[发明专利]H桥集成激光驱动器

说明书

H桥集成激光驱动器针对电吸收调制激光器(EML)和直接调制激光二极管(DML)应用、VCSEL/硅光子以及需要高摆幅驱动器或者控制的阻抗的其它应用优化了功耗、阻抗匹配、低摆幅和高摆幅可靠性。激光驱动器包括：用于将低速并行数据转换为高速串行位流和高速并行位流的反相表示的重定时器；被配置为接收第一缓冲位流的M位PMOS DAC；被配置为接收与第一缓冲位流基本同步的第二缓冲位流的N位NMOS DAC。保护器件耦合在M位DAC和N位DAC之间。第一DC电平移位预驱动器阵列耦合在重定时器和M位DAC之间，以接收高速并行位流和反相的高速并行位流，并且第二DC电平移位预驱动器阵列耦合在重定时器与N位DAC之间，以接收高速并行位流和反相的高速并行位流。阻抗匹配模块耦合到保护器件的输出端。激光驱动器可以被集成在CMOS通信芯片上。

相关申请

本申请要求于2019年5月29日提交的美国临时申请62/854,219的优先权，并且其全部内容通过引用并入本文。本申请涉及美国专利申请16/855,945，其全部内容也通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及数字通信系统，并且更具体地，涉及用于电吸收调制激光器(EML)、直接调制激光二极管(DML)应用、硅光子、VCSEL或者需要高摆幅电压\电流调制的其它非光学应用，的CMOS PAM4通信芯片的集成激光驱动器的电子架构。

背景技术

随着互联网带宽需求的增加以及移动电话的连接性发展到5G，移动数据通信，尤其是从蜂窝塔到基站以及在数据中心内用于数据中心互连(DCI)或其他装置间通信的光纤通信要求更高的传输速度。常规的数字通信系统使用NRZ或PAM2方案来调制信号，使得信息位由对应于二进制0或1的两个可能的信号电平之一表示。为了提高位速率，已经提出了PAM4方案以用于调制信号，使得由对应于二进制00、01、10或11的四个可能信号电平之一来表示位。PAM4方案因此通过增加脉冲幅度调制的电平数量而有效地使串行数据传输中的位速率加倍，但这样做是以降低噪声敏感性为代价的，信噪比下降了约三分之二。

因此，例如以56Gb/s的速率传输的高速光学PAM4系统需要复杂的数字信号处理(DSP)才能使得在具有较低信噪比的电路中进行操作。由于集成、成本和功率的限制，只有通过现代CMOS技术才能使这样的系统的实际实施成为可能。该领域的高级设计设想将PAM4激光驱动器集成在CMOS芯片上。

在PAM4 DSP芯片上集成PAM4激光驱动器将有利地减少功耗，降低总材料成本，并减小激光模块的大小。然而，用于EML和DML应用的激光驱动器需要高电流调制(高达60mA)和典型的高达2.2V单端峰值至峰值(ppse)的高压摆幅，同时要实现针对PAM4方案的高带宽(10GHz)和高线性度。由于这些高摆幅电压和大调制电流需要，很难在现代CMOS技术中实施激光驱动器，这要求在不承受过压和可靠性的情况下来实现高速性能。例如，现代核心器件MOSFET在其所有端子(VGS、VGD和VDS)两端只能承受大约1V的电压。由于这些原因，激光驱动器通常作为外部(即非集成)驱动器以非CMOS技术(例如硅锗(SiGE)和磷化铟(InP)异质结构双极晶体管(HBT)技术)实施。在图1的典型PAM4光学系统10中示出了这种实施方式。在系统10中，PAM4通信芯片11从外部跨阻放大器13接收传入的信号，并将输出信号发送到非集成的激光驱动器15。激光驱动器15是电耦合到通信芯片11的外部芯片。

具有外部驱动器的典型PAM4光学系统需要PAM4通信IC来提供如下信号到100欧姆系统(差分测量)中，该信号具有高达1V差分峰值至峰值(ppd)摆幅，然后该信号作为单端1.5Vpp被发送到50欧姆的EML负载中，或者该信号以高达60mA的调制电流被差分发送到25欧姆的DML负载中。通过将激光驱动器直接集成到PAM4 IC中以驱动EML或DML，从而避免了两级的PAM4传输，这在带宽、功耗、和线性度方面会更加有效。用于实施高速发射机驱动器的两种已知方法是电流模式驱动器(CML)和电压模式驱动器(SST)。