一种基于制造技术

一种基于

【技术实现步骤摘要】
一种基于PIN型光电探测器的可见光通信全差分光电集成接收机


[0001]本专利技术属于可见光通信及光互连领域，涉及一种可应用于可见光通信系统且可由标准
CMOS
工艺制备的全差分光电集成接收机
。

技术介绍

[0002]近年来，随着移动用户终端数量的爆炸性增长，传统射频通信将逐渐难以支撑呈指数增长的移动数据流量
。
在此背景下，可见光通信
(Visible Light Communication
，
VLC)
应运而生，与传统无线通信技术相比，
VLC
以发光二极管
(Light Emitting Diode
，
LED)
为信号光源，兼具照明和高速通信功能，具有频谱资源丰富
、
系统容量大
、
保密性好
、
无电磁干扰等优点
。
在电磁干扰敏感
、
信息安全性要求较高的环境，以及智慧交通和水下高速通信等领域具有巨大的应用潜力
。
得益于
LED
在照明领域的全球大规模普及应用，
VLC
一经问世，便引起了世界范围内研究者的兴趣，得以迅速发展
。VLC
较为突出的优势是高速，其频谱是整个射频频谱的
1000
倍以上，这使之成为未来智能时代
6G
超高速光联网中不可或缺的无线通信方式
。
在各国政策和市场的推动下，
VLC
的市场规模迅速增加
。
各大研发机构和企业积极推进其产业化
。
[0003]当前，
VLC
技术的研究工作主要集中在数据传输速率提升
、
系统稳定性改进等方面，通常使用印刷电路板
(Printed Circuit Board
，
PCB)
及商用分立元件来搭建
VLC
收发系统
。
鉴于
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)
集成电路工艺已被大规模商业化应用，集成芯片与板级模块相比，具有体积小
、
成本低
、
功耗小
、
可靠性高等特点，在
VLC
系统产业化的过程中，集成
VLC
系统显示出了巨大的优势
。
为进一步缩减
VLC
系统的整体体积，提升
VLC
系统的易用性和便携性，集成化是其未来发展的必然趋势
。
[0004]然而在可见光系统中，要保证人眼安全，
LED
发出的光不能太强，且随着传输距离的加大，接收机接收到的信号渐趋微弱
。
另外
VLC
系统中，存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰
。
因此，为实现对光信号的有效探测，接收机前端会放置聚光透镜，而庞大的透镜组增加了系统全集成化的难度
。
为减少透镜应用并使
VLC
系统可靠运行，在光接收机中接入光敏面积大
、
灵敏度高的
PD
是必需的
。
大面积
PD
，意味着较大的结电容，这会造成
PD
和光接收机前端电路的带宽失配，对光接收机前端电路的零极点产生影响，这会影响光接收机的数据传输速率，大结电容
PD
和接收机的高速率成为一对矛盾
。
此外，以往针对于塑料光纤制备的集成化可见光接收机若应用于以
LED
作为光源的可见光通信系统中存在两个问题
。
其一，这些光接收机中
Si
光电探测器
(PD)
对红外光的响应度通常较高
。
而现在应用较广的白光
LED
主要通信波段却是在蓝光区
。
其二，针对于塑料光纤制备的集成化可见光接收机多为单端输入型或者伪差分型
。
单端输入型接收机具有高频稳定性差，很容易发生自激的缺点
。
而伪差分光接收机即差分电路两个输入端都接入相同的探测器，其中一个探测器的表面被金属遮盖
。
这样虽然可以克服电路高频稳定性问题，但是如上所述可见光通信的探测器面积相对较大，将其中一个探测器完全遮盖是对芯片面积的一个极大的浪费，影响光
接收机的灵敏度
。
针对以上问题，本专利技术提出一种基于
PIN
型光电探测器的可见光通信全差分光电集成接收机
。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种基于
PIN
型光电探测器且能够有效提高灵敏度的可见光通信全差分光电集成接收机
。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是：一种基于
PIN
型光电探测器的可见光通信全差分光电集成接收机，包括有依次连接的：用于将一对差分电流信号转换成一对差分电压信号的全差分跨阻前置放大器，用于将全差分跨阻前置放大器输出的电压信号进行放大处理到数字处理单元所需要的电压水平的全差分限幅放大器，用于对全差分限幅放大器输出信号的频率响应特性进行补偿的全差分均衡器，以及用于将全差分均衡器输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力的差分转单端的输出缓冲级，其特征在于，所述全差分跨阻前置放大器输入端连接用于将外界传输进来的可见光信号转换成一对全差分电流信号的一对全差分光电探测器
。
[0007]根据权利要求1所述的一对全差分光探测器包括有相邻的第一探测器和第二探测器，二者均是由多晶硅层制备的
PIN
型二极管组成
。
其中，第一探测器的阳极与阴极分别与全差分跨阻前置放大器的一个输入端和电源端相连；第二探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器的另一端相连
。
所述第一探测器与第二探测器所产生的光电流方向相反，第一探测器所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器，第二光电探测器所产生的光生电流的方向是流出与之相连的全差分跨阻前置放大器
。
第一探测器与第二探测器具有相同的结构，相互紧靠，面积相等，电容相等，均为大面积探测器，可给差分电路提供一对对称的输入负载，且二者上方均没有遮光层
。
[0008]本专利技术的一种基于
PIN
型光电探测器的可见光通信全差分光电集成接收机，在不增加集成电路制造成本的基础上实现可见光通信接收机的集成化，改善由于接收机接收到的可见光强较弱，造成的光接收机响应弱；探测器响应峰值非蓝光以及伪差分接收机中屏蔽探测器带来的芯片面积浪费问题，有效提高接收机灵敏度...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
PIN
型光电探测器的可见光通信全差分光电集成接收机，包括有依次连接的：用于将一对差分电流信号转换成一对差分电压信号的全差分跨阻前置放大器
(DTIA)
，用于将全差分跨阻前置放大器
(DTIA)
输出的电压信号进行放大处理到数字处理单元所需要的电压水平的全差分限幅放大器
(DLMA)
，用于对全差分限幅放大器
(DLMA)
输出信号的频率响应特性进行补偿的全差分均衡器
(DEQU)
，以及用于将全差分均衡器
(DEQU)
输出的已达到数字电压水平的差分电压信号转换成单端输出的电压信号，并提供驱动能力的差分转单端的输出缓冲级
(DFSO)
，其特征在于，所述全差分跨阻前置放大器
(DTIA)
输入端连接用于将外界传输进来的可见光信号转换成一对全差分电流信号的一对
PIN
型全差分光电探测器
(PD1、PD2)。2.
根据权利要求1所述的一对全差分光探测器包括有相邻的第一探测器
(PD1)
和第二探测器
(PD2)
，二者均是由多晶硅层制备的
PIN
型二极管组成
。
其中，第一探测器的阳极与阴极分别与全差分跨阻前置放大器
(DTIA)
的一个输入端和电源端相连；第二探测器的阳极和阴极分别与接地端和全差分跨阻前置放大器
(DTIA)
的另一端相连
。
所述
PD1
与
PD2
所产生的光电流方向相反，第一探测器所产生的光生电流的方向是流入与之相连的全差分跨阻前置放大器，第二光电探测器所产生的光生电流的方向是流出与之相连的全差分跨阻前置放大器
。
第一探测器与第二探测器具有相同的结构，相互紧靠，面积相等，电容相等，均为大面积探测器，可给差分电路提供一对对称的输入负载，且二者上方均没有遮光层
。3.
权利要求2所述的一对全差分探测器为在标准
CMOS
工艺下制作，在多晶硅层内进行
N+
和
P+
注入，形成
P+/I
区
/N+
的二极管结构，其对光波响应峰值在蓝绿光区
。
为使探测器具有最优的本征带宽，其中
I
区宽度为1μ
m。
探测器被设计为多个
PIN
探测器并联的条状结构，以有效减少光生载流子的渡越时间，其中多晶硅条状宽度为2μ
m。4.
权利要求2所述的一对全差分光电探测器，其特征在于，所述的第一探测器
(PD1)
和第二探测器
(PD2)
共用...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛佳，惠润海，武斌，康玉琢，刘鹏程，
申请(专利权)人：天津城建大学，
类型：发明
国别省市：