Multilevel transmission over plastic optical fiber using an integrated optical receiver

Abstract

Optische Polymer Fasern (Plastic Optic Fiber, POF) haben gegenüber herkömmlichen Glasfasern einige Vorteile. Der wesentlichste Vorteil ist der große Kerndurchmesser von etwa 1mm, der die Handhabung deutlich vereinfacht und daher die Kosten bei der Montage senkt. POF Übertragungssysteme nutzen den sichtbaren optischen Wellenlängenbereich, daher kann schon bei der Installation visuell die Funktion geprüft werden. Durch den großen Polymer-Kern der POF erreicht man gleichzeitig große Flexibilität und Widerstandsfähigkeit gegen Verbiegen, Schock, Vibration, bei dünnem Gesamtdurchmesser. Diese Vorteile machen die POF sehr attraktiv für den Einsatz in Heim- oder Büro-Netzwerken. Ein Nachteil ist, dass die kostengünstigste Standard-PMMA-SI-POF niedrige Bandbreite und hohe Dämpfung besitzt. Daher müssen sehr rauscharme Empfänger eingesetzt werden, um die Dämpfung auszugleichen und die Übertragungslänge möglichst groß zu machen. Die Bandbreitenbegrenzung der POF kann durch mehrstufige Signale wie Multilevel-Puls-Amplituden-Modulation umgangen werden. Diese Arbeit befasst sich daher mit linearen integrierten optischen Empfängern in einem kostengünstigen Silizium-Prozess, um hohe Übertragungsleistung über Standard-PMMA-SI-POF zu erreichen. Die Empfänger beinhalten eine Photodiode, einen linearen Transimpedanzverstärker mit automatischer Verstärkungsregelung, eine lineare Verstärkerkette und einen linearen Ausgangstreiber. Die integrierte Photodiode bietet den Vorteil, dass der Transimpedanzverstärker auf kürzestem Weg mit der Photodiode verbunden ist. Dadurch werden die parasitären Elemente minimiert und dadurch auch der Einfluss des Rauschens. Weiters bringt die Integration der Photodiode den Vorteil gegen äußere Störungen und Rückkopplungen weitgehend immun zu sein. Zusätzlich reduziert sich die externe Beschaltung auf das absolute Minimum, damit die Gesamtkosten weiter gesenkt werden können. In dieser Arbeit wurde mit den realisierten integrierten optischen Empfängern M-PAM über SI-POF demonstriert. Die vorgestellten Empfänger konnten eine fehlerfreie (BER<10-8) Datenübertragung über Strecken von 20m bei 1Gb/s, 40m bei 400Mb/s und 115m bei 170Mbps erreichen. Alle Ergebnisse wurden unter Echtzeit-Bedingungen gemessen und erzielten ein Datenraten-POF-Längenprodukt von 20Gb/s*m.<br />

Plastic Optical Fiber (POF) systems provide benefits compared to glass fiber. It is simpler and less expensive. POF transmission windows are in the visible range. Large core POF has greater flexibility and resilience to bending, shock, vibration and easer in handling and connecting. These advantages make POF very attractive for use in short rang communication and within in-building networks.<br />The cheap standard PMMA SI-POF has the lowest bandwidth and the highest attenuation among multimode fibers. This small bandwidth limits the maximum data rate which can be transmitted through POF. To overcome the problem of POF high transmission loss very sensitive receivers must be used to increase the transmitted length over POF. The POF limited bandwidth problem can be decreased by using multilevel signaling like multilevel pulse amplitude modulation.<br />This work presents an integrated optical receiver fabricated with a low-cost Si process having a good performance with multilevel modulation; to achieve high transmission performance over standard PMMA SI-POF (higher sensitivity and higher data rate transmission over longer POF length) without any equalization techniques.<br />In the design of the multilevel signaling optical receiver a linear transimpedance amplifier with an automatic gain control and no limiting amplifiers are used to have equally spaced output signal voltage levels.<br />For many applications it is desirable to integrate the photodiode with a transimpedance amplifier and the post amplifiers into the same chip.<br />Placing the transimpedance amplifier adjacent to the photodiode improves the performance by reducing lead capacitance and sensitivity to interference, thereby giving higher speed and lower noise. A further advantage is the reduction in the external circuitry required. Hence overall cost and PCB board size can be reduced. Experiments regarding the application of M-PAM over the SI-POF channel were presented using the presented integrated optical receivers. The presented receivers were able to receive a free-of-error signal at a data rate of 1Gbit/s over 20m SI-POF, 400Mb/s over 50m SI-POF and 170Mbit/s over 115m of SI-POF. All of the reached results were free of errors (<10-8), were obtained in real-time and have a data rate-length product of 20Gb/s*m.