05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Parallel-Analog/Digital-Umsetzer für Gigabaud-Applikationen(2021) Du, Xuan-Quang; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Communication systems with digital signal processors (DSPs) rely on data converters as interface blocks between the analog and the digital domain. The channel data rates in these systems can be increased by choosing a higher symbol rate and/or a more complex modulation format. Both approaches motivate the design of data converters with high sample rates and/or high effective bit resolution. As the improvement of the converter linearity in terms of power efficiency is more difficult to realize, especially at high operation frequencies, current research on ultrahigh data-rate mm-wave communication systems (e.g., 100 Gbit/s wireless communication) focuses on increasing the symbol rate while keeping the modulation format simple (e.g., quadrature phase shift keying). These systems require data converters with nominal bit resolutions of around 4-8 bit and sample rates of more than 25 GS/s. In order to satisfy the future needs for high-speed data converters, new circuit topologies need to be investigated. This work presents the design of a 35.84-GS/s 4-bit analog-to-digital converter (ADC) from its idea to its first silicon implementation. The ADC is based on a single-core flash architecture that makes use of a special traveling-wave signal distribution. Contrary to classical approaches with a power-hungry and area-consuming front-end track-and-hold (T/H), no analog preprocessing is needed. The analog input and the clock signal are rather directly distributed over a pair of delay-matched transmission lines from one comparator to the next adjacent one. Due the spatial location of these components, both signals do not arrive at the same time at every comparator, but as they travel synchronously along the transmission lines, each comparator will always see the same input value at each sampling event. This work gives detailed insight into critical design aspects of this approach and new mathematical models to predict the impact of data-to-clock time skews onto the converter linearity. Furthermore, essential building components (e.g., linear amplifiers, encoder, etc.) and a real-time digital communication interface for multi-gigabit/s data transmission to external devices are presented. The ADC is implemented in a 130-nm SiGe BiCMOS technology from IHP (SG13G2) and exhibits a die area of 1.3 mm^2. For experimental tests, the ADC is wire-bonded on a specially designed radio frequency (RF) printed circuit board. At a sampling rate of 35.84 GS/s, the peak spurious-free dynamic range (SFDR) is 35.4 dBc and the peak signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) is 24.6 dB (3.8 bit). The effective resolution bandwidth (ERBW) is 14.52 GHz and covers almost the complete first Nyquist frequency band. Up to input frequencies of 20 GHz, a SFDR of more than 26.7 dBc and a SNDR of more than 19.8 dB (3 bit) is achieved. Even at a sample rate of 40.32 GS/s, full Nyquist performance can be demonstrated (SNDR = 18.4 dB @20 GHz). The presented ADC improves the sample rate of current state-of-the-art single-core ADCs by 61% from 25 GS/s to 40 GS/s, making it not only the smallest, but also the fastest reported single-core implementation up to date.Item Open Access Ultra-broadband analog demultiplexer for optical and wireline receivers(2024) Thomas, Philipp; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Metropolitan internet nodes, data centers, and mobile base stations build the backbone of our modern information-based infrastructure. Wavelength, polarization, time, and space division multiplexing are effective means to increase optical channel data rates between these stations. To enable new Ethernet standards with 800 Gbit/s and 1.6 Tbit/s, electronic receivers need faster analog front ends than today. Silicon-Germanium (SiGe) bipolar transistor technologies can provide the necessary performance and can contribute to cost-efficient receivers integrated with digital signal processors (DSP) with complementary metal-oxide semiconductors (CMOS) that feature smallest structures of down to 5 nm as of today. This work presents the design of analog demultiplexers (ADeMUX) in two different variants, which can realize this promise through presampling. The voltage mode (VM) version of the ADeMUX employs switched preamplifiers to slice the input signal and reduce the required sampler bandwidth, as well as switched emitter followers as sampling elements for this purpose, resulting in a significant overall bandwidth increase. The measured bandwidth of this ADeMUX version is higher than 57 GHz at 128 GS/s and represents a record value at such a high sampling rate. Furthermore, the clock duty cycle of 50% in the VM ADeMUX is simple to realize in the clock driver and allows to operate this device at up to 200 GS/s in experiments, which is the highest sampling rate reported in silicon technology. The current mode (CM) version of the ADeMUX integrates a signal current onto a hold capacitance to generate an equivalent voltage. Each of the four output channels uses 25% of their total clock period for this current integration. Another 25% are dedicated to removing the accumulated charge and thus resetting the voltage on the hold capacitance after the hold mode. The characterization of the CM ADeMUX shows 36 GHz bandwidth at 128 GS/s input sampling rate, as well as more than 3 bit accuracy up to 50 GHz. In a data transmission experiment with digital predistortion, four-level pulse amplitude modulation, and digital postprocessing, this analog front end shows the reception of data at 256 Gbit/s for the first time in a silicon technology. Overall, the realized ADeMUX devices in SiGe technology could contribute to extending data rates in coherent optical transmission channels to more than 1 Tbit/s per wavelength without having to sacrifice the high integration density of CMOS DSPs.Item Open Access Integrated dispersive structures for bandwidth-enhancement of silicon grating couplers(2020) Klenk, Rouven H.; Schweikert, Christian; Hoppe, Niklas; Nagy, Lotte; Elster, Raik; Vogel, Wolfgang; Berroth, ManfredIn photonic integrated circuits grating couplers are commonly used to establish an efficient and stable fiber-to-chip link. However, the actual coupling efficiency of a fiber-to-chip interface depends strongly on the used wavelength and exhibits a maximum at a distinct target wavelength, determined by grating design parameters. In this paper, an enhancement of the optical bandwidth of silicon grating couplers by adding integrated dispersive structures is discussed. These are realized by single layers, prism-like geometries and additional silicon nitride gratings. Theoretical considerations for a bandwidth-enhancement by dispersive layers are performed and applied to an existing grating coupler design. A simulated 1dB-bandwidth of up to 90 nm at a maximum efficiency of - 0.65 dB in the C-band could be achieved, which is an enhancement to a factor of about 2 compared with the original coupler design.Item Open Access Auslegung von Detektoren und Ladungsverstärkern für die Erkennung geladener Partikel unter Berücksichtigung des Systemverhaltens(2024) Kelz, Sebastian; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Detektoren für kosmischen Staub, die auf der Auswertung influenzierter Ladungen basieren, werden im Weltraum eingesetzt, um in unterschiedlichen Anwendungen die Flugbahn oder die Partikelgeschwindigkeit und die Ladung kosmischer Staubpartikel zu bestimmen. Aufgrund der Strahlung der Sonne weisen die Partikel eine gewisse Ladung auf, die durch die Messung influenzierter Ladungen in den Elektroden des Staubdetektors zerstörungsfrei ausgewertet wird. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit dem optimierten Entwurf der zuvor genannten Detektoren und Ladungsverstärker, sowohl in Bezug auf die Verwendung im Weltraum als auch für die Verwendung in Testaufbauten auf der Erde. Zusätzlich wird das Ziel verfolgt, den Geschwindigkeitsbereich, in dem Staubpartikel erkannt werden können, im Bereich niedriger Geschwindigkeiten und im Bereich hoher Geschwindigkeiten zu erweitern. Es wird ein Simulationsmodell vorgestellt, das sowohl ein vereinfachtes Modell des Detektors als auch ein vereinfachtes Modell des Verstärkers beinhaltet. Für das System zur Schätzung der Partikelparameter wird vereinfacht ein ideales System betrachtet. Durch die Auswertung des Systemmodells werden neue Einsichten in die Abhängigkeiten zwischen dem Aussehen der Elektrode, dem Ausgangssignal des Detektors und dem Rauschen des Detektors und des Verstärkers ermöglicht. Es wird gezeigt, dass die Länge der Elektrode nur einen geringen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Detektors hat, eine kurze Elektrodenlänge jedoch eine Reduzierung der Leistungsaufnahme bei ähnlicher Empfindlichkeit ermöglicht. Ein größerer Abstand zwischen der Abschirmung und der Elektrode erhöht die Empfindlichkeit in Bezug auf die Detektion, erhöht aber auch die Varianz der geschätzten Geschwindigkeit. Insgesamt wird der Geschwindigkeitsbereich zwischen 15 m/s und 300 km/s betrachtet. Um die Detektion langsamer Partikel zu ermöglichen, wird ein differenzieller Ladungsverstärker vorgestellt. Zur Verbesserung des Verständnisses des differenziellen Ladungsverstärkers erfolgt ein theoretischer Vergleich mit dem massebezogenen Ladungsverstärker. Das Rauschen aufgrund dielektrischer Verluste und begrenzter Isolationswiderstände bei niedrigen Frequenzen wird durch die Wahl spezifischer verlustarmer Materialien reduziert. Die Erkennung schneller Partikel wird durch den Entwurf eines Ladungsverstärkers mit einer oberen Grenzfrequenz von 50 MHz ermöglicht. Mit dem differenziellen Ladungsverstärker wird eine äquivalente Rauschladung von 55 Elementarladungen im Frequenzbereich von 40 Hz bis 300 kHz für eine massebezogene Kapazität von 2,2 pF erreicht.Item Open Access Digital-Analog-Umsetzer in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie(2024) Widmann, Daniel; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Das stetige Anwachsen des globalen Datenverkehrs treibt optische Datenübertragungssysteme zu immer höheren Datenraten pro Träger-Wellenlänge. Digital-Analog-Umsetzer (DAU) in Sendesystemen sind kritische Komponenten bei der Realisierung derartiger Systeme und erfordern Umsetzungsraten im Bereich von 100 GS/s und darüber hinaus. Zur Integration mit digitalen Signalprozessoren spielen DAU in komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (engl.: complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) eine zentrale Rolle. Analoge Zeitverschachtelung mehrerer DAU-Ausgänge mithilfe eines getakteten analogen Multiplexers (AMUX) ist ein Konzept, um die Umsetzungsraten zu erhöhen. Im Gegensatz zur einfachen Überlagerung von DAU-Ausgangssignalen erhöht die inhärent nichtlineare Operation die Bandbreite durch Verschiebung der prinzipbedingten Dämpfung. Daher bietet der Einsatz eines AMUXs eine universelle Lösung, die Umsetzungsraten und Bandbreiten von CMOS-DAUn zu erhöhen, und eröffnet neben der Weiterentwicklung der Technologie einen zweiten, konzeptuellen Weg hierfür. AMUX wurden bereits in hybriden Systemen, beispielsweise aus CMOS-DAUn und AMUX in Silizium-Germanium-Bipolartechnologie, eingesetzt. Allerdings wurde noch keine vollumfängliche CMOS-Integration eines solchen Systems bei vergleichbaren Umsetzungsraten, wie sie hier erreicht werden, demonstriert. In dieser Arbeit werden unter Verwendung unterschiedlicher Schaltungstopologien zwei Sub-DAU mit einer nominalen Auflösung von 8 bit zusammen mit einem AMUX auf einem Chip präsentiert. Dabei liegt der Fokus darauf, möglichst hohe Umsetzungs- und Datenraten zu erreichen. Die Leistungsaufnahme spielt eine untergeordnete Rolle. Die Schaltung ist in einer 28-nm-CMOS-Technologie (fully-depleted silicon-on-insulator) realisiert und ein zusätzlicher 256 KiS großer Speicher vervollständigt das System zu einem vollwertigen, universellen Arbiträrsignalgenerator. Breitbandige, pulsamplitudenmodulierte (PAM) Signale bis zur Nyquist-Frequenz werden bis 108 GS/s (PAM-2) und Datenraten werden bis 240 Gbit/s (PAM-8) demonstriert. Darüber hinaus kann das System für Anwendungen mit Überabtastung schmalbandigerer Signale und eventueller Pulsformung bis 118 GS/s eingesetzt werden. Entwurfsbedingt weist der DAU ein deterministisches, lineares, periodisch zeitvariantes Verhalten auf, was zu Verzerrungen führt. Um diese zu kompensieren bzw. zu reduzieren, wird ein universelles Verfahren zur Systemidentifikation und Vorverzerrung entwickelt. Damit können deutliche Verbesserungen für pulsamplitudenmodulierte Signale wie auch für Eintonsignale erzielt werden. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein System aus zwei Sub-DAUn und einem AMUX zur Zeitverschachtelung auf analoger Ebene in CMOS-Technologie entwickelt, das Umsetzungsraten deutlich über 100 GS/s erreicht.Item Open Access Design of active and passive photonic components for an optical transmitter in silicon-on-insulator technology(2022) Félix Rosa, María; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)This work presents research on active and passive nanooptical structures on silicon-on insulator technology for high speed data communication. The utilized technology is cost efficient and complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible allowing the integration of optical and electrical circuits on the same die. The work consists of two parts presenting the two main structures that are investigated: the two-dimensional grating coupler and the optical modulator. The first chapter introduces the motivation and the goal of the work. The second chapter describes the design and simulation of two-dimensional grating couplers. This is a passive structure used to couple light from the optical fiber into the optical waveguides embedded on a die. Two-dimensional grating couplers with an orthogonal and a focusing grid are investigated. The geometrical parameters of the structure are optimized to achieve high coupling efficiencies and enable the splitting of the two orthogonal polarizations of the input light, i.e. the transversal electric (TE) from the transversal magnetic (TM) polarization, into the two outputs of the coupler. This allows the transmission of one information channel at each polarization increasing the data rate. For periodic orthogonal two-dimensional grating couplers a simulated coupling efficiency of −1.9 dB and −2.1 dB are achieved for TE and TM polarizations, respectively. The coupling efficiency is enhanced by the use of an aperiodic grating achieving a simulated coupling efficiency of −1.7 dB for TE and −1.9 dB for TM polarization at the telecommunication wavelength of 1550 nm. In addition, two-dimensional focusing grating couplers are designed in order to reduce the area of the coupling structure. The spatial dimension of the grating and the taper, used to guide the optical signal from the grating coupler to a single mode waveguide, are optimized maximizing the coupling efficiency. Customized tapers are developed for each focusing grating design. The design and simulation of different focusing grating couplers and tapers are presented achieving a total coupling efficiency of −3.1 dB and a 1 dB-bandwidth of 40 nm with a grating coupler with a side width of less than 13 µm and a customized taper of 26.2 µm. Using an adiabatic taper with a length of 100 µm, the coupling efficiency is −2.4 dB, which is a promising result for a comparably structure which includes the tapered waveguide. At the end of the chapter the measurement results of a fabricated two-dimensional focusing grating coupler with customized taper is presented. A prototypical structure is fabricated at Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) for design validation, which can be optimized in future adding a backside metal mirror to avoid light losses into the substrate increasing the coupling efficiency. The third chapter concentrates on the modulation of light by applying an electrical signal by means of the designed active optical structure. Key parameters for the design of these structures as the geometrical dimensions, the doping profile and the electrical properties are described in detail as well as the impact on the performance of the modulator if these parameters are modified. Different designs of modulators together with various optical and electrical test structures are fabricated with the novel technology of IMS CHIPS. The first fabricated optical modulator using this technology is successfully measured. This is a Mach-Zehnder modulator which exhibits a measured modulation efficiency of 3.1 Vcm at 2 V reverse bias voltage. The total insertion loss on-chip is 4.2 dB for the operating point with the maximum absorption of light. Transmission lines with a 3 dB electrical bandwidth higher than 50 GHz are designed and measured to be used as traveling wave electrode of the modulator. The influence of the phase shifter of the modulator below the transmission lines is analyzed and an equivalent circuit model is developed. The electrical coplanar lines of the modulator are measured showing a 3 dB electrical bandwidth of 27 GHz and a 6 dB electrical bandwidth of 30 GHz at 2 V reverse bias voltage, which theoretically corresponds with the 3 dB electro-optical bandwidth of the modulator. Additionally, modulators and test structures are designed and fabricated in a different technology with a 220 nm silicon-on-insulator substrate at the Leibniz Institute for High Performance Microelectronics (IHP). Optical and electrical measurements of the most relevant designs are presented. A modulation efficiency of 0.25 Vcm at 2 V bias voltage is demonstrated for a push-pull modulator with a 6 dB electrical bandwidth of the traveling wave electrode of 10 GHz. Finally, the most important results are outlined as conclusion and an outlook for further investigations based on the research of this work is given at the end of the thesis.Item Open Access Analoger Multiplexer in Bipolartechnologie für zeitverschachtelte Digital-Analog-Umsetzer(2024) Tannert, Tobias; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Um die von Digital-Analog-Umsetzern (DAUs) generierte Signalbandbreite weiter zu steigern, z.B. für die Anwendung in optischen Kommunikationssystemen, ist die Zeitverschachtelung mehrerer DAUs mit einem analogen Multiplexer (AMUX) ein aussichtsreiches Konzept. In dieser Arbeit wird der Entwurf eines analogen 2:1 Multiplexers in einer Silizium-Germanium-Technologie erforscht. Ein Überblick über den Stand der Technik von schnellen DAUs und AMUXen ermöglicht eine Einordnung der Ergebnisse dieser Arbeit. Anschließend wird die Systemtheorie des 2:1 AMUX ausführlich dargelegt, um das Verhalten der Schaltung verstehen zu können und ein Modell des AMUX zu erstellen. Auch Aspekte der digitalen Signalverarbeitung werden berücksichtigt. Der Schaltungsentwurf mit Systemauslegung, Dimensionierung der Bauteile, sowie Layout wird vorgestellt. Dabei wird auch diskutiert, wie bestimmte parasitäre Effekte des Layouts die Schaltung beeinflussen. Die AMUX-Schaltung wird in einem Messaufbau charakterisiert. Im Frequenzbereich wird für den linearen Signalpfad ein flacher Amplitudengang bis 110 GHz gemessen, für den Taktpfad eine 3-dB-Grenzfrequenz von ca. 85 GHz. Im Zeitbereich werden mithilfe digitaler Vorverzerrung der Signale Augendiagramme demonstriert bei Symbolraten bis zu 190 GBd für vierwertige Pulsamplitudenmodulation (PAM-4). Die Charakterisierung mit Eintonsignalen zeigt verschiedene Beiträge von Störsignalen auf, die aufgrund verschiedener Nichtidealitäten des AMUX und des Messaufbaus entstehen, wie Nichtlinearität oder Asymmetrie. Das Modell des AMUX mit Einbeziehung der Signalverarbeitung, Aufbautechnik und Messgeräte stimmt mit den Messergebnissen überein. Aus der Modellierung und messtechnischen Charakterisierung, sowie Schaltungssimulation werden Erkenntnisse gewonnen, aus denen Optimierungsansätze für künftige AMUX-Schaltungen abgeleitet werden. Der AMUX-Entwurf wird auch in einer Halbleitertechnologie mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor [CMOS]) implementiert, wo der 2:1 AMUX gemeinsam mit den DAUs in derselben Schaltung integriert ist. Auch in dieser Anwendung zeigen sich die Vorteile des AMUX für Bandbreite und Signalqualität. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass zur Erzeugung extrem breitbandiger Signale ein AMUX hervorragend geeignet ist.Item Open Access Adaptive triple-fed antenna and thinned RF-chip integration into ultra thin flexible polymer foil(2023) Fischer-Kennedy, Serafin B.; Özbek, Sefa; Wang, Shuo; Grözing, Markus; Hesselbarth, Jan; Berroth, Manfred; Burghartz, Joachim