（微电子学与固体电子学专业论文）化合物光电集成接收机的研究与设计.pdf

摘要 随着光纤通信技术的迅速发展，带宽需求不断增大，光纤通信正向以智能化、 集成化、低成本和高可靠性的新一代光通信网络演进。单片光电集成( o e i c ) 是实现新一代光通信的根本出路，因为它减小了混合集成中的干扰与噪声、体积 小、成品率高、可靠性好、成本低，还能实现各种丰富的电路功能。因此，光通 讯中的光电集成接收机成为光通讯领域的研究重点。 本文为了实现光电集成接收机的低成本又高质量的光纤入户需求，在标准的 g a i n p g a a s 册t 工艺上制作了能够兼容的p i n 型和肖特基势垒( m s m ) 型探测 器；在i n g a a sp h e m t 工艺上制作了兼容的m s m 型探测器。 同时，本文用采用无生产线集成电路设计方式，研究设计了1 0 种不同结构 的化合物光电集成接收机： 在h b t 工艺的光电集成接收机方面，设计了五种不同的跨阻前置放大器， 与不同的探测器组合，比较了它们各种的特点。单端输入的接收机接p i n 型探 测器时其增益约为6 3 d b ，3 d b 带宽约为7 2 8 g h z ，等效输入噪声电流约为5 0 0 n a ； 接m s m 型探测器时，其增益约为6 6 d b ，3 d b 带宽约为7 g h z ，等效输入噪声 电流约为5 0 0 n a ；接p i n 差分探测器时，其增益约为5 0 d b ，3 d b 带宽约为4 3 g h z ， 等效输入噪声电流约为1 0 0 0 n a ；接m s m 差分探测器时，其增益约为5 2 d b ，3 d b 带宽约为5 4 g h z ，等效输入噪声电流约为7 0 0 n a 。 在p h e m t 工艺的光电集成接收机方面，根据m s m 型探测器，设计了五种 不同的跨阻放大器，比较了他们的特点。单端输入的接收机实现了增益为7 7 d b ， 3 d b 带宽约为6 g h z ，等效输入噪声电流约为6 0 0 n a 。差分接收机都能达到理想 的性能，集成了差分光电探测器的全差分接收机增益为7 4 d b ，3 d b 带宽约为 6 g h z ，等效输入噪声电流约为6 0 0 n a 。 本论文的研究成果为光纤通信中的化合物接收模块设计，尤其是光电探测器 和接收机电路的分析与模拟均有很好的指导意义和参考价值。 关键词：光电集成接收机h b t 光接收机p h e m t 光接收机光电探测器 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h ed e m a n d s f o rw i d eb a n d w i d t ha 他i n c r c a s i n g f b e rc o m m u n i c a t i o nw i l le v o l v et 0t h en e w g e n e r a t i o n n e t w o r kw i t h i n t e l l i g e n t ，i n t e g r a t e d ，l o w c o s ta n d h i g h r e l i a b i l i t o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ( o e l c ) i sag o o dw a yt oa c h i e v eh i g hs p e e da n d l a 唱ev o l u m e si no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，b e c a u s ei t n o to n l yr c d u c e st h ec o s to f 佗c e i v e rg r e a t l y b u ta i s oe i i m i n a t e st h ep a r a s i t i ce l e m e n t sc a u s e db yi n t e r l n k a g es u c h 於h y b r i d - n e g r a t e dp h o t 0 门e c e i v e r t _ h i st e c h n o l o g ya l s 0h 筋a d v a n t a g e so fr e d u c i n g c h i pa r e a ，a c h i e v i n gh i g h e ry i e l da n dh i g h e rr e l i a b i l i t y i no r d e rt 0a c h i e v et h ed e m a n do fl o w c 0 s t ，h i g h - q u a i i t yn b e rt 0t h eh o m e ( f t t h ) ， p i n 狮dm e t a l - s e m i c o n d u c t o r - m e t a l ( m s m ) p h o t o d e t e c t o rc o m p a t i b l ew i t hs t 粕d a r d h b t p r o c e s sw e r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，锄dm s mp h o t o d e t e c t o rc o m p a t i b l e w i t hs t a n d a r dp h e m t p i 0 c e s sw e r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d i na d d i t i o n ，10o e i co fd i 仃e r e n ts t l l j c t u r c 撒d e s i g n e db yt h ew a yo ff a b l e s si c d e s i g n b a s e d0 nh b t t e c h n o l o g y f i v et y p e so fp r e a m p l i 6 e 稻a r ed e s i g n e df o rp i n 锄d m s m p h o t o d e t e c t o r t h es i n g l e - e n d e di n p u tr e c e i v c r ss i m u l a t i o nr c s u h ss h o wt h a ta i e c e i v e rw i t hp i np h o t o d e t e c t o rh a sa7 2 8 g h z - 3 d bb a n d w i d t ha n dan o i s eo f 5 0 0 i a 柚dar e c e i v e rw i t hm s mp h o t o d 吼e c t o rh 嬲a7 g h z 一3 d bb a n d w i d t ha n dan o i s eo f 5 0 0 n a t h e 如l l yd i 保：r e n t i a lr e c e i v e r ss i m u l a t i o n 陀s u l t ss h o wt h a tar c c e i v e rw i t h p i np h o t o d e t e c t o rh 舔a4 3 g h z 3 d bb a n d w i d t h 锄dan o i s eo fl0 0 0 n a ，a n da 佗c e i v e rw i t hm s mp h o t o d c t e 咖rh 硒a5 4 g h z - 3 d bb a n d w i d t h 鲫dan o i s eo f 7 0 0 n a b 嬲e do np h e m tt e c h n o l o 鼢n v et y p e so f p r e a m p l i n e r sa 他d e s i g n e df o rm s m p h o t o d e t e c t o r t h es i n g i e - e n d e di n p u t 代c e i v e r ss i m u l a t i o n他s u h ss h o wt h a ta 陀c e i v e r h a sa6 g h z - 3 d bb a n d w i d t h 锄dan o i s eo f6 0 0 n a t h e 凡i i yd i 毹r e n t i a l 陀c e i v e r ss i m u i a t i o n 陀s u l t ss h o wt h a tar c c e i v e rh a sa7 g h z 3 d bb a n c l w i d t h 锄da n o i s eo f5 0 0 n ai sa c h i e v e d t h ea c h i e v m e n to ft h ep a p e ri st h a ti t p r l 0 v i d e ss o m eg u i d e sa n dr e f e r e n c e so n d e s i g no fc o m p o u n do p t o e l e c t r o n i ci n t e g m t e d 他c e i v e r ，e s p e c i a l l yo na n a l y s i sa n d s i m u i a t i o no fp h o t o d e t e c t o r s 鲫dr e c e i v e rc i i c u i t k e yw o r d s ：o e i ch b t o p t i c a ir e c e i v e r p h e m t o p t i c a lr e c e i v e r p h o t o d e t e c t o r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通讯与光电集成简介 随着互联网的普及，微处理器的性能提高，海量存储设备的出现，大量的信 息和数据交换需要一个高速的通讯系统。增加载波频率和频带宽度进而提高通信 系统的容量成为必然选择。电信号在导线上传输时，导体自身的阻抗及寄生电容 会随着频率增加而使电信号迅速衰减。双绞线在1 0 0 m h z 的传输速率时的损耗为 2 0 0 d b l ( m ，同轴线在l g h z 的传输速率时的损耗为5 0 0 d b l ( m 。因此电缆只适合 于短距离和低频下使用，而无法满足高速长距离通信的需求【l 】。相比之下，光纤 作为传输介质与以往的电气通信相比，有许多独特的优点：( 1 ) 损耗小，传输距离 长且误码率很好；( 2 ) 频带宽，容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频 率高出8 - 9 个数量级，故所开发的容量很大；( 3 ) 防干扰性能好。光纤不受强电干 扰，电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好；( 4 ) 几乎 无漏信号和串音，安全可靠，保密性强；( 5 ) 衰减小。光纤每公里衰减比目前容 量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上；( 6 ) 光纤体积小、重 量轻、可绕性强，有利于施工和运输；( 7 ) 抗腐蚀、抗酸碱；( 8 ) 资源丰富，可省 大量有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是 非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。从长距离骨干网通信、短 距离机架到机架之间信号传输再到班级之间、芯片间乃至芯片内部的通信，光通 信都具有无与伦比的优势【2 】【3 1 。 目前2 5 g b s 速率的高速干线系统已成为我国干线通信的主流，1 0 g b s 的超 高速干线系统也将得到推广。然而，对于光通信器件和单元，现行实用的光电探 测器主要是采用特殊工艺制作，如g a a s 、i n p i n g a a s 工艺，并且g a a s 、i n p - i n g a a s 等特殊工艺的成本都非常昂贵，使得现行实用的光纤通信系统还只适合用作长距 离数据传输网的主干网络。但是在短距离光通信和甚短距离光通信场合，如局域 网、柜机到柜机、芯片到芯片、芯片内互连等1 4 】，使用光通信通道的成本将非常 巨大。为有效降低短距离光互连和通信成本，应采用低成本的塑料光纤，同时采 用已大规模商业化的工艺制造激光器、探测器等。 在分立光通信电路中，当数据速率达到g b s s 或更高时，数据信号的频段由 直流一直延伸到微波甚至延伸到毫米波频段，却没有合适的匹配网络将信号从光 电探测器连接到放大器，同时由于金属介质本身的技术参数，分立封装器件的分 第一章绪论 布电容，连接线和压焊线的电感以及无处不在的电磁干扰的限制，其传输能力已 经无法满足人们对带宽的需求【4 】。单片光电集成( o e i c ) 是实现高速光通信的 根本出路。使用单片集成的主要目的是提高系统速度，因为它能最大限度地消除 由封装和互连线等引起的寄生参量的影响。现行实用的数百m 或g 的接收机， 均采用化合物光电探测器与硅基接收机前端放大电路通过金线连接来实现混合 集成，这就需要利用金丝球焊或更为先进的倒装焊技术将探测器的焊盘与集成电 路的焊盘键合。但是这两种技术都不可避免以下几个问题： 1 寄生电容和电感对电路影响的问题。不管是使用金丝球焊还是倒装焊， 设计光探测器和电路芯片时都要预留一个焊盘( p a d ) ，因为p a d 面积较大，不可 避免会产生大约2 0 0 f f 的寄生电容；p a d 之间的金线相对于电路内的连线过长， 存在约为l n h m m 的寄生电感。这些寄生参数位于信号的通路上，而且是经关电 转换后未经放大的信号，会直接影响到整个接收机的频率响应特性。 2 系统可靠性的问题。由于有两部分组成，直接连线较长，外界环境的电 磁干扰会很容易引入环境的噪声，增加系统的误码率。为了使这样的接收机可靠 性提高，需要增加额外的屏蔽措施，不仅增加了制作程序，还增加了生产成本。 3 制作中的问题。光探测器需要和光纤进行耦合，过多的金丝会限制光纤 的活动范围，并且限制了光纤与探测器表面的距离，造成光功率的损失。 因此，单片光电集成( o e i c ) 是实现高速光通信的根本出路。使用单片集 成的主要目的是提高系统速度，因为它能最大限度地消除由封装和互连线等引起 的寄生参量的影响。同时，光通信电子器件和电路能够使用当今标准的工艺实现， 将使光通信的成本大大降低。这将不仅能够实现光通信系统的单片集成，也使得 在单一芯片上实现多个并行工作的探测器阵列和传输通道成为可能，这可大大降一一 低光通信系统的成本，从而促进光互连产业的发展。 1 2 化合物光电集成接收机的国内外研究现状 单路光电集成接收机系统主要包括光电探测器、前置放大器、主放大器、时 钟恢复以及数据判决电路等。具体的单路光电集成接收机的模块结构如图1 1 所 示。其工作过程是：由光发射器件发射的光信号通过光波导或光纤传输到光电探 测器件，将光信号转化为微弱的光电流，前置放大器将该微小的光电流信号转换 为电压信号，并传输给主放大器( 或称为限幅放大器) 对该电压信号进行进一步 的放大以使得该信号能够驱动后续的逻辑电平。经过主放大器放大后的信号会 出现时钟歪斜等时序上的失真，因此还要通过一个时序恢复电路来对其进行修 复，一般通过一个锁相环路来进行p j 。 2 第一章绪论 i _ c k 图l 一1 光接收机模块图 光探测器和前置放大器所组成的部分称作为接收机前端，它是整个光接收器 件的关键部份，它对整个光接收机的速率和灵敏度具有重要的影响。为了保证光 接收机的灵敏度和正常工作，要求光探测器具有高速、高灵敏度、高响应度、低 噪声、小电容、易集成等特性，要求前置放大器具有较低的噪声和较宽的带宽， 并且要与光探测器匹配良好。 当前，高速光电集成接收机( o e l c ) 普遍采用h b t 及h e m t 器件，基于 化合物工艺的单片光电集成接收机进展较快，1 9 9 1 年，美国贝尔实验室ky l i o u 等研制成功l n p 基m q w 激光器与异质结双极晶体管( h b t ) 组成的单片o e l c ， 工作速率5 g b s 【6 】。1 9 9 5 年，日本的h k a w a m u m 等在第2 5 届欧洲微波会议上 报道了工作于4 5 5 0 g h z 的m s m h f e t 单片集成光接收机前端，此为第一个毫 米波段单片g a a so e i c 【7 1 。如今，i n ph e m t 及l n ph b t 光接收机前端速率已经 超过4 0 g b i t s 【引，据有报道的文献显示，h b t 的接收机最高带宽已经达到 5 0 g h 晓【9 】h e m t 的接收机可传输的最高速率为8 0 g b i t s 【m j 。 国内在金属半导体金属( m s m ) 结构光探测器口d ) 与l n p 基高电子迁移率晶 体管( h e m t ) 集成光接收o e i c 方面开展了一些研究工作，文献【l l 】研制出了在 2 5 g b i 讹速率下功能正确的光接收机样品，文献【l l 】设计的接收机也达到了 2 5 g b i t s ： 但在h b t 伊np d 光接收o e i c 研究方面，实质性的研究进展报道很少。文 献【1 3 】采用i n p i n g a a sh b t 与p i n 光探测器集成，在国内首次实现了1 5 5 u m 波 长h b t p i n 光接收o e i c ，在2 5 g b s 和3 g b i t s 传输速率下获得了清晰的眼图。 文献【1 4 】利用自有工艺，制作出了3 d b 带宽达到3 g h z ，跨阻放大倍数达到8 0 0 的h b t p i n 光接收o e i c 。 目前，单波长光纤通信系统的传输速率一般为2 5 g b s 和1o g b s 。采用外调 制技术，传输速率可以达到4 0 g b s 。然而实用的光纤通信系统都是采用特殊工 艺制作的，成本非常昂贵，因而还只适合作长距离数据传输网的主干网络，难以 实现光纤入户。为了适应不断发展的带宽需求，以及市场化的低成本要求，本课 题组拟通过采用标准h b t 工艺及h e m t 工艺制备低成本又高性能的o e l c 。同 3 第一章绪论 时满足光纤入户( f t t p ) 及光载无线通信( r a d i oo v e rf i b e r ) 系统的要求。 1 3 本论文的研究内容 论文第二章将详细介绍光电集成接收机的基础理论与概念，包括光接收机系 统的一些基本概念、特性与性能参数，同时介绍本文将要利用的h b t 和p h e m t 工艺特性。第三章基于g a i n p g a a sh b t 工艺和i n g a a sp h e m t 工艺，将分别 对光接收机的各个模块进行电路设计仿真，重点介绍了用于光电集成接收机的探 测器制作和高灵敏度前置放大器的设计，为流片设计了多种接收机的尝试，包括 单端接收机和全差分接收机。第四章对性能较好的接收机进行了整体仿真，并利 用第三章的电路设计，利用台湾光环科技的t p d 1 c 1 2 0 5 1 光电探测器进行了应 用于r o f 系统的接收机仿真，最后完成版图设计。第五章进行本次设计的全文 总结。 4 第二章化合物光接收机相关理论 第二章化合物光接收机相关理论 本章将介绍与标准化合物工艺兼容的光电集成接收机的一些基本理论，包括 探测器和光接收机系统的一些基本概念、特性和性能参数。同时介绍本文所选用 的g a i n p g a a sh b t 工艺和n + a l x g a l x a s i 1 n g 以s a a sp h e m t 工艺相关知 识，为制作相兼容的探测器做好知识储备。 2 1 光接收机系统的一些基本概念与理论基础 2 1 1p n 结型光电探测器工作原理 半导体材料对光的吸收可以分为本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收、杂 质吸收、晶格振动吸收等，本征吸收是最主要的吸收方式，本征吸收的能力决定 了探测器的性能【l 引。 产生光电效应的条件是入射光子的能量h v 要大于半导体材料的禁带宽度 e g 。只有这样，价带的电子才能吸收足够的能量跃迁的到导带上。即h v e g 。 把允= c 带入上式，可得光电二极管的工作的长波长极限丸，即 以丸2 毒 ( 2 1 ) 式中h = 6 6 2 6 1 0 。4 js ，是普朗克常量，c 是光速。把它们的值带入上式， 就可得简单的计算公式 丸2 揣( 堋) ( 2 2 ) 作为光探测器，只有小于这个极限波长的光才能产生响应。但并不是说只要 波长小于入c 的光都能被吸收，光电二极管还存在一个短波长极限。这是因为半 导体材料对入射光的吸收作用和波长有关，通常用吸收系数q ( 入) 来表示这种 吸收作用。在波长大于入c 时，吸收系数a ( 入) 极小，不产生光电流。当入射 波长很短时，它的吸收系数变得很大，这就导致大量的光子在表面附近很薄的区 域里被吸收，不能进入其作用区，这就造成了半导体光电二极管工作的短波长 极限。几种常见的半导体材料对光的吸收系数与波长之间的关系如图2 1 所示。 5 第二章化合物光接收机相关理论 。 琶 曩 馁 擎 馨 波长( 帅) 兜子能量( p 力 图2 1 半导体材料光吸收系数与波长的关系 2 1 2m s m 光电探测器的工作原理 誉 越 聪 蛔 攥 承 利用金属- 半导体接触制成的二极管称为肖特基势垒二极管，它和p n 结型二 极管的电流电压特性相似，即单向导电性，但两者又有显著的区别。主要区别 在于导电的载流子不同，肖特基势垒二极管为多数载流子器件，p n 结型二极管 为少子数载流子器件。 q j 9 1 2 圭型 b 埘 ， v s ) o q j 、 扛 b n o 。罗；i ( v s ) 汁v 】 q 由 心 ? ( a ) v = 0( b ) v 0 ( c ) v 0 s ) 0 + 图2 - 2 外加电压对n 型阻挡层的影响 这里主要利用的是n 型阻挡层理论，如图2 2 所示，半导体表面与内部的电 势差，即表面势是( v s ) o ，外加电压为v o ( a ) 为电压为零时的平衡态。( b ) 为加 正向电压时的情形，半导体一边的势垒变为q 【( v s ) 0 + v 】。这时从半导休到金属 的电子数超过从金属到半导体的电子数，形成多子主导的正向电流。( c ) 为加反 向电压时的情形。半导体内部到表面的势垒变大，势垒区也变大，金属的电子要 6 第二章化合物光接收机相关理论 越过势垒到达半导体，因此形成了很小的方向电流。 图2 - 3 加电压v 后的肖特基二极管型探测器能带图 因此，反偏下的肖特基结可以形成势垒区，而势垒区内的光吸收就可以形成 我们需要的光电探测器的光生电流。做法就是将两个肖特基结二极管对接。如图 2 3 所示。无论电极如何，光生载流子都能在势垒区内形成并形成所需的光电流。 对于掺杂浓度的g a a s 等高迁移率半导体材料，热电子发射理论能够较好地解释 载流子越过势垒的输运过程，主要是多数载流子的热电子发射模型。此外，镜像 力和隧道效应也是影响电荷输运的重要因剥”】。探测器的吸收波长与材料有关， 如图2 1 所示。 2 1 3 光电探测器的性能指标 光电探测器是光纤通信接收机及其他光纤传输系统接收终端的第一个元件， 它将接收到的光信号转换成电信号。由于接收到的光信号一般都非常微弱，因此 对光电探测器提出了非常高的要求。这里将介绍探测器的性能参数，主要有：量 子效率、响应度、响应速度、噪声和灵敏度等【l6 1 。 量子效率与响应度 入射光束在p n 结表面吸收时，中性区中产生的电子空穴对在扩散到耗尽区 之前很容易复合掉，使关电转换效率下降。设x _ o 时，光功率为p ( 0 ) ，材料吸收 系数为口( 入) ，它是波长的函数。那么，经过x 距离后吸收的光功率可以表示为： p ( x ) = p ( 0 ) 【1 一寥叫 。】 ( 2 - 3 ) 入射光束在光电二极管的表面有一定的反射，设入射表面的反射率是r ，同 时，在零电场的表面层产生的电子空穴对不能有效地转换成光电流，因此，当 入射功率为昂时，光生电流可以表示为： 7 第二章化合物光接收机相关理论 厶= 嘉( 1 叫印一i ( 1 可删) ( 2 - 4 ) 式中：w 1 为零电场的表面层的厚度：w 为耗尽区的厚度。 光电二极管的量子效率表示入射光子能够转换成光电流的概率，是光生电子 空穴对与入射光子数的比值，即： ，7 ：j 尘j 皇l _ ：( 1 一，) p 一口m ( 1 一p 一口w ) ( 2 5 ) p q h v 式中：为电子电荷；为光电流强度；风为入射光功率。 根据式( 2 5 ) 可以知道，要提高量子效率，必须采取如下措施： ( 1 ) 尽量减小光子在表面层的反射率，增加入射到光电二极管中的光子数； ( 2 ) 尽量减小中性区的厚度，增加耗尽区的厚度，使光子在耗尽区被充分 吸收。 光电转换效率也可以直接用光电流强度和入射光功率风的比值表示，由 于该比值表示了输出对输入的响应，因此称其为响应度，即： r ：生；孕m 彳j l t ) ( 2 6 ) 风 疗y 量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱，选择了工艺，量子效率 和响应度也基本可以确定。实际制作光电探测器时，需要在表面加上抗反射涂层 来减少反射光，从而提高量子效率与响应度3 1 。 响应速度 响应速度反映的是探测器对加在光载波上的微弱光强变化的响应能力。光电 探测器的响应速度是由探测信号的上升时间和下降时间来衡量的，一般需要取这 两者之间较大的值。 在半导体材料光电探测器中，影响响应速度的主要因素有： ( 1 ) 耗尽区载流子渡越时间。当耗尽区电场达到饱和时，载流子以最大漂 移速率v d 运动，若耗尽区宽度为w ，则渡越时间可表示为： f 椭：里 ( 2 7 ) f 搠2 一 【z 。，) ( 2 ) 耗尽区外载流子扩散时间。相比于漂移运动的速度，载流子的扩散运 动较慢，并且大部分产生于耗尽区之外的载流子寿命较短，容易快速复合。只有 离耗尽区较近的部分载流子能够扩散到耗尽区当中，并在电场作用下对光电流作 8 第二章化合物光接收机相关理论 出贡献。设载流子扩散系数为d 。，则扩散距离d 所需时间可表示为： d 2 t 娜= 瓦。 ( 2 - 8 ) ( 3 ) 光电二极管耗尽区电容。耗尽层电容是影响探测器响应速度的主要因 素。增大探测器吸收层的厚度可以提高量子效率并且减小耗尽区电容，但是同时 也会增大光生载流子的渡越时间从而降低响应速度。减小探测器面积可以有效的 减少耗尽区电容，但小面积的光电探测器一方面给光纤耦合带来了难度，同时由 于受光面积较小也具有较小的光生电流，不利于接收机接收微弱的光信号。因此， 为了优化接收机性能，需要综合考虑上述因素，选择适当的吸收层厚度和探测器 面积。一种比较合理的折中是选择一定的耗尽层宽度使得载流子渡越时间是信号 调制周期的一半【1 7 】【l s 】。 光电探测器的噪声分析 光电探测器的主要噪声包括热噪声、暗电流噪声和散粒噪声19 】【2 0 】： ( 1 ) 热噪声：由载流子热运动起伏产生的噪声，主要来源于光电二极管的 负载电阻，即使没有外加电压，其自身的热运动也不会停止。理论表面，热噪声 属于白噪声，在整个频带内大小基本不变。 ( 2 ) 暗电流噪声：对理想的光电探测器，在无光照的时候应该没有电流， 而实际上仍然存在有较小的电流，它来源于耗尽层中载流子的产生复合电流和 耗尽层边界的少量扩散电流，已经表面漏电流。对于光接收机来讲，暗电流决定 了探测信号的噪声底限。暗电流的大小由选择的工艺决定。 ( 3 ) 闪烁噪声：光信号进入二极管时，光子产生复合的统计特性会引发闪 烁噪声。光电效应使光生载流子的数量起伏不定，其统计特性服从泊松过程。这 种噪声电压的大小随产生复合的具体机构而不同，不论何种机构，产生复合噪 声电流的大小均与频率有关。而从噪声的产生过程来看，它顽固的依附在信号上， 增加光发射功率，或采用低噪声放大器都不能减少它的影响。闪烁噪声电流的均 方密度为： 擎观2 他， 协9 ) 式中e 为电子电量，l p 为平均光电流，【i q 2 】为带宽b 内闪烁噪声电流的均方 值，即： 弓 = 2 啡b 9 ( 2 - 1 0 ) 第二章化合物光接收机相关理论 探测器的灵敏度 光探测器的灵敏度指的是其可以探测到的最小入射光功率。光互连接收端所 接收到的光脉冲信号往往都是十分微弱的，因此要求探测器具有高的探测灵敏 度。探测器的灵敏度与探测器材料、结构和工作波长等因素相关。 2 1 4 光接收机的性能指标 光接收机的性能指标主要包括传输速率，误码率，信噪比，灵敏度，动态范 围等，在本文的设计中，我们主要关注光电探测器和光接收机前端放大电路的性 能指标，具体如下： 灵敏度 数字光接收机的一项重要指标就是灵敏度s r 【1 】【2 l 】，它是指在保证一定的通信 质量( 特定的误码率( 一般规定为1 0 母) 或信噪比) 的情况下，接收机能够接收 的最小平均光功率 m i n ，单位为d b m 。 母= 1 0 l 。g q 争】( 棚朋) ( 2 - 1 1 ) 其中，光功率的单位为w 。一般前置放大器的增益足够大，因此，可以忽 略主放大器的噪声影响，可推得最小平均接收光功率 m i 。为： 晌= 警= 业铲毕学= 簪亿埘 上式中，q 为超扰比：n o 和n 。分别表示传“o 码和传“l 一码时的光接收 机的平均输出噪声功率；n a 为前置放大器的平均输出噪声功率；n d 为光电探测 器等效到前置放大器输出端的平均噪声功率。g 为光电探测器的倍增因子，对于 非雪崩光电二极管，g = 1 ；p 为光电探测器的响应度；a 为光接收机放大电路总 的跨阻增益；n a 为折合到输入端的放大器平均噪声功率；o 为放大器的等效输 入噪声电流，当n d n a 且g = l 时有，= _ 4 2 = f 乙。 分析式( 2 1 2 ) 可知：当光电探测器的响应度和系统误码率确定后，光接收机 的灵敏度由。决定：乙越小， m i 。越小，灵敏度s r 越高。 提高光接收机灵敏度的方法主要有两种： ( 1 ) 提高从光电探测器输入到光接收机的信号电流，即是提高光电探测器 的响应度。 l o 第二章化合物光接收机相关理论 ( 2 ) 降低接收机的噪声，主要是光接收机前端电路的噪声。而前端电路的 噪声主要来源于前置放大器，前端电路的噪声降低为原来的一半，光接收机的灵 敏度能够提高3 d b m ，但对于高速宽带光接收机设计，由于热噪声为白噪声，使 得噪声不能无限降低。 误码率 光接收机在光纤通信系统中将经过光纤传输后被衰减变形的微弱光脉冲信 号通过光电转换变成电脉冲信号，并将其放大、均衡与定时再生还原成标准的 数字脉冲信号【2 2 1 。定时再生就是指将信号中的每个高或低电平进行判决，使其 成为标准的数字信号码流。在这期间，高低电平的判断要尽量不发生或者尽量少， 而这个误判的比率就是误码率( b i te m r 胁e ，b e r ) 。 在恢复数据的过程中，判决的时间最好是在每个比特数据位的正中央进行， 这样的采样点会更加准确。如图2 4 ( a ) 所示。但实际中，信号都是有噪声的，噪 声n ( t ) 会叠加到传输的数据信号d i r i 中，这样，有可能在高电位时由于噪声的存 在，误判成了低电平，而低电平时也因同样的原因而误判成高电平，眼图张开度 受到影响，如图2 4 ( b ) 和( c ) 所示【i 】。 c k ”q r f | 1 l d i s j jul m n l i1nn1n o 1f l ( b ) 图2 - 4 ( a ) 理想的数据波形：( b ) 带噪声的数据波形：( c ) 眼图 为了定量计算，假设噪声均值为零，幅值服从高斯分布，数据码流中的高和 低电平的概率相同，则传输的信号在有噪声的情况下，向上和下偏移的电平幅度 也是一样的，由此可知数字光接收机系统总的误码率为： 第二章化合物光接收机相关理论 姗= p = 只+ 毋= 2 只= q ( 尝) = 囊去e x p ( 一手地( 2 - 1 3 )g n 一 4 - q j 2 冗 z 上式中，p h 和p 1 分别“0 码被误判为“l 码的概率和“1 码被误判为“0 ” 码的概率；p 为总的误判概率；v o 为信号摆幅的一半；g n 表示噪声的均方根，它 等于噪声谱密度函数在相应的带宽范围内积分，g n 与通带的带宽成正比；q ( x ) 为服从( o ，1 ) 分布的标准正态分布函数。v o g 。称为超扰比，用q 表示，它含有 系统信噪比的信息( 信噪比，简称为s n r 或s i g n a l t o n o i r a t i o ，它定义为光电 探测器接收到的信号的功率与光电探测器和接收放大电路的噪声功率总和之比 f 2 3 】、 ，o 为了减小误码率，一般可从两个不同的角度采取措施：从分母考虑，可以加 大输入光功率，但输入光功率的增加需要光纤距离变短，这就需要更多的中继站， 由于成本过高而不是一个可行的方案。因此，在通信前，需要对数字光接收机的 输入光功率或误码率提出要求，确定系统的性能指标，一般规定1 0 母的误码率； 从分子考虑，通过电路的手段，尽量减小数字光接收机的输出噪声，因此，设计 低噪声高带宽的接收机成为了研究的热点。 噪声 影响光接收机性能的主要因素是接收机内的各种噪声源。主要来至光电探测 器，数字脉冲信号的随机性以及光接收机电路本身在光电转换和电脉冲放大过程 中。图2 5 为各种噪声源的分布位置。 i 一h ， 一。h 。 图2 - 5 接收机噪声分布图 探测器部分的噪声本文已经分析过，而接收机电路的噪声，主要来至放大器 内部的电阻和有源器件所产生的热噪声已经有源器件内部电流的不均匀性和连 续性所产生的散粒噪声。一般而言，光接收机电路噪声主要来源与前置放大器， 后级的输入是经过前级放大的信号，所以，只要前级放大器的增益足够大，后级 放大器引入的噪声是可以忽略的。具体的噪声将根据不同的工艺与电路结构在下 一章中分析。 1 2 第二章化合物光接收机相关理论 传输速率与带宽 从低噪声角度来讲，接收机前端的带宽应该越小越好，因为这样可以减小总 的积分噪声电流，提高信噪比从而减小误码率。然而，过载的带宽会引起码间干 扰( 1 n r e s y m b o l i n t e r 凫r e n c e ，l s i ) ，使眼图张开度在水平方向和垂直方向都减小， 加大了误判几率。因此，应该在二者之间折中考剧2 4 】【2 0 】。 对于单极点系统，r 为数据比特率，当带宽分别为毛，0 7 毛，0 5 名时，眼图 垂直方向闭合度分别为0 0 3 3 d b ，0 2 1 6 d b 和0 7 9 d b ，对于后两者带宽，噪声性 能分别提高了0 7 9 d b 和3 d b 。有限带宽引起数据过零点的偏移称为抖动，抖动 会引起眼图水平方向张开度恶化。带宽分别为毛，0 7 毛，o 5 毛时，抖动分别等于 0 0 3 ，0 2 8 和1 3 8 。在实际的多极点系统，需要仔细模拟才能得到很好的眼 图水平和垂直方向的张开度。一般取为传输速率的0 7 倍。 一般而言，提高光接收机传输速率的方法有三种： ( 1 ) 通过电路结构的调整，提高放大器的带宽，也可通过频率补偿的手段 来实现。 ( 2 ) 减小探测器的感光面积，这样可以减小放大器的输入节点的电容，是 输入端的r c 常数变小，从而提高带宽。 ( 3 ) 设计高速的探测器，这是提高接收机带宽的根本途径，本文中利用h b t 工艺及h e m t 工艺制作的探测器可以实现高速的要求。同时工艺也决定了探测 器的可修改空间不大。 2 2 与标准化合物工艺兼容的光电探测器 2 2 1h b t 工艺介绍 从本质上说，h b t 的高性能来自于它的双极特性。因为h b t 是一种双极型 器件，异质结双极晶体管在电路中与s i 同质结双极晶体管的工作原理基本相同， 但是在材料系统和掺杂特点方面有很大差别。图2 6 和图2 7 分别给出h b t 和 s i 双极晶体管的能带结构示意图。 h b t 的基极和集电极采用窄禁带材料，发射极采用宽禁带材料。由于基极 材料和发射极材料的禁带宽度是不一样的，h b t 在异质界面处的导带和价带是 不连续的。价带不连续可以阻挡基区空穴向发射区反向注入，所以h b t 的电子 注入效率和电流增益大大提高。典型掺杂的s i 材料双极晶体管的电流增益小于 1 0 0 ，而g a l n p g a a sh b t 的电流增益可达到3 2 0 【2 5 】。h b t 一般由化合物半导体 材料构成，与s i 材料的双极管相比，化合物半导体材料有更大的禁带宽度，电 第二章化合物光接收机相关理论 子迁移率与电子饱和速率也更高。因此h b t 具有很高的开关速度和截止频率2 6 1 。 图2 - 6 单异质结h b t 的平衡能带图 - _ - - - - - 图2 7 双极晶体管的平衡能带图 由异质结构成的双极晶体管，发射结必须为异质结，集电结可以是异质结， 也可以是同质结。它的基本结构及工作原理和普通同质结双极品体管基本一样； 对于宽带隙发射区、缓变发射结的n p n 型单异质结h b t ，其能带结构和内部的 各种电流如图2 8 所示。其中各电流的物理意义如下： 图2 - 8n p n 型单异质结h b t 能带结构和电流方向 i ：电子由发射区注入到基区成为基区的少子所形成的电子电流。 1 4 第二章化合物光接收机相关理论 i ：基区空穴向发射区反向注入所形成的空穴电流。 i 琅：异质结空间电荷区的复合电流。 i r b ：基区的体复合电流。 发射极电流：i fi i p c + i 曜 基极电流：i b _ l p e + i 唱+ i r b 集电极电流：i c i 。i r b 由晶体管的放大模式得，当双极晶体管的发射结加上正向偏压v e b ，集电结 加有反向偏压v 。b ，则其共射极电流放大系数b 可表示如下： 口：生： i 1 b 生二垒二生：旦上 声+ j 而+ k 1 一1 一 ( 2 1 4 ) 其中，a = 佃，y = l + 生 i 幢 a 的大小由发射效率y 和基区输运系数b 决定。由于h b t 基区宽度为亚微 米或更小，故可假定基区输运系数声9 l ，即忽略基区体复合电流i t b ；若同时 忽略势垒复合电流i 唱，则b 只由y 决定，其最大可能值为： 风去击小芒每 亿 因为厶= 警e x p ( 口吃七丁一1 ) ，厶= 兰乎e x p ( g 打一1 ) ，所以得： 立：坐丝笙 ( 2 1 6 ) j d ”p ：w 偈 式中，以j 、j p e 分别为通过发射结的电子电流和空穴电流密度，w 。、w b 分别 为发射区和基区的宽度，醒、z 分别为基区和发射区的少数载流子电子与空穴 的浓度。j 。常称为发射结的注入比。d 为各处的扩散系数。因为 监= 妞 p on 2 | fn e 屯_ 2 3 3 1 0 3 i ( 警) 3 ，2 n x p ( 一懈) 第二章化合物光接收机相关理论 以- 2 3 3 1 0 3 1 ( 孕) 3 ，2 丁3e x p ( 一懈) ，瞄 ” ，聊二，朋二分别为发射区本征载梳子浓度、电于及空穴的有效质量， 吃，碗，研分别为基区本征载流子浓度、电于及空穴的有效质量。 设碗哌2 碗册，噬= 一，则得： 风2 糍e x p ( 峨懈)( 2 i 式中n 。、n b 分别为发射区及基区的杂质浓度，e 。为发射区、基区二半导 体的带隙宽度差。式2 1 7 告诉我们，对于同质结，因为发射区和基区半导体的 带隙宽度相同，即e 一，通过提高注入比来提高发射效率y ，即增大发射区注 入基区的电子电流i n e ，减小基区注入发射区的空穴电流i ，因此，必须增加发 射区和基区的掺杂浓度比n 洲b ，来提高电流放大系数b ，一般要求n e n b 1 0 2 。 而在异质结中，只要e p o ，因室温( 3 0 0 k ) 下，k t 0 0 2 6 e v ，故有e 扯t l ， 则注入比i l l i p l ，b 就能很大，而与掺杂浓度比n 州b 关系不大。所以，h b t 中必须有e 矿e g b ，即发射区的材料要具有宽带隙。 带隙宽度固然是影响h b t 性能的重要因素，发射结界面过渡区能带的变化 形状也将对其性能带来一定影响。对于突变发射结，设异质结总的势垒高为q v d ， 势垒在结两边的分配分别是q v d l 和q v d 2 ，那么，对于电子要从发射区注入到基 区，须克服的势垒为q v d 2 = q v d q v d l ，空穴要从基区注入到发射区须克服的势垒 q v d e v ，故 风= 爱麓意睾爱糍c x p c 崛他n c 2 。8 ， ，眦 m e x p 【一( g + 邑) 】m ”中、一7 p 一7 由式2 1 7 和式2 1 8 可知，在h b t 中，发射结为突变异质结的b 比缓变异 质结的b 小，这是由于存在e c 和氏的影响。突变发射结中，电子必须克服 势垒尖峰e 。，缓变发射结中的e c 已被拉平，发射区的电子没有势垒尖蜂e 。 的阻挡，更容易注入到基区，而空穴所克服的势垒e v 要比电子高得多，使得 缓变发射结比突变发射结有更高的电流注入比。因此，缓变发射结可以得到更大 的电流放大系数1 2 7 j 【2 3