面射型雷射在3D感測與光收發電路之設計與應用

Abstract

本論文以高功率與高速 VCSEL 作為主題，探討 VCSEL 在 3D 感測以及光纖通訊上的應用。 第一章介紹目前短距離高速 VCSEL 在資料中心的需求，以及高功率 VCSELArrays 在 3D 感測、LiDAR 等相關應用，顯示了 VCSEL 在光電領域上不可或缺的重要性。 第二章探討 VCSEL Arrays 為研究主題，以 2017 年蘋果(Apple)在 iPhone X 中使用 VCSEL 進行 3D 人臉識別為構思，設計有別於以往傳統規則陣列，提出以二進制為排列的想法，做分時與分區的陣列設計，並展現於不同時間投射出不同點圖之新穎性。接著介紹元件模擬結果、VCSEL 製程步驟以及元件的相關特性，包含直流特性、場型架設及特性，最後以脈衝寬度調變呈現了在不同脈衝寬度下，雷射明暗的特性，並展示 VCSEL Arrays 分區控制。 第三章探討光通訊發射端(TX)以及高速 VCSEL 為主題，說明相較傳統電傳輸光傳輸上的優勢。接續對 VCSEL 元件相關特性做介紹，並針對其特性做電路設計上的考量，同時，在元件端以更貼近於真實的模型來模擬。電路設計上，雷射二極體驅動器利用等化器技術來對時域上進行補償，使 VCSEL 有較良好的時域波形與眼圖，最後對 DC、AC、Transient 以及眼圖相關特性進行模擬。 第四章探討光通訊接收端(RX)為主題，針對前端類比積體電路作為設計，前半部分對 inductive peaking 技術做說明，此為寬頻通訊最常見的高速設計技巧；後半部分別對轉阻放大器與限幅放大器做介紹以及說明設計上考量，最後對電路進行DC、AC、Transient 以及眼圖等相關模擬。