CN113540968A

CN113540968A - 一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用

Info

Publication number: CN113540968A
Application number: CN202110800578.5A
Authority: CN
Inventors: 维卡斯·马南
Original assignee: Chengdu Yingsijia Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Yingsijia Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2018-07-26
Publication date: 2021-10-22
Also published as: CN108923248B; CN108923248A

Abstract

本发明公开了一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用，结构中直接调制激光器和驱动器串联连接；其中，直接调制激光器的阳极作为射频接地，直接调制激光器的阴极与所述驱动器射频连接节点连接；所述直接调制激光器的电流全部沉入、流入、或吸入到所述驱动器中，并且驱动器电流与所述直接调制激光器的电流相等，所述结构应用于10Gbs以上激光器驱动电路中，驱动器电流全部用于调制激光器，能够降低电流消耗并提高驱动器的高速性能。

Description

一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用

本案是发明专利《一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用》（申请号：CN201810835574.9，申请日：2018年07月26日）的分案申请。

技术领域

本发明涉及直接调制激光器（Directly Modulated Laser，DML）驱动技术领域，尤其涉及一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用。

背景技术

直接调制激光器在使用单模光纤的光通信中广泛应用。DML 在成本和功率上与其它解决方案相比更有优势，例如与电调制（Electrically Modulated Laser，EML）或需要外部激光器的马赫曾德（Mach-Zehnder，MZ）调制器相比。随着光通信市场上光模块封装结构的不断缩小（例如，从100Gbs 应用下的CFP 到QSFP28），减少光模块中功耗以在更小的空间内实现更有效的热量管理的需求与日俱增。

DML 中的电流调制产生光调制，以用于通过光纤传输数据。激光器中的电流通常是使用分流驱动方式来调制的，其间驱动器中的调制电流在驱动器和激光器之间共享。此种结构通常要求更高的功耗，因为驱动器中的一些电流没有被完全用于调制激光器。而在光纤通信中减少功耗非常重要，因为光模块的密度越来越高，因此提高电源效率对减少模块中的散热量至关重要。此种驱动器的应用包括数据中心，移动网络以及企业市场。所有这些应用都要求光模块具有最低的功耗。

申请公布号为CN104767117A 的中国发明专利申请公开了一种高速激光器驱动电路，能够解决较高速率（10Gbs 以上）下激光器驱动电路的高频阻抗匹配问题。然而，包括该专利申请在内的现有激光器驱动技术，驱动激光器的典型电路拓扑结构均是通过提供差分分流路径（在激光器的阴极-和阳极节点+之间，参见图1），或者作为驱动器与激光器之间的单端分流路径（参见图2）。图1 示出了用于驱动直接调制激光器DML 的驱动器DRIVER 的典型的差分分流拓扑结构。驱动器内部的阻抗（Rdriver）可以取值为40~120 欧姆（差分）。传输线路阻抗（Rline）确定，驱动器内部阻抗Rdriver 越低，驱动器基于射频输入RF INPUT产生相同调制电流Ilaser 的功耗就越高。跨导阶段可以使用差分晶体管拓扑结构来实现。图2 示出了单端分流式驱动器的典型接口。DML 的阴极节点接地，而阳极节点经历射频调制。图中驱动器的内部阻抗表示为Rdriver。其典型取值范围是20~60 欧姆（单端）。在这两种配置中，驱动器因其中的电流调制而消耗额外的电流Idriver，导致驱动器的电流消耗更高。驱动器中的此项额外电流消耗增加了驱动器电路的功耗。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构及其应用，能够降低驱动器的功耗并提高驱动器的高速（例如从几Gbs 到数Gbs）性能，且集成度高、体积小。此种驱动器拓扑结构对于调制DML的电流是最为有效的，其可以用于调制高速DML 激光器的电流，并被用于非归零（NRZ）以及脉冲幅度调制（PAM）等各种高速光通信应用中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构，所述结构中直接调制激光器DML 和驱动器串联连接；

其中，DML 的阳极作为射频接地， DML 的阴极与驱动器射频连接节点连接；射频输入信号经由驱动器转换为驱动器电流来对DML 电流进行调制；DML电流全部沉入、流入、或吸入到驱动器中，并且驱动器电流与DML 电流相等。

优选的，所述结构设置有连接在地与DML 的阳极节点之间的旁路电容器以作为射频接地。

优选的，所述旁路电容器是外接的或者集成在驱动器中。

优选的，所述旁路电容器设置在驱动器的阳极板上。

优选的，所述旁路电容器和DML 分别在衬底上形成不同的层或极，并通过集成电路芯片的接合线连接至驱动器的对应节点。

优选的，所述驱动器采用晶体管来放大射频输入信号以作为跨导放大器。

优选的，所述晶体管包括高电子迁移率晶体管HEMT、场效应晶体管FET、异质结双极晶体管HBT 中的一者或多者。

优选的，所述结构用于对射频输入信号进行非归零NRZ 和/或脉冲幅度调制PAM。

一种100G、200G、或400G 的调制驱动器芯片，包括任一项所述的下沉式直接调制激光器DML 与驱动器的结构。

一种CFP、CFP2、CFP4、QSFP28、QSFPDD、或OSFP 封装形式的光通信模块，包括所述的调制驱动器芯片。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过使驱动器中被调制的全部电流与激光器（即DML）串联，因此驱动器电流全部用于调制激光器，能够降低电流消耗并提高驱动器的高速性能；并且，该驱动器拓扑结构对激光器的阻抗并不敏感，当驱动器在阴极节点提供高阻抗时，激光器的阻抗不影响高频性能；通过使用晶体管来作为跨导放大器元件，使得DML 驱动器的尺寸能够变得非常小；通过将旁路电容器设置在合适的位置可以便简化生产并提高性能。

附图说明

图1 是典型的DML 与驱动器的差分分流拓扑结构示意图。

图2 是典型的DML 与驱动器的单端分流拓扑结构示意图。

图3 是根据本发明示例性实施例的下沉式DML 与驱动器的拓扑结构示意图。

图4A 和图4B 分别是使用HBT、FET/HEMT 晶体管的差分分流拓扑结构示意图。

图5A 和图5B 分别是使用HBT、FET/HEMT 晶体管的单端分流拓扑结构示意图。

图6A 和图6B 分别是使用HBT、FET/HEMT 晶体管的串联下沉式DML 与驱动器的拓扑结构示意图。

图7 是根据本发明示例性实施例的下沉式DML 与驱动器的拓扑结构中阻抗示意图。

图8 是根据本发明示例性实施例的使用下沉式直接调制激光器DML 与驱动器结构的集成电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图3 示出了根据本发明示例性实施例的下沉式DML 与驱动器的拓扑结构。该实施例的拓扑结构中，DML 和驱动器串联连接，并且DML 的阳极作为射频接地RF GND，而DML 阴极通过驱动器电流Idriver 而被调制。DML 激光器的全部电流Ilaser 沉入、流入、或吸入到驱动器中，因此Idriver 与Ilaser 相等。此种串联下沉式DML 驱动器是最高效的拓扑结构，因为驱动器与激光器串联，并且驱动器中的全部调制电流都被调制到了激光器中，从而使其具有最高电源效率。与分流驱动器拓扑结构相比，串联下沉式DML 驱动器所节省的电能可以高达50%。

该拓扑结构可以被称为串联下沉式拓扑结构，因为DML 与驱动器串联且DML 电流注入、灌入或沉入驱动器中（而不是电流流出或下拉电流等）。输入驱动器的射频输入信号RF INPUT 通常是电压，此电压经由驱动器转换为驱动器电流来对DML 电流进行调制。驱动器通过放大输入的射频信号（例如调制电压）来充当跨导放大器。激光器的阳极节点（+）为该拓扑结构中的射频接地，并且可以通过一个电容器Cbypass 连接在地与阳极节点之间来充当射频接地。DML 的阴极节点（-）连接至驱动器射频连接节点。驱动器可以接受差分或者单端输入，并且通过使用一个适当的晶体管（例如，高电子迁移率晶体管（HEMT），场效应晶体管（FET）或者异质结双极晶体管（HBT）等），来将输入电压转换为电流以用于调制DML 电流。DML 驱动器的跨导可以通过如下方法来恰当设置：使用大小合适的晶体管来作为设计中的跨导放大器元件。该设计可以通过使用单个晶体管（或者并联的晶体管，这取决于采用的相应晶体管技术）来作为跨导放大器元件。这也使得DML 驱动器的尺寸能够变得非常小。

图4A 和图4B 分别示出了使用双极（HBT）、FET/HEMT 晶体管的分流式差分驱动器的典型实施方式。如图所示，DML 与驱动器负载并联，这也是称之为分流式驱动器的原因。

图5A 和图5B 分别示出了使用双极（HBT）、FET/HEMT 晶体管的分流式单端驱动器的典型实施方式。如图所示，DML 与驱动器负载并联，这也是称之为分流式驱动器的原因。

图6A 和图6B 示出了使用双极（HBT）、FET/HEMT 晶体管的串联下沉式驱动器拓扑结构。其中与DML 激光器串联的驱动器是通过使用双极（HBT）或FET/HEMT 晶体管来实施的。驱动器提供由外向内看的高阻抗，并且激光器电流全部流经驱动器。即电流从激光器灌入、沉入或流入驱动器中。

图7 示出了DML 的阴极和阳极节点处的各种阻抗阳极，以及驱动器由外向内看的阻抗Rdriver。激光器电流与驱动器电流相同，因为二者之间是串联的。

在常规用途的分流式DML 驱动器中，驱动器通常在内部使用较低的阻抗Rdriver，例如20~70 欧姆。这样的低阻抗通常用于该驱动器的阻抗匹配和/或带宽增强。阻抗越低，驱动器产生相同级别的调制电流的功耗就越高。在串联下沉式拓扑结构中，DML 的阳极节点通常需要低阻抗，其通过使用如图4 所示的作为射频接地的电容器Cbypass 来实现。该电容器可以是外接的或集成在驱动器中（通过虚线表示）。在此拓扑结构中阳极节点通常具有高阻抗并用作调制电流源。相同的节点也可以向激光器提供直流旁路电流。分流式驱动器（图5）与串联下沉式驱动器拓扑结构（图7）的关键区别之一在于，阳极节点对串联下沉式拓扑结构而言是射频接地，而在分流式驱动器拓扑结构中阴极节点作为射频接地。用来在阳极节点实现射频接地的旁路电容可以通过使用外接电容或者驱动器内部的电容（图中用虚线表示）来实现。通过在芯片的衬底上将驱动器直接与DML 结合，从而可以实现非常高性能，低功耗且紧凑型的解决方案。这非常有助于满足日益提高的波特率和工业界对低功耗而高射频性能的需求。

串联下沉式驱动器拓扑结构还能够有效避免如图2 所示的部分分流式驱动器拓扑中会遇到的结构热失控问题，因为图2 中的DML 激光器是接地的，随着温度的升高，如果不在激光器电流经历温度正反馈时通过驱动器进行控制，激光器中的电流能够持续增大。在串联下沉式拓扑结构中，激光器的阴极连接至驱动器，并不会经历相同的热失控问题。

串联下沉式拓扑结构的优势还在于，对激光器的阻抗并不敏感。当驱动器在阴极节点提供高阻抗时（例如，大于70 欧姆），激光器的阻抗不影响高频性能。对于分流式驱动器拓扑结构，如图1 和图2 所示，高速性能取决于激光器的阻抗。该阻抗与驱动器的内部阻抗并联。高频下的阻抗决定了流过激光器的调制电流的量，并因此决定了激光器和驱动器组合的带宽。

图8 示出了一种使用串联下沉式DML 与驱动器结构的集成电路（或芯片）的具体实施方式。该图示出了DML 与串联下沉式驱动器在衬底上的一种实际连接。图中示出了衬底上的超紧凑驱动器DRIVER 与DML 的接口。图中分别代表电容器Cbypass 以及DML 的各自两个线框分别表示在衬底上形成的不同层（或极）以作为相应的节点或引脚。DML 阳极节点的射频接地通过使用旁路电容器Cbypass 来实现；阴极节点使用（集成电路芯片的）接合线连接至驱动器DRIVER的相应节点。图中位于（或连接于）DML 阳极的旁路电容器Cbypass的物理位置可以在组装时设置在合适的位置以便简化生产并提高性能，并可以装配到驱动器内部，例如设置在驱动器的阳极板上。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构，其特征在于，所述结构中直接调制激光器和驱动器串联连接；

其中，直接调制激光器的阳极作为射频接地，直接调制激光器的阴极与所述驱动器射频连接节点连接；所述直接调制激光器的电流全部沉入、流入、或吸入到所述驱动器中，并且驱动器电流与所述直接调制激光器的电流相等，并且直接调制激光器的电流流过所述晶体管后直接接地，

所述直接调制激光器的阳极为低阻抗，

所述结构应用于10Gbs 以上激光器驱动电路中。

2.根据权利要求1 所述的结构，其特征在于，所述直接调制激光器的阳极为低阻抗是通过连接在地与所述直接调制激光器的阳极节点之间的旁路电容器以作为射频接地来实现的。

3.根据权利要求2 所述的结构，其特征在于，所述直接调制激光器的阴极为高阻抗。

4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述直接调制激光器的阴极为高阻抗是通过所述驱动器的阻抗在阴极节点提供的。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述驱动器的阻抗大于70欧姆。

6.根据权利要求1-5任一所述的结构，其特征在于，所述驱动器可以接受差分或者单端输入，并且通过使用晶体管来将输入电压转换为电流以用于调制直接调制激光器的电流。

7.根据权利要求6所述的结构，其特征在于，所述晶体管为单个晶体管或者并联的晶体管。

8.根据权利要求2-5 任一所述的结构，其特征在于，所述旁路电容器和所述直接调制激光器分别在衬底上形成不同的层或极，并通过集成电路芯片的接合线连接至驱动器的对应节点。

9.根据权利要求8所述的结构，其特征在于，所述旁路电容器和所述直接调制激光器位于同一衬底上，驱动器的下一层是GND，所述旁路电容器的一端与GND连接，另一端与所述直接调制激光器的阳极连接。

10.根据权利要求1 所述的结构，其特征在于，所述结构用于对射频输入信号进行非归零NRZ 和/或脉冲幅度调制PAM 。

11.一种下沉式直接调制激光器与驱动器的结构，其特征在于，所述结构中直接调制激光器和驱动器串联连接；

其中，直接调制激光器的阳极作为射频接地，直接调制激光器的阴极与所述驱动器射频连接节点连接；所述直接调制激光器的电流全部吸入到所述驱动器中，并且驱动器电流与所述直接调制激光器的电流相等，

所述结构应用于10Gbs 以上激光器驱动电路中。

12.一种高速调制驱动器芯片，包括根据权利要求1 至11中任一项所述的下沉式直接调制激光器与驱动器的结构。

13.一种CFP 、CFP2 、CFP4 、QSFP28 、QSFPDD、或OSFP 封装形式的光通信模块，包括根据权利要求12所述的调制驱动器芯片。