用于光通信系统的可调谐半导体激光器

高萍

摘要：可调谐激光器是DWDM系统及未来全光网络中的关键器件，提升了易升级、可重构光网络的智能性和动态性，在未来光通信领域具有重要的应用价值。在这种背景下，本文首先概述了可调协半导体激光器，进而提出了光通信系统可调谐半导体激光器的电路设计思路。

关键词：光通信系统；可调谐；半导体；激光器；设计思路1可调协半导体激光器概述

可调谐激光器tunable laser是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器（见激光）。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。由于通信技术的迅速发展，为了提供社会大众更广泛的信息服务，电讯的传输容量必须大幅度的增加，其载波的频率也必须大幅提升，故以光波替代电波成为主要载波是必然的趋势，因而带动了光通信的发展。以光通信作为信息传递的媒介具有传输损耗低、频带宽广、体积轻巧及不受电磁干扰等优点，而应用在光通信系统中的激光半导体必须能提供适当波长的光能，并能进行高速调谐，而这两点也已成为当今光通信系统的核心。

2光通信系统可调谐半导体激光器的电路设计

2.1 PECL to CMOS逻辑电路

若使用一个差动放大电路将PECL信号转换成CMOS逻辑信号，则输出的信号尚无法驱动调变电流产生电路，故需使用由三个反相器所组成的缓冲器电路，将CMOS逻辑信号的电压摆动放大至full-swing。如果所选用的差动放大器是单端输出，则必须使用两组电路来构成完整的PECL toCMOS Logic Circuit 与缓冲器 电路。电路中的Vref 电压值为2V，输入信号in+、in- 的电压振幅是Vin+：Vdd-1.2V~Vdd-1.5V，Vin-：Vdd-1.5V~Vdd-1.2V，输出信号int、int1的電压振幅是Vint：3.3V~0V，Vint1：0V~3.3V。

2.2 脉冲整形电路

一般激光半导体驱动电路都是将PECL信号经过PECL to CMOS Logic Circuit 转换成CMOS逻辑信号后，通过缓冲器 去放大CMOS逻辑信号，接着把放大后的信号用来驱动后面的调变电流产生电路。设计中加入脉冲形成阶段，可以稳定调变电流产生电路的sm节点的电压，且提供调变电流产生两个恒大于Vsm的输入电压Vpin及Vpinb，以提升输入电压的直流位准，避免因共原极端点上的寄生电容以及切换速度的影响，导致在调变电流产生电路的输出电流上产生大量的overshoot/undershoot，而影响到激光半导体驱动电路的特性。可将缓冲器的输出端点接到电路中的电晶体的闸极上，Vpb1电压输入值为0.9V，为一偏压电压。当Vint为3.3V，而Vintb为0V时，有的电晶体Mp2、Mp5会导通，而电晶体Mp3、Mp4则呈截止状态，此时节点pinb的电压会因为电晶体Mp5导通，而被提升至3.3V的电位；节点pin会因为电晶体Mp4为截止状态，使得pin 的电压为Vdd-Vrp1。经过设计，可以得到的Vpin＝2.8V。当Vint为0V，而Vintb 为3.3V时，电晶体Mp2、Mp5会截止，而电晶体Mp3、Mp4则呈导通状态，此时节点pinb的电压会因为电晶体Mp5为截止状态，使得pinb 的电压为Vdd-Vrp2。经过设计，可以得到的Vpinb＝2.8V；节点pin会因为电晶体Mp4为导通状态，而被提升至3.3V的电位。因此，当输入信号int、intb的电压振幅是Vint：3.3V~0V，Vint1：0V~3.3V时，经过pulseshaping stage电路的处理后，所产生的输出信号pin、pinb的电压振幅是Vpin：2.8V~3.3V，Vpinb：3.3V~2.8V。

2.3 输出级（调变与偏压电流产生器电路）

电晶体Mo1~Mo3为偏压电路，对Mo4及Mb1提供固定的偏压，使其产生固定值的调变电流及偏压电流。Imod为调变电流（modulation current），即电晶体Mo4的基极电流，而Ibias 为偏压电流（bias current），即电晶体Mb1的基极电流。当pin的输入信号为high，而pinb的输入信号为low时，电晶体Mo5导通，而电晶体Mo6则是呈现截止状态，使得电晶体Mo5的基极电流近似于Imod，而电晶体Mo6的基极电流近似于0mA，因此Imod都被电阻Ro7所消耗，所以调变电流产生电路没有提供调变电流供激光半导体使用；当pin的输入信号为low，而pinb的输入信号为high时，电晶体Mo5截止，而电晶体Mo6则是呈现导通状态，使得电晶体Mo5的基极电流近似于0mA，而电晶体Mo6的基极电流近似于Imod，因此Imod几乎全部都提供给激光半导体使用。由上述的输入电压变化来决定调变电流产生电路是否提供Imod给激光半导体使用，使得激光半导体的电流为Ibias或是Imod+Ibias。

3小结

在本文中，我们提出一个基于CMOS的可调谐激光半导体驱动电路，并且使用TSMC 0.35 1P4M的制程参数加以模拟分析。通过模拟，可以看出本文所设计的激光半导体驱动电路，其特性均符合要求，而且就目前CMOS 在0.35um制程的条件下而言，激光半导体驱动电路还没有作出Data Rates能超过2.5 Gb/s，而本文中所提出的电路不但能达到2.5 Gb/s，甚至为2.5 Gb/s 的1.6倍，非常适合用于高频系统。

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