Broadband Receiver Electronic Circuits for Fiber-Optical Communication Systems

The exponential growth of internet traffic drives datacenters to constantly improve their capacity. As the copper based network infrastructure is being replaced by fiber-optical interconnects, new industrial standards for higher datarates are required. Several research and industrial organizations are aiming towards 400 Gb Ethernet and beyond, which brings new challenges to the field of high-speed broadband electronic circuit design. Replacing OOK with higher M-ary modulation formats and using higher datarates increases network capacity but at the cost of power. With datacenters rapidly becoming significant energy consumers on the global scale, the energy efficiency of the optical interconnect transceivers takes a primary role in the development of novel systems. There are several additional challenges unique in the design of a broadband shortreach fiber-optical receiver system. The sensitivity of the receiver depends on the noise performance of the PD and the electronics. The overall system noise must be optimized for the specific application, modulation scheme, PD and VCSEL characteristics. The topology of the transimpedance amplifier affects the noise and frequency response of the PD, so the system must be optimized as a whole. Most state-of-the-art receivers are built on high-end semiconductor SiGe and InP technologies. However, there are still several design decisions to be made in order to get low noise, high energy efficiency and adequate bandwidth. In order to overcome the frequency limitations of the optoelectronic components, bandwidth enhancement and channel equalization techniques are used. In this work several different blocks of a receiver system are designed and characterized. A broadband, 50 GHz bandwidth CB-based TIA and a tunable gain equalizer are designed in a 130 nm SiGe BiCMOS process. An ultra-broadband traveling wave amplifier is presented, based on a 250 nm InP DHBT technology demonstrating a 207 GHz bandwidth. Two TIA front-end topologies with 133 GHz bandwidth, a CB and a CE with shunt-shunt feedback, based on a 130 nm InP DHBT technology are designed and compared

Wideband integrated circuits for optical communication systems

The exponential growth of internet traffic drives datacenters to constantly improvetheir capacity. Several research and industrial organizations are aiming towardsTbps Ethernet and beyond, which brings new challenges to the field of high-speedbroadband electronic circuit design. With datacenters rapidly becoming significantenergy consumers on the global scale, the energy efficiency of the optical interconnecttransceivers takes a primary role in the development of novel systems. Furthermore,wideband optical links are finding application inside very high throughput satellite(V/HTS) payloads used in the ever-expanding cloud of telecommunication satellites,enabled by the maturity of the existing fiber based optical links and the hightechnology readiness level of radiation hardened integrated circuit processes. Thereare several additional challenges unique in the design of a wideband optical system.The overall system noise must be optimized for the specific application, modulationscheme, PD and laser characteristics. Most state-of-the-art wideband circuits are builton high-end semiconductor SiGe and InP technologies. However, each technologydemands specific design decisions to be made in order to get low noise, high energyefficiency and adequate bandwidth. In order to overcome the frequency limitationsof the optoelectronic components, bandwidth enhancement and channel equalizationtechniques are used. In this work various blocks of optical communication systems aredesigned attempting to tackle some of the aforementioned challenges. Two TIA front-end topologies with 133 GHz bandwidth, a CB and a CE with shunt-shunt feedback,are designed and measured, utilizing a state-of-the-art 130 nm InP DHBT technology.A modular equalizer block built in 130 nm SiGe HBT technology is presented. Threeultra-wideband traveling wave amplifiers, a 4-cell, a single cell and a matrix single-stage, are designed in a 250 nm InP DHBT process to test the limits of distributedamplification. A differential VCSEL driver circuit is designed and integrated in a4x 28 Gbps transceiver system for intra-satellite optical communications based in arad-hard 130nm SiGe process

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 /

A 90 nm CMOS 16 Gb/s Transceiver for Optical Interconnects

Interconnect architectures which leverage high-bandwidth optical channels offer a promising solution to address the increasing chip-to-chip I/O bandwidth demands. This paper describes a dense, high-speed, and low-power CMOS optical interconnect transceiver architecture. Vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) data rate is extended for a given average current and corresponding reliability level with a four-tap current summing FIR transmitter. A low-voltage integrating and double-sampling optical receiver front-end provides adequate sensitivity in a power efficient manner by avoiding linear high-gain elements common in conventional transimpedance-amplifier (TIA) receivers. Clock recovery is performed with a dual-loop architecture which employs baud-rate phase detection and feedback interpolation to achieve reduced power consumption, while high-precision phase spacing is ensured at both the transmitter and receiver through adjustable delay clock buffers. A prototype chip fabricated in 1 V 90 nm CMOS achieves 16 Gb/s operation while consuming 129 mW and occupying 0.105 mm^2

High performance CMOS integrated circuits for optical receivers

Optical communications is expanding into new applications such as infrared wireless communications; therefore, designing high performance circuits has gained considerable importance. In this dissertation a wide dynamic-range variable-gain transimpedance amplifier (TIA) is introduced. It adopts a regulated cascode (RGC) amplifier and an operational transconductance amplifier (OTA) as the feed forward gain element to control gain and improve the overload of the optical receiver. A fully-differential variable-gain TIA in a 0.35µm CMOS technology is realized. It provides a bit error rate (BER) less than 10-12 for an input current from 6µA-3mA at 3.3V power supply. For the transimpedance gain variation, from 0.1kΩ to 3kΩ, -3dB bandwidth is higher than 1.7GHz for a 0.6pF photodiode capacitance. The power dissipations for the highest and the lowest gains are 8.2mW and 24.9mW respectively. A new technique for designing uniform multistage amplifiers (MA) for high frequency applications is introduced. The proposed method uses the multi-peak bandwidth enhancement technique while it employs identical, simple and inductorless stages. It has several advantages, such as tunability of bandwidth and decreased sensitivity of amplifier stages, to process variations. While all stages of the proposed MA topology are identical, the gain-bandwidth product can be extended several times. Two six-stage amplifiers in a TSMC 0.35µm CMOS process were designed using the proposed topology. Measurements show that the gain can be varied for the first one between 16dB and 44dB within the 0.7-3.2GHz bandwidth and for the second one between 13dB and 44dB within a 1.9-3.7GHz bandwidth with less than 5.2nV/√Hz noise. Although the second amplifier has a higher gain bandwidth product, it consumes more power and occupies a wider area. A technique for capacitance multiplication is utilized to design a tunable loop filter. Current and voltage mode techniques are combined to increase the multiplication factor (M). At a high input dynamic range, M is adjustable and the capacitance multiplier performs linearly at high frequencies. Drain-source voltages of paired transistors are equalized to improve matching in the current mirrors. Measurement of a prototype loop filter IC in a 0.5µm CMOS technology shows 50µA current consumption for M=50. Where 80pF capacitance is employed, the capacitance multiplier realizes an effective capacitance varying from 1.22nF up to 8.5nF

Wireless Terahertz Communications: Optoelectronic Devices and Signal Processing

Novel THz device concepts and signal processing schemes are introduced and experimentally confirmed. Record-high data rates are achieved with a simple envelope detector at the receiver. Moreover, a THz communication system using an optoelectronic receiver and a photonic local oscillator is shown for the first time, and a new class of devices for THz transmitters and receivers is investigated which enables a monolithic co-integration of THz components with advanced silicon photonic circuits

Noise Analysis of Trans-impedance Amplifier (TIA) in Variety Op Amp for use in Visible Light Communication (VLC) System

VLC is a complex system with lots of challenges in its implementation. One of its problems is noise that originated from internal and external sources (sunlight, artificial light, etc). Internal noise is originated from active components of analog front-end (AFE) circuit, which will be discussed in this paper, especially on the trans-impedance amplifier (TIA) domain. The noise characteristics of AFE circuit in VLC system has been analyzed using the variety of available commercial Op Amp and different types of the photodiode (Si, Si-PIN, Si APD). The approach of this research is based on analytical calculus and simulation using MATLAB®. The results of this research show that the main factor that affecting the noise is en, the feedback resistor (Rf), and junction capacitor in the photodiode (Cj). Besides that, the design concept of multi channel TIA (8 channel) using IC Op Amp, with consideration of pin number of each Op Amp, supply needs, the initial value of Rf, converter to 8-DIP and feedback capacitor (Cf) channel, also discussed in this paper