CN116192580B - 一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及芯片集成技术领域，具体地说，涉及一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片；该方法通过设置控制引脚，从外部的控制电路获取电压调节直流偏置电路的直流偏置电流的大小；通过在电吸收调制驱动器芯片内部设置直流偏置电路生成直流偏置电流，向电吸收调制芯片提供直流电流偏置；不需要外部的额外组件来向电吸收调制芯片提供偏置，提供了非常好的回波损耗，提升了高速应用中的眼图质量，不需要使用制造传统EML设计中使用的基板的薄膜电阻器的特殊工艺，极大降低了制造难度和成本，减少了基板上键合的成本和复杂性。

Description

一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片
技术领域
本发明涉及芯片集成技术领域，具体地说，涉及一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片。
背景技术
现在使用的传统EML驱动器需要驱动器和EML的bias-t。如图2所示显示了当前应用中使用的传统EML驱动器示意图。这些设计中使用的bias-t占用了光模块的空间，并且还由于bias-t的损失而导致RF性能的损失。随着通道数量的增加，实际空间正面临挑战。8通道400Gbs（50Gbsx8）和800Gbs（100Gbsx8）模块在小型模块，如QSFPDD和OSFP中已经面临此问题。bias-t通常引入带内共振，导致传输眼图失真。带内共振通常由与表面组装技术（SMT）组件所需的焊盘相关的寄生电容引起。在实际应用中，响应需要相当平坦，达到奈奎斯特频率（100Gbaud/s应用为50GHz）。
在大多数使用电吸收调制芯片进行光传输的光通信模块中，驱动器芯片需要偏置bias-t以允许驱动器的低功率工作。这些电吸收调制芯片和驱动器芯片是交流耦合的，即驱动器芯片和电吸收调制芯片之间有一个电容，如图2中的电容C1所示，以隔离驱动器芯片和电吸收调制芯片的直流电压。这些偏置bias-t元件的尺寸可以很大，典型的低频电感可以使用0603或0805尺寸的SMT元件。这些电感器还产生辐射，其可导致信道之间的耦合串扰或发射器和接收器之间的串扰。随着工作频率的提高，这个问题变得越来越严重。电吸收调制芯片的典型驱动电压在1-2Vpp之间。这种单端驱动电压也可以通过PCB上的电容耦合在通道之间耦合，从而导致串扰。
当前的驱动器芯片拓扑结构还需要在载体芯片COC基板上放置50欧姆的终端电阻，以实现驱动器芯片和电吸收调制芯片之间的阻抗匹配。该50欧姆电阻器通常需要在载体芯片COC基板上制造，这增加了COC基板上键合的成本和复杂性。如图4所示，显示了当前应用中通常使用的COC基板，L1焊线为电吸收调制芯片与COC基板之间的焊线，L2焊线为电吸收调制芯片与第二电阻之间的焊线，使得高频阻抗匹配更加困难，因为50欧姆电阻、L1焊线和电吸收调制芯片的固有寄生电容形成RLC网络。如图5所示，显示了目前53Gbaud/s应用中使用的这样一个网络的模拟输入回波损耗S11响应的典型值。输入回波损耗S11的性能在25Ghz左右降低到-10dB以上，并在高频下导致反射问题。这也会导致53Gbaud/s及以上高速应用中的眼图质量下降。
发明内容
本发明针对上述通过在电吸收调制驱动器芯片和电吸收调制芯片之间设置电容和bias-t占用大量光模块内部空间、造成串扰、COC基板的高成本和复杂性、在高频下形成RLC网络导致反射问题以及高速应用时眼图质量下降的问题，提出一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，通过设置控制引脚，从外部的控制电路获取电压调节直流偏置电路的直流偏置电流的大小；通过在电吸收调制驱动器芯片内部设置直流偏置电路生成直流偏置电流，向电吸收调制芯片提供直流电流偏置；不需要外部的额外组件来向电吸收调制芯片提供偏置，提供了非常好的回波损耗，提升了高速应用中的眼图质量。
本发明具体实现内容如下：
一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，与电吸收调制芯片耦合；所述电吸收调制驱动器芯片包括射频电路、直流偏置电路、控制引脚；
所述射频电路的输入端输入射频信号，输出端与所述电吸收调制芯片的输入端连接；
所述直流偏置电路，用于生成可调节的直流偏置电流，并根据所述直流偏置电流向所述电吸收调制芯片提供直流偏置；
所述控制引脚，用于根据从外部的控制电路获取的电压调节所述直流偏置电路的直流偏置电流的大小。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电吸收调制驱动器芯片通过短焊线与所述电吸收调制芯片直流耦合，消除了所述电吸收调制驱动器芯片和所述电吸收调制芯片之间的电容和直流偏置器bias-t。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述直流偏置电路根据HBT技术、FET技术或HEMT技术实现。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述控制引脚汲取的直流电流的电流值小于100uA。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述电吸收调制驱动器芯片为25Gbs以上的电吸收调制驱动器芯片。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过在电吸收调制驱动器芯片内部设置直流偏置结构，并通过短焊线将电吸收调制驱动器芯片和电吸收调制芯片直接耦合，无需在电吸收调制驱动器芯片和电吸收调制芯片之间设置bias-t和电容，显著节省了光模块的空间，并且RF性能没有损失。
（2）本发明不需要使用制造传统电吸收调制驱动器芯片设计中使用的基板的薄膜电阻器的特殊工艺，极大降低了制造难度和成本，减少了基板上键合的成本和复杂性。
（3）本发明通过设置控制引脚汲取小于100uA的直流电流，使得控制电路可以使用数模转换器，消除了用于大电流条件的大电流运算放大器OPAMP。
附图说明
图1为本申请实施例提供的电吸收调制驱动器芯片的结构示意图。
图2为传统的电吸收调制驱动器芯片与电吸收调制芯片连接的示意图。
图3为本申请实施例提供的电吸收调制驱动器芯片与电吸收调制芯片连接的示意图。
图4为传统的电吸收调制驱动器芯片基板结构示意图。
图5为RLC网络的模拟输入回波损耗曲线图。
图6为本申请实施例提供的电吸收调制驱动器芯片基板结构示意图。
图7为本申请实施例提供的电吸收调制驱动器芯片的模拟输入回波损耗曲线图。
图8为本申请实施例提供的偏置单元结构示意图。
其中，1、电吸收调制驱动器芯片，2、电吸收调制芯片，3、短焊线，4、射频电路，5、直流偏置电路，6、射频输入端，7、射频输出端，8、控制引脚，9、电感，10、第一电阻，11、磁珠，12、第二电阻，13、激光器供电器，14、L1焊线，15、L2焊线，16、地端，17、交流地端，18、Q1晶体管，19、Q2晶体管，20、直流电流源，21、电容，22、直流偏置器bias-t，23、阻抗。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提出一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，如图1所示，所述电吸收调制驱动器芯片1包括射频电路4、直流偏置电路5、控制引脚8；
所述射频电路4的输入端输入射频信号，输出端与所述电吸收调制芯片2的输入端连接；
所述直流偏置电路5，用于生成可调节的直流偏置电流，并提供给所述电吸收调制芯片2；
所述控制引脚8，用于根据从外部的控制电路获取的电压调节所述直流偏置电路5的直流偏置电流的大小。
工作原理：现在使用的传统的电吸收调制驱动器芯片1需要电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2的直流偏置器bias-t22。如图2所示，当前应用中使用的传统电吸收调制驱动器芯片1与电吸收调制芯片2连接的示意图。这些设计中使用的直流偏置器bias-t22占用了光模块的空间，并且还由于直流偏置器bias-t22的损失而导致RF射频性能的损失。随着通道数量的增加，实际空间正面临挑战。8通道400Gbs即50Gbsx8和800Gbs即100Gbsx8模块在小型模块，如QSFPDD和OSFP中已经面临此问题。
本实施例提出的电吸收调制驱动器芯片1的拓扑结构是在电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2之间直接键合。电路图如图3所示。这显著地节省了空间，并且RF射频性能没有损失。电吸收调制芯片2的偏置通过电吸收调制驱动器芯片1上的控制引脚8调节，并且不需要外部的额外组件来向电吸收调制芯片2提供偏置。这种电吸收调制驱动器芯片1的拓扑结构对于高速应用即100Gbaud/s及以上变得非常重要，因为很难设计能够覆盖高达60GHz频带的低成本偏置。直流偏置器bias-t22通常引入带内共振，导致传输眼图失真。带内共振通常由与表面组装技术SMT组件所需的焊盘相关的寄生电容引起。在实际应用中，响应需要相当平坦，达到奈奎斯特频率100Gbaud/s应用为50GHz。
本实施例提出的电吸收调制驱动器芯片1，在电吸收调制驱动器芯片1内部设置直流偏置电路5，向电吸收调制芯片2提供直流电流偏置；通过在电吸收调制驱动器芯片1设置控制引脚8，并根据所述外部的控制电路控制所述直流电流的大小；不需要外部的额外组件来向电吸收调制芯片2提供偏置，提供了非常好的回波损耗，提升了高速应用中的眼图质量。通过将偏置结构设置在电吸收调制驱动器芯片1内部，使得电吸收调制驱动器芯片1直接通过短焊线3与电吸收调制芯片2耦合，节省空间的同时，降低了芯片载体基板的制造成本。电吸收调制驱动器芯片1或者电吸收调制芯片2在操作时不再需要直流偏置器bias-t22或者第二电阻12。这种拓扑结构在高比特率，尤其是25Gbs及以上，提供了若干优点。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图8所示，以一个具体的实施例进行说明。
本实施例提出的电吸收调制驱动器芯片1的控制引脚8汲取的直流电流的电流值小于100uA；
所述直流偏置电路5包括晶体管、直流电流源20；
所述晶体管包括Q1晶体管18、Q2晶体管19，其中，Q1晶体管18为高电子迁移率晶体管HEMT，Q2晶体管19为场效应晶体管FET或异质结双极晶体管HBT。
所述晶体管的基极/栅极输入射频信号，所述晶体管的集电极/漏极与交流地端17连接，所述晶体管的发射极/源极与所述直流电流源20的输入端连接；
所述直流电流源20用于给电吸收调制芯片2提供直流偏置。
进一步地，所述电吸收调制驱动器芯片1为25Gbaud/s以上的驱动器芯片。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1－实施例2任一项的基础上，提出一种电吸收调制芯片2与电吸收调制驱动器芯片1的连接结构，所述电吸收调制芯片2与激光器供电器13连接；该连接结构包括上述的电吸收调制驱动器芯片1；
所述连接结构集成在载体芯片基板上，且所述电吸收调制芯片2通过短焊线3与所述电吸收调制驱动器芯片1耦合。
工作原理：在大多数使用电吸收调制芯片2进行光传输的光通信模块中，电吸收调制驱动器芯片1需要直流偏置器bias-t22以允许电吸收调制驱动器芯片1的低功率工作。这些电吸收调制芯片2和电吸收调制驱动器芯片1是交流耦合的，即电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2之间有一个电容21如图2所示，以隔离电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2的直流电压。这些直流偏置器bias-t22元件的尺寸可以很大，典型的低频电感可以使用0603或0805尺寸的SMT元件。这些电感器还产生辐射，其可导致信道之间的耦合串扰或发射器和接收器之间的串扰。随着工作频率的提高，这个问题变得越来越严重。电吸收调制芯片2的典型驱动电压在1Vpp-2Vpp之间。这种单端驱动电压也可以通过PCB上的电容耦合在通道之间耦合，从而导致串扰。
当前的电吸收调制驱动器芯片1拓扑结构还需要在COC基板上放置第二电阻12，第二电阻12为50欧姆的终端电阻，以实现电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2之间的阻抗匹配。该50欧姆电阻器通常需要在COC基板上制造，这增加了COC基板上键合的成本和复杂性。如图4所示，显示了当前应用中通常使用的COC基板，L1焊线14为电吸收调制芯片2与COC基板之间的焊线，L2焊线15为电吸收调制芯片2与第二电阻12之间的焊线，使得高频阻抗匹配更加困难，因为50欧姆电阻、L1焊线14和电吸收调制芯片2的固有寄生电容形成RLC网络。如图5所示，显示了目前53Gbaud/s应用中使用的这样一个网络的模拟输入回波损耗S11响应的典型值。输入回波损耗S11的性能在25Ghz左右降低到-10dB以上，并在高频下导致反射问题。这也会导致53Gbaud/s及以上高速应用中的眼图质量下降。
本实施例提供了一种电吸收调制芯片2与电吸收调制驱动器芯片1的连接结构，如图6所示为该连接结构的典型组装示意图，将电吸收调制芯片2与电吸收调制驱动器芯片1直流耦合直接键合；该电吸收调制驱动器芯片1为电吸收调制芯片2提供可调节的直流偏置，使设计无任何直流偏置器bias-t22和直流模块电容。在用于电吸收调制芯片2的传统电路中，通过直流偏置器bias-t22提供的EML偏置可以根据EML阻抗和终端电阻值汲取高达20mA—40mA的直流偏置电流。这通常需要大电流运算放大器OPAMP，增加了设计中的成本和空间。在新提出的连接结构中，EML偏置通过电吸收调制驱动器芯片1上的控制引脚8提供。该控制引脚8汲取小于100uA的直流电流，使得控制电路可以使用数模转换器，不需要运算放大器OPAMP。
如图7所示，显示了该连接结构中电吸收调制芯片2的实测模拟输入回波损耗Sdd11。与具有50欧姆并联终端的连接结构相比，本实施例提出的连接结构在小于-10dB至50GHz提供了非常好的回波损耗。该电吸收调制驱动器芯片1的输入端提供100欧姆差分阻抗，使高速应用的阻抗匹配非常容易。电吸收调制驱动器芯片1的差分输入易于与DSP或CDR接合，因为这些IC芯片的输出也是差分的。差分输入还提供了串扰抗扰性，因为由于电吸收调制驱动器芯片1的共模抑制，电吸收调制驱动器芯片1输入的串扰噪声被削减。如果使用外部驱动器驱动电吸收调制芯片2，则单端驱动器不具备共模抑制引起的串扰抗扰性。
电吸收调制驱动器芯片1的输出阻抗设计用于在高速下提供最佳性能。电吸收调制驱动器芯片1的输出级将由提供低阻抗的拓扑构成，以最小化EML寄生电容的充电和放电时间。如图8所示，显示了使用异质结双极晶体管HBT、场效应晶体管FET或高电子迁移率晶体管HEMT技术的典型实现。如图8中所示的阻抗23需要根据电吸收调制芯片2的寄生参数进行优化。通过使用适当的Q1/Q2晶体管器件尺寸和晶体管偏置电流，可以获得最佳的射频性能。在电吸收调制驱动器芯片1的输出级使用此拓扑结构为电吸收调制驱动器芯片1和电吸收调制芯片2提供直流电流偏置，则不再需要传统设计中使用到的直流偏置器bias-t22，从而使电吸收调制驱动器芯片1能使用短焊线3连接到电吸收调制芯片2，以最小化阻抗失配。这种短焊线3允许消除50欧姆终端，并消除了基板上50欧姆终端的要求。如图6所示，使用该直流耦合驱动器的基板上没有50欧姆的终端。这使得基板的设计非常便宜，因为它不需要通常用于制造传统EML设计中使用的基板的薄膜电阻器的特殊工艺。这也使得该设计对于更高密度的应用更加紧凑和有效。这种EML驱动器拓扑结构在高密度4通道光通信模块或8通道光通信模块中特别有用。小尺寸模块留给直流偏置器bias-t22的空间有限，且通道之间的串扰也带来了很大的挑战。这种新的连接结构解决了这些问题。
本实施例的其他部分与上述实施例1－实施例2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在实施例3的基础上，提出一种光通信模块，包括实施例3提出的一种电吸收调制芯片2与电吸收调制驱动器芯片1的连接结构。
工作原理：在光通信模块的制造中，由于芯片的面积很小，在芯片基板上设置直流偏置器bias-t22中的电容21和电感9需要占用较大的芯片空间，并且从工艺制造的角度来看，省去基板的薄膜电阻器的特殊工艺，极大降低了基板的制造成本，进而降低了光模块的制造成本。
本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，与电吸收调制芯片（2）耦合，所述电吸收调制芯片（2）与激光器供电器（13）连接；其特征在于，所述电吸收调制驱动器芯片（1）包括射频电路（4）、直流偏置电路（5）、控制引脚（8）；
所述射频电路（4），用于输入射频信号，并输出至所述电吸收调制芯片（2）；
所述直流偏置电路（5），用于生成可调节的直流偏置电流并提供给所述电吸收调制芯片（2）；
所述控制引脚（8），用于根据从外部的控制电路获取的电压调节所述直流偏置电路（5）的直流偏置电流的大小；
所述电吸收调制芯片（2）与激光器供电器（13）连接的连接结构包括所述电吸收调制驱动器芯片（1），所述连接结构集成在载体芯片基板上，且所述电吸收调制芯片（2）通过短焊线（3）与所述电吸收调制驱动器芯片（1）耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，其特征在于，所述电吸收调制驱动器芯片（1）通过短焊线（3）与所述电吸收调制芯片（2）直流耦合，去除了所述电吸收调制驱动器芯片（1）与所述电吸收调制芯片（2）之间的电容（21）和直流偏置器bias-t（22）。
3.根据权利要求1所述的一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，其特征在于，所述电吸收调制驱动器芯片（1）为25Gbs以上的驱动器芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于直流耦合的高速电吸收调制驱动器芯片，其特征在于，所述控制引脚（8）汲取的直流电流的电流值小于100uA。
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