一种基于4通道×64 Gb/s/通道NRZ VCSEL技术的共封装光纤终端光发射器及80 Gb/s光驱动器

《IEEE Journal of Solid-State Circuits》：A 4-Ch × 64 Gb/s/Ch NRZ VCSEL-Based Co-Packaged Fiber-Terminated Optical TX and 80-Gb/s Optical Driver

本文提出了一种四通道（4-Ch）多模式垂直腔面发射激光器（VCSEL）共封装光发射器，集成VCSEL阵列、驱动IC和电光发射IC，并采用复杂零点连续时间线性均衡器（CZ-CTLE）优化信号均衡，提升增益平坦度和带宽。通过共振时钟技术，包括传输线基全局时钟和宽调谐范围耦合谐振器正交生成，增强链路能效和抖动余量。采用低功耗NMOS-over-NMOS电压模式驱动器，结合眼对称校正，实现256 Gb/s NRZ数据率，能效达1.3 pJ/b，较先前技术提升2.2倍调制幅度和14%更高能效。

　　

摘要：

本文介绍了一种基于四通道（4-Ch）多模（MM）垂直腔面发射激光器（VCSEL）的共封装光发射器（TX），该发射器将VCSEL阵列、VCSEL驱动器（VCDRV）集成电路、电信号发射集成电路以及光纤接口集成在单个封装中。文中提出了一种复杂零点连续时间线性均衡器（CZ-CTLE），用于有效均衡VCSEL的复极点响应，从而改善带内增益/群延迟（GD）平坦度并扩展带宽（BW）。为了提高链路能效和抖动裕度，采用了共振时钟技术，包括基于传输线的共振全局时钟分配机制以及具有宽调谐范围的耦合谐振器正交信号生成技术。此外，还设计了一种采用NMOS-over-NMOS（N/N）电压模式驱动器的低功耗电信号发射架构，并加入了眼图对称性校正功能，进一步提升了能效和链路稳定性。该光发射器原型采用22纳米FinFET工艺制造，实现了256 Gb/s的非归零（NRZ）数据传输速率，能效仅为1.3 pJ/b。与以往的光发射器相比，本文所述方案在光调制幅度上提升了2.2倍，在眼图宽度（EW）和眼图高度（EH）方面分别提高了1.4倍，同时每通道波特率提高了14%，能效提升了11%。直接驱动的光学驱动器可支持80 Gb/s的NRZ数据传输速率，数据传输速率比现有技术高出13%，能效提升了25倍。此外，本文还首次成功实现了超过50 Gb/s的VCSEL基共封装光发射器拓扑结构，其传输速率比以往研究高出6.4倍。