VCSEL链路通常需要多个电源电压以实现高速低功耗运行。一个40Gb/s的1.5µm VCSEL链路，使用0.13µm的SiGe VCSEL驱动器和工作在2.5V的跨阻放大器（TIA），实现了8.7pJ/bit的能源效率。
低功耗SiGe vcsel驱动和TIA工作在2.5 V的40Gb /s 1.5µm VCSEL链路
直接调制激光电流的高速垂直腔面发射激光器（VCSEL）驱动器有两种配置：阳极驱动和阴极驱动。阳极驱动有可能降低VCSEL驱动器的供电电压，而阴极驱动避免在高速路径中使用较慢的p型晶体管。但两者仍有一个共同点，即VCSEL驱动器在多个电源电压下工作以降低功耗，激光电源电压范围为3.3V至5.8V。在本文中，我们将进一步关注阴极驱动，并提出一种解决方案，以摆脱多个电源电压。
阴极驱动VCSEL变送器可以在输出端使用反向端接电阻来实现，以改善转换时间。不幸的是，这在驱动器
的供电电压和共阳极激光
的供电电压之间引入了电流路径。这只能通过选择等于
和激光正向阈值电压
之和的
来消除，强制供应商提供多个电源电压。
我们提出了一种0.13μm 的SiGe Bicmos驱动器和跨阻放大器（TIA）集成电路（IC），它可以在2.5V的单电源电压下运行高达40Gb/s的单模1.5μm VCSEL链路。虽然驱动器配备了100W的后端电阻Rt，但如图1所示的平衡稳压输出级消除了上述问题。输出级跟踪片上阳极电压，并通过激光器的电压复制品和本地电压转换器调节公共节点电压Vz，以稳定VCSEL电流
。平衡电路在低频时产生一个等于
的虚电流
，以便将电压变换器的动态与高速输出电流隔离开来。输出级之前有一个2抽头前馈均衡（FFE）驱动器，其中抽头A1和A0的幅度，符号和延迟差异可以修改。
实验中使用的0.13μm的SiGe接收器由共发射极分流反馈TIA和级联放大器组成。该设计是改进版本，其中电阻分流反馈被有源反馈电路取代。TIA和放大器级的增益可以适应线性或限制操作。
实验
发射器芯片尺寸为2.5mm×1.3mm，设计为4通道驱动器，通道间距为300μm。
驱动器输出通过导线连接到两个不同的2×1单模VCSEL阵列，由慕尼黑工业大学开发，见图1。本文的实验只使用了z右边的VCSEL。双台短腔1543nm器件的特点是埋地道结直径为5µm，底台直径为18µm，信号带宽超过19GHz。在18ma的翻转电流下，Max输出功率为4.5mW。接收器为2通道TIA，通道间距为750µm。TIA尺寸为3.6mm×0.98mm，由导线连接到两个独立的光电二极管（pd）上。PD的有效面积为12µm，响应率为0.63A/W。在2.5V~3v的偏置电压下，PD带宽大于35ghz。
图1 0.13µm的SiGe BiCMOS VCSEL驱动器和接收器的框图以及导线键合组件的显微照片。电源电压
，
和
都等于2.5V。
采用差分600mV伪随机比特序列（PRBS）27-1作为驱动器的输入信号，测试了VCSEL链路在28和40Gb/s下的性能。光通过透镜光纤耦合进出光学器件。灵敏度曲线测量背靠背（BTB）和超过100米和500米的单模光纤（SMF）。
发射机内部的平衡调节输出级的概念也将得到验证。
结果与讨论
在所有实验中，VCSEL的平均偏置电流为12mA。均衡前的消光比为5.3dB，均衡后的消光比降至3.6dB。28Gb/s和40Gb/s下的接收眼图及误码率曲线(BER)如图2所示。TIA被推到极限区域，以Max限度地打开眼睛，导致400mVpp的差分摆幅。使用FFE可以提高40Gb/s时的眼高，但性能改善在误码率曲线中更为明显，在低于10-11的误码率下，光学调制幅度（OMA）的灵敏度增加了2.3dB。将数据速率从28Gb/s提高到40Gb/s会导致2dbOMA的功耗损失。VCSEL链路能够无差错地运行，即保持10-13的误码率至少60秒，在28Gb/s下超过500米，在40Gb/s下超过100米。在500米处，耦合到PD的max光功率受到防止低于10-9的设置的限制。接收器消耗的功率为175mW，而发射器在28Gb/s和40Gb/s下消耗的功率分别为132mW和172mW，因此在40Gb/s下消耗的功率为8.7pJ/bit。虽然该链路的灵敏度比之前低约5db，但与之前使用的4,5和5.8V相比，我们的链路在2.5V下工作时的能效几乎是其三倍。对于工作在1和3.3V下的25Gb/s共阴极VCSEL链路，我们的共阳极链路在28Gb/s下的灵敏度提高了3dB，功耗相似。
图2 接收不同传输距离下28Gb/s和40Gb/s的眼图和误码率曲线。
注意，在500米处的眼图是在更高的输入功率下记录的。
图3清楚地表明，发射机可以在很宽的阳极电压范围内保持恒定电流通过激光器。误码率曲线证明，当阳极电压改变时，即当开关晶体管不像在2.3V时那样被推入饱和时，高速性能只受到轻微影响。
图3 直流和40gb/s电压对VCSELs阳极电压的影响
我们演示了0.13μm的SiGe驱动器和TIA，该驱动器以40Gb/s无错误的速度运行1.5μm VCSEL链路，超过100m的SMF。值得注意的是，这些结果是在单电源电压为2.5V的ICs下获得的，同时实现了8.7pJ/bit的能量效率。
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
