晶片間光互連積體電路設計與實現｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	吳政哲 Cheng-Che Wu
論文名稱：	晶片間光互連積體電路設計與實現 Design and implementation of Chip-to-Chip Interconnect ICs
指導教授：	劉政光 Cheng-kuang Liu
口試委員:	周肇基 Jau-Ji Jou 徐世祥 Shih-hsiang Hsu
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：	2010
畢業學年度：	98
語文別：	中文
論文頁數：	93
中文關鍵詞：	轉阻放大器、晶片互連、發光元件、檢光元件
外文關鍵詞：	transimpedance amplifier(TIA), chip-to-chip interconnect, light-receiving, photo-detector
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本論文探討晶片與晶片間光互連積體電路之設計與實現，包含了發光元件、檢光元件以及轉阻放大器。第一部分為差動式輸出轉阻放大器的設計，使用TSMC 0.35um Mixed-Signal 2P4M Polycide 的製程。所設計的轉阻放大器在3.3V供應電壓與輸入電容0.75pF 下，其功率消耗為36.3mW，-3dB 頻寬為1.3GHz。第二部分探討發光與檢光電路的設計，使用TSMC 0.35um SiGe 3P3M 製程，研究光電晶體在不同佈局下的發光與檢光的特性。第三部分則擴充第二部分的發光與檢光元件設計，增加轉阻放大器分析，並進行晶片與晶片間光互連實驗，使用的是TSMC 0.35um SiGe 3P3M 製程。其中，轉阻放大器的功率消耗在3.3V 供應電壓下為26.4mW，而晶片與晶片間光互連的實驗顯示，從602MHz 上升到700MHz，輸出波形振幅從213mV 下降到150mV。

This thesis present a design and implementation of chip-to-chip optical
interconnect ICs including a photo-detector, light-receiving device and
transimpedance amplifier (TIA).
In the first part, the design of TIA is presented using the process of TSMC
0.35um mixed signal 2P4M polycide. Its power consumption is 36.3mW for a 3.3V
voltage supply. The -3dB bandwidth is 1.3GHz for a photodiode input capacitance of 0.75pF.
In the second part, the design of optical receving and emitting devices are
presented using the process of TSMC 0.35um SiGe 3P3M. The effect of emitter area on the light-emitting and light-receiving characteristics are presented.
Finally, we extend the design in the second part perform the experimental study
of chip-to-chip interconnect. It is found that the power consumption of the
transimpedance amplifier is 26.4mW for a power supply voltage of 3.3V. Moreover,our experiment show that the output amplitudes decrease from 219mV to 118mV as the frequencies increase from 600MHz to 700MHz.

論文摘要.................................... i
Abstract ................................... ii
誌謝...................................... iii
目錄....................................... iv
圖目錄.................................... vii
表目錄..................................... xi
第一章 緒論................................. 1
1 前言..........................................................................................1
2 研究動機...................................................................................2
3 內容簡介...................................................................................3
第二章 光互連相關電路基本介紹............... 6
1 光互連電路接收端介紹............................................................6
1.1 光接收端前置處理光訊號簡介.......................................7
1.2 光接收端後級處理電路簡介...........................................8
2 電路設計流程與量測考量......................................................10
2.1 設計流程........................................................................10
2.2 量測考量........................................................................ 11
3 眼圖與雜訊分析......................................................................12
3.1 眼圖形成........................................................................12
3.2 抖動的來源與種類........................................................ 13
3.3 雜訊分析........................................................................15
第三章 矽基差動式光互連轉阻放大器設計與量測18
1 轉阻放大器簡介......................................................................18
1.1 開迴路轉阻放大器......................................................19
1.2 回授型轉阻放大器......................................................20
2 差動式光互連轉阻放大器架構設計........................................22
2.1 Regulated Cascode 電路架構介紹............................ 23
2.2 Inductive peaking 技巧介紹....................................24
2.3 主動式電感介紹.......................................................... 26
2.4 矽基差動式光互連轉阻放大器電路模擬....................28
3 差動式光互連轉阻放大器量測與討論..................................30
3.1 差動式光互連轉阻放大器量測方法與結果................30
3.2 差動式光互連轉阻放大器討論與比較....................... 32
第四章 矽鍺基發光與光接收之設計............ 37
1 矽與鍺特性簡介.....................................................................37
2 發光機制與原理.....................................................................38
2.1 半導體發光材料特性....................................................38
2.2 復合機制研究與分析...................................................39
3 檢光作用與原理.....................................................................41
4 矽鍺基發光與光接收之設計與量測......................................46
4.1 矽鍺基發光之光電晶體設計.......................................46
4.2 矽鍺基發光之光電晶體直流分析................................ 48
4.3 矽鍺基光電晶體發光量測...........................................49
4.4 矽鍺基光電晶體檢光量測...........................................53
5 討論........................................................................................ 58
第五章 矽鍺基發光與光接收光互連晶片之研製.. 61
1 光通信系統架構與電路積體化..............................................61
2 光互連晶片介紹.....................................................................63
3 晶片間光學對準.....................................................................65
4 晶片間對準的量測方法......................................................... 66
5 後級電路之設計與量測......................................................... 67
第六章 結論................................ 78
1 研究重點與討論.....................................................................78
2 未來發展與展望.....................................................................79
參考文獻................................... 80
作者簡介................................... 82

                                

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全文公開日期 2015/07/27 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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