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Die optische Glasfaserkommunikation ist ein wichtiger Bestandteil in der heutigen industriellen Entwicklung und des wirtschaftlichen Fortschrittes in unserer modernen Gesellschaft geworden Um die Anforderungen des zunehmenden Datenverkehrs zu erf llen die f r Anwendungen wie das Internet der Dinge IoT und Cloud-Computing ben tigt werden m ssen die Bandbreite die Leistungsaufnahme und die Baugr e solcher Systeme weiter skaliert werden F r die n chste 400 Gb s Generation und nachfolgende optische 1 Tb s Transponder sind elektronische Frontends als Schnittstelle zu den optischen bertragungselementen ein untrennbarer Bestandteil der die Gesamtsystemleistung entscheidend beeinflusst Die vorliegende Arbeit untersucht neuartige Schaltungskonzepte und Methoden mit dem Ziel der Verbesserung verschiedener Leistungsparameter wie Datenrate Energieverbrauch und Eigenrauschen von elektronischen Breitbandschaltungen in optischen Transceivern Als Ergebnis pr sentiert diese Arbeit mehrere integrierte Schaltungen in verschiedenen Knoten einer modernen SiGe C BiCMOS Technologie die den Stand der Technik signifikant verbessern Auf der Senderseite Transmitter Tx wird der traditionelle aber leistungshungrige Ansatz zur Erzeugung h herwertiger Modulationsformate mit Hilfe von linearen Treibern in Kombination mit einem externen Digital-zu-Analog-Umsetzer DAC aufgegriffen und durch die Einf hrung eines energieeffizienten Tx-Moduls mit integrierter 4-b DAC-Funktionalit t deutlich verbessert Dabei werden zwei Integrationskonzepte untersucht Ein hybrides Konzept in dem ein I Q InP Mach-Zehnder-Modulator MZM zusammen mit einem SiGe BiCMOS Treiber integriert wird welches eine 256-Quadratur-Amplituden-Modulation QAM mit einer Symbolrate von bis zu 32 GBd erm glicht die in einem Rekord-Energieverbrauch-pro-Bit von lediglich 6 4 pJ bit resultiert und ein monolithisch integrierter elektronisch-photonischer Transmitter der f r den Betrieb einer 4-Level Pulse-Amplituden-Modulation PAM-4 bis 37 GBd geeignet ist der bisher h chsten Symbolrate unter Verwendung von Silizium-Photonik-Modulatoren Die Hybridl sung findet dabei Anwendung bei den klassischen Telekommunikationsreichweiten w hrend der monolithisch integrierte Tx eine kosteng nstige L sung f r Applikationen mit kurzer Reichweite wie Datenzentren bietet Erfolgreiche elektro-optische E O Messungen wurden f r beide Prototypen durchgef hrt Auf der Empf ngerseite Receiver Rx liegt der Schwerpunkt der Arbeit auf der Untersuchung besonders rauscharmer linearer Transimpedanzverst rker TIA mit einer hohen Bandbreite Dabei wird eine rauscharme Designmethodik vorgestellt und darauf basierend TIA-Implementierungen mit weniger als 10 pA Hz mittlerer eingangsbezogener Rauschleistungsdichte bei einer Datenrate von 100 Gb s aufgezeigt Mittels der vorgeschlagenen Vorgehensweise werden dar ber hinaus innovative Rx-Konzepte f r energieeffiziente Module pr sentiert Ein Benchmark-TIA der eine Bandbreite von 60 GHz mit weniger als 5 5 pA Hz Rauschleistungsdichte erreicht und eine spezifische L sung f r ein PAM-4 Rx-Frontend mit einem integrierten Flash-Analog-Digital-Umsetzer ADC der PAM-4 Signale mit einer Datenrate von bis 100 Gb s demodulieren kann Zuletzt wird erstmals ein TIA in einer Folded-Kaskode-Architektur unter Zuhilfenahme von bipolaren pnp-Transistoren vorgestellt um die Vorteile einer komplement ren Technologie in energieeffizienten Hochgeschwindigkeits-Empf nger-Frontends zu demonstrieren Optical fiber communication has become the key enabler of today s industrial development economic progress and modern society In order to support the increasing data traffic demands required for applications such as the Internet of Things IoT and Cloud Computing the bandwidth power consumption and space density of current systems all need to scale further For the next generation 400 Gb s and soon also 1 Tb s optical transponders the electronic front-ends that are directly interfacing the photonic devices are an integral part and strongly influence the overall system performance This thesis investigates circuit-level methods for enhancing different performance metrics such as high data rate low power consumption and low noise in various broadband circuits for optical transceivers Several contributions to the state-of-the-art in such integrated circuits ICs are proposed and implemented in different nodes of a modern SiGe C BiCMOS technology platform On the transmitter Tx side the traditional but power-hungry approach used for generating high-order modulation formats based on linear driver amplifiers together with an external digital-to-analog converter DAC is revisited Here the implementation of energy-efficient Tx modules featuring integrated 4-b DAC functionality is presented Two integration concepts are explored a hybrid one which incorportates a I Q InP Mach-Zehnder Modulator MZM together with a SiGe BiCMOS driver demonstrating up to 32 GBd 256-quadrature-amplitude-modulation QAM signal modulation with record low energy-per-bit of 6 4 pJ bit and a monolithically integrated photonics Tx capable of up to 37 GBd pulse-amplitude-modulation PAM -4 operation which is the highest among silicon-photonics SiPh modulators The hybrid solution targets telecom reach while the monolithically integrated Tx provides a low-cost solution for short range applications E O measurement results are available for both prototypes On the receiver Rx side the focus lies on the development of low noise high-bandwidth linear transimpedance amplifiers TIAs A low noise design methodology is described and TIA implementations featuring less than 10 pA Hz averaged input referred current noise density while operating at 100 Gb s data rate are demonstrated Based on the proposed design methodology supplementary advanced Rx concepts towards power-efficient modules are presented a benchmarking TIA which achieves 60 GHz bandwidth with 5 5 pA Hz and a custom solution for a PAM-4 Rx front-end integrating a 2-bit flash analog-to-digital converter ADC capable of demodulating signals at up to 100 Gb s data rate Finally a TIA in folded-cascode architecture which makes use of pnp transistors in order to explore the benefits of a complementary technology in power-efficient high-speed Rx front-ends is also described

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High-performance transceiver front-ends in SiGe technologies for 400Gb/s optical links / Hochperformante Transceiver Fro...

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