VCSEL鏈路通常需要多個(ge) 電源電壓以實現高速低功耗運行。一個(ge) 40Gb/s的1.5µm VCSEL鏈路，使用0.13µm的SiGe VCSEL驅動器和工作在2.5V的跨阻放大器（TIA），實現了8.7pJ/bit的能源效率。
低功耗SiGe vcsel驅動和TIA工作在2.5 V的40Gb /s 1.5µm VCSEL鏈路
直接調製激光電流的高速垂直腔麵發射激光器（VCSEL）驅動器有兩(liang) 種配置：陽極驅動和陰極驅動。陽極驅動有可能降低VCSEL驅動器的供電電壓，而陰極驅動避免在高速路徑中使用較慢的p型晶體(ti) 管。但兩(liang) 者仍有一個(ge) 共同點，即VCSEL驅動器在多個(ge) 電源電壓下工作以降低功耗，激光電源電壓範圍為(wei) 3.3V至5.8V。在本文中，我們(men) 將進一步關(guan) 注陰極驅動，並提出一種解決(jue) 方案，以擺脫多個(ge) 電源電壓。
陰極驅動VCSEL變送器可以在輸出端使用反向端接電阻來實現，以改善轉換時間。不幸的是，這在驅動器
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。這隻能通過選擇等於(yu) 
和激光正向閾值電壓
之和的
來消除，強製供應商提供多個(ge) 電源電壓。
我們(men) 提出了一種0.13μm 的SiGe Bicmos驅動器和跨阻放大器（TIA）集成電路（IC），它可以在2.5V的單電源電壓下運行高達40Gb/s的單模1.5μm VCSEL鏈路。雖然驅動器配備了100W的後端電阻Rt，但如圖1所示的平衡穩壓輸出級消除了上述問題。輸出級跟蹤片上陽極電壓，並通過激光器的電壓複製品和本地電壓轉換器調節公共節點電壓Vz，以穩定VCSEL電流
。平衡電路在低頻時產(chan) 生一個(ge) 等於(yu) 
的虛電流
，以便將電壓變換器的動態與(yu) 高速輸出電流隔離開來。輸出級之前有一個(ge) 2抽頭前饋均衡（FFE）驅動器，其中抽頭A1和A0的幅度，符號和延遲差異可以修改。
實驗中使用的0.13μm的SiGe接收器由共發射極分流反饋TIA和級聯放大器組成。該設計是改進版本，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線性或限製操作。
實驗
發射器芯片尺寸為(wei) 2.5mm×1.3mm，設計為(wei) 4通道驅動器，通道間距為(wei) 300μm。
驅動器輸出通過導線連接到兩(liang) 個(ge) 不同的2×1單模VCSEL陣列，由慕尼黑工業(ye) 大學開發，見圖1。本文的實驗隻使用了z右邊的VCSEL。雙台短腔1543nm器件的特點是埋地道結直徑為(wei) 5µm，底台直徑為(wei) 18µm，信號帶寬超過19GHz。在18ma的翻轉電流下，Max輸出功率為(wei) 4.5mW。接收器為(wei) 2通道TIA，通道間距為(wei) 750µm。TIA尺寸為(wei) 3.6mm×0.98mm，由導線連接到兩(liang) 個(ge) 獨立的光電二極管（pd）上。PD的有效麵積為(wei) 12µm，響應率為(wei) 0.63A/W。在2.5V~3v的偏置電壓下，PD帶寬大於(yu) 35ghz。
圖1 0.13µm的SiGe BiCMOS VCSEL驅動器和接收器的框圖以及導線鍵合組件的顯微照片。電源電壓
，
和
都等於(yu) 2.5V。
采用差分600mV偽(wei) 隨機比特序列（PRBS）27-1作為(wei) 驅動器的輸入信號，測試了VCSEL鏈路在28和40Gb/s下的性能。光通過透鏡光纖耦合進出光學器件。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）。
發射機內(nei) 部的平衡調節輸出級的概念也將得到驗證。
結果與(yu) 討論
在所有實驗中，VCSEL的平均偏置電流為(wei) 12mA。均衡前的消光比為(wei) 5.3dB，均衡後的消光比降至3.6dB。28Gb/s和40Gb/s下的接收眼圖及誤碼率曲線(BER)如圖2所示。TIA被推到極限區域，以Max限度地打開眼睛，導致400mVpp的差分擺幅。使用FFE可以提高40Gb/s時的眼高，但性能改善在誤碼率曲線中更為(wei) 明顯，在低於(yu) 10-11的誤碼率下，光學調製幅度（OMA）的靈敏度增加了2.3dB。將數據速率從(cong) 28Gb/s提高到40Gb/s會(hui) 導致2dbOMA的功耗損失。VCSEL鏈路能夠無差錯地運行，即保持10-13的誤碼率至少60秒，在28Gb/s下超過500米，在40Gb/s下超過100米。在500米處，耦合到PD的max光功率受到防止低於(yu) 10-9的設置的限製。接收器消耗的功率為(wei) 175mW，而發射器在28Gb/s和40Gb/s下消耗的功率分別為(wei) 132mW和172mW，因此在40Gb/s下消耗的功率為(wei) 8.7pJ/bit。雖然該鏈路的靈敏度比之前低約5db，但與(yu) 之前使用的4,5和5.8V相比，我們(men) 的鏈路在2.5V下工作時的能效幾乎是其三倍。對於(yu) 工作在1和3.3V下的25Gb/s共陰極VCSEL鏈路，我們(men) 的共陽極鏈路在28Gb/s下的靈敏度提高了3dB，功耗相似。
圖2 接收不同傳(chuan) 輸距離下28Gb/s和40Gb/s的眼圖和誤碼率曲線。
注意，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，發射機可以在很寬的陽極電壓範圍內(nei) 保持恒定電流通過激光器。誤碼率曲線證明，當陽極電壓改變時，即當開關(guan) 晶體(ti) 管不像在2.3V時那樣被推入飽和時，高速性能隻受到輕微影響。
圖3 直流和40gb/s電壓對VCSELs陽極電壓的影響
我們(men) 演示了0.13μm的SiGe驅動器和TIA，該驅動器以40Gb/s無錯誤的速度運行1.5μm VCSEL鏈路，超過100m的SMF。值得注意的是，這些結果是在單電源電壓為(wei) 2.5V的ICs下獲得的，同時實現了8.7pJ/bit的能量效率。
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