40 Gb/s optischer Empfänger in InP

40 Gb/s optischer Empfänger in InP
Wachsende Kommunikationsbedürfnisse erfordern immer höhere Datenraten in den
Übertragungssystemen. Nicht nur der Übertragungskanal sondern auch die Sende- und
Empfangselektronik muss in der Lage sein, die grossen Datenmengen zu verarbeiten. Daher
sollen in den Kommunikationssystemen die Datenraten von bisher 2.5 bis 10 Gb/s auf 40 Gb/s
erhöht werden. In diesem Projekt entwickelten Opto Speed und das IME einen integrierten
optischen Empfänger für 40 Gb/s.
Die Partner
Opto Speed (OS), eine innovative Schweizer
Firma im Gebiet von optischen und optoelektronischen Komponenten für Glasfaser-basierte
optische Kommunikation, führte in ihrer Produktepalette z.B. Photodioden, Halbleiter-Laser,
optische Verstärker und optische Empfänger. Mit
dem vorliegenden Projekt sollten Komponenten
für zukünftige 40 Gb/s Systeme (OC-768/STM256) entwickelt werden.
Das Prinzip
Der optische Empfänger dient zur Umwandlung
der optischen Signale in elektrische und zu
deren Aufbereitung für die weitere Verarbeitung.
VPD
Vin
THC
MEAN
Photodiode
OUTNDC
Vref
Die Technologie
Um den hohen Geschwindigkeitsanforderungen
zu genügen, wurde für die Realisierung der
Schaltungen keine traditionelle SiliziumTransistortechnologie verwendet sondern eine,
welche auf Indium-Phosphid (InP) basiert. Nebst
dem guten Hochfrequenzverhalten dieser
Halbleiter ermöglicht diese Technologie die
Integration der Photodiode und der Transistoren
auf demselben Chip. Dadurch kann die Länge der
kritischen Verbindungsleitungen zwischen
Photodiode und elektronischer Schaltung
minimiert werden, und dazu wird die Verpackung
der Schaltungen vereinfacht.
OUTN
OUTP
OUTPDC
Transimpedance
Amplifier
dererseits müssen die Technologien für die
Herstellung und Verpackung der 40 Gb/s
Schaltungen zur Verfügung stehen.
Threshold
Differential
Control Circuit Post Amplifier
Blockschaltbild eines optischen Empfängers
Die Photodiode wandelt das Licht in einen
elektrischen Strom um, welcher mit einem sogenannten Transimpedanz-Verstärker in eine
Spannung transformiert wird. Die ThresholdControl Schaltung sorgt dafür, dass am Ausgang
des Empfängers symmetrische, differentielle
Signale zur Verfügung stehen. Mit dem
Nachverstärker werden die Signalpegel für die
nachfolgende Clock- und Datenregenerationsschaltung angepasst.
Das Ziel
Dieses KTI-Projekt hatte zum Ziel, optische
Empfänger der nächsten Generation zu
entwickeln. Dazu müssen einerseits die
Schaltungen entworfen werden und an-
Der Prototyp
Da der Empfänger bei der vollen Datenrate
arbeitet, müssen die Schaltungen bezüglich
Geschwindigkeit optimiert werden. Eine wichtige
Rolle spielt auch das Layout, das heisst, die Art
und Weise, wie die einzelnen Schaltungskomponenten auf dem Chip angeordnet werden.
Dies vor allem deshalb, weil schon Verbindungsleitungen von einigen 10 µm die
Charakteristik der Schaltung beeinflussen.
Chipfoto eines 40 Gb/s Empfängerchips
Um den optischen Empfänger wirklich einsetzten
zu können, muss er in ein hochfrequenztaugliches Gehäuse verpackt werden. Eine
heikle Aufgabe ist die Ankoppelung der Glasfaser an die Schaltung: Um die volle Lichtleistung auf die Photodiode zu bringen, muss
dies mit Toleranzen von wenigen Mikrometern
geschehen. Aber auch die Steckverbinder für die
40Gb/s Signale stellen höchste Anforderungen.
40 Gb/s Empfängermodul
Ergebnisse
Die optischen Empfänger wurden mit einem
Lightwave Component Analyzer charakterisiert.
Sie erreichten Bandbreiten zwischen 33 und 40
GHz und Verstärkungen (Umwandlung von
Lichtleistung in Spannung) zwischen 200 und
800 V/W. Das Augendiagramm zeigt die korrekte
Funktionsweise bei 40 Gb/s.
40 Gb/s Augendiagramm
Kontakt:
Fachhochschule Nordwestschweiz
Institut für Mikroelektronik IME
Steinackerstrasse 1
CH-5210 Windisch
T +41 56 462 46 11
F +41 56 462 46 15
[email protected]
www.ime.technik.fhnw.ch
Das Projekt
Im Rahmen dieses zweijährigen KTI-Projekts
wurde das 40 Gb/s optische Empfänger FrontEnd entwickelt, hergestellt und charakterisiert.
Die Herstellung sowie die Weiterentwicklung der
Transistor- und Packaging-Technologie und
deren Qualifizierung waren Aufgaben von OS.
Das IME beschäftigte sich mit dem Schaltungsentwurf. Dabei bestand die Hauptaufgabe in der
Optimierung bezüglich des Hochfrequenzverhaltens. Auch die Charakterisierung der Chips
und der verpackten Module wurde zum Teil vom
IME durchgeführt. Das Projektvolumen betrug
1'237 kCHF, wovon der Bundesbeitrag der KTI in
der Höhe von 380 kCHF an das IME ging.
Erfahrungen
Die KTI hat durch ihren Projektbeitrag die enge
Zusammenarbeit zwischen Fachhochschule und
Wirtschaft ermöglicht. OS hatte damit die
Möglichkeit, dank der erhöhten Ressourcen die
Entwicklung schneller voranzutreiben. Das IME
erweitert sein Know-how sowohl im Entwurf von
Schaltung bei höchsten Frequenzen als auch in
der Halbleitertechnologie und setzt dieses
unmittelbar um. Dies ermöglicht dem IME als
kompetenter Partner im Bereich der High-Speed
IC-Design auf dem Markt aufzutreten.