This thesis focuses on two most important issues for the implementations of a short distance optical communication system and an emerging optical access network technology: a 10Gb/s driver IC consuming low power for direct modulation of VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) and a 1.25Gb/s burst-mode DFB-LD driver IC's design having a function of compensating temperature dependency.
First of all, this paper explains the employing electric technology for improving a bandwidth characteristic and the electric equivalent circuit of a commercial VCSEL. Turning one's attention to these two points, we designed and fabricated a 10Gb/s driver IC for direct modulation of 850nm VCSEL diodes by using InGaP/GaAs heterojunction bipolar transistor technology with a cut-off frequency of 45GHz and an emitter area of $6\mum^2$. The driver IC consists of the CML (current mode logic) interface for the high-speed operation and an ER (extinction ratio)-controllable terminal using a variable resistor. In this work, the fiber-launched optical output signal of the VCSEL driven by the fabricated driver IC exhibits rise/fall times of 29.4/39psec and a controllable extinction ratio at a 3.3V supply voltage with $250mV_{pp}$ input data sequence. The VCSEL driver IC exhibits the small dc power consumption of 65mW as well. This paper also demonstrates the other 10Gb/s VCSEL driver IC designed and fabricated using $0.18\mum$ CMOS technology. Even though the HBT VCSEL driver IC have an ER-controllable terminal, it is difficult to manipulate ER of the optical output signal of a VCSEL because the pre-bias current and modulation current could not be controlled individually. The improved VCSEL driver IC using CMOS technology has two control terminals to adjust pre-bias and modulation current for meeting the requirements of each application and attempts a cascode topology for progressing wideband performance. The improved VCSEL driver IC exhibits rise/fall time of 32.8/43.2psec, dc power consumption of 99mW and wide controllable ER range at the same conditions.
In the following, we demonstrate a 1.25Gb/s DFB-LD driver IC for E-PON application having a temperature insensitive bias circuit and an automatic optical power control block. The DFB-LD driver IC has been designed and fabricated using the small signal model of a DFB-LD and a monitoring PIN-PD. The driver IC consists of LVPECL (low voltage positive emitter coupled logic) interface, which have DC input level of Vcc-2V and input voltage signal amplitude of $800mV_{pp}$, and ER-controllable terminals. The optical output signal from a commercial pigtailed DFB-LD driven by the fabricated LD driver IC using 0.18$\mum$ CMOS technology exhibits rise/fall times of 142/154psec and a controllable extinction ratio at a 3.3V supply voltage with $800mV_{pp}$ input data sequence. This LD driver IC also shows the stable operating performance under the variable temperature condition and power consumption of 201mW.
단거리 광통신망(VSR-4 interface)을 구현하기 위한 송신기 개발에 있어 key issue가 되는 VCSEL 직접 변조기를 구현하기 위해 고속의 동작이 가능한 형태를 제안하고 InGaP/GaAs HBT기술과 TSMC 0.18$\mum$ CMOS 기술을 이용하여 제작되었다.
종래에는 TIA의 주파수 특성 향상을 위해서만 사용되어 온 capacitive peaking 기술과 광대역 증폭기에 일반적으로 많이 사용되는 cascode topology를 도입한 고주파 2종의 VCSEL 직접 변조기를 제안하였다. Peaking capacitance는 그 값이 클수록 큰 주파수 특성 향상을 보이지만, VCSEL의 입력 전류 신호 패턴에 distortion과 timing jitter를 유발한다. VCSEL 직접 변조기 I은 최적화된 40$\omega$의 degeneration resistor와 0.5pF의 peaking capacitor를 사용하여 VSR-4 specifications을 충분히 만족하면서도 65mW의 최소의 dc 파워만을 소모하도록 InGaP/GaAs HBT기술을 이용하여 최적의 상태로 구현되었다. VCSEL 직접 변조기 Ⅱ는 고속 동작에 유리한 cascode topology를 도입할 뿐 아니라, 더 넓은 범위의 extinction ratio를 위해 변조 전류와 바이어스 전류를 각각 독립적으로 제어할 수 있는 두개의 단자를 갖도록 0.18$\mum$ CMOS 기술을 이용하여 구현되었다. VCSEL 직접 변조기 Ⅰ과 25/40psec의 rise/fall times의 특성을 보이는 상용VCSEL을 패키징한 송신기 Ⅰ의 출력 광 신호는 butt-coupling된 62.5$\mum$의 다중 모드 파이버를 통해서 감지되었다. 감지된 광신호는 29.4/39psec의 rise/fall시간 특성과 7.16dB이하의 제어 가능한 extinction ratio와 3dB의 ER조건 하에서는 8.7dB의 signal-to-noise ratio, 54.9%의 crossing percent, 11psec의 timing jitter와 2.98%의 overshoot 특성을 가지면서 65mW의 적은 파워를 소모한다. 또한, 송신기 Ⅱ를 통한 출력 광 신호는 32.8/43.2psec의 rise/fall times, 7dB이하의 제어가능한 extinction ratio와 6dB의 ER 조건 하에서 8.54dB의 SNR, 54.7%의 crossing percent, 22psec의 timing jitter와 19.8%의 overshoot 성능을 보이므로 10Gb/s 의 단거리 광전송에 적합하도록 최적화되었으며, 소모전력면에서는 그 특성이 우수하다.
온도 변화에 덜 민감한 바이어스 회로 구현 기술을 도입하고, average optical power 레벨을 자동으로 control 하는 새로운 APC 회로를 갖는 1.25Gb/s E-PON구현을 위한 DFB-LD 직접 변조 회로가 제안되고 이를 0.18$\mum$ CMOS 기술을 이용하여 구현되었다. CMOS로 구현된 온도에 덜 민감한 바이어스 회로는 MOS 트랜지스터가 subthreshold 조건 이하에서 bipolar 트랜지스터와 유사하게 동작하는 점을 이용하여, 온도 의존 파라미터중의 하나인 $\mu_p$를 상쇄하므로써 얻어지는 제곱근 회로 기술을 응용하였다. 새로 제안된 APC 회로는 저주파수의 성능을 갖는 monitoring PD의 출력 전류가 dc형태임을 감안하여, 온도 상승에 따라 PD의 anode 전압 레벨 변화에 따른 다이오드로써 동작하는 트랜지스터의 누설 전류를 이용하였다. 상용 pigtailed DFB-LD와 1.25Gb/s LD 직접 변조기로 구성되는 송신기Ⅲ은 E-PON specifications에서 지정하는 6dB의 ER 조건 하에서 142/154psec의 rise/fall times, 42psec 의 timing jitter와 5.2dB의 SNR 특성을 보인다. 또한, 1분간 LD의 주변 온도를 상승시키는 조건하에서 20% 미만의 안정성을 보인다.
