塑料光纤通信中650nm光电集成收发芯片的研究

As a new generation of short-distance transmission system, the plastic optical fiber (POF) communication with simple, fast and low-cost advantages is playing a major role in the fiber networking such as broadband access networks of fiber to the desktop, triple play, intelligent home networks, industrial control and other areas. The 650nm optical transceiver chips are regarded as the most critical core technology in the POF communications equipment, however they are foreign owned and discrete. In this project, we propose the reacher of 650nm optoelectronic integrated transceiver chip using a standard 0.5μm CMOS or BCD process，focusing on the integration of optoelectronic devices (RCLED and PD). Based on the optoelectronic device equivalent circuit model, the optoelectronic integrated circuit can be designed collaboratively. Bonding (or flip) technology will be used to the hybrid integrated circuit of a 650nm RCLED and a drive circuit in optical transmitter, monolithic optical receiver with an integrated photodiode and amplifier circuit will be developed in standard CMOS or BCD technology. The transmission rate of 650nm optoelectronic integrated transceiver is about 250Mbps.The research has independent property rights.The standard Si technology is applied directly in optoelectronic information field at the 650nm wavelengh, promoting the development of integrated photonics.

塑料光纤（POF）通信是新一代短距离传输系统，具有简便、高速、低成本的优点，在光纤到桌面的宽带接入网、三网融合、智能家庭网络、工业控制等领域发挥重大作用。针对POF通信设备中最关键的核心- - 650nm光收发器技术掌握在国外的现状和分立的缺点，本项目提出采用0.5μm标准CMOS或BCD工艺实现650nm光电集成收发芯片的研究，重点解决光电子器件（RCLED、PD）与电路的集成技术。探讨光电器件等效电路模型的建立，解决光电集成电路协同设计的科学问题；提出采用键合（或倒装）技术的方法实现发射端的650nm RCLED与驱动电路混合集成；接收端中采用标准Si工艺直接实现高性能的650nm探测器和放大电路的单片集成。650nm收发芯片整体传输速率约250Mbps。该课题研究具有自主产权，在650nm波段上实现了Si集成电路工艺直接应用于光电子信息领域，对集成光电子学科的发展将起到推动作用。

本项目针对塑料光纤通信核心技术650nm光发射模块（由分立的 650nm 光源芯片和驱动电路芯片组成）和光接收模块（分立的 650nm 探测器芯片和前置放大+限幅放大电路芯片组成）处于分立及国外技术掌控的现状，提出采用低成本的标准 Si 工艺进行 650nm 光电集成收发芯片的研究，重点解决光电子器件（RCLED或VCSEL、PD）与电路的集成技术。研究主要内容有：设计中建立 650nm的 RCLED和 PD的等效电路模型，在 EDA设计软件中调用等效模型实现光电子器件与电路 IC 的协同设计；在解决纵向结构光电器件（RCLED、VCSEL和 PD）与横向电路 IC匹配问题的基础上进行设计驱动电路 IC、负反馈 TIA及 LA；采用标准 Si工艺代工完成 650nm RCLED驱动电路芯片和光接收单片集成芯片的研制；再通过键合方式将 RCLED 混合集成收发芯片；进行 650nm光收发芯片的一体化试封装测试，完成 650nm光收发芯片的集成化研究。通过三年的研究，采用了两种工艺（0.25μm BCD工艺和0.5μm CMOS工艺）进行五次流片，成功获得两类芯片（光电集成发射芯和单片光电集成接收芯片）。CMOS工艺发射芯片200MHz信号下瞬态特性良好，可在200Mbps速率传输；单片光电集成接收芯片在250Mbps、误码率小于10-9情况下，灵敏度为-23.3dBm，并得到250Mbps速率的清晰眼图。芯片性能优良，表明研究中建立了准确的标准工艺下的RCLED、VCSEL、PD等光电子器件模型，很好地解决纵向光电器件和横向集成电路兼容性设计，可推广普及。该研究成果具有自主产权，在 650nm 波段上实现了 Si 集成电路工艺直接应用于光电子信息领域，对集成光电子学科的发展起到推动作用。目前该成果正在实行成果转化。基于该研究成果，还可以发展集四象限光接收与光发射为一体的光电集成位置传感器研究，用于监测MEMS微动镜，形成一个基于光电集成技术的反馈式光扫描的微系统，可解决多种集成技术（微机电、微光学、光电集成）综合协同设计的科学问题，推动微系统集成技术的发展。