Ultra-broadband analog demultiplexer for optical and wireline receivers

Abstract

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. Internetknoten, Rechenzentren und Mobilfunk-Basisstationen stellen das Rückgrat der modernen Dateninfrastruktur dar. Wellenlängen-, Polarisations-, Zeit- und Raummultiplex sind wichtige Methoden, um die Datenrate zwischen diesen Stationen zu erhöhen. Damit elektronische Empfangseinheiten für zukünftige Ethernet-Standards mit 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s je optischem Kanal gerüstet sind, bietet es sich an, hochspezialisierte analoge integrierte Schaltungen (IC) mit Silizium-Germanium (SiGe) Bipolartransistoren den digitalen Signalprozessoren (DSP) mit kompakten und günstigen komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) mit geringsten Strukturgrößen von aktuell bis zu 5 nm vorzuschalten. Über eine weitere Stufe des Zeitmultiplex können diese analogen SiGe-ICs durch zeitverschachteltes Abtasten ein hochbitratiges Datensignal in gleichwertige Symbole mit geringerer Baudrate und Bandbreitenanforderung „zerstückeln“, sodass höhere Datenraten mit bandbreitenbegrenzten CMOS-DSPs verarbeitet werden können. Zu diesem Zwecke stellt die vorliegende Arbeit zwei Verfahren vor, einen analogen Demultiplexer (ADeMUX) in SiGe-Technologie zu entwerfen, welcher mit hoher Bandbreite und Zeitmultiplex-Funktion vier CMOS-DSP-Kanäle mit einem Viertel der ursprünglichen Eingangs-Symbolrate treiben kann. Der ADeMUX im Spannungsmodus (VM) nutzt geschaltete Vorverstärker, die bereits vor der Abtastung das Datensignal zerstückeln, sowie geschaltete Emitterfolger zur Abtastung, was in einer deutlich gesteigerten, messtechnisch nachgewiesenen Rekord-Bandbreite von mehr als 57 GHz bei 128 GS/s resultiert. Zudem besitzt der Takt des VM ADeMUX ein günstiges Tastverhältnis von 50%, sodass im Experiment die höchste in Silizium-Technologie nachgewiesene Abtastrate von 200 GS/s erreicht wird. Die Variante im Strommodus (CM) arbeitet mit der Integration eines Signalstroms auf einer Haltekapazität, wodurch eine äquivalente Haltespannung auf dem Kondensator gespeichert wird. Die Integrationsphase dauert jeweils 25% der Einzelkanal-Taktperiode, weitere 25% werden nach der Haltephase einem Zurücksetzen der Spannung eingeräumt. Die Charakterisierung des CM ADeMUX ergibt 36 GHz Bandbreite bei mindestens 3 bit effektiver Auflösung bis 50 GHz. In einem Datenübertragungsexperiment mit digitaler Vorverzerrung und Nachverarbeitung, sowie vierwertiger Pulsamplitudenmodulation kann zum ersten Mal der Empfang von 256 Gbit/s in einer Silizium-Technologie demonstriert werden. In einer kohärenten optischen Übertragungsstrecke könnten sogar mehr als 1 Tbit/s möglich sein.