Research and design of high-speed advanced analogue front-ends for fibre-optic transmission systems

In the last decade, we have witnessed the emergence of large, warehouse-scale data centres which have enabled new internet-based software applications such as cloud computing, search engines, social media, e-government etc. Such data centres consist of large collections of servers interconnected using short-reach (reach up to a few hundred meters) optical interconnect. Today, transceivers for these applications achieve up to 100Gb/s by multiplexing 10x 10Gb/s or 4x 25Gb/s channels. In the near future however, data centre operators have expressed a need for optical links which can support 400Gb/s up to 1Tb/s. The crucial challenge is to achieve this in the same footprint (same transceiver module) and with similar power consumption as today’s technology. Straightforward scaling of the currently used space or wavelength division multiplexing may be difficult to achieve: indeed a 1Tb/s transceiver would require integration of 40 VCSELs (vertical cavity surface emitting laser diode, widely used for short‐reach optical interconnect), 40 photodiodes and the electronics operating at 25Gb/s in the same module as today’s 100Gb/s transceiver. Pushing the bit rate on such links beyond today’s commercially available 100Gb/s/fibre will require new generations of VCSELs and their driver and receiver electronics. This work looks into a number of state‐of-the-art technologies and investigates their performance restraints and recommends different set of designs, specifically targeting multilevel modulation formats. Several methods to extend the bandwidth using deep submicron (65nm and 28nm) CMOS technology are explored in this work, while also maintaining a focus upon reducing power consumption and chip area. The techniques used were pre-emphasis in rising and falling edges of the signal and bandwidth extensions by inductive peaking and different local feedback techniques. These techniques have been applied to a transmitter and receiver developed for advanced modulation formats such as PAM-4 (4 level pulse amplitude modulation). Such modulation format can increase the throughput per individual channel, which helps to overcome the challenges mentioned above to realize 400Gb/s to 1Tb/s transceivers

Bandwidth Enhancement Techniques For Cmos Transimpedance Amplifier

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016CMOS Transferempedans Kuvvetlendiricinin bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını gelis¸tirmeye yönelik teknikler haberles¸me teknolojisinde ve uygulamalarında ortaya çıkan hızlı gelis¸meler ve uygulamalar verilere hızlı eris¸im avantajı yanında hızlı hesaplama ve haberles¸me tekniklerine imkan veren bir bilgi çag˘ ını ortaya çıkarmıs¸tır. Sürekli artan hızlı bilgi transferi ihtiyacı, hızlı elemanların ve tümdevrelerin tasarımına yönelik aras¸tırmalara liderlik eden optik haberles¸me teknig˘ ini dog˘ urmus¸tur. Veri iletimi için mevcut ortamlar arasında optik fiber yapıları en iyi bas¸arımı sunmaktadır. Günümüzde optik fiberler çok yog˘ un sayısal veri transferinde genis¸ kullanım alanı bulmaktadır. Yog˘ un veri aktarımı kilometrelerce uzunlukta optik fiberler üzerinde önemli bir kayıp olmaksızın yapılabilmektedir. Normal s¸artlarda, is¸aret aktarımının ıs¸ık ile yapılması durumunda ortaya çıkan kayıp elektriksel yolla yapılan aktarıma gore daha düs¸üktür. Optik fiberler genel bas¸arımı iyiles¸tirmenin yanında düs¸ük maliyet avantajını da sunmaktadır. En yüksek teknolojilerde, optik fiber elemanları ve sistemleri çok yog˘ un veri aktarımı amacıyla kullanılmaktadır. Sonuç olarak optik fiber teknolojisi düs¸ük kayıpla çok yog˘ un veri aktarımını az maliyetle sunabilen bir teknoloji olarak günümüzde çok önemli bir konuma sahiptir. Genel olarak, optik haberles¸me sistemlerinde kullanılan analog devreler Galyum Arsenik (GaAs) veya Indiyum Fosfid (InP) teknolojileri ile üretilmektedir. Bu prosesler yüksek hızlı devreler için olus¸turulmakta olup optik haberles¸me sistemlerinin ihtiyaç duydug˘ u yüksek band genis¸lig˘ ine sahip devreleri üretmek için genellikle tek alternatif olarak kars¸ımıza çıkmaktadırlar. Bununla birlikte, CMOS proseslerinde ortaya çıkan hızlı gelis¸meler sayesinde daha yüksek bas¸arımlara sahip analog devreleri CMOS proses kullanarak tasarlama ve gerçekles¸tirme imkanları gittikçe artmaktadır. CMOS prosesin tercih edilmesine sebep olan en önemli avantaj maliyetlerde ortaya çıkan büyük düs¸üs¸tür. CMOS proseslerin maliyetinin düs¸ük olmasının sebebi, büyük alan kullanımı gerektiren sayısal devre gerçekles¸tirmelerinde çok genis¸ bir kullanıma sahip olmasıdır. CMOS prosesin dig˘ er bir avantajı sayısal ve analog devrelerin aynı taban üzerinde gerçekles¸tirilmesine imkan vermesidir. Transferempedans kuvvetlendirici (TIA) optik haberles¸me alıcılarındaki ilk blok olup giris¸indeki akımı çıkıs¸ında gerilime dönüs¸türmektedir. Tipik bir TIA’nın önemli bas¸arım ihtiyaçları genis¸ bandgenis¸lig˘ i, yüksek transferempedans kazancı, düs¸ük gürültü, düs¸ük güç tüketimi ve küçük grup geçikme deg˘ is¸im aralıg˘ ıdır. Nano teknolojilerdeki güncel gelis¸meler, optik alıcıların giris¸ katı uygulamalarında gerekli kolay bir s¸ekilde elde edilemeyen bas¸arımları sag˘ layabilen CMOS Transfer- empedans Kuvvetlendiricinin (TIA) tasarımını ekonomik hale getirmis¸tir. TIA tasarımında dikkat edilmesi gereken iki önemli mesele bandgenis¸lig˘ i ve giris¸ hassasiyetidir. TIA’nın bandgenis¸lig˘ i genellikle giris¸teki parasitic kapasite tarafından sınırlanmaktadır. TIA’nın bandgenis¸lig˘ i fotodiyot kapasitesi, transistor giris¸ kapasitesi ve transistor giris¸ direncinin belirledig˘ i RC zaman sabiti ile bulunabilir. Giris¸ hassasiyeti ise TIA’nın giris¸ gürültü akımından etkilenmektedir. Bundan dolayı TIA’nın bandgenis¸lig˘ i ve giris¸ is¸areti hassasiyeti bas¸arımlarını optimum bir s¸ekilde temin eden uygun devre topolojisinin belirlenmesi önemli bir meseledir. Bu tez, CMOS teknolojisi kullanan Transferempedans Kuvvetlendiricinin band- genis¸lig˘ i bas¸arımını gelis¸tirmeye yönelik yeni teknikler sunan bir çalıs¸madır. CMOS TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını iyiles¸tirmeye yönelik farklı yaklas¸ımlar tez içerisinde gösterilmektedir. Bundan bas¸ka, bu çalıs¸ma transferempedansı kuvvetlendiricinin analizini ve tasarımını tam olarak anlamak için gerekli altyapı bilgisini de sunmaktadır. Bu tezde, sistemle devre tasarımı arasındaki bos¸lug˘ u doldurmak için s¸unlar yapılmıs¸tır: - Band genis¸lig˘ i bas¸arımının arttırılmasının matematiksel analizlerle anlas¸ılması. - Gerçekles¸tirilebilir yeni devre yapılarının tanıtılması. - Teklif edilen tasarımların CMOS teknolojisiyle gerçekles¸tirilebilirlig˘ inin kapsamlı ve detaylı simülasyonlar kullanılarak gösterilmesi. Sunulan yeni devre yapılarının ilki olarak, negatif empedans devresinin bandgenis¸lig˘ i artıs¸ı için kullanılabileceg˘ i bu tezde gösterilmis¸ olup bu teknik bu tezde TIA’nın çıkıs¸ kutpu için uygulanmaktadır. Bandgenis¸lig˘ i, kazancı (gmRout) arttırarak ve çıkıs¸ta aynı zaman sabiti korunarak arttırılabilir. Çıkıs¸ direnci arttırılarak kazanç (A) yükseltilebilir. Çıkıs¸ direnci çıkıs¸a uygulanacak bir negative direnç devresi ile arttırılabilir. Çıkıs¸ta aynı zaman sabitini korumak için ise negatif kapasite devresi kullanılabilir. Daha yüksek kazanç deg˘ eri (A) rezistif geribesleme sayesinde giris¸ direncini azaltarak giris¸ kutbunun yükselmesini sag˘ lamaktadır. Sonuç olarak, bandgenis¸lig˘ i bas¸arımında bir iyiles¸tirme elde edilebilmektedir. Teklif edilen topoloji ile 7GHz bandgenis¸lig˘ ine ve 54.3dB’lik kazanca sahip bir TIA tasarlanmıs¸tır. Teklif edilen TIA’nın 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından çektig˘ i toplam güç 29mW’tır. Teklif edilen TIA’nın 0.18um CMOS proses ile post-serimi yapılmıs¸tır. Benzetimle elde edilmis¸ giris¸ gürültü akım yog˘ unlug˘ u 5.9pA/ Hz olup kapladıg˘ ı alan 230umX45um olmus¸tur. Tezde bir sonraki çalıs¸mada es¸les¸tirme teknig˘ i kullanılarak genis¸ bantlı bs¸r TIA tasarlanmıs¸tır. Giris¸te seri empedans es¸les¸tirme teknig˘ i ve çıkıs¸ta T tipi es¸les¸tirme yapısı birlikte kullanılarak TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımının iyi bir düzeyde iyiles¸tirilebileceg˘ i gösterilmis¸tir. Bu yaklas¸ım 0.18um CMOS teknolojisi ile yapılmıs¸ bir tasarım örneg˘ i ile desteklenmis¸tir. Post serim sonuçları 50fF’lık bir fotodiyot kapasitesi için 20GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 52.6dB’lik transferdirenci kazancı, 8.7pA/ Hz ‘lik giris¸ gürültü akımı ve 3pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 1.3mW güç çekmis¸tir. Tezin üçüncü as¸amasında TIA band genis¸lig˘ i bas¸arımını arttırmaya yönelik bas¸ka bir yapı sunulmaktadır. Bu yapı, literatürde bilinen regule edilmis¸ ortak geçitli mimari ile birlikte farklı rezonans frekanslarına sahip iki rezonans devresinin paralel kullanımını içermektedir. Teklif edilen TIA devresinde, kapasite dejenarasyon ve seri endüktif tepe teknikleri kutup-sıfır kompanzasyonu için kullanılmıs¸tır. 100fF’lık fotodiyot kapasitesine sahip bir TIA 0.18um CMOS prosesi ili tasarlanmıs¸tır. Post-serim sonuçları 13GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 53dB’lik transferdirenci kazancı, 24pA/ Hz ‘lik xxvi giris¸ gürültü akımı ve 5pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 11mW güç çekmis¸tir. Tezin dördüncü as¸amasında, regule edilmis¸ ortak geçitli mimari kullanan TIA’nın bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını arttırmaya yönelik bir teknik tanıtılmıs¸tır. Bu teknik, resistif kompanzasyon teknig˘ ini ve merdiven es¸les¸tirme yapısını bir kaskod akım kaynag˘ ı ile birlikte kullanmaya dayanmaktadır. Bu yapının bas¸arımını göstermek amacıyla, 0.18um CMOS prosesi ile bir tasarım yapılmıs¸tır. Post-serim sonuçları 8.4GHz’lik bandgenis¸lig˘ i, 51.3dB’lik transferdirenci kazancı, 20pA/ Hz ‘lik giris¸ gürültü akımı ve 4pS’den daha az grup geçikmesi bas¸arımılarını vermis¸tir. Bu TIA uygulaması 1.8V’luk besleme kaynag˘ ından 17.8mW güç çekmis¸tir. Tezin son as¸amasında, tezde sunulan teknikler ve yapıların kendi aralarında kars¸ılas¸tırılması verilmektedir. Kars¸ılas¸tırma öncelikli olarak band genis¸lig˘ i, transferempedansı kazancı, gürültü, güç tüketimi, grup geçikme deg˘ is¸im aralıg˘ ı ve kapladıg˘ ı alan için yapılmaktadır. Bunlara ek olarak, sunulan yapıların kullandıg˘ ı tekniklerin avantajlı yanları ile birlikte (kararlılık üzerinde olus¸abilecek negatif etkiler gibi) dezavantajlı tarafları da tezin son as¸amasında verilmektedir. Tezin son as¸amasında yapılan kars¸ılas¸tırmalar, en iyi bant genis¸lig˘ i bas¸arımının es¸les¸tirme teknig˘ ini kullanan yapıdan elde edildig˘ ini göstermektedir. Bununla birlikte dig˘ er yapıların da band genis¸lig˘ i bas¸arımı üzerinde önemli iyiles¸tirmeler yaptıg˘ ı ortaya konulmaktadır. Gürültü açısından ise en yüksek bas¸arımın negatif empedans teknig˘ ini kullanan yapıda elde edildig˘ i görülmektedir. Bu yapı aynı zamanda düs¸ük alan kullanımı imkanı da sunmaktadır. Tezde sunulan dig˘ er iki yapı ise özellikle yüksek deg˘ erli fotodiyot kapasiteleri için incelenmis¸ olup band genis¸lig˘ i bas¸arımı üzerinde önemli iyiles¸tirmeler yaptıkları gösterilmektedir. Sonuç olarak, bu tezde transferempedans kuvvetlendiricinin bandgenis¸lig˘ i bas¸arımını iyiles¸tiren farklı teknikler sunulmakta olup bu teknikler ayrıntılı ve kars¸ılas¸tırmalı olarak incelenmektedir. Tezde verilen sonuçlar sunulan yeni tekniklerin bas¸arımlarının yüksek oldug˘ unu ve literature yeni ve güçlü alternatfiler sunuldug˘ unu göstermektedir. Tezde sunulan yaklas¸ımların ve tekniklerin gelecekte yapılacak benzer aras¸tırmalara hem yardımcı olacak hem de referans olacak nitelikte oldug˘ u düs¸ünülmektedir.The accelerated development of integrated systems in the communication technology and their application are among the significant technologies that have developed the information era by empowering high-speed computation and communication technique besides high-speed access to stored data. The continuous growth demand for high-speed transport of information has rekindled optical communications, leading to derived research on high-speed device and integrated circuit design. Among the available medium to transfer the data, optical fibers have the best performance. Optical fibers are very common these days to transport very high rate digital data. Such high speed data rates can be transported over kilometers of optical fiber and without significant loss. Normally loss is very low when the signal is transmitted using light rather than electrical signal. These fibers also have the advantage of being low cost in addition to improvement of performance. In state-of-the-art technology, fiber optic devices and systems are evidently employed to realize very high data rates. Fiber optic communication is a solution because high data rates can be transmitted through this high capacity cable with high performance. Traditionally, analog circuits used in optical communication systems are implemented using Gallium Arsenide (GaAs) or Indium Phosphide (InP) technologies. These processes are designed for high speed circuits, and have been traditionally the only technologies able to produce the high bandwidth circuits required in optical communication systems. However, due to the aggressive scaling of the CMOS process, it is now becoming possible to design high performance analog circuits in CMOS. The primary advantage of moving to a CMOS process is a dramatic reduction in cost due to its widespread use in high volume digital circuits. Another advantage of using CMOS is its ability to integrate digital and analog circuits onto the same substrate. Transimpedance amplifier (TIAs) is the first building block in the optical communication receiver that converts the small signal current to a corresponding output voltage signal. The important requirements of a typical TIA are large bandwidth, high transimpedance gain, low noise, low power consumption, and small group delay variation. Current developments in nanoscale technologies made it economically feasible to design CMOS transimpedance amplifier (TIA) that satisfies the stringent performances necessary for the front-end optical transceivers applications such as low power, low cost and high integration which offers the most economical solution in the consumer application market. In designing of TIA, the two major factors that must be considered are the bandwidth and the input sensitivity. The bandwidth of TIA is usually limited by the parasitic capacitance at the input stage, and it can be calculated by its RC time constant contributed by photodiode capacitance, parasitic capacitance and input resistance of the amplifier. The sensitivity is affected by the input current noise of the TIA. Therefore it is challenge to choose the suitable circuit topology that provides an optimal trade-off between bandwidth and input signal sensitivity for TIA. This thesis is an attempt toward providing novel techniques to extend the bandwidth of the transimpedance amplifier using CMOS technology. Different approaches used to improve the bandwidth of CMOS TIAs are covered. Moreover, this research provides the necessary background knowledge to fully understand the analysis and design of the transimpedance amplifier (TIA). Bridging the gap between system and circuit design is done by: Understanding the bandwidth expansion by mathematical analysis. Introducing new circuit architectures that can be realized. Demonstrating implementation of the proposed designs using extensive simulations in CMOS technology. It is shown in this thesis that, using a negative impedance NI circuit can be used for bandwidth extension. In our application, the negative impedance is incorporated into the output pole of TIA. The bandwidth can be improved by increasing the gain (A = gmRout ) and by maintaining the same time constant at the output pole. A better gain A can be obtained if the output resistance Rout is increased. Increasing Rout can be done by placing a negative resistance RIN in parallel with the output resistance Rout . In order to maintain the same time constant at the output node, a negative capacitance can be used. It have been reported that, the shunt feedback architecture is used to improve the bandwidth of TIA. Increasing the gain A effectively decreases the input resistance and hence increase the frequency of the input pole due to feedback. As a result, an improvement of the bandwidth can be obtained. Using the proposed topology, a wide band transimpedance amplifier with a bandwidth of 7 GH z and transimpedance gain of 54.3 dBΩ is achieved. The total power consumption of the proposed TIA from the 1.8 V power supply is 29 mW . The TIA is designed in 0.18 µ m CMOS technology. The simulated input referred noise current spectral density is 5.9 pA/√H z and the TIA occupies 230µ m × 45µ m of area. Furthermore, a wide band TIA is designed using the matching technique. It is shown that by simultaneously using of series input matching topology and T-output matching network, the bandwidth of the TIA can be obviously improved. This methodology is supported by a design example in a 0.18 µ m CMOS technology. The post layout simulation results show a bandwidth of 20 GH z with 50 f F photodiode capacitance, a transimpedance gain of 52.6 dBΩ, 11 pA/√H z input referred noise and group delay less than 8.3 ps. The TIA dissipates 1.3 mW from a 1.8 V supply voltage. In addition, a new design possessing to extend the bandwidth of the TIA is presented. This TIA employs a parallel combination of two series resonate circuits with different resonate frequencies on the conventional regulated common gate (RGC) architecture. In the proposed TIA, a capacitance degeneration and series inductive peaking technique are used for pole-zero elimination. The TIA is implemented in a 0.18 µ m CMOS process, where a 100 f F photodiode is considered. The post layout simulation results show a transimpedance gain of 53 dBΩ transimpedance gain along with a 13 GH z bandwidth. The designed TIA consumes 11 mW from a 1.8 V supply, and its group-delay variation is 5 ps with 24 pA/√H z input referred noise. xxii In the last phase of the work, a technique to enhance the bandwidth of the regulated common gate (RCG) transimpedance amplifier is described. The technique is based on using a cascode current mirror with resistive compensation technique and a ladder matching network. In order to verify the operation and the performance of the proposed technique, a CMOS design example is designed using the 0.18µ m CMOS process technology. The post layout simulation results show that, the proposed TIA achieved a bandwidth of 8.4 GH z, a transimpedance gain of 51.3 dBΩ and input referred noise current spectral density of 20 pA/√H z. The average group-delay variation is 4 ps over the bandwidth and the TIA consumes 17.8 mW from a 1.8 V supply. To sum up, this thesis focuses on various design techniques of transimpedance amplifier (TIA) that improves the bandwidth performance. We believe that, our approaches and techniques exhibit a path which other future researchers can follow and as well refer to as their researching domain and also could be used in their research applications.DoktoraPh

Integrated Circuit Design for Hybrid Optoelectronic Interconnects

This dissertation focuses on high-speed circuit design for the integration of hybrid optoelectronic interconnects. It bridges the gap between electronic circuit design and optical device design by seamlessly incorporating the compact Verilog-A model for optical components into the SPICE-like simulation environment, such as the Cadence design tool. Optical components fabricated in the IME 130nm SOI CMOS process are characterized. Corresponding compact Verilog-A models for Mach-Zehnder modulator (MZM) device are developed. With this approach, electro-optical co-design and hybrid simulation are made possible. The developed optical models are used for analyzing the system-level specifications of an MZM based optoelectronic transceiver link. Link power budgets for NRZ, PAM-4 and PAM-8 signaling modulations are simulated at system-level. The optimal transmitter extinction ratio (ER) is derived based on the required receiver\u27s minimum optical modulation amplitude (OMA). A limiting receiver is fabricated in the IBM 130 nm CMOS process. By side- by-side wire-bonding to a commercial high-speed InGaAs/InP PIN photodiode, we demonstrate that the hybrid optoelectronic limiting receiver can achieve the bit error rate (BER) of 10-12 with a -6.7 dBm sensitivity at 4 Gb/s. A full-rate, 4-channel 29-1 length parallel PRBS is fabricated in the IBM 130 nm SiGe BiCMOS process. Together with a 10 GHz phase locked loop (PLL) designed from system architecture to transistor level design, the PRBS is demonstrated operating at more than 10 Gb/s. Lessons learned from high-speed PCB design, dealing with signal integrity issue regarding to the PCB transmission line are summarized

Modelling, Analysis and Design of Optimised Electronic Circuits for Visible Light Communication Systems

This thesis explores new circuit design techniques and topologies to extend the bandwidth of visible light communication (VLC) transmitters and receivers, by ameliorating the bandwidth-limiting effects of commonly used optoelectronic devices. The thesis contains detailed literature review of transmitter and receiver designs, which inspired two directions of work. The first proposes new designs of optically lossless light emitting diode (LED) bandwidth extension technique that utilises a negative capacitance circuit to offset the diode’s bandwidth-limiting capacitance. The negative capacitance circuit was studied and verified through newly developed mathematical analysis, modelling and experimental demonstration. The bandwidth advantage of the proposed technique was demonstrated through measurements in conjunction with several colour LEDs, demonstrating up to 500% bandwidth extension with no loss of optical power. The second direction of work enhances the bandwidth of VLC receivers through new designs of ultra-low input impedance transimpedance amplifiers (TIAs), designed to be insensitive to the high photodiode capacitances (Cpd) of large area detectors. Moreover, the thesis proposes a new circuit, which modifies the traditional regulated cascode (RGC) circuit to enhance its bandwidth and gain. The modified RGC amplifier efficiently treats significant RGC inherent bandwidth limitations and is shown, through mathematical analysis, modelling and experimental measurements to extend the bandwidth further by up to 200%. The bandwidth advantage of such receivers was demonstrated in measurements, using several large area photodiodes of area up to 600 mm^2, resulting in a substantial bandwidth improvement of up to 1000%, relative to a standard 50 Ω termination. An inherent limitation of large area photodiodes, associated with internal resistive elements, was identified and ameliorated, through the design of negative resistance circuits. Altogether, this research resulted in a set of design methods and practical circuits, which will hopefully contribute to wider adoption of VLC systems and may be applied in areas beyond VLC