塑料光纖通信的光電集成收發(fā)芯片及系統(tǒng)研究.pdf

1、塑料光纖(POF)由于纖芯大、連接方便、成本低、可以提供充足的帶寬，成為寬帶接入網(wǎng)中替代銅纜的最理想的傳輸介質(zhì)，成功解決了光纖入戶(FTTH)中的接入難題。為實(shí)現(xiàn)FTTH的低成本和高速率，大芯徑(1mm) POF實(shí)現(xiàn)百兆速率的POF通信系統(tǒng)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
　　650nm光纖收發(fā)芯片是POF通信系統(tǒng)的核心芯片，其成本居高不下，且光發(fā)射芯片都是分立器件。分立器件容易引入較多的互連線和較大的寄生電容、電感，從而降低速率、增大噪聲、增

2、加封裝復(fù)雜度?；诖耍疚奶岢霾捎玫统杀镜臉?biāo)準(zhǔn)硅基集成電路(IC)工藝自主研發(fā)650nm光收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)光電器件和集成電路在硅基上光電的集成，并用此收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)百兆塑料光纖系統(tǒng)的650nm光通信。
　　本文主要研究工作和成果包括以下三方面:
　　光發(fā)射芯片:
　　1、為實(shí)現(xiàn)光發(fā)射驅(qū)動(dòng)集成電路和光源的協(xié)同設(shè)計(jì)，本文從光源的速率方程出發(fā)，推導(dǎo)出了多量子阱結(jié)構(gòu)的諧振腔發(fā)光二極管(RCLED)和垂直腔發(fā)射激光器(VCSEL)的

3、等效電路模型，對(duì)其V-I特性、瞬態(tài)和AC特性進(jìn)行了仿真。
　　2、采用華潤(rùn)上華科技有限公司(CSMC)0.25μmBCD硅基集成電路工藝制備了混合集成和外接光源的光發(fā)射芯片。結(jié)果表明:外接光源的芯片的瞬態(tài)噪聲比較大，信號(hào)頻率約50MHz;集成光源的芯片的瞬態(tài)圖形比較好，噪聲比較小，頻率可達(dá)90MHz。
　　3、采用成本更低的CSMC0.5μm CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了混合集成的光發(fā)射芯片。光源分別采用了RCLED和VCSEL。集

4、成VCSEL芯片的發(fā)光功率達(dá)2mW; RCLED光源的出光功率幾十微瓦。瞬態(tài)測(cè)試信號(hào)頻率可達(dá)115MHz。
　　單片光電集成的光接收芯片:
　　1、應(yīng)用Silvoca軟件構(gòu)建了與0.25μmBCD工藝兼容的適合650nm波長(zhǎng)的叉指PIN(P+/N-EPI/BN+)光電探測(cè)器(PD)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用CSMC0.25μm BCD工藝制備了200×200μm2的該P(yáng)D，在650nm入射光下，2.5V反向偏壓時(shí)，叉指PIN

5、-PD的響應(yīng)度為0.261A/W、暗電流約為7pA、結(jié)電容為4.5pF。
　　2、為了實(shí)現(xiàn)單片集成的光接收芯片的EDA協(xié)同設(shè)計(jì)，本文從速率方程出發(fā)，推導(dǎo)了P+/N-EPI/BN+光電探測(cè)器完整的Spice等效電路模型。該模型中包含散彈噪聲、暗電流、熱噪聲、寄生電容和電阻模型，精確模擬了PD的性能。
　　3、采用CSMC0.25μm BCD工藝對(duì)制備了200×200μm2的叉指結(jié)構(gòu)PIN-PD的單片集成的光接收芯片，測(cè)試結(jié)果表

6、明，該單片集成的光接收芯片在155Mbps速率及誤碼率小于10-9下，靈敏度為-15.2dBm。
　　4、提出采用雙PD、全差分電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)改進(jìn)單片集成的光接收芯片的性能。在155Mbps速率及誤碼率小于10-9下，該全差分OEIC芯片的靈敏度可達(dá)-17.6dBm;眼圖較清晰，上升/下降時(shí)間約為800ps;帶寬約為180MHz。
　　POF通信系統(tǒng):
　　除了設(shè)計(jì)光收發(fā)芯片中用到的參考電壓和電流源電路之外，本文還應(yīng)用軟

7、件TracePro對(duì)POF通信系統(tǒng)進(jìn)行了光路仿真。通過(guò)加入球透鏡提高光功率進(jìn)入光纖的耦合效率以及光到達(dá)接收芯片的光功率耦合效率。測(cè)試結(jié)果表明，加入直徑為1.5mm的球透鏡的系統(tǒng)光功率得到了提高，光源RCLED的光功率提高了大約5.5μW，并獲得輸入速率為125Mbps的眼圖。
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1、采用了標(biāo)準(zhǔn)CMOS、BCD工藝和鍵合技術(shù)，成功研制了可以和不同光源(RCLED和VCSEL)進(jìn)行片內(nèi)混合集成的光發(fā)射驅(qū)

8、動(dòng)集成電路，將光發(fā)射驅(qū)動(dòng)集成電路和光源芯片集成到一個(gè)芯片上，降低了系統(tǒng)元件體積，簡(jiǎn)化了組裝過(guò)程，大大降低了成本。
　　2、從速率方程出發(fā)，首次建立了650nm光源RCLED和670nm光源VCSEL的等效電路模型，使集成電路仿真軟件SPICE可以對(duì)光源的光電特性進(jìn)行仿真，完成了和驅(qū)動(dòng)電路的協(xié)同設(shè)計(jì)，這是完成混合集成的光發(fā)射芯片研制的關(guān)鍵。
　　3、采用Silvoca軟件構(gòu)建了基于BCD工藝的PD結(jié)構(gòu)，并仿真了其特性參數(shù)，得到