10Gb-s單片OEIC光接收機及限幅放大器的研制.pdf

1、單片光電集成電路(OEIC：Opoelectronic Integrated Circuits)是指利用微電子和光電子的集成技術(shù)，將光電器件(如激光器和光探測器)和電學(xué)器件(如場效應(yīng)晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管)集成在同一芯片上的新型器件。通過減小器件間的互聯(lián)線最大限度地消除了寄生參量的影響，使光電器件的性能和可靠性得到了顯著的提高。具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，在大容量光纖通信系統(tǒng)、光接入網(wǎng)、微小型光電傳感器、光電傳感器陣列、光計算

2、機、光存儲、光開關(guān)、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　 隨著OEIC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用市場的需求，其未來的發(fā)展方向與大規(guī)模集成電路一樣，實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜、從少數(shù)元件到更多元件的集成，最終集光電子器件、前置放大器、主放大器以及時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路等在一起的高度集成組件。論文即是以此為目標(biāo)，圍繞單片OEIC光接收機及限幅放大器的研究工作展開的，主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新之處如下：
　　 (1)完全基于國內(nèi)的材料外延技術(shù)和PHEMT

3、(贗配高電子遷移率晶體管)工藝技術(shù)，研制出10Gb/s單片OEIC光接收機，組成形式為金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)光探測器和電流模跨阻放大器；
　　 (2)深入研究了MSM光探測器，從國外研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，單獨的探測器和電路性能都能達到很高，但是集成器件的性能卻相差甚遠(yuǎn)，其中一個非常重要的原因就是探測器的電容這一關(guān)鍵參數(shù)，制約了單片OEIC器件的整體性能；論文針對電容這一重要參數(shù)做了進一步的詳細(xì)分析，借助于器件仿真軟件ATLAS對

4、MSM探測器進行了優(yōu)化設(shè)計并實際應(yīng)用于器件的制作；
　　 (3)研究并解決了單片OEIC器件制作的關(guān)鍵工藝，包括臺面自停止工藝、電子束曝光工藝以及光探測器的制作工藝等，其中臺面自停止工藝國內(nèi)未見報道；實現(xiàn)了常規(guī)GaAs PHEMT單片微波集成電路(MMIC)工藝與MSM探測器工藝的兼容，為今后實現(xiàn)單片OEIC的標(biāo)準(zhǔn)化工藝積累了經(jīng)驗；
　　 (4)研制出應(yīng)用于單片OEIC光接收機的前置放大器，首先深入研究了PHEMT管的特

5、性，包括I-V特性、小信號S參數(shù)特性以及噪聲特性等，并給出了EEHEMT模型，這些是電路設(shè)計的基礎(chǔ)；設(shè)計并實現(xiàn)了大帶寬、低噪聲的前置放大器；其中要特別注意的是考慮了光探測器的影響，光探測器電容是制約前置放大器及整個集成芯片頻率特性的瓶頸；電流?？缱璺糯笃骺梢暂^好地解決這一問題；
　　 (5)首次采用耗盡型PHEMT設(shè)計并研制了限幅放大器，由于耗盡型HEMT自身工作特性的局限而不適合應(yīng)用于限幅放大器設(shè)計中，國外對限幅放大器的研究基

6、于增強型和耗盡型HEMT的混合工藝；限幅放大器采用差分對形式，結(jié)構(gòu)要求高度對稱，對工藝提出了較高的要求，論文在電路設(shè)計中充分考慮了工藝容差；限幅放大器的成功研制，為今后實現(xiàn)全單片OEIC光接收機打下了良好的基礎(chǔ)；
　　 (6)完成了無源器件的設(shè)計和驗證，無源器件所起的作用不僅僅是連接有源元件，電路的偏置工作點、輸入輸出阻抗的匹配以及其自身與有源元件的匹配等都要依靠無源器件來完成，它決定了電路的帶寬和中心頻率等電學(xué)特性；其中最為關(guān)