光纤通信集成电路设计
王志功 著
高等教育出版社
郑 重 声 明
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责任编辑 李 刚
责任绘图 朱 静
封面设计 王凌波
版式设计 陆瑞红
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责任印制
内容提要
本书讨论的内容包括与光纤通信系统和信号的有 关问题,与 制造光 纤通信 用 IC 相关的
材料与工艺,光纤通信系统中作为电子有源器件的 各类晶体管,作为光 有源器 件的发 光二极
管、激光二极管和激光调制器,包括互联线、电阻、电容、电 感和传 输线在 内的无 源元件,处理
光电信号的模拟与数字集成电路,包括电路整体结构、电平和阻抗匹配等电路设计工程问题。
本书的核心内容是讨论光发射机中各种功能电路的原理和设计技术,它们包括三种类型的复
接和分接电路,光电二极管、激光二极管和激光调制器的三类驱动电路,前置放大和主放大电
路,时钟恢复电路和数据判决电路。简述光发射机和接收机光电集成( O E IC ) 的设计 和实现。
简要介绍几个重要的 CA D 软件,给出了一些电路模拟和版图设计的知识和经验。简述 IC 测
试的有关技术和 IC 键合与封装的有关技术。
图书在版编目( C IP ) 数据
光纤通信集成电路设计 /王志功著.—北京:高等教
育出版社,2003.5
ISB N 7 - 04 - 011990 - 0
Ⅰ.光... Ⅱ.王... Ⅲ.光纤通信 - 集成电路 - 电
路设计 Ⅳ.TN 929.11
中国版本图书馆 C IP 数据核字(2003 )第 025209 号
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序
呈现在读者面前的这本书是王志功教授在电子通信领域 30 多年学习、研究
和教学过程中获得的知识、经验和成 果的总 结。我 很高 兴地向 读者 推荐此 书和
它的作者。
1994 年底,王志功博士在教育部和科学院有 关部门 安排下回 国进行讲 学和
交流。他在清华大学参观访问期 间,我同他 进行 了深 入交谈。 他在 硅基和 砷化
镓基集成电路特别是光纤通信用超高速集成电路方面的研究成果和报效祖国的
拳拳之心给我留下深刻的印象。他 在德国 波鸿 鲁尔 大学取 得博 士学位 后,进入
了德国弗朗霍夫应用固体物理研 究所。 在两年 博士 后研究 和两 年客 座研究 中,
设计出上百种集成电路,在重要期刊和 有影响 的国 际学 术会议 上发 表了数 十篇
论文和报告,申报了多项德国和国际发明 专利。1997 年 10 月,王志 功博士 放弃
国外优越的研究和生活条件,作为国务院人事部归国定居专家回国工作,受聘为
东南大学无线电系教 授、博士 生 导师、电 路与 系 统学 科带 头人, 领导 创建“ 射频
与光电集成电路研究所”。5 年多来,建立起一支 80 多人 的高水平 学术梯 队,培
养出一批集成电路设计人才,建成了一 个完整 的无 生产 线集成 电路 设计软 硬件
环境和一个射频与超高速集成电路芯片测试实验室。建成了国家 863 计划射频
芯片多项目晶圆制 造服 务中 心。王 志功 教 授和 他 领导 的 研究 集 体 活跃 在 微电
子、光电子、光纤通信和无线通信等 多个领 域,特别 是在 超高速 和射 频集成 电路
设计方面做出了卓有成效的工作,完成 了十 多项国 家级、省 部级 研究项 目,设计
并实现了十多批几十种光纤通信用超高速集成电路和移动通信与无线接入用射
频集成电路,多种达到世界先进水平。王志功教授 1998 年被推选为国家 863 计
划光电子主题第五届专家 组成 员,同年获“ 国家 杰出 青年 科学基 金”,2000 年荣
获“ 教育部长江学者特聘教授”。
此书内容丰富,取材先进,有一系列创新见解和独到之处。书中概述了从数
字通信技术到光纤通信系统的基本知识;分析了光传输系统中的数据信号、时钟
信号的时域和频域特性;介绍了硅、砷化镓、磷化铟等微电子和光电子材料,以及
Ⅱ
序
由这些材料为基础开发的半导体工 艺和由 这些 工艺 实现的 晶体 管、光电子 器件
以及集成电路技术。作为核心内容,讨论了与光纤传输系统相关的复接器、分接
器、激光驱动器、光接收前端、时钟恢复 和数据 判决 等各 种超高 速集 成电路 与光
电集成 电路的设 计;并讨论了 集成电 路设计 C A D 技 术、芯片测试 和封装等 一系
列工程技术问题。这本书的鲜明特 点是 理论 与实践 结合,实 用性 强,图文并 茂,
260 余幅图中包 含 20 幅实 际芯片显微照片,光纤 传输系统中的各功 能电路都给
出芯片设计实例和测试结果,并有 30 余张列表和 500 多篇参考文献。
我相信,这本书将帮助有兴趣的读 者循序 渐进 地跨 入光纤 通信 集成电 路设
计这一高新技术领域,创造出新的研 究成果 和实 用产 品。这本 书不 仅可推 荐用
作研究生参考教材,而且适合作为从事光纤通信技术研发工作的参考书。
周炳琨
清华大学教授,中国科学院院士
国家 863 计划光电子主题第一、二、三届专家组组长
2003 年 3 月于北京
前 言
过去 20 余年间,在电信和数据通信领域最富有革新意义的莫过于光纤通信
与相关技术的巨大进步。当人们谈 论到高 科技 的时 候,无疑会 把光 纤通信 列举
出来。关于光纤通信已 经 有成 千上 万的 论 文发 表 于几 百 种专 业 期 刊和 学 术会
议。同时也出版有许多专著和教 科书。然 而就 作者 所知,现在 还没 有一本 全面
论述光纤通信用超高速集成电路设计的专著,因此,本书尝试对这样一个在世界
范围内蓬勃开展研究的领域给出一个尽可能系统的介绍。
本书是作者在通信领域 30 余年工 作、学习、研 究和 教学过 程中 获得的 知识
与经验的总结。作者撰著本书有三个目的:
首先,希望对作者近 20 年围绕 本题目 所做 的研 究工作 加以 回顾和 总结,以
利于今后研究工作的深入展开,同时有利于与国内外同行进行经验交流。为此,
作者做了最大努力对自己过去 20 多年 在相关 领域 所做 的研究 和积 累的经 验给
出较为详细的介绍。特别是作为本 书核心 内容 的第 9 至 16 章 大部 分取自 作者
单独或与研究同事共同申请的发明专利和发表的论文。作者希望,这些想法、概
念和技术能够为国内外同行所共享。
第二个目的是希望借助本书向研究生和刚进入光纤通信集成电路设计领域
的工程师介绍有关的基本知识和技 术,引导他 们进 入这 个崭新 而广 阔的研 究和
技术领域。基于这个目的,作者对与此领域相关的知识作了较为详尽的叙述,希
望读者尽快了解这个涉及多个学科的专业领域。
第三个目的是给系统工程师和工艺工程师提供一些目前电路设计技术发展
的信息,希望他们通过这本书了解电路 设计者 在光 纤通 信领域 所作 的研究 工作
和取得的进展,为他们的系统研制或工艺开发提供可能感兴趣的知识。
本书的核心内容是 讨论 与光 纤 传输 系 统相 关 的各 种 超高 速 集 成电 路 的设
计。这些电路包括复接器、分接器、激光驱动器、光接收前端、时钟恢复和数据判
决等。书中将分 6 章内容对它们进行论述。
随着集成电路技术的飞速发展,系统、电路、器件之间的界限正在逐渐消失。
Ⅱ
前 言
今天,集成电路已经发展到芯片系统( SO C ) 时代,包括光发射机和接收机 的各类
系统单片集成是集成电路发展的大趋势。集成电路设计者应该更多地了解有关
系统方面的知识。因此,本书用数章的篇幅概述了从无线通信、数字通信的系统
技术到光纤通信系统的基本知识。
现在,集成电路设计、制造 和封 装的 产业已 经分 立运 行。代 工 ( Foundry) 工
艺线的存在为无 生产 线( Fabless) 集 成 电路 设计 提供 了发 展 的机 遇。对 集 成电
路设计工程师来说,这时虽然不需要去关心具体集成电路工艺制造的细节,但了
解不同工艺的基本步骤、不同器件的特点和基本电路形式是非常重要的。因此,
本书用数章的篇幅介绍了硅、砷化镓、磷化 铟等 微电 子和光 电子 材料,以这 些材
料为基础开发的多种半导体工艺和 由这些 工艺 制造 的多种 晶体 管器件、光 电子
器件以及集成电路的特点和应用。
本书最后 3 章讨论了集成电路设计 C A D 技术、芯片测试和封装等一 系列工
程技术问题。由此使读者对集成电路设计的整个过程有一个全面的了解。
作者从大学 学 习 时 代 就 开 始 学 习 通 信 系 统 理 论, 在 数 字 通 信 技 术、电 路
C A D 技术、双极型硅电路设 计、砷化镓 电路 设计 和 C M O S 电路 设计 方面 做过 20
多年的研究和教学工作,近十多年来致力于 2.5 G b /s 到 40 G b /s 光传输 系统集
成电路的设计。尽管如此,要写出这样 一本涵 盖光 纤通 信集成 电路 设计中 各个
方面内容的书,还是感 到有 不少 困 难。因 此,本 书 中难 免 还存 在 着 不少 遗 漏之
处、不够准确之处和不当之处,我欢迎并感谢广大读者给予批评指正。
致谢:
本书 是我 1997 年回国以 后在几 百页英文 手稿的 基础上先 翻译后修 改和补
充完成的。补充部分主要是近 5 年 我带领 青年 教师、博 士生和 硕士 生在深 亚微
米 C M O S 工艺基础上设计超高速集成电路方面取得的成果。他们在本书文稿的
翻译和整理过程中也做了很多工作。在此向他们表示感谢。
本书中一大部分特别是砷化镓电路方面的研究成果是我在德国弗朗霍夫应
用固体物理研究所做博士后和客座 研究 员的 7 年 期间完 成的。 这里,我衷 心地
感谢弗朗 霍 夫 应 用 固 体 物 理 研 究 所 的 前 任 所 长 R upprecht 教 授, 现 任 所 长
W eim ann 教授和前任副所长 B erroth 教授,感谢他们对我在该研 究所工作 期间对
我的鼓励和支持! 感谢该研究所特别是器件与电路部和工艺部 众多同事 的合作
与支持。
我衷心地感谢我的博士导师德国波鸿鲁尔大学 B osch 教授 对我十余 年研究
工作的指导、鼓 励和 支 持。 感 谢 波 鸿 鲁 尔 大 学 的 Langm ann 教 授、R ein 教 授 和
Schreiber 教授 对我 在双 极型硅 G H z 光 传输系 统集 成电 路的研 究工 作中给 予的
指导和帮助。
前 言
Ⅲ
我衷心感谢我的研究 生导师 沈永 朝教 授, 感 谢他 在 1978 年—1981 年 间对
我研究生论文关于集成电路计算机辅助设计研究课题的指导。
我准备该书的过程, 也正是我 夫人吕 晓迎 攻 读博 士、做博 士 后以 及和 我一
起回国开创事业的过程。尽管如此,她 仍以极 大的 热情 和奉献 的精 神全力 地支
持着我的写作。这里,我向她表示衷心感谢!
感谢周炳琨院士在百忙之中 审阅本 书,欣然 为之 作序。感 谢谢 世钟教 授在
审稿过程中给予的指正。事实上,多年以来我一直得到他们二位的指导和支持。
感谢高等教育出版社给予我出版此书的鼓励和支持。
最后,我要感谢在我学习和工作过程中所有曾经关心、支持和帮助过我的所
有人们!
作 者
2003 年 1 月 1 日于南京