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研究生: 李源評
YUAN-PYNG LEE
論文名稱: 矽基積體電路於晶片與晶片間光互連之研究
A study of Si-based ICs for chip-to-chip optical interconnect
指導教授: 劉政光
Cheng-Kuang Liu
口試委員: 張勝良
Sheng-Lyang Jang
張嘉男
Chia-Nan Chang
莊敏宏
Miin-Horng Juang
周肇基
Jau-Ji Jou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 97
中文關鍵詞: 矽基積體電路晶片
外文關鍵詞: Si-based ICs, chip-to-chip optical
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本論文探討應用於晶片間光互連的積體電路,利用CIC之CMOS製程來設計積體電路。文中探討三個主題,矽發光晶片、矽光二極體、轉阻放大器與限幅放大器。
第一部分探討矽發光元件的研製,採用指叉式結構來研究矽發光晶片的發光特性,並加以改善,設計的P-N接面矽發光晶片,在面積200 × 300 µm2下,所得外部量子效率為3.7×10-6 。
第二部分為利用我們所設計的矽光二極體(Si-Photodiode)來反向操作,並觀察其作為光偵測器的特性,所得PNNP型矽光二極體之最高反應率R=0.3(A/W)與量子效率 =0.26,。
最後為後端放大器設計,包括轉阻放大器與限幅放大器,轉阻放大器量測所得轉阻為93.6dBΩ,-3dB頻寛約為38MHz,限幅放大器量測所得放大率為26.8dB,-3dB頻寛約為16.63MHz,最後,觀察晶片與晶片間光互連之量測結果。
以上共涵蓋三個主題,相同的特色就是皆採用矽為材料,並以CMOS來實現,本論文著重於以矽為基底,再進一步去設計,有利於光互連與光電積體電路的開發。


In this thesis, a study of integration circuits for chip-to-chip optical interconnect is presented. CMOS process provided by CIC (Chip Implement Center) is used. Here, we study three topics: the silicon light emission, the silicon photodiode, the transimpedance and limiting amplifiers.
The first part deals with the CMOS silicon light-emitting chip. Finger structures are used to study the efficiency of light emission. Silicon light emission chips of pn junctions are designed. The maximum quantum external efficiency obtained is 3.7×10-6 with an area of 200×300 µm2.
The second part is about the silicon photodiode chip, The PNNP type has a maximum responsivity R=0.3(A/W) and a quantum efficiency =0.26.
The last topic is about the the transimpedance amplifier and limiting amplifier .Our transimpedance amplifier has 93.6dBΩ transimpedance and 38MHz bandwidth.Our limiting amplifier has 26.8dB gain and 16.63MHz bandwidth, Finally, the last measurement result of chip-to-chip interconnect is presented
In the topics mentioned above, they have the same feature in the use of material, and it can be applied to the opto-electronic interconnect among integrated circuit chips.

目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖表索引 Ⅶ 第一章 緒論 1 1.1 動機與目的 1 1.2 內容簡介 3 第二章 矽發光晶片發光機制研究與分析 6 2.1光通信系統架構與電路積體化 6 2.2矽晶片間光互連 7 2.3矽發光元件 9 2.3.1矽發光元件架構與發光原理 9 2.3.2矽發光二極體特性分析 11 2.3.3半導體發光材料特性及效率 12 2.3.4矽發光技術之發展 13 2.4復合機制研究與分析 14 2.5矽發光晶片設計 16 2.5.1 電路設計原理 16 2.5.2 電路設計架構 16 2.5.3矽發光晶片(A)實際量測 22 2.6 討論 36 第三章 光感測器研究與分析 39 3.1光感測器槪要與種類 39 3.2光二極體 39 3.2.1 光二極體內部構造與原理 39 3.2.2 光二極體等效電路與基本特性 41 3.3 矽檢光電路量測 45 3.3.1 矽檢光晶片(D35-95C-84e)設計架構與原理 45 3.3.2 雷射為發光源的光功率量測 50 3.3.3 光二極體晶片動作反應特性 54 3.3.4 矽光二極體的雜音特性 56 3.3.5 光二極體晶片動作反應特性量測 57 3.4 動作特性實際量測 58 3.5 討論 60 第四章 光接收電路分析 62 4.1 簡介 62 4.2 矽檢光電路架構與原理 62 4.3 轉阻抗放大器設計流程 65 4.3.1 設計流程 65 4.3.2 TIA電路分析 65 4.3.3 TIA電路模擬 68 4.3.4 測試方法 70 4.3.5 討論 73 4.4 後級放大器分析 76 4.4.1 放大器原理 76 4.4.2 電路實際模擬結果 79 4.4.3 量測結果 82 4.4.4 討論 83 4.5 檢光器電路實作分析討論 84 4.6 光互連之量測 86 第五章 結論 90 5.1 研究重點討論 91 5.2 未來發展與展望 92 參考文獻 93 作者簡介 97

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