Burst-mode receivers for passive optical networks

Abstract

Burst-Mode Empfänger für passive optische Netze (PON) sind das Thema dieser Arbeit. Ein Burst-Mode Empfänger sitzt in der zentralen Einheit eines PONs und empfängt die Aufwärtskommunikation von verschiedenen Sendern, zum Beispiel Häusern oder Büros, die nacheinander nach einem bestimmten Protokoll senden. Die am Empfänger ankommenden Signale sind durch den unterschiedlichen Abstand der Sender zum Empfänger unterschiedlich stark gedämpft und erfordern daher einen großen Dynamikbereich am Eingang des Burst-Mode Empfängers. Die entworfenen Empfänger wurden in deep-sub-Mikrometer CMOS Technologie produziert, was die Integration von digitalen Schaltungsteilen zur Signalverarbeitung in so genannten Systemen-on-Chip (SoC) ermöglicht.<br />Da in PONs infrarotes Licht, mit einer Wellenlänge von 1310nm, verwendet wird, ist es notwendig, eine externe quaternäre Photodiode zu verwenden. Dies führt zu einer hohen Kapazität am Eingangsknoten, die sich wesentlich auf das Verhalten der Empfänger auswirkt. Ziel ist es, möglichst hohe Empfindlichkeiten bei gleichzeitig hohen Datenraten (622Mb/s, 1,25Gb/s and 2,5Gb/s) zu erreichen. Weiters müssen Burst-Mode Empfänger einen weiten dynamischen Bereich der optischen Eingangsleistung verarbeiten können, ohne dass es zu Signalverzerrungen kommt. Um dies zu erreichen sind die präsentierten Entwürfe mit schaltbarer Transimpedanz ausgeführt. Diese Arbeit präsentiert einen neuen Ansatz um Stabilitätsprobleme zu vermeiden, ohne die Bandbreite zu limitieren.<br />Maximale Empfindlichkeiten von -31,4dBm bei 622Mb/s, -28,6dBm bei 1,25Gb/s, und -20,4dBm bei 2,5Gb/s wurden mit den verschiedenen Entwürfen erreicht. Die minimale Umschaltzeit zwischen minimaler und maximaler optischer Eingangsleistung ist 1,64ns.<br />

Burst-mode receiver for passive optical networks (PON) are presented in this thesis. The burst-mode receiver is situated in the optical subscriber unit and receives the upstream communication of the different senders, e.g. homes or offices, which send coordinated by a protocol. The incoming signals are differently attenuated, due to the different distances between senders and receiver. Therefore, a burst-mode receiver has to deal with a wide dynamic optical input power range.<br />The chips were produced in standard digital deep-sub-micron CMOS technologies to enable the integration of a digital signal-processing part on the same chip as so-called system-on-chip (SoC). Due to the fact, that light with a wavelength of 1310nm is used for upstream communication in PON, an external quaternary pin photodiode is used for the actual detecting of the light. This external photodiode leads to a high capacitance at the input node which essentially influences the performance of the receivers. The goal is to reach high sensitivity at high data rates of 622Mb/s, 1.25Gb/s, and 2.5Gb/s. Burst-mode receivers have to deal with a wide dynamic range of the optical input power therefore the transimpedance gain of the receivers is carried out switchable. This thesis presents a new attempt to keep the system stable when the feedback resistance is lowered. Maximum sensitivities of -31.4dBm at 622Mb/s, -28.6dBm at 1.25Gb/s, and -20.4dBm at 2.5Gb/s are reached with the various designs. The minimum achieved switching time between minimum and maximum optical input power is 1.64ns.