VCSEL鏈路通常需要多個電源電壓以實(shí)現(xiàn)高速低功耗運(yùn)行瑞佩。一個40Gb/s的1.5μm VCSEL鏈路聚磺，使用0.13μm的SiGe VCSEL驅(qū)動器和工作在2.5V的跨阻放大器（TIA），實(shí)現(xiàn)了8.7pJ/bit的能源效率炬丸。
低功耗SiGe vcsel驅(qū)動和TIA工作在2.5 V的40Gb /s 1.5μm VCSEL鏈路
直接調(diào)制激光電流的高速垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）驅(qū)動器有兩種配置：陽極驅(qū)動和陰極驅(qū)動滥搭。陽極驅(qū)動有可能降低VCSEL驅(qū)動器的供電電壓，而陰極驅(qū)動避免在高速路徑中使用較慢的p型晶體管捣鲸。但兩者仍有一個共同點(diǎn)瑟匆，即VCSEL驅(qū)動器在多個電源電壓下工作以降低功耗，激光電源電壓范圍為3.3V至5.8V栽惶。在本文中愁溜，我們將進(jìn)一步關(guān)注陰極驅(qū)動，并提出一種解決方案外厂，以擺脫多個電源電壓冕象。
陰極驅(qū)動VCSEL變送器可以在輸出端使用反向端接電阻來實(shí)現(xiàn)，以改善轉(zhuǎn)換時間汁蝶。不幸的是渐扮，這在驅(qū)動器
的供電電壓和共陽極激光
的供電電壓之間引入了電流路徑。這只能通過選擇等于
和激光正向閾值電壓
之和的
來消除掖棉，強(qiáng)制供應(yīng)商提供多個電源電壓墓律。
我們提出了一種0.13μm 的SiGe Bicmos驅(qū)動器和跨阻放大器（TIA）集成電路（IC），它可以在2.5V的單電源電壓下運(yùn)行高達(dá)40Gb/s的單模1.5μm VCSEL鏈路幔亥。雖然驅(qū)動器配備了100W的后端電阻Rt耻讽，但如圖1所示的平衡穩(wěn)壓輸出級消除了上述問題。輸出級跟蹤片上陽極電壓帕棉，并通過激光器的電壓復(fù)制品和本地電壓轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)公共節(jié)點(diǎn)電壓Vz针肥，以穩(wěn)定VCSEL電流
。平衡電路在低頻時產(chǎn)生一個等于
的虛電流
香伴，以便將電壓變換器的動態(tài)與高速輸出電流隔離開來慰枕。輸出級之前有一個2抽頭前饋均衡（FFE）驅(qū)動器，其中抽頭A1和A0的幅度即纲，符號和延遲差異可以修改捺僻。
實(shí)驗中使用的0.13μm的SiGe接收器由共發(fā)射極分流反饋TIA和級聯(lián)放大器組成。該設(shè)計是改進(jìn)版本崇裁，其中電阻分流反饋被有源反饋電路取代。TIA和放大器級的增益可以適應(yīng)線性或限制操作束昵。
實(shí)驗
發(fā)射器芯片尺寸為2.5mm×1.3mm拔稳，設(shè)計為4通道驅(qū)動器，通道間距為300μm锹雏。
驅(qū)動器輸出通過導(dǎo)線連接到兩個不同的2×1單模VCSEL陣列巴比，由慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)，見圖1。本文的實(shí)驗只使用了z右邊的VCSEL轻绞。雙臺短腔1543nm器件的特點(diǎn)是埋地道結(jié)直徑為5μm采记，底臺直徑為18μm，信號帶寬超過19GHz政勃。在18ma的翻轉(zhuǎn)電流下唧龄，Max輸出功率為4.5mW。接收器為2通道TIA奸远，通道間距為750μm既棺。TIA尺寸為3.6mm×0.98mm，由導(dǎo)線連接到兩個獨(dú)立的光電二極管（pd）上懒叛。PD的有效面積為12μm丸冕，響應(yīng)率為0.63A/W。在2.5V~3v的偏置電壓下薛窥，PD帶寬大于35ghz胖烛。
圖1 0.13μm的SiGe BiCMOS VCSEL驅(qū)動器和接收器的框圖以及導(dǎo)線鍵合組件的顯微照片。電源電壓
诅迷，
和
都等于2.5V佩番。
采用差分600mV偽隨機(jī)比特序列（PRBS）27-1作為驅(qū)動器的輸入信號，測試了VCSEL鏈路在28和40Gb/s下的性能竟贯。光通過透鏡光纖耦合進(jìn)出光學(xué)器件答捕。靈敏度曲線測量背靠背（BTB）和超過100米和500米的單模光纖（SMF）。
發(fā)射機(jī)內(nèi)部的平衡調(diào)節(jié)輸出級的概念也將得到驗證屑那。
結(jié)果與討論
在所有實(shí)驗中拱镐，VCSEL的平均偏置電流為12mA。均衡前的消光比為5.3dB持际，均衡后的消光比降至3.6dB沃琅。28Gb/s和40Gb/s下的接收眼圖及誤碼率曲線(BER)如圖2所示。TIA被推到極限區(qū)域蜘欲，以Max限度地打開眼睛益眉，導(dǎo)致400mVpp的差分?jǐn)[幅。使用FFE可以提高40Gb/s時的眼高姥份，但性能改善在誤碼率曲線中更為明顯郭脂，在低于10-11的誤碼率下，光學(xué)調(diào)制幅度（OMA）的靈敏度增加了2.3dB澈歉。將數(shù)據(jù)速率從28Gb/s提高到40Gb/s會導(dǎo)致2dbOMA的功耗損失展鸡。VCSEL鏈路能夠無差錯地運(yùn)行，即保持10-13的誤碼率至少60秒埃难，在28Gb/s下超過500米莹弊，在40Gb/s下超過100米涤久。在500米處，耦合到PD的max光功率受到防止低于10-9的設(shè)置的限制忍弛。接收器消耗的功率為175mW响迂，而發(fā)射器在28Gb/s和40Gb/s下消耗的功率分別為132mW和172mW，因此在40Gb/s下消耗的功率為8.7pJ/bit细疚。雖然該鏈路的靈敏度比之前低約5db古话，但與之前使用的4,5和5.8V相比少态，我們的鏈路在2.5V下工作時的能效幾乎是其三倍。對于工作在1和3.3V下的25Gb/s共陰極VCSEL鏈路，我們的共陽極鏈路在28Gb/s下的靈敏度提高了3dB严蓖，功耗相似冈欢。
圖2 接收不同傳輸距離下28Gb/s和40Gb/s的眼圖和誤碼率曲線活玲。
注意瞒津，在500米處的眼圖是在更高的輸入功率下記錄的。
圖3清楚地表明来氧，發(fā)射機(jī)可以在很寬的陽極電壓范圍內(nèi)保持恒定電流通過激光器诫给。誤碼率曲線證明，當(dāng)陽極電壓改變時啦扬，即當(dāng)開關(guān)晶體管不像在2.3V時那樣被推入飽和時中狂，高速性能只受到輕微影響。
圖3 直流和40gb/s電壓對VCSELs陽極電壓的影響
我們演示了0.13μm的SiGe驅(qū)動器和TIA扑毡，該驅(qū)動器以40Gb/s無錯誤的速度運(yùn)行1.5μm VCSEL鏈路胃榕，超過100m的SMF。值得注意的是瞄摊，這些結(jié)果是在單電源電壓為2.5V的ICs下獲得的勋又，同時實(shí)現(xiàn)了8.7pJ/bit的能量效率。
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