高萍

摘要：可調諧激光器是DWDM系統(tǒng)及未來全光網(wǎng)絡中的關鍵器件，提升了易升級、可重構光網(wǎng)絡的智能性和動態(tài)性，在未來光通信領域具有重要的應用價值。在這種背景下，本文首先概述了可調協(xié)半導體激光器，進而提出了光通信系統(tǒng)可調諧半導體激光器的電路設計思路。

關鍵詞：光通信系統(tǒng)；可調諧；半導體；激光器；設計思路1可調協(xié)半導體激光器概述

可調諧激光器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、光化學、醫(yī)學、生物學、集成光學、污染監(jiān)測、半導體材料加工、信息處理和通信等。由于通信技術的迅速發(fā)展，為了提供社會大眾更廣泛的信息服務，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，而應用在光通信系統(tǒng)中的激光半導體必須能提供適當波長的光能，并能進行高速調諧，而這兩點也已成為當今光通信系統(tǒng)的核心。

2光通信系統(tǒng)可調諧半導體激光器的電路設計

2.1 PECL to CMOS邏輯電路

若使用一個差動放大電路將PECL信號轉換成CMOS邏輯信號，則輸出的信號尚無法驅動調變電流產(chǎn)生電路，故需使用由三個反相器所組成的緩沖器電路，將CMOS邏輯信號的電壓擺動放大至full-swing。如果所選用的差動放大器是單端輸出，則必須使用兩組電路來構成完整的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

一般激光半導體驅動電路都是將PECL信號經(jīng)過PECL to CMOS Logic Circuit 轉換成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動后面的調變電流產(chǎn)生電路。設計中加入脈沖形成階段，可以穩(wěn)定調變電流產(chǎn)生電路的sm節(jié)點的電壓，且提供調變電流產(chǎn)生兩個恒大于Vsm的輸入電壓Vpin及Vpinb，以提升輸入電壓的直流位準，避免因共原極端點上的寄生電容以及切換速度的影響，導致在調變電流產(chǎn)生電路的輸出電流上產(chǎn)生大量的overshoot/undershoot，而影響到激光半導體驅動電路的特性?？蓪⒕彌_器的輸出端點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Vint為3.3V，而Vintb為0V時，有的電晶體Mp2、Mp5會導通，而電晶體Mp3、Mp4則呈截止狀態(tài)，此時節(jié)點pinb的電壓會因為電晶體Mp5導通，而被提升至3.3V的電位；節(jié)點pin會因為電晶體Mp4為截止狀態(tài)，使得pin 的電壓為Vdd-Vrp1。經(jīng)過設計，可以得到的Vpin＝2.8V。當Vint為0V，而Vintb 為3.3V時，電晶體Mp2、Mp5會截止，而電晶體Mp3、Mp4則呈導通狀態(tài)，此時節(jié)點pinb的電壓會因為電晶體Mp5為截止狀態(tài)，使得pinb 的電壓為Vdd-Vrp2。經(jīng)過設計，可以得到的Vpinb＝2.8V；節(jié)點pin會因為電晶體Mp4為導通狀態(tài)，而被提升至3.3V的電位。因此，當輸入信號int、intb的電壓振幅是Vint：3.3V~0V，Vint1：0V~3.3V時，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)生固定值的調變電流及偏壓電流。Imod為調變電流（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pin的輸入信號為high，而pinb的輸入信號為low時，電晶體Mo5導通，而電晶體Mo6則是呈現(xiàn)截止狀態(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，所以調變電流產(chǎn)生電路沒有提供調變電流供激光半導體使用；當pin的輸入信號為low，而pinb的輸入信號為high時，電晶體Mo5截止，而電晶體Mo6則是呈現(xiàn)導通狀態(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體使用。由上述的輸入電壓變化來決定調變電流產(chǎn)生電路是否提供Imod給激光半導體使用，使得激光半導體的電流為Ibias或是Imod+Ibias。

3小結

在本文中，我們提出一個基于CMOS的可調諧激光半導體驅動電路，并且使用TSMC 0.35 1P4M的制程參數(shù)加以模擬分析。通過模擬，可以看出本文所設計的激光半導體驅動電路，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，激光半導體驅動電路還沒有作出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)。

[參考文獻]

[1]高樹理.環(huán)形腔聲光可調諧摻鉺光纖激光器調諧范圍的研究[J].應用光學,2010(05).

[2]趙軍發(fā),楊秀峰,劉卓琳,童崢嶸,劉艷格,趙啟大.調諧范圍40nm的多波長布里淵/鉺光纖光源[J].中國激光,2010(10).

[3]張成,羅正錢,王金章,周敏,許惠英,蔡志平.熔錐光纖倏逝場作用石墨烯雙波長鎖模摻鐿光纖激光器[J].中國激光,2012(06).

[4]張亮,王智勇,張輝,堯舜,曹銀花,左鐵釧.基于受激布里淵散射的調Q光纖激光器研究[J].激光技術,2008(01).