【DZS】光通訊接收電路技術(shù)深探

相關(guān)專題: 5G 芯片

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(lái)傳遞光信號(hào),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(lái)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(lái)越重要,F(xiàn)在市面上的寬帶上網(wǎng)大部份都是利用ADSL(Asymmetric Digital Subscriber 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(méi)辦法作到很高,尤其是對(duì)于像視頻會(huì)議這種需要雙向都很快的應(yīng)用是沒(méi)有辦法的。所以,未來(lái)光纖到戶(fiber to the home;FTTH)[2]會(huì)成為必然的趨勢(shì),光通訊電路勢(shì)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(duì)光通訊電路接收端進(jìn)行深入的探討,并針對(duì)硅鍺技術(shù)的應(yīng)用作詳細(xì)說(shuō)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(jiǎn)介

光通訊電路接收端架構(gòu)如(圖一)所示[3],光信號(hào)經(jīng)由光纖傳送,先到達(dá)光探測(cè)器(Photodetector;PD),將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電流。接下來(lái)再由轉(zhuǎn)阻放大器(Transimpedance Amplifier;TIA)將光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再經(jīng)限幅放大器(Limiting Amplifier;LA)將電壓信號(hào)放大到可以當(dāng)作數(shù)字信號(hào)的程度。接下來(lái)再將此信號(hào)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(hào),讓后級(jí)的數(shù)字電路可以使用這個(gè)轉(zhuǎn)換出來(lái)的信號(hào)。
 


(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(shuō)明。首先,在光探測(cè)器部份是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電流,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(cè)器本身的反應(yīng)速度。一般說(shuō)來(lái),其光反應(yīng)度必須在0.7A/W以上,也就是說(shuō)若有10μW的光輸入,要有7μA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(hào),故其小信號(hào)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(jí),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(dynamic range)[4],通常是如果輸入光電流信號(hào)太大的話,轉(zhuǎn)阻放大器必須有一機(jī)制讓過(guò)大的光電流宣泄,否則會(huì)使轉(zhuǎn)阻放大器沒(méi)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(hào)還很小,限幅放大器的作用在把小電壓信號(hào)再放大,以達(dá)到數(shù)字電路所需求的大信號(hào)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(guò)5mV,限幅放大器才能正常動(dòng)作。靈敏度越小,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(jí)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^(guò)程中一定會(huì)有一些小的噪聲混入信號(hào)中,所以通常輸入信號(hào)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(duì)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(lái)鎖定數(shù)據(jù)的速度,并一起提供給后級(jí)電路使用。

在CDR之后就是大家所熟知的數(shù)字信號(hào)了,通常經(jīng)由解調(diào)器(demultiplexer;demux)就可以將帶寬分配給各個(gè)使用者。
 
 
硅鍺光探測(cè)器
一般光通訊電路接收端的最前級(jí)為一光探測(cè)器(photodetector),其將光纖傳來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光電流以供后級(jí)電路使用。受限于硅的截止波長(zhǎng)(cutoff wavelength)為1.1μm,對(duì)于光通訊常用的波長(zhǎng)(850nm、1.3μm與1.5μm)都無(wú)法作有效的吸收。是故光探測(cè)器一直都是以三五族半導(dǎo)體材料來(lái)完成[5-7],但是如此一來(lái)就沒(méi)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850nm有作為光探測(cè)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(cè)量特性,如此一來(lái)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硅的串迭。另外,基極為30nm的硅、30nm的0~15%的鍺摻雜漸增層(SiGe graded layer)和30nm的15%鍺摻雜層。基極的空穴摻雜為5×1018cm-3,而漏極的電子摻雜為1017cm-3。射極面積(emitter area)為6μm2。
 

 

(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,表示組件的缺陷(defect)很少。在光電流部份,可以看出基極電流在約VBE=0.85V時(shí)變號(hào),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(lái)照850nm激光,在VCE=1.5V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(duì)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β要小一些,這是因?yàn)楣夂碗姺磻?yīng)不同的緣故,但是經(jīng)過(guò)這樣的放大,通常都可以達(dá)到非常大的光感應(yīng)度。
 

 

(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(lái)有人提出以基板與射極短路的方式來(lái)增加硅鍺異質(zhì)接面光敏晶體管的速度[10],可以作為未來(lái)研究的方向。因此,經(jīng)由Impulse Response的測(cè)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;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(duì)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(cè)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(lái)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(cè)器之后是轉(zhuǎn)阻放大器(Transimpedance Amplifier;TIA),其作用在于將光探測(cè)器受光所產(chǎn)生之光電流,轉(zhuǎn)換為一般電路常用的電壓信號(hào)。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(cè)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 0.35μm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(jí)(output buffer)可將電壓信號(hào)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(guò)后者也會(huì)使小信號(hào)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(jí)光探測(cè)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(lái)仿真電路。output buffer可將電壓信號(hào)由單端轉(zhuǎn)雙端,這是因?yàn)橥ǔ^D(zhuǎn)阻放大器(TIA)的后級(jí)為限幅放大器(LA)再到數(shù)字電路,故將信號(hào)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(jí)電路配合,因?yàn)樵跊](méi)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(lái),小信號(hào)轉(zhuǎn)阻增益會(huì)變?yōu)樵瓉?lái)之一半,因此之后所測(cè)量到的小信號(hào)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(eye diagram)的測(cè)量結(jié)果,其測(cè)量方法是制作一塊PCB板,將轉(zhuǎn)阻放大器打線到外部電路,輸入電壓信號(hào)經(jīng)由外部電路轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)再輸入到轉(zhuǎn)阻放大器中。由圖中可以明顯看出,輸出波形有達(dá)到光通訊OC192規(guī)格(10Gbps)的眼圖要求,可以看出本設(shè)計(jì)的硅鍺轉(zhuǎn)阻放大器可以操作在10GHz的帶寬,將來(lái)其與CMOS硅制程的后級(jí)電路將可作有效地制程整合,實(shí)現(xiàn)SoC的終極目標(biāo)。
 

 

(圖五) 硅鍺轉(zhuǎn)阻放大器之眼圖
 
 
 
結(jié)語(yǔ)
總之,將硅鍺技術(shù)引入光通訊電路接收端的光探測(cè)器和轉(zhuǎn)阻放大器,可以達(dá)到與后級(jí)硅制程電路整合的目的,將來(lái)對(duì)于SoC的實(shí)現(xiàn)有極正面的幫助。


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