Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8962
Main Title: SiGe BiCMOS integrated circuits for optical communication transmitters
Translated Title: SiGe BiCMOS integrierte Schaltkreise für optische Kommunikationssender
Author(s): Vieira Rito, Pedro Filipe
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: Telecommunications play a crucial role in our daily lives, not only because of their significance in allowing interaction between all of us, but also due to the forthcoming expansion of connection and exchange of data between machines, the so-called Internet of Things (IoT), which will result in a massive network of thousands of millions of devices around the world. Such growth of the internet calls for simultaneous development of the underlying network, as it needs to support faster speeds in current devices. Consequently, metro areas tend to experience much of this throughput concentration, demanding electro-optical transceivers with types of modulation featuring higher spectral efficiency. This thesis focuses on the development of new designs to improve the performance of electro-optical transmitters by making use of advanced manufacturing processes in SiGe BiCMOS technology. In the first part, the capability of a silicon photonics platform for the implementation of driver and Mach-Zehnder modulator (MZM) is investigated. With the aim to implement a high-speed solution using this platform, a segmented topology is used for the investigation. With this scheme the driving voltage can be effectively applied along the whole modulator length and velocity matching between optical and electrical waves can be achieved, overcoming the bandwidth impairments. With the implemented module, transmission over 60 km of fiber at up to 112 Gb/s data rate is demonstrated. In the second part of the thesis, stand-alone MZM driver implementations are presented which serve to explore different techniques in the electrical design of this integrated circuit (IC). First, the design of a 40-Gb/s driver compatible with a modulator with a custom impedance of 25 Ω is presented, which investigates a topology to overcome the additional power dissipation due to the lower load impedance. Secondly, a low-power solution driver implemented in a complementary BiCMOS technology is demonstrated, achieving 28 Gb/s and an efficiency of 6.4%, the highest in the literature. Finally, the implementation of a 100-Gb/s driver is investigated which includes a 2-bit RF digital-to-analog converter (DAC), eliminating the need for external DAC and therefore reducing power dissipation and footprint. The last part of the thesis deals with solutions targeting data rates higher than 100 Gb/s. A high-speed driver using a distributed amplifier topology in a differential manner is presented, achieving a record bandwidth of 90 GHz. Test equipment must also be able to cope with the increasing data rates in optical transmissions; in this context a pseudo-random bit sequence (PRBS) generator to ease measurements of the electro-optical devices is also designed, with eye-diagram measurements showing a PRBS7 of 115 Gb/s and demonstrating a state-of-the-art figure-of-merit (FoM) value of 0.87 pJ/b.
Telekommunikation spielt in unserem alltäglichen Leben eine sehr wichtige Rolle und dies nicht nur wegen der Interaktion, sondern auch durch die rasante Entwicklung der Inter-Maschinen Kommunikation - dem so genannten Internet der Dinge (IdD). Diese immer schnellere Daten Kommunikation zwischen den Geräten erfordert auch einen Ausbau der Netzinfrastruktur. Deshalb gibt es den Trend zu komplexeren Modulationsformaten die eine höhere spektrale Effizienz besitzen was eine schnellere Datenübertragung ermöglicht. Der Fokus dieser Arbeit liegt an der Entwicklung von neuen Schaltungstopologien um die Effizienz von elektro-optischen Transmitter zu erhöhen. Dies wird mit Hilfe von fortgeschrittene Silizium-Germanium BiCMOS Technologie ermöglicht. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Möglichkeiten sowie die Eigenschaften der Silizium-Photonik Plattform für die Integration des Treibers und Mach-Zehnder Modulators (MZM). Diese Plattform ermöglicht die Entwicklung eines voll-integriert elektro-optischen Transmitter basierend auf segmentierter Topologie. Diese segmentierte Topologie ermöglicht eine sehr effektive Verteilung der Treiberspannung über die gesamte Länge des Modulators. Durch die Anpassung der Geschwindigkeit von optischen und elektrischen Signalwellen wurde die Limitierung der Bandbreite kompensiert. Mit diesem Ansatz wurde die Datenübertragung über 60 km Glasfaser bei 112 Gb/s Datenrate demonstriert. In zweiten Teil der Arbeit lag der Fokus auf verschiedenen MZM Treiber Varianten, die unterschiedliche Schaltungstechniken für die integrierten Schaltungen (IC) untersuchten. Als erstes wurde eine 25 O Impedanz 40 Gb/s MZM Treiber Topologie präsentiert, welches die zusätzliche Verlustleistung des 25 O MZM kompensierte. Als zweites wurde ein Treiber Design in einer komplementären BiCMOS Technologie implementiert, mit der eine Datenrate von 28 Gb/s dabei wurde eine Effizienz von 6.4% erreicht. Dies ist der beste Wert, der zu der Zeit publizierten wurde. Zum Schluss wurde eine Implementierung von einer 100 Gb/s MZM Treiber Variante, mit einem 2-bit RF Digital-Analog (DA) Wandler gezeigt, durch die kein externer DA Wandler mehr benötigt wurde und dadurch konnte auch eine niedrigere Gesamtverlustleistung ermöglicht werden. Der letzte Teil meiner Arbeit beschäftigt sich, mit Lösungen die Datenraten über 100 Gb/s ermöglichen. Dabei wurden unterschiedliche Treiber Varianten analysiert, die mit verteilten Verstärkern eine Bandbreite von mehr als 90GHz erreichten. Um die unterschiedlichen Varianten des elektro-optischen Module leichter im Labor zu charakterisieren. Wurde das Design eines Pseudo-Random Bit Sequenz (PRBS) Generators präsentiert. Diese PRBS Generator Implementierung unterstützt ein PRBS7 Format und eine Datenrate von 115Gb/s. Dabei konnte ein Bewertungsfaktor (Figure-of-Merit) von 0.87pJ/b erreicht werden – was dem neuesten Stand der Technik entspricht.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9971
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8962
Exam Date: 11-Apr-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 15-Oct-2019
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): SiGe
BiCMOS
Mach-Zehnder modulator
optical transmitters
integrated circuits
optischer Transmitter
integrierte Schaltkreise
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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