近年来,随着大数据、云计算和人工智能等技术的蓬勃发展,全球数据中心的数据流量呈现出爆炸式增长。光互连技术因其高带宽、高密度和低损耗的优势,成为实现超级数据中心互连极具潜力的方案之一。光发射机作为光互连中重要的电-光转换模块,在其内扮演着重要的角色,而作为光发射机中调制光器件的驱动芯片,其性能将直接影响整个光链路的性能。本文面向数据中心400G光互连的应用需求,对MZ调制器和VCSEL激光器的高速驱动芯片进行研究,主要内容及创新性成果如下:为解决先进CMOS工艺下电路模拟性能下降和线性度不足的问题,实现高速PAM4调制,本文提出了一种基于双段MZ调制器的可重构驱动系统架构。驱动芯片的任意两个通道向臂长之比为2:1的双段MZ调制器提供两路相同摆幅的NRZ信号,通过二进制编码,在调制器的输出端合成光PAM4信号,降低其对驱动芯片线性度的要求。驱动芯片主要包含连续时间线性均衡器,两级基于电流模逻辑的限幅放大器和高摆幅分布式驱动器,在65nm CMOS工艺下完成设计和流片。测试结果显示,驱动芯片的-3dB带宽为18GHz,差分输出摆幅为4Vppd,与双段MZ调制器混合集成的光发射机,实现了 56Gb/s PAM4的光信号传输。为解决高频下趋肤效应引起的信道损耗随频率非线性变化的问题,实现高速线性驱动,本文提出一种带有低频补偿的非线性均衡技术。利用有源负反馈环路,在低频处引入零点,通过改变反馈环路的增益和环路中的零点位置,实现非线性信道损耗的动态补偿。结合电感峰化技术和负反馈技术,拓展电路带宽,提高电路线性度,实现高速线性VCSEL驱动。驱动芯片主要包含带有低频补偿的连续时间线性均衡器、可变增益放大器、基于电流模逻辑的预驱动器和共阴极输出驱动器,在0.18μm SiGe BiCMOS工艺下完成设计和流片。测试结果显示,驱动芯片最高可达42GHz的-3dB带宽和100Gb/s PAM4电信号传输,与VCSEL混合集成的光发射机,实现了 56Gb/s PAM4的光信号传输。为解决高摆幅下大尺寸晶体管寄生效应导致电路带宽下降的问题,实现高速率驱动,本文提出一种基于行波MZ调制器的高带宽分布式驱动架构。将传统的集总驱动器分割成多个尺寸更小的相同驱动单元,利用额外加入的电感与输入/输出节点寄生电容产生谐振,从而构造出延时和阻抗均匹配的人工传输线。驱动单元沿传输线均匀分布,吸收寄生电容、扩展电路带宽,实现高速高摆幅驱动。驱动芯片主要包含连续时间线性均衡器、可变增益放大器、基于电流模逻辑的线性放大器、预驱动器和线性分布式驱动器,在0.18μm SiGe BiCMOS工艺下完成设计和流片。测试结果显示,驱动芯片的-3dB带宽可达37GHz,小信号增益为26dB,差分输出摆幅为4Vppd,与行波MZ调制器混合集成的光发射机,实现了 112Gb/s PAM4的光信号传输。本文通过对基于双段行波MZ调制器、VCSEL激光器和行波MZ调制器驱动芯片的研究,为解决数据中心400G高速光互连问题提供了可行性方案。