一种高速大电流的PAM4光发射机设计
《信息技术与网络安全》2020年第6期
李 喜，林福江
中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥230026
摘要： 随着通信数据比特率不断提升，PAM4(四阶脉冲幅度调制)光发射机已经在超高速光纤通信系统中得到更广泛的应用。设计了一种包含NRZ（非归零）编码-RZ（归零）编码转换电路的PAM4光发射机，基于电流模逻辑增加了电路的工作速度和抗干扰能力。通过带自偏置可控延时电路实现了NRZ编码到RZ编码的转换，减小了长链路信号传输的色散效应。驱动器采用预驱动与主驱动级联的方式增大电路驱动能力，并通过串联电阻实现级间的共模电平匹配。电路设计采用0.13 μm SOI CMOS工艺，仿真结果表明在两路输入数据比特率为2.5 Gb/s，典型负载为25 Ω时，最大输出电流为120 mA，电流脉冲宽度为125 ps，PAM4眼图张开度良好。
中图分类号： TN432
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.06.010
引用格式： 李喜，林福江. 一种高速大电流的PAM4光发射机设计[J].信息技术与网络安全，2020，39(6)：53-57.
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.06.010
引用格式： 李喜，林福江. 一种高速大电流的PAM4光发射机设计[J].信息技术与网络安全，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
随着当今社会通信速度与容量的迅速增长，光纤通信相比传统的电通信开始展现出巨大优势。光发射机将输入电压信号转化为能调制激光器发光的电流信号，其作用在整个光纤通信系统中起着极其重要的作用。
在同等波特率下，四阶脉冲幅度调制(Four-level Pulse Amplitude Modulation，PAM4)的比特率相比传统的非归零调制(Non-Return-to-Zero，NRZ)提高一倍，增大传输效率的同时降低了成本，PMA4技术已经在超高速信号互连系统中得到了广泛认可。但PAM4在实际应用上尚存在两个问题：一是PAM4的发射机的调制电流不够大，使得激光器的消光比不够大，从而使信号在光纤传输时产生误码；二是目前输入数据信号编码通常采用NRZ编码，其调制产生的光信号在光纤传输中会显著地受色散效应影响造成码间干扰，不适应长距离传输。
本文提出的PAM4光发射机则能更好地适应长距离光通信：首先采用SOI CMOS工艺，相比GaAs等工艺折中了成本与性能；其次输出调制电流最大能达到120 mA，可以充分提高激光器的消光比；另外，设计了编码转换器，将输入的非归零编码信号转换为归零型(Return-to-Zero，RZ)编码的信号，调制的光信号更能忍受在光纤传播时的非线性和色散效应，从而更好地适应长距离光通信。
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作者信息：
李 喜，林福江
(中国科学技术大学 微电子学院，安徽 合肥230026)
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