Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung eines 8 x 10 Gbps optischen Empfängers, der für die Verwendung von heterogen integrierten Ge und InP/GaAs Photodioden optimiert wurde. Der Vorteil der heterogenen Integration optischer Komponenten gegenüber herkömmlichen Verbindungstechniken (Bonden mit dünnen Golddrähten) liegt vor allem in kleineren parasitären Kapazitäten bzw. Induktivitäten. Um die heterogen integrierten Photodetektoren mit konventionell gebondeten Photodioden vergleichen zu können, wurde eine Empfängerversion produziert deren Verstärkung einstellbar ist. Damit ist es möglich den Empfänger an verschiedene Diodentypen anzupassen. Die verwendeten Photodioden wurden von CEA-LETI und IMEC, zwei Projektpartnern des HELIOS Projekts der Europäischen Gemeinschaft (FP7 224312), zur Verfügung gestellt. Die Detektoren von CEA-LETI basieren auf Ge und werden mit dem CMOS Chip in einem Verfahren das `wafer-to-wafer bonding' genannt wird verbunden.<br />Dabei werden, nachdem der optische Wafer mit dem CMOS Wafer verbunden wurde, durch den optischen Wafer Durchkontaktierungen erzeugt die bis zum CMOS Wafer reichen. Diese Durchkontaktierungen stellen die Verbindung zwischen optischen und CMOS Wafer her. Im Gegensatz dazu basieren die von IMEC produzierten Dioden auf InP/GaAs. Diese Dioden werden mittels eines Verfahrens, das sich `die-to-wafer bonding' nennt, mit dem CMOS Wafer verbunden. In diesem Verfahren ist der optische Wafer deutlich dicker und beinhaltet schon vor der Verbindung mit dem CMOS Wafer Durchkontaktierungen aus Kupfer ("copper nails"). Das optische Signal wird bei beiden Diodentypen mittels Gitterkoppler und Wellenleiter in die Diode eingekoppelt. Um die heterogen integrierten Photodioden mit herkömmlich gebondeten Dioden vergleichen zu können, wurden von CEA-LETI auch verschiedenste vertikale Ge Photodioden zur Verfügung gestellt. Diese wurden mittels konventioneller Verbindungstechnik (Drahtbonden) mit der CMOS Schaltung verbunden.<br />Im ersten Schritt wurden die unterschiedlichen Photodioden charakterisiert. Danach wurden basierend auf den Messdaten Simulationsmodelle der einzelnen Dioden und ihrer Verbindungsstrukturen entwickelt. Diese Modelle bilden die Grundlage der Entwicklung und Optimierung der Eingangsstufe des Empfängers. Der Empfänger ist für eine Versorgungsspannung von 3.3 V ausgelegt und besteht aus acht identen Kanälen von denen jeder eine maximale Datenrate von 10 Gbps besitzt.<br />Jeder Kanal des Empfängers ist differenziell aufgebaut und besteht aus einem Transimpedanzverstärker (TIA) gefolgt von zwei limitierenden Verstärkerstufen und einer 50 Ohm CML Ausgangstreiberstufe. Erst der differenzielle Aufbau ermöglicht eine optimale Gleichtaktunterdrückung, garantiert eine hohe Immunität gegen Versorgungsspannungsschwankungen und hilft Temperaturschwankungen und Prozesstoleranzen zu minimieren. Im Detail basiert die Eingangsstufe auf einem einfachen Transimpedanzverstärker ("single-ended") der mit Hilfe eines weiteren Transimpedanzverstärkers (`dummy TIA') zu einem differenziellen System erweitert wird. Zusammen mit einem Operationsverstärker zur Offset-Kompensation, erzeugt die kombinierte Eingangsstufe das differenzielle Signal für die nachfolgenden Schaltungsteile. Um den Verstärker mit den verschiedenen Diodenarten verwenden zu können, wurden zwei verschiedene Versionen realisiert. Eine Version wurde für heterogen integrierte Photodioden optimiert während die zweite Version für die Verwendung von konventionell gebondeten Photodioden angepasst wurde.<br />Unglücklicher Weise hatten sowohl CEA-LETI als auch IMEC schwerwiegende Probleme mit der heterogenen Integration der optischen Bauteile. Daher konnte keiner der Projektpartner einen heterogen integrierten Testchip herstellen. Der Empfänger wurde deshalb nur mit herkömmlich gebondeten Photodioden vermessen. In Kombination mit einer externen Photodiode mit 300 fF Kapazität erreicht der Verstärker eine Transimpedanz von 125 kOhm bei einer maximalen Bitrate von 10 Gbps. Bei einer Versorgungsspannung von 3.3 V verbraucht der Empfänger 1,29 W und der differenzielle Ausgangsspannungshub beträgt 800 mVpp an einer 50 Ohm Last. Mit einem PRBS31 Bitmuster und einer Photodiodenempfindlichkeit von 0,5 A/W weist der Verstärker eine Empfindlichkeit von -20 dBm bei einer Bitfehlerrate von 10E-9 beziehungsweise -18.8 dBm bei einer Bitfehlerrate von 10E-12 auf. Zieht man dabei die relativ niedrige Photodiodenempfindlichkeit von nur 0,5 A/W in Betracht, so könnte die Empfindlichkeit des Verstärkers durch Verwendung eines dem Stand der Technik entsprechenden Photodetektors mit einer Empfindlichkeit von 1 A/W um -3 dB verbessert werden. Zusätzlich ließe sich die Verstärkerempfindlichkeit durch die heterogene Integration der Photodiode um weitere -3 dB vergrößern. Insgesamt könnte dadurch die Empfindlichkeit des Verstärkers auf bis zu -26 dBm gesteigert werden.<br />
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This PhD thesis focuses on the development of an 8 × 10 Gbps optical receiver, fabricated in austriamicrosystems 0.35 µm SiGe BiCMOS technology for use with heterogeneously integrated Ge and InP/GaAs photodiodes on top of the CMOS wafer. The heterogeneous integration of the photodetectors promises lower parasitic capacitances and inductances than conventional wire bonding. To compare this novel interconnection method with conventional wire bonded photodetectors the receiver was designed with variable transimpedance to make the usage of various external photodiode types also possible. The photodetectors are fabricated by CEA-LETI and IMEC, two project partners of the European Community project HELIOS (FP7 224312). The photodiodes fabricated by CEA-LETI are based on Ge and integrated on top of the CMOS chip by wafer-to-wafer bonding using subsequent through silicon vias (TSV). The detectors fabricated by IMEC are based on InP/GaAs and use die-to-wafer bonding and Cu filled TSVs to connect the photonic die to the CMOS wafer. Both detector types use grating couplers and waveguides to couple the optical signal into the diode. To compare the heterogeneous integration of the photodetectors with conventional wire bonding CEA-LETI also provided various vertical Ge photodiodes with bond pads. The different diode types are characterized and based on the measurement results models of the various detectors and connection structures are developed. These models are used for all simulations during the design of the receiver. The receiver itself is designed for a supply voltage of 3.3 V and consists of eight identical amplifier channels, each capable of 10 Gbps maximum data rate. It is based on a fully differential structure and is built up of a transimpedance amplifier (TIA) followed by two limiting amplifier stages and a 50 Ohm CML-style output buffer.<br />The fully differential structure is chosen to minimize the influence of common mode disturbances, temperature effects and process tolerances.<br />Due to the fact that the TIA itself is single-ended while the following stages are built up fully differential, a dummy TIA and an operational amplifier, which works as offset compensation, are used to provide the differential input signal for the following limiting amplifier. To adapt the amplifier to the different photodiode types, two different versions were fabricated. One version that is optimized to take full advantage of the heterogeneous integrated photodetectors and a second version which was optimized for use with various wire bonded photodiode types. Unfortunately CEA-LETI as well as IMEC had substantial problems with the heterogeneous integration of the photodiodes on top of the CMOS wafer.<br />Therefore no heterogeneous integrated demonstrator chips were available for characterization. Together with a conventional wire bonded vertical Ge photodiode with a capacitance of 300 fF the achievable total transimpedance is 125 kOhm at a bit rate of 10 Gbps. The total power consumption is 1.39 W at a supply voltage of 3.3 V. The measured differential output voltage swing is 800 mVpp at a load of 50 Ohm. At a data rate of 10 Gbps, a PRBS31 test pattern and a photodiode responsivity of 0.5 A/W a sensitivity of -20 dBm (BER =10E-9), respectively -18.8 dBm (BER = 10E-12) is reached. Taking into account the relative low responsivity of the used photodetector, a sensitivity improvement of -3 dB can be expected if a photodiode with a state-of-the-art responsivity of around 1 A/W would be used. In addition simulations showed that the heterogeneous integration of the photodetector would increase the receiver sensitivity by further -3 dB.<br />Therefore sensitivities of around -26 dBm would be reached by using heterogeneously integrated photodiodes with state-of-the-art responsivities of 1 A/W.<br />
