洪佳程

（作者單位：廈門優(yōu)迅高速芯片有限公司）

光通信是以光為載波的通信方式，在20世紀(jì)50年代，研究人員用試驗(yàn)證明了光纖可以用作光傳輸介質(zhì)。在不到50年的時(shí)間內(nèi)，光通信到了迅速發(fā)展。

光通信系統(tǒng)

光纖通信系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)將大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶苓h(yuǎn)的距離，例如中國(guó)的電話業(yè)務(wù)與歐洲的電話業(yè)務(wù)是通過(guò)已安裝的光通信系統(tǒng)連接起來(lái)的，簡(jiǎn)單的光纖通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　光纖通信系統(tǒng)

發(fā)射端是由復(fù)用器、定時(shí)器、驅(qū)動(dòng)器、激光器和鎖相環(huán)組成。發(fā)射端處理的是高速串行數(shù)據(jù)，例如傳輸10Gbit/s的數(shù)據(jù)流。然而，提供給發(fā)射機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)是很多低速信道（并行數(shù)據(jù)），由多個(gè)用戶所產(chǎn)生的，而并行至串行轉(zhuǎn)換的任務(wù)是由一個(gè)復(fù)用器來(lái)完成。在復(fù)用器的輸出會(huì)遭受到非理想性的損傷，如受到抖動(dòng)和碼間串?dāng)_的影響，激光驅(qū)動(dòng)器會(huì)使用一個(gè)去除抖動(dòng)和碼間串?dāng)_的觸發(fā)器，觸發(fā)器需要許多具有精確的邊沿對(duì)準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率，這些時(shí)鐘由一個(gè)鎖相環(huán)產(chǎn)生的。發(fā)射端簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　發(fā)射端簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖

接收端是由光電二極管，跨阻放大器，限幅放大器，判決電路和解復(fù)用器組成。光電二極管必須有較高的靈敏度，能接收到光纖接入光的變化產(chǎn)生電壓信號(hào)的變化，然后將光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，跨阻放大器輸出的動(dòng)態(tài)范圍不夠大，在后面加一個(gè)限幅放大器（高增益放大器），在接收到的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)明顯的噪聲，所以在限幅放大器和解復(fù)用器之間會(huì)加入一個(gè)判決電路。接收端簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　接收端簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖

在過(guò)去的幾十年中，光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變化不太大，而組成系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)和集成度則發(fā)生了很大的變化。光通信系統(tǒng)的瓶頸主要是激光器，光電二極管和收發(fā)兩端的芯片，這三者最前沿的設(shè)計(jì)目前都被外國(guó)壟斷，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)公司正在積極追趕中，爭(zhēng)取盡早將使用的國(guó)外器件國(guó)內(nèi)化。目前本司主要研發(fā)收發(fā)兩端的芯片，下面主要對(duì)芯片做些更詳細(xì)的介紹。

芯片介紹

新的光器件革命是在20世紀(jì)90年代，射頻設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)入里程碑式的發(fā)展，設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段：第一階段：模塊，通過(guò)積木方式結(jié)構(gòu)：所有器件，電路，結(jié)構(gòu)級(jí)編碼的設(shè)計(jì)方案所替代；第二階段：在單芯片上集成度越高，所提供的性能越好，且成本也會(huì)越低；第三階段：主流大規(guī)模集成電路技術(shù)，例如CMOS和BICMOS繼續(xù)取代由GaAs器件要求的各個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)代光通信系統(tǒng)收發(fā)器應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)者不斷提出各種幾何尺寸方面的挑戰(zhàn)?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體為CMOS,而B(niǎo)ICMOS是由CMOS和雙極器件同時(shí)集成在同一塊芯片上的技術(shù)。

1.CMOS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

CMOS技術(shù)的成本和集成優(yōu)點(diǎn)，已讓我們投入大量的時(shí)間開(kāi)發(fā)高速CMOS芯片。CMOS收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了很多難題，例如：噪聲、速度、電壓裕度和襯底耦合等問(wèn)題。2000年，芯片設(shè)計(jì)出來(lái)10Gbit/sCMOSCDR電路。

2.速度

隨著因特網(wǎng)骨干網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)容量的增大，工作速率為100Gbit/s的光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功實(shí)現(xiàn)，目前國(guó)際上還沒(méi)有大批量生產(chǎn)。美國(guó)現(xiàn)在擁有100Gbit/s的生產(chǎn)工藝線，利用SiGe工藝實(shí)現(xiàn)100Gbit/s的速度，但要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)人員克服有源和無(wú)源器件在寬帶特性、芯片上傳輸?shù)鸟詈虾透咚俜庋b等難題，包括實(shí)驗(yàn)室儀器的跟進(jìn)，這些均需要大量資金和時(shí)間的投入。

下面內(nèi)容介紹一下發(fā)送端中的高速驅(qū)動(dòng)芯片：

各子系統(tǒng)的光收發(fā)機(jī)必須有高速驅(qū)動(dòng)芯片，高速信號(hào)在PCB板上都會(huì)有走線，這種攜帶信號(hào)的線路的特性阻抗要與激光驅(qū)動(dòng)器的輸入特性阻抗相匹配。對(duì)于典型的50歐阻抗來(lái)講，高速驅(qū)動(dòng)芯片必須提供較大的輸出電流，以便提供合理的電壓。

在現(xiàn)在的芯片高速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，常用的輸出驅(qū)動(dòng)芯片的結(jié)構(gòu)是開(kāi)路-漏極或開(kāi)路-集電極差分對(duì)。讓電路產(chǎn)生一個(gè)流過(guò)差分傳輸線的差分電流，且被遠(yuǎn)端的終端負(fù)載電阻吸收。差分對(duì)呈現(xiàn)出高阻輸出阻抗，從而不能在近端接口處進(jìn)行阻抗匹配。然而，只要在遠(yuǎn)端讀出的輸入阻抗能與傳輸線的阻抗匹配，信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生反射，且開(kāi)路-漏極晶體管驅(qū)動(dòng)傳輸線也不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題。簡(jiǎn)易圖4如下所示。

圖4　高速驅(qū)動(dòng)芯片

對(duì)于高速驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)說(shuō)，輸出是一組差分信號(hào)，差分在傳輸中有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）電源噪聲

差分信號(hào)的一個(gè)重要特性與從電源電壓提取出來(lái)的瞬時(shí)電流有關(guān)。在信號(hào)傳輸?shù)娜魏螘r(shí)候的任意點(diǎn)上面，流過(guò)終端負(fù)載的總電流一致。在每個(gè)數(shù)據(jù)脈沖到來(lái)時(shí)候?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)大的電流變化，對(duì)電源有一個(gè)極小的寄生電感，由于差分結(jié)構(gòu)匹配性的問(wèn)題，電源會(huì)引入一些瞬變地電流，這個(gè)問(wèn)題可以考慮在芯片上的電源和地之間加入旁路電容。

（2）噪聲耦合

差分電路會(huì)產(chǎn)生的瞬變信號(hào)，當(dāng)這個(gè)瞬變信號(hào)耦合到敏感點(diǎn)，到達(dá)第一級(jí)時(shí)會(huì)互相抵消。通過(guò)差分運(yùn)算和合理的物理對(duì)稱性，由外部電路產(chǎn)生的噪聲可以降低至最小。采用差分處理供電，敏感信號(hào)可以作為一個(gè)共模方式接收外部電路產(chǎn)生的噪聲，依靠其對(duì)稱性來(lái)抑制噪聲。如果器件和電路之間有失配，噪聲將會(huì)引入。例如：1%的失配，外部電路產(chǎn)生的差分噪聲被抑制了40dB,而所監(jiān)測(cè)到的差分噪聲會(huì)以相同的數(shù)量被抑制。換言之，當(dāng)差分噪聲出現(xiàn)在一個(gè)有用的信號(hào)上時(shí)，外部噪聲有0.5V，則影響被降低至0.05mv。

（3）封裝寄生效應(yīng)

差分運(yùn)算也放寬了對(duì)信號(hào)線路的封裝寄生效應(yīng)的要求。封裝和芯片內(nèi)引線產(chǎn)生的電感，在信號(hào)到來(lái)時(shí)候，互相耦合作用下降低了通過(guò)每個(gè)電感的瞬時(shí)壓降，減小了在每條信號(hào)上面所出現(xiàn)的有效電感，這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)芯片的焊盤和封裝來(lái)解決。但這一方法不適用于單端輸出信號(hào)。

綜合幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，高速信號(hào)的設(shè)計(jì)用差分對(duì)是最好的，芯片的電路架構(gòu)就基本定下來(lái)。最后一級(jí)差分電路的電流需求會(huì)比較大，差分信號(hào)需要比較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)，而通過(guò)判決電路送出來(lái)的驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以在激光驅(qū)動(dòng)的前一級(jí)會(huì)加入前向驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

為了驅(qū)使大的尾部電流至兩個(gè)輸出端，差分緩沖器必須使用寬度大的晶體管，從而呈現(xiàn)出一個(gè)高的輸入電容。前向驅(qū)動(dòng)器需要以大的快速瞬變性能來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。各種折中方案需要將這兩極設(shè)計(jì)成一個(gè)單一電路。設(shè)計(jì)出來(lái)的電路如圖5所示。

圖5　驅(qū)動(dòng)芯片的單一電路

假設(shè)電路中的I2大到足以產(chǎn)生所需要的輸出電壓。如果在X、Y處檢測(cè)到M1、M2的差分電壓為1Vpp時(shí)，M1和M2足以將I2電路的90%傳輸?shù)搅硪粋?cè)。只要M3和M4的狀態(tài)完全轉(zhuǎn)換，這就意味著I1R1必須等于0.5V。如果輸出晶體管的寬度W1,2，增加一倍發(fā)生什么情況呢？于是，控制I2電流90%的差分電壓就降低了，允許R1使用更小的數(shù)值。因?yàn)镽1不可能減小1/2，在點(diǎn)X和Y處的時(shí)間常數(shù)仍然會(huì)增加。反之，如果M1和M2的寬度減小1/2，R1必須增加，這樣在點(diǎn)X和Y處的時(shí)間常數(shù)會(huì)減小，這就是這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)。

激光器的驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)大致如上面所述，電路結(jié)構(gòu)搭好后，會(huì)根據(jù)客戶需求，設(shè)計(jì)好電路，再根據(jù)電路進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)，找到對(duì)應(yīng)的工藝線，根據(jù)版圖的數(shù)據(jù)生成光罩，生產(chǎn)晶圓片，圓片生產(chǎn)出來(lái)后，還需劃片，封裝設(shè)計(jì)，封裝，這就是芯片整個(gè)的設(shè)計(jì)流程。激光器驅(qū)動(dòng)芯片功能模塊的版圖，如圖6所示。

圖6　激光器驅(qū)動(dòng)芯片功能模塊版圖

總述

光纖通信有著非常多的優(yōu)點(diǎn)：通信容量大，中繼距離長(zhǎng)，保密性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)，體積小，重量輕，原材料來(lái)源豐富，潛在價(jià)格低廉。正是有這么多優(yōu)點(diǎn)，其他的通信方式不可比擬，所以在未來(lái)的發(fā)展中，光纖通信還是首選。在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)高速傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)備需求量會(huì)暴增，而將來(lái)40Gbs/s，100Gbs/s的設(shè)備也會(huì)上市。歐美芯片設(shè)計(jì)企業(yè)基石堡壘特別雄厚，作為光通信芯片設(shè)計(jì)的后輩來(lái)說(shuō)，任重而道遠(yuǎn)！