塑料光纤通信的光电集成收发芯片及系统研究

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1、万方数据厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规范(试行)》。另外，该学位论文为()课题(组)的研究成果，获得()课题(组)经费或实验室的资助，在()实验室完成。(请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。)声明人(签名)：年月日骱⋯⋯一一明吣Y吣2删731万方数据480本人同意厦门大学根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定

2、机构送交学位论文(包括纸质版和电子版)，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于：()1．经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于年月日解密，解密后适用上述授权。()2．不保密，适用上述授权。(请在以上相应括号内打“√”或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。)声明

3、人(签名)：年月日万方数据摘要塑料光纤(POF)由于纤芯大、连接方便、成本低、可以提供充足的带宽，成为宽带接入网中替代铜缆的最理想的传输介质，成功解决了光纤入户(F，rTH)中的接入难题。为实现FTTH的低成本和高速率，大芯径(1mm)POF实现百兆速率的POF通信系统已经成为研究热点。650nm光纤收发芯片是POF通信系统的核心芯片，其成本居高不下，且光发射芯片都是分立器件。分立器件容易引入较多的互连线和较大的寄生电容、电感，从而降低速率、增大噪声、增加封装复杂度。基于此，本文提出采用低成本的标准硅基集成电路(IC)工艺自主研发650hm光收发芯片，实现光电器件和集成电路在硅基上光电

4、的集成，并用此收发芯片实现百兆塑料光纤系统的650nm光通信。本文主要研究工作和成果包括以下三方面：光发射芯片：1、为实现光发射驱动集成电路和光源的协同设计，本文从光源的速率方程出发，推导出了多量子阱结构的谐振腔发光二极管(RCLED)和垂直腔发射激光器(VCSEL)的等效电路模型，对其V-I特性、瞬态和AC特性进行了仿真。2、采用华润上华科技有限公司(CSMC)0．25pmBCD硅基集成电路工艺制备了混合集成和外接光源的光发射芯片。结果表明：外接光源的芯片的瞬态噪声比较大，信号频率约50Ⅷ-Iz；集成光源的芯片的瞬态图形比较好，噪声比较小，频率可达90Ntz。3、采用成本更低的CSM

5、C0．5pmCMOS工艺，实现了混合集成的光发射芯片。光源分别采用了RCLED和VCSEL。集成VCSEL芯片的发光功率达2mw；RCLED光源的出光功率几十微瓦。瞬态测试信号频率可达115l吁Iz。单片光电集成的光接收芯片：1、应用Silvoca软件构建了与0．259mBCD工艺兼容的适合650hm波长的叉指PIN(P+／N-EPI／BN+)光电探测器(PD)结构，并进行优化设计。采用CSMC0．25pmBCD工艺制备了200×2009m2的该PD，在650nm入射光下，2．5V反向万方数据摘要偏压时，叉指PIN—PD的响应度为0．261A／w、暗电流约为7ph、结电容为4．5pF。

6、2、为了实现单片集成的光接收芯片的EDA协同设计，本文从速率方程出发，推导了P+／N—EPI／BN+光电探测器完整的Spice等效电路模型。该模型中包含散弹噪声、暗电流、热噪声、寄生电容和电阻模型，精确模拟了PD的性能。3、采用CSMC0．25pmBCD工艺对制备了200×2009m2的叉指结构PIN—PD的单片集成的光接收芯片，测试结果表明，该单片集成的光接收芯片在155Mbps速率及误码率小于lO。9下，灵敏度为-15．2dBm。4、提出采用双PD、全差分电路结构实现改进单片集成的光接收芯片的性能。在155Mbps速率及误码率小于10。9下，该全差分OEIC芯片的灵敏度可达一17．

7、6dBm；眼图较清晰，上升／下降时间约为800ps；带宽约为180Mltz。POF通信系统：除了设计光收发芯片中用到的参考电压和电流源电路之外，本文还应用软件TracePro对POF通信系统进行了光路仿真。通过加入球透镜提高光功率进入光纤的耦合效率以及光到达接收芯片的光功率耦合效率。测试结果表明，加入直径为1．5mm的球透镜的系统光功率得到了提高，光源RCLED的光功率提高了大约5．59w，并获得输入速率为125Mbps的眼图。本文的创新点如下