Citation:
Vokić, N. (2018). Receivers and ring modulator drivers for high speed 3D-integrated optoelectronic circuits [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/80032
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Publication Type:
Thesis - Dissertation
en
Language:
English
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Date (published):
2018
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Number of Pages:
119
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Keywords:
Optical communication; BiCMOS analog integrated circuit; optical receiver; transimpedance amplifier; ring resonator; ring modulator; driver; optoelectronic integrated circuit; 3D integration; inter-wafer connection
en
Abstract:
In dieser Doktorarbeit wird die Entwicklung eines optischen Transceivers für die Kommunikation bei einer Datenrate von 8×10Gb/s über acht Kanälen beschrieben. Die photonischeund die elektronische Schaltung wurden separat optimiert und gefertigt, um mittels 3D Integration die Oberflächen des elektronischen uns photonischen Teils zu verbinden. Die integrierte photonische Schaltung wurde in einer 200-mm CMOS Fabrik produziert. Die elektronischen Signale wurden über Inter-Wafer Verbindungen zwischen den integrierten Schaltungen geleitet. Aufgrund der geringen parasitären Kapazität einer solchen Verbindung sind hohe Datenraten und hohe Empfindlichkeiten möglich. Die elektronische Schaltung wurde in einer 0.35µm SiGe BiCMOS Technologie, in der der schnellste Transistor eine Transitfrequenz von 70GHz hat, entworfen. Der Treiber des, auf einen Ringmodulator basierenden, optischen Transmitters arbeitete bei 10 Gb/s bei sowohl binärem NRZ, als auch bei 4-PAM Modulation. Die erste, fabrizierte, Version der Treiberschaltung hatte 160mW Leistungsverbrauch und lieferte ein Ausgangsignal mit einem Spannungshub von 3V, welches mehr als 5dB Auslöschverhältnis beim Ringmodulator erwirkte. Die zweite Version des Ringmodulatortreibers hatte den niedrigsten Leistungsverbrauch von 59mW und die schnellste Steigund Fallzeit aller, hier präsentierten, Version bei gleichem Spannungshub, kann aber nur für spezielle, segmentierte Ringmodulatoren verwendet werden. Die dritte Version eines Ringmodulatortreibers kann für konventionelle, nicht segmentierte Ringmodulatoren verwendet werden, dafür aber nicht für spannungsbasierte Wellenlängen stabilisierte Ringmodulatoren. Sie hat eine kürzere Steigund Fallzeit und einen geringeren Leistungsverbrauch als die erste Version. Der Verstärker des optischen Empfängers arbeitet bei 10Gb/s mit den Modulationsarten NRZ binär und 4-PAM. Er besteht aus einem Transimpedanz-Vorverstärker mit Spannungs-Strom Gegenkopplung und besitzt eine gutes Betriebsverhalten bezüglich Verstärkung, Rauchen und Bandbreite. Dem Transimpedanz-Vorverstärker sind zwei voll differenzielle Verstärker mit einstellbarer Verstärkung nachgeschaltet. Am Ende der Verstärkerkette ist noch ein differenzieller Ausgangstreiber angeschaltet, um ein externes 50-Ω System treiben zu können. Der optische Empfänger wurde für eine Empfindlichkeit von –27dBm für binäre NRZ Modulation und –22dBm für 4-PAM Modulation bei einer Datenrate von 10 Gb/s und einer Lichtempfindlichkeit der Fotodiode von 0.9A/W entwickelt. Der Leistungsverbrauch des optischen Empfängers beträgt 180mW. Der 3D-integrierte Achtkanal-Transceiver wurde vermessen. Dabei wurde eine Datenrate des Transmitters von 1Gb/s gemessen. Für diese geringe Wert gibt es mehrere Gründe. Einerseits entstand ein kleines Signal-Rauschverhältnis, welches durch die starke Dämpfung des optischen Gitterkopplers und des optischen Wellenleiters als auch der suboptimalen Kopplung des Wellenleiters, die sich durch die mechanische Beanspruchung der HF-Kabeln an der Platine über die Zeit änderte, erklärt werden kann. Andererseits konnten die langen Mikrostreifenleitungen auf der Platine aufgrund der hohen Kanalanzahl und aufgrund eines kostene_zienten Platinenmaterials nicht nah genug als 50-Ω Leitung, welche vergleichsweise weit konstruiert sein müssen, an den Chip herangeführt werden. Dies verschlechtert einen guten Abschluss der HF-Leitung beim Chip. Statische Messungen am Ringmodulator ergaben eine Dämpfung von mehr als 5dB für eine Spannungsdifferenz von 3V. Für die gleiche angelegte Spannung zeigte der 3D-integrierte Ringmodulator eine Wellenlängenverschiebung von 20pm und am photonischen Testwafer 50pm, welches auf eine hohe Produktionsstreuung der photonischen Bauteile hindeutet. Die Messung der Empfindlichkeit des 3D-integrierten optischen Empfängers ergab –8.5dBm für 10Gb/s und eine BER von 10–9. Ähnlich wie beim Transmitter kann der vergleichsweise hohe Wert der Empfindlichkeit mit der hohen Abschwächung des optischen Signals am Gitterkoppler und des optischen Wellenleiters, suboptimale Kopplung des Wellenleiters durch die mechanische Beanspruchung der HF-Kabeln an der Platine und den Einfluss von Vibration erklärt werden. Nach der Fertigung der Fotodioden bei CEA-Leti waren die Anode und die Kathode der lateralen Ge Wellenleiter-Fotodioden vertauscht, wodurch zur Messung eine negative Spannung angelegt werden musste, die wiederum die ESD-Schutzdioden zum Leiten anfingen. Durch diesen zusätzlichen Strom konnte die Lichtempfindlichkeit der Fotodioden nicht bestimmt werden. Messungen an einem separaten photonischen Test-Wafer ergaben Lichtempfindlichkeiten der Fotodioden von 0.2 bis 0.75A/W, welches wiederum auf eine hohe Produktionsstreuung der integrierten photonischen Bauteile hindeutet. Die gemessene Bandbreite von 4.2GHz des optischen Empfängers ist geringer als in der Simulation, da auch die langen, nicht optimal abgeschlossenen HF-Leitungen auf der Platine mitgemessen werden mussten.
de
This thesis presents a development of an eight-channel optical transceiver for communication at a data rate of 8×10 Gb/s. The electronic circuits are optimized to be 3D-integrated with the photonic components in SOI technology fabricated in a 200-mm CMOS foundry. The integration is performed by face-to-face bonding on a wafer scale. The inter-wafer-connections are used for the vertical signal propagation. The low capacitance of inter-wafer connections enables large speed of the circuits and high receiver sensitivity. The electronics was designed and fabricated in 0.35 µm SiGe BiCMOS with a transit frequency of the fastest bipolar transistors of approximately 70 GHz. The driver of the ring-modulator based optical transmitter operates at the data rate of 10 Gb/s for both NRZ binary and 4-PAM signals. The first topology was fabricated and it consumes 160 mW and delivers a 3-V voltage swing at the output, suitable for providing more than 5 dB of the extinction ratio when integrated with the ring modulator. The second topology of the ring modulator has the lowest power consumption of 59 mW and it has the fastest rise and fall time for the same voltage swing out of all presented topologies. However, it is suitable only for the special case of segmented ring modulators. The third topology of the ring modulator driver is suitable for the conventional non-segmented ring modulators, and it has lower power consumption as well as faster rise and fall times than the first topology. However, it is not suitable for the ring modulators with bias-based wavelength stabilization. The amplifier for the optical receiver operates at 10 Gb/s for two modulation formats, NRZ binary and 4-PAM. It consists of the shunt-feedback transimpedance preamplifier with good noise-, bandwidth-, and gain performance. The transimpedance amplifier is followed by two fully differential post amplifiers with variable gain and a differential output driver matched for the 50-Ω system. The receiver is designed to achieve a sensitivity of –27 and –22 dBm for NRZ binary and 4-PAM signals, respectively, at 10 Gb/s and the responsivity of the photodiode of 0.9 A/W. It consumes 180 mW. The eight-channel 3D-integrated transceiver was experimentally characterized. Measured data rate of the transmitter was 1 Gb/s. This low data rate is a consequence of a very small signal-to-noise ratio caused by the large attenuation in the grating coupler and the waveguide, sub-optimal fiber coupling whose alignment varies over time due to the mechanical stress of the cables attached to the PCB, as well as the long microstrip lines on the PCB which could not be designed for a 50- matching close to the chip, due to the large number of channels and a cost-effective PCB dielectric which requires too wide 50-Ω traces. Static measurements of the ring modulator transfer curves showed an extinction ratio of more than 5 dB for the 3-V bias voltage. For the same bias voltage swing, the 3D-integrated ring modulator showed a wavelength shift of 20 pm, whereas this wavelength shift was measured to be 50 pm on the photonic test-wafer, indicating large fabrication variations of the photonic components. The measured sensitivity of the 3D-integrated optical receiver at 10 Gb/s was –8.5 dBm for a BER of 10–9. Similarly as for the transmitter, the measured high value of sensitivity is explained by the large attenuation of the optical signal propagating through the grating coupler and the waveguide, sub-optimal coupling of the optical fiber, sensitive to mechanical stress and vibrations. During the assembly of the photodiodes at CEA-Leti, the anode and cathode of the lateral Ge waveguide photodiodes were inversed, so it was necessary to apply a negative bias voltage which caused the ESD-protection diodes to start conducting large current. Due to this current, the responsivity of the photodiodes is unknown. On a separate photonic test-wafer, measured responsivities were in the range between 0.2 and 0.75 A/W, indicating large fabrication variations of the photonic components. The measured bandwidth of the receiver is 4.2 GHz, which is lower than designed, mainly due to the long and unmatched PCB traces.
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