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芯思杰——100G光接收芯片技术研究

2016/6/21 11:12:10来源:本站原创 【字体:

导 读:100G光接收芯片是100G光通信中使用的关键接收光芯片,但单只光接收芯片的理论速率无法达到100GHz,所以,目前通常的做法是采用4只25G光接收芯片组成4X25G的阵列芯片,从而实现100G的信号光接收传输。
关 键 词:芯思杰 100G 光接收芯片

  100G光接收芯片是100G光通信中使用的关键接收光芯片,但单只光接收芯片的理论速率无法达到100GHz,所以,目前通常的做法是采用4只25G光接收芯片组成4X25G的阵列芯片,从而实现100G的信号光接收传输。
 
  目前根据不同的入光方式,100G光通信用的4X25G阵列光接收芯片主要有两大类:背入光式阵列光接收芯片和侧入光式阵列光接收芯片。典型的背入光式4X25G阵列光接收芯片结构如图1所示,它是将4只背面带微透镜的25GHz光接收芯片通过倒装焊的工艺,倒贴于固定间距的陶瓷载体上,从而实现4X25G的阵列光接收。侧入光式的4X25GHz光接收芯片是通过将1个4X25G的侧入光PD array直接耦合在无源PLC的光波导上,通过混频,实现高速的相干光100G光接收(如图2)。
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图1 背入光式4X25G光接收芯片阵列
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图2 侧入光式4X25G阵列光接收芯片
 
  针对背入光和侧入光两种不同的应用,其接收光芯片结构差别主要体现在背面集成微透镜和背面集成反射"V"型槽的差异。芯思杰自主设计的背面带微透镜的25G光接收芯片结构示意图(如图3)和正视外观图(如图4)。
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图3 芯思杰背入光25G光接收芯片结构示意图
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图4 芯思杰25GHz光接收芯片正视图
 
  理论设计上,芯片电容和光生载流子在本征区的渡越时间是影响芯片带宽的主要因素。如下面的(公式1)所示,其中,f为芯片带宽,ft为由于光生载流子漂移时间影响的带宽因素,fc为芯片电容所影响的带宽因素,ft和fc的计算公式分别如下(公式2)和(公式3)所示
 
  f=(f_t f_c)?(f_t^2+f_c^2 )^(1?2)         (公式1)
 
  ft=(2.4v_s)?2πW               (公式2)
 
  fc=1?(2πRC=1?2π((εε_O A)?(W+C_mos )) )      (公式3)
 
  其中W为芯片吸收区的宽度,A为芯片有源区的面积,Cmos为芯片mos电容,通过仿真计算,我们可以得出芯片带宽与吸收区宽度,芯片有源直径以及Cmos电容之间的关系图(如图5)。
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图5 芯片带宽关系图
 
  从图5可以看出,如果要使芯片的带宽大于25G,设计必须满足以下几点基本要求:
 
  需要有尽可能低的Cmos电容;
 
  ②需要设计合适的芯片有源区直径;
 
  ③芯片吸收区长度,芯片吸收区长度的设计需要同时兼顾芯片带宽和芯片响应度两个方面的限制因素。
 
  芯思杰针对以上设计要求,提供了以下设计方案:
 
  ①芯片的Cmos电容主要产生于芯片电极之前的电容,如图3所示采用PI膜为电极衬底材料,利用PI膜的低介电常数的特性,可以较大程度的将芯片Cmos电容控制在0.05pf左右;
 
  ②采用Φ24um的有源区尺寸设计可以很好的确保芯片带宽高于25GHz;
 
  ③从芯片带宽考虑,吸收层的厚度需要小于1.5um,但过窄的芯片吸收区厚度将导致低的芯片响应度,如下图6所示,在兼顾芯片带宽和响应度的综合因素下,芯思杰设计吸收区厚度为1.5um,在确保芯片带宽大于25GHz的条件下同时可以使芯片具有大于0.8A/W的芯片响应度。
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图6 芯片响应度与吸收区厚度关系图
 
  公司2016年初启动25GHz阵列光芯片的研发,通过半年多的研究,目前已完成设计定型,并对其中的关键制作工艺,如背面微透镜工艺等开展了深入的工艺研究,如下图7所示为芯思杰公司采用自主研发的专利工艺制作的芯片微透镜剖视图,已达到实用化水平。同时,在25G阵列光接收芯片的开发过程中芯思杰,已取得国家相关发明专利4项,新型实用专利8项,并且已被列为了深圳市科技创新项目,并获得了政府专项资金补助。根据目前的项目进度芯思杰将在2016年底推出自主研发的4X25GHz阵列光接收芯片,并提供客户送样,2017年实现规模化批量生产。
 
芯思杰——100G光接收芯片技术研究
  图7 芯思杰制作背面微透镜剖视图


 
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