Details
| Autor: | Guido Belfiore |
| Titel: | Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Transmitter Frontends for High-Speed Optical Links |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Elektrotechnik |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | 25.01.2019 |
| Lieferstatus: | lieferbar |
| Umfang: | 161 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 59,00 EUR |
| ISBN: | 9783959470315 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
This work presents the design of high-speed, power efficient optical transmitter frontends based on vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The integrated circuits are implemented using three different processes: two types of highly scaled bulk CMOS (28 nm and 90 nm) technologies and one high-speed 130 nm SiGe BiCMOS process. The technology of choice depends on the project and application of the driver. Since the transmitted data rate has to be maximized, bandwidth extension techniques and multilevel modulation are implemented in the drivers’ designs.
Direct modulated lasers are often the bandwidth bottleneck of high-speed optical transceivers. The VCSEL model allows the designer to optimise the driver and equalizer in order to compensate the VCSEL non-linearities and extend the system bandwidth in a power efficient manner. The model of a 850 nm commercially available high-speed VCSEL is presented in this work. It is based on non-linear rate equations and provides an excellent agreement between the simulation results of the model and the measurement of the VCSEL.
Within the scope of this work new passive on-chip components are developed with the aim of improving the performance of the transmitters. A particular attention is given to the design of a new type of on-chip vertical inductor. The difference between conventional inductors and the proposed vertical inductor is that in the latter the spiral is oriented vertically to the chip substrate saving chip area. Vertical inductors are not only designed and measured, but also patented and implemented in the high-speed VCSEL drivers.
Several VCSEL drivers are designed during this thesis work. The main goal is to advance the state of the art in regard to power efficient, high-speed optical transmitters. The drivers are wire bonded to commercially available VCSELs and are measured using a wafer prober. Thanks to the design of a power efficient asymmetric 3-tap feed-forward equalizer, the fastest driver reaches an error-free optical data rate of 50 Gbit/s with a power consumption of only 190 mW using a 20 GHz bandwidth VCSEL and a 22 GHz linear receiver. This driver is currently the most power efficient NRZ driver for data rates higher than 40 Gbit/s. Multilevel amplitude modulation is an attractive alternative to NRZ in VCSEL-based optical transceivers. In this work the challenges of such modulation are studied and applied for the first time in a high-speed VCSEL driver.
Abstrakt in Deutsch
In dieser Arbeit wird der Schaltkreis-Entwurf von energieeffizienten optischen Sender-Frontends mit sehr hohen Geschwindigkeiten vorgestellt. Der Fokus liegt auf Systemen deren optische Einheit ein VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) bildet. Die integrierten Schaltungen werden in drei verschiedene Prozesse implementiert: zwei hochskalierte Bulk-CMOS Technologien (90 nm und 28 nm) und ein 130 nm SiGe BiCMOS Prozess, welcher Bipolartransistoren mit einer sehr hohen Transitfrequenz beinhaltet. Die gewählte Technologie hängt dabei von dem jeweiligen Projekt und der Anwendung des Treibers ab. Da die zu übertragene Datenrate maximiert werden soll, werden Techniken zur Bandbreitenerweiterung und mehrstufigen Modulation in den Treiber-Entwürfen implementiert.
Direktmodulierte Laser sind oft der Bandbreiten-Flaschenhals von optischen Hochgeschwindigkeits-Übertragungssystemen. Mit einem entsprechenden VCSEL Modell kann der Schaltungsentwickler den Treiber optimieren. Mittels der Implementierung eines Equalizers können die Nichtlinearitäten des VCSELs ausgeglichen und damit die Bandbreite des Systems energieeffizient erweitert werden. Diese Arbeit präsentiert das Modell eines handelsüblichen schnellen 850 nm VCSEL. Das Modell basiert auf den nichtlinearen Laser-Ratengleichungen und führt zu einer guten Übereinstimmung zwischen den Simulations- und Messergebnissen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue passive on-chip Komponenten entwickelt, mit dem Ziel die Leistung des Senders zu verbessern. Besondere Aufmerksamkeit liegt auf dem Entwurf einer neuartigen vertikalen Spule. Der wesentliche Unterschied der vorgestellten vertikalen Spule zu einer konventionellen planaren Spule ist, dass die Spulenwicklungen vertikal zur Schaltungsfläche bzw. zum Chip-Substrat ausgerichtet sind. Dadurch wird erhebliche Schaltungsfläche eingespart. Die neuartigen vertikalen Spulen wurden simuliert, gemessen und in Hochgeschwindigkeits-VCSEL-Treiber implementiert. Die Spulenanordnung wurde zudem patentiert.
Entwürfe mehrerer VCSEL-Treiber werden in dieser Doktorarbeit vorgestellt. Die Treiber erweitern dabei massgeblich den Stand der Technik hinsichtlich En- ergieeffizienz und Geschwindingkeit von optischen Sendern. Die Treiber sind an handelsübliche VCSEL-Chips draht-gebondet und werden mittels eines Wafer-Testers gemessen. Der schnellste und energieeffizienteste Treiber wurde mittels eines asymmetrischen, 3-tap vorwärtsgekoppelten Equalizers realisiert und erreicht eine fehlerfreie optische Datenrate von 50 Gbit/s mit einem Energieverbrauch von nur 190 mW. Für die optische Messung wurden ein VCSEL mit 20 GHz Bandbreite und ein linearer optischer Empfänger mit 22 GHz Bandbreite verwendet. Dieser Treiber ist derzeit der weltweit energieeffizienteste NRZ-Treiber für Datenraten höher als 40 Gbit/s. Die Mehrpegel-Amplitudenmodulation ist eine attraktive Alternative zur NRZ-Übertragung in VCSEL-basierten optischen Übertragungssystemen. In dieser Arbeit werden die Anforderungen an eine solche Modulation untersucht und das Verfahren zum ersten Mal in einem integrierten Hochgeschwindigkeits-VCSEL-Treiber angewandt.