Обзор схемных решений высокоскоростных драйверов ВИЛ на интегральных технологиях
DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-82-91
☷
- О ТУСУРе
- Абитуриентам
-
Студентам
- Первокурсникам
- Расписание занятий
- Система дистанционного обучения
- Научно-образовательный портал
- Библиотека
- Групповое проектное обучение
- Журнал посещаемости
- Журнал успеваемости
- Клубы по интересам
- Спорт в ТУСУРе
- Профком студентов
- Содействие трудоустройству
- Облачное хранилище ТУСУРа
- Поддержка студенческих семей
- Поддержка участников СВО и их детей
- Многофункциональный центр
- Аспирантам
-
Сотрудникам
- Телефонный справочник
- Расписание занятий
- Система дистанционного обучения
- Научно-образовательный портал
- Библиотека
- Журнал посещаемости
- Журнал успеваемости
- Генератор рабочих программ
- Генератор ОПОП
- Генератор ИПРП
- Показатели эффективности труда ППС
- Спорт в ТУСУРе
- Профком сотрудников
- Облачное хранилище ТУСУРа
- Выпускникам
- Партнёрам
Аннотация: Актуальность. Развитие телекоммуникационных систем и центров обработки данных требует непрерывного роста пропускной способности волоконно-оптических сетей, что делает критически важным совершенствование приемопередающих оптических модулей. Цель исследования. Проведение анализа схемотехнических и технологических решений в области проектирования высокоскоростных интегральных микросхем драйверов лазерных диодов вертикально излучающих лазеров. Методы. Проведены сравнительный анализ параметров микросхем, а также обобщение научно-технических публикаций в области проектирования драйверов. Научная новизна. Систематизирован переход интегральных технологий от соединений группы A3B5 к кремниевым технологиям (КМОП и SiGe БиКМОП), а также определены конструктивные особенности сопряжения выходных каскадов с вертикально излучающими лазерами. Результаты. Определены эффективные схемотехнические решения построения каскодных схем и предложены оптимальные подходы к проектированию драйверов в условиях импортозамещения. Практическая значимость. Представлен аналитический обзор схемотехнических решений высокоскоростных драйверов лазерных диодов, реализованных на базе современных интегральных технологий. Сформулированные выводы и рекомендации могут быть непосредственно использованы для создания конкурентоспособной электронной компонентной базы под российские высокоскоростные волоконно-оптические линии связи.
Ключевые слова: драйвер лазерного диода, СВЧ, ИС, оптический передатчик, ВОЛС, модуляция
Сведения о финансировании: Работа выполнялась в рамках государственно-го задания при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (уникальный идентификатор FEWM-2025-0004).
Библиография статьи:
Ходжиков Д. В. Обзор схемных решений высокоскоростных драйверов ВИЛ на интегральных технологиях / Д. В. Ходжиков, А. С. Коряковцев, А. А. Коколов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2026. – Т. 29, № 1. – С. 82–91. DOI: 10.21293/1818-0442-2026-29-1-82-91
Авторы и правообладатели:
- Ходжиков Д. В. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)
- Коряковцев А. С. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)
- Коколов А. А. , Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (Томск, Россия)
- 1. Internet traffic [Электронный ресурс]. – URL: https://www.itu.int/itu-d/reports/statistics/2024/11/10/ff24-internet-traffic/, свободный (дата обращения: 23.02.2026).
- 2. The 2025 Cloudflare Radar Year in Review: The rise of AI, post-quantum, and record-breaking DDoS attacks. [Электронный ресурс]. – URL: https://blog.cloudflare.com/radar-2025-year-in-review/, свободный (дата обращения: 23.02.2026).
- 3. Петров В.М. СВЧ-интегрально-оптические модуляторы. Теория и практика / В.М. Петров, А.В. Шамрай. – СПб.: Университет ИТМО, 2021. – 225 с.
- 4. Gao J. Optoelectronic integrated circuit design and device modeling. – Beijing: Higher Education Press, 2011. – 292 p.
- 5. Keiser G. Fiber Optic Communications. – Singapore: Springer, 2021. – 654 p.
- 6. Razavi B. Design of integrated circuits for optical communications. – 2nd ed. – Hoboken: Wiley, 2012. – 444 p.
- 7. Enhanced Modulation Bandwidth by Delayed Push–Pull Modulated DFB Lasers / J. Chi, X. Li, C. Niu, J. Zhao // Micromachines. – 2023. – Vol. 14. – P. 633. DOI: 10.3390/mi14030633.
- 8. Amann M.C. Long wavelength VCSELs // OFC/NFOEC Technical Digest. Optical Fiber Communication Conference. – Anaheim Convention Center, Anaheim, California: IEEE, 2005. DOI: 10.1109/OFC.2005.192970.
- 9. Temperature-Stabilized 850 nm High-Speed VCSEL With Modulation Bandwidth Over 30 GHz / Z. Qiu et al. // IEEE Photonics Technology Letters. – 2025. – Vol. 37, No. 5. – P. 1417–1420.
- 10. Directly Modulated Membrane Lasers with 108 GHz Bandwidth on a High-thermal-conductivity Silicon Carbide Substrate / S. Yamaoka, N.-P. Diamantopoulos, H. Nishi, R. Nakao, T. Fujii, K. Takeda, T. Hiraki, T. Tsurugaya, S. Kanazawa, H. Tanobe, T. Kakitsuka, T. Tsuchizawa, F. Koyama, S. Matsuo // Nature Photonics. – 2020. – Vol. 15. – P. 28–35.
- 11. Silicon-organic hybrid (SOH) modulators for intensity-modulation / H. Zwickel et al. // Optics Express. – 2017. Vol. 25. – P. 23784–23800.
- 12. 800 Gbit/s transmission over 1 km single-mode fiber using a four-channel silicon photonic transmitter / H. Zhang et al. // Photonics Research. – 2020. – Vol. 8 – P. 1776–1782.
- 13. Zhang J. Demonstration of 260-Gb/s single-lane EML-based PS-PAM-8 IM/DD for datacenter interconnects / J. Zhang, J. Yu, L. Zhao, K. Wang, J. Shi, X. Li, M. Kong, W. Zhou, X. Pan, B. Liu, X. Xin, L. Zhang, Y. Zhang // Optical Fiber Communication Conference (OFC). – San Diego, California, United States, 2019. DOI: 10.1364/OFC.2019.W4I.4.
- 14. Micrometre-scale silicon electro-optic modulator / Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, M. Lipson // Nature. – 2005. – Vol. 435. – P. 325–327.
- 15. Ahmed F. SiGe-Based Broadband Integrated Circuits and Systems for Millimeter-Wave & THz Radar Applications Dissertation – Institute for Communications Engineering and RF-Systems, Johannes Kepler University, Linz, 2018. – 224 p.
- 16. Proesel J.E. 35-Gb/s VCSEL-Based optical link using 32-nm SOI CMOS circuits / J.E. Proesel, B.G. Lee, C.W. Baks, C.L. Schow // Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC). – Anaheim, California, United States: Optica Publishing Group, 2013. – Р. 1–3. DOI: 10.1364/OFC.2013.OM2H.2.
- 17. L. Szilagyi 30 Gbit/s 1.7 pJ/bit common-cathode tunable 850-nm-VCSEL driver in 28 nm digital CMOS / L. Szilagyi, G. Belfiore, R. Henker and F. Ellinger // IEEE Optical Interconnects Conference (OI). Santa Fe, NM, USA: IEEE, 2017. – P. 51–52.
- 18. Kromer C. A 100mW 4/spl times/10Gb/s transceiver in 80nm CMOS for high-density optical interconnects / C. Kromer et al. // IEEE International Digest of Technical Papers. Solid-State Circuits Conference. – San Francisco, California, United States: IEEE, 2005. DOI: 10.1109/ISSCC.2005.1494005.
- 19. Young I.A. Optical I/O Technology for Tera-Scale Computing // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2010. – Vol. 45, No. 1. – P. 235–248.
- 20. Design of low-power fast VCSEL drivers for high-density links in 90-nm SOI CMOS / G. Sialm, C. Kromer, F. Ellinger, T. Morf, D. Erni, H. Jackel // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2006. – Vol. 54, No. 1. – P. 65–73.
- 21. Modulator driver and photoreceiver for 20 Gb/s optic-fiber links / Z. Lao, A. Thiede, U. Nowotny et al. // Journal of Lightwave Technology. – 1998. – Vol. 16, No. 8. – P. 1491–1497.
- 22. Ransijn H. A 10 Gb/s, 120/60 mA laser/modulator driver IC with dual-mode actively matched output buffer / H. Ransijn, G. Salvador, D. Daugherty, K. Gaynor // GaAs IC Symposium: IEEE Gallium Arsenide Integrated Circuits Symposium: 22nd Annual Technical Digest. – Seattle, United States: IEEE, 2000. – P. 201–204.
- 23. Berroth M. 10–20 Gbit/s GaAs/AlGaAs HEMT ICs for high speed data links / M. Berroth et al. // GaAs IC Symposium Technical Digest. – Miami Beach, Florida, United States: IEEE, 1992. – P. 291–294.
- 24. 15 Gbit/s integrated laser diode driver using 0.3 μm gate length quantum well transistors / Z.G. Wang, M. Berroth, U. Nowotny et al. // Electronics Letters. – 1992. – Vol. 28, No. 3. – P. 222–224.
- 25. Dawei Z. Design of a 10 Gb/s Laser Diode Voltage Driver in 0.18 um CMOS technology / Z. Dawei, C. Yingmei, T. Ling, Z. Li // 2012 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications. – Nanjing, China: IEEE, 2012. – P. 1–4.
- 26. Lin Y. A 10Gb/s Burst-Mode Laser Diode Driver for IEEE 802.3av 10G-EPON Applications / Y. Lin, E. Zhu, G. Gu // 2010 Second International Conference on Future Networks. – Sanya, China: IEEE, 2010. – P. 256–260.
- 27. Wenyuan L. Design of 12-channel 120Gb/s laser diode driver array in 0.18µm CMOS technology / L. Wenyuan, C. Sun, Q. Zhao, W. Xiong // 2014 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC 2014). – Hanoi, Vietnam: IEEE, 2014. – P. 27–31.
- 28. Wu T.Y. Design of a 25-Gb/s PAM-4 VCSEL Diode Driver with an Equalizer in 90-nm CMOS Technology / T.Y. Wu, J.-J. Jou, T.-T. Shih et al. // 2019 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). – Sapporo, Japan: IEEE, 2019. – P. 1–4.
- 29. Rabii S. An integrated VCSEL driver for 10Gb ethernet in 0.13/um CMOS / S. Rabii et al. // 2006 IEEE International Solid State Circuits Conference: Digest of Technical Papers. – San Francisco, USA: IEEE, 2006. – P. 930–939.
- 30. Ciubotaru A.A. An integrated direct-coupled 10-Gb/s driver for common-cathode VCSELs / A.A. Ciubotaru, J.S. Garcia // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2004. – Vol. 39, No. 3. – P. 426–433.
- 31. Sedighi, B. 40 Gb/s VCSEL Driver IC with a New Output Current and Pre-Emphasis Adjustment Method / B. Sedighi, J.C. Scheytt // IEEE/MTT-S International Microwave Symposium Digest, – Montreal, Canada: IEEE, 2012. DOI: 10.1109/MWSYM.2012.6259501.
- 32. Annen R. Low power and low noise VCSEL driver chip for 10 Gbps applications / R. Annen, S. Eitel // The 17th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society (LEOS 2004). – Rio Grande, Brazil: IEEE, 2004. – Vol. 1. – P. 312–313.
- 33. Оптоэлектронные модули [Электронный ресурс]. – URL: https://www.centervospi.ru/index.php/produktsiya/optoelektronnye-moduli/, свободный (дата обращения: 23.02.2026).
- 34. Св-во о гос. регистрации топологии микросхемы № 2018630125. Топология драйвера лазерного диода 1288мм015 / Н.М. Горшкова, Т.В. Солохина, Д.В. Скок и др. Заявка № 2018630097. Дата поступления 14 июня 2018 г. Зарегистрировано в Реестре ТИМС 6 августа 2018 г.
- 35. IEEE Standard for Jitter and Phase Noise. – IEEE Std 2414-2020, 2021. – 42 p.
- 36. IEEE Standard for Ethernet [Электронный ресурс]. – URL: https://standards.ieee.org/ieee/802.3/10422, свободный (дата обращения: 23.02.2026).
- 37. Inoue T. A 28-Gb/s VCSEL Driver with Variable Output Impedance in 65-nm CMOS / T. Inoue, A. Tsuchiya, K. Kishine, D. Ito, Y. Takahashi and M. Nakamura // 2022 IEEE 65th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). – Fukuoka, Japan: IEEE, 2022. DOI: 10.1109/MWSCAS54063.2022.9859338.
- 38. Yang J. A 50-Gb/s 1.35-pJ/b PAM-4 VCSEL Transmitter With Three-Tap Asymmetric FFE and Current-Reuse Technique in 40-nm CMOS / J. Yang et al. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. – 2025. – Vol. 73, No. 7. – P. 3855–3864.
- 39. Mahran S. 20 Gb/s Dual-Mode SST VCSEL Driver / S. Mahran, O. Liboiron-Ladouceur and G. Cowan // 2021 IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). – Lansing, MI, USA: IEEE, 2021. – P. 428–431.
- 40. Mowlavi S. A Review of IC Drivers for VCSELs in Datacom Applications / S. Mowlavi et al. // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. – 2024. – Vol. 32, No. 1. – P. 42–54.
- 41. Giuglea A. A 37-Gb/s monolithically integrated electro-optical transmitter in a silicon photonics 250-nm BiCMOS process / A. Giuglea, G. Belfiore, M.M. Khafaji, R. Henker, F. Ellinger // Journal of Lightwave Technology. – 2022. – Vol. 40, No. 7. – P. 2080–2086.
- 42. Giuglea A. A High-Speed 130-nm SiGe BiCMOS Integrated Duobinary Driver for Data Rate Capacity Enhancement in VCSEL-Based Optical Links / A. Giuglea, G. Belfiore, F. Protze, R. Henker, F. Ellinger // IEEE Access. – 2024. – Vol. 12. – P. 28343–28352.
- 43. Min Y. A 56-Gb/s, 6.3-pJ/bit PAM-4 DFB Laser Driver Incorporating Asymmetric Equalization and Integrated CDR in 28 nm CMOS / Y. Min et al. // IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems. – 2025. – Vol. 33, No. 10. – P. 2749–2760.
- 44. Hecht U. True Voltage-Mode NRZ VCSEL Transmitter enabling 60 Gbit/s at 0.37 pJ/bit in 22 nm FDSOI // ESSCIRC 2023. – IEEE 49th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC). – Lisbon, Portugal: IEEE, 2023. – P. 365–368.
- 45. Hecht U. A DAC-based Transmitter with VCSEL Bias-Current Generation enabling 180 Gbit/s PAM-8 Electrical and 100 Gbit/s PAM-4 VCSEL-based Transmission in 22nm SOI / U. Hecht, P. Scholz, P. Kurth, F. Buballa, H. Ordouei, F. Gerfers // 2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC). – Boston, MA, USA: IEEE, 2025. – P. 1–3.
- 46. Kashani M.H. A Low-Power High-BW PAM4 VCSEL Driver With Three-Tap FFE in 12-nm CMOS FinFET Process / M.H. Kashani, H. Shakiba, and A. Sheikholeslami // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2024. – Vol. 59, No. 7. – P. 1995–2004.
- 47. Kim J. A 224-Gb/s DAC-Based PAM-4 Quarter-Rate Transmitter With 8-Tap FFE in 10-nm FinFET // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2022. – Vol. 57, No. 1. – P. 6–20.
- 48. Wei H. An Eight-Lane 800-Gb/s Transceiver for PAM-4 Optical Direct-Detection Applications in 5-nm FinFET Process / H. Wei, Y. Lu, L. Zhang et al. // IEEE Journal of Solid-State Circuits. – 2025. – Vol. 60, No. 2. – P. 415–427.
- 49. Oshika J. Compact Inductor-less CMOS PAM4 VCSEL Driver for High-speed Optical Communications / J. Oshika, S. Ishida, D. Ito, M. Nakamura // 2024 21st International SoC Design Conference (ISOCC). – Sapporo, Japan: IEEE, 2024. – P. 21–22.
- 50. Mondal S. 18.2 A 4×64Gb/s NRZ 1.3pJ/b Co-Packaged and Fiber-Terminated 4-Ch VCSEL-Based Optical Transmitter / S. Mondal // 2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). – San Francisco, CA, USA: IEEE, 2024. – P. 340–342.
- 51. Luo Z. 850nm VCSEL for 112Gbps NRZ and 200Gbps PAM4 optical interconnects / Z. Luo, H. Hu, H. Wei et al. // Proceedings of SPIE. – San Francisco, California, United States, 2026. DOI: 10.1117/12.3080681.
- 52. Krishnamurthy S. A 0.9pJ/b 108Gb/s PAM-4 VCSEL-Based Direct-Drive Optical Engine / S. Krishnamurthy, S. Mondal, J. Qiu, T. Acikalin, S. Bose, S. Yamada, J. Jaussi, M. Mansuri // 2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC). – San Francisco, California, USA: IEEE, 2025. – P. 592–594.
- 53. Kanakis G. 200G VCSEL Development and Proposal of Using Near-Packaged Optics for AI Scale-Up Networks / G. Kanakis et al. // Photonics. – 2026. – Vol. 13, No. 1. – P. 90–104.
-2026-1_%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F.jpg)
Адрес редакции
Подписка на обновления
