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片间光互连电路与光波导的设计及仿真

张斌  
【摘要】:随着集成电路制作工艺的发展,电互连技术的不足之处已开始显现。相比传统的电互连,光互连技术具有容量大、抗干扰性强、节能等诸多优点,因而将成为集成电路最具有发展潜力的方向之一。光信号代替电信号作为载体来传播信号,有效地增大了系统的传输速率,避免了传统导线所引起的串扰问题。使用多芯片组件(MCM)的光互连系统还能够有效地降低外部环境所带来的电磁干扰。光互连顺应时代的需求,势必会取代电互连。光互连系统由光搭载信号,将光发射机、光波导及光接收机结合成为一个有机整体,实现各功能模块间的信号传递。在光互连发射机模块中,光源器件及其驱动电路是本文研究重点。一般的半导体发光器件主要有发光二极管(LED)和激光二极管(LD),还有一些新型的特种激光器,如垂直腔表面激光发射器(VCSEL)等。这些光源器件的发光机制互不相同,各具特点。驱动电路受输入电信号激励,进而可以驱动光源器件发出相应的光信号。光波导是光收发模块间重要的连接纽带。设计合适的波导将对光互连系统性能有着极为重要的影响。本文最后通过对基本的平板光波导、矩形光波导和脊型光波导的理论分析,运用BeamPROP软件设计了基于SiO2材料的矩形与脊型光波导以及1×2与1×4型Y分支功率分配器,并对这些波导进行了仿真分析。在基于MCM光接收机模块中,光探测器以及前置放大器与主放大器是本文研究重点。光探测器按照其工作原理的不同可分为光电二极管(PD)、PIN光电二极管以及光电晶体管等若干种。本文通过大量理论分析,最终选取了可调节共源共栅(RGC)型跨阻放大器(TIA)来设计前置放大器。主放大器的功能是将信号二次放大,主放大器按照结构可以分为两种:一种是限幅放大器(LA);另一种是自动增益控制放大器(AGC)。本文所涉及到的激光驱动电路、前置放大器与主放大器等电路,均采用TSMC0.18um的CMOS工艺。运用Cadence等相关软件仿真分析,最终得到前置放大器和主放大单元的增益与带宽及其输出眼图。


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