Millimeter-wave wireless-optical receiver circuit design for 5G cellular infrastructure

Abstract

The demand for high-rate data transmission has revolutionized the architecture of cellular networks. The rapid growth of Fifth Generation (5G) mobile communications, driven by applications such as ultra-high-definition streaming, Augmented Reality (AR), and Virtual Reality (VR), has necessitated the development of high-speed, low-latency, and energy-efficient communication systems. Among these, Millimeter Wave (mmWave) frequency bands (24–300 GHz) offer significant bandwidth advantages but impose stringent challenges in terms of propagation losses and hardware complexity. Simultaneously, the convergence of wireless and optical technologies in next-generation infrastructures calls for advanced receiver architectures capable of seamless integration across heterogeneous domains. This dissertation addresses these challenges by proposing and demonstrating four innovative integrated circuit (IC) receiver architectures tailored for mmWave and optical front-end applications in 5G systems. First, a high-speed analog Radio-over-Fiber (RoF) receiver in 130 nm SiGe BiCMOS is presented for Remote Radio Head (RRH) applications, achieving 38.5 Gb/s operation with optimized gain, bandwidth, and linearity. Second, a 25 Gb/s coherent optical receiver, also in SiGe BiCMOS, is designed for data center interconnects, featuring a pseudo-differential architecture and robust noise handling through integrated control and impedance-matching circuits. Third, a compact 4 Gb/s Linear Pluggable Optics (LPO) receiver employing a Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) integrated multi-dot PIN photodiode and equalized TIA demonstrates bandwidth extension via low-frequency zero synthesis. Finally, a 28 GHz low-IF phased-array receiver utilizing a mutually coupled all-pass network (Mutually Coupled All-Pass Network (MCAN) is developed for 5G FR2 user equipment, offering enhanced IQ accuracy and power efficiency. The contributions of this work advance the state-of-the-art in wireless-optical receiver design, addressing key performance trade-offs in gain, noise figure, linearity, and integration. These architectures collectively pave the way for scalable, energy-efficient, and high-performance communication systems supporting the evolving requirements of modern 5G and beyond networks.

Die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung hat die Architektur von Mobilfunknetzen grundlegend verändert. Das rasante Wachstum von 5G-Kommunikationssystemen, angetrieben durch Anwendungen wie Ultra-HD-Streaming, Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), erfordert Kommunikationssysteme mit hoher Datenrate, niedriger Latenz und hoher Energieeffizienz. Insbesondere das mmWave-Frequenzband (24–300 GHz) bietet erhebliche Bandbreitenvorteile, stellt jedoch hohe Anforderungen hinsichtlich Ausbreitungsverlusten und Hardwarekomplexität. Gleichzeitigerfordert die Konvergenz von drahtlosen und optischen Technologien in zukünftigen Netzwerken fortschrittliche Empfängerarchitekturen, die eine nahtlose Integration über heterogene Domänen hinweg ermöglichen. Diese Dissertation widmet sich diesen Herausforderungen durch die Entwicklung und Demonstration von vier innovativen Integrierten Schaltungen (ICs) für Empfängerarchitekturen, die speziell für mmWave- und optische Frontend-Anwendungen in 5G-Systemen ausgelegt sind. Erstens wird ein Hochgeschwindigkeits-analoges RoF-Empfängermodul in 130 nm SiGe BiCMOS für Remote Radio Head (RRH)-Anwendungen vorgestellt, das eine Datenrate von 38,5 Gb/s mit optimiertem Gewinn, Bandbreite und Linearität erreicht. Zweitens wird ein 25 Gb/s kohärenter optischer Empfänger, ebenfalls in SiGe BiCMOS, für Datenzentren realisiert, der durch eine pseudo-differenzielle Architektur sowie integrierte Steuer und Impedanzanpassungsschaltungen eine robuste Leistung in störungsbehafteten Umgebungen bietet. Drittens wird ein kompakter 4 Gb/s LPO-Empfänger vorgestellt, der einen CMOS-integrierten Multi-Dot-PIN-Photodetektor und einen TIA mit Equalizer nutzt und mit-tels Nullpunkt-Synthese eine Bandbreitenerweiterung erreicht. Schließlich wird ein 28 GHz Low-IF Phased-Array-Empfänger mit einem Mutual Coupled All-Pass Network (MCAN) für 5G FR2-Endgeräteentwickelt, der eine verbesserte IQ-Genauigkeit und Energieeffizienz bietet.Die Beiträge dieser Arbeit erweitern den Stand der Technik im Bereich drahtlos-optischer Empfängerdesigns, indem sie zentrale Leistungsanforderungen wie Verstärkung, Rauschzahl, Linearität und Integration adressieren. Diese Architekturen ebnen den Weg für skalierbare, energieeffiziente und leistungsstarke Kommunikationssysteme zur Unterstützung zukünftiger Anforderungen von 5G- und darüber hinausgehenden Netzwerken.