Quadrature Phase-Domain ADPLL with Integrated On-line Amplitude Locked Loop Calibration for 5G Multi-band Applications

5th generation wireless systems (5G) have expanded frequency band coverage with the low-band 5G and mid-band 5G frequencies spanning 600 MHz to 4 GHz spectrum. This dissertation focuses on a microelectronic implementation of CMOS 65 nm design of an All-Digital Phase Lock Loop (ADPLL), which is a critical component for advanced 5G wireless transceivers. The ADPLL is designed to operate in the frequency bands of 600MHz-930MHz, 2.4GHz-2.8GHz and 3.4GHz-4.2GHz. Unique ADPLL sub-components include: 1) Digital Phase Frequency Detector, 2) Digital Loop Filter, 3) Channel Bank Select Circuit, and 4) Digital Control Oscillator. Integrated with the ADPLL is a 90-degree active RC-CR phase shifter with on-line amplitude locked loop (ALL) calibration to facilitate enhanced image rejection while mitigating the effects of fabrication process variations and component mismatch. A unique high-sensitivity high-speed dynamic voltage comparator is included as a key component of the active phase shifter/ALL calibration subsystem. 65nm CMOS technology circuit designs are included for the ADPLL and active phase shifter with simulation performance assessments. Phase noise results for 1 MHz offset with carrier frequencies of 600MHz, 2.4GHz, and 3.8GHz are -130, -122, and -116 dBc/Hz, respectively. Monte Carlo simulations to account for process variations/component mismatch show that the active phase shifter with ALL calibration maintains accurate quadrature phase outputs when operating within the frequency bands 600MHz-930MHz, 2.4GHz-2.8GHz and 3.4GHz-4.2GHz

Phase locking a clock oscillator to a coherent atomic ensemble

The sensitivity of an atomic interferometer increases when the phase evolution of its quantum superposition state is measured over a longer interrogation interval. In practice, a limit is set by the measurement process, which returns not the phase, but its projection in terms of population difference on two energetic levels. The phase interval over which the relation can be inverted is thus limited to the interval $[-\pi/2,\pi/2]$; going beyond it introduces an ambiguity in the read out, hence a sensitivity loss. Here, we extend the unambiguous interval to probe the phase evolution of an atomic ensemble using coherence preserving measurements and phase corrections, and demonstrate the phase lock of the clock oscillator to an atomic superposition state. We propose a protocol based on the phase lock to improve atomic clocks under local oscillator noise, and foresee the application to other atomic interferometers such as inertial sensors.Comment: 9 pages, 7 figure

Development of a Digital Feedback System for Advanced Ion Manipulation Techniques within a Penning Trap

The high-precision Penning-trap mass spectrometer Pentatrap aims at measurements of mass ratios of highly charged ions with an uncertainty of a few parts in 10−12. Within the context of this thesis, the development of an active feedback system and its possible applications for the Pentatrap experiment are described. This system allows to electronically feed back the signal from the axial detection electronics to one or multiple electrodes of the Penning trap, enabling the implementation of advanced ion manipulation techniques. It was successfully used to cool the apparent temperature of the detection electronics below the 4.2 K environment of the trap setup, enabling the application of ion feedback cooling. Furthermore, the quality-factor and the center frequency of the resonator, used in the detection system, was shown to be modified by coupling the feedback signal to the resonator. The feedback system was implemented using a novel concept, making use of real-time digital processing algorithms on an FPGA. This leads to very stable feedback operation and allows for highly dynamic variation of the feedback parameters, opening the possibility for new measurement schemes. A phase-sensitive measurements technique for the axial frequency was successfully implemented and tested, which inherently has the potential to achieve better accuracy compared to the commonly used axial dip detection. Additionally, a single-ion self-excited oscillator was realized, enabling the determination of the axial frequency at very high repetition rates. As the precision of the Pentatrap experiment is currently mainly limited by the uncertainty of the axial frequency measurement, the feedback system developed in this thesis will directly contribute to improving the precision of the mass measurements

Silicon-organic hybrid devices for high-speed electro-optic signal processing

Among the various elements of the silicon photonics platform, electro-optic IQ modulators play an important role. In this book, silicon-organic hybrid (SOH) integration is used to realize electro-optic IQ modulators for complex signal processing. Leveraging the high nonlinearity of organic materials, SOH IQ modulators provide low energy consumption for high-speed data transmission and frequency shifting. Furthermore, the device design is adapted for commercial foundry processes

Low Power Circuit Design in Sustainable Self Powered Systems for IoT Applications

The Internet-of-Things (IoT) network is being vigorously pushed forward from many fronts in diverse research communities. Many problems are still there to be solved, and challenges are found among its many levels of abstraction. In this thesis we give an overview of recent developments in circuit design for ultra-low power transceivers and energy harvesting management units for the IoT. The first part of the dissertation conducts a study of energy harvesting interfaces and optimizing power extraction, followed by power management for energy storage and supply regulation. we give an overview of the recent developments in circuit design for ultra-low power management units, focusing mainly in the architectures and techniques required for energy harvesting from multiple heterogeneous sources. Three projects are presented in this area to reach a solution that provides reliable continuous operation for IoT sensor nodes in the presence of one or more natural energy sources to harvest from. The second part focuses on wireless transmission, To reduce the power consumption and boost the Tx energy efficiency, a novel delay cell exploiting current reuse is used in a ring-oscillator employed as the local oscillator generator scheme. In combination with an edge-combiner power amplifier, the Tx showed a measured energy efficiency of 0.2 nJ=bit and a normalized energy efficiency of 3.1 nJ=bit:mW when operating at output power levels up to -10 dBm and data rates of 3 Mbps

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

Wireless wire - ultra-low-power and high-data-rate wireless communication systems

With the rapid development of communication technologies, wireless personal-area communication systems gain momentum and become increasingly important. When the market gets gradually saturated and the technology becomes much more mature, new demands on higher throughput push the wireless communication further into the high-frequency and high-data-rate direction. For example, in the IEEE 802.15.3c standard, a 60-GHz physical layer is specified, which occupies the unlicensed 57 to 64 GHz band and supports gigabit links for applications such as wireless downloading and data streaming. Along with the progress, however, both wireless protocols and physical systems and devices start to become very complex. Due to the limited cut-off frequency of the technology and high parasitic and noise levels at high frequency bands, the power consumption of these systems, especially of the RF front-ends, increases significantly. The reason behind this is that RF performance does not scale with technology at the same rate as digital baseband circuits. Based on the challenges encountered, the wireless-wire system is proposed for the millimeter wave high-data-rate communication. In this system, beamsteering directional communication front-ends are used, which confine the RF power within a narrow beam and increase the level of the equivalent isotropic radiation power by a factor equal to the number of antenna elements. Since extra gain is obtained from the antenna beamsteering, less front-end gain is required, which will reduce the power consumption accordingly. Besides, the narrow beam also reduces the interference level to other nodes. In order to minimize the system average power consumption, an ultra-low power asynchronous duty-cycled wake-up receiver is added to listen to the channel and control the communication modes. The main receiver is switched on by the wake-up receiver only when the communication is identified while in other cases it will always be in sleep mode with virtually no power consumed. Before transmitting the payload, the event-triggered transmitter will send a wake-up beacon to the wake-up receiver. As long as the wake-up beacon is longer than one cycle of the wake-up receiver, it can be captured and identified. Furthermore, by adopting a frequency-sweeping injection locking oscillator, the wake-up receiver is able to achieve good sensitivity, low latency and wide bandwidth simultaneously. In this way, high-data-rate communication can be achieved with ultra-low average power consumption. System power optimization is achieved by optimizing the antenna number, data rate, modulation scheme, transceiver architecture, and transceiver circuitries with regards to particular application scenarios. Cross-layer power optimization is performed as well. In order to verify the most critical elements of this new approach, a W-band injection-locked oscillator and the wake-up receiver have been designed and implemented in standard TSMC 65-nm CMOS technology. It can be seen from the measurement results that the wake-up receiver is able to achieve about -60 dBm sensitivity, 10 mW peak power consumption and 8.5 µs worst-case latency simultaneously. When applying a duty-cycling scheme, the average power of the wake-up receiver becomes lower than 10 µW if the event frequency is 1000 times/day, which matches battery-based or energy harvesting-based wireless applications. A 4-path phased-array main receiver is simulated working with 1 Gbps data rate and on-off-keying modulation. The average power consumption is 10 µW with 10 Gb communication data per day

Application of Maxwell-Wagner polarisation in monolithic technologies

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