一種高速大電流的PAM4光發射機設計
《信息技術與網絡安全》2020年第6期
李 喜，林福江
中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥230026
摘要： 隨著通信數據比特率不斷提升，PAM4(四階脈沖幅度調制)光發射機已經在超高速光纖通信系統中得到更廣泛的應用。設計了一種包含NRZ（非歸零）編碼-RZ（歸零）編碼轉換電路的PAM4光發射機，基于電流模邏輯增加了電路的工作速度和抗干擾能力。通過帶自偏置可控延時電路實現了NRZ編碼到RZ編碼的轉換，減小了長鏈路信號傳輸的色散效應。驅動器采用預驅動與主驅動級聯的方式增大電路驅動能力，并通過串聯電阻實現級間的共模電平匹配。電路設計采用0.13 μm SOI CMOS工藝，仿真結果表明在兩路輸入數據比特率為2.5 Gb/s，典型負載為25 Ω時，最大輸出電流為120 mA，電流脈沖寬度為125 ps，PAM4眼圖張開度良好。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.06.010
引用格式： 李喜，林福江. 一種高速大電流的PAM4光發射機設計[J].信息技術與網絡安全，2020，39(6)：53-57.
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.06.010
引用格式： 李喜，林福江. 一種高速大電流的PAM4光發射機設計[J].信息技術與網絡安全，2020，39(6)：53-57.
Design of a high-speed PAM4 optical transmitter with large current
Li Xi，Lin Fujiang
School of Microelectronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China
Abstract： With the continuous improvement of the communication data bit rate, PAM4(four-level pulse amplitude modulation) optical transmitters are more widely used in ultra-high-speed optical fiber communication systems. A PAM4 optical transmitter including NRZ(non-return-to-zero) encoding to RZ(return-to-zero) encoding converter is designed in this paper. Based on current mode logic, it increases the circuit′s working speed and anti-interference ability. The self-biased controllable delay circuit is used to realize the converter from NRZ encoding to RZ encoding, which reduces the dispersion effect of long-link signal transmission. The driver uses a cascade of pre-driver and main driver to increase the driving capability, and achieves common-mode level matching between stages by a series resistor. The circuit design is based on 0.13 μm SOI CMOS process. Simulation results show that the maximum output current is 120 mA, the current pulse width is 125 ps, and the PAM4 eye pattern is open well at an input data rate of 2.5 Gb/s and a typical load of 25 Ω.
Key words : optical-fiber communication；PAM4(four-level pulse amplitude modulation)；optical transmitter；driver circuit
隨著當今社會通信速度與容量的迅速增長，光纖通信相比傳統的電通信開始展現出巨大優勢。光發射機將輸入電壓信號轉化為能調制激光器發光的電流信號，其作用在整個光纖通信系統中起著極其重要的作用。
在同等波特率下，四階脈沖幅度調制(Four-level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)的比特率相比傳統的非歸零調制(Non-Return-to-Zero，NRZ)提高一倍，增大傳輸效率的同時降低了成本，PMA4技術已經在超高速信號互連系統中得到了廣泛認可。但PAM4在實際應用上尚存在兩個問題：一是PAM4的發射機的調制電流不夠大，使得激光器的消光比不夠大，從而使信號在光纖傳輸時產生誤碼；二是目前輸入數據信號編碼通常采用NRZ編碼，其調制產生的光信號在光纖傳輸中會顯著地受色散效應影響造成碼間干擾，不適應長距離傳輸。
本文提出的PAM4光發射機則能更好地適應長距離光通信：首先采用SOI CMOS工藝，相比GaAs等工藝折中了成本與性能；其次輸出調制電流最大能達到120 mA，可以充分提高激光器的消光比；另外，設計了編碼轉換器，將輸入的非歸零編碼信號轉換為歸零型(Return-to-Zero，RZ)編碼的信號，調制的光信號更能忍受在光纖傳播時的非線性和色散效應，從而更好地適應長距離光通信。
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作者信息：
李 喜，林福江
(中國科學技術大學 微電子學院，安徽 合肥230026)
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