单路与多路CMOS工艺单片光电集成接收机研究与制作

摘要

随着数据传输量的不断增大，传统的电互连已经不能满足要求。目前在信息传输方面，呈现出光互连与电互连共存的局面，并且由于光互连的优越性，在不久的将来光互连有可能全面取代电互连。在光互连系统中，高速高灵敏度的光接收机设计是一个关键点。传统的光接收机中，光电探测器以及高速模拟电路模块的设计制造大部分采用非CMOS技术，虽然能够获得较为优越的性能，但是工艺不成熟，制作成本高，设计和加工周期长。CMOS超大规模集成电路以及工艺技术的发展，推动了光互连CMOS高速光电探测器和前置放大电路的发展，使得有可能将光接收机中的光电探测器与接收机前置模拟放大电路部分集成到同一块芯片上，这样在光电探测器与前置模拟放大电路之间就可以直接通过CMOS工艺中的金属层来进行连接，从而可以最大限度的消除封装和模块间互连所产生的寄生效应以及外界环境的电磁干扰和噪声，降低了光接收机制作的工艺复杂度，制作成本较低。并且，随着CMOS工艺技术的不断成熟，特征尺寸不断减小，接收机各个模块的速度能够很快的提高，具有广阔的发展前景。 本文围绕高速高灵敏度光接收机中的光电探测器和前置放大电路展开研究，首先讨论了光接收机的基本结构、性能参数，分别分析了光电探测器和前置放大电路的原理、性能、结构，阐述了在光接收机设计过程中各部分所面临的问题和各个性能参数之间必要的折中。分别对光电探测器以及前端放大电路进行了模拟。在此基础上，设计了单路OEIC接收机和12路OEIC接收机并流片测试，具体包括： 1.设计了多种与标准CMOS工艺兼容的硅基光电探测器结构，通过软件进行仿真得出其性能参数，分别采用无锡上华0.6μm CMOS工艺和台积电0.18μm CMOS工艺进行了单独的流片，并进行了测试。 2.设计了光接收机前置放大电路。在TIA电路中，带宽的提高和噪声性能的提高几乎是矛盾的，因此需要在二者之间进行适当的折衷。我们提出了光接收机灵敏度的具体分析方法，并通过仿真确定电路参数与接收机灵敏度的关系；同时结合CMOS集成电路工艺的发展，提出了新型的在TIA中进行前均衡频率补偿的方法，来提高其带宽。 3.针对VSR4-1.0协议的要求，进行了12路并行光接收机的研究。在研制过程中，并行光接收机与单路光接收机的一个重要不同点就是在通道之间存在串扰。我们尝试了抑制串扰通常所采用的隔离方法，同时寻找到一种新型的通过电路设计分析来减小通道间串扰的新方法。 4.在上述模拟仿真和分析的基础上，设计了光接收机各部分和整体的版图，并且进行了流片和测试，测试结果证实了仿真中的想法。 5.进行了12路光接收机模块的制作。 本论文的研究成果在于将光接收机中的光电探测器和前置放大电路集成到同一块衬底上，实现了高速高灵敏度的单路和12路并行光接收机，为单片集成CMOS光接收机的实用化打下了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景介绍

1.1.1光互连简述

1.1.2硅基光电子技术

1.1.3多路并行传输技术

1.2 VSR(Very Short Reach甚短距离传输)简介

1.3国内外光接收机技术发展现状

1.3.1概述

1.3.2硅基光电集成接收机研究情况

1.4本论文的研究工作

第二章光接收机相关理论

2.1光接收机的设计指标

2.1.1光电探测器性能指标

2.1.2接收机前置放大器性能指标

2.1.3光接收机总体性能指标

2.2光电探测原理

2.2.1直接带隙跃迁与吸收系数

2.2.2间接带隙跃迁与吸收系数

2.3光接收机中的噪声及其分析过程

2.3.1噪声概述

2.3.2集成电路中的噪声

第三章光电探测器设计

3.1非标准集成电路工艺的光电探测器概述

3.1.1 PIN型光电探测器

3.1.2高速单向载流子传输光电探测器

3.2基于标准集成电路CMOS工艺的硅基光电探测器

3.2.1 PN型光电探测器

3.2.2双光电探测器(DPD)

3.2.3叉指结构双光电探测器

3.3基于标准CMOS工艺的几种新型光电探测器结构

3.3.1具有深n阱和浅沟槽隔离的光电探测器

3.3.2具有电感补偿的光电探测器

第四章光接收机前置放大电路设计

4.1光接收机前置放大电路的分类

4.1.1低阻前置放大器

4.1.2高阻前置放大器

4.1.3跨阻前置放大器

4.2跨阻前置放大器(TIA)电路设计

4.2.1基本的跨阻前置放大器设计

4.2.2采用有源电感补偿的跨阻前置放大器

4.2.3 RGC型TIA前置放大器电路设计

4.3光接收机前端设计中一些常用的提高带宽的方法

4.3.1电感峰化技术

4.3.2多谐振峰交错技术

4.3.3高次阶梯网络峰化技术

4.3.4零极点对消技术

4.4新型的采用前均衡频率补偿光接收机前置放大电路模拟仿真

4.4.1集成高通滤波器前均衡器的跨阻前置放大器

4.4.2集成并联谐振回路前均衡器的跨阻前置放大器

4.4.3集成三次阶梯网络前均衡器的跨阻前置放大器

第五章十二路光电集成接收机及版图设计

5.1十二路光电集成接收机概述

5.2多路集成中的串扰问题

5.3通过隔离的方法来抑制通道间串扰

5.3.1 P+隔离保护环

5.3.2同时采用P+隔离保护环和N阱隔离保护

5.3.3同时采用P+隔离保护环、N阱隔离保护以及深N阱保护

5.4从电路设计的角度来抑制通道间串扰

5.5多路单片光电集成接收机版图

5.5.1版图设计概述

5.5.2 12路光电集成接收机版图的绘制

5.5.3新型采用三次阶梯网络前均衡的光接收机版图绘制

第六章光接收机模块制作

6.1光接收机模块简介

6.2光接收机模块的光耦合

6.2.1光接收机耦合方式概述

6.2.2并行光接收机模块制作过程中的无源耦合

6.2.3并行光接收机模块制作过程中的有源耦合

6.3 12路并行光接收机模块的制作

6.3.1列阵尾纤的制作

6.3.2高速PCB电路板的设计与制作

6.3.3并行光接收机模块的封装

第七章实验结果及分析

7.1测试概述

7.1.1时域特性测试

7.1.2频域特性测试

7.1.3眼图测试与分析

7.2光电集成接收机测试流程

7.3光电探测器测试结果

7.3.1叉指型双光电探测器(DPD)测试结果

7.3.2采用TSMC 0.18um工艺光电探测器的测试

7.4单路光接收机实验结果

7.4.1单路光电集成接收机的频域、时域响应测试

7.4.2单路光电集成接收机的眼图测试

7.5十二路光电集成接收机芯片实验结果

7.6十二路光电集成接收机模块实验结果

7.7测试小结

第八章总结与展望

8.1总结

8.2论文中的不足以及进一步的研究展望

参考文献

附录

发表论文和科研情况说明

致 谢