A Double Loop Continuous-Time Adaptive Equalizer

This paper presents an adaptive equalizer for shorthaul gigabit optical communications. It includes two adaptation loops to compensate the changes in level and spectrum of the input signal. It consumes 29.3 mW for a 1.25 Gb/s signal, transmitted through a 50-m length 1-mm core SI-POF

Optics for AI and AI for Optics

Artificial intelligence is deeply involved in our daily lives via reinforcing the digital transformation of modern economies and infrastructure. It relies on powerful computing clusters, which face bottlenecks of power consumption for both data transmission and intensive computing. Meanwhile, optics (especially optical communications, which underpin today’s telecommunications) is penetrating short-reach connections down to the chip level, thus meeting with AI technology and creating numerous opportunities. This book is about the marriage of optics and AI and how each part can benefit from the other. Optics facilitates on-chip neural networks based on fast optical computing and energy-efficient interconnects and communications. On the other hand, AI enables efficient tools to address the challenges of today’s optical communication networks, which behave in an increasingly complex manner. The book collects contributions from pioneering researchers from both academy and industry to discuss the challenges and solutions in each of the respective fields

Analog I/Q FIR filter in 55-nm SiGe BiCMOS for 16-QAM optical communications at 112 Gb/s

We propose a novel implementation of a complex analog equalization filter for the compensation of frequency-dependent variations in coherent optical links. The analog compensation filter can be used in coherent-lite optical communication links where digital signal processing (DSP) is removed to limit the complexity and power consumption. In these links, the filter can compensate for electrical bandwidth limitations and distortion introduced by chromatic dispersion in the fiber. The complex filter is implemented by combining four distributed analog finite-impulse response (FIR) filters to obtain the necessary response. The filter delays are implemented using active delay cell structures to create a compact solution. The analog filter is implemented in a 55-nm BiCMOS technology and consumes 185-mW core power for five complex filter taps. Performance is evaluated using the S-parameter measurements, noise and linearity measurements, and real-time system experiments using 112-Gb/s 16-QAM-modulated signals

Digital Signal Processing for Coherent Transceivers Employing Multilevel Formats

Digital coherent transceivers have revolutionized optical fiber communications due to their superior performance offered compared to intensity modulation and direct detection based alternatives. As systems employing digital coherent transceivers seek to approach their information theoretic capacity, the use of multilevel modulation formats combined with appropriate forward error correction becomes essential. Given this context, in this tutorial paper, we therefore explore the digital signal processing (DSP) utilized in a coherent transceiver with a focus on multilevel modulation formats. By way of an introduction, we open by discussing the photonic technology required to realize a coherent transceiver. After discussing this interface between the analog optical channel and the digital domain, the rest of the paper is focused on DSP. We begin by discussing algorithms that correct for imperfections in the optical to digital conversion, including IQ imbalance and timing skew. Next, we discuss channel equalization including means for their realization for both quasi-static and dynamic channel impairments. Synchronization algorithms that correct for the difference between the transmitter and receiver oscillators both optical and electrical are then discussed and issues associated with symbol decoding highlighted. For most of the cases, we start with polarization division multiplexed quadrature phase-shift keying (PDM-QPSK) format as a basis and then discuss the extension to allow for high order multilevel formats. Finally, we conclude by discussing some of the open research challenges in the field.This work was supported in part by the EU project ICONE (608099) and EPSRC through INSIGHT (EP/L026155/2) and UNLOC (EP/J017582/1)

Analysis of high capacity short reach optical links

Over the last few years, the global Internet traffic has grown exponentially due to the advent of the social networks, high definition streaming, online gaming, high performance computing and cloud services. The network is saturating, facing a challenge to provide enough capacity to such ever-demanding bandwidth expensive applications. Fiber optic communications is the only technology capable of dealing such high demands due to its advantages over the traditional electrical transmission technology. The short haul transmissions currently rely on direct detection due to low cost, low power and low complexity as compared to the coherent detection schemes. In order to increase the bit rate, several advance modulation formats are under investigation for short reach transmissions. Such links mostly use intensity modulation direct detection (IMDD) schemes providing a simple system when compared with the coherent receivers. In this thesis the performance of Multilevel Pulse Amplitude Modulation (MPAM) is studied using IMDD, providing good spectral efficiency as well as able to deal with the limited electronic devices bandwidth. MPAM can address the typical optical channel without the need to go with more complex and higher power modulation schemes. It provides a trade off between sensitivity and the complexity. So a simple communication system using MPAM is implemented using an external modulated laser transmitted over a distance of 2 km. In order to reduce the cost, single laser and single receiver technique is being adopted. The performance of the MPAM system in a bandwidth limited scenarios is studied with a possibility to use equalization techniques to improve the sensitivity. The utility of Forward Error Correction codes is also studied to improve the performance without increasing the latency. By increasing the number of bits per symbol, the system becomes more sensitive to the impairments. Moreover, the components and the connectors in the transmission system also introduces multipath interference (MPI) that is a key limitation to the use of advance modulation formats. Hence a detailed study is carried out to investigate the MPI effects. At the end, a novel idea based on reflective Mach-Zehnder modulator (MZM) is presented that reuses the modulated wavelength eliminating the need for a laser. As a consequent, the cost and power consumption specifically targeted for the optical interconnect environment is reduced. In a nutshell, the thesis provides an overview of the direct detection system targeted to the short optical links. It includes the studies related to the optical transmission systems and provides an insight of the available advance modulation formats and the detection schemes. Finally, the simulations and laboratory results are provided showing that adoption of MPAM is a viable solution that should be employed in high capacity short reach optical links

Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Digital Signal Processing on FPGA for Short-Range Optical Communications Systems over Plastic Optical Fiber

Nowadays bandwidth requirements are increasing vertiginously. As new ways and concepts of how to share information emerge, new ways of how to access the web enter the market. Computers and mobile devices are only the beginning, the spectrum of web products and services such as IPTV, VoIP, on-line gaming, etc has been augmented by the possibility to share, store data, interact and work on the Cloud. The rush for bandwidth has led researchers from all over the world to enquire themselves on how to achieve higher data rates, and it is thanks to their efforts, that both long-haul and short-range communications systems have experienced a huge development during the last few years. However, as the demand for higher information throughput increases traditional short-range solutions reach their lim- its. As a result, optical solutions are now migrating from long-haul to short-range communication systems. As part of this trend, plastic optical fiber (POF) systems have arisen as promising candidates for applications where traditional glass optical fibers (GOF) are unsuitable. POF systems feature a series of characteristics that make them very suitable for the market requirements. More in detail, these systems are low cost, robust, easy to handle and to install, flexible and yet tolerant to bendings. Nonetheless, these features come at the expense of a considerable higher bandwidth limitation when compared to GOF systems. This thesis is aimed to the investigate the use of digital signal processing (DSP) algorithms to overcome the bandwidth limitation in short-range optical communications system based on POF. In particular, this dissertation presents the design and development of DSP algorithms on field programmable gate arrays (FPGAs) with the ultimate purpose of implementing a fully engineered 1Gbit/s Ethernet Media Converter capable of establishing data links over 50+ meters of PMMA-SI POF using an RC-LED as transmitte