Parallel optical interconnects recently have emerged as one of the most promising solutions for replacing the metal-based electrical links which have signal transmission limitations in terms of physical quantity as well as link capacity. Quad Small Form-factor Pluggable (QSFP) transceiver specification was introduced by Multiple Source Agreement group (MSA) first time in 2004. QSFP is designed for many applications such as Ethernet, Fiber channel, InfiniBand, and synchronous optical network (SDH/SONET). QSFP optical links have been developed rapidly and even commercialized for many applications especially in high performance computing systems. However, all the reported QSFP are based on the conventional optical interconnection transceiver module structure where up- and down-link signals are transmitted independently using two optical fibers. Simultaneous signaling is achieved by using dedicated “transmit” and “receive” channels meaning utilize only half capacity of an optical fiber. Utilizing a single channel for the transmit/receive operation reduces channel complexities by reducing the number of fibers deployed for a particular optical link. Hence, in order to achieve a compacter, lower cost, and less complex QSFP link, using a single channel for simultaneous transmit/receive (bidirectional) operation is desirable. Recently many efforts on making high-density, high speed parallel optical module have been reported. However, almost of the reported optical modules use one wavelength for signal transmission, thus, limiting their integration capabilities for denser, more compact, and more robust optical interconnect applications. Although, several works have reported implementation of simultaneous bidirectional signaling, the structures utilize either specialized transceiver chips or filters which require complex design structures and careful design rules. Thus, to reduce cost and design complexities, it is imperative to design simple, compact, and high speed transceiver modules with simultaneous and bidirectional capabilities. Therefore, in this dissertation, a simple 4-channel simultaneous bidirectional optical transceiver module is proposed and fabricated based on the approach of using single optical fiber channel for transmitting and receiving signal at the same time for QSFP applications. Chapter 1 describes motivations of multi-channel simultaneous bidirectional optical transceiver module using a single-fiber channel for QSFP applications.
In QSFP specifications, a small QSFP transceiver module board on which optical transmitter and receiver modules, electrical interconnections as well as the micro controller are packaged give transceiver designer many challenges. Design and package a multi-channel, high speed optical transceiver module on a small QSFP boards require many efforts on making small size transmitter, receiver chips, and compact transceiver module. As the size of the chips, PCB and packaged transceiver module reduces to be able to utilize in QSFP module while operation speed increases, many issues on reliability of the optical link needed to be solved for example inter-channel crosstalk and temperature effects. The crosstalk coupling may cause several undesirable effects including excessive signal delay, overshoot (crosstalk pulse), undershoot, glitches and even in reduction in signal delay (speed-up of signal). Crosstalk (undershoot, glitch) can produce logic errors in the circuit and thereby, may jeopardize the circuit functionality and reliability. On the other hand, when the size of the transceiver module and the elements reduce, the power density increases making heating problem in the system. This high temperature may degrade the performance of every element in optical links as the result the optical interconnection performances degrade. Chapter 2 describes theoretical analysis about the contribution of the different sources on the total crosstalk in the QSFP over single fiber link and the thermal effect on each element of the optical links. Methods to reduce the crosstalk and thermal effect for multi-channel simultaneous bidirectional links using a single-fiber channel also discussed in this chapter.
In chapter 3, circuit design including the transmitter and receiver design for simultaneous bidirectional QSFP applications is presented. The 4-channel transmitter adopts the on-chip temperature sensor to monitor and stabilize the output power of VCSEL when the temperature changes to avoid the complex and expensive off-chip mPD monitor technique. Further, to reduce thermal effects on a small chip, the power consumption of the chip should be reduce. Also, for a small chip, inter-channel crosstalk becomes serious problem needed to be considered. Several simple techniques are combined including active feedback with the transistor sizes reduce in a same scale and using the capacitor and resistor degeneration as the buffer between preamplifier and the output driver for large bandwidth and low power consumption with a large output driver current. A proportional to absolute temperature (PTAT) and a control circuit is deployed on the same silicon substrate with the transmitter for monitoring the temperature and control the output current of the driver to compensate the output power of the VCSEL when the temperature change. The 4-channel receiver with low power consumption, low area, and low crosstalk is proposed for QSFP applications based on a inductorless TIA using a regulated-cascode input stage with capacitance degeneration and shunt-feedback and an inductorless limiting amplifier where active feedback, negative capacitance is implemented to achieve relatively flat frequency gain response, high gain, low power consumption, small area, better group delay, and stable operation. To achieve low crosstalk, shielding techniques, symmetric differential layout, and by-pass capacitors are used to reduce the coupling capacitance and inductance between channels.
In chapter 4, a 4-channel, simultaneous bidirectional transceiver module was proposed for QSFP applications. The transceiver module has a simple structure and new methods of forming mirrors in fibers for reflecting end deflecting optical signal in optical links. The transceiver module is based on silicon-embedded glass fiber and silicon optical bench for mounting optical devices and coupling them with fibers. The transceiver module includes fiber-embedded silicon substrate, optical devices mounted on silicon optical benches, in-fiber mirrors for vertical light transmission, and transmitter and receiver chips packaged on transceiver IC module. 45 o mirrors are formed in fibers to reflect and deflect optical signal from/to optical devices silicon optical bench through optical via holes. This structure allows bidirectional signaling through a single optical fiber for up- and down-link. The transceiver optical module are designed and fabricated using 850 nm and 1060 nm vertical cavity surface emitting laser and photodiode arrays. A low-loss ceramic PCB with a compact size of 0.033 cc with top/bottom signal line structure is designed for packaging the transmitter and receiver chips to make transceiver IC module. QSFP boards also designed using the same material and techniques with the transceiver IC board for packaging the transceiver module to make QSFP modules. A simultaneous bidirectional through a signal fiber channel QSFP link has been demonstrated using two QSFP modules, two evaluation boards, and two QSFP connectors. The demonstrated QSFP link gives clear, opened showed clear eye-diagrams and a BER of 10-12 at 10 Gb/s/ch at the input power of -8 dBm and -6.5 dBm for 850 nm and 1060 nm operation modes, respectively. The operation of the QSFP links was evaluated under various temperatures. The results indicated that, the system works well and stably in the range of 0 oC to 85 oC. Due to its compact size, this transceiver module can be applied to other high performance computing system applications.
본 논문에서는 QSFP 기준을 기반으로 하는 광 연결을 위하여 하나의 광섬유 채널을 이용하는 동시 양방향의 TRx 모듈을 제안하였다. 고사양의 광 연결을 위하여 다중 채널간의 열 간섭 및 crosstalk에 대하여 분석하였다. 위의 분석을 기반으로 crosstalk과 열 간섭 현상을 감소시킬 수 있는 방법에 대하여 논의하였다.
0.13 um CMOS 기술을 기반으로 4 채널의 작은 공간에 작은 파워소모와 작은 crosstalk을 갖는 transmitter를 제작하였다. Bandwidth를 증가시키기 위하여 능동 피드백을 이용하여 differential pre-amplifier를 transmitter에 배치하였다. Inversed 트랜지스터를 이용하여 다음 스테이지의 캐패시턴스를 줄이는 방법을 이용하여 전체의 부하 캐패시턴스를 감소시켰다. 또한, inversed 크기방법을 이용하여 전력소모를 감소시켰다.
VSCEL에 충분한 전류를 주입하기 위한 출력단 driver의 캐패시턴스 감소를 위해서 큰 크기의 트랜지스터가 배치되어야 한다. 여기에서의 캐패시턴스와 저항의 감소는 pre-amplifier와 출력단 driver사이의 buffer로 이용되기도 한다. 이미 언급한 캐패시턴스의 감소는 출력단 driver의 캐패시턴스를 bandwidth의 변화 없이 절반으로 줄일 수 있다. 이에 더해, VCSEL에서의 출력 파워를 안정화 시키기 위하여 칩 위에 온도를 감지하는 회로가 사용되었다. PTAT 회로의 출력이 온도에 비례하는 것을 이용하여 온도를 측정하였다. VCSEL의 출력 파워를 안정화시키기 위하여 전류 소스의 on/off를 제어하는 comparator를 제안하였다. 이는 이전의 연구에서보다도 TX를 보다 안정적이고 좋은 성능을 보여줄 수 있도록 도와주었다. 제안된 송신기는 1.4 x 0. 65 mm2 의 크기에서 7.5 Gbps/ch의 속도 및 4.4 mW/Gbps 파워 소모 결과를 보여주었다. 본 구조의 송신기를 이용한 광 출력 모듈에서는 25 oC 에서 85 oC까지 이르는 열적 안정성과 3%미만의 출력 파워 흔들림을 달성하였다.
본 논문에서는 또한 Short-reach 광 연결을 위하여 초소형, 저손실 10Gbps TIA 증폭기를 설계 및 제작하였다. TIA는 입력단에서 RGC topology를 채택하고, 이 입력단은 고유의 전압 이득만큼 입력 임피던스를 줄이고 전체 TIA의 파장 대역에 만연하게 하여 입력 pole을 방지하며, PD의 capacitive 효과를 줄이는 장점을 가지고 있다. RGC 단으로의 shunt-feedback degeneration과 함께, 입력 임피던스는 1/Rf 의 지수로 줄어든다. Capacitive degeneration은 증폭기 단에 적용되어 작은 칩 크기와 저전력 손실을 유지하며 파장 대역폭을 늘일 수 있도록 한다. 제안된 TIA는 0.1 mm x 0.13 mm의 초소형 active 영역만을 차지하고 있다. 단 4.3mW의 전력을 소비하면서, TIA는 높은 DC power 당 이득-대역폭 곱(GBP/DC), 589 GHzΩ/mW의 figure of merit, 그리고 20 pA/√Hz의 낮은 전류 잡음을 가지고 있다. TIA 증폭기 설계를 기반으로, 30 Gbps, 4채널의 저전력, 초소형, 그리고 낮은 crosstalk이 합쳐진 수신기가 0.13 um CMOS 기술로 설계되고 제작되었다. 수신기는 제안된 TIA와 높은 이득, 큰 대역폭, 작은 크기를 위한 능동 피드백과 slew boosting 기술을 위해 동작하는inductorless limiting amplifier를 통합하였다.
능동 피드백과 Negative capacitance 조합을 이용하는 것은 피드백에서의 높은 capacitance impedance를 낮추도록 도와준다. 이것은 수신기의 안정성을 높이고, 넓은 대역폭을 가지며, 전력 손실은 최소화하고, 신호의 group delay와 slew rate를 향상시키면서 높은 이득을 유지하도록 한다. 결과적으로, 광 수신기는 101 dBΩ transimpedance 이득과 5.5GHz의 3-dB 대역폭을 갖는다. 320 mVp의 일정한 출력 전압에서 선명하게 관찰된 eye diagram은 차동 출력단의 한 쪽 끝에서 7.5 Gbs/ch로 얻을 수 있었다. 10-12 의BER은 -7.5 dBm의 입력 power로 4 채널에서 균일하게 1dB로 얻을 수 있었다. 제안된 수신기는1.2V의 전압을 주었을 때 8 mW/Gbps의 Gbps당 파워 손실을 가지고, 0.28 mm2/ch의 칩 면적 비를 가진다. 이 수신기는 CPU와 CPU의 I/O peripherals 사이, 메모리 stacks 등의 광 연결, 그리고 다른 친환경 IT 응용분야들에 응용될 수 있다.
새롭게 디자인된 4채널 동시 양방향 송신기모듈은, VCSEL/PD로부터 오는 빛을 돌리게 하기 위한 광섬유 안에 형성된 45o 각도의 반사기와 함께 설계되었다. 반사기는 up과 down-link 광신호를 분리하기 위한 파장필터 내에 넣어져 있다. 광섬유는 SiOB VCSEL, PD, mPD정렬 칩을 실장하기 위한 SiOB 위 V형 실리콘 기판에 내장되어 있다. 송신기 모듈은 QSFP모듈을 만들기 위해 QSFP 보드에 내장되었다. 넓게 퍼지는 850nm와 1060nm의 두 파장이 채널 내 crosstalk를줄이기 위해 선택되었다. 두개의 제작된 QSFP모듈을 사용함으로써, 하나의 광섬유 배열의 4채널 동시 양방향 QSFP 광신호는 성공적으로 입증되었다.
동시 양방향 동작에 있어 -45dB 이하의 적은 in-channel optical crosstalk을 가지는 시스템이다. 4개의 채널 각각의 명확한 eye-diagram을 통해 up-link, down-link에서 10Gbps/ch 동시 양방향 광 신호 전송을 성공적으로 증명할 수 있다. 10Gbps/ch에서 850nm, 1060nm의 파장을 갖는 광연결에 각각 -8dBm, -6.5dBm의 입력 전력을 가해주면 10-12보다 적은 BER을 갖는다. 25도에서 85도의 넓은 온도 범위에 걸쳐 평가한 바에 따르면, 4개의 광섬유 기반의 end-to-end 양방향 QSFP 링크가 eye-diagram, 3-dB 대역폭, crosstalk에 대해 약간의 질적 저하가 있지만 잘 작동하였고, 10-12보다 적은 BER을 얻기 위해 1.5dB 정도의 입력 전압에 있어 불이익이 있었다. 40Gbps operation에서 무시할만한 in-channel, inter-channel optical crosstalk가 존재하는 rack-to-rack, board-to-board 연결이 있다. 이와 같은 single-fiber 채널을 사용한 고속 데이터 동시 양방향 전송 애플리케이션 등에 이 간단한 TRx 모듈 구조를 효과적으로
