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【DZS】光通讯接收电路技术深探

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刘致为、袁锋
　

文章导读: 单端转双端
随着因特网的出现，人们不断发现新的应用方法，例如数据传输、视频会议等。这些应用都需要更快的传输速度，因此光纤通讯以其超快的带宽与极低的传输损耗，一直是满足这些需求的终极解决方案。光通讯的原理是利用光纤（fiber）来传递光信号，如(表一)所示是光通讯和其它不同的通讯方法比较表。由表中可明显看出，光通讯的带宽可达百亿位（10Gbs），远大于其余各种通讯方法，而且其损耗也很低，每公里只有0.2dB。事实上，由于光纤本身的带宽可达500亿赫兹（50GHz）以上，因此光通讯的带宽是被电子零件的带宽所限制住，但是随着近年来制造工艺进步与晶体管速度的提升，光通讯电路也变得越来越重要。现在市面上的宽带上网大部份都是利用ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）[1]，它的好处是只要用现有的电话线路即可，但是由表一可以明显看出，它的损耗相当大，因此带宽没办法作到很高，尤其是对于像视频会议这种需要双向都很快的应用是没有办法的。所以，未来光纤到户（fiber to the home；FTTH）[2]会成为必然的趋势，光通讯电路势必会成为下一代网络通讯的骨干。另外，由于光通讯电路接收端是整个光通讯电路当中最困难的部份，因此本文将针对光通讯电路接收端进行深入的探讨，并针对硅锗技术的应用作详细说明与分析。
　
　
(表一)　各种通讯方式比较表
　

光通讯电路接收端架构简介
光通讯电路接收端架构如(图一)所示[3]，光信号经由光纤传送，先到达光探测器（Photodetector；PD），将光信号转换为光电流。接下来再由转阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA）将光电流转换为电压信号，再经限幅放大器（Limiting Amplifier；LA）将电压信号放大到可以当作数字信号的程度。接下来再将此信号送给时钟和数据恢复电路（Clock and Data Recovery；CDR），判断数据为0或1，并顺便以数据的速度产生一固定频率的方波信号，让后级的数字电路可以使用这个转换出来的信号。
　

(图一)　光通讯接收端电路区块图
　

在这些电路区块中，每个部份都有其特定的功能和要求，以下将一一说明。首先，在光探测器部份是将光信号转换为光电流，故其主要规格在于光电转换的光反应度（Responsivity）和光探测器本身的反应速度。一般说来，其光反应度必须在0.7A/W以上，也就是说若有10μW的光输入，要有7μA的光电流输出。如果光反应度太低，会限制了光纤传输的距离。另外，反应速度必须达到系统的要求，例如在OC192规格中，就要求百亿赫兹（10GHz）的速度。

转阻放大器的功能在将光电流转换为电压信号，故其小信号转阻增益和带宽是必然的规格。另外，由于转阻放大器位于光通讯电路接收端的最前级，类似RF电路的低噪声放大器（LNA），转阻放大器也必须有低的噪声比才能将整个系统的噪声降低。有些应用还要求转阻放大器要有很大的动态范围（dynamic range）[4]，通常是如果输入光电流信号太大的话，转阻放大器必须有一机制让过大的光电流宣泄，否则会使转阻放大器没办法操作在其应有的操作点。一般的作法是会在转阻放大器中增加自动增益控制（Automatic Gain Control；AGC）的功能。

另外，由于转阻放大器尚须有低噪声的功能，因此到这里的输出电压信号还很小，限幅放大器的作用在把小电压信号再放大，以达到数字电路所需求的大信号输出。因此限幅放大器的主要规格有带宽和灵敏度（sensitivity），灵敏度是指该限幅放大器所能接受的最小输入，其值一般为5mV左右，表示转阻放大器的输出电压振幅要超过5mV，限幅放大器才能正常动作。灵敏度越小，则表示在设计上，转阻放大器的转阻增益可以小一些。

最后一级电路是CDR，这个区块已经完全是数字电路。因为传输过程中一定会有一些小的噪声混入信号中，所以通常输入信号到这里的噪声会比较大，CDR电路可以将这些噪声再缩小，并抓出数据的频率。例如虽然是在OC192规格下传送，但是数据速度不一定刚好是准确的10GHz，有可能是9.9GHz或10.2GHz等等。如果用不对的频率去取数据会得到错误的结果，因此CDR电路利用锁相回路（Phase Lock Loop；PLL）的技巧来锁定数据的速度，并一起提供给后级电路使用。

在CDR之后就是大家所熟知的数字信号了，通常经由解调器（demultiplexer；demux）就可以将带宽分配给各个使用者。

硅锗光探测器
一般光通讯电路接收端的最前级为一光探测器（photodetector），其将光纤传来的光信号转换为光电流以供后级电路使用。受限于硅的截止波长（cutoff wavelength）为1.1μm，对于光通讯常用的波长（850nm、1.3μm与1.5μm）都无法作有效的吸收。是故光探测器一直都是以三五族半导体材料来完成[5-7]，但是如此一来就没办法达到工艺整合与SoC（System on Chip）的目的了。由最近的研究显示[8,9]，硅锗异质接面光敏晶体管（SiGe Heterojunction phototransistor；HPT）在850nm有作为光探测器的能力，因此在本文中介绍硅锗异质接面光敏晶体管的制作与测量特性，如此一来可以大幅减少制造成本并达到制程整合与SoC的目标。

硅锗异质接面光敏晶体管的结构图如(图二)所示，其为四端组件，包括发射极（Emitter；E）、基极（Base；B）、集电极（Collector；C）和基板（Substrate；S），在不照光的时候就是一般的异质接面晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）。在基极与集极之间加入量子阱结构（multiple quantum wells；MQW）以增加组件的吸光能力，该量子阱为5nm的50％锗掺杂层与25nm硅的串迭。另外，基极为30nm的硅、30nm的0～15％的锗掺杂渐增层（SiGe graded layer）和30nm的15％锗掺杂层。基极的空穴掺杂为5×1018cm-3，而漏极的电子掺杂为1017cm-3。射极面积（emitter area）为6μm2。
　

(图二)　硅锗异质接面光敏晶体管剖面图
　

SiGe HPT照光后，载子在B-C间产生，经由HBT原本的放大功能，可以将光电流放大，因而达到更高的光感应度（responsivity）。其照850nm的激光后的Gummel图如(图三)所示，其未照光之基极电流（base current）在VBE>0.5V皆为理想的1kT电流，表示组件的缺陷（defect）很少。在光电流部份，可以看出基极电流在约VBE＝0.85V时变号，这是由于光电流是由集极流至基极，因此光电流与集极电流（collector current）同向，但与基极电流反向。另外，以基极开路（base open）的模式来照850nm激光，在VCE＝1.5V的偏压下，光电流可以达到9.1mA，即1.47A/W的光感应度，且其暗电流仍维持在非常低的水平（3nA）。由图中也可看出，其偏压范围很大，对于电路的应用是非常适合的。光电流在B-C间产生后，经由HBT的电路放大，但其增益通常会比原本的β要小一些，这是因为光和电反应不同的缘故，但是经过这样的放大，通常都可以达到非常大的光感应度。
　

(图三)　850nm激光反应的Gummel图
　

另一方面，组件的反应时间（response time）也是一项非常重要的参数。SiGe HPT的原理如图二所示，载子在B-C间形成，电子流到集极，而空穴流到基极。但是在操作时，基极为开路，因此基极的空穴须要经B-E接口到达射极，这一路是最慢的，限制了组件的操作速度。近来有人提出以基板与射极短路的方式来增加硅锗异质接面光敏晶体管的速度[10]，可以作为未来研究的方向。因此，经由Impulse Response的测量，可以得到SiGe HPT的上升时间（rise time）为38ps，半高宽时间（full width half magnitude；FWHM）为208ps。将Impulse Response的结果经由快速傅利叶转换（Fast Fourier Transform；FFT）[11]可以得到SiGe HPT的带宽为1.25GHz。

总之，硅锗异质接面光敏晶体管有很大的光反应度，对于电路应用而言，在0.7A/W即可，因此硅锗异质接面光敏晶体管作为850nm的光探测器可谓游刃有余。但其缺点在于反应速度仍然不够快，未来希望能将光反应度调低，进而增加其反应速度，以达到制程整合的目的。

硅锗转阻放大器

紧接着光探测器之后是转阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA），其作用在于将光探测器受光所产生之光电流，转换为一般电路常用的电压信号。使用硅锗制程的目的在于它可以和现有的硅制程整合在同一个芯片上，尤其是将光探测器和转阻放大器皆以硅锗制程完成，将可与后面的电路进行系统整合，达到SoC（System on Chip）的目标。
　

(图四)　硅锗转阻放大器
　

如(图四)所示为利用台积电SiGe 0.35μm工艺所制作的硅锗转阻放大器，它采用共射极和共基极串迭（common emitter and common base cascode）架构，加上负反馈（negative feedback）电路。最后有一输出级（output buffer）可将电压信号由单端转双端且输出阻抗为50奥姆。共射极和共基极串迭的架构可以降低共射极电路的米勒效应（Miller effect）以加大带宽，加上负反馈电路也有同样的效果，不过后者也会使小信号增益下降，因此必须将电路取在一适当值。在选用组件方面，较大的组件可使电流加大，gm增加，Rc可以较小，如此可以减小一些noise的产生。但是组件大，内部寄生电容也大，故最后选择使用一面积适中的组件。在反馈电阻RF值的选择上，其值越小，带宽越大，但增益也越小，故最后也取在一适当值。Input端的电容Cs为前级光探测器的电容，其值约0.1pF。但是若考虑实际layout中，PAD的寄生电容值大约是0.15pF，故以此值来仿真电路。output buffer可将电压信号由单端转双端，这是因为通常转阻放大器（TIA）的后级为限幅放大器（LA）再到数字电路，故将信号转成双端可以增加电路往后的适用性。输出阻抗为50奥姆也是为了要和后级电路配合，因为在没有约定的状况下，50奥姆接口是让传输损耗最低的选择，一般皆以50奥姆接口为基础，但是如此一来，小信号转阻增益会变为原来之一半，因此之后所测量到的小信号转阻增益必须要乘以2才是原本的转阻增益值。

(图五)为眼图（eye diagram）的测量结果，其测量方法是制作一块PCB板，将转阻放大器打线到外部电路，输入电压信号经由外部电路转换为电流信号再输入到转阻放大器中。由图中可以明显看出，输出波形有达到光通讯OC192规格（10Gbps）的眼图要求，可以看出本设计的硅锗转阻放大器可以操作在10GHz的带宽，将来其与CMOS硅制程的后级电路将可作有效地制程整合，实现SoC的终极目标。
　