光纤通信系统是现代通信系统的基础，在现代社会中起非常重要的作用，因为它能够提供其它通信系统无法比拟的带宽和高速的数据传输。在光纤通信系统中，光接收机的前置放大器起到非常重要的作用。这是由于前置放大器的带宽决定了整个光接收机的带宽，且前置放大器的噪声特性决定了光接收机的灵敏度，决定了光发射机和光接收机之间光纤延伸的最大长度。 半导体材料是集成电路设计和制造的基础。高速的光通信集成电路相对于数字集成电路和低速模拟电路，对半导体材料和器件提出了非常高的要求，因此，Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材料及其PHEMT晶体管和SiGe工艺HBT等目前先进的半导体工艺最先应用于高速光通信集成电路中。本论文设计的前置放大器采用的是目前世界上先进的0.2μm和0.15μm GaAs PHEMT工艺和最新开发出来、其HBT晶体管截止频率f<,T>达180GHz的0.2μm SiGe HBT工艺。本文第二章中详细的列举了作为电路设计优化和版图设计主要依据的两个工艺的特点和主要器件的参数指标，详细研究了GaAs PHEMT晶体管和SiGe HBT晶体管模型。 光接收机的前端是光探测器和前置放大器。作为前置放大器的前端器件，光探测器的输出特性对前置放大器的性能有非常大的影响，因此本论文的第三章将首先对光电探测器的物理原理、噪声电流和带宽进行详细介绍和计算。同时对前置放大器的带宽、噪声和输入阻抗进行一般性的理论研究，推导了高速、宽带、低噪声的前置放大器性能分析公式，分析了带宽、噪声、动态范围、匹配的模型，对前置放大器的设计提供了理论支持。并着重研究了跨阻放大器的带宽理论和噪声模型，得出了限制共源跨阻放大器带宽的约束条件，即跨阻放大器的带宽的最大值是输入端极点频率的1.4倍。可以根据这一理论成果针对不同比特率的光通信系统选择不同的工艺和电路结构，以实现前置放大器电路设计的最优化。最后介绍了一些跨阻放大器的电路结构和辅助电路。 本论文第四章在第三章对跨阻放大器一般性理论分析的基础上，采用0.2μm GaAs PHEMT工艺设计了共源前置放大器，对电路的幅频特性和噪声特性进行了详细的理论分析，得到了0.2μm GaAsPHEMT共源前置放大器带宽特性和噪声特性的理论结果。提出了0.2μm GaAs PHEMT共源跨阻放大器的设计步骤。根据这些设计步骤，采用OMMIC公司的0.2μm GaAs PHEMT工艺设计了目前应用最广泛的2.SGb/s和10Gb/s前置放大器，成功进行了流片，并且对这两个速度的芯片进行了在片测试。2.5Gb/s跨阻放大器的测试结果和理论预测、仿真结果非常一致：芯片在片测试的带宽达到5GHz，等效输入噪声电流谱密度小于12pA/Hz<'1/2>；接入光探测器后，输入2.5Gb/s的光信号得到了清晰的输出眼图和较大的动态范围。10Gb/s跨阻放大器的在片测试结果也与理论预测和仿真结果相吻合，带宽达11GHz，等效输入噪声电流谱密度小于15pA/Hz<'1/2>，直接加入10Gb/s电压数据信号后得到了清晰的眼图以及较大的动态范围。这两个前置放大器的测试结果表明芯片的性能优于已经发表的文献和商用芯片。这两个芯片的测试结果表明，理论预测、仿真优化结果和测试结果基本一致，理论分析的结论是准确可靠的，可以用于指导类似芯片的设计。 对于比特率达40Gb/s前置放大器，本论文采用两种工艺和电路结构来实现。第一种电路结构采用基于0.15μm GaAs PHEMT工艺的共源跨阻放大器的电路结构，并且进行电感带宽峰化技术来实现。第五章首先对跨阻放大器输入端的电感带宽峰化技术进行了理论分析和研究，着重对输入端的几种电感峰化技术进行了研究和比较，提出了输入端电感带宽峰化的原理。在此基础上采用OMMIC公司的0.15μm GaAs PHEMT工艺和共源放大器的电路结构，并且采用三个电感分别串接到跨阻放大器的输入端和跨阻放大器内部的两个高阻抗节点上，设计并实现了跨阻带宽达40GHz的前置放大器。为了保证前置放大器在大的直流和信号输入电流下电路能够正常工作，在电路中还增加了偏置稳定电路，仿真结果表明在输入直流电流2mA，信号电路峰峰值达1.5mA的情况下，电路能够正常工作。第二种电路结构是采用RGC TIA的电路结构。第三章的理论分析表明共源跨阻放大器的带宽受限于输入端极点，因此采用RGC电路结构可以有效地减小输入端焊盘寄生电容和光电探测器结电容对前置放大器带宽的影响，满足了40Gb/s前置放大器对带宽的要求，同时可以不采用电感，减小了芯片的面积。最后采用IHP公司的0.25μm SiGe HBT工艺和RGC TIA的电路结构设计了40Gb/s前置放大器，并且进行了流片，测试结果表明芯片的跨阻带宽达35GHz。 第六章进一步提出了设计比特率达80Gb/s的前置放大器的两种电路结构：分布式放大器和结合电感带宽峰化技术的RGC TIA。为了提高分布式放大器的增益，分布式放大器的每一节都采用Cascode结构，并且采用电容、电阻和传输线来实现电路的最优化。采用RGC TIA电路结构实现80Gb/s前置放大器难点是设计谐振频率大于100GHz的电感，因此，首先研究了片上电感的基本模型，接着采用ADS电磁场仿真软件Momentum设计了谐振频率大于100GHz的电感。最后整个电路采用IHP 0.25μm SiGe HBT 工艺和RGC TIA的电路结构，在电路的高阻抗节点上串接了电感，实现了70GHz的跨阻带宽，可以工作在80Gb/s的比特率上。