（电路与系统专业论文）深亚微米cmos高速分接器设计.pdf

学位论文独创性声明 本人声l _ j 所! 交的学位论文是我个人在导师指导下进干于的研究工作及取柑 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包台为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名幽日期：趔一) 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文挡的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：继翮虢逝日期：型墨 涤亚微米c m o s 高速分接器设计 摘要 分接器是光纤传输接口链路的关键电路之一。丑前在同步数字体系的规范下，分接器的 工作速率一般都在g b s 级别。过去一般采用砷化镓( g a a s ) 、双极性硅( b i p o l a rs i ) 或b i c m o s 等工艺实现高速的分接器芯片。近年来，随着c m o s 工艺的不断进步，已经可以实现g b s 速率的电路。本文给出用设计的1 ：4 分接器集成电路，对c m o s 高速数字集成电路设计作初 步探讨。 分接器有三种结构：串行、并行和树型。本文设计的高述1 ：4 分接器采j = | j 树型结构，用 差分的源极耦合场效应管逻辑电路实现。 实验芯片的测试结02 5 9 i nc m o s 果表明，分接器可以j 二作在1 0 g b s 。采用3 3 v 电源， 功耗在常温下低于o7 w 。 此外本文还介绍了光纤通信传输系统的组成，无生产线集成电路设计技术，以及一个用 o 18 u m 标准c m o s 工艺实现的高速分频器设计。 关键词 光纤通信，s d i - i s o n e t ，光纤传输接i z ：i ，分频器，分接器，c m o s ，高速数字集成电路， d 触发器，源极耦合场效应管逻辑电路，无生产线集成电路设计 第3 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 a b s t r a c t d e m u l t i p l e x e ri so n eo ft h ek e yf u n c t i o nm o d u l e so fo p t i c f i b e rl i n k s u n d e rt h e r u l e so fs y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y , t h eb i tr a t e so fm u l t i l ，l e x e r sa r ed e f i n e da tt h e l e v e l so f l 5 5 5 2 m b s ，6 2 2 0 8 m b s ，2 4 8 8 3 2 m b sa n d 9 9 5 3 2 8 m b s i n t h ep a s t d e c a d e s ， m a n ye n g i n e e r sh a v er e a l i z e dh i 曲一s p e e dm u l t i p l e x e r sb yu s i n g ( 3 a a s ，b i p o l a rs ia n d b i c m o s p r o c e s s e s a st h ef e a t u r es i z eo fc m o sp r o c e s sg e t t i n gm o r ea n dm o r es m a l l ， i ti sn o wp o s s i b l et or e a l i z em u l t i g b sd i g i t a li c sb yu s i n gc m o sp r o c e s s e s t h i s p a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no f a1 ：4d e m u l t i p t e x e ri no 2 5 9 r nc m o s t h e r ea r et h r e eb a s i cs t r u c t u r e so fd e u l t i g i l e x e r ：s e r i a l ，p a r a l l e la n dt r e e t h i sp a p e r u s e st r e es t r u c t u r et ob u i l dt h el ：4d e m u l f i p l e x e rw i t hs o u r c ec o u p l e dl o g i cc i r c u i t s t h em e a s u r e m e n to ft h et e s tc h i ps h o w st h a tt h i sc h i pc a no p e r a t ea t10 g b s ，a n d i t sp o w e rc o n s u m p t i o ni sl o w e rt h a no 7 ww i t ha3 3 vv o l t a g es u p p l y b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s og i v e sa ni n t r o d u c t i o no ff i b e rc o m m u n i c a t i o nt r a n s p o r t s y s t e m ，f a b l e s si cd e s i g na n dt h ed e s i g no fah i g hs p e e d 疳e q u e n c yd i v i d e ru s e do 18 岫c m o ss t a n d a r dp r o c e s s k e yw o r d s s d h s o n e o p t i c f i b e rl i n k ，d e m u l f i p l e x e r , c m o s ，h i g h s p e e d d i g i t a li c ，s o u r c ec o u p l e df e tl o g i c ，f l i p f l o p ，f r e q u e n c yd i v i d e r , f a b l e s si cd e s i g n 第4 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 序言 2 0 世纪g o 年代以来，一些基于通信网络资源的业务，例如数据查询、家庭网上购物、 视频点播、远程教育、电子医疗、电视会议等以异乎寻常之势飞速发展。个人计算机的存储 容量及处理能力的显著增加、i n t e r n e t 广泛普及的趋势，远距离介入程序和信息数据库，使 人们有了更r 。阔的选择范罔，并为这类需求的增i 殳添加了原动力。随着网络化时代的到来， 人们对信息的需求与日俱增。全球范围内i p 业务突飞猛进的发展，为了处理日益增长的来 自分布在各地的个人计算机埘户到巨型商业用户和研究机构的高带宽要求，通信公司在世界 范围内正在构造以光纤为骨干网的大规模通信系统。光纤通信作为“信息高速公路”的主要 基石，作为现代信息社会的重要支柱，其发展速度之快、运行潜力之大、应用范围之广早已 举世瞩目。 从当前信息技术发展的潮流来看，数据化、宽带化、综合化己成趋势。传输与交换融合， 电路交换向分组交换演进，网络向更加宽带化、智能化、集成化、兼容性、灵活性和高可靠 性的方向发展已成必然。 近十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，人们对光纤通信提出了更高的 要求，同时也促进了光纤通信高技术的发展。 随着掺铒光纤放大器( e d f a ) 在长途骨干网络中的广泛采用，传输距离将不再成为限 制s d h 组网的主要因素。基于密集波分复用系统( d w d m ) 网络的s d h 组网将变得更加灵 活。 光纤通信的传输系统由复接器、激光驱动器、激光二极管、光电二极管、预放大器、主 放大器、时钟恢复、数据判决和分接器组成，如图一。 图一光纤通信的传输系统示意幽 第5 负共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 在发送端，复接器( m u l t i p l e x e r ) 将n 路低速信号复接成一路高速信号，激光驱动器( l d d r i v e r ) 驱动激光二极管( l d ：l a s e rd i o d e ) 将信号转换为光信号后通过光纤传输。在接收端， 光信号由光电二极管( p d ：p h o t o nd i o d e ) 转化为电信号，微弱的电信号经过预放大器 ( p r e - a m p i l f i e r ) 和主放大器( m a i na m p l i f i e r ) 放大后，由时钟恢复( c r ：c l o c kr e c o v e r y ) 和数据判决( d d ：d a t ad e c i s i o n ) 电路分别从中恢复出时钟信号和数据信号，最后由分接器 ( d e m u x ：d e m u t t i p l e x e r ) 把高速信号还原成原始的n 路低速信号。分接器( 圈一中灰色的 模块) 是光纤通信系统中接收模块的一个重要组成部分。 本论文研究光纤通信用1 ：4 分接器的设计实现和测试。 第一章概要介绍光纤通信系统，第二章简要介绍光纤通信_ 【 ；j 芯片设计采用的集成电路生 产工艺，第三章讲述无生产线集成电路设计制造方法，第四章介绍分频器的设计，第五章讨 论分接器的功能和系统结构，第六章介绍s c f l 电路分析与分接器的设计，第七章介绍分接 器的版图设计，第八章给出实际生产出来的分接器的测试结果。最后给出结论。 第6 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 第一章光纤通信系统 1 1 光纤通信的历史 1 8 7 0 年，英国物理学家廷德尔在实验中观察到，把光照射刮盛水的容器内，从出水口向 外倒水时，光线也沿着水流传播，出现弯曲现象，这好象不符台光只能直线传播的定律。实 际上，这时光仍是沿直线传播，只不过在水流中出现了光反射、折射现象，因而光是以折线 方式前进的。 简单地说，光纤通信也就是运用光反射原理，把光的全反射限制在光纤内部，用光的信 号取代传统通信方式中的电信号。 廷德尔观察到的现象，直至1 9 5 5 年才得到实际应用。当时在英国伦敦英国学院工作的 卡帕尼博士，发明了用极细的玻璃制做光导纤维。每根细如丝的光导纤维是用两种对光的折 射率不同的玻璃制成，一种形成中心束线，另一种包在中心束线外面形成包层。由于两种玻 璃在光学性质上的差别，光线经一定角度从光导纤维的一端射入后，不会从纤维壁逸出，而 是沿两层玻璃的界面连续反射前进，从另一端射出。最初，这种光导纤维只是应用在医学上， 用来改进内窥镜。因此当时应用范围受到限制。 1 9 6 0 年，在英国标准通信公司实验室工作的英籍华裔科学家高昆博士和霍克姆博士提 出：只要去除玻璃中的杂质，使其对光的吸引减到最小，就可o , n 用光导纤维进行远距离光 信息传输。并提出做光通信的光导纤维的衰减率须小于每公里2 0 分贝。 1 9 7 0 年，美国柯林玻璃公司研制出第一根光损耗为每公里2 0 分贝的低损耗光导纤维拉 开了光导纤维应用于光通信的序幕。柯林公司经多年努力，利用先进的技术，已能制出很纯、 很均匀的玻璃纤维，使进入光纤的光信号，在强度减半前可行进1 0 多公里。 光导纤维的制造技术在迅速发展，光纤的光衰减率逐年降低。到1 9 7 9 年，1 5 微米波长 的最低光损耗率达到每公里0 2 分贝。有了如此高质量的光导体，就可以减少对价格昂贵的 增幅器的需求。 光纤通信与目前通用的电气通信相比有许多优越之处。光纤通信的通信容量比电气通信 高1 0 0 倍，一根比头发丝还细的光纤可传输几万路电话或几千路电视信号。制造光导纤维的 原料是地球上取之不尽的石英，只要几克石英就能制出一公里氏的光纤。因而用光纤代替普 通金属导线可以节约大量宝贵的有色金属铜和铅。光纤的重量很轻，8 根光纾做成的光缆， 每公里仅重约6 0 公斤，而同样数量的普通电缆则有4 吨重。光导纤维的传输损耗低，因此 中继站距离长。一般同牟| i 1 电缆，每隔1 5 公里就要设一个中继站；而光纤通信的中继站，距 离可超出1 0 公里。这就意味着采用光纤通信系统的投资可大人降低。另外，光纾通信还具 有抗干扰、无污染、保密性等优点。 第7 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 光纤通信确是一种理想的通信手段。自1 9 7 7 年5 月，美国电报电话公司在芝加哥市内 两个电话局间开通了世界上第条光纤通信线路以来，世界上已有很多国家开始及发展光纤 通信，美、日、英、法等国已宣布，今后铺设长途通信干线不再使用电缆而改用光缆了。 ， 光纤通信传输体制的发展经历了以下历程： 1 9 7 2 年 1 9 7 6 和1 9 8 8 年 1 9 8 4 年 1 9 8 5 芷 1 9 8 6 年 1 9 8 8 年 1 9 9 0 年以后 i t u ，t 前身c c i t t 提出第批p d h 建议； 又提出两批建议形成完整的p d h 体系： 美国贝尔实验室开始同步信号光传输体系的研究； 美国国家标准协会( a n s 0 根据贝尔实验室提出的全同步网的构想，委托 t 1 x i 委员会起草光同步网标准，并命名为s o n e t i ：s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k ) ； c c i t t 开始以s o n e t 为基础制订s d h ： 通过了第一批s d h 建议； s d h 已成为光纤通信基本传输方式；目前，s d h 不仅是一套新的国际标 准又是一个组网原则，也是一种复用方法。 进入2 1 世纪，d w d m 系统经过几年来的发展、大规模的商用，技术更加成熟，性能更 加稳定，从骨干网、本地网向城域网大规模渗透已经是大势所趋。 1 。2 光纤通信的优点 光纤通信的出现和发展，在通信史上具有深远意义，被认为是通信史上一次根本性的变 革，在未来的信息社会中，光纤通信将占有主宰地位，大量的信息交换将由光纤通信网路承 担。这是因为光纤通信具有以下的优点i jj ： 1 通信容量特别大，适合与高速率的数字通信； 2 传输损耗低，中继距离长； 3 中继站无需幅度均衡措施，电路简单； 4 ， 多根光纤可以组成光缆，而且相邻光纤之间几乎没有串音，通信质量有保证； 5 光沿光纤传播，没有大地回路，没有接地问题，不受大地电流影响； 6 不受电磁、静电及人为干扰，也适用于电气铁路和电力线路的通信应用； 7 没有电火花产生。在易燃、易爆场台使用安全可靠； 8 窃昕困难，保密性好： 9 s i 0 2 原料丰富； 1 0 系统尺寸小、重量轻、易于敷设和处理，经济效益高。 第8 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 1 3 光纤通信系统的构成 1 3 1 基本光纤通信系统 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成，如图1 1 。其 中数据源可包括所有类型的信号源，它们是话音、图象、数据等业务经过信源编码所得到的 信号；光发送机和调制器则负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号。根据可实现的 光源波长先后用的光波窗口有o 8 5 i _ t m 、1 3 1 ”m 和i 5 5 p m ，如图1 2 。光学信道包括最基本的 光纤，还有掺铒光纤放大器e d f a 等；而光学接收机则接收光信号，并从中提取信息，然后 转变成电信号，最后得到剥廊的话音、图象、数据等信息。 图1 1 光通信系统图 g , a l t _ 由正曲7 枷8 0 0 1 蚴l 蛳，枷l 鲫1 8 0 0 w w 妇啦扣啦 图1 2 光纤系统中用的光波窗口 从左到右依次分别为0 8 5 t m 、1 3 i _ t i n 羽i1 5 5 n 第9 页共8 6 页 m 拍 如 舳 抽 帖 蛋舳)q责目目差 深亚微米c m o s 高速分接器设计 1 3 2 数字光纤通信系统 光纤传输系统是数字通信的理想通道。与模拟通信相比较，数字通信有很多的优点，灵 敏度高、传输质量好。因此，大容量长距离的光纤通信系统大多采用数字传输方式。电发 射端机的主要任务是p c m 编码和信号的多路复用。 多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将 各路信号分离出来，多路复州可以极大地提高通信线路的利用率。 在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲0 码和”l ”码组成的码流，它由二进 制数字信号对光源进行开关调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量 化和编码产生的，称为p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ，即脉冲编码调制。这种电的数字信号 称为数字基带信号，由p c m 电端机产生。 采样是指从原始的时间雨i 幅度连续的模拟信号中离散地抽取一部分样值，变换成时间和 幅度都是离散的数字信号的过程。 采样所得的信号幅度是无限多的，让这些幅度无限多的连续样值信号通过一个量化器， 四舍五入，使这些幅度变为有限的m 种( m 为整数) ，这就是量化。由于在量化的过程中幅 度取了整数，所以量化后的信号与采样信号之间有一个差值( 称为量化误差) ，使接收端的 信号与原信号问有一定的误差，这种误差表现为接收噪声，称为量化噪声。码位数m 越多， 分级就越细，误差越小，量化噪声也越小。 编码是指按照一定的规则将采样所得的m 种信号用一组二进制或者其它进制的数来表 示，每种信号都可以由n 个2 二进制数来表示，m 和n 满足m = 2 “。例如如果量化后的幅值 有8 种，则编码时每个幅值都需要用3 个二进制的序列来表示。需要注意的是，此处的编码 仅指信源编码，这和后面提到的信道编码是有所区别的。 现咀话音为例来说明这个过程。我们知道话音的频率范围是3 0 0 3 4 0 0 h z ，在采样的时 候，要遵循奈奎斯特采样率( 奈奎斯特采样定理：要从采样信号中无失真地恢复原信号，采 样频率应大于或等于2 倍信号最高频率。) ，实际中按8 0 0 0 h z 的速率进行采样。为了保证通 话的质量，在长途干线话路中采用的是8 位码( 2 8 = 2 5 6 个码组) 。这样量化值有2 5 6 种，每 一种量化值都需要用8 位二进制码编码，那么每一个话路的话音信号速率为8 8 = 6 4 k b p s 。 多路复用技术包括：频分多路( f d m ) 、时分多路( t d m ) 、波分多路( w d m ) 、码分多 址( c d m a ) 和空分多址( s d m a ) 。 时分多路复用：当信道达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使 用信道的时间分成一个个的时间片( 时隙) ，按定规则将这些时间片分配给各路信号，每 一路信号只能在自己的时问片内独占信道进行传输，所以信号之间不会互相干扰。 频分多路复用：当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道， 每个子信道用来传输一路信号。或者说是将频率划分成不同的频率段，不同路的信号在不同 第1 0 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 的频段内传送，各个频段之间不会相互影响，所以不同路的信号可以同时传送。这就是频分 多路复用( f d m ) 。 波分多路复用：是f d m 应用于光纤信道的一个变例。 码分多址( c d m a ) ：这种技术多用于移动通信，不同的移动台( 或手机) 可以使用同 一个频率，但是每个移动台( 或手机) 都被分配带有一个独特的“码序列”，该序列码与所 有别的“码序列”都不相同，所以各个用户相互之间也没有干扰。因为是靠不同的“码序列” 来区分不同的移动台( 或手机) ，所以叫做“码分多址”技术。 空分多址( s d m a ) ：这种技术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星 上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它 们在同时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。空分多址是一种 信道增容的方式，可以实现频率的重复使用 址方式相互兼容，从丽实现鲴合的多址技术 1 3 3 光发射端机 光发送端机组成如图1 4 所示。 充分利用频率资源。空分多址还可以和其它多 例如空分鸸分多址( s d c d m a ) 。 图1 3 光发送端机组成 从p c m 设备( 电端机) 送来的电信号是适合p c m 传输的码型，为h d b 3 码或c m i 码。 信号进入光发送机后，首先进入输入接口电路，进行信道编码，变成由0 和1 码组成的非 归零码( n r z ) 。然后在码型变换电路中进行码型变换，变换成适合于光线路传输的m b n b 码或插入码，再送入光发送电路，将电信号变换成光信号，送入光纤传输。 线路编码：又称信道编码，其作用是消除或减少数字电信号中的直流和低频分量，以便 于在光纤中传输、接收及监测。大体可归纳为三类：扰码二二进制、字变换码、插入型码。 我们知道将一种数据形式转换成适合于在信道上传输的某种电信号形式，这类技术统称 为调制解调技术。 调制方式：模拟通信可采用调幅、调频、 地称为幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、 调相等多种调制方式，采用数字调制利，相应 相移键控( p s k ) ；信号只有两种状态的a s k 称为通断键控( o o k ) ，当前的数字通信系统使用o o k ，p c m 格式，属于强度调制直接检测 ( i m d d ) 通信方式，是通信方式中鼹简单、最初级的力式。丽相干通信系统则可使用a s k 、 f s k 或p s k 。p c m 格式，是复杂、高级的通信方式。 第1 1 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接 i 设计 1 3 4 光中继器 目前，实用的光纤数字通信系统都是用二进制p c m 信号对光源进行直接强度调制的。 光发送机输出韵经过强度调制的光脉冲信号通过光纤传输到接收端。由于受发送，光功率、接 收机灵敏度、光纤线路损耗、甚至色散等因素的影响及限制，光端机之间的最火传输距离是 有限的。 例如，在1 3 1 岬工作区3 4 m b s 光端机的最大传输距离一般在5 0 7 0 k m ，1 4 0 m b s 光端 机的最大传输距离一般在4 0 6 0 k m 。如果要超过这个鼹大传输距离，通常考虑增加光中继 器，阻放大和处理经衰减利变形了的光脉冲。早期的光中继器常采用光电再生中继器，即光 一电一光中继器，这相当于光纤传输的接力站。如此，就可以把传输距离大大延长。采用这 种模式，光电检测器先将光纤送来的非常微弱的并失真了的光信号转换成电信号，再通过放 大、整形、再定时，还原成与原来的信号一样的电脉冲信号。然后用这一电脉冲信号驱动激 光器发光，又将电信号变换成光信号，向下一段光纤发送出光脉冲信号。通常把有再放大 ( r e a m p l i f y i n g ) 、再整形( s h a p i n g ) 、再定时( r e - t i m i n g ) 这三种功能的中继器称为”3 剐中 继器。这种方式系统复杂，不利于光纤的高速传输。 自从掺铒光纤放大器( e d f a ) 问世以后，光中继实现了全光中继，通常又称为l r ( r e a m p l i f y i n g ) 再生。此技术目前己被广泛应用。 1 3 5 光接收机 从光纤传来的光信号进入光接收电路，将光信号变成电信号并放大后，进行定时再生， 又恢复成数字信号。由于发送端有码型变换，因此，在接收端要进行码型反变换，然后将信 号送入输出接口电路，变成适合p c m 传输的h d b 3 码或c m i 码，送给p c m 。 在数字通信系统中，光接收机的性能用误码率来衡量。 接收机主要性能参数：接收灵敏度、光接收机的动态范围。 1 3 5 1 接收机灵敏度 接收机的灵敏度是表征光接收机调整到最佳工作状态时，光接收机接收微弱光信号的能 力。 在数字接收机中，允许脉冲判决有一定比例的误差。如果接收机将t - l ”码误判为0 码， 或者将0 码误判为”l ”码，这就叫1 个错误比特。数字通信要求，如果误比特率小于1 0 “，则 基本上可以恢复原来的数字信号。如果误比特率大于l o ，则基本上不能进行正常的电话通 信。对于数字光通信系统米说，一般要求系统的误比特率小于1 0 4 ，即1 0 亿个脉冲中只容许 发生一个误码。 因此，光接收机灵敏度定义为：在保证达到所要求的误比特率的条件下，接收机所需要 的晟小输入光功率。接收灵敏度一般用d b m 来表示，它是以l m w 光功率为基础的绝对功率， 第1 2 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 或写为b = 1 0 1 0 9 薷，其中p m m 指在给定误比特率的条件f ，接收机能接收的晟小平均 1 u 光功率。例如，在给定的误比特率为1 0 9 时，接收机能接收的最小平均光功率列i n w ( 即 1 0 4 w ) ，光接收机灵敏度为。6 0 d b m 。 影响接收机灵敏度的主要冈素在于信噪比。信噪比越火，表明接收电路的噪声越小，对 灵敏度影响越小。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，除了上述接收机本身的特性以外， 接收信号的波形也对灵敏度产生影响，而接收信号的波形主要由光发送机的消光t l $ 1 j 光纤的 色散来决定。光接收机灵敏度还与传输信号的码速有关，码速越高，接收灵敏度就越差。这 就影响了高速传输系统的中继距离。速率越高，接收机灵敏皮越差，中继距离就越短。 1 3 5 2 接收机的动态范围 光接收机前置放大器输出的信号一般较弱，不能满足幅度判决的要求，冈此还必须加以 放大。在实际光纤通信系统中，光接收机的输入信号将随具体的使用条件而变化。造成这种 变化的原因，可能是由于温度变化引起了光纤损耗的变化，也可能是由于个标准化设计的 光接收机，使用在不同的系统中，光源的强弱不同，光纤的传输距离也不同。这样，传给光 接收机的光功率就不可能一样。 为了使光接收机正常i 作，接收信号不能太弱，否则会造成过多的误码。但接收信号也 不能太强，否则会使接收机放大器过载，而造成失真。因此光接收机正常工作时，接收光信 号的强度应该有一个范围。把光接收机在保证一定的误比特率条件下，所能接收的最大光功 率与最小光功率之差，称作光接收机的动态范围。一般希望光接收机的动态范围越大越好， 实际中一般为1 6 2 0 d b 。 1 3 6 餐用系统与辅助设备 为了确保系统的畅通，通常设置备用系统。正常情况下只有主系统工作，一旦主要系统 出现故障，就可以立即切换到备用系统，这样就可以保障通信的正确无误。 辅助设备是对系统的完善，它包括监控管理系统、公务通信系统、自动倒换系统、告警 处理系统、电源供给系统等。 其中，监控管理系统可对组成光纤传输系统的各种设备自动进行性能和1 作状态的监 测，发生故障时会自动告警并予以处理，对保护倒换系统实行自动控制。对于设有多个中继 站的长途通信线路及装有通达多方向、多系统的线路维护中心局来说集中监控是必须采用 的维护手段。 公务电话为各中继站与终端站之间提供业务联络。 ”输入分配”和”输出倒换”组成了自动保护倒换装置。它是为提高线路的可靠性和可利用 率而准备的热备用系统。主用系统出现故障时，会自动切换剑备用系统工作。备用的方式是 第1 3 页兆8 6 页 深弧微米c m o s 高速分接器设计 多种多样的，可以是一个土系统配备一个备用系统，也可以是多个主系统批用一个备用系统。 是采用一主一备还是多主一各系统工作。要根据使用要求和谩用条件而定。我国省内通信和 本地网中采用一主一备方式较多，这主要是因为前期建设的系统数较少，又要设保护系统的 ， 缘故。而长途干线中主要采_ i | 多主一备系统，以提高机线设备的利用率。 1 3 7 评价光纤数字通信的指标 误码特性和抖动特性是评价光纤数字通信系统的重要指标。 误码特性 产生误码的主要原因是传输系统的噪声和脉冲抖动。在数字光纤通信系统中，误码性能 用误比特率b e r 来衡量。 b e r = 错误比特数传输总的比特数 对于数字光通信系统来说，一般要求系统的误比特率小于1 0 4 。 抖动特性 抖动，又称为相位抖动，是指数字脉冲信号的相位摆动或时间上的前后摆动。 在系统测量中，描述抖动程度的单位是”单位间隔”，简写为u i ，其意义是指一个码元的 时间长度。对于不同的群次、不同码速率的相应1u l 的时间是不相同的。另外，抖动还可以 用”度”为单位来表示，并规定1 u i c ： 3 6 0 。 在光纤数字通信系统中，必须把抖动限制在一定的范围之内，否则，会导致定时脉冲的 相位偏离最佳判决位置，结果造成误判概率的增加和引起再生脉冲流的时间间隔不规则，码 间距不一致。 1 3 8 强度调制一直接检测系统 强度调制一直接检测系统( i n t e n s i t ym o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ) 是昂简单的一种传输方 式，目前大多数的光纤通信系统都采用这种传输技术。”强度调制”是指在发送端，用电的脉 冲信号来控制光源，使其按照信号的强弱改变发光的强度；”直接检测”是指在接收端用光电 检测器直接检测光的强度，再转化为电信号。从历史的眼光来看，这仅相当于无线电技术发 展初期的马可尼时代。 1 3 9 传输系统的中继距离 我们知道，光纤数字遂信系统是适于远距离、火容量通信的。在长距离传输中，需要使 用中继器来放大经过长距离传输而减弱了的信号，就像接力赛跑一样，一个人累了的时候需 要换一个人继续向前传递。在通信系统中，中继距离越长，中继站数目越少，系统的成本就 越低，可靠性也越高。延长系统的中继距离是科技工作者的奋斗目标之一。 第1 4 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 光纤数字传输系统的最大中继距离是指在光发射机和光接收机之间不设中继器时能传 输的最远距离，在设计一个光纤通信系统日寸，计算最大中继距离是十分重要的。 光纤传输系统的最大中继距离由四个因素决定。 1 发送机输出耦合进光纾的平均光功率。耦合进光纤的功率越火，中继距离越长。 2 光纤的色散，若光纤的色散大，则经过一定距离传输后出现的波形失真就严重。传输的 距离越长，波形失真就越严重。在数字通信系统中，波形失真将引起码间干扰，使光接 收灵敏度降低，影响系统的中继距离。 3 光纤的损耗。光纤线路的损耗包括光纤活动连接器损耗和光纤的熔接损耗，当然主要是 光纤的每公里损耗。如果光纤每公里损耗越小，删信号光功率在光纤上的损失就越小，光 信号在光纤中的传输距离就越远。 4 满足一定误比特率要求的光接收机灵敏度。接收灵敏度越高，即满足系统误比特率要求 的最低接收光功率越小，中继距离就越长。 对于某一光纤通信系统来说，发送光功率和光接收灵敏度一般都是已知的，影响其中继 距离的因素主要是损耗限制和色散限制。对于单模光纤通信系统来说，传输速率在1 4 0 m b a 以下的系统一般只受损耗限制，色散对其影响不大：而传输速率在5 6 5 m b s 以上的系统， 由于光源有一定的谱线宽度，可能会给中继距离带来较大影响。现在，采用动态单纵模激光 器，特别是多量子阱激光器( m q w ) 后，传输速率为2 5 g b s 的系统几乎不受色散限制了。 1 4 同步数字序列 在数字通信发展的初期，为了适应点到点通信的需要，人量的数字传输系统都是准同步 数字体系( p d h ：p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 。采用准同步数字体系的系统，在数字 通信网的每个节点上都分别设置高精度的刚钟，这些时钟的信弓都具有统一的标准速率。 尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。为了保证通信的质量，要求 这些时钟的差别不能超过规定的范围。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步， 所以叫做“准同步”。它通常采用正码速调摧法实现准同步复削。这种系列对传统的点到 点通信有较好的适应性。 随着数字交换韵引入，由光通信技术的发展带动的长距离大容量数字电路的建设，以及 网络控制和宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的发展需要，暴露了现有的准同步数字序列存在 的一些固有弱点。主要是：北美、日本、欧洲三种数字体制互不兼容，见表1 1 ：没有世界 性的标准光接口规范，在光路上无法互通和调配；难以上、下话路；网络维护管理复杂，缺 乏灵活性，无法适应不断演变的电信网的要求。 随着光纤通信技术利人规模集成电路的高速发展，1 9 8 6 年美国提出了一种以光纤通信为 基础的同步光纤网( s o n e t ) 概念，作为现代化通信网的基本结构。1 9 8 8 年i t u t 剥s o n e t 第15 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 概念进行了修改，重新命名为同步数字序列，简称s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，使 之成为不仅适用于光纤通信，也适合于微波和卫星传输的体制。 表1 1 北美、欧洲和日本的复用等级 数字复用包含6 4 k b s 比特速率( m b s ) 等级信道的数日 i ! 薹i i堕型|旦奎 01 e 亟 困 匠 2 4 匦 匠 3 0 二 亟口 二二 4 8田厂 厂i !i i! ! ：! ! !i i l! ：! ! ! 二 互二 圃 二二 二二 互二 困 二 二二 互二巫j 二二 厂1 i - 研厂 厂一 l l坐!i| 01 ：! 垄 二 正 臣巫口 二二 二 正臣困 二 二二 广 厂j ；广 厂i 卜而 s d h 技术与p d h 技术相比，有如下明显优点： 1 、统一的比特率，统一的接口标准，为不同厂家设备间的互联提供了可能。 2 、网络管理能力大大加强。 3 、提出了自愈网的新概念。用s d h 设备组成的带有自愈保护能力的环网形式，可以在传输 媒体主信号被切断时，自动通过自愈网恢复正常通信。 4 、采用字节复接技术，使网络中上下支路信号变得十分简单。 由于s d h 具有上述显著优点，它已成为实现信息高速公路的基础技术之一。现在s d h 也已成为国际上公认的新一代的理想传输网体制。 在电信网中所运载的种类繁多的信息首先必须规范化，然后再纳入数字序列的某一级的 一种速率信号之中，即成为电信网所传输的异步或同步数字序列信号的内容。s d h 的晶低分 级是15 5 5 2 0 m b s ，称为基本传送模块，用s t m 1 表示。s t m - nj i l | j 表示速率为n x l5 5 5 2 0 m b s 的传送模块，其中n 一般取】、4 、1 6 、6 4 、2 5 6 ，详见表1 2 。 第1 6 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 表1 2s o n e t 和s d h 传输速率 s o n e t 等级 11 电等级 l l 线路速率( m b p s ) | | s d h 等级 o c 1 il s t s 1 l | 5 1 8 4 卅 o c 3 il s t s 3 ii 1 5 5 5 2 8 s t m 1 o c 1 2 | s t s 1 2 11 6 2 2 0 8 8 s t m - 4 o c 4 8 j i s t s 4 8 ii 2 4 8 8 3 2 ll s t m 16 o c 1 9 2 | s t s 1 9 2ii 9 9 5 32 8 ii s t m - 6 4 o c 7 6 8 | | s t s 7 6 8 | | 3 9 8 1 3 1 2 s t m 2 5 6 1 5 光纤通信在中国的应用和发膨3 】 中国的光纤通信事业起步虽晚，但发展很快。自1 9 7 8 年在上海铺设了第一条长i 8 公里 可传送1 2 0 路电话的光纤通信线路后，很多大城市也积极地开始光纤工程建设。2 0 世纪9 0 年代末，中国最长的一条犬容量光缆干线通信1 程在京、津、济、宁之间建成，这条干线全 长1 4 8 4 公里，可容纳1 2 0 0 0 条话路，井实现与沪宁和东南沿海光缆通信工程连接，大大改 善中国东部沿海地区的通信条件。 目前，中国电信骨干网上的p d h 系统除部分保留同步电路的系统外，绝大部分一级干 线p d h 系统已停止业务开放。北京电信局的京沈哈、京齐哈、京汉广、京太西、京呼银兰、 京济宁p d h 干线中除京汉广干线中还有部分业务未能调出外，其余均已只开放一个系统， 用于传送时钟信号。 二十世纪九十年代中期，p d h 系统在全国骨干网中发挥了重要作用，承载了大量的话音、 数据、图像等业务，是当时我国干线传输网的主要组成部分。九十年代后期，s d h 的发展逐 步取代了p d h 的重要地位，但图像和同步信号的传送仍主要依赖p d h 系统。目前，更为先 进的d w d m 系统提供了火容量和更高的带宽。p d h 系统相对容量小，结构复杂，维护困难， 系统老化，占用机房面积较大，占用光纤数量多的问题日益突出。在近两年中，已逐步将p d h 系统中开放的电路调入s d h 系统。 近十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，人们对光纤通信提出了更高的 要求，同时也促进了光纤通信高技术的发展。仅以波分复用技术( w d m ) 为例，由于w d m 具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年来得到了极大的重视和飞速的 发展，与其相关的光器件、光系统、光网络等方面的发展代表了光通信技术的发展方向，已 成为国际和国内在光纤通信领域内的研究重点和应用热点，以美国、欧洲、目本为代表的许 多发达国家和地区为此投入了大量的人力、物力并分阶段、有步骤地进行研究，现己取得了 很大的进展和成就。在高速光传输方面，目前己实现了1 0 9 6 t b i t s ( 2 7 4 波4 0 g b i t s ) 的实 验系统；在超长距离传输方面，己达到了4 0 0 0 k m 无电中继的技术水平：在光网络方面，“光 网技术合作计划( o n t c ) ”、“多波长网络( m o n e t ) ”、“国家透明光网络( n t o n ) ”、“泛 第1 7 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 欧光子传送重迭网( p h o t o n ) ”、“泛欧光网络( o p e n ) ”、“光通信网管理( m o o n ) ”、“光 城域通信网( m t o n ) ”、“波长捷变传送接入网( w o t a n ) ”和“社团光纤骨干网( c o b n e t ) ” 等一系列光网络研究项目的相继启动、实施与完成，为下一代宽带信息网络，尤其是为承载 来来i p 业务的下一代光通信网络奠定了良好基础。 在国家8 6 3 计划和其他计划及部门的大力支持下，经过我国科技人员长期不懈的艰苦努 力，我国的光通信技术的研究近年来也已取得了很大的进展，实现了从无到有、从小到大、 从弱到强的历史性跨越，综台实力显著增强。目前已陆续完成了1 5 5 m b w s 、6 2 2 m b i t s 、 2 5 g b i f f s 、1 0 g b i t s 的s d h 系统，8 2 5 g b i t s 、1 6 x 1 0 g b i t s 、3 2 1 0 g b i l s 、1 6 0 x 】0 g b i t s 的 w d m 系统，1 0 g b i d s 、4 0 g b i i s 的o t d m 试验系统。建成了宽带接入系统以及全光通信试验 网，自动交换光网络试验平台等一系列项目。自行研制成功的w d m 光传输系统已在多省市 提供运行和服务，各种光纤局域网城域网j 一域网已得到了广泛应用，我国已成为世界上为 数不多的几个掌握了全套s d h 和w d m 光通信系统系列产品技术的国家之一，在世界光通 信系统和光网络领域已经占据了一席之地pj 。图1 4 是目前利用光纤作为主干的一个先进的 综合通信网的示意图。 圈1 4 一个基于光纤主干的综合通信网 第1 8 页共8 6 页 深亚微米c m o s 高速分接器设计 第二章光纤通信用的集成电路生产工艺 2 1 各种集成电路生产工艺比较 由于光纤传输系统中复接器和分接器一般都工作在g b s 以上的速率，在过去几十年时问 内，如此高速的电路大都是州双极性硅或i i i v 族工艺实现的。7 0 年代已有人用双极工艺e c l 电路实现了g b s 级别的复接器和分接器。在其后的二、三十年里，人们利用各种l ：艺实现了 更高速率的复接器和分接器。9 0 年代，利用太赫基肖特基二级管，钨棚g a a sm e s f e t ， l n a l a s l n g a a s i n ph e m t ，l n p h e m t ，l n ph b t ，a i g a a s g a a sh b t 等l l i v 族和双极性硅 工艺，实现了2 0 1 0 0g b s 速率的分接器。 目前设计高速光纤通信集成电路的工艺主要采用g a a s ，双极性硅，它们的缺点主要是 成本高，功耗大，工艺不易获得，集成度低。 c m o s 工艺具有如下优势：1 ) 工艺容易获得。国内有无锡华晶上华、上海华虹n e c 、先 进等半导