Design and analysis of a high-efficiencyv high-voltage class-D power output stage

The analysis and design of a highly-efficient 80 V class-D power stage design in a 0.14 μm SOI-based BCD process is described. It features immunity to the on-chip supply bounce, realized by internally regulated floating supplies, variable driving strength for the gate driver, and an efficient 2-step level shifter design. Fast switching transition and low switching loss are achieved with 94% peak efficiency for the complete class-D power stage in the realized chip

Low Voltage Low Power Analogue Circuits Design

Disertační práce je zaměřena na výzkum nejběžnějších metod, které se využívají při návrhu analogových obvodů s využití nízkonapěťových (LV) a nízkopříkonových (LP) struktur. Tyto LV LP obvody mohou být vytvořeny díky vyspělým technologiím nebo také využitím pokročilých technik návrhu. Disertační práce se zabývá právě pokročilými technikami návrhu, především pak nekonvenčními. Mezi tyto techniky patří využití prvků s řízeným substrátem (bulk-driven - BD), s plovoucím hradlem (floating-gate - FG), s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - QFG), s řízeným substrátem s plovoucím hradlem (bulk-driven floating-gate - BD-FG) a s řízeným substrátem s kvazi plovoucím hradlem (quasi-floating-gate - BD-QFG). Práce je také orientována na možné způsoby implementace známých a moderních aktivních prvků pracujících v napěťovém, proudovém nebo mix-módu. Mezi tyto prvky lze začlenit zesilovače typu OTA (operational transconductance amplifier), CCII (second generation current conveyor), FB-CCII (fully-differential second generation current conveyor), FB-DDA (fully-balanced differential difference amplifier), VDTA (voltage differencing transconductance amplifier), CC-CDBA (current-controlled current differencing buffered amplifier) a CFOA (current feedback operational amplifier). Za účelem potvrzení funkčnosti a chování výše zmíněných struktur a prvků byly vytvořeny příklady aplikací, které simulují usměrňovací a induktanční vlastnosti diody, dále pak filtry dolní propusti, pásmové propusti a také univerzální filtry. Všechny aktivní prvky a příklady aplikací byly ověřeny pomocí PSpice simulací s využitím parametrů technologie 0,18 m TSMC CMOS. Pro ilustraci přesného a účinného chování struktur je v disertační práci zahrnuto velké množství simulačních výsledků.The dissertation thesis is aiming at examining the most common methods adopted by analog circuits' designers in order to achieve low voltage (LV) low power (LP) configurations. The capability of LV LP operation could be achieved either by developed technologies or by design techniques. The thesis is concentrating upon design techniques, especially the non–conventional ones which are bulk–driven (BD), floating–gate (FG), quasi–floating–gate (QFG), bulk–driven floating–gate (BD–FG) and bulk–driven quasi–floating–gate (BD–QFG) techniques. The thesis also looks at ways of implementing structures of well–known and modern active elements operating in voltage–, current–, and mixed–mode such as operational transconductance amplifier (OTA), second generation current conveyor (CCII), fully–differential second generation current conveyor (FB–CCII), fully–balanced differential difference amplifier (FB–DDA), voltage differencing transconductance amplifier (VDTA), current–controlled current differencing buffered amplifier (CC–CDBA) and current feedback operational amplifier (CFOA). In order to confirm the functionality and behavior of these configurations and elements, they have been utilized in application examples such as diode–less rectifier and inductance simulations, as well as low–pass, band–pass and universal filters. All active elements and application examples have been verified by PSpice simulator using the 0.18 m TSMC CMOS parameters. Sufficient numbers of simulated plots are included in this thesis to illustrate the precise and strong behavior of structures.

Silicon photonic modulators for PAM transmissions

High-speed optical interconnects are crucial for both data centers and high performance computing systems. High power consumption and limited device bandwidth have hindered the move to higher optical transmission speeds. Integrated optical transceivers in silicon photonics (SiP) using pulse-amplitude modulation (PAM) are a promising solution to increase data rates. In this paper, we review recent progress in SiP for PAM transmissions. We focus on materials and technologies available CMOS-compatible photonics processes. Performance metrics of SiP modulators and crucial considerations for high-speed PAM transmissions are discussed. Various driving strategies to achieve optical PAM signals are presented. Some of the state-of-the-art SiP PAM modulators and integrated transmitters are reviewed

Hybrid Silicon-Photonic Circuits with Second-Order Optical Nonlinearities

Die integrierte Optik ermöglicht die Miniaturisierung diskreter photonischer oder elektro-optischer (EO) Komponenten und die Kombination dieser Bauelemente in komplexen photonischen integrierten Schaltungen (engl. photonic integrated circuit, PIC) auf kompakten Mikrochips. Die Silizium-Photonik (SiP) ist eine sehr attraktive Plattform für die photonische Integration, da sie ausgereifte Herstellungsprozesse aus der Mikroelektronik nutzen kann. Damit eröffnet die Silizium-Photonik die Möglichkeit zur kostengünstigen Massenproduktion von photonischen Chips mit hoher Ausbeute und Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus erlaubt der große Brechungsindexkontrast zwischen dem als Wellenleiterkern dienendem Silizium (Si) und dem als Mantelmaterial verwendeten Siliziumdioxid die Herstellung von Wellenleitern mit kleinen Querschnitten und kleinen Krümmungsradien, was die Integrationsdichte im Vergleich zu anderen Materialplattformen erhöht. Die Silizium-Photonik hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Aufgrund seines inversionssymmetrischen Kristallgitters besitzt Silizium keine Nichtlinearität zweiter Ordnung. Folglich sind Bauelemente wie optische Frequenzkonverter, optische Logikgatter, verschränkte Photonenquellen und vor allem elektro-optische Modulatoren, welche auf dem Pockels-Effekt basieren, auf der SiP-Plattform nicht ohne Weiteres realisierbar. Die hybride Integration von Silzium-Nanowellenleitern mit anderen Materialien, die eine Nichtlinearität zweiter Ordnung aufweisen, ist daher für die Erweiterung des Portfolios von SiP-Bauelementen von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze für die hybride Integration in SiP-Schaltungen untersucht. Der erste Ansatz stütz sich auf hocheffiziente organische EO Materialien, die mit siliziumphotonischen Wellenleiterstrukturen in einem Back-End-of-Line-Prozess kombiniert werden, um sogenannte Silicon-Organic Hybrid (SOH) EO Modulatoren zu realisieren. In dieser Arbeit werden SOH-Modulatoren demonstriert, die neue Rekorde in Bezug auf Modulationseffizienz, optische Einfügungsdämpfung und demonstrierte Datenrate definieren. Darüber hinaus wird die thermische Langzeitstabilität dieser Bauelemente bei 85 °C validiert. Der zweite Ansatz beruht auf neuartigen anorganischen Nanolaminat-Dünnfilmen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) gewachsen werden. Aufgrund des frühen Forschungsstadiums wurden diese Materialien nicht direkt auf SiP-Chips, sondern auf Glassubstraten gewachsen und durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG) charakterisiert. In dieser Arbeit werden SHG-Charakterisierungstechniken für Nanolaminate untersucht und ein neues Nanolaminat vorgestellt. Perspektivisch könnte ALD allerdings auch für die Beschichtung von SiP-Chips verwendet werden. Das konforme ALD-Wachstum bietet sich hierbei an, um präzise definierte Schichtfolgen auch auf komplexen Wellenleiterstrukturen mit hoher Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Diese beiden Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit näher beschrieben. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die integrierte Optik und erläutert die Notwendigkeit der Hybridintegration von optisch-nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung in SiP-Schaltungen. Kapitel 2 fasst den theoretischen Hintergrund, führt die für diese Arbeit relevanten Aspekte der nichtlinearen Optik ein und gibt einen Überblick über verschiedene Klassen von nichtlinearen Materialien zweiter Ordnung. Darüber hinaus wird der Stand der Technik von Mach-Zehnder-Modulatoren auf der SiP-Plattform vorgestellt. In Kapitel 3 wird die sehr hohe Modulationseffizienz von SOH-Modulatoren demonstriert. Dabei wird ein Mach-Zehnder-Modulator diskutiert, bei dem das Produkt aus π-Spannung und Länge nur 0,32 Vmm beträgt. Im Vergleich zu modernsten SiP-Modulatoren stellt dieser Wert eine Verbesserung um mehr als eine Größenordnung dar. Diese hohe Effizienz ermöglicht eine optische Signalerzeugung mit einer Datenrate von 40 Gbit/s unter Verwendung sehr kleiner Peak-to-Peak Treiberspannungen von nur 140 mV$_{\rm{pp}}$. Kapitel 4 stellt einen kompakten SOH-Modulator mit einer optischen Dämpfung des Phasenschiebers von unter 1 dB vor – dies entspricht dem niedrigsten Wert der jemals für einen ultra-schnellen SiP-Modulator veröffentlicht wurde. Der Nutzen dieses Bauteils für schnelle und effiziente optische Datenübertragung wird in einem Experiment demonstriert, bei dem vierstufige Pulsamplitudenmodulations-Signale (PAM4) bei 100 GBd erzeugt werden. Die hierfür verwendeten Treiberspannungen sind kompatibel mit typischen Spannungspegeln, die von energieeffizienten und hochgradig skalierbaren Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-(CMOS­)Bauteilen erzeugt werden können. Kapitel 5 demonstriert die thermische Langzeitstabilität von SOH-Modulatoren gemäß den Telcordia-Normen für die Lagerung bei hohen Temperaturen. Die Bauelemente werden bei 85 °C für insgesamt 2700 h gelagert, und es zeigt sich, dass die π-Spannung nach einem schnellen anfänglichen Anstieg auf ein konstantes langzeitstabiles Niveau konvergiert. Weiterhin wird gezeigt, dass die Lagerung bei 85 °C keinen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile bezüglich der optischen Datenübertragung hat. Dazu wurde eine optische Datenübertragung mit einem SOH-Bauteil durchgeführt, das zuvor für 2700 h bei 85 °C gelagert wurde. Mit dieser Demonstration wird eines der letzten verbleibenden Hindernisse auf dem Weg zum technischen Einsatz von SOH-Bauteilen adressiert: Die Stabilität der zugrundeliegenden organischen Materialien. In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Techniken zur Messung von SHG von anorganischen Nanolaminaten und zur Bestimmung der zugehörigen Elemente des $\chi^{(2)}$-Tensors untersucht. Die Vor- und Nachteile der beiden Methoden werden verglichen und die Quellen für Messfehler identifiziert. Kapitel 7 stellt ein neuartiges binäres Nanolaminatmaterial vor, das auf abwechselnden Schichten aus Zinkoxid und Aluminiumoxid basiert. Die ermittelte Nichtlinearität zweiter Ordnung ist mehr als dreimal so groß wie bei zuvor veröffentlichten ternären Nanolaminaten. Kapitel 8 fasst die Themen dieser Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten zu SOH-Modulatoren und Nanolaminat-Dünnfilmen

High resolution, process and temperature compensated phase shifter design using a self generated look up table

Phase resolution is one of the most important parameters in phased array RADAR determining the precision of antenna beam direction and side-lobe level. Especially, in tracking applications the antenna directivity should be high and side-lobe levels must be low in order to abstain from the signals of Jammers. Phase shifters (PS) set phase resolution and directivity; therefore, they are the key components for phased arrays. Among the PS topologies, vector sum type comes forward due to its significant advantage over the other design techniques, in terms of insertion loss, phase error, area and operation bandwidth. However, in design of vector sum type PS, phase and amplitude errors in vectors, and phase insertion of variable gain amplifiers degrades the phase resolution performance of the PS. In order to overcome these issues and improve bit resolution (reduced phase step size and lower phase error while covering 360° phase range), and improve the tolerance on process - temperature variations, the proposed solution in this thesis is the design of a calibration circuit consisting of Power detector (PD), Analog to Digital Converter (ADC) and a Digital Processing Unit (DPU). The main objective of the calibration loop is the generation of a Look up Table (LUT) for target frequency band and at operating temperature. With this technique, the first 7-bit Phase shifter is designed in SiGe- BiCMOS technology, which also has highest fractional bandwidth in literature

Plasmonic-Organic and Silicon-Organic Hybrid Modulators for High-Speed Signal Processing

High-speed electro-optic (EO) modulators are key devices for optical communications, microwave photonics, and for broadband signal processing. Among the different material platforms for high-density photonic integrated circuits (PIC), silicon photonics sticks out because of CMOS foundries specialized in PIC fabrication. However, the absence of the Pockels effect in silicon renders EO modulators with high-efficiency and large modulation bandwidth difficult. In this dissertation, plasmonic and photonic slot waveguide modulators are investigated. The devices are built on the silicon platform and are combined with highly-efficient organic EO materials. Using such a hybrid platform, we realize compact and fast plasmonic-organic hybrid (POH) and silicon-organic hybrid (SOH) modulators. As an application example, we demonstrate for the first time an advanced terahertz communication link by directly converting data on a 360 GHz carrier to a data stream on an optical carrier. For optical transmitter applications, we overcome the bandwidth limitation of conventional SOH modulators by introducing a high-k dielectric microwave slotline for guiding the modulating radio-frequency signal which is capacitively-coupled to the EO modulating region. We confirm the viability of such capacitively-coupled SOH modulators by generating four-state pulse amplitude modulated signals with data rates up to 200 Gbit/s

Lithium tantalate electro-optical photonic integrated circuits for high volume manufacturing

Photonic integrated circuits based on Lithium Niobate have demonstrated the vast capabilities afforded by material with a high Pockels coefficient, allowing linear and high-speed modulators operating at CMOS voltage levels for applications ranging from data-center communications and photonic accelerators for AI. However despite major progress, the industrial adoption of this technology is compounded by the high cost per wafer. Here we overcome this challenge and demonstrate a photonic platform that satisfies the dichotomy of allowing scalable manufacturing at low cost, while at the same time exhibiting equal, and superior properties to those of Lithium Niobate. We demonstrate that it is possible to manufacture low loss photonic integrated circuits using Lithium Tantalate, a material that is already commercially adopted for acoustic filters in 5G and 6G. We show that LiTaO3 posses equally attractive optical properties and can be etched with high precision and negligible residues using DUV lithography, diamond like carbon (DLC) as a hard mask and alkaline wet etching. Using this approach we demonstrate microresonators with an intrinsic cavity linewidth of 26.8 MHz, corresponding to a linear loss of 5.6 dB/m and demonstrate a Mach Zehnder modulator with Vpi L = 4.2 V cm half-wave voltage length product. In comparison to Lithium Niobate, the photonic integrated circuits based on LiTaO3 exhibit a much lower birefringence, allowing high-density circuits and broadband operation over all telecommunication bands (O to L band), exhibit higher photorefractive damage threshold, and lower microwave loss tangent. Moreover, we show that the platform supports generation of soliton microcombs in X-Cut LiTaO3 racetrack microresonator with electronically detectable repetition rate, i.e. 30.1 GHz.Comment: 8 pages, 4 figure

CMOS analog integrated circuit design techniques for low-powered ubiquitous device

制度:新 ; 文部省報告番号:甲2633号 ; 学位の種類:博士(工学) ; 授与年月日:2008/3/15 ; 早大学位記番号:新479

Mid-infrared quantum optics in silicon

Applied quantum optics stands to revolutionise many aspects of information technology, provided performance can be maintained when scaled up. Silicon quantum photonics satisfies the scaling requirements of miniaturisation and manufacturability, but at 1.55 $\mu$m it suffers from unacceptable linear and nonlinear loss. Here we show that, by translating silicon quantum photonics to the mid-infrared, a new quantum optics platform is created which can simultaneously maximise manufacturability and miniaturisation, while minimising loss. We demonstrate the necessary platform components: photon-pair generation, single-photon detection, and high-visibility quantum interference, all at wavelengths beyond 2 $\mu$m. Across various regimes, we observe a maximum net coincidence rate of 448 $\pm$ 12 Hz, a coincidence-to-accidental ratio of 25.7 $\pm$ 1.1, and, a net two photon quantum interference visibility of 0.993 $\pm$ 0.017. Mid-infrared silicon quantum photonics will bring new quantum applications within reach.Comment: 8 pages, 4 figures; revised figures, updated discussion in section 3, typos corrected, added referenc

Towards Compact and High Speed Silicon Modulators

Los moduladores son elementos claves para la transmisión de la señal y el procesamiento de la información. Las técnicas de fabricación avanzadas "complementary metal-oxide semiconductor" (CMOS) permiten reducir drásticamente las dimensiones de estos dispositivos de interés para la implementación a gran escala en un chip de silicito a bajo coste. El trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño, la fabricación y la caracterización de estructuras de onda lenta con el objetivo de realizar moduladores compactos y eficientes integrados en un chip de silicio. El trabajo se divide en cuatro capítulos y un capítulo de conclusión y perspectivas. El capítulo uno introduce los fundamentos de física del estado sólido y de los mecanismos básicos de propagación guiada de la luz por reflexión total interna. El capítulo dos presenta los parámetros importantes de los moduladroes electro-ópticos así como un trabajo de recopilación de todos los mecanismos físicos que pueden ser empleados para modular la luz en silicio. Además, se presenta el estado del arte de los moduladores basados en silicio. El capítulo tres presenta el diseño , fabricación y caracterización de un modulador electro-óptico en silicio compacto y eficiente basado en el efecto de onda lenta en una estructura periódica unidimensional integrada, cuya geometría, similar a la de una red de Bragg, permite reducir la velocidad de grupo de un paquetes de ondas. Dicho efecto, se emplea para incrementar la interacción luz-materia y por lo tanto la eficiencia del modulador electro-óptico. El capítulo cuatro demuestra experimentalmente que dicha guía unidimensional periódica puede ser mejorada a fin de conseguir que el efecto de baja velocidad de grupo suceda en un rango mayor de longitudes de onda para posibles aplicaciones como la multiplexación por división de longitudinal de onda. En el capítulo cinco, se proporcionan conclusiones y perspectivas sobre el trabajo realizado.Brimont ., ACJ. (2011). Towards Compact and High Speed Silicon Modulators [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14345Palanci