5 Gbps全差分双端光接收前置放大器设计

孙洋; 黄启俊; 王豪; 常胜; 何进

5 Gbps全差分双端光接收前置放大器设计

1.
武汉大学物理科学与技术学院,湖北武汉 430072

基金项目:

中央高校基本科研项目(2042014kf0238);国家自然科学基金(61204096, J1210061)

详细信息

作者简介:
孙洋(1989-),男,硕士生,主要从事CMOS模拟集成电路设计。Email:sunyang@whu.edu.cn

中图分类号: TN929.1

Design of 5-Gbps full differential optical receiver pre-amplifier

1.
School of Physics and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China

摘要: 光纤通信在大数据时代得到广泛的应用, 其速度快、带宽大、可靠性高的特点满足了对长距离、大容量信息传输的要求。前置放大器作为光接收器的前端, 其性能高低直接影响到整个光接收系统的工作性能。基于SMIC 0.13 m CMOS工艺, 设计完成了一款5 Gbps光接收前置放大器。首先, 整体差分式结构可以消除共模噪声的干扰, 降低放大器的等效输入噪声。其次, 采用共源共栅的输入结构具有低输入阻抗的特点, 能有效抑制光电管大电容带来的不利影响。最后, 输出级采用电流模逻辑结构, 解决了输出增益与带宽之间的矛盾。仿真结果表明, 放大器增益达到62 dB, 带宽4.7 GHz;等效输入噪声30.1 pA/Hz, 眼图迹线清晰, 张开度较大, 能够满足5 Gbps平衡光探测器通信要求。
- 前置放大器 /
- 共源共栅结构 /
- 平衡探测器 /
- 光纤通信 /
- 电流模逻辑
Abstract: Optical fiber communication has been adopted widely in big-data era, which can satisfy the long-distance and high-capacity needs with characteristics of fast speed, wide bandwidth and high reliability. As the front end of optical receiver, optical receiver pre-amplifier determines the performance of the whole receiver system. Based on SMIC 0.13 m CMOS technology, a 5Gbps optical receiver pre-amplifier was completed in this work. At first, the full differential structure can eliminate the common-mode noise and reduce the input-referred noise. Then, in order to suppress the defect of large photodiode capacitance, Regulated Cascade(RGC) structure with low input impedance was exploited. The output buffer was realized with Common-Mode Logic structure that can balance the gain and bandwidth. The simulation results show the gain of 62 dB and bandwidth of 4.7 GHz. Meanwhile, the amplifier has a input-referred noise of 30.1 pA/Hz. The eye diagram is clear and the opening is enough big, which can meet the communication demand of 5 Gbps balance detector system.
- pre-amplifier /
- Regulated Cascade(RGC) structure /
- balance detector /
- optical fiber communication /
- Common-Mode Logic(CML)

[1]	Olsson B, Martensson J, Alping A. RF-assisted transmitter and receiver for 100G optical transmission[C]//Microwave Photonics, 2011 International Topical Meeting on Microwave Photonics Conference, 2011: 180-183.
[2]
[3]
[4]	Joohwa Kim, Buckwalter J F. A 40-Gb/s optical transceiver front-end in 45 nm SOI CMOS[J]. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 2012, 47(3): 615, 626.
[5]
[6]	Aflatouni F, Hashemi H. A 1.8 mW Wideband 57 dB transimpedance amplifier in 0.13 m CMOS[C]// Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009: 57-60.
[7]
[8]	Wu C Q, Sovero E A, Massey B. 40 GHz transimpedance amplifier with differential outputs using InP/InGaAs heterojunction bipolar transistors[C]//Gallium Arsenide Integrated Circuit(GaAs IC)Symposium, 24th Annual Technical Digest, 2002: 63-66.
[9]
[10]	Lin Shaoheng. A 0.18 m CMOS 2.5 Gbps front-end amplifier with AGC function[J]. China Integrated Circuit, 2011(8): 53-58. (in Chinese)
[11]
[12]	Yang Chunpu. Design of 2.5 Gb/s wide dynamic range optical receiver front-end[J]. Semiconductor Optoelectronics,2012, 33(6): 24-27. (in Chinese)
[13]
[14]	He Ziwei. CMOS preamplifier array for a 12X10 Gb/s parallel optical receiver design[J]. Optical Communication Technology, 2009, 33(8): 5-7. (in Chinese)
[15]
[16]	Park S M, Yoo H J.1.25-Gb/s regulated cascode CMOS transimpedance amplifier for gigabit ethernet applications[J]. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 2004, 39(1): 112-121.
[17]
[18]	Xu Hui, Feng Jun, Liu Quan. Design of 2.5 Gb/s wide dynamic range pre-amplifier in 0.35 m CMOS[J]. Optical Communication Technology, 2010, 34(3): 8-11. (in Chinese)
[19]
[20]	Jin Jie. 0.18 m CMOS 10Gb/s optical receiver preamplifier[D]. Nanjing: Southeast University, 2004. (in Chinese)
[21]	Razavi B. Design of Integrated Circuits for Optical Communication[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2003. (in Chinese)

[1]	朱福喜, 裴丽, 王建帅, 徐文轩, 郑晶晶, 李晶, 宁提纲. 多芯超模光纤放大器增益均衡设计（内封底文章） . 红外与激光工程, 2024, 53(1): 20230504-1-20230504-9. doi: 10.3788/IRLA20230504
[2]	段良友, 刘贞, 沈琪皓, 何幸锴, 周鼎富, 张永科. 单频光纤放大器中泵浦作用的相位噪声 . 红外与激光工程, 2023, 52(1): 20220332-1-20220332-10. doi: 10.3788/IRLA20220332
[3]	关博仁, 李明宇, 邓仁辉, 胡海洋, 廉哲. 高速通信光模块热控系统设计 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220705-1-20220705-12. doi: 10.3788/IRLA20220705
[4]	张逸文, 蔡宇, 苑莉薪, 胡明列. 基于循环神经网络的超短脉冲光纤放大器模型（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210857-1-20210857-7. doi: 10.3788/IRLA20210857
[5]	任帅, 马鹏飞, 李魏, 王广建, 陈益沙, 宋家鑫, 刘伟, 周朴. 近衍射极限4 kW级线偏振窄线宽光纤放大器 . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220032-1-20220032-2. doi: 10.3788/IRLA20220032
[6]	俸志富, 张家洪, 李英娜, 赵振刚. CMOS有源电感并联的前馈共栅跨阻放大电路 . 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20210386-1-20210386-7. doi: 10.3788/IRLA20210386
[7]	肖滟兰, 杨艳平, 杨郑宇潇, 胡佳豪, 金丹妮, 耿勇, 周恒. 片上集成克尔光频梳的波分复用光纤通信技术综述（特邀） . 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20220291-1-20220291-8. doi: 10.3788/IRLA20220291
[8]	吴函烁, 李瑞显, 肖虎, 黄良金, 杨欢, 潘志勇, 冷进勇, 周朴. 基于部分掺杂光纤的5 kW高光束质量光纤激光放大器 . 红外与激光工程, 2021, 50(9): 20210353-1-20210353-2. doi: 10.3788/IRLA20210353
[9]	王宁, 赵柏秦, 王帅, 王震. PIN探测器和跨阻放大器的光电单片集成 . 红外与激光工程, 2021, 50(9): 20210076-1-20210076-6. doi: 10.3788/IRLA20210076
[10]	陈薏竹, 姚天甫, 肖虎, 冷进勇, 周朴. 基于无源光纤的2 kW高光束质量拉曼放大器 . 红外与激光工程, 2020, 49(6): 1-2.
[11]	白涛, 陈远金, 戴放, 徐春叶, 刘小淮, 吕江萍, 刘成玉, 李秋利, 沈吉. 大面阵InGaAs基线性APD单片激光雷达读出电路 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190529-1-20190529-6. doi: 10.3788/IRLA20190529
[12]	石锐, 丁欣, 刘简, 姜鹏波, 孙冰, 白云涛, 王靖博, 赵蕾, 张贵忠, 姚建铨. 1 mJ窄线宽掺镱脉冲光纤放大器 . 红外与激光工程, 2019, 48(S1): 50-55. doi: 10.3788/IRLA201948.S105001
[13]	张海伟, 盛泉, 史伟, 白晓磊, 付士杰, 姚建铨. 高功率双包层掺铥光纤放大器温度分布特性 . 红外与激光工程, 2017, 46(6): 622004-0622004(8). doi: 10.3788/IRLA201746.062200
[14]	王丹燕, 姜海明, 谢康. 双向多泵浦光纤拉曼放大器偏振相关增益研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(2): 222003-0222003(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0222003
[15]	龙青云, 胡素梅, 朱伟玲. 光纤拉曼放大器的最大拉曼增益特性 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 122006-0122006(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0122006
[16]	张德平, 吴超, 张蓉竹, 孙年春. LD 端面泵浦分离式放大器结构的热效应研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2250-2255.
[17]	侯晴宇, 张树青. 单探测器共孔径多光谱成像系统设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1638-1642.
[18]	戚刚, 熊水东, 梁迅, 林惠祖. 用于微弱信号放大的高性能窄线宽纳秒脉冲光纤放大器 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3234-3237.
[19]	代永红, 刘彦飞, 周浩天, 单欣, 艾勇. 空间相干光通信中平衡探测器灵敏度测试实验 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 3110-3116.
[20]	王竹萍, 刘汝卿, 郭仙菊, 张珂殊. 应用于便携式激光雷达测距仪的单芯片全集成前置放大电路系统 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 2050-2054.

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