CN114421908B - 用于光通信的低频补偿电路、模块、调制驱动器及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通信中宽带驱动器IC低频增益调整技术领域，特别是涉及用于光通信的低频补偿电路、模块、调制驱动器及芯片，电路包括晶体管和与晶体管输出端串联的匹配电阻，所述晶体管输出端输出射频信号，所述匹配电阻两端还并联了第一支路，所述第一支路包括串联的第二匹配电阻、第一电感和场效应管，所述场效应管的源极与所述晶体管输出端连接，所述场效应管的漏极与第一电感连接，根据所述场效应管的栅极输入电压的变化，所述场效应管的等效阻抗变化。有益效果在于，这种补偿电路有助于克服PCB损耗和调制器的频率响应，输出级保持输出摆动，同时仍然实现低频增益补偿，从而得到一个平坦的频率响应。

Description

用于光通信的低频补偿电路、模块、调制驱动器及芯片
技术领域
本发明涉及光通信中宽带驱动器IC低频增益调整技术领域，特别是涉及一种用于光通信的低频补偿电路、模块、调制驱动器及芯片。
背景技术
光通信领域中，宽带调制驱动器通常工作带宽大于20GHz， 并且低频区域包括100Khz到0.6倍奈奎斯特速率的频率的范围（在数据通信速度为53gbaud的应用中，低频区域的最大值达到了约15GHz），在MZ调制器、电调制激光器(EML)或直接调制激光器(DML)中若电路具有调整低频响应的能力，将有助于补偿光调制驱动器在低频区域中的频率响应，这种补偿的最终结果是实现了整个系统在较宽频带中的平坦频率响应，这种平坦频率响应对于从系统中获得最佳光学性能至关重要。图1中给出了通常光模块中理想的频率响应曲线，箭头符号包括范围内至少到奈奎斯特频率点（Fnyquist）的低频区域中，增益保持不变。当频率响应不平坦时，光学眼图的电平会显示有噪声并且会影响系统整体的信噪比（Signal toNoise Ratio），从而影响系统的位误差比(BER)。在光通信调制驱动器的设计中，通常的愿望是：低频部分至少到奈奎斯特的工作频率，频率响应可以变得平坦。图2显示了通过调整低频响应可以获得的频率响应曲线，箭头符号包括范围内，来自驱动器的低频补偿使得增益有小幅度的增加，可近似为增益保持不变。图3显示了需要进行低频补偿的光调制器的频率响应曲线，在某些光调制器中发现有低频滚降的现象，随着频率的增加，低频部分的增加下降明显，需要进行低频补偿。
发明内容
本发明为了克服上述问题，增大光调制器的平坦低频响应的带宽，对电路进行了改进，提出了一种用于光通信的低频补偿电路、模块、调制驱动器及芯片，该低频补偿电路只影响低频区域的增益，驱动器的输出功率可以保持不变。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种用于光通信的低频补偿电路，包括晶体管和与晶体管输出端串联的第一匹配电阻，所述晶体管输出端输出射频信号，所述第一匹配电阻两端还并联了第一支路，所述第一支路包括串联的第二匹配电阻、第一电感和场效应管，
所述场效应管的源极与所述晶体管输出端连接，所述场效应管的漏极与第一电感连接，根据所述场效应管的栅极输入电压的变化，所述场效应管的等效阻抗变化。
作为优选方案，所述场效应管替换为BJT(三极管)或HBT（异质结双极晶体管）。
作为优选方案，通过调整所述第一匹配电阻、第二匹配电阻、第一电感和场效应管的阻值，使得所述晶体管输出端输出的射频信号在低频区域增益保持不变。
作为优选方案，所述低频区域的频率范围是100KHz到0.6倍奈奎斯特频率的范围。
作为优选方案，所述第一支路和第一匹配电阻并联部分的等效阻抗 Zload的计算公式为：
Zload =R1 x (R2+RFET)/ (R1 + R2 + RFET)
其中，R1是第一匹配电阻的电阻，R2是第二匹配电阻的阻值，RFET是场效应管的等效阻抗。
作为优选方案，为了减少高频对Zload的影响，需要满足以下公式：
（RFET +R2+|j2πfL1|）> R1
f是工作频率的取值，L1是电感器的电感值，j是虚数单位，|j2πfL1|是对j2πfL1取模， R1是第一匹配电阻的电阻值，R2是第二匹配电阻的电阻值，RFET是场效应管的等效阻抗。
基于相同的构思，还提出了一种光通信宽带调制驱动器，包括上述任一所述的一种用于光通信宽带调制驱动器的低频补偿电路。
基于相同的构思，还提出了一种光通信模块，包括前一项提到的一种光通信宽带调制驱动器。
基于相同的构思，还提出了一种工作带宽大于20GHz的宽带调制驱动器，包括上述任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
基于相同的构思，还提出了一种包括MZ调制器、电调制激光器或直接调制激光器的光通信模块，包括上述任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
基于相同的构思，还提出了一种100G 、200G或400G 的调制驱动器芯片，包括根据上述任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的最大优点是，来自驱动器的输出功率可以保持不变，同时只影响低频区域的增益。低频增益下降可以在较早的增益阶段实现补偿，而不是在芯片的输出阶段。这种补偿电路有助于克服PCB损耗和调制器的频率响应，允许输出级保持输出摆幅，同时仍然实现低频增益补偿，从而得到一个平坦的频率响应。
附图说明
图1为通常光模块中理想的频率响应；
图2为通过调整低频响应可以获得的频率响应曲线；
图3为需要进行低频补偿的光调制器的频率响应曲线；
图4A为在电气集成电路芯片的输出端没有后加重的脉冲信号波形图；
图4B为在电气集成电路芯片的输出端使用为改小噪声影响对不同频率信号的进行后加重得到的脉冲信号；
图5A为高低电平两个电压幅值的NRZ编码；
图5B为4种电压幅值水平的PAM4编码；
图6为本发明的实现低频补偿的电路；
图7A为电感L1取值较低时对应的增益变化曲线图；
图7B为电感L1取值较高时对应的增益变化曲线图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
对现有技术的说明：
在大多数光通信应用中，频率补偿是通过在电气集成电路芯片的输出端改小噪声影响，对不同频率信号进行预加重/后加重来完成的。预加重和后加重通常是通过降低频率时降低输出电压来完成的。最终结果是，芯片输出时的输出摆幅减少，输出摆幅是指输出信号最大值和最小值之间的差值。图4A和图4B中给出了示例，图4A为在电气集成电路芯片的输出端没有后加重的脉冲信号波形图，图4B是为了改小噪声影响，在电气集成电路芯片的输出端对不同频率信号进行后加重得到的脉冲信号，图4B中的括号部分是为了说明运用后加重后减小了脉冲信号输出摆动，对于光调制驱动器IC来说，后加重得到的脉冲信号不是所需的结果，因为对于输出电压来说，从调制器中获得所需的损耗比至关重要。通常，驱动电压或电流越大，调制器的ER就越高。
在本发明中，低频增益下降可以在较早的增益调整部分实现，而不是在芯片的输出端（例如在输出端改小噪声影响对不同频率信号的预加重/后加重）。这样的构思允许输出级保持输出摆幅，同时仍然实现低频增益补偿，以实现平坦的频率响应。
实施例1
本发明的主要目的是补偿驱动器集成电路中从100Khz到0.6倍奈奎斯特频率(在53gbaud的应用中，低频区域的最大值达到了15GHz)的频率响应。这种补偿有助于克服PCB损耗，并有助于调制器得到一个平坦的频率响应。由于振幅失真，得到平坦的频率响应是获得低信噪比的关键。在高波特率应用中，特别是使用PAM4应用中，频率响应的平坦度更重要，原因在于与两个级别的NRZ通信相比，PAM4应用中有4个级别（4个级别对应4种脉冲电压幅值），并且频率响应的平坦度使得信噪比降低了大约5dB。在光学行业中，随着工作频率的增加，现在大多数应用中开始使用PAM4调制。图5A和图5B显示了NRZ和PAM4应用中信号之间的比较。图5A中展示了高低电平两个电压幅值的NRZ编码，图5B中展示了4种电压幅值水平的PAM4编码，图5B中的括号部分说明，通过本发明的方案，可以降低不同电压幅值之间的差异，从而使得信噪比降低了大约5dB。
图6显示了本发明中用于实现低频补偿的电路。该电路中包括晶体管J和与晶体管输出端串联的第一匹配电阻R1，所述晶体管J输出端输出射频信号RFOUT，电路还包括R2、L1和FET（场效应管）形成FET1支路，FET1支路被用做由电压VPRE控制的电阻器。通过改变FET的输入电压VPRE，可以改变FET的阻抗(RFET)。随着FET上阻抗RFET的降低，输出的射频信号RFOUT的低频增益下降。电感器L1使阻抗保持在更高的高频范围。放大器的典型增益计算公式为（增益模块可以是FET、BJT或HBT）：
Gain = -gm × Zload
其中，Gain是典型增益，gm是跨导，在低频区域，由于并联的FET1支路的作用，Zload的计算公式为：
Zload =R1 x (R2+RFET)/ (R1 + R2 + RFET)
上述公式忽略了电感L1引起的阻抗，这样处理的理由在于：由于设计中串联了电感L1，它在低频区域下，感抗很低，可以忽略不计。选择电感L1的电感值，需要考虑到，其阻抗值与仅高出低频补偿所需最大阻抗值的R1相当。
频率补偿的斜率可以通过采用不同的电阻R2的阻值和L1的电感值来调整。为了减少高频对Zload的影响，需要满足以下公式：
（RFET +R2+|j2πfL1|）> R1
f是工作频率的取值，L1是电感器的电感值，j是虚数单位，|j2πfL1|是对j2πfL1取模， R1是第一匹配电阻的电阻值，R2是第二匹配电阻的电阻值，RFET是场效应管的等效阻抗。
L1的电感值越高，对高频范围的频率响应的影响就越低。通过调整R2和L1的值，可以实现所期望的低频补偿。
图7A为电感L1取值较低时对应的增益变化曲线图，H1的曲线是FET的阻抗RFET=high（FET turn off）时对应的增益曲线，D1的曲线是FET的阻抗RFET=low（FET turn on）时对应的增益曲线；图7B为电感L1取值较高时对应的增益变化曲线图，H2的曲线是FET的阻抗RFET=high（FET turn off）时对应的增益曲线，D2的曲线是FET的阻抗RFET=low（FET turnon）时对应的增益曲线。通过对比两个图的曲线D1和D2可以看到，图7A中低频补偿最大频率是K1对应的频点，图7B中低频补偿最大频率是K2对应的频点，通过调整L1的值可以来调整低频补偿的最大频率，一个较高的L1值允许低频补偿最大频率移动到一个较低的值。
上述低频补偿电路以及低频段平坦度调整方法已成功地应用于驱动器和调制器，得到了非常好的频率响应。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于光通信的低频补偿电路，包括晶体管和与晶体管输出端串联的第一匹配电阻，所述晶体管输出端输出射频信号，其特征在于，所述第一匹配电阻两端还并联了第一支路，所述第一支路包括串联的第二匹配电阻、第一电感和场效应管，
所述场效应管的源极与所述晶体管输出端连接，所述场效应管的漏极与第一电感连接，根据所述场效应管的栅极输入电压的变化，所述场效应管的等效阻抗变化；
（RFET +R2+|j2πfL1|）> R1
f是工作频率的取值，L1是第一电感的电感值，j是虚数单位，|j2πfL1|是对j2πfL1取模， R1是第一匹配电阻的电阻值，R2是第二匹配电阻的电阻值，RFET是场效应管的等效阻抗。
2.如权利要求1所述的一种用于光通信的低频补偿电路，其特征在于，所述场效应管替换为BJT或HBT。
3.如权利要求2所述的一种用于光通信的低频补偿电路，其特征在于，通过调整所述第一匹配电阻、第二匹配电阻、第一电感和场效应管的阻值，使得所述晶体管输出端输出的射频信号在低频区域增益保持不变。
4.如权利要求3所述的一种用于光通信的低频补偿电路，其特征在于，所述低频区域的频率范围是100KHz到0.6倍奈奎斯特频率的范围。
5.如权利要求3所述的一种用于光通信的低频补偿电路，其特征在于，所述第一支路和第一匹配电阻并联部分的等效阻抗 Zload的计算公式为：
Zload =R1 x (R2+RFET)/ (R1 + R2 + RFET)
其中，R1是第一匹配电阻的电阻，R2是第二匹配电阻的阻值，RFET是场效应管的等效阻抗。
6.一种光通信宽带调制驱动器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
7.一种光通信模块，其特征在于，包括如权利要求6所述的一种光通信宽带调制驱动器。
8.一种工作带宽大于20GHz的宽带调制驱动器，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
9.一种包括MZ调制器、电调制激光器或直接调制激光器的光通信模块，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
10.一种100G 、200G或400G 的调制驱动器芯片，包括根据权利要求1 至5中任一项所述的一种用于光通信的低频补偿电路。
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