基于CMOS工艺的光接收机和发射机设计技术

成果编号：27012

价格：面议

完成单位：淮阴工学院

单位类别：其他高校

完成时间：2020年

成熟程度：试生产阶段

服务产业领域：电子信息

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发布人：jinmulu 离线

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随着社会的发展和科技的进步，用户对网络数据传输速率的需求迅速增加，对带宽的需求越来越高。光纤到户是提高网络数据传输速率的有效方法，一直是通信领域的研究热点。前置放大器和突发模式激光驱动器是无源光网络中光网络单元的重要组成部分，其性能和成本直接关系到无源光网络的工作性能和推广。因此，本项目展开了关于无源光网络中光发射机和接收机的研究与设计。 CMOS工艺已被大规模商业化应用，其成本很低，因而基于CMOS工艺的前置放大器和突发模式激光驱动器是降低光网络单元成本的重要方案。为研制出基于CMOS工艺的高性能前置放大器与突发模式激光驱动器，本项目分析了前置放大器的和突发模式激光驱动器的基本理论，并提出了提高前置放大器和突发模式激光驱动器性能的相应解决方案，取得了具有创新性的成果，包括光接收机和发射机的设计方法、设计理论，申请发明专利6项。

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成果介绍

科技计划：

成果形式：新技术

合作方式：技术转让、技术开发、技术咨询

参与活动： 2021年高校院所走进镇江产学研合作对接活动首届江苏产学研合作对接大会

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 6 项
已授权专利,其中:发明专利 1 项
专利号:
201910015616.9
201910326333.6
201811423545.8
201910122999.X
202010090056.6
201811369148.7

成果简介

综合介绍

创新要点

（1）为提高前置放大器的灵敏度，项目设计了一种具有辅助放大器的前置放大器。首先，对前置放大器做了理论上的介绍；然后详细分析了前置放大器的米勒电容，提出了一种使用辅助放大器减小米勒电容的前置放大器电路结构，并通过电流注入技术增大输入级晶体管跨导，优化前置放大器噪声性能的方案。同时，项目设计了峰值检测电路、自动增益控制电路和消直流失调电流电路，保证了前置放大器具有宽动态范围特性。（2）设计了一种具有输出电流整形和大电流输出能力的突发模式激光驱动器。激光驱动器发送数据由预放大器转换为数字信号，修调电路首先对发送数据进行信号同步与整形，然后由占空比调节电路修调信号同步引起的占空比误差，优化信号通路。针对激光驱动器输出级电路尺寸大，寄生电容大的特点，设计了动态偏置电路和电荷补偿电容，减小发送数据翻转时输出级电路的充放电电荷，从而减小输出电流的上升时间和下降时间。（3）现有突发模式激光驱动器普遍采用温度查找表和平均功率控制环路的混合功率控制方案，这种方案成本较高，也增加了ONU模块设计的复杂性。本论文提出了一种双环功率控制电路，通过带通滤波器选择发送数据中的低频信号，作为消光比检测电路的输入信号。双环功率控制电路由目标电流、跨阻放大器、可变增益放大器、滤波器、信号选择电路和积分比较器组成。平均功率控制环路通过增益总和调制完成平均功率的检测；消光比控制环路引入发送数据，巧妙利用发送数据完成了积分比较器的输入信号选择，从而完成了消光比的检测。同时，双环功率控制环路设计了快速启动算法和功率控制逻辑电路。整个功率控制电路功能良好，可靠性高。

技术指标

功能指标： 1、光接收机的性能归纳如表所示，可以看到，经过本文的优化设计，前置放大器在保持带宽的前提下，有效改善了噪声性能。性能参数本成果 CMOS工艺/nm 180 工作速率/(Gbit/s) 2.5 PD 寄生电容/pF 0.65 跨阻增益/ dBΩ 84.5 灵敏度/dBm -28 功耗/mW 30 2、激光驱动器工作速率满足设计要求，输出电流得到了较大提高，平均功率和消光比控制环路工作良好，保证了输出光信号的功率和消光比稳定性。在突发模式下工作，激光驱动器平突发开启时间为5ns，突发关断时间为2ns。具体参数如下表所示。参数性能指标工作速率/(Gbit·s-1) 2.5 最大输出偏置电流/mA 90 最大输出调制电流/mA 90 抖动/ps 41 突发开启时间/ns 5 突发关断时间/ns 2 平均功率环路稳定性/dB 0.26 消光比稳定性/dB 1 芯片面积 /um2 1600×800

其他说明

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