大角度Y分支脊型光波导及10Gbps光接收前置放大器的设计

摘要

随着信息传输量的增加，集成电路工艺特征尺寸的减小以及电路工作频率的提高，传统的电互连方式由于其带宽、串扰、功耗以及寄生效应等方面的限制已不能满足要求。由此产生一种新型的互连方式:光互连。Y分支波导是集成光学中最常见的元器件。本文对传统结构的Y分支及S型光波导进行了仿真分析。本文使用Rsoft公司的BeamPROP光波导仿真软件，采用三维有限差分光束传输法对Y分支光波导进行仿真分析。得出如下结论:传统结构的Y分支光波导在大角度情况下损耗非常大;S型Y分支光波导可以显著增加Y分支光波导的分支角度。光接收模块主要包括光接收器件、前置放大器和主放大器。其中光电探测器和前置放大器是其关键部分，决定了整个光接收器的性能。由于PIN二极管具有的宽频带、高灵敏度、低噪声以及快响应速度的诸多优点，所以本文采用PIN-PD来实现光电转换。本文设计了一种跨阻前置放大器，采用RGC结构输入端和电感并联峰化技术展宽带宽。同时进行结构与参数的优化使得光接收机达到低噪声、高带宽以及适当增益的目的。放大电路部分采用TSMC0.18μmCMOS工艺库，使用Cadence电路仿真软件对其进行仿真分析。仿真结果符合要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 光互连的发展以及研究的重要性

1．2 光波导国内外发展前景

1．3 光接收模块简介

1．4 本文的主要工作及论文结构

第二章 光波导理论及Y分支光波导仿真方法

2．1 光波导理论

2．1．1 三层平板光波导理论

2．1．2 三维波导理论分析

2．2 光波导传输模式及损耗讨论

2．3 光波导常用的材料

2．4 数值计算方法及软件介绍

2．5 光功分器和大角度Y分支的主要结构

2．6 小结

第三章 新型大角度Y分支光波导设计仿真

3．1 SOI脊型光波导单模传输条件及参数设计

3．1．1 SOI光波导单模传输条件

3．1．2 SOI Y分支脊型光波导参数设计

3．2 传统结构脊型Y分支光波导的仿真设计

3．3 大角度Y分支波导设计

3．3．1 理论分析

3．3．2 S型Y分支波导参数设计及仿真

3．3．3 S型Y分支波导优化

3．3．4 S型Y分支与普通结构的Y分支对比

3．4 Y分支结构在光学器件中的应用

3．5 小结

第四章 光电探测器

4．1 光电探测器的选择

4．2 PIN-PD的性能参数

4．3 光电探测器模型

4．4 小结

第五章 光接收前置放大器理论分析

5．1 前置放大器的分类及选择

5．1．1 低阻放大器

5．1．2 高阻放大器

5．1．3 跨阻放大器

5．2 跨阻前置放大器输入端分类及选择

5．2．1 普通连接模式

5．2．2 电流源模式

5．2．3 RGC结构

5．3 跨阻前置放大器的噪声分析

5．4 带宽扩展的主要方法

5．4．1 电感并联峰化

5．4．2 电容峰化技术

5．4．3 RGC结构

5．4．4 三维对称变化技术

5．5 小结

第六章 光接收机前置放大器的设计及仿真

6．1 光接收机的主要性能参数

6．2 跨阻前置放大器的设计

6．3 前置放大器电路及仿真分析

6．3．1 前置放大器的总体电路

6．3．2 前置放大器的前端仿真结果

6．4 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献