用于光通信系統(tǒng)的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器

高萍

摘要：可調(diào)諧激光器是DWDM系統(tǒng)及未來全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，提升了易升級、可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的智能性和動(dòng)態(tài)性，在未來光通信領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在這種背景下，本文首先概述了可調(diào)協(xié)半導(dǎo)體激光器，進(jìn)而提出了光通信系統(tǒng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的電路設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：光通信系統(tǒng)；可調(diào)諧；半導(dǎo)體；激光器；設(shè)計(jì)思路1可調(diào)協(xié)半導(dǎo)體激光器概述

可調(diào)諧激光器tunable laser是指在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器（見激光）。這種激光器的用途廣泛，可用于光譜學(xué)、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、集成光學(xué)、污染監(jiān)測、半導(dǎo)體材料加工、信息處理和通信等。由于通信技術(shù)的迅速發(fā)展，為了提供社會(huì)大眾更廣泛的信息服務(wù)，電訊的傳輸容量必須大幅度的增加，其載波的頻率也必須大幅提升，故以光波替代電波成為主要載波是必然的趨勢，因而帶動(dòng)了光通信的發(fā)展。以光通信作為信息傳遞的媒介具有傳輸損耗低、頻帶寬廣、體積輕巧及不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，而應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中的激光半導(dǎo)體必須能提供適當(dāng)波長的光能，并能進(jìn)行高速調(diào)諧，而這兩點(diǎn)也已成為當(dāng)今光通信系統(tǒng)的核心。

2光通信系統(tǒng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的電路設(shè)計(jì)

2.1 PECL to CMOS邏輯電路

若使用一個(gè)差動(dòng)放大電路將PECL信號轉(zhuǎn)換成CMOS邏輯信號，則輸出的信號尚無法驅(qū)動(dòng)調(diào)變電流產(chǎn)生電路，故需使用由三個(gè)反相器所組成的緩沖器電路，將CMOS邏輯信號的電壓擺動(dòng)放大至full-swing。如果所選用的差動(dòng)放大器是單端輸出，則必須使用兩組電路來構(gòu)成完整的PECL toCMOS Logic Circuit 與緩沖器 電路。電路中的Vref 電壓值為2V，輸入信號in+、in- 的電壓振幅是Vin+：Vdd-1.2V~Vdd-1.5V，Vin-：Vdd-1.5V~Vdd-1.2V，輸出信號int、int1的電壓振幅是Vint：3.3V~0V，Vint1：0V~3.3V。

2.2 脈沖整形電路

一般激光半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路都是將PECL信號經(jīng)過PECL to CMOS Logic Circuit 轉(zhuǎn)換成CMOS邏輯信號后，通過緩沖器 去放大CMOS邏輯信號，接著把放大后的信號用來驅(qū)動(dòng)后面的調(diào)變電流產(chǎn)生電路。設(shè)計(jì)中加入脈沖形成階段，可以穩(wěn)定調(diào)變電流產(chǎn)生電路的sm節(jié)點(diǎn)的電壓，且提供調(diào)變電流產(chǎn)生兩個(gè)恒大于Vsm的輸入電壓Vpin及Vpinb，以提升輸入電壓的直流位準(zhǔn)，避免因共原極端點(diǎn)上的寄生電容以及切換速度的影響，導(dǎo)致在調(diào)變電流產(chǎn)生電路的輸出電流上產(chǎn)生大量的overshoot/undershoot，而影響到激光半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路的特性。可將緩沖器的輸出端點(diǎn)接到電路中的電晶體的閘極上，Vpb1電壓輸入值為0.9V，為一偏壓電壓。當(dāng)Vint為3.3V，而Vintb為0V時(shí)，有的電晶體Mp2、Mp5會(huì)導(dǎo)通，而電晶體Mp3、Mp4則呈截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)pinb的電壓會(huì)因?yàn)殡娋wMp5導(dǎo)通，而被提升至3.3V的電位；節(jié)點(diǎn)pin會(huì)因?yàn)殡娋wMp4為截止?fàn)顟B(tài)，使得pin 的電壓為Vdd-Vrp1。經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以得到的Vpin＝2.8V。當(dāng)Vint為0V，而Vintb 為3.3V時(shí)，電晶體Mp2、Mp5會(huì)截止，而電晶體Mp3、Mp4則呈導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)pinb的電壓會(huì)因?yàn)殡娋wMp5為截止?fàn)顟B(tài)，使得pinb 的電壓為Vdd-Vrp2。經(jīng)過設(shè)計(jì)，可以得到的Vpinb＝2.8V；節(jié)點(diǎn)pin會(huì)因?yàn)殡娋wMp4為導(dǎo)通狀態(tài)，而被提升至3.3V的電位。因此，當(dāng)輸入信號int、intb的電壓振幅是Vint：3.3V~0V，Vint1：0V~3.3V時(shí)，經(jīng)過pulseshaping stage電路的處理后，所產(chǎn)生的輸出信號pin、pinb的電壓振幅是Vpin：2.8V~3.3V，Vpinb：3.3V~2.8V。

2.3 輸出級（調(diào)變與偏壓電流產(chǎn)生器電路）

電晶體Mo1~Mo3為偏壓電路，對Mo4及Mb1提供固定的偏壓，使其產(chǎn)生固定值的調(diào)變電流及偏壓電流。Imod為調(diào)變電流（modulation current），即電晶體Mo4的基極電流，而Ibias 為偏壓電流（bias current），即電晶體Mb1的基極電流。當(dāng)pin的輸入信號為high，而pinb的輸入信號為low時(shí)，電晶體Mo5導(dǎo)通，而電晶體Mo6則是呈現(xiàn)截止?fàn)顟B(tài)，使得電晶體Mo5的基極電流近似于Imod，而電晶體Mo6的基極電流近似于0mA，因此Imod都被電阻Ro7所消耗，所以調(diào)變電流產(chǎn)生電路沒有提供調(diào)變電流供激光半導(dǎo)體使用；當(dāng)pin的輸入信號為low，而pinb的輸入信號為high時(shí)，電晶體Mo5截止，而電晶體Mo6則是呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，使得電晶體Mo5的基極電流近似于0mA，而電晶體Mo6的基極電流近似于Imod，因此Imod幾乎全部都提供給激光半導(dǎo)體使用。由上述的輸入電壓變化來決定調(diào)變電流產(chǎn)生電路是否提供Imod給激光半導(dǎo)體使用，使得激光半導(dǎo)體的電流為Ibias或是Imod+Ibias。

3小結(jié)

在本文中，我們提出一個(gè)基于CMOS的可調(diào)諧激光半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路，并且使用TSMC 0.35 1P4M的制程參數(shù)加以模擬分析。通過模擬，可以看出本文所設(shè)計(jì)的激光半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路，其特性均符合要求，而且就目前CMOS 在0.35um制程的條件下而言，激光半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路還沒有作出Data Rates能超過2.5 Gb/s，而本文中所提出的電路不但能達(dá)到2.5 Gb/s，甚至為2.5 Gb/s 的1.6倍，非常適合用于高頻系統(tǒng)。

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