随着网络速率的增高，如何设计出满足高速率要求的高性能光电转换器件成为网络技术发展的关键，而低噪声是光电转换器件的重要特性。本文以T-48光电转换模块为例，介绍噪声的产生机理以及通过屏蔽、射频仿真以及偏置电流控制等降低噪声的方法。

当前服务器、交换机及其它网络设备的设计面临越来越高的数据速率，采用密集波分复用(DWDM)骨干网可以传输160个波长，每个波长的速率为10Gbps，而在不久的将来骨干网速率可达到每通道40Gbps。面对急剧增长的数据流量，系统设计工程师必须采用二维光电互连来取代铜互连。在机架到机架、主板到主板之间以及核心路由器、服务器、存储区域网络应用中，只有光互连才能达到需要的高汇集数据速率。

但是设计满足这种要求的光模块本身也存在一些问题，除了克服系统级的速度和多序列传输路由问题外，IC芯片组和模块设计还需要创新方案。本文将讨论解决IC芯片组和封装的噪声管理问题。

TeraConnect公司开发出了Terminator系列T-48模块，该模块由两个48-通道组成，每个通道速率为2.5Gbps的混合模块：一个发送模块和一个接收模块。每个模块集成了NurLogic公司设计的专用发送或接收PMD IC。汇集数据速率为120Gbps的T-48定位于高密度短距离数据传输应用。

模块描述

T-48系列模块是工作于OSI模型第一层(物理层)的光电转换器(见图1)。一个模块输入48个差分CML电信号并将其转换为光信号来传输；另外一个模块接收48个光信号并将这些光信号转换为CML输出。在这些模块内，PMD IC的激光二极管驱动器和PIN二极管接收器二维阵列采用倒装片技术分别与垂直腔面发射激光器(VCSEL)和PIN光电二极管邦定在一起。这种高集成度的模块主要应用于机架到机架的传输、路由器互联、交换机、服务器和存储区域网络。

NurLogic发送和接收IC的设计采用0.25微米的SiGe BiCMOS工艺制造。接收器芯片集成了48个互阻抗放大器、48个限幅后置放大器和48个CML驱动器以及偏置和测试电路。发送器IC包含48个可编程激光二极管驱动器、48个CML接收器和测试电路。选择SiGe工艺是因为SiGe允许在低功率条件下实现高电源抑制比(PSRR)和高带宽电路设计，频率极高的SiGe晶体管可在低偏置电流条件下运行并仍然能实现高带宽。而其它像GaAs这样的材料，要在这么小的模块上集成如此多通道，则需要很高的功率。

要在单个模块中封装48个高速通道，对于噪声管理、版图设计、工艺选择、功率分配及功耗、热管理和封装都是一个很大的挑战，而T-48模块采用了先进的专利封装工艺，有效地满足了这些方面的要求。

TeraConnect公司通过研究2.5Gbps链接的误码率(BER)用户规范，开发出噪声和信号抖动规范。误码率为10^-12最常见，但许多用户要求得到10^-15或更低的误码率。对于通过封装进入发送IC、经过光纤链路，再到接收IC，最后输出至封装(见图2)的整个信号链接，BER规范允许的信号抖动最大值为100ps。仿真表明每块IC会产生20ps的抖动，因此每个模块封装引起的信号抖动不能超过30ps。

T-48系列接收IC与发送IC的管脚封装完全一样，这不仅有利于设计出既适合于发送模块又适合于接收模块的封装结构，而且当用户进行印制电路板设计时还可简化到串并转换器IC的布线。

IC设计

在IC设计中有一些约束条件，设计工程师面临的主要挑战是驱动器和接收器通道的有限面积问题。NurLogic公司通过全面的信号完整性仿真来保证噪声和信号抖动指标满足规范要求。IC的版图设计利用金属屏蔽层和区域偏置来保证所有的电路为局部电源的变化进行正确的设置。集成的功率分配方法用来管理电源分配和阻抗功耗，另外还集成了在硅片封装之前进行校验所必需的测试电路。

在IC内的信号之间采用了屏蔽来减少射频信号的辐射，采用Ansoft公司的HFSS工具在连接器接口和到裸片之间的连接上进行综合的RF仿真，目的是为了降低信号返回损耗并减小与裸片的封装接口产生的信号抖动。另外还对信号对之间的串扰进行RF仿真，使串扰降低到-30dB以下。整个IC的串扰可以控制在-20dB以下。

IC的寄生参数提取处理是在TeraConnect公司内部和OEA International公司合作下完成。公司内部提取处理采用了Cadence公司的Diva和Assura工具，OEA公司的提取是作为内部提取处理的一个检验。Cadence的Analog Artist工具具有提取电阻和提取电容功能，用来实现对整个IC的仿真。

TeraConnect从IC的焊盘开始，然后到整个封装，包括连线接头和过孔，建立了一个互连模型。该模型还包括了FR4印制电路板上的8英寸走线，该走线用来仿真用户使用中同并串转换器IC连接的情况。这种设计思想是为用户实际应用中的过孔、互连和非连续情况加入足够的余量。

TeraConnect的仿真模型使用了Agilent公司开发的ADS模型，该模型同时具有频域和时域的功能。ADS的一个目标是加强实验室测量结果与实际仿真结果的相关性。设计工程师反复构造模型并加以测试和改进，直到测量结果非常接近预测值。

VCSEL和PIN光电二极管

VCSEL是长约为3微米的极小激光器。VCSEL由两个与裸片表面平行的反射镜组成，反射镜之间是激活区。激光在激活区内产生，经过镜片来回反射产生受激发射，生成单一波长的相干光。

VCSEL是半导体激光器，该激光器产生一束圆形、垂直于其P-N节的低发散光束。在VCSEL中光线是垂直传播而边缘发射半导体激光器是侧向传播。在垂直方向上，激光器的腔体可与激光的波长相匹配，而且有了这个小腔，器件的增益带宽就只支持单一纵向模式。VCSEL是唯一可使用光刻技术进行二维阵列加工的激光器。

由于半导体激光器的输出随其使用时间及环境温度的变化而有所改变，因此必须对偏置电流和调节电流进行调节，以降低激光器的输出变化。现在的VCSEL技术已经完全成熟，人们已经完全了解在其寿命期内和在很宽工作温度内输出功率和阈值电流的变化。

基于这些明确的特性，T-48发送模块具有内置的VCSEL调节和偏置电流可编程特性。模块内的一个微控制器承担这种编程工作，因此不需要系统的监测和控制。激光器的安全性满足3A类FDA和IEC规范要求。

PIN光电二极管是将光转化为电流的固体器件，通常光电二极管对波长介于200nm(接近紫外线)和1,100nm(接近红外线)之间的光较为敏感。从最小功率可探测入射光到几毫瓦光功率之间，光电二极管的响应几乎是线性的，非线性度仅在千分之几。

通过增加反向偏置并减小有效负载阻抗可以提高响应的线性度。对光电二极管加热可将其频谱响应曲线(包括峰值)平移至更长的波长，相反冷却则响应曲线将平移至更短的波长。因此PIN光电二极管需要后置放大器来平衡对输入电平和温度的变化。

T-48是汇集带宽为120Gbps的半双工异步模块，用50微米多模光纤可在300米距离范围内或用62.5微米多模光纤在100米距离范围内工作。48个光信号通过一对2×12 MPO工业标准连接器连接到T-48模块。T-48模块是带有600个管脚的可插球栅阵列器件，其大部分管脚是电源和接地，用来保证最佳的信号完整性。

T-48模块的尺寸为2×3×0.5英寸，很容易满足使用标准PC主板间距的CompactPCI要求，这些模块的混合信号电路和电流模式的逻辑电路需要+2.5V和+3.3V电源。48个光通道设置为4个独立的1×12阵列，系统设计工程师可以根据需要将任意列通电或断电，由此将功耗降至最低。

T-48的发射器模块的额定功耗为6W，而接收器模块的额定功耗为8W，并且没有特殊的冷却要求(见图3)。假定环境温度在0℃到80℃之间，设计工程师可按需要定制适合的散热片。

作者：Rick Thompson

硬件ASIC总裁

TeraConnect公司

Michael Brunolli

首席技术主管

NurLogic设计公司

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