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近年来大数据、云计算、5G、物联网以及人工智能等应用市场快速发展,10G PON将逐渐成为市场主流,并将在未来几年提升至25G甚至50G。激光器驱动电路位于发射机的末端,驱动激光器实现电信号到光信号的转换,其信号处理的速度与质量是光通信系统中通信质量的重要保证。本文对25G NRZ或50G PAM-4双模式VCSEL激光器驱动电路进行了研究与设计。论文的主要工作概括如下:①对Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS工艺库中BJT特性进行仿真分析,以指导高速通道电路的设计。②建立了一个考虑VCSEL器件非线性的动态模型,该模型包含电学和光学两个部分,光学部分可以模拟激光器的发光功率。整个VCSEL动态模型采用Verilog A代码编写实现,仿真带宽先是随着偏置电流的增大而增大,在11.279mA的偏置电流下VCSEL动态模型的带宽达到最大值19.317GHz,然后随着偏置电流的继续增大而减小,该VCSEL动态模型可以直接在Cadence的仿真软件里进行仿真,用来辅助驱动电路的设计和优化过程。③采用Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS工艺设计了驱动电路。该驱动电路可以实现两种数据格式的传输,分别是非归零(NRZ)或四层脉冲幅度调制(PAM-4)。电路结构为两路的NRZ通道实现VCSEL调制电流的控制,电流DAC模块实现VCSEL偏置电流的控制还有内部的偏置模块和一些控制逻辑。每一路NRZ通道都带有下降沿检测模块和前馈均衡器(FFE)用来改善光学的输出眼图质量。当选择为NRZ模式时,第二路的NRZ通道关闭,实现25Gbit/s的NRZ数据传输;当选择为PAM-4模式时,两路25Gbit/s的NRZ信号以2:1的权重合成一路50Gbit/s的PAM-4信号输出。采用Tower Jazz 0.18μm SiGe BiCMOS工艺进行了电路设计。5位电流DAC控制VCSEL激光器的偏置电流在0~21mA可调。NRZ模式下,可以实现25Gbit/s的数据传输,调制电流达到11.7mA,当不开启下降沿检测的FFE时,模拟的光输出眼图峰峰值抖动(p-p Jitter)为3.99ps;当开启下降沿检测的FFE时,模拟的光输出眼图p-p Jitter变为3.05ps,同时下眼皮明显变薄。PAM-4模式下,可以实现50Gbit/s的数据传输,调制电流达到11mA,当开启下降沿检测的FFE时对模拟的光输出眼图的最下眼皮有改善效果。