(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.06.26C N 103178441 A (21)申请号 201310085236.5
(22)申请日 2013.04.19
H01S 5/042(2006.01)
(71)申请人苏州朗宽电子技术有限公司
地址215500 江苏省苏州市常熟市东南经济
开发区东南大道68号先进制造业中心
一号楼B309
(72)发明人
李奚鹏
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公布了一种垂直腔面发光激光器
（VCSEL ）驱动电路，用于为垂直腔面发光激光器
电流源电路，输入缓冲的作用是实现阻抗匹配并
调整电路的工作电平；三级放大结构对输入信号
进行放大，提供足够的增益，使得在给定的输入
信号幅度范围内，电流开关管上可以获得足够的
电压摆幅，推动电流开关有效的工作；偏置电流
源通过片外电感直流耦合到VCSEL 激光器的阴
极，为VCSEL 激光器提供合适的直流偏置电流，同
时可以减少输出交流电流对偏置电流的影响，使
的VCSEL 激光器电光功率转换效率最大。电流
开关差分输出的一端与电源相连，另外一端连接
VCSEL 激光器的阴极，调制电流的大小可以通过
调节V mod 端电压控制，同样，直流偏置电流大小可
以通过调节V bias 端电压满足不同的VCSEL 激光管阈值电流的需要。(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书2页 附图2页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书2页 附图2页(10)申请公布号CN 103178441 A
*CN103178441A*
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1.一种垂直腔面发光激光器（VCSEL ）驱动电路，其特征在于包括输入缓冲级、三级放大器电路、电流开关电路以及偏置电流源电路，其中输入缓冲的作用是实现阻抗匹配并调整电路的工作电平；三级放大结构对输入信号进行放大，提供足够的增益，使得在给定的输入信号幅度范围内，电流开关管上可以获得足够的电压摆幅，推动电流开关有效的工作；偏置电流源通过片外电感直流耦合到VCSEL 激光器的阴极，为VCSEL 激光器提供合适的直流偏置电流，同时可以减少输出交流电流对偏置电流的影响，使
得VCSEL 激光器电光功率转换效率最大，该偏置电流源由带隙基准电压源产生；调制电流的大小可以通过调节V mod 端电压控制，同样，直流偏置电流大小可以通过调节V bias 端电压调节。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发光激光器驱动电路，其特征在于所述输入缓冲级包括偏置电阻网络和输入匹配电阻网络组成，偏置电阻网络由第一电阻（R1）、第二电阻（R2）组成，输入匹配电阻由第三电阻（R3）、第四电阻（R4）组成，其中R3和R4为50 ，其连接点为虚地点。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发光激光器驱动电路，其特征在于所述三级放大器采用全差分结构，其中第一级放大器由尾电流源（I1），放大管（M1、M2）和负载电阻（R5、R6）组成，第二级放大器由尾电流源（I2），放大管（M3、M4）和负载电阻（R7、R8）组成，第三级放大器由尾电流源（I3），放大管（M6、M7）和负载电阻（R9、R10）组成，每级放大器电流呈逐级递增趋势。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发光激光器驱动电路，其特征在于所述电流开关电路，其由调制电流源（I bias ）和开关管（M8、M9）组成；调制电流源由带隙基准电压源和电压电流转换电路组成。
5.带隙基准电压源由晶体管（Q1、Q2）、电阻（R11、R12A 、R12B 、R13）以及电流镜（M7A 、M7B 、M8）组成和误差放大器（A4）；电压电流转换电阻由运算放大器（A5）、电阻（R14）、MOS 管（M9）组成。权 利 要 求 书CN 103178441 A
垂直腔面发光激光器（VCSEL）驱动电路
技术领域
[0001] 本发明用于光通信系统光发射机中，实现驱动垂直腔面发光激光器功能，属于光通信器件技术领域。
背景技术
[0002] 国际半导体技术蓝图（ITRS）指出芯片性能的增长速度已远远超越了互连性能的增长速度。传统的芯片间电互连存在带宽受限、串扰严重、功耗过高等问题，不能满足大容量数据传输、新一代通信设备、高性能计算机等方面的系统应用需求。光互连作为一种新的互连方式, 具有带宽高、功耗低、延迟小、抗干扰等许多电互连不可比拟的优点。目前高性能微处理器和存储器间128路并行电互连带宽可达64Gb/s，若采用光互连，12路并行通道即可实现60～120Gb/s 的互连通信。
[0003] 并行光互联系统的电－光功率转换器件主要采用850nm波长的垂直腔面发射激光器(VCSEL) 阵列作为发光器件，由VCSEL驱动器阵列为其提供足够的偏置电流和调制电流来保证适当传输距离的要求。国内外已有一些大学和研究机构发表了符合光网络互连论坛（OIF）所公布的VSR-1、VSR-3、VSR-5规范的VCSEL驱动器陈列的研究成果，单通道工作速率可达3.125Gb/s，最高并行工作速率可达40Gb/s。
[0004] 为了减小电流开关管的大寄生电容对带宽的影响，已有文献采用每一级放大器后面增加源级跟随器电路，源级跟随器一方面起到电平变换的作用，另一方面可以减小前级放大器的输出电阻，增大带宽。另一种电路采用电感并联峰化技术，在放大级负载电阻上串联电感，用于抵消后一级输入电容的对带宽的影响，增大带宽。在0.18µm CMOS工艺中，考
虑衬底效应时V
th 的典型值为500mV，V
ov
的典型值为250mV，最低电平为1.75V，对于电源电
压为1.8V的电路来说，最低电平过高。对于第二种电路，每个通道需要采用4个在片电感，12路并行通道电感数目高达48个，由于在片电感面积大，考虑成本和芯片面积，这种方法同样是不可取的。
发明内容
[0005] 技术问题：本发明的目的是在0.18µm CMOS低电压工艺下提供一种垂直腔面发光激光器驱动器。可满足低电压和芯片面积的需要。
[0006] 技术方案：一种垂直腔面发光激光器（VCSEL）驱动电路，用于为垂直腔面发光激光器提供足够的驱动电流和驱动电压。它包括输入缓冲级、三级放大器电路、电流开关电路以及偏置电流源电路，输入缓冲的作用是实现阻抗匹配并调整电路的工作电平；三级放大结构对输入信号进行放大，提供足够的增益，使得在给定的输入信号幅度范围内，电流开关管上可以获得足够的电压摆幅，推动电流开关有效的工作；偏置电流源通过片外电感直流耦合到VCSEL激光器的阴极，为VCSEL激光器提供合适的直流偏置电流，同时可以减少输出交流电流对偏置电流的影响，使的VCSEL激光器电光功率转换效率最大。电流开关差分输出的一端与电源相连，另外一端连接VCSEL激光器的阴极，调制电流的大小可以通过调节
V mod 端电压控制，同样，直流偏置电流大小可以通过调节V
bias
端电压满足不同的VCSEL激光
管阈值电流的需要。
[0007] 有益效果：本发明实现了垂直腔面发光激光器的驱动功能，为垂直腔面发光激光器提供足够的驱动电流和驱动电压，满足0.18µm CMOS低电压工艺的需求，具体如下：
1. 避免了使用源级跟随器结构，使电路可以工作在低电压状态。
2. 避免了使用电感等无源元件，可以很大程度上减小芯片面积，节约成本。
附图说明
[0008] 图1是本发明的结构框图；
图2是本发明所采用的放大器电路图；
图3是本发明所采用的调制电流源电路图；
图4是本发明用于驱动共阴极VCSEL的电路图。
具体实施方式
[0009] 实施例1
一种共阳极垂直腔面发光激光器(VCSEL)驱动电路，包括输入缓冲级、三级放大器电路、电流开关电路以及偏置电流源电路，所述输入缓冲的作用是实现阻抗匹配并调整电路的工作电平，电阻R1、R2用于提供合适的工作电平，电阻R3、R4提供输入阻抗匹配；所述三级放大结构采用低负载阻抗的级联全差
分放大结构，对输入信号进行放大，提供足够的增益，使得在给定的输入信号幅度范围内，电流开关管上可以获得足够的电压摆幅，推动电流开关有效的工作；本实施例调制电流直接耦合到VCSEL阴极，偏置电流源通过片外电感直流耦合到VCSEL激光器的阴极，为VCSEL激光器提供合适的直流偏置电流，同时可以减少输出交流电流对偏置电流的影响，使的VCSEL激光器电光功率转换效率最大，该偏置电流源由带隙基准电压源产生；调制电流的大小可以通过调节V
mod
端电压控制，直流偏置电流大
小可以通过调节V
bias
端电压调节。
[0010] 实施例2
一种共阴极垂直腔面发光激光器(VCSEL)驱动电路，如图4所示，包括输入缓冲级、三级放大器电路、电流开关电路以及偏置电流源电路，所述输入缓冲的作用是实现阻抗匹配并调整电路的工作电平，电阻
R1、R2用于提供合适的工作电平，电阻R3、R4提供输入阻抗匹配；所述三级放大结构采用低负载阻抗的级联全差分放大结构，对输入信号进行放大，提供足够的增益，使得在给定的输入信号幅度范围内，电流开关管上可以获得足够的电压摆幅，推动电流开关有效的工作；本实施例输出信号通过电容（C1）交流耦合到共阴VCSEL阳极，VCSEL阳极电压由外加电感（L2）提供。
图1
图2
图3
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