[发明专利]一种用于高速光互连的PAM4发射机驱动电路

说明书

本发明公开了一种用于高速光互连的PAM4发射机驱动电路，所述电路包括：四个输入缓冲级，用于提供输入阻抗匹配；四个D触发器，对输入信号采样再定时，消除相位差；两个2:1复用器，将四路25Gb/s NRZ信号转为两路50Gb/s NRZ信号；两个宽带放大器，对复用器的输出信号整形，并提升带宽；一个电流模逻辑(CML)加法器，将两路NRZ信号叠加成一路PAM4信号，实现单路数据传输率翻倍；一个宽带输出缓冲级，用于提供输出阻抗匹配，集成两种带宽拓展方式，提升传输通路带宽。本发明无需使用无源电感，芯片面积小，有望应用于下一代100G/200G/400G以太网。

技术领域

本发明涉及光互连及高速光收发通信系统领域，尤其涉及一种用于高速光互连的PAM4(四级脉冲幅度调制)发射机驱动电路。

背景技术

近年来，物联网、云计算和智能传感等新型技术蓬勃发展，因此数据流量呈现爆炸式增长。为了支撑如此庞大的数据流量，需要新建大量的数据中心，以加快信息交换和传输。然而，数据中心的数量不能无限增长，解决流量爆炸问题的根本还是要提升单位时间内数据传输、交换和处理量。因此，这对骨干网以及数据中心内部的传输和交换速率提出了更高的要求。受“电子瓶颈”的限制，传统的电互连难以适应10Gb/s以上的超高速数据传输，而拥有高带宽、大容量和低损耗等优点的光纤通信技术成为问题解决的关键。因此，面对快速增长的海量数据，提升光互连芯片的传输速率成为当前的研究热点之一。

目前，提高光互连传输速率的主要思路是增加并行光信道数量或/和增加传输信号所携带的信息量。然而，并行光信道数量不能无限增加，否则将使系统复杂度增加，系统成本大幅升高。因此，提升光电带宽以支撑更高速率成为光纤通信技术的主要研究方向之一。随着100G/200G/400G以太网光通信标准的发布，单通道的传输速率需达到50Gb/s及以上^[14]，传统非归零码(NRZ)调制格式的光发射机在带宽拓展和芯片成本上遇到了极大的挑战，为提升性能而引入复杂的预加重和均衡技术往往会占用更大的面积，消耗更多的功耗，所以必须寻求新的解决方法。

为了实现更高的传输速率，业界已开始考虑使用多级调制方式来突破这一难题。四级脉冲幅度调制(PAM4)采用4个不同的信号电平来传输数据信息，每个符号周期可表示2比特的逻辑信息。因此，要实现同样比特率的信号传输能力，PAM4信号的波特率只有NRZ信号的一半，带宽要求也是如此。鉴于PAM4的上述优势，近年来对其研究越来越广泛。然而，与传统NRZ调制格式的光发射机不同，PAM4调制格式对发射机的设计提出了许多新的要求，其中如何构建叠加调制架构，提升PAM4发射机的单路传输速率为时下的研究热点。

为解决这一问题国内外开展了许多研究，并在PAM4光发射机方面取得了很大的进展。例如，林福江等人设计了一种电流模逻辑(CML)的PAM4发射机，实现了PAM4信号的大摆幅输出，但其传输速率只有5Gb/s，且因引入了超大的尾电流，消耗了非常高的功耗^[1]；肖蠡虎等人设计了一种基于PAM4技术的超远距离传输模块^[2]，但其PAM4信号的产生依赖于已成型的编码器，并未集成到电路中。此外，Soenen W等人以CML技术实现了一款50Gb/s PAM4光发射机驱动电路，但预加重设计中的门电路限制了高速性能^[3]；Rito P等人同样基于CML技术实现了100Gb/s的PAM4光发射机驱动电路，但为提升电路带宽而引入的电感占用了很大的芯片面积^[4]。

目前，国内有关PAM4高速光发射机的专利未见发布。综上所述，在更高速率网络交换的需求背景下，以有限复杂度和功耗实现PAM4光发射机的传输速率提升还有很大的研究空间。

参考文献：

[1]汪少波,林福江.一种超大摆幅5Gb/s PAM4发射器设计[J].信息技术与网络安全,2019,38(02):37-40.