Electronic-Photonic Integrated Digital-to-Analogue Converter
Final Report Abstract
Im Forschungsprojekt EPIDAC wurden Konzepte für hybride elektro-optische DAC erforscht. Zunächst wurden verschiedene Architekturen zur Umsetzung dieses Konzepts untersucht. Um die komplexen Systeme, die in das Projekt einbezogen sind, besser untersuchen zu können, wurden Anstrengungen unternommen, um die Simulationsumgebung sowie die Co-Simulation der elektrischen und optischen Strukturen zu verbessern. Durch die Fokussierung auf eine Architektur mit parallelen MZIs wurden die Bausteine sowohl in der elektrischen als auch in der optischen Domäne identifiziert. Das Optimierungsziel für die Entwürfe war immer, die Linearität und Bandbreite der Unterblöcke zu erhöhen, da dies das System in die Lage versetzt, schneller und mit höherer Auflösung (Anzahl der Bits) zu arbeiten als bei einer rein elektrischen Implementierung. Als Proof of Concept wurde ein MZI-Treiber mit hohem Hub entworfen, der auf dem Ansatz eines Durchbruchverdopplers basiert. Die Messergebnisse zeigten einen THD-Rekordwert von unter 1 % bei einem Hub von 6,8 Vpp,d und einer Bandbreite von 65 GHz. Selbst mit einem solchen Treiber benötigt der MZI ~4 mm Länge, um die erforderliche ER zu liefern. Die Verwendung von zwei MZIs würde zu einem Chip mit einer Mindestfläche von 10 mm2 führen. Wir hatten den Ehrgeiz, diese Fläche um den Faktor 2-3 zu verringern. Dies war die Motivation für die Untersuchung und Entwicklung verschiedener Ringmodulatoren und Treiber als alternative Lösung. Außerdem können Treiber mit geringerer Verlustleistung eingesetzt werden. Optische Ringe bieten zwar diese Vorteile, haben aber den Nachteil höherer Nichtlinearität und Temperaturempfindlichkeit sowie geringerer ER-Werte. Daher wurden mehrere Versuche unternommen, sie für den linearen Betrieb zu optimieren und hohe ER-Werte zu erzielen. Im EPIC-Prozess des IHP implementiert, lieferte die Messung der ersten Iteration der Designs ein sauberes Augendiagramm bei 25 Gb/s von einem PAM4-Eingangssignal. Bei der zweiten Iteration wurden die Linearität, ER und die Bandbreite der optischen Struktur verbessert. Leider gab es ein Übersprechen zwischen den optischen Kanälen, was eine erfolgreiche Messung dieses optionalen Designs verhinderte. Ein weiterer kritischer Punkt des Systems ist die PD-TIA-Kombination, bei der die Linearität und der rauscharme Betrieb im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden mussten. Durch den Einsatz verschiedener Peaking-Techniken, Degeneration und die Anwendung von Rückkopplung in der TIA-Schaltung zeigte das eigenständige Design in 130 nm eine Rekordleistung in Bezug auf die erreichte Linearität bei einem bestimmten Verstärkungs- und Bandbreitenwert. Der gemessene Klirrfaktor war besser als 1,5 %, wenn eine Eingangsamplitude von 0,8 mApp an die TIA angelegt wurde. Die maximale Bandbreite und Verstärkung betragen 65 GHz bzw. 71 dBΩ. Um von den schnellen Transistoren und der integrierten optischen Struktur zu profitieren, wurde eine 3D-Integration der beiden Technologien getestet. Dabei wird der 130-nm-Wafer, der das elektrische Design mit den schnellsten Transistoren enthält, auf den 250-nm-EPIC-Wafer gebondet. Unsere ersten Messungen zeigen, dass das Design einwandfrei funktioniert. Wir haben daran gearbeitet, die Simulationsumgebung für solch komplexe Systeme zu verbessern. Der optische Simulator kann nun über MATLAB gesteuert werden. Dadurch ist es sehr einfach, die Signalverarbeitungsfunktionen von MATLAB für den Entwurf, die Optimierung, das Testen der optischen Strukturen und die Analyse der Daten zu nutzen. Dies ist ein wichtiger Schritt, der für viele andere Projekte im SPP nützlich ist.
Publications
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Belfiore, Guido; Khafaji, Mohammad Mahdi; Henker, Ronny; Al-Husseini, Zaid; Neumann, Niels; Plettemeier, Dirk & Ellinger, Frank
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A 50-Gbaud PAM-8 Modulator Driver Realized as a 3-Bit Digital-to-Analog Converter. 2021 International Conference on Electrical, Computer, Communications and Mechatronics Engineering (ICECCME) (c(2021, 10, 7)), 1-4. IEEE.
Giuglea, Alexandru; Khafaji, Mohammad Mahdi; Belfiore, Guido; Henker, Ronny & Ellinger, Frank
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A Linear 65-GHz Bandwidth and 71-dBΩ Gain TIA With 7.2 pA/√Hz in 130-nm SiGe BiCMOS. IEEE Solid-State Circuits Letters, 4(2021), 76-79.
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Seiler, Pascal M.; Georgieva, Galina; Winzer, Georg; Peczek, Anna; Voigt, Karsten; Lischke, Stefan; Fatemi, Adel & Zimmermann, Lars
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Ultra-Wideband Silicon Photonic BiCMOS Coherent Receiver for O- and C-Band. 2021 European Conference on Optical Communication (ECOC) (c(2021, 9, 13)), 1-4. IEEE.
Seiler, Pascal M.; Voigt, Karsten; Lischke, Stefan; Malignaggi, Andrea & Zimmermann, Lars
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A 37-Gb/s Monolithically Integrated Electro-Optical Transmitter in a Silicon Photonics 250-nm BiCMOS Process. Journal of Lightwave Technology, 40(7), 2080-2086.
Giuglea, Alexandru; Belfiore, Guido; Khafaji, Mohammad Mahdi; Henker, Ronny & Ellinger, Frank
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A Low-Distortion Modulator Driver With Over 6.5-Vpp Differential Output Swing and Bandwidth Above 60 GHz in a 130-nm SiGe BiCMOS Technology. IEEE Access, 10(2022), 78667-78676.
Giuglea, Alexandru; Khafaji, Mohammad Mahdi; Belfiore, Guido; Henker, Ronny & Ellinger, Frank
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Multiband Silicon Photonic ePIC Coherent Receiver for 64 GBd QPSK. Journal of Lightwave Technology, 40(10), 3331-3337.
Seiler, Pascal M.; Voigt, Karsten; Peczek, Anna; Georgieva, Galina; Lischke, Stefan; Malignaggi, Andrea & Zimmermann, Lars
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Versatile Germanium Photodiodes with 3dB Bandwidths from 110 GHz to 265 GHz. ECS Transactions, 109(4), 21-28.
Peczek, Anna; Lischke, Stefan; Steckler, Daniel; Morgan, Jesse; Beling, Andreas & Zimmermann, Lars
