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TWI437293B - 具有接地共平面波導之光通信系統 - Google Patents

具有接地共平面波導之光通信系統 Download PDF

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TWI437293B
TWI437293B TW099127034A TW99127034A TWI437293B TW I437293 B TWI437293 B TW I437293B TW 099127034 A TW099127034 A TW 099127034A TW 99127034 A TW99127034 A TW 99127034A TW I437293 B TWI437293 B TW I437293B
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Wei Han Cho
Chia Hou Tu
Shawn S H Hsu
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Nat Univ Tsing Hua
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/80—Optical aspects relating to the use of optical transmission for specific applications, not provided for in groups H04B10/03 - H04B10/70, e.g. optical power feeding or optical transmission through water
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Description

具有接地共平面波導之光通信系統
本發明係關於一種光通信系統，且特別是有關於一種包含電流緩衝器以及轉阻放大器，並使用接地共平面波導為信號傳輸線之光通信系統。
隨著網路應用與資訊產業的蓬勃發展，人類對於信號傳輸速度及信號傳輸量的需求呈現爆炸性成長。然而由於傳統的傳導介質為銅製同軸電纜線，電子信號傳輸因其物理限制，傳輸速度越高，信號衰減率與信號失真情形越是嚴重。因此，為了降低製造成本並提供較佳的傳輸品質，再加上光纖具有極低的訊號衰減率(<0.5dB/km)以及幾乎不受外來信號干擾的特性，目前以光纖構成之光通信系統已大量應用在各層級之網路中。
光通信系統運用於晶片間或晶片內資料傳輸為近年來受到矚目的一項課題。在過去三十年間穩定持續不斷縮減(scale down)的CMOS積體電路技術進入奈米世代的同時，以金屬線為介質之電子式連結其信號傳輸速度無法追上急遽上升的晶片間或晶片內資料傳輸需求，此限制已成為次世代製程發展所必須解決的課題之一。
然而，傳統的光通信系統中，於電流緩衝器、轉阻放大器或者其他的電路元件之間的信號係藉由微帶線(microstrip line)或者共平面波導(coplanar waveguide，CPW)進行傳輸。然而，所述的信號傳輸線並不十分理想，因此傳統的光通信系統在信號的傳輸上存在著許多交互耦合以及基板損耗的問題。
本發明之一範疇在於提供一種具有接地共平面波導之光通信系統，並且由於本發明使用接地共平面波導為信號傳輸線，因此可較使為微帶線之光通信系統有更低的交互耦合，也比使用共平面波導之光通信系統有更低的基板損耗。
本發明提出一種具有接地共平面波導之光通信系統，包含電流緩衝器以及轉阻放大器。電流緩衝器耦接信號源，用以自信號源接收電流信號，減少信號源之電容效應後輸出電流信號。轉阻放大器具有第一端、第二端與並聯-並聯回授(shunt-shunt feedback)電路，用以將所接收之電流信號轉換成電壓信號，其中第一端接收電流信號，第二端輸出電壓信號，並聯-並聯回授電路耦接於第一端與第二端之間。其中光通信系統所使用之信號連接線係具有接地共平面波導(grounded coplanar waveguide，GCPW)之結構。
根據本發明之一示範實施例，本發明之轉阻放大器包含n型金屬氧化物半導體場效電晶體(N-MOSFET)、p型金屬氧化物半導體場效電晶體(P-MOSFET)。其中，NMOS之源極接地，NMOS之閘極耦接第一端，NMOS之汲極耦接第二端。PMOS之源極耦接第一工作電壓，PMOS之閘極耦接第一端，PMOS之汲極耦接第二端，且NMOS之源極與閘極之間的跨壓小於PMOS之源極與閘極之間的跨壓。此外，電流緩衝器耦接第二工作電壓，且第一工作電壓大於第二工作電壓。。
根據本發明之另一示範實施例，本發明之電流緩衝器包含第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體、第四電晶體、第一電阻、第二電阻、第三電阻以及峰化電路。其中，第一電晶體之汲極耦接信號源、第二電晶體之源極以及第三電晶體的源極，第二電晶體之汲極耦接第一電阻以及轉阻放大器，第三電晶體之汲極耦接第二電阻以及第四電晶體之閘極，第四電晶體之源極透過峰化電路接地，且第四電晶體之汲極耦接第二電晶體之閘極以及第三電阻。此外，峰化電路係第一電容與第四電阻之串聯且其並聯第五電阻，用以提高電流緩衝器之頻寬。
根據本發明之另一示範實施例，本發明之接地共平面波導結構包含基板、介電質層、信號線路以及複數個連通結構部。介電質層形成於基板之表面上。信號線路接觸介電質層。複數個連通結構部形成於介電質層中，且所述多個連通結構部耦接置導電板，且所述多個連通結構部與導電板圍設有空間，信號線路置於上述空間中，每一連通結構部更包含複數個導電層以及至少一連通柱，連通柱分別接觸所述多個導電層，用以電性連接導電層與導電板。
綜上所述，本發明之具有接地共平面波導之光通信系統可較使為微帶線之光通信系統有更低的交互耦合，也比使用共平面波導之光通信系統有更低的基板損耗。因此，於光通信系統之間的各個功能區塊之間更快速、更理想的信號交換、傳遞、處理。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參見圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之方塊圖。如圖一所示，光通信系統1包含電流緩衝器10以及轉阻放大器12。此外，電流緩衝器10耦接信號源14，轉阻放大器12更可透過電壓緩衝器16耦接限制放大器(limiting amplifier)18。其中，光通信系統1所使用之信號連接線係具有接地共平面波導之結構。以下分別就上述元件作詳細的說明。
電流緩衝器10用以自信號源14接收電流信號，減少信號源14之電容效應後輸出電流信號。於實務中，電流緩衝器10可為一種RGC電流緩衝器，做為轉阻放大器12與信號源14間之隔絕層，以減少信號源14之大寄生電容對電路頻寬以及雜訊的影響。換句話說，電流緩衝器10降低了信號源14之電容效應。相對於轉阻放大器12而言，電流緩衝器10係用以將原本的信號源14之大寄生電容轉換成較小寄生電容。
轉阻放大器12具有第一端、第二端與並聯-並聯回授電路，用以將所接收之電流信號轉換成電壓信號，其中第一端接收電流信號，第二端輸出電壓信號，並聯-並聯回授電路耦接於第一端與第二端之間。於實務中，轉阻放大器12於電流轉電壓的放大部分是由一組具有並聯-並聯回授的電晶體組所構成。
信號源14包含光二極體，其中信號源14係接收光信號並轉換成電流信號。於實務中，信號源14更進一步以光纖連接一雷射驅動器(未繪示)，所述雷射驅動器包含雷射二極體以產生光信號。接著，信號源14中的光二極體把光信號再轉換成電流信號輸出至電流緩衝器10。
電壓緩衝器16耦接轉阻放大器12之第二端，用以接收並放大電壓信號。於實務中，電壓緩衝器16之主要作用為提供足夠電流以驅動後端負載，本發明並不以此為限。值得一提的是，由於在光通信系統1中，轉阻放大器12後級所接往往為限制放大器18或自動增益控制迴路(auto-gain control)，於此情形下可取消電壓緩衝器16，直接接上限制放大器18，減少電路的負載效應，並可增加轉阻放大器12的頻寬並改善群體延遲變異量(group delay variance)。
限制放大器18透過電壓緩衝器16耦接轉阻放大器12之第二端，用以接收並放大電壓信號。於實務中，限制放大器18提供接續在轉阻放大器12的放大階段，並且限制其輸出大小。特別的是，限制放大器18更可由使用者自行設定其電路特性，例如將限制放大器18設定成可調自動增益，或者調整輸出的一定的振幅大小。限制放大器18於設計上可為開迴路電壓放大器，例如串接複數個反向放大器以提供所需要的增益，或者可為差動電壓放大器以抑制共模雜訊。
然而，本發明之具有接地共平面波導之光通信系統於轉阻放大器可做若干調整，使得轉阻放大器的功率損耗可以進一步的降低。
請參見圖一與圖二，圖二係繪示根據本發明之另一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之電路結構示意圖。如圖所示，光通信系統1包含電流緩衝器10以及轉阻放大器12。電流緩衝器10藉由輸入端IN自信號源14接收電流信號，並降低了信號源14之電容效應後輸出至轉阻放大器12之第一端A。轉阻放大器12將所接收之電流信號轉換成電壓信號，並自輸出端OUT(也就是轉阻放大器12的第二端B)輸出。
其中，轉阻放大器12具有一n型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS)(圖二M3 )、一p型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOS)(圖二M4 )與並聯-並聯回授電路(圖二Rf )，使得NMOS之源極接地，NMOS之閘極耦接第一端A，NMOS之汲極耦接第二端B。並且，PMOS之源極耦接第一工作電壓VDD1 ，PMOS之閘極耦接第一端A，PMOS之汲極耦接第二端B。
請注意，轉阻放大器12耦接第一工作電壓VDD1 ，電流緩衝器10耦接第二工作電壓VDD2 。當第一工作電壓不同於第二工作電壓時，轉阻放大器12即為一種不對稱偏壓之反相器型(inverter-type)轉阻放大器。另一方面，本發明可藉由調低第二工作電壓，使其第一工作電壓大於第二工作電壓，使得NMOS之源極與閘極之間的跨壓(VGS,nmos )小於PMOS之源極與閘極之間的跨壓(VGS,pmos )。如此一來，本發明可以選取較小尺寸之PMOS以減小電路中之雜散電容，並藉由不對稱偏壓使電路可以在低功耗、無電感峰化(peaking)的情形下達成10Gb/s所需頻寬，並可於電流緩衝器10挑選阻值較大之R2 ，減小R2 與轉阻放大器12之第一端A之間電阻分壓產生之損耗。
另一方面，本發明之具有接地共平面波導之光通信系統於電流緩衝器可做若干調整，使其能符合在低電壓操作的需求。
請參見圖一與圖三，圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之電路結構示意圖。如圖所示，光通信系統1包含電流緩衝器10以及轉阻放大器12。其中，電流緩衝器10包含第一電晶體M1 、第二電晶體M2 、第三電晶體M3 、第四電晶體M4 、第一電阻R1 、第二電阻R2 、第三電阻R3 以及峰化電路(peaking circuit)102。其中，第一電晶體M1 之汲極耦接信號源14、第二電晶體M2 之源極以及第三電晶體M3 的源極，第二電晶體M2 之汲極耦接第一電阻R1 以及轉阻放大器12，第三電晶體M3 之汲極耦接第二電阻R2 以及第四電晶體M4 之閘極，第四電晶體M4 之源極透過峰化電路102接地，且第四電晶體M4 之汲極耦接第二電晶體M2 之閘極以及第三電阻R3 。
於實務中，峰化電路102係第一電容C1 與第四電阻R4 之串聯且其並聯第五電阻R5 ，用以提高電流緩衝器10之頻寬。並且由於輸入端IN改為連接到第三電晶體M3 的源極，避免使輸入端必須提供第二電晶體M2 之閘極操作直流電壓。因此，透過圖三可知，電流緩衝器10所需要的工作電壓VDD 可以比傳統電流緩衝架構更少，可以達到低電壓操作的需求。
另一方面，在光通信系統中所使用之信號連接線係接地共平面波導架構，詳細來說請參閱圖四，圖四係繪示根據本發明之一具體實施例之接地共平面波導之剖面圖。如圖所示，接地共平面波導2之結構包含基板20、介電質層22、信號線路24以及複數個連通結構部26。其中，介電質層22形成於基板20之表面上。信號線路24接觸介電質層22。複數個連通結構部26形成於介電質層22中，其中所述連通結構部26耦接至導電板28。
於實務中，所述多個連通結構部26與導電板28圍設有一空間，例如圖四所示之凹形空間，信號線路24置於所述空間中。此外，每一連通結構部26包含複數個導電層262以及連通柱264。本發明為了增加其導電效率，更可設置複數個連通柱264用以分別接觸所述多個導電層262，用以電性連接導電層262與導電板28。
藉此，相對於傳統的信號連接線使用之微帶線或者共平面波導線路，本發明之接地共平面波導架構有更低的交互耦合與更低的基板損耗。因此，本發明之具有接地共平面波導之光通信系統能夠以更低功率驅動並且具有更好的信號傳輸效率。
綜上所述，本發明之具有接地共平面波導之光通信系統可較使為微帶線之光通信系統有更低的交互耦合，也比使用共平面波導之光通信系統有更低的基板損耗。因此，於光通信系統之間的各個功能區塊之間更快速、更理想的信號交換、傳遞、處理。此外，本發明可應用於各種光通信系統中的積體電路，例如整合光通信系統之SOC(System on Chip)電路，使得在同一晶片上完成的系統得到更大量、更快速的資料處理能力。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。
1．．．光通信系統
10．．．電流緩衝器
12．．．轉阻放大器
14．．．信號源
16．．．電壓緩衝器
18．．．限制放大器
102．．．峰化電路
2．．．接地共平面波導
20．．．基板
22．．．介電質層
24．．．信號線路
26．．．連通結構部
28．．．導電板
262．．．導電層
264．．．連通柱
A．．．第一端
B．．．第二端
IN．．．輸入端
OUT．．．輸出端
M1 ~M4 ．．．電晶體
R1 ~R5 、Rf ．．．電阻
C1 ．．．電容
圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之方塊圖。
圖二係繪示根據本發明之另一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之電路結構示意圖。
圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例之具有接地共平面波導之光通信系統之電路結構示意圖。
圖四係繪示根據本發明之一具體實施例之接地共平面波導之剖面圖。
1．．．光通信系統
10．．．電流緩衝器
12．．．轉阻放大器
14．．．信號源
16．．．電壓緩衝器
18．．．限制放大器

Claims (9)

  1. 一種具有接地共平面波導之光通信系統，包含：一電流緩衝器，耦接一信號源，用以自該信號源接收一電流信號，減少該信號源之電容效應後輸出該電流信號，其中該電流緩衝器包含一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體、一第四電晶體、一第一電阻、一第二電阻、一第三電阻以及一峰化電路；以及一轉阻放大器，具有一第一端、一第二端與一並聯-並聯回授(shunt-shunt feedback)電路，用以將所接收之該電流信號轉換成一電壓信號，其中該第一端接收該電流信號，該第二端輸出該電壓信號，該並聯-並聯回授電路耦接於該第一端與該第二端之間；其中該第一電晶體之汲極耦接該信號源、該第二電晶體之源極以及該第三電晶體的源極，該第二電晶體之汲極耦接該第一電阻以及該轉阻放大器，該第三電晶體之汲極耦接該第二電阻以及該第四電晶體之閘極，該第四電晶體之源極透過該峰化電路接地，且該第四電晶體之汲極耦接該第二電晶體之閘極以及該第三電阻，該光通信系統所使用之信號連接線係具有一接地共平面波導(Grounded Coplanar Waveguide,GCPW)之結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，其中該轉阻放大器包含：一n型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS)，其中該NMOS之源極接地，該NMOS之閘極耦接該第一端，該NMOS之汲極耦接該第二端；以及一p型金屬氧化物半導體場效電晶體(PMOS)，其中該PMOS之源極耦接一第一工作電壓，該PMOS之閘極耦接該第一端，該PMOS之汲極耦接該第二端； 其中該NMOS之源極與閘極之間的跨壓小於該PMOS之源極與閘極之間的跨壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光通信系統，其中該電流緩衝器耦接一第二工作電壓，且該第一工作電壓大於該第二工作電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，其中該峰化電路係一第一電容與一第四電阻之串聯且其並聯一第五電阻，用以提高該電流緩衝器之頻寬。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，其中該信號源包含一光二極體，該信號源係接收一光信號並轉換成該電流信號。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，更包含：一限制放大器，耦接該轉阻放大器之該第二端，用以接收並放大該電壓信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，更包含：一電壓緩衝器，耦接該轉阻放大器之該第二端，用以接收並放大該電壓信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之光通信系統，其中該接地共平面波導結構包含：一基板；一介電質層，形成於該基板之一表面上；一信號線路，接觸該介電質層；以及複數個連通結構部，形成於該介電質層中，該些連通結構部耦接至一導電板，且該些連通結構部與該導電板圍設有一空間，該信號線路置於該空間中，且每一連通結構部包含：複數個導電層；以及至少一連通柱，分別接觸該些導電層，用以電性連接 該些導電層與該導電板。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光通信系統，其中該導電板形成於該基板之該表面之上。
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