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全差分光电集成接收机的研究与标准CMOS工艺实现

余长亮  
【摘要】: 为推进光纤到户的商业化以满足人们对生活舒适和便利的追求,学者们近年来基于标准CMOS技术开展了大量单片光电集成接收机的研究,其优点是成本低廉,并克服了现行光接收机的混合集成缺点。但由于硅材料和标准CMOS技术的限制,至今尚未见性能达到实用要求的标准CMOS光电集成接收机的报道。 对于高速率、高灵敏度标准CMOS光电集成接收机,除标准CMOS高速光电探测器的低响应度外,光接收机的结构也是限制其性能的一个重要因素。本论文对现行光接收机结构的深入研究和分析发现:现行光接收机的非全差分缺限在很大程度上限制了光接收机的灵敏度和带宽。因此,本论文提出了一种全差分光接收机,其优点是可使现行差分光接收机的灵敏度倍增和带宽明显提高。为实现该全差分光接收机的单片标准CMOS集成,本论文开展了以下研究工作: 1、提出了一种将入射光信号转换成全差分电信号的全差分光电探测器,并设计了一类PN结型全差分光电探测器和一类肖特基型全差分光电探测器。 2、采用Chartered 0.35μm双栅工艺、0.35μm EEPROM工艺和0.18μm RFCMOS工艺分别设计和制造了三种PN结型标准CMOS全差分光电探测器以及三种相应的、集成PN结型全差分光电探测器的标准CMOS全差分光电集成接收机。测试结果表明:在850 nm工作波长和231–1位PRBS输入信号下,此类光接收机的最高数据率达到了2.2 Gbit/s、灵敏度达到了–12.2 dBm。 3、采用Chartered 0.35μm EEPROM工艺设计和制造了两种用于构造肖特基型全差分光电探测器的标准CMOS MSM光电探测器以及一种集成肖特基型全差分光电探测器的标准CMOS全差分光电集成接收机。测试结果表明:对于850 nm的光信号,所研制的Metal1/NWELL型MSM光电探测器的本征带宽达到了919 MHz,响应度达到了0.21 A/W;所研制的光接收机的带宽达到了1 GHz。 此外,本论文还在上述标准CMOS光电集成接收机的工作基础上研制了一种与标准CMOS工艺完全兼容、测试速度达100 KHz的单片片上光互连系统。 与最新报道的标准CMOS差分光电集成接收机相比,在1 Gbit/s以上的工作速率下,本论文所研制的标准CMOS全差分光电集成接收机的灵敏度要比前者高4.2 dBm,其性能已比较接近实用要求。本论文的研究成果为低成本短距离光通信以及光互连的单片集成实现提供了值得进一步深入研究的动力和方向。


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