CN117478156A - 一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机。其用于高速硅光调制器的驱动器电路主要包括输入阻抗匹配电路、增益放大器电路、以及四端差分输出的输出缓冲电路，其中：所述输入阻抗匹配电路用于实现预设的输入阻抗匹配和隔离直流电信号；所述增益放大器电路用于对所述输入阻抗匹配电路的输出信号进行放大，以满足性能指标的要求；所述四端差分输出的输出缓冲电路中的每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连，用于对光调制器的一路光波导进行调制。本发明在相同的行波电极长度前提下、相同的调制器驱动器的差分输出电压摆幅下，其调制效率更高，出光功率也更高。

Description

一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机。

背景技术

随着互联网、大数据、云计算等信息技术的飞速发展，全球数据流量也呈现出爆发式的增长态势，传统的电互联受制于铜材料在提高传输带宽中的损耗和功耗问题，已经达到了发展瓶颈，在这种情况下，以光互连技术为基础的光纤通信，以其宽带、大容量、长距离、低功耗、成本低等优势在现代通信中脱颖而出，已经发展成为通信产业中的支柱。

光纤通信系统是以光信号作为信息载体，其主要由光发射机、光纤信道和光接收机三部分组成，其中，光发射机的主要作用是实现电、光信号的转换，其是由光源、光调制器和配套的光调制器驱动器组成，光调制器是将需要传输的电信号加载到光信号上，利用电信号改变光信号的相位、频率、强度和偏振状态，从而实现从电信号向光信号的转换，而光调制器驱动器则是将电信号放大后用于驱动光调制器，光发射机的性能直接决定了发射光信号的速率、质量和传输距离。

光调制器按材料分有多种类型，不同类型的光调制器对其光调制器驱动器电路的结构和性能的要求也会不一样，早期的光调制器驱动器主要在铁电材料铌酸锂(LiNbO₃)和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的体系上实现，虽然铁电材料铌酸锂(LiNbO₃)和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料体系的调制器其在性能上有着明显的优势，但是铁电材料铌酸锂(LiNbO₃)和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料存在制作工艺难度较大、成本高、功耗大以及不利于大规模集成的缺点，使其越来越难以满足业界的高速、低成本、低功耗和高集成度的迫切需求；而对于硅基材料，随着等离子色散效应的发现，克服了硅材料电光系数弱的缺陷，且硅基波导的高折射率差使其具有很强的光束缚能力，同时硅基器件的制造工艺与现有的成熟的集成电路的互补金属氧化物半导体(ComplementaRy Metal Oxide SemiconductoR，简写为：CMOS)工艺兼容，因此，硅基材料非常有利于大规模集成、器件尺寸小型化，特别是硅基材料具有极大的低成本优势，更加受到青睐，硅基材料的这些优势，使得基于硅基材料的光调制器及其配套的驱动器的研究也越来越受到关注，已经成为主流技术之一，业界也不断出现成功的商用产品。

光发射机的主要关键指标有：带宽、出光功率、消光比等，这些关键技术指标之间是相互制约的，例如，光发射机的带宽是由光调制器和光调制器驱动器的带宽决定的，对现有的光调制器而言，其架构主要都是基于行波电极结构的光调制器，因此，光调制器的带宽越高那么行波电极的长度就需要越短，但是行波电极的长度越短，相同驱动电压下其调制效率也会越低，那么在保持相同出光功率的前提下，所需的光调制器驱动器的输出幅度需要成倍的增长，但是由于现有集成电路工艺可靠性要求的限制，这是难度非常大的，而且通常电路输出幅度越大，其线性度也会劣化，最终会影响整个光发射机的性能。

有鉴于此，如何克服现有技术所存在的缺陷，在光发射机带宽提升的需求下保证其足够的出光功率，是本技术领域待解决的难题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷或改进需求：现有的光发射机在带宽提升的需求下，要保持足够的出光功率，如此一来，所需的光调制器驱动器的输出幅度需要成倍的增长，但是由于现有集成电路工艺可靠性要求的限制，驱动器的输出幅度提升难度非常大，而且通常电路输出幅度越大，其线性度也会劣化，从而影响整个光发射机的性能。

本发明提供一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机，通过四端差分输出的输出缓冲电路，来使每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连，用于对光调制器的一路光波导进行调制，如此在相同的行波电极长度前提下、相同的调制器驱动器的差分输出电压摆幅下，其调制效率更高，出光功率也更高；虽然双行波电极会增加负载电容而带来带宽的下降，但通过输入阻抗匹配电路和增益放大器电路的设置可以补偿带宽的损失，而且保证要求的出光功率后可以优化光调制器驱动器电路各级的输出以获得最佳的信号线性度，从而有效地提升了整个发射机的性能。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种用于高速硅光调制器的驱动器电路，包括输入阻抗匹配电路、增益放大器电路、以及四端差分输出的输出缓冲电路，其中：

所述输入阻抗匹配电路用于实现预设的输入阻抗匹配和隔离直流电信号；所述增益放大器电路用于对所述输入阻抗匹配电路的输出信号进行放大，以满足性能指标的要求；

所述四端差分输出的输出缓冲电路中的每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连，用于对光调制器的一路光波导进行调制。

进一步的，所述四端差分输出的输出缓冲电路包括双端差分转四端差分电路部分和全差分均衡器电路部分；其中，所述双端差分转四端差分电路部分包含两对差分输出节点P1、N1和P2、N2，所述全差分均衡器电路部分包含两个结构和器件尺寸均相同的全差分均衡器电路；每一对的差分输出节点均与一个全差分均衡器电路的输入相连。

进一步的，所述双端差分转四端差分电路部分包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q2、三极管Q3、电阻R2以及3个二极管D1组成的射极跟随器电路结构；其中，三极管Q3为射极跟随器电路的输入管，三极管Q2为射极跟随器电路的尾电流管，三极管Q2与二极管连接的三极管Q1镜像设置，通过调整三极管Q1与三极管Q2的尺寸的比值以及三极管Q1发射极电阻R1与三极管Q2发射极电阻R2的比值，以得到所需大小电流的尾电流源；

所述双端差分转四端差分电路部分的每个半边电路中，射极跟随器电路的输入管三极管Q3的集电极与一个二极管D1相连；输入管三极管Q3的发射极通过电阻R3后与一个全差分均衡器电路的输入相连，输入管三极管Q3的发射极通过两个串联的二极管D1后与另一个全差分均衡器电路的输入相连。

进一步的，所述全差分均衡器电路部分的每一个全差分均衡器电路均包括两个相同的半边电路，每个半边电路均包括三极管Q5、三极管Q6、电阻R4以及电流源I2，两个半边电路之间设有电容C1以及电阻R3，其中，三极管Q5和三极管Q6构成共射共基极电路，电流源I2为共射共基极电路的尾电流源，电阻R4为共射共基极电路的负载电阻，三极管Q5为全差分均衡器电路的输入管，三极管Q6和电阻R4的连接点为全差分均衡器电路的输出端，电阻R3和电容C1构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q5的发射极相连。

进一步的，所述增益放大器电路包括可变增益放大器电路以及固定增益放大器电路；所述可变增益放大器电路采用均衡器电路架构，对输入阻抗匹配电路后的输出信号进行线性放大，同时实现增益大小调整；所述固定增益放大器电路采用均衡器电路架构，将可变增益放大器输出的电压信号进行放大，进一步提高增益。

进一步的，所述可变增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，三极管Q1分别与三极管Q2、三极管Q3构成两路共射共基极电路，电流源I1为这两路共射共基极电路的尾电流源；三极管Q1的基极为可变增益放大器的差分输入端，其与输入阻抗匹配电路的输出端相连；电阻R2、电阻R3分别为两路共射共基极电路的负载电阻；三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路为主放大通路；三极管Q2与负载电阻R2相连的节点为三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；三极管Q4、三极管Q5、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；三极管Q4的基极b为射极跟随器的输入，其与三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；三极管Q4的发射极e为可变增益放大器的输出端；电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q1的发射极相连。

进一步的，所述固定增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，三极管Q1与三极管Q2构成共射共基极电路，电流源I1为共射共基极电路的尾电流源，三极管Q1的基极为固定增益放大器的差分输入端；Vctrl1为三极管Q2的基极偏置电压，电阻R2为共射共基极电路的负载电阻，电阻R3用于消耗电源电压裕度；三极管Q2与负载电阻R2相连的节点为三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；三极管Q3、三极管Q4、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；三极管Q3的基极b为射极跟随器电路的输入，其与三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；三极管Q3的发射极e为固定增益放大器的输出端；电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q1的发射极相连。

进一步的，所述输入阻抗匹配电路的差分输入端为InP、InN，差分输出端为OutP、OutN，差分输入端InP、InN之间与两个电阻R1、电容C1组成的阻抗匹配网络相连，其中两个电阻R1的一端分别与差分输入端InP、InN相连，两个电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；差分输入端InP、InN还通过两个隔直电容C2与两对三极管Q1和电阻R4构成的射极跟随器相连，同时两对R2、两对R3构成的电阻分压网络为两对三极管Q1和电阻R4构成的射极跟随器提供直流偏置。

进一步的，所述驱动器电路还包括输出幅度检测电路、温度监控电路以及偏置增益控制电路，其中，所述输出幅度检测电路用于将所述四端差分输出的输出缓冲电路的输出信号幅度转换为电压，电压的大小与输出信号幅度成线性正比，通过读出电压的大小即得知此时输出信号的幅度；所述温度监控电路用于实时监测整个芯片工作时的温度；所述偏置增益控制电路用于提供稳定的偏置电压和增益控制电压，通过改变增益控制电压的大小来实现增益大小的调整。

另一方面，本发明提供了一种光发射机，应用如第一方面中的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其中：

所述驱动器电路的差分输入端包括InP和InN，所述驱动器电路的四端差分输出端包括OutP1、OutN1、OutP2和OutN2；光调制器的行波电极包括S1a、S1b、S2a和S2b，其中行波电极S1a和S1b对一路光波导中的光信号进行调制，行波电极S2a和S2b对另一路光波导中的光信号进行调制；

所述驱动器电路的差分输出端OutP1用于驱动所述光调制器的行波电极S1a，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S1b，所述驱动器电路的差分输出端OutP2用于驱动所述光调制器的行波电极S2b，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S2a。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机，相比于传统的单行波电极调制一路光波导的光调制器，本发明由于采用一对差分输出行波电极去对调制器的一路光波导进行调制，因此，相同的行波电极长度前提下，相同的调制器驱动器的差分输出电压摆幅下，其调制效率更高，出光功率也更高，虽然双行波电极会增加负载电容而带来带宽的下降，但是可以通过调制器驱动器peaking去补偿带宽的损失，而且保证要求的出光功率后可以优化光调制器驱动器电路各级的输出以获得最佳的信号线性度，从而有效地提升了整个发射机的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种用于高速硅光调制器的驱动器电路的电路框图；

图2为本发明实施例1提供的光发射机结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的输入阻抗匹配电路的电路图；

图4为本发明实施例1提供的可变增益放大器的电路图；

图5为本发明实施例1提供的固定增益放大器的电路图；

图6为本发明实施例1提供的四端差分输出的输出缓冲电路的电路图；

图7为本发明实施例1提供的驱动器电路的瞬态仿真结果；

图8为本发明实施例1提供的高速硅光调制器的驱动器、光调制器和光发射机的S₂₁参数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供一种用于高速硅光调制器的驱动器电路，该驱动器电路包括输入阻抗匹配电路、增益放大器电路、以及四端差分输出的输出缓冲电路，其中：所述输入阻抗匹配电路用于实现预设的输入阻抗匹配和隔离直流电信号；所述增益放大器电路用于对所述输入阻抗匹配电路的输出信号进行放大，以满足性能指标的要求；所述四端差分输出的输出缓冲电路中的每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连，用于对光调制器的一路光波导进行调制。

在本实施例的一个优选实施方式中，所述输入阻抗匹配电路由50欧姆电阻阻抗匹配电路部分、隔直电容以及跟随器电路部分构成，实现50欧姆的输入阻抗匹配和隔离直流电信号。

参考图1，在本实施例的一个优选实施方式中，所述增益放大器电路包括可变增益放大器电路以及固定增益放大器电路；所述可变增益放大器采用均衡器电路架构，对输入阻抗匹配电路后的输出信号进行线性放大，同时实现增益大小调整；所述固定增益放大器同样采用均衡器电路架构，将可变增益放大器电路单元输出的电压信号进行放大，进一步提高增益，可以对均衡器电路里面的器件尺寸进行调整以满足性能指标的要求。

在本实施例的一个优选实施方式中，所述四端差分输出的输出缓冲电路用于提高整个光调制器驱动器的带负载能力，同时将固定增益放大器的输出差分信号转换成四端差分输出信号，输出缓冲电路采用50欧姆的输出负载以与调制器获得最优的阻抗匹配，减小进入调制器的信号的功率损耗。本实施例中，光调制器驱动器的四端差分输出的输出缓冲电路与光调制器的行波电极以交流耦合的方式相连，其中，四端差分输出的输出缓冲电路中的每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连用于对光调制器的一路光波导进行调制。

参考图1，在本实施例的一个优选实施方式中，所述驱动器电路还包括输出幅度检测电路、温度监控电路以及偏置增益控制电路，其中，所述输出幅度检测电路用于将所述四端差分输出的输出缓冲电路的输出信号幅度转换为电压，电压的大小与输出信号幅度成线性正比，通过读出电压的大小即得知此时输出信号的幅度；所述温度监控电路用于实时监测整个芯片工作时的温度，提高芯片的工作稳定性和安全性；所述偏置增益控制电路(偏置/增益控制电路)用于提供稳定的偏置电压和增益控制电压，也即提供光调制器驱动器中稳定的偏置电压和可变增益放大器的增益控制电压以及固定增益放大器的偏置电压，通过改变增益控制电压的大小来实现增益大小的调整。

如图2所示，参考图1，本实施例还提供一种光发射机，该光发射机的光调制器驱动器应用前面所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其中：所述驱动器电路的差分输入端包括InP和InN，所述驱动器电路的四端差分输出端包括OutP1、OutN1、OutP2和OutN2；光调制器的行波电极包括S1a、S1b、S2a和S2b，其中行波电极S1a和S1b对一路光波导中的光信号进行调制，行波电极S2a和S2b对另一路光波导中的光信号进行调制；所述驱动器电路的差分输出端OutP1用于驱动所述光调制器的行波电极S1a，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S1b，所述驱动器电路的差分输出端OutP2用于驱动所述光调制器的行波电极S2b，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S2a。

综上所述，本实施例提供了一种用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机，相比于传统的单行波电极调制一路光波导的光调制器，本实施例由于采用一对差分输出行波电极去对调制器的一路光波导进行调制，因此，相同的行波电极长度前提下，相同的调制器驱动器的差分输出电压摆幅下，其调制效率更高，出光功率也更高，虽然双行波电极会增加负载电容而带来带宽的下降，但是可以通过调制器驱动器peaking去补偿带宽的损失，而且保证要求的出光功率后可以优化光调制器驱动器电路各级的输出以获得最佳的信号线性度，从而有效地提升了整个发射机的性能。

实施例2：

在上述实施例1提供的用于高速硅光调制器的驱动器电路和光发射机的基础上，本发明实施例2通过具体的电路例子来对本发明进行详细说明。

首先还是参考图1、图2来进行说明，图2的光发射机包括光调制器驱动器和光调制器部分，图1的驱动器电路即图2左侧光调制器驱动器内的电路，以对右侧的光调制器部分进行调制。该光调制器驱动器为差分输入、四端差分输出，其差分输入端为InP、InN，四端差分输出端为OutP1、OutN1、OutP2、OutN2。

在本实施例中，光调制器为硅基的基于马赫曾德尔结构的光调制器，光调制器的光波导利用反向PN二极管的电学结构，光调制器的行波电极为S1a、S1b、S2a、S2b,其中行波电极S1a、S1b对一路光波导中的光信号进行调制，行波电极S2a、S2b对另一路光波导中的光信号进行调制；在上述方案中，光调制器驱动器的差分输出端OutP1用于驱动硅基光调制的行波电极S1a，光调制器驱动器的差分输出端OutN2用于驱动硅基光调制的行波电极S1b，光调制器驱动器的差分输出端OutP2用于驱动硅基光调制的行波电极S2b，光调制器驱动器的差分输出端OutN2用于驱动硅基光调制的行波电极S2a。

参考图1所示，驱动器电路部分包括输入阻抗匹配电路、可变增益放大电路、固定增益放大电路、四端差分输出缓冲电路、幅度检测电路、温度监控电路以及偏置/增益控制电路。

在本实施例中，输入阻抗匹配电路是为了实现50欧姆的输入阻抗匹配，减小输入信号的反射，同时起到隔直流信号稳定输入阻抗匹配电路直流工作点的作用。如图3所示，所述输入阻抗匹配电路的差分输入端为InP、InN，差分输出端为OutP、OutN，差分输入端InP、InN之间与两个50欧姆的电阻R1、电容C1组成50欧姆的阻抗匹配网络相连，其中两个电阻R1的一端分别与差分输入端InP、InN相连，两个电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地，电容C1起到滤波的作用，用于提高50欧姆的阻抗匹配电路的匹配效果。另外，输入阻抗匹配电路的差分输入端InP、InN还通过两个隔直电容C2与两对三极管Q1(本实施例中的三极管为npn型BJT管，为了方便描述，后续描述都采用npn型BJT管)和电阻R4构成的射极跟随器相连，同时两对R2、两对R3构成的电阻分压网络为两对npn型BJT管Q1和电阻R4构成的射极跟随器提供直流偏置，射极跟随器起到进一步隔离电阻R1、电容C1组成的50欧姆的阻抗匹配网络和提高带负载能力的作用。

在本实施例中，所述可变增益放大器电路采用均衡器电路架构，如图4所示，所述可变增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括npn型BJT管Q1、npn型BJT管Q2、npn型BJT管Q3、npn型BJT管Q4、npn型BJT管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，npn型BJT管Q1分别与npn型BJT管Q2、npn型BJT管Q3构成两路共射共基极电路，电流源I1为这两路共射共基极电路的尾电流源；npn型BJT管Q1的基极为可变增益放大器的差分输入端，其与输入阻抗匹配电路的输出端相连；电阻R2、电阻R3分别为两路共射共基极电路的负载电阻；npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路为主放大通路；npn型BJT管Q2与负载电阻R2相连的节点为npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；npn型BJT管Q4、npn型BJT管Q5、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；npn型BJT管Q4的基极b为射极跟随器的输入，其与npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；npn型BJT管Q4的发射极e为可变增益放大器的输出端；npn型BJT管Q5采用二极管的连接方式和电阻R4用于消耗电压裕度，使得射极跟随器输入管npn型BJT管Q4的集电极c和发射极e之间的电压差不至于过大而影响npn型BJT管Q4的可靠性。

在本实施例的可变增益放大器电路中，电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管npn型BJT管Q1的发射极相连，产生两个极点ωp1、ωp2和一个零点ωz，在高频处提供增益峰值，补偿高频下的信号衰减，从而实现带宽扩展，其中极点ωp1、ωp2和零点ωz为：

式中，gm1、gm2分别为npn型BJT管Q1、Q2的跨导，CP、N分别为均衡器的输出结点的结点电容，C为两个可变电容C1并联后的电容值：

通过调整Vbw1可以调整可变电容C1的大小，可以改变带宽扩展的范围也就是可变增益放大器peaking幅度的大小。

在本实施例的可变增益放大器电路中，通过改变npn型BJT管Q2、npn型BJT管Q3的基极偏置电压Vctrl1和Vctrl2的大小，可以改变流过Q2的电流大小，从而实现改变npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的增益的大小，由于npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的增益为可变增益放大器的主放大通路，因此实现了可变增益放大器的增益大小调整。

在本实施例中，固定增益放大器同样采用全差分均衡器电路的结构，如图5所示，所述固定增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括npn型BJT管Q1、npn型BJT管Q2、npn型BJT管Q3、npn型BJT管Q4、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成共射共基极电路，电流源I1为共射共基极电路的尾电流源，npn型BJT管Q1的基极为固定增益放大器的差分输入端；Vctrl1为npn型BJT管Q2的基极偏置电压，电阻R2为共射共基极电路的负载电阻，电阻R3用于消耗电源电压裕度保证npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2的可靠性；npn型BJT管Q2与负载电阻R2相连的节点为npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；npn型BJT管Q3、npn型BJT管Q4、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；npn型BJT管Q3的基极b为射极跟随器电路的输入，其与npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；npn型BJT管Q4采用二极管的连接方式和电阻R4用于消耗电压裕度，使得射极跟随器输入管npn型BJT管Q3的集电极c和发射极e之间的电压差不至于过大而影响npn型BJT管Q3的可靠性，npn型BJT管Q3的发射极e为固定增益放大器的输出端。

在本实施例的可变增益放大器电路中，电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管npn型BJT管Q1的发射极相连，产生两个极点和一个零点，在高频处提供增益峰值，补偿高频下的信号衰减，从而实现带宽扩展，通过调整Vbw2可以调整可变电容C1的大小，可以改变带宽扩展的范围也就是固定增益放大器peaking幅度的大小。

在本实施例中，四端差分输出的输出缓冲电路用于驱动硅基光调制器的行波电极，如图6所示，所述四端差分输出的输出缓冲电路包括双端差分转四端差分电路部分和全差分均衡器电路部分；其中，所述双端差分转四端差分电路部分包含两对差分输出节点P1、N1和P2、N2，所述全差分均衡器电路部分包含两个结构和器件尺寸均相同的全差分均衡器电路；每一对的差分输出节点均与一个全差分均衡器电路的输入相连，全差分均衡器电路1和均衡器电路2的结构和器件尺寸均相同，均衡器电路用于提高四端差分输出缓冲器的电路的带负载能力。

在本实施例中，所述双端差分转四端差分电路部分包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括npn型BJT管Q2、npn型BJT管Q3、电阻R2以及3个二极管D1组成的射极跟随器电路结构；其中，npn型BJT管Q3为射极跟随器电路的输入管，npn型BJT管Q2为射极跟随器电路的尾电流管，npn型BJT管Q2与二极管连接的npn型BJT管Q1镜像设置，通过调整npn型BJT管Q1与npn型BJT管Q2的尺寸的比值以及npn型BJT管Q1发射极电阻R1与npn型BJT管Q2发射极电阻R2的比值，就可以得到所需大小电流的尾电流源。

在本实施例中，所述双端差分转四端差分电路部分的每个半边电路中，射极跟随器电路的输入管npn型BJT管Q3的集电极与一个二极管D1相连，二极管D1的作用是用于消耗电源电压裕度，从而保证npn型BJT管Q3的集电极c和发射极e之间的电压差不至于过大而影响其可靠性；输入管npn型BJT管Q3的发射极通过电阻R3后与一个全差分均衡器电路的输入相连，输入管npn型BJT管Q3的发射极通过两个串联的二极管D1后与另一个全差分均衡器电路的输入相连，其中两个串联的二极管D1的作用是产生一个与输入管npn型BJT管Q3的发射极处输出的高速信号相同摆幅但是直流共模点存在电压差的信号，因为npn型BJT管Q3的发射极的高速信号通过两个串联的二极管D1后会产生延时，因此增加电阻R3，调节R3的阻值使得输入管npn型BJT管Q3的发射极e后的高速信号，在通过R3电阻后的信号以及通过两个串联的二极管D1后的信号在输入到后一级均衡器电路时延时保持一致。

在本实施例中，所述全差分均衡器电路部分的每一个全差分均衡器电路均包括两个相同的半边电路，每个半边电路均包括npn型BJT管Q5、npn型BJT管Q6、电阻R4以及电流源I2，两个半边电路之间设有电容C1以及电阻R3，其中npn型BJT管Q5、npn型BJT管Q6构成共射共基极电路，电流源I2为共射共基极电路的尾电流源，电阻R4为共射共基极电路的负载电阻，npn型BJT管Q5为全差分均衡器电路的输入管，npn型BJT管Q6和电阻R4的连接点为全差分均衡器电路的输出端；电阻R3和电容C1构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管npn型BJT管Q5的发射极相连，同样用于产生两个极点和一个零点，在高频处提供增益峰值，补偿高频下的信号衰减，实现带宽扩展，同时产生一定幅度的peaking用于补偿后面的光调制器的带宽损失。

在本实施例中，四端差分输出的输出缓冲电路为了驱动后面的光调制器的行波电极的要求，需要使得均衡器电路1和均衡器电路2的差分输出端OutP1、OutN1、OutP2、OutN2中输出的每一对差分信号OutP1、OutN1和OutP2、OutN2之间的直流共模点存在电压差，这个电压差可以根据差分输出信号的输出幅度大小来调节，因此需要使得VDD1-VDD2＝GND1-GND2＝Vctrl1-Vctrl2，因此，均衡器电路1和均衡器电路2的供电端VDD1、GND1和VDD2、GND2通过芯片的PAD引出，采用外部供电，这样供电端VDD1、GND1和VDD2、GND2的电压可采用的范围很广，而且GND2还可以采用负电压供电，从而使得差分信号OutP1、OutN1和OutP2、OutN2之间的直流共模点的电压差的可调范围更广。

在本实施例中，光调制器的驱动器电路中还包括偏置/增益控制电路，用于给光调制器驱动器中的电路提供稳定的偏置电压，以及提供可变增益放大器的增益控制电压，通过改变增益控制电压的大小来实现可变增益放大器的增益大小的调整。

在本实施例中，光调制器的驱动器电路中还包括温度检测电路，用于监测整个芯片工作时的温度，提高芯片的应用的安全性。

在本实施例中，光调制器的驱动器电路中还包括幅度检测电路，幅度检测电路检测所述四端差分输出的输出缓冲电路的输出信号幅度，将其转换为电压，电压的大小与输出信号幅度成线性正比，通过读出电压的大小就可以知道此时输出信号的幅度。

本实施例中的硅基光调制器是基于马赫曾德尔结构的光调制器，不同于传统的单行波电极调制一个光波导，本实施例采用的是双行波电极调制一个光波导，本实施例中的光调制器的行波电极为S1a、S1b、S2a、S2b,其中行波电极S1a、S1b对一路光波导中的光信号进行调制，行波电极S2a、S2b对另一路光波导中的光信号进行调制，由于光调制器的光波导是采用传统的PN二极管的电学结构，因此，必须使行波电极S1a上的电压高于行波电极S1b上的电压，行波电极S2a上的电压高于行波电极S2b上的电压，从而使得两个光波导的PN二极管始终处于反向偏置的状态，也就是上述实施例中的光调制器驱动器的必须产生两对差分信号，而且每对差分信号其P端、N端的直流点电压存在电压差，这个电压差跟输出信号的最大输出摆幅相关，需要保证光波导的PN二极管始终处于反向偏置的状态。

本实施例中提出的光调制器驱动器的四端差分输出端中OutP1用于驱动硅基光调制的行波电极S1a，差分输出端OutN2用于驱动硅基光调制的行波电极S1b，差分输出端OutP2用于驱动硅基光调制的行波电极S2b，差分输出端OutN2用于驱动硅基光调制的行波电极S2a，从而实现了用双行波电极调制一个光波导，如图7所示，为本发明提供的光调制器的驱动器电路的瞬态仿真结果，其中，图7中纵坐标为电压V，横坐标为时间ps，与光调制器相连的光调制器驱动器的两对差分输出端OutP1、OutN1、OutP2、OutN2中OutP1、OutN1的差分输出幅度和OutP2、OutN2的差分输出幅度均为3Vpp，输出信号频率为40GHz，另外，差分输出端OutP1、OutN1的共模点电压为2.4V，差分输出端OutP1、OutN1的共模点电压为1.5V。

相比于传统的单行波电极调制一个光波导技术，对于相同的行波电极长度，相同的输出摆幅的驱动信号，本实施例提出的采用双行波电极调制一个光波导的调制效率更高，理论上是单行波电极的两倍，而且由于现有集成电路工艺可靠性要求的限制尤其是高速集成电路工艺的限制，电路的单端输出摆幅提升难度很大，目前很难超过2V，也就是单行波电极的光调制器的出光功率的提升相应的受限，因此，采用本实施例提出的方案可以极大的提升光调制器的出光功率，而且在达到出光功率的要求后，电路单端输出信号的幅度也可以留有裕度使得器件工作在最佳线性度的范围内，从而提升光调制器驱动器输出信号的线性度，最终提升整个光发射机的性能，另外，如图8所示，曲线1、曲线2、曲线3分别为光调制器、光调制器驱动器以及光调制驱动器与光调制器封装组合在一起的S₂₁参数曲线，其中，纵坐标为增益dB，横纵标为频率GHz。可以看出，光调制器的3dB带宽在27GHz左右，如图中光调制器的曲线1所示；光调制器驱动器的带宽在45GHz左右，如图中光调制器驱动器的曲线2所示；并且在38GHz的频点有8dB左右大小的peaking，通过这个peaking的补偿作用，整个光调制器驱动器与光调制器封装组合在一起后其带宽可以达到35GHz在左右，如图中光调制驱动器与光调制器封装组合后的曲线3所示。本实施例相比于单行波电极的光调制器，虽然采用双行波电极增加了负载电容，降低了光调制器的带宽，但是通过光调制器驱动器的peaking功能可以补偿光调制器的带宽损失，从而保证整个光发射机的带宽性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，包括输入阻抗匹配电路、增益放大器电路、以及四端差分输出的输出缓冲电路，其中：

所述输入阻抗匹配电路用于实现预设的输入阻抗匹配和隔离直流电信号；所述增益放大器电路用于对所述输入阻抗匹配电路的输出信号进行放大，以满足性能指标的要求；

所述四端差分输出的输出缓冲电路中的每一对差分输出分别与光调制器的两个行波电极相连，用于对光调制器的一路光波导进行调制。

2.根据权利要求1所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述四端差分输出的输出缓冲电路包括双端差分转四端差分电路部分和全差分均衡器电路部分；其中，所述双端差分转四端差分电路部分包含两对差分输出节点P1、N1和P2、N2，所述全差分均衡器电路部分包含两个结构和器件尺寸均相同的全差分均衡器电路；每一对的差分输出节点均与一个全差分均衡器电路的输入相连。

3.根据权利要求2所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述双端差分转四端差分电路部分包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q2、三极管Q3、电阻R2以及3个二极管D1组成的射极跟随器电路结构；其中，三极管Q3为射极跟随器电路的输入管，三极管Q2为射极跟随器电路的尾电流管，三极管Q2与二极管连接的三极管Q1镜像设置，通过调整三极管Q1与三极管Q2的尺寸的比值以及三极管Q1发射极电阻R1与三极管Q2发射极电阻R2的比值，以得到所需大小电流的尾电流源；

所述双端差分转四端差分电路部分的每个半边电路中，射极跟随器电路的输入管三极管Q3的集电极与一个二极管D1相连；输入管三极管Q3的发射极通过电阻R3后与一个全差分均衡器电路的输入相连，输入管三极管Q3的发射极通过两个串联的二极管D1后与另一个全差分均衡器电路的输入相连。

4.根据权利要求2所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述全差分均衡器电路部分的每一个全差分均衡器电路均包括两个相同的半边电路，每个半边电路均包括三极管Q5、三极管Q6、电阻R4以及电流源I2，两个半边电路之间设有电容C1以及电阻R3，其中，三极管Q5和三极管Q6构成共射共基极电路，电流源I2为共射共基极电路的尾电流源，电阻R4为共射共基极电路的负载电阻，三极管Q5为全差分均衡器电路的输入管，三极管Q6和电阻R4的连接点为全差分均衡器电路的输出端，电阻R3和电容C1构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q5的发射极相连。

5.根据权利要求1所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述增益放大器电路包括可变增益放大器电路以及固定增益放大器电路；所述可变增益放大器电路采用均衡器电路架构，对输入阻抗匹配电路后的输出信号进行线性放大，同时实现增益大小调整；所述固定增益放大器电路采用均衡器电路架构，将可变增益放大器输出的电压信号进行放大，进一步提高增益。

6.根据权利要求5所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述可变增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，三极管Q1分别与三极管Q2、三极管Q3构成两路共射共基极电路，电流源I1为这两路共射共基极电路的尾电流源；三极管Q1的基极为可变增益放大器的差分输入端，其与输入阻抗匹配电路的输出端相连；电阻R2、电阻R3分别为两路共射共基极电路的负载电阻；三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路为主放大通路；三极管Q2与负载电阻R2相连的节点为三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；三极管Q4、三极管Q5、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；三极管Q4的基极b为射极跟随器的输入，其与三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；三极管Q4的发射极e为可变增益放大器的输出端；电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q1的发射极相连。

7.根据权利要求5所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述固定增益放大器电路包括两个相同的半边电路，每个半边电路包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电流源I0以及电流源I1，两个半边电路之间设有电阻R1、两个可变电容C1以及电阻R0；其中，三极管Q1与三极管Q2构成共射共基极电路，电流源I1为共射共基极电路的尾电流源，三极管Q1的基极为固定增益放大器的差分输入端；Vctrl1为三极管Q2的基极偏置电压，电阻R2为共射共基极电路的负载电阻，电阻R3用于消耗电源电压裕度；三极管Q2与负载电阻R2相连的节点为三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点；三极管Q3、三极管Q4、电阻R4以及电流源I0构成射极跟随器电路；三极管Q3的基极b为射极跟随器电路的输入，其与三极管Q1与三极管Q2构成的共射共基极电路的输出结点相连；三极管Q3的发射极e为固定增益放大器的输出端；电阻R1、两个可变电容C1、电阻R0构成的RC简并网络分别与两个半边电路的输入管三极管Q1的发射极相连。

8.根据权利要求1所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述输入阻抗匹配电路的差分输入端为InP、InN，差分输出端为OutP、OutN，差分输入端InP、InN之间与两个电阻R1、电容C1组成的阻抗匹配网络相连，其中两个电阻R1的一端分别与差分输入端InP、InN相连，两个电阻R1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接地；差分输入端InP、InN还通过两个隔直电容C2与两对三极管Q1和电阻R4构成的射极跟随器相连，同时两对R2、两对R3构成的电阻分压网络为两对三极管Q1和电阻R4构成的射极跟随器提供直流偏置。

9.根据权利要求1-8任一所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其特征在于，所述驱动器电路还包括输出幅度检测电路、温度监控电路以及偏置增益控制电路，其中，所述输出幅度检测电路用于将所述四端差分输出的输出缓冲电路的输出信号幅度转换为电压，电压的大小与输出信号幅度成线性正比，通过读出电压的大小即得知此时输出信号的幅度；所述温度监控电路用于实时监测整个芯片工作时的温度；所述偏置增益控制电路用于提供稳定的偏置电压和增益控制电压，通过改变增益控制电压的大小来实现增益大小的调整。

10.一种光发射机，其特征在于，应用如权利要求1-9中任一项所述的用于高速硅光调制器的驱动器电路，其中：

所述驱动器电路的差分输入端包括InP和InN，所述驱动器电路的四端差分输出端包括OutP1、OutN1、OutP2和OutN2；光调制器的行波电极包括S1a、S1b、S2a和S2b，其中行波电极S1a和S1b对一路光波导中的光信号进行调制，行波电极S2a和S2b对另一路光波导中的光信号进行调制；

所述驱动器电路的差分输出端OutP1用于驱动所述光调制器的行波电极S1a，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S1b，所述驱动器电路的差分输出端OutP2用于驱动所述光调制器的行波电极S2b，所述驱动器电路的差分输出端OutN2用于驱动所述光调制器的行波电极S2a。