Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9109
Main Title: A highly efficient 40-Gbps modulator driver circuit for Silicon photonic optical communication
Translated Title: Eine hocheffiziente 40-Gbit/s-Modulatortreiberschaltung für die siliziumphotonische optische Kommunikation
Author(s): Fatemi, Adel
Advisor(s): Gerfers, Friedel
Referee(s): Gerfers, Friedel
Ulusoy, Ahmet Cagri
Killat, Dirk
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In recent years, optical communication links using pluggable optical transceivers have become widespread in data centers, offering high communication bandwidth and low power consumption. Traditionally, hybrid photonics transceivers have been mostly based on the assembly of III-V photonic devices with silicon or other types of electrical drivers. The I/O pins and miniaturization required by long-term intra-chip communication are the major challenges to developing more efficient interconnection systems. Recently, monolithic electronic-Photonic Integrated Circuit (ePIC) technologies harness the integration of optoelectronic sub-systems, enabling a full integration of the optics module into the silicon substrate, giving rise to Silicon Photonics. This represents a breakthrough, improving the cost and compactness of optical transceivers. Currently, silicon photonics modulators are built on silicon on isolator substrates, which are compatible only with CMOS technologies. Baud rates beyond 50 GBaud in combination with high-order PAM modulation schemes are required for future 400 Gbps optical transceivers. This demands state-of-the-art improvements in the field of high-speed electrical and optical devices. As a result of these requirements, a unique technology has been recently reported that employs a single substrate with local photonic SOI areas (reserved for photonic devices) and adjacent bulk-silicon areas (reserved for BiCMOS devices and high-speed electrical drivers). In this thesis, multiple aspects of silicon photonics optical modulators are presented. Extensive knowledge regarding the electrical behavior of a depletion-type ring modulator is the most important requirement in designing high-speed driver ICs. Different high-frequency design techniques are presented. Cascode circuit as the base of the driver IC output stage is studied in detail. Traditionally, cascode structure has been employed to increase the output voltage swing. The main focus of the present thesis is to investigate a bandwidth optimization method by reducing the effective input capacitance of the driver IC output stage through device size reduction.Finally, a compact, inductor-less and highly efficient 40 Gbps driver IC using 130 nm SiGe BiCMOS technology. Explanations are provided for how the bipolar transistors must be sized to achieve their maximum speed while minimizing parasitic capacitances, the bandwidth limiting factor. Accurate modeling and design implementation have resulted in a full agreement between simulation and measurement results. Measurement results show an output voltage swing of 1 Vppd at 40 Gbps while driving 100 ohm differential load; (expecting 2 Vppd while driving an integrated ring resonator). The driver IC shows a differential gain of 16 dB and a -3 dB bandwidth of 33 GHz. This driver IC represents the fastest ring modulator driver demonstrating leading power efficiency of only 2:25 pJ=(bit / Vppd) compared to the latest state-of-the-art modulator driver operating above 25 Gbps.
In den letzten Jahren sind optische Kommunikationsverbindungen mit steckbaren optischen Transceivern in Rechenzentren weit verbreitet. Traditionell basierten hybride Photonik-Transceiver zu meist auf einer Baugruppe aus photonischen Geräten des Typs III-V mit Silikon- oder anderen Arten von elektrischen Treibern. Die größten Herausforderungen bei der Entwickelung von effizienteren Verbindungssystemen sind die I/O-Pins und die Miniaturisierung, die für eine dauerhafte Intra-Chip-Kommunikation erforderlich sind. In jüngster Zeit nutzen monolithische EPIC-Technologien (Elektronic-Photonic Integrated Circuits; elektronisch-photonische integrierte Schaltungen) die Integration von optoelektronischen Subsystemen, die eine vollständige Integration des Optik Moduls in das Siliziumsubstrat ermöglicht, was zum Aufschwung der Silizium-Photonik beitrug. Dies stellt einen wichtigen Durchbruch dar, der sich positiv auf die Kosten und auf die Kompaktheit der optischen Transceiver auswirkt. Derzeit werden Silizium-Photonik-Modulatoren mit Silizium auf einer Isolierträgerschicht hergestellt, die nur mit CMOS-Technologien kompatibel sind. Für künftige optische Sende-Empfangsgeräte des Typs 400 Gbps benötigt man Baud-Raten jenseits von 50 Giga-Baud in Verbindung mit hochwertigen PAM-Modulationsverfahren. Dies verlangt nach aktuellsten Neuerungen auf dem Gebiet elektrischer und optischer Hochleistungsgeräte. Aufgrund solcher Anforderungen erschienen kürzlich Berichte über den Einsatz von Einzelsubstraten mit lokalen photonischen SOI-Gebieten (speziell für photonische Geräte) und angrenzende Gebiete mit solidem Silikon (speziell für BiCMOS-Geräte und elektrische Hochgeschwindigkeits-Treiber). In dieser Arbeit werden vielfältige Aspekte von optischen Silizium-Photonik-Modulatoren vorgestellt. Die wichtigste Voraussetzung, um High-Speed-Treiber-ICs zu konstruieren, sind umfangreiche Kenntnisse über das elektrische Verhalten eines Ringmodulators vom Verarmungs-Typ. Hierfür werden unterschiedliche Hochfrequenz-Designtechniken vorgestellt. Im Detail wurde die Kaskodenschaltung als Basis für Treiber-IC-Ausgangsstufen analysiert. Traditionell wurde die Kaskodenstruktur verwendet, um die Ausgangsspannungsschwingung zu erhöhen. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit liegt auf der Untersuchung einer Bandbreitenoptimierungsmethode durch Reduzierung des effektiven Inputs Kapazität der Treiber-IC-Ausgangsstufe durch Reduzierung der Vorrichtungs größe. Als Letztes wird ein kompakter, loser und hocheffizienter 40-Gbps-Treiberschaltkreis in 130-nm- SiGe-BiCMOS-Technologie präsentiert, wie die bipolaren Transistoren bemessen sein müssen, um ihre maximale Geschwindigkeit zu erreichen und gleichzeitig die parasitären Kapazitäten zu minimieren, die zur Begrenzung der Bandbreite beitragen. Die präzise Modellierung und Design-Implementierung führten zu einer völligen Übereinstimmung zwischen Simulation und Messergebnissen. Die Messergebnisse zeigen einen Ausgangsspannungshub von 1 Vppd bei 40 Gbps bei einer Differenzlast von 100 ohm (wobei 2 Vppd erwartet werden, wenn ein integrierter Ringresonator benutzt wird). Der Treiber-Schaltkreis zeigt eine Differenzverstärkung von 16 dB und eine Bandbreite von -3 dB bei 33 GHz. Dieser Treiber-IC stellt den schnellsten Ringmodulatortreiber mit der besten Energieeffizienz von nur 2,25 pJ/(Bit x Vppd) dar, verglichen mit Modulatortreibern nach aktuellem Stand der Technik, die mit über 25 Gbps arbeiten.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10119
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9109
Exam Date: 12-Mar-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 15-Nov-2019
DDC Class: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Subject(s): Silicon photonic
SiGe BiCMOS
driver IC
optical communication
bipolar transistor
Silizium-Photonik
Treiber-IC
optische Kommunikation
Bipolartransistor
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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