隨著網際網路的出現，人們不斷發現新的應用方法，例如資料傳輸、視訊會議等。這些應用都需要更快的傳輸速度，因此光纖通訊以其超快的頻寬與極低的傳輸損耗，一直是滿足這些需求的終極解決方案。光通訊的原理是利用光纖（fiber）來傳遞光訊號，如(表一)所示是光通訊和其它不同的通訊方法比較表。由表中可明顯看出，光通訊的頻寬可達百億位元（10Gbs），遠大於其餘各種通訊方法，而且其損耗也很低，每公里只有0.2dB。事實上，由於光纖本身的頻寬可達500億赫茲（50GHz）以上，因此光通訊的頻寬是被電子零件的頻寬所限制住，但是隨著近年來製程進步與電晶體速度的提升，光通訊電路也變得越來越重要。現在市面上的寬頻上網大部份都是利用ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line），它的好處是只要用現有的電話線路即可，但是它的損耗相當大，因此頻寬沒辦法作到很高，尤其是對於像視訊會議這種須要雙向都很快的應用是沒有辦法的。是故，未來光纖到家（fiber to the home；FTTH）會成為必然的趨勢，台灣地小人稠，正好適合這種光纖到家的終極解決方案，光通訊電路勢必會成為下一代網路通訊的骨幹。另外，由於光通訊電路接收端是整個光通訊電路當中最困難的部份，因此本文將針對光通訊電路接收端進行深入的探討，並針對矽鍺技術的應用作詳細說明與分析。

光通訊電路接收端架構簡介

光通訊電路接收端架構如(圖一)所示，光信號經由光纖傳送，先到達光偵測器（Photodetector；PD），將光信號轉換為光電流。接下來再由轉阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA）將光電流轉換為電壓信號，再經限制放大器（Limiting Amplifier；LA）將電壓信號放大到可以當作數位信號的程度。接下來再將此信號送給數據時脈回復電路（Clock and Data Recovery；CDR），判斷資料為0或1，並順便以資料的速度產生一固定時脈的方波信號，讓後級的數位電路可以使用這個轉換出來的信號。

《圖一　光通訊接收端電路區塊圖》

在這些電路區塊中，每個部份都有其特定的功能和要求，以下將一一說明。首先，在光偵測器部份是將光信號轉換為光電流，故其主要規格在於光電轉換的光反應度（Responsivity）和光偵測器本身的反應速度。一般說來，其光反應度必須在0.7A/W以上，也就是說若有10μW的光輸入，要有7μA的光電流輸出。如果光反應度太低，會限制了光纖傳輸的距離。另外，反應速度必須達到系統的要求，例如在OC192規格中，就要求百億赫茲（10GHz）的速度。

轉阻放大器的功能在將光電流轉換為電壓信號，故其小訊號轉阻增益和頻寬是必然的規格。另外，由於轉阻放大器位於光通訊電路接收端的最前級，類似RF電路的低雜訊放大器（LNA），轉阻放大器也必須有低的雜訊比才能將整個系統的雜訊降低。有些應用還要求轉阻放大器要有很大的動態範圍（dynamic range）[4]，通常是如果輸入光電流信號太大的話，轉阻放大器必須有一機制讓過大的光電流宣洩，否則會使轉阻放大器沒辦法操作在其應有的操作點。一般的作法是會在轉阻放大器中增加自動增益控制（Automatic Gain Control；AGC）的功能。

另外，由於轉阻放大器尚須有低雜訊的功能，因此到這裡的輸出電壓信號還很小，限制放大器的作用在把小電壓信號再放大，以達到數位電路所需求的大信號輸出。是故限制放大器的主要規格有頻寬和靈敏度（sensitivity），靈敏度是指該限制放大器所能接受的最小輸入，其值一般為5mV左右，表示轉阻放大器的輸出電壓振幅要超過5mV，限制放大器才能正常動作。靈敏度越小，則表示在設計上，轉阻放大器的轉阻增益可以小一些。

最後一級電路是CDR，這個區塊已經完全是數位電路。因為傳輸過程中一定會有一些小的雜訊混入信號中，所以通常輸入信號到這裡的雜訊會比較大，CDR電路可以將這些雜訊再縮小，並抓出資料的時脈。例如雖然是在OC192規格下傳送，但是資料速度不一定剛好是準確的10GHz，有可能是9.9GHz或10.2GHz等等。如果用不對的時脈去取資料會得到錯誤的結果，因此CDR電路利用鎖相迴路（Phase Lock Loop；PLL）的技巧來鎖定資料的速度，並一起提供給後級電路使用。

在CDR之後就是大家所熟知的數位信號了，通常經由解調器（demultiplexer；demux）就可以將頻寬分配給各個使用者。

矽鍺光偵測器

一般光通訊電路接收端的最前級為一光偵測器（photodetector），其將光纖傳來之光信號轉換為光電流以供後級電路使用。受限於矽的截止波長（cutoff wavelength）為1.1μm，對於光通訊常用的波長（850nm、1.3μm與1.5μm）都無法作有效的吸收。是故光偵測器一直都是以三五族製程來完成[5-7]，但是如此一來就沒辦法達到製程整合與SoC（System on Chip）的目的了。由最近的研究顯示[8,9]，矽鍺異質接面光電晶體（SiGe Heterojunction phototransistor；HPT）在850nm有作為光偵測器的能力，因此在本文中介紹矽鍺異質接面光電晶體的製作與量測特性，如此一來可以大幅減少製造成本並達到製程整合與SoC的目標。

矽鍺異質接面光電晶體的結構圖如(圖二)所示，其為四端元件，包括射極（Emitter；E）、基極（Base；B）、集極（Collector；C）和基板（Substrate；S），在不照光的時候就是一般的異質接面電晶體（Heterojunction Bipolar Transistor；HBT）。在基極與集極之間加入量子井結構（multiple quantum wells；MQW）以增加元件的吸光能力，該量子井為5nm的50％鍺摻雜層與25nm矽的串疊。另外，基極為30nm的矽、30nm的0～15％之鍺摻雜漸增層（SiGe graded layer）和30nm的15％鍺摻雜層。基極的電洞摻雜為5×1018cm-3，而汲極的電子摻雜為1017cm-3。射極面積（emitter area）為6μm2。

《圖二　矽鍺異質接面光電晶體剖面圖》

SiGe HPT照光後，載子在B-C間產生，經由HBT原本的放大功能，可以將光電流放大，因而達到更高的光感應度（responsivity）。其照850nm的雷射光後的Gummel圖如(圖三)所示，其未照光之基極電流（base current）在VBE>0.5V皆為理想之1kT電流，表示元件之缺陷（defect）很少。在光電流部份，可以看出基極電流在約VBE＝0.85V時變號，這是由於光電流是由集極流至基極，因此光電流與集極電流（collector current）同向，但與基極電流反向。另外，以基極開路（base open）的模式來照850nm雷射，在VCE＝1.5V的偏壓下，光電流可以達到9.1mA，即1.47A/W的光感應度，且其暗電流仍維持在非常低的水準（3nA）。由圖中也可看出，其偏壓範圍很大，對於電路的應用是非常適合的。光電流在B-C間產生後，經由HBT的電路放大，但其增益通常會比原本的β要小一些，這是因為光和電反應不同的緣故，但是經過這樣的放大，通常都可以達到非常大的光感應度。

《圖三　850nm雷射光反應之Gummel圖》

另一方面，元件的反應時間（response time）也是一項非常重要的參數。SiGe HPT的原理如圖二所示，載子在B-C間形成，電子流到集極，而電洞流到基極。但是在操作時，基極為開路，因此基極的電洞須要經B-E介面到達射極，這一路是最慢的，限制了元件的操作速度。近來有人提出以基板與射極短路的方式來增加矽鍺異質接面光電晶體的速度[10]，可以作為未來研究的方向。是故，經由Impulse Response的量測，可以得到SiGe HPT的上昇時間（rise time）為38ps，半高寬時間（full width half magnitude；FWHM）為208ps。將Impulse Response的結果經由快速傅利葉轉換（Fast Fourier Transform；FFT）[11]可以得到SiGe HPT的頻寬為1.25GHz。

總之，矽鍺異質接面光電晶體有很大的光反應度，對於電路應用而言，在0.7A/W即可，因此矽鍺異質接面光電晶體作為850nm的光偵測器可謂游刃有餘。但其缺點在於反應速度仍然不夠快，未來希望能將光反應度調低，進而增加其反應速度，以達到製程整合的目的。

矽鍺轉阻放大器

緊接著光偵測器之後是轉阻放大器（Transimpedance Amplifier；TIA），其作用在於將光偵測器受光所產生之光電流，轉換為一般電路常用的電壓信號。使用矽鍺製程的目的在於它可以和現有的矽製程整合在同一個晶片上，尤其是將光偵測器和轉阻放大器皆以矽鍺製程完成，將可與後面的電路進行系統整合，達到SoC（System on Chip）的目標。

《圖四　矽鍺轉阻放大器》

如(圖四)所示為利用台積電SiGe 0.35μm製程所製作之矽鍺轉阻放大器，它採用共射極和共基極串疊（common emitter and common base cascode）架構，加上負回授（negative feedback）電路。最後有一輸出級（output buffer）可將電壓信號由單端轉雙端且輸出阻抗為50歐姆。共射極和共基極串疊的架構可以降低共射極電路的米勒效應（Miller effect）以加大頻寬，加上負回授電路也有同樣的效果，不過後者也會使小訊號增益下降，因此必須將電路取在一適當值。在選用元件方面，較大的元件可使電流加大，gm增加，Rc可以較小，如此可以減小一些noise的產生。但是元件大，內部寄生電容也大，故最後選擇使用一面積適中的元件。在回授電阻RF值的選擇上，其值越小，頻寬越大，但增益也越小，故最後也取在一適當值。Input端的電容Cs為前級光偵測器的電容，其值約0.1pF。但是若考量實際layout中，PAD的寄生電容值大約是0.15pF，故以此值來模擬電路。output buffer可將電壓信號由單端轉雙端，這是因為通常轉阻放大器（TIA）的後級為限制放大器（LA）再到數位電路，故將信號轉成雙端可以增加電路往後的適用性。輸出阻抗為50歐姆也是為了要和後級電路配合，因為在沒有約定的狀況下，50歐姆介面是讓傳輸損耗最低的選擇，一般皆以50歐姆介面為基礎，但是如此一來，小訊號轉阻增益會變為原來之一半，因此之後所量測到的小訊號轉阻增益必須要乘以2才是原本的轉阻增益值。

(圖五)為眼圖（eye diagram）的量測結果，其量測方法是製作一塊PCB板，將轉阻放大器打線到外部電路，輸入電壓信號經由外部電路轉換為電流信號再輸入到轉阻放大器中。由圖中可以明顯看出，輸出波形有達到光通訊OC192規格（10Gbps）的眼圖要求，可以看出本設計之矽鍺轉阻放大器可以操作在10GHz的頻寬，將來其與CMOS矽製程的後級電路將可作有效地製程整合，實現SoC的終極目標。

《圖五　矽鍺轉阻放大器之眼圖》

結語

總之，將矽鍺技術引入光通訊電路接收端的光偵測器和轉阻放大器，可以達到與後級矽製程電路整合的目的，將來對於SoC的實現有極正面的幫助。（作者劉致為是台大電子工程學研究所/台大系統晶片中心研發教授；袁鋒為台大電子工程學研究所研究生）