光接收器集成单片集成 CMOS 光接收机的研究进展

由于硅基标准 CMOS 工艺的单片光电集成接收机具有成本低、可批量生产、成品率高120 等优点，成为集成光电子领域的研究热点，并取得了飞速的发展。自 1999年Bell 实验室首次报道了基于标准 CMOS 工艺的光电集成接收机后[9]，各发达国家的研究人员对此进行了积极的探索。比利时 K U Leuven 大学的 Hermans C 等人[18,19]从2000 年开始对基于标准 CMOS 的光电探测器、光接收电路及单片集成光接收机进行了广泛的研究。 2006 年，该研究小组采用 0.18 µm 标准 CMOS 工艺研制出工作波长 850 nm 的传输125 速率 1.2 Gb/s、灵敏度–8 dBm 的单片集成接收机[19]。德国斯图加特大学的 Jutzi M 等人对集成差分探测器和空间调制光探测器的光接收机前端进行了研究， 2006 年报道了一种基于标准 CMOS 工艺集成 SML 探测器的 2Gb/s 单片集成光接收机[20]。另外，荷兰 Twente 大学的Radovanovic S 等人[21]对标准 CMOS 工艺中的高速探测器进行了系统的研究，首次提出采用模拟均衡器补偿探测器的光频响应来实现高速、高灵敏度的光电集成接收机。 2005 年，该130 研究小组基于 0.18 µm 标准 CMOS 技术研制出了一种工作波长 850 nm、传输速率 3 Gbit/s、灵敏度达-19 dBm的单片光电集成接收机。

提高光接收机灵敏度的方法除了提高探测器的响应度， 还需降低前置放大器的输入噪声电流。由于跨阻结构放大器在噪声和带宽方面具有很好的折衷，因此，在高速、高灵敏度应用场合倍受青睐。目前，学者采用的跨阻放大器核心电路主要有调节型共源共栅(RGC)放大器、有源反馈跨阻放大器和零极点对消跨阻放大器等。

RGC 放大器属于电流模形式的跨阻放大器，它是一种利用共栅电路或共源共栅电路自身特性形成电流输入、电压输出的跨阻放大器。因为不需要添加额外的反馈电阻，在一定程度上缓解了增益、带宽和噪声之间的矛盾，提高了跨阻放大器的整体性能。该放大器具有输入阻抗小、频带宽及电压摆幅好的特点。 2004 年， Park S M 等人[16]首次将 RGC 结构(图 6)应用于光接收机前端电路中，并成功地实现了 1.25Gb/s 的传输速率。

光电探测器位于光接收机的最前端，其参数直接影响着光接收机的整体性能。目前在标准 CMOS 工艺中实现的探测器主要基于 pn 结和肖特基结，常用结构有 n /p-sub 二极管、n-well/p-sub 二极管、 p /n-well/p-sub 双光电二极管、空间调制光探测器、 MSM 光电探测器及光电晶体管。最简单的光电探测器是反向偏置的 n /p-sub 二极管，如图 1(a)所示[7]。由于 n 结浅，耗尽区窄，因而对光生载流子的收集效率低。为了提高响应度，可以采用如图 2(b)所示的n-well/p-sub 二极管[7,8]。与图 2(a)相比， pn 结更深、耗尽区更宽，因而有利于光生载流子的收集。

上述 pn 结探测器虽然结构简单， 但在衬底深处产生的光生载流子需扩散到探测器电极，因而在脉冲响应中引入拖尾，限制了探测器的响应速度。为了消除拖尾效应，文献[9,10]提出了利用 p /n-well/p-sub 结构的双光电二极管，如图 3 所示。其中，叉指型 p 区与 n 阱形成工作二极管， n 阱与 p 衬底形成屏蔽二极管。当探测器处于工作状态时，工作二极管和屏蔽二极管均处于反偏状态，因而在衬底深处产生的慢扩散光生载流子被屏蔽二极管吸收，从而消除了衬底慢扩散载流子对工作二极管响应速度的限制。此外，该结构还利用叉指型 p 区使工作二极管的耗尽区最大化，有利于光生载流子收集，进一步提高了光电探测器的速度和响应度。 2007 年， Yu C L 等人[11]采用 CSMC 0.6μ m CMOS 工艺，制备了面积为40μm× 40μm的双光电二极管，测试结果表明， -3dB 带宽可达 1.1GHz，然而，响应度偏低，仅为0.04A/W。

另一种缓解慢扩散载流子效应的结构是空间调制光(Spatially-Modulated Light, SML)探测器 [12-14]。它由受光的瞬时二极管和屏蔽光的延迟二极管构成，利用二者的光电流响应差来消除衬底深处产生的慢扩散载流子效应，从而提高光电探测器的物理带宽和速度，其基本结构如图 3 所示。其中， n-well 与 p 衬底构成瞬时二极管，而标准 CMOS 工艺中的 M2 与n-well/p-sub 一起构成延迟二极管。通过版图布局的网格化设计，可获得的-3dB 带宽最大可达 1.1GHz，比传统 n-well/p-sub 二极管的带宽提高了两个数量级。

虽然基于 pn 结二极管的光电探测器取得了较高的带宽，但带宽的提高是以牺牲响应度为代价的。在某些高灵敏度应用场合下，探测器的响应度可能更为重要。文献[7]提出了一种基于标准 CMOS 工艺的寄生光电晶体管作为光接收机的探测器，如图 4 所示。当 p 型基区空置，深 n 阱集电区与 n 发射区正向偏置时，在基区内产生的光生载流子被晶体管放大，因而可实现高灵敏度探测。 基于 65nm CMOS 工艺制备的 npn 光电晶体管的直流响应度可达0.34A/W[7]，不幸的是，带宽仅为 0.15MHz。这是因为光电晶体管是 CMOS 工艺中的寄生器件，基区较厚且掺杂剖面未经优化造成的。

按光检测器的种类，光接收器集成可分四类：①PIN/FET光接收器适合1.1～1.6μm光纤通信；②光电导检测器（PCD）/FET光接收器，适用接收0.8μm波段的光纤通信；③MSM/FET光接收器，MSM由两个背靠背肖特基结组成，与FET工艺相容，易于大规模单片集成。已制成四个MSM与8 000支FET集成在同一GaAs基片上，它能快速检测和处理数据；④异质结光晶体管（HPT）/HBT（异质结双极晶体管）光接收器，其成本低，但工作速率也低。图1为最通用的PIN/FET混合集成光接收器模块电路图。用PIN光电二极管接收光信号后，用低噪声FET作前置放大，再用三个双极晶体管组成放大电路以提高探测灵敏度。典型参数值：电流灵敏度为0.8A/W；上升响应时间为50ps；下降时间为55ps；漏电流为3nA；结电容为0.3pf。

伴随着信息通信技术的广泛应用和各种新业务的不断涌现， 在全球网络数据量飞速增长的同时，个人对网络带宽的需求也日趋显著。据互联网数据中心 IDC 的研究报告， 2011 年全球数据总量达 1.8ZB (1ZB=270Byte)， 2015 年将达 8ZB。如此海量信息的传输和交换必须实现高速化，因而对带宽、码间干扰等提出了更高的要求。由于受 RC 时延的影响，传统的基于铜互连的信息传输技术难以实现。近年来，随着集成光学和集成光电子技术的不断进步， FTTx[2,3]、车/机内通信[4]、板/片间互连[5,6]等短距离和甚短距离通信都可采用单片或混合集成的光互连技术来实现。与铜互连相比，光互连具有极高的时间空间带宽积、高速、高密度、无干扰、传输功耗低等优点，因而成为发达国家重点研究开发的一项新技术。

由于标准 CMOS 工艺具有廉价、可批量生产、成品率高等优点，在标准 CMOS 接收电路芯片上集成光电探测器可最大限度地消除互连、引线和封装等寄生参量影响，提高光接收机的整体性能，同时还具备体积小、成品率高、可靠性好、可实现更为丰富功能的优点。近年来，随着不断提升。如何基于标准 CMOS 工艺实现光电探测和放大/处理电路的单片集成，成为光电集成领域的研究热点。

光接收机前端作为光纤通信系统的重要组成部分，其性能指标直接决定着光接收机的整体性能。由于基于标准 CMOS 工艺的光接收机成本低廉、市场应用前景广阔，近年来引起极大关注，并取得飞速的进展。本文首先回顾了基于标准 CMOS 工艺光电探测器的基本结构，以及跨阻放大器的核心电路，重点总结了标准 CMOS 工艺中光接收机的最新研究进展。

与国外研究相比，国内对基于标准 CMOS 工艺单片集成光接收机的研究相对迟缓。近年来，中科院半导体所、东南大学、天津大学等多家单位对标准 CMOS 工艺光接收机的前置放大器、光互连、单片集成等方面进行了积极的探索。如东南大学射光所在 CMOS 光接145 收机前置放大器方面做了深入的研究 [26,27]，中科院半导体所在光互连方面取得较大进展。 天津大学新型器件与集成技术实验室在单片集成光接收机芯片研制方面取得较大突破。2009 年，采用 Charted 0.35μ m EEPROM CMOS 工艺集成了差分探测器、差分跨阻放大器及限幅放大器，实现 1.5Gb/s@10-9 的传输速率。2011 年，利用 EEPROM 工艺中的肖特基接触，设计了单片集成 MSM 探测器的光接收机[15]，如图 9 所示，采用有源反馈和150 负米勒反馈电容的跨阻放大器来拓展带宽。 在 Charted 0.35μ m EEPROM CMOS 工艺下实现了带宽为 1.7GHz 的光接收机，在-15dBm 光功率和 10-9 误码率条件下，可完成 2Gb/s的数据传输。

可以分为薄板结构体系钢结构体系混合结构体系组合材质体系.

优点: 1.经久耐用.

2.适合各类气候带.

3.施工快捷方便无污染.

4.保温、隔热方式先进环保节能.

5.隔声、减震性能卓越.

集成住宅的发展在中国的发展：

据了解，随着中国房地产的兴起，国外集成住宅企业看好中国市场，早在上个世纪90年代初期就有企业进入，但是因为中国的特殊国情，发展集成住宅时机尚未成熟，结果，没有多久，又有不少企业退出了中国市场。这两年，集成住宅重新出现在人们视野之中，集成住宅其诸多优点引起了发展商和消费者的关注，而且正在以迅猛的速度增长着。

与此同时，建设部等部门出台了系列推动集成住宅的政策法规，从2003年6月30日开始全面禁止使用粘土砖到及国办发72号文等一系列产业政策的出台，对独立式住宅，特别是超轻钢结构集成住宅的发展都起到了巨大的推动作用。据了解，目前全国市场上做集成住宅的企业已经超过50家，仅北京市至少有5家以上的企业。其中北新建材投资100亿元引进日本技术，打造集成住宅产业基地；迈特建筑科技（武汉）有限公司作为一家专业从事超轻钢结构住宅系统的中澳合资公司，集新型建筑材料开发、轻钢结构房屋研发、钢结构房屋设计、制造安装、销售、技术咨询为一体。在中国也业务也是如火如荼的进展开来。拓展的版图有西部逐渐扩展到中部和东部。一座座拔地而起的新型别墅成为了万众绿丛中一点红。湖南长沙远大第五代集成住宅（BH5），是远大住工历经十余年探索，充分吸纳美国、日本、新加坡等国家先进理念与技术，在第一、二、三、四代集成住宅基础上，推出的集多项专利与核心技术为一体的最新产品，匹配中国住宅的未来发展方向。

据了解，无论政府官员还是生产企业，都对集成住宅和轻钢结构住宅的发展前景持乐观态度.

轻钢结构住宅的集成化住宅发展阻碍：

虽然发展前景一片美好，但是，从现阶段的发展看，集成住宅发展也面临着诸多困境。迈特建筑科技（武汉）有限公司的董事长李磊介绍，虽然公司目前业务承接情况非常好，除了云南的项目，正在与不少开发商接洽合作事宜，但是，公司相当一部分精力被牵扯在市场推广上，因为市场对轻钢结构住宅了解得太少，存在太多误区，把轻钢结构住宅等同于仅能遮风避雨的廉价房，却没有看到它各方面优秀的表现。这样，迫使企业在开拓自己的业务的同时，不得不进行常识扫盲。另一方面，目前正是开创初期，国内真正拥有集成住宅技术的企业太少，这导致市场上的产品良莠不齐，不合格的产品大大影响了集成住宅在消费者心中的印象。在中国，轻钢结构住宅还是建造行业的一个新事物，它的集成化系统大大节省了建造时间，提高了建房的效率。可以预见，轻钢结构住宅的未来一定是充满了机遇与挑战。

瑞升（国际）：REASON INTERNATIONAL

瑞升（国际）在欧洲一直致力于集成化家居的研发与制造，通过多年国际市场的运营，公司业务涵盖欧洲各国，已形成了一套成熟、系统的集成吊顶专业技术与经验；瑞升（国际）集聚了全球一流的资深设计师，以国际流行前沿的视角，为现代高品质人士设计一整套的集成化吊顶解决方案。

瑞升（中国）：REASON CHINA

瑞升集成吊顶（中国）成立于2009年，是一家专业致力于集取暖、照明、换气多功能为一体的大型集成化吊顶企业，中国集成吊顶行业十大品牌。公司坐落在美丽富硕的江南名镇——浙江南浔，公司各项运营快速推进，以坐镇长三角服务全中国的瑞升营销蓝图正全面铺展。

瑞升设计：

瑞升将全套的欧洲工艺带入中国，率先将“欧洲360°整体吊顶”导入中国，开创中国现代家居品位之先河，被业界誉为“吊顶品质”的倡导者、“360°整体吊顶”的领衔人。同时，瑞升深谙现代流行的设计思潮，以及基于对现代人居理念的深刻思考，以人为本的设计理念贯穿于瑞升集成吊顶的每一个细节，营造了含蓄、健康、艺术、舒适的空间美感，在点滴细节处彰显瑞升对顾客的真正尊重，对现代家居趋势的完美洞悉，深受广大消费者的真诚欢迎。

瑞升：携手梁永斌

2009年，瑞升携手国内主持一哥梁永斌担纲瑞升（中国）形象代言人，瑞升时尚、专业、艺术的品牌气质，与梁永斌活力、健康、成熟的个人形象深度契合，一场品牌与明星的合作之旅正式启程。

瑞升荣誉：

瑞升（中国）也先后荣获中国集成吊顶行业十大品牌、中国品牌500强、中国绿色环保建材产品等多项殊荣。

瑞升品牌文化：

空间·艺术·梦想

Space Art Dream

瑞升，让空间永恒

瑞升致力于空间的永恒性追求，让艺术的灵气与梦想的美好，在家居生活中璀璨绽放。瑞升提供的不仅仅是一个单纯的空间，不仅仅是一个固定的格局，更是一个充满生机、充满艺术与梦想气息的永恒的家。

瑞升，让艺术升华

瑞升执着于对艺术的追求，深刻挖掘家居艺术灵性的因子，尽情享受艺术的魅惑。瑞升让艺术再度升华，陶冶情操，洗净灵魂，在超然脱俗中感受生活艺术的上层境界。

瑞升，让梦想腾飞

瑞升不断传递空间价值实现人居梦想，赋予家居空间更多的希翼与畅想，将您期盼、向往和追求的美好境界，在空间的传达与塑造间淋漓尽显。瑞升，让您的梦想插上羽翼尽情腾飞。2100433B

(1)按使用环境，集成材可分为室内用集成材和室外用集成材。室内用集成材在室内干燥状态下使用，只要满足室内使用环境下的耐久性，即可达到使用者要求。

室外用集成材在室外使用，经常遭受雨、雪的浸蚀以及太阳光线照射，故要求具有较高的耐久性。

(2)按产品的形状，集成材可分为板状集成材、通直集成材和弯曲集成材。也可以把集成材制成异形截面，如工字形截面集成材和箱型截面集成材或叫做中空截面集成材。

(3)按承载情况，集成材可分为结构用集成材和非结构用集成材。结构用集成材是承载构件，它要求集成材具有足够的强度和刚度。

非结构用集成材是非承载构件，它要求集成材外表美观。

(4)按用途，集成材可分为：①非结构用集成材；②结构用集成材；③贴面非结构用集成材；④贴面结构用集成材。