用于光通信的光栅耦合型硅基光电探测器和放大电路的设计

摘要

如今短距离通信的带宽需求越来越高，电互连已经成为制约通信系统整体性能的瓶颈，光互连能够有效地提升传输带宽，但高昂的成本限制了其在短距离通信中的应用。光接收机是光互连的关键器件之一，但目前的光接收机多是混合集成，不仅成本高，且性能和误码率也受到影响。相比之下，单片集成光接收机不仅能够提高光接收机的性能，还能减小芯片面积和降低成本。但目前所研制的单片集成光接收机无法同时取得高速率和高灵敏度，主要原因是很难在硅基工艺上设计出高性能的探测器。因此，研究高性能、与硅基工艺兼容的光电探测器成为实现单片集成光接收机的研究重点。 针对用于单片集成的硅基光电探测器和后续放大电路，本论文展开了以下研究工作： 1．针对光通信中的可见光通信，引入金属光栅设计了与硅基工艺兼容的615nm金属-半导体-金属红光探测器。利用有限时域差分法重点分析了金属光栅的结构参数对光电探测器硅有源层吸收的影响，对光栅结构参数进行了优化，当光栅周期T=580nm、光栅高度h=91nm、狭缝宽度w=360nm时，探测器的吸收系数最大，比无光栅时的吸收性能提高了32%。在该仿真结果基础上，对金属光栅增强吸收的物理机制进行了分析，通过分析金属光栅的结构参数对吸收性能的影响，得出吸收增强是由金属光栅与半导体界面产生的表面等离子体激元和光栅狭缝间类法布里-珀罗共振共同导致的。 2．针对850nm光纤通信系统，在与硅基工艺兼容的叉指型双光电探测器的基础上引入了金属光栅。结合UMC 0.18μm工艺和仿真结果，当光栅周期T=0.76μm、光栅高度h=0.48μm时，选择光栅宽度0.24μm和0.4μm作为850nm光电探测器的最优结构参数，并绘制了相应的版图送出流片，制定了测试方案。 3．针对1550nm长波长光通信，设计了一种光栅型硅基锗金属-半导体-金属光电探测器，当光栅周期、高度和宽度分别为875nm、335nm和375nm时，锗层的归一化吸收达到最大值，与没有金属光栅时相比吸收系数增加了5.4倍。 4．在光电探测器的基础上，设计仿真了光接收机模拟前端电路，电路的整体增益为81.8dB，带宽为26.7GHz，等效输入噪声电流为18.2pA。

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第1章 绪论

1.1 光通信系统简介

1.2 硅基光电探测器的研究进展

1.3 研究内容与论文结构

第2章 光电探测器的理论

2.1 光电探测器的工作原理

2.2 光电探测器的性能指标

2.3 光电探测器的基本类型

2.4 本章小结

第3章 表面等离子体激元

3.1 表面等离子体的传播原理

3.2 表面等离子体激元的激发

3.3 有限时域差分法

3.4 本章小结

第4章 光栅型吸收增强的硅基光电探测器的设计

4.1 可见光通信中615nm吸收增强的MSM光电探测器的设计

4.1.1 基本结构和仿真环境的设置

4.1.2 光电探测器的结构优化与光学仿真

4.2 850nm吸收增强的光电探测器的设计

4.2.1 光电探测器的设计与光学仿真

4.2.2 光电探测器的版图绘制

4.2.3 光电探测器的测试方案

4.3 1550nm吸收增强的光电探测器设计

4.3.1 基本结构

4.3.2 仿真结果与分析

4.4 金属光栅提高光电探测器吸收效率的机理研究

4.5 本章小结

第5章 硅基光接收机前端放大电路设计

5.1 硅基光接收机前端放大电路概述

5.2 硅基光接收机前端放大电路设计与仿真

5.2.1 跨阻放大器设计

5.2.2 限幅放大器与输出缓冲级设计

5.2.3 硅基光接收机整体仿真

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明