Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8961
Main Title: High-performance transceiver front-ends in SiGe technologies for 400Gb/s optical links
Translated Title: Hochperformante Transceiver Front-Ends in SiGe Technologie für 400Gb/s Lichtwellenleiter-Verbindungen
Author(s): García López, Iria
Advisor(s): Kissinger, Dietmar
Referee(s): Kissinger, Dietmar
Ulusoy, Ahmet Cagri
Gerfers, Friedel
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Die optische Glasfaserkommunikation ist ein wichtiger Bestandteil in der heutigen industriellen Entwicklung und des wirtschaftlichen Fortschrittes in unserer modernen Gesellschaft geworden. Um die Anforderungen des zunehmenden Datenverkehrs zu erfüllen, die für Anwendungen wie das Internet der Dinge (IoT) und Cloud-Computing benötigt werden, müssen die Bandbreite, die Leistungsaufnahme und die Baugröße solcher Systeme weiter skaliert werden. Für die nächste 400 Gb/s Generation und nachfolgende optische 1 Tb/s Transponder sind elektronische Frontends als Schnittstelle zu den optischen Übertragungselementen ein untrennbarer Bestandteil, der die Gesamtsystemleistung entscheidend beeinflusst. Die vorliegende Arbeit untersucht neuartige Schaltungskonzepte und Methoden mit dem Ziel der Verbesserung verschiedener Leistungsparameter wie Datenrate, Energieverbrauch und Eigenrauschen von elektronischen Breitbandschaltungen in optischen Transceivern. Als Ergebnis präsentiert diese Arbeit mehrere integrierte Schaltungen in verschiedenen Knoten einer modernen SiGe:C BiCMOS Technologie die den Stand der Technik signifikant verbessern. Auf der Senderseite (Transmitter, Tx) wird der traditionelle, aber leistungshungrige, Ansatz zur Erzeugung höherwertiger Modulationsformate mit Hilfe von linearen Treibern in Kombination mit einem externen Digital-zu-Analog-Umsetzer (DAC) aufgegriffen und durch die Einführung eines energieeffizienten Tx-Moduls mit integrierter 4-b DAC-Funktionalität deutlich verbessert. Dabei werden zwei Integrationskonzepte untersucht: Ein hybrides Konzept, in dem ein I/Q InP Mach-Zehnder-Modulator (MZM) zusammen mit einem SiGe BiCMOS Treiber integriert wird, welches eine 256-Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) mit einer Symbolrate von bis zu 32 GBd ermöglicht, die in einem Rekord-Energieverbrauch-pro-Bit von lediglich 6.4 pJ/bit resultiert, und ein monolithisch integrierter elektronisch-photonischer Transmitter, der für den Betrieb einer 4-Level Pulse-Amplituden-Modulation (PAM-4) bis 37 GBd geeignet ist, der bisher höchsten Symbolrate unter Verwendung von Silizium-Photonik-Modulatoren. Die Hybridlösung findet dabei Anwendung bei den klassischen Telekommunikationsreichweiten, während der monolithisch integrierte Tx eine kostengünstige Lösung für Applikationen mit kurzer Reichweite wie Datenzentren bietet. Erfolgreiche elektro-optische (E/O) Messungen wurden für beide Prototypen durchgeführt. Auf der Empfängerseite (Receiver, Rx) liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Untersuchung besonders rauscharmer linearer Transimpedanzverstärker (TIA) mit einer hohen Bandbreite. Dabei wird eine rauscharme Designmethodik vorgestellt und darauf basierend TIA-Implementierungen mit weniger als 10 pA/√Hz mittlerer eingangsbezogener Rauschleistungsdichte bei einer Datenrate von 100 Gb/s aufgezeigt. Mittels der vorgeschlagenen Vorgehensweise werden darüber hinaus innovative Rx-Konzepte für energieeffiziente Module präsentiert: Ein Benchmark-TIA, der eine Bandbreite von 60 GHz mit weniger als 5.5 pA/√Hz Rauschleistungsdichte erreicht, und eine spezifische Lösung für ein PAM-4 Rx-Frontend mit einem integrierten Flash-Analog-Digital-Umsetzer (ADC), der PAM-4 Signale mit einer Datenrate von bis 100 Gb/s demodulieren kann. Zuletzt wird erstmals ein TIA in einer Folded-Kaskode-Architektur unter Zuhilfenahme von bipolaren pnp-Transistoren vorgestellt, um die Vorteile einer komplementären Technologie in energieeffizienten Hochgeschwindigkeits-Empfänger-Frontends zu demonstrieren.
Optical fiber communication has become the key enabler of today's industrial development, economic progress and modern society. In order to support the increasing data traffic demands required for applications such as the Internet of Things (IoT) and Cloud Computing, the bandwidth, power consumption and space density of current systems all need to scale further. For the next generation 400 Gb/s and soon also 1 Tb/s optical transponders, the electronic front-ends that are directly interfacing the photonic devices, are an integral part and strongly influence the overall system performance. This thesis investigates circuit-level methods for enhancing different performance metrics such as high data rate, low power consumption and low noise in various broadband circuits for optical transceivers. Several contributions to the state-of-the-art in such integrated circuits (ICs) are proposed and implemented in different nodes of a modern SiGe:C BiCMOS technology platform. On the transmitter (Tx) side, the traditional but power-hungry approach used for generating high-order modulation formats based on linear driver amplifiers together with an external digital-to-analog converter (DAC) is revisited. Here, the implementation of energy-efficient Tx modules featuring integrated 4-b DAC functionality is presented. Two integration concepts are explored: a hybrid one, which incorportates a I/Q InP Mach-Zehnder Modulator (MZM) together with a SiGe BiCMOS driver demonstrating up to 32 GBd 256-quadrature-amplitude-modulation (QAM) signal modulation with record low energy-per-bit of 6.4 pJ/bit and a monolithically integrated photonics Tx capable of up to 37 GBd pulse-amplitude-modulation (PAM)-4 operation, which is the highest among silicon-photonics (SiPh) modulators. The hybrid solution targets telecom reach, while the monolithically integrated Tx provides a low-cost solution for short range applications. E/O measurement results are available for both prototypes. On the receiver (Rx) side, the focus lies on the development of low noise, high-bandwidth linear transimpedance amplifiers (TIAs). A low noise design methodology is described, and TIA implementations featuring less than 10 pA/√Hz averaged input referred current noise density while operating at 100 Gb/s data rate are demonstrated. Based on the proposed design methodology, supplementary advanced Rx concepts towards power-efficient modules are presented: a benchmarking TIA which achieves 60 GHz bandwidth with <5.5 pA/√Hz and a custom solution for a PAM-4 Rx front-end integrating a 2-bit flash analog-to-digital converter (ADC) capable of demodulating signals at up to 100 Gb/s data rate. Finally, a TIA in folded-cascode architecture which makes use of pnp transistors in order to explore the benefits of a complementary technology in power-efficient high-speed Rx front-ends is also described.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9970
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8961
Exam Date: 11-Apr-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 15-Oct-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): optical communications
driver
transimpedance amplifier
transmitter
receiver
analog circuits
optische Glasfaserkommunikation
Treiber
Transimpedanzverstärker
Sender
Empfänger
analoge Schaltungen
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Appears in Collections:Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
garcia_lopez_iria.pdf48.36 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons