Optical interconnection is being aggressively commercialized for short-reach communication links as an alternative to alleviate bottleneck of electrical interconnections due to its advantages such as high data rate, low crosstalk, low cost, and ease of monolithic integration of optical components in high-speed data transmission. As, technology is developing the size of electronic devices is decreasing which requires small size optical modules for designing optical interconnect link between electronic devices. The realization of small size optical module requires the coalescence of optical components and TRx chips. Therefore, designing of a compact TRx chip plays an important role in reducing the size of optical modules in device-to-device, board-to-board, rack-to-rack and chip-to-chip optical interconnection links. However, reducing the size of TRx chip may increase crosstalk and heating due to the increase of power density. In this dissertation, the reliability of optical TRx modules has studied for creating stable light emission in small size optical modules for bi-directional data transmission.
First, a small-size transimpedance amplifier (TIA)-optical receiver (Rx) using two intersecting active feedback system with regulated-cascode (RGC) input stage has been designed and implemented for optical interconnects. The optical TIA-Rx chip is designed in a 0.13 μm complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology and works up to 10 Gbps data rate. The TIA-Rx chip core occupies an area of 0.051 mm2 with power consumption of 16.9 mW at 1.3 V and achieves higher cost efficiency comparing to other existing state-of-the-artworks. The measured input-referred noise of optical TIA-Rx is 20 pA/√Hz with a 3-dB bandwidth (BW) of 6.9 GHz. The proposed TIA-Rx achieved a high gain-bandwidth product per DC power figure of merit of 408 GHzΩ /mW.
Then, on-chip temperature compensation (TC) for optical transmitter (Tx) modules is reported. The TC block is integrated in common silicon (Si)-substrate with the Tx and demonstrates the ability to maintain a constant vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) output light power without an additional monitoring photodiode (M-PD). Designed and fabricated in a 0.13 μm CMOS technology, the Tx with a TC block operates at up to 5 Gbps. A BER of less than $10^{-12}$ is achieved at a received input power of -3 dBm, with a 1.3 dBm variation of received power for a temperature increase of 20 ~ $00^\circ C$ at 5 Gbps data rate. The percentage error of the temperature compensated Tx output light power is ± 3 %. The Tx module consumes a power of 20 mW at 1.3 V, including the TC block.
As a next stage, we proposed compact multi-channel transceiver (TRx) chip, Tx and Rx are integrated in a single chip, for high-speed optical interconnect applications. However, there are some design challenges/issues such as crosstalk, temperature and power consumption when designing a compact multi-channel Tx and Rx combined chip. The performance of proposed TRx chip has been improved by designing inter-channel isolation between channels, on-chip temperature sensing and compensation circuitry for providing stable output light power. TRx chip has been designed and fabricated using 0.13 $\mu$m CMOS technology. Fabricated TRx chip occupies an area of 1.83x1.8 $mm^2$ and consumes power of 52 mW/ch and 35 mW/ch at 1.3 V for Rx and Tx, respectively. The die bonded TRx chip on an optical printed circuit board (PCB) module has been checked for frequency and dynamic characteristics to verify the high-speed operation capability. The measurement results show that the proposed TRx chip can operate up to 6.125 Gbps/ch. To achieve a BER of less than $10^{-12}$ with temperature increase from 25 ~ 100 ˚C, the power penalty with and without temperature compensation for Tx are 1.3 dBm (increase from -9.8 dBm to -8.5 dBm) and 4.3 dBm (increased from -9.8 dBm to -5.5 dBm), respectively, while power penalty for temperature uncompensated Rx is about 3.56 dBm (increase from -9.3dBm to -5.75 dBm).
As for demonstration, a 40 Gbps bi-directional optical link using our proposed optical subassembly (OSA) module has been implemented. Due to the integration capabilities of silicon, the OSA is based on silicon-embedded glass fiber and silicon optical bench (SiOB). The OSA consists of SiOB, embedded-fiber in a silicon substrate, mirrors for vertical light transmission, Tx and Rx chips, VCSEL, photodiode (PD), and M-PD. The OSA has four channels and is designed for bi-directional signaling through a four-channel embedded fiber. Each of the bi-directional OSA channels has two mirrors for vertical transmission of light from the VCSEL to the fiber or from the fiber to the PD. The OSA allows 10 Gbps optical signal transmission in both directions through each of the embedded fiber channels. Thus, we demonstrate 40 Gbps bi-directional optical link with our proposed OSA module where the Tx and Rx chips are bonded separately on a small PCB; and the optical components, namely, VCSEL, PD, and M-PD are bonded on the SiOB for vertical light transmission through the reflecting mirrors to the embedded fiber-array. To accomplish data transmission through each of the fiber links, two wavelengths, 850 nm and 1060 nm, are used for the up- and down-link, respectively. The proposed bi-directional OSA optical module showed good performance with clear eye-diagram and BER of less than $10^{-12}$ at 10 Gbps data rate for each of the channels with input power of -8 dBm. The measured average crosstalk of bi-directional 40 Gbps optical link is about -22.6 dB between neighboring channels.
본논문에서는 다중 채널 송수신기 모듈의 신뢰도를 연구했다. 능동형 피드백이 가능한 압축형 비용 효과적 광 수신기(Rx)를 설계했다. 표면 방출 레이저(VCSEL)의 광 전력 제어(LPC) 비용을 절감하고 안정적 발광을 제공하도록 송신기(Tx) 모듈용 칩 내장 온도 감지 및 보상을 제안했다. 칩 내장 온도 보상은 온도 보상 없는 송신기 모듈에 비해 광 전력 변동이 더 작아 좋은 결과를 나타냈다. 능동형 피드백 및 칩 내장 온도 보상은 0.13 $\mu$m CMOS 기술에서 쌍방향 전송을 위한 압축형 다중 채널 송수신기(TRx)의 설계 및 시행에 이용됐다. 전2중 통신 데이터 전송의 시범으로서 상호 모드 및 상호 채널 누화를 감소시키도록 쌍방향 OSA 모듈을 제안했다.
RGC가 있는 두 개의 교차하는 능동형 피드백 시스템을 이용하는 소형 광 수신기는 DC 전력 성능 지수별로 408 GHzΩ/mW라는 높은 이득 대역폭 곱(GBWP)을 나타냈는데, 1.3 V에서 전력 소비량은 16.9 mW에 달했으며 칩 면적은 0.051 $mm^2$에 달했다. 제안한 수신기는 $10^{-12}$ 미만의 BER을 획득하기 위해 120 $\mu$ A에 달하는 입력 민감도에서 10 Gbps 데이터 전송 속도까지 작동한다. 칩 내장 및 칩 외장 기생 성분을 추출해 모의 실험과 측정 결과의 차이를 관찰했다. 이 분석은 칩 내장 기생 성분과의 차이에 있어 지배 요인이 능동형 피드백을 갖는 증폭기단에서 비롯될 수 있다는 점을 드러냈는데, 이는 칩의 배치를 세밀하게 설계하고 개선함으로써 향상될 수 있다. 그러나 와이어 본딩의 칩 외장 기생 성분은 수신기의 성능에 대해 더 심각한 효과를 나타냈는데, 이는 다른 빌딩 블록을 위한 별도의 전압 공급원을 제공함으로써 주파수 최대치 도달에 장점으로도 이용될 수 있다. 출력 버퍼단 부근 수신기의 주파수 블록에서 와이어 본딩 길이의 증가와 함께 선형 주파수 최대치 도달을 달성했다. 따라서 출력 버퍼단에 1~3 mm 이내의 더 많은 길이의 별도의 와이어 본딩을 제공하며 입력단의 와이어 본딩 길이를 가급적 감소시킴으로써 수신기의 성능 향상에 효과적인 방법에 도달할 수 있다는 결론을 도출했다. 조사 결과, 광통신 송신기 모듈용 칩 내장 온도 보상은 BER과 눈 그림 성능이 양호했다. TC 블록은 송신기에서 일반 규소(Si) 기질에 집적되며, 20~100 °C에 달하는 온도 상승에서 외부 M-PD 및 APC 블록 없이도 항상적인 표면 방출 레이저 출력 광 전력을 유지하는 능력을 나타냈다. 온도 보상으로 인해 표면 방출 레이저 출력 광 전력의 변동은 ± 3% 미만으로 감소됐는데, 이는 약 40%에 달하는 온도 보상 없는 송신기 모듈에 비해 훨씬 작다. 칩 내장 온도 보상이 있는 제안한 송신기는 TC 블록을 포함해 1.3 V에서 20 mW에 달하는 전력을 소비한다. 제안한 TC 블록의 온도 변화는 표면 방출 레이저를 송신기 칩 부근에 실장함으로써 달성할 수 있는데, 이는 표면 방출 레이저에 직접 영향을 받는 온도 변화 감지의 정확성을 감소시킬 수 있다. 그러나 플립 칩 본딩으로 온도 감지의 정확성을 한층 개선할 수 있는데, 이는 향후에 실리콘 칩의 3차원 집적에 이용될 수 있다.
송신기와 수신기가 단일 섬유에 집적된 제안한 압축형 다중 채널 송수신기 칩은 무(無)유도기 및 칩 내장 온도 보상 설계에 기반한다. 제안한 송수신기 칩의 성능은 안정적 출력 광 전력의 제공을 위해 채널간 채널 격리, 그리고 칩 내장 온도 감지 및 보상을 설계함으로써 개선됐다. 제작된 송수신기 칩은 1.83 x 1.8 $mm^2$ 에 달하는 면적을 차지하며, 1.3 V에서 수신기와 송신기에서 각각 52 mW/ch와 35.1 mW/ch에 달하는 전력을 소비한다. 고속 운용 능력을 검증하기 위해 광통신 PCB 모듈 위의 다이 본딩된 송수신기 칩의 주파수와 동적 특성을 검토했다. 측정 결과는 제안한 송수신기 칩이 6.125 Gbps/ch까지 운용될 수 있다는 점을 보여준다. 25~100 ˚C의 온도 증가에서 $10^{-12}$ 미만의 BER을 달성하기 위해 온도 보상이 있고 없는 경우에 송신기의 전력 페널티는 각각 1.3 dBm(-9.8 dBm에서 -8.5 dBm으로 증가)과 4.3 dBm(-9.8d Bm에서 -5.5 dBm로 증가)인 반면, 온도 미보상 수신기의 전력 페널티는 약 3.56 dBm(-9.3 dBm에서 -5.75 dBm로 증가)였다. 따라서 안정적 출력을 제공하기 위해서는 가변 이득 증폭기를 구축하거나 온도 보상을 제공함으로써 수신기 설계를 개선해야 한다.
제안한 OSA 모듈을 이용해 40 Gbps 쌍방향 광통신 링크를 시범 보였다. 쌍방향 OSA 모듈은 상호 채널 및 상호 모드 누화를 감소시키도록 설계됐다. 4중 채널 OSA 모듈에는 표면 방출 레이저로부터 섬유까지 또는 섬유로부터 각 채널의 PD까지 빛을 수직 송신하도록 거울이 두 개 있는데, 따라서 이는 단일 섬유를 통한 쌍방향 10 Gbps의 광 신호 전송을 가능하게 한다. 단일 섬유를 통한 데이터 전송을 달성하기 위해 850 nm 및 1,060 nm 두 가지의 파장을 각각 상향 링크 및 하향 링크에 이용했다. 제안한 쌍방향 OSA 광통신 모듈은 좋은 성능을 보였는데, 눈 그림은 명확했으며 10 Gbps 데이터 전송 속도와 -8 dB에 달하는 입력 전력에서 각 채널의 BER은 $10^{-12}$ 미만이었다. 쌍방향 40 Gbps 광통신 링크의 인접 채널간 평균 누하 측정치는 약 -22.6 dB로, 상호 모드 누하는 미미했다.
