基于013μmSOICOMS工艺的VCSEL驱动器设计

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1、基于0.13umSOICOMS工艺的VCSEL驱动器设计潘彦君孙向明黄光明叶竞波龚达涛董业民杨文伟杨苹华中师范大学像素实验室摘要：介绍了一种低功耗高速逵直腔表面发射激光器（VCSEL）驱动器的设计。该芯片设计使用国产0.13umSOICMOS工艺能提供6smA可调调制电流及4lnA可调偏置电流。驱动电路采用多级级联放大并结合无源电感并联峰化技术，用以拓展带宽。测试结果表明，该电路在1.2V单屯源工作屯压下，最高工作速率可达5Gbit/s,总功耗仅为48mWo关键词：绝缘衬底上的硅（sot）；激光驱动器;并联峰化;高速;低功耗;作者简介：潘

2、彦君（1991-）,女，湖北武汉人，硕士生，主要从事模拟集成电路设计，在校期间从事激光驱动器的设计。作者简介：孙向明（1981-），男，山东潍坊人，教授，博士生导师，主要从事像素探测器的设计与研究。收稿日期：2017-03-14基金：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CCNU16A05029）DesignofVCSELDriverBasedon0.13umSOICOMSProcessPANYanjunSUNXiangmingHUANGGuangmingYEJingboGONGDataoDONGYeminYANGWenweiYANGP

3、inPixelLaborstoryatCCUN,CentralChinaNormalUniversity;Abstract：ThedesignoflowpowerhighspeedVertical-CavitySurface-EmittingLaser(VCSEL)driverisintroducedinthispaper.Thechipisdesignedbasedonthedomestic0.13umSOICOMSprocesswhichcanprovide6smAadjustablemodulationcurrentand4mAad

4、justablebiascurrent.Themulti-stageamplifiercombinedwithpassiveshuntpeakinginduetorisusedtoexpandthebandwidthofthedriver.Thetestresultsshowthatthemaximumoperatingrateofthedriveris5Gbit/sandthetotalconsumptionisonly48mWunderthesinglepowersupplyvolLageof1.2V.Keyword：silicon-

5、on-insulator(SOI);laserdriver;shuntpeaking;highspeed;lowpower;Received：2017-03-14o引言当今社会，随着信息技术的高速发展，光纤通信已在通信系统屮得到了广泛应用。光纤通信是以光为载波，以光纤为传输介质的一种通信方式，该方式具有无信号串扰、无需考虑阻抗匹配等优势然而，作为光电转换的激光驱动器,其速率直接制约着光纤两端信号收发电路的信息传输速度，如何提高激光驱动器的速率、降低其功耗及生产成本对其商业推广应用有着深远的意义。另一方面,光纤通信系统不仅应用于口常生活，也

6、在高能物理实验、核医疗器械等其他领域中发挥着重要作用，但光纤系统需要一定的抗辐照能力，如何解决这一问题，成为光纤通信是否能够应用于辐照系统中的关键固。在此背景下，本文采用国产0.13umSOICMOS工艺，设计出驱动速率达5Gbit/s的低功耗垂直腔表面发射激光器(VCSEL)激光驱动芯片。相对于传统互补金属氧化物半导体(CMOS)体硅工艺，绝缘衬底上的硅(SOI)工艺具有无闩锁效应、速度快和抗辐照等特点。本文介绍的电路设计具有一定的抗辐照能力，对其在高能物理实验等辐照环境下的应用具有参考意义。1SOICMOS工艺SOI是集成电路在步入纳

7、米技术时代后，能突破体硅技术和硅集成电路限制的新型集成电路技术，被誉为“21世纪的硅技术”。SOI工艺中，绝缘衬底上器件的有源区位于绝缘层上的硅膜内，因其具有完全的介质隔离，消除了体硅工艺中存在的部分寄牛效应。SOI材料器件也因此具有避免了闩锁效应的产生，更低的功耗，提高了电路的工作速度及较强的抗辐照能力等优点141。本设计采用国产O・13PniSOI工艺，该工艺的器件抗总剂量(TID)效应能力约为300krado与国外昂贵的工艺相比，采用此工艺不仅可降低生产成本，且能推动国产S01工艺的发展。2结构设计VCSEL是一种半导体发光器件，若

8、VCSEL输入电流小于其阈值电流，所发出的光是光谱范围很宽的非相干光，用于表征逻辑低；当输入电流值到达或超过其阈值电流时，将产生非常高的相干光，用于表征逻辑高。其中，共阳结构或阴阳极分离结构的