【DZS】光通訊接收電路技術(shù)深探

1、【DZS】光通訊接收電路技術(shù)深探    劉致為、袁鋒文章導(dǎo)讀:單端轉(zhuǎn)雙端隨著因特網(wǎng)的出現(xiàn)，人們不斷發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用方法，例如數(shù)據(jù)傳輸、視頻會(huì)議等。這些應(yīng)用都需要更快的傳輸速度，因此光纖通訊以其超快的帶寬與極低的傳輸損耗，一直是滿足這些需求的終極解決方案。光通訊的原理是利用光纖（fiber）來傳遞光信號，如(表一)所示是光通訊和其它不同的通訊方法比較表。由表中可明顯看出，光通訊的帶寬可達(dá)百億位（10Gbs），遠(yuǎn)大于其余各種通訊方法，而且其損耗也很低，每公劉致為、袁鋒文章導(dǎo)讀: 單端轉(zhuǎn)雙端隨著因特網(wǎng)的出現(xiàn)，人們不斷發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用方法，例如數(shù)據(jù)傳輸、視頻會(huì)議等。這些

2、應(yīng)用都需要更快的傳輸速度，因此光纖通訊以其超快的帶寬與極低的傳輸損耗，一直是滿足這些需求的終極解決方案。光通訊的原理是利用光纖（fiber）來傳遞光信號，如(表一)所示是光通訊和其它不同的通訊方法比較表。由表中可明顯看出，光通訊的帶寬可達(dá)百億位（10Gbs），遠(yuǎn)大于其余各種通訊方法，而且其損耗也很低，每公里只有0.2dB。事實(shí)上，由于光纖本身的帶寬可達(dá)500億赫茲（50GHz）以上，因此光通訊的帶寬是被電子零件的帶寬所限制住，但是隨著近年來制造工藝進(jìn)步與晶體管速度的提升，光通訊電路也變得越來越重要?，F(xiàn)在市面上的寬帶上網(wǎng)大部份都是利用ADSL（AsymmetricDigital Subscrib

3、er Line）1，它的好處是只要用現(xiàn)有的電話線路即可，但是由表一可以明顯看出，它的損耗相當(dāng)大，因此帶寬沒辦法作到很高，尤其是對于像視頻會(huì)議這種需要雙向都很快的應(yīng)用是沒有辦法的。所以，未來光纖到戶（fiber to the home；FTTH）2會(huì)成為必然的趨勢，光通訊電路勢必會(huì)成為下一代網(wǎng)絡(luò)通訊的骨干。另外，由于光通訊電路接收端是整個(gè)光通訊電路當(dāng)中最困難的部份，因此本文將針對光通訊電路接收端進(jìn)行深入的探討，并針對硅鍺技術(shù)的應(yīng)用作詳細(xì)說明與分析。(表一)各種通訊方式比較表  光通訊電路接收端架構(gòu)簡介光通訊電路接收端架構(gòu)如(圖一)所示3，光信號經(jīng)由光纖傳送，先到達(dá)光探測器（P

4、hotodetector；PD），將光信號轉(zhuǎn)換為光電流。接下來再由轉(zhuǎn)阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA）將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)限幅放大器（Limiting Amplifier；LA）將電壓信號放大到可以當(dāng)作數(shù)字信號的程度。接下來再將此信號送給時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（Clock and Data Recovery；CDR），判斷數(shù)據(jù)為0或1，并順便以數(shù)據(jù)的速度產(chǎn)生一固定頻率的方波信號，讓后級的數(shù)字電路可以使用這個(gè)轉(zhuǎn)換出來的信號。(圖一)光通訊接收端電路區(qū)塊圖在這些電路區(qū)塊中，每個(gè)部份都有其特定的功能和要求，以下將一一說明。首先，在光探測器部份是將光信號轉(zhuǎn)換為光電

5、流，故其主要規(guī)格在于光電轉(zhuǎn)換的光反應(yīng)度（Responsivity）和光探測器本身的反應(yīng)速度。一般說來，其光反應(yīng)度必須在0.7A/W以上，也就是說若有10W的光輸入，要有7A的光電流輸出。如果光反應(yīng)度太低，會(huì)限制了光纖傳輸?shù)木嚯x。另外，反應(yīng)速度必須達(dá)到系統(tǒng)的要求，例如在OC192規(guī)格中，就要求百億赫茲（10GHz）的速度。轉(zhuǎn)阻放大器的功能在將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，故其小信號轉(zhuǎn)阻增益和帶寬是必然的規(guī)格。另外，由于轉(zhuǎn)阻放大器位于光通訊電路接收端的最前級，類似RF電路的低噪聲放大器（LNA），轉(zhuǎn)阻放大器也必須有低的噪聲比才能將整個(gè)系統(tǒng)的噪聲降低。有些應(yīng)用還要求轉(zhuǎn)阻放大器要有很大的動(dòng)態(tài)范圍（dynami

6、c range）4，通常是如果輸入光電流信號太大的話，轉(zhuǎn)阻放大器必須有一機(jī)制讓過大的光電流宣泄，否則會(huì)使轉(zhuǎn)阻放大器沒辦法操作在其應(yīng)有的操作點(diǎn)。一般的作法是會(huì)在轉(zhuǎn)阻放大器中增加自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control；AGC）的功能。另外，由于轉(zhuǎn)阻放大器尚須有低噪聲的功能，因此到這里的輸出電壓信號還很小，限幅放大器的作用在把小電壓信號再放大，以達(dá)到數(shù)字電路所需求的大信號輸出。因此限幅放大器的主要規(guī)格有帶寬和靈敏度（sensitivity），靈敏度是指該限幅放大器所能接受的最小輸入，其值一般為5mV左右，表示轉(zhuǎn)阻放大器的輸出電壓振幅要超過5mV，限幅放大器才能正常動(dòng)作。靈敏度越小

7、，則表示在設(shè)計(jì)上，轉(zhuǎn)阻放大器的轉(zhuǎn)阻增益可以小一些。最后一級電路是CDR，這個(gè)區(qū)塊已經(jīng)完全是數(shù)字電路。因?yàn)閭鬏斶^程中一定會(huì)有一些小的噪聲混入信號中，所以通常輸入信號到這里的噪聲會(huì)比較大，CDR電路可以將這些噪聲再縮小，并抓出數(shù)據(jù)的頻率。例如雖然是在OC192規(guī)格下傳送，但是數(shù)據(jù)速度不一定剛好是準(zhǔn)確的10GHz，有可能是9.9GHz或10.2GHz等等。如果用不對的頻率去取數(shù)據(jù)會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果，因此CDR電路利用鎖相回路（Phase Lock Loop；PLL）的技巧來鎖定數(shù)據(jù)的速度，并一起提供給后級電路使用。在CDR之后就是大家所熟知的數(shù)字信號了，通常經(jīng)由解調(diào)器（demultiplexer；de

8、mux）就可以將帶寬分配給各個(gè)使用者。  硅鍺光探測器一般光通訊電路接收端的最前級為一光探測器（photodetector），其將光纖傳來的光信號轉(zhuǎn)換為光電流以供后級電路使用。受限于硅的截止波長（cutoffwavelength）為1.1m，對于光通訊常用的波長（850nm、1.3m與1.5m）都無法作有效的吸收。是故光探測器一直都是以三五族半導(dǎo)體材料來完成5-7，但是如此一來就沒辦法達(dá)到工藝整合與SoC（System on Chip）的目的了。由最近的研究顯示8,9，硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管（SiGe Heterojunction phototransistor；HPT）在

9、850nm有作為光探測器的能力，因此在本文中介紹硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管的制作與測量特性，如此一來可以大幅減少制造成本并達(dá)到制程整合與SoC的目標(biāo)。硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管的結(jié)構(gòu)圖如(圖二)所示，其為四端組件，包括發(fā)射極（Emitter；E）、基極（Base；B）、集電極（Collector；C）和基板（Substrate；S），在不照光的時(shí)候就是一般的異質(zhì)接面晶體管（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）。在基極與集極之間加入量子阱結(jié)構(gòu)（multiple quantum wells；MQW）以增加組件的吸光能力，該量子阱為5nm的50鍺摻雜層與25nm硅的串

10、迭。另外，基極為30nm的硅、30nm的015的鍺摻雜漸增層（SiGe graded layer）和30nm的15鍺摻雜層?；鶚O的空穴摻雜為5×1018cm-3，而漏極的電子摻雜為1017cm-3。射極面積（emitter area）為6m2。 (圖二)硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管剖面圖SiGe HPT照光后，載子在B-C間產(chǎn)生，經(jīng)由HBT原本的放大功能，可以將光電流放大，因而達(dá)到更高的光感應(yīng)度（responsivity）。其照850nm的激光后的Gummel圖如(圖三)所示，其未照光之基極電流（base current）在VBE>0.5V皆為理想的1kT電流，表示組件的缺

11、陷（defect）很少。在光電流部份，可以看出基極電流在約VBE0.85V時(shí)變號，這是由于光電流是由集極流至基極，因此光電流與集極電流（collector current）同向，但與基極電流反向。另外，以基極開路（base open）的模式來照850nm激光，在VCE1.5V的偏壓下，光電流可以達(dá)到9.1mA，即1.47A/W的光感應(yīng)度，且其暗電流仍維持在非常低的水平（3nA）。由圖中也可看出，其偏壓范圍很大，對于電路的應(yīng)用是非常適合的。光電流在B-C間產(chǎn)生后，經(jīng)由HBT的電路放大，但其增益通常會(huì)比原本的要小一些，這是因?yàn)楣夂碗姺磻?yīng)不同的緣故，但是經(jīng)過這樣的放大，通常都可以達(dá)到非常大的光感應(yīng)度

12、。 (圖三)850nm激光反應(yīng)的Gummel圖另一方面，組件的反應(yīng)時(shí)間（response time）也是一項(xiàng)非常重要的參數(shù)。SiGe HPT的原理如圖二所示，載子在B-C間形成，電子流到集極，而空穴流到基極。但是在操作時(shí)，基極為開路，因此基極的空穴須要經(jīng)B-E接口到達(dá)射極，這一路是最慢的，限制了組件的操作速度。近來有人提出以基板與射極短路的方式來增加硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管的速度10，可以作為未來研究的方向。因此，經(jīng)由Impulse Response的測量，可以得到SiGe HPT的上升時(shí)間（rise time）為38ps，半高寬時(shí)間（full width half magnitude

13、；FWHM）為208ps。將Impulse Response的結(jié)果經(jīng)由快速傅利葉轉(zhuǎn)換（Fast Fourier Transform；FFT）11可以得到SiGe HPT的帶寬為1.25GHz。總之，硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管有很大的光反應(yīng)度，對于電路應(yīng)用而言，在0.7A/W即可，因此硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管作為850nm的光探測器可謂游刃有余。但其缺點(diǎn)在于反應(yīng)速度仍然不夠快，未來希望能將光反應(yīng)度調(diào)低，進(jìn)而增加其反應(yīng)速度，以達(dá)到制程整合的目的。  硅鍺轉(zhuǎn)阻放大器緊接著光探測器之后是轉(zhuǎn)阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA），其作用在于將光探測器受光所產(chǎn)生

14、之光電流，轉(zhuǎn)換為一般電路常用的電壓信號。使用硅鍺制程的目的在于它可以和現(xiàn)有的硅制程整合在同一個(gè)芯片上，尤其是將光探測器和轉(zhuǎn)阻放大器皆以硅鍺制程完成，將可與后面的電路進(jìn)行系統(tǒng)整合，達(dá)到SoC（System on Chip）的目標(biāo)。(圖四)硅鍺轉(zhuǎn)阻放大器如(圖四)所示為利用臺(tái)積電SiGe 0.35m工藝所制作的硅鍺轉(zhuǎn)阻放大器，它采用共射極和共基極串迭（common emitter and common base cascode）架構(gòu)，加上負(fù)反饋（negative feedback）電路。最后有一輸出級（output buffer）可將電壓信號由單端轉(zhuǎn)雙端且輸出阻抗為50奧姆。共射極和共基極串迭的架

15、構(gòu)可以降低共射極電路的米勒效應(yīng)（Miller effect）以加大帶寬，加上負(fù)反饋電路也有同樣的效果，不過后者也會(huì)使小信號增益下降，因此必須將電路取在一適當(dāng)值。在選用組件方面，較大的組件可使電流加大，gm增加，Rc可以較小，如此可以減小一些noise的產(chǎn)生。但是組件大，內(nèi)部寄生電容也大，故最后選擇使用一面積適中的組件。在反饋電阻RF值的選擇上，其值越小，帶寬越大，但增益也越小，故最后也取在一適當(dāng)值。Input端的電容Cs為前級光探測器的電容，其值約0.1pF。但是若考慮實(shí)際layout中，PAD的寄生電容值大約是0.15pF，故以此值來仿真電路。output buffer可將電壓信號由單端轉(zhuǎn)雙端，這是因?yàn)橥ǔ＾D(zhuǎn)阻放大器（TIA）的后級為限幅放大器（LA）再到數(shù)字電路，故將信號轉(zhuǎn)成雙端可以增加電路往后的適用性。輸出阻抗為50奧姆也是為了要和后級電路配合，因?yàn)樵跊]有約定的狀況下，50奧姆接口是讓傳輸損耗最低的選擇，一般皆以50奧姆接口為基礎(chǔ)，但是如此一來，小信號轉(zhuǎn)阻增益會(huì)變?yōu)樵瓉碇话耄虼酥笏鶞y量到的小信號轉(zhuǎn)阻增益必須要乘以2才是原本的轉(zhuǎn)阻增益值。(圖五)為眼圖（eyediagram）的測量結(jié)果，其測量方法是制作一塊PCB板，將轉(zhuǎn)阻放