，因此本文采用了该建模方式。为了对包含VCSEL非线性进行建模，将本征光动力学和本征电寄生分离开来。2.1.2.1光学部分模型图2.1VCSEL光学部分的模型
华侨大学硕士学位论文10VCSEL光动力学式子（2.4）的二阶特性允许我们将其建模为串联的RLC电路。然而，与参考文献[37]所差异的是，我们建模时考虑了式子（2.6）和（2.7）里固有的非线性，因而此文所建的VCSEL模型是动态的。图2.1是VCSEL光学部分的模型，由电压源η（I-Ith）和串联的RLC组成。其中Ith是VCSEL的阈值电流，η表示斜率效率。电容器CVL的电压作为输出光功率Pout。可以推导从电压源到输出端的传递函数为2()1()()1(2)(2)outthVLVLVLVLPfIIfLCfjfRC(2.8)式子（2.4）有两个独立的变量，然而式子（2.8）有三个，因此我们将电容器CVL的大小设成一个定值100fF，然后根据式子（2.4）~（2.7）计算出电阻器RVL和电感器LVL的值分别为20()VLVLrVLRLKfL(2.9)22221144()VLVLrVLthLCfCDII(2.10)和预期的一样，RVL和CVL的值依赖于流过VCSEL的偏置电流，考虑了VCSEL固有的非线性。2.1.2.2电学部分模型图2.2VCSEL电学部分的模型采用参考文献[37]的传统方法考虑了电寄生的影响。图2.2为VCSEL电学
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PAM4技术的50 Gbit/s 40km QSFP28传输模块[J]. 肖蠡虎,佘丽,徐红春,林韬,张武平,陈土泉,宋小平,张玓. 光通信研究. 2019(02)
[2]PAM4技术在光通信应用中的系统分析[J]. 朱梅冬,陆建鑫. 中兴通讯技术. 2018(04)
[3]面向5G通信的高速PAM4信号时钟与数据恢复技术[J]. 廖启文,Patrick Yin CHIANG,祁楠. 中兴通讯技术. 2018(04)
博士论文
[1]基于多阶信号调制技术的高速SerDes物理层电路设计优化[D]. 邬可俊.浙江大学 2015
硕士论文
[1]16Gb/s VCSEL驱动器优化设计[D]. 杨传世.东南大学 2015
[2]高速SerDes信号和均衡技术研究[D]. 史航.浙江大学 2015
本文编号：3621136
【文章来源】：华侨大学福建省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤通信系统框图
第2章动态VCSEL建模及Jazz工艺与数据通信分析9从式子（2.6）可以知道，增加VCSEL电流可以提高其谐振频率，但是同时这也将导致式子（2.7）阻尼系数相应的增加。这表明VCSEL的调制带宽并不能通过增加偏置电流而实现无期限地增加，因为它最终会受到阻尼因子的限制。谐振频率和阻尼因子对偏置电流的依赖使得VCSEL在进行数据调制时的有效频率响应是非线性的。由于数据在逻辑“0”和逻辑“1”跳变时IVCSEL变化很大，小信号假设被打破，VCSEL的带宽并不是固定，而是随着传输数据序列的变化而变化。因此VCSEL不再是一个线性时不变（LTI）系统。除了VCSEL固有的速度限制外，另一个带宽限制来自于VCSEL的电寄生。与VCSEL二极管相关的电容，结合分布布拉格反射器（DBR）的串联电阻，形成一阶的低通RC滤波器。在高频时，部分VCSEL电流通过寄生电容分流到有源区域之外，从而阻碍了有效的VCSEL带宽，这种电学寄生限制是线性的[37]。2.1.2VCSEL动态模型建模为了辅助电路的设计过程，VCSEL响应的非线性建模是必不可少的。以前的方法都使用小信号假设，即用特定偏置电流下的调制响应同时用于逻辑“0”和逻辑“1”[37]。然而，此线性化处理会导致对大消光比的不准确。另一方面，基于精确速率方程的VCSEL建模虽然准确，但是很难在电路仿真器中进行模拟仿真，因为基于速率方程的VCSEL模型在瞬态仿真中存在求解收敛性的问题[36]。基于式子（2.4）~（2.7）的动态模型考虑了偏置电流变化的影响，因此本文采用了该建模方式。为了对包含VCSEL非线性进行建模，将本征光动力学和本征电寄生分离开来。2.1.2.1光学部分模型图2.1VCSEL光学部分的模型
华侨大学硕士学位论文10VCSEL光动力学式子（2.4）的二阶特性允许我们将其建模为串联的RLC电路。然而，与参考文献[37]所差异的是，我们建模时考虑了式子（2.6）和（2.7）里固有的非线性，因而此文所建的VCSEL模型是动态的。图2.1是VCSEL光学部分的模型，由电压源η（I-Ith）和串联的RLC组成。其中Ith是VCSEL的阈值电流，η表示斜率效率。电容器CVL的电压作为输出光功率Pout。可以推导从电压源到输出端的传递函数为2()1()()1(2)(2)outthVLVLVLVLPfIIfLCfjfRC(2.8)式子（2.4）有两个独立的变量，然而式子（2.8）有三个，因此我们将电容器CVL的大小设成一个定值100fF，然后根据式子（2.4）~（2.7）计算出电阻器RVL和电感器LVL的值分别为20()VLVLrVLRLKfL(2.9)22221144()VLVLrVLthLCfCDII(2.10)和预期的一样，RVL和CVL的值依赖于流过VCSEL的偏置电流，考虑了VCSEL固有的非线性。2.1.2.2电学部分模型图2.2VCSEL电学部分的模型采用参考文献[37]的传统方法考虑了电寄生的影响。图2.2为VCSEL电学
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PAM4技术的50 Gbit/s 40km QSFP28传输模块[J]. 肖蠡虎,佘丽,徐红春,林韬,张武平,陈土泉,宋小平,张玓. 光通信研究. 2019(02)
[2]PAM4技术在光通信应用中的系统分析[J]. 朱梅冬,陆建鑫. 中兴通讯技术. 2018(04)
[3]面向5G通信的高速PAM4信号时钟与数据恢复技术[J]. 廖启文,Patrick Yin CHIANG,祁楠. 中兴通讯技术. 2018(04)
博士论文
[1]基于多阶信号调制技术的高速SerDes物理层电路设计优化[D]. 邬可俊.浙江大学 2015
硕士论文
[1]16Gb/s VCSEL驱动器优化设计[D]. 杨传世.东南大学 2015
[2]高速SerDes信号和均衡技术研究[D]. 史航.浙江大学 2015
本文编号：3621136
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