Integrierter duobinärer VCSEL Treiber für ultra-schnelle elektro-optische Transmitter für kurze Reichweiten (DUET)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um den stetig ansteigenden Datenverkehr im Internet und in Datenzentren gerecht zu werden, wurden in den letzten 10 Jahren vermehrt VCSEL-basierende optische Datenverbindungen implementiert. Während sich VCSEL durch eine hohe Kosten- und Energieeffizienz auszeichnen, begrenzen sie durch Bandreiten <30 GHz die maximale NRZ Übertragungsdatenrate auf ca. 40 Gb/s. Daher wurden Verfahren untersucht, die diese Begrenzung durchbrechen. 4-stufige Pulsamplitudenmodulation (PAM-4) verdoppelt zwar die NRZ Datenrate, geht aber mit einer erhöhten Systemkomplexität, einer Leistungseinbuße sowie einer reduzierten Toleranz gegenüber Rauschen und Nichtlinearitäten einher. Die schnellste VCSEL-Verbindung mit 71 Gb/s (NRZ) wurde durch eine Signalentzerrung auf Kosten eines hohen Energieverbrauchs von 13.4 pJ/bit erreicht. Daher haben wir in DUET neue Konzepte und alternative Treiber für eine direkte VCSEL- Modulation mit duobinären (DB) Signalen untersucht. Diese 3-stufige Modulation ist genauso spektral effizient wie PAM-4, besitzt aber eine höhere Toleranz gegenüber Rauschen sowie Nichtlinearitäten und kann viel einfacher und damit energieeffizienter implementiert werden. Anwendung findet sie vorwiegend bei elektrischen sowie optischen Verbindungen bis über 100 Gb/s mit großen Reichweiten. Das DB-Signal wird dabei oftmals mit Laborgeräten oder durch externe digitale Signalverarbeitung erzeugt, was ungeeignet für eine energieeffiziente Systemimplementierung ist. Für VCSEL-basierte DB-Verbindungen war bisher lediglich ein integrierter Treiber für 5 Gb/s bekannt. In DUET wurden drei neue Konzepte für die DB-Modulation von 20-GHz VCSEL untersucht und Treiber in der schnellsten SiGe BiCMOS Technologie mit maximalen Transistor-Oszillationsfrequenzen von 650 GHz entworfen. 1) Mittels eines Pre-/Encoder-basierten Konzepts konnten wir den ersten und bisher schnellsten integrierten DB VCSEL-Treiber für bis zu 56 Gb/s vorstellen. 2) Zur weiteren Performanzsteigerung wurde der Treiber mit einem Equalizer zur Bandbreitenkompensation des VCSEL ergänzt. Da die Datenrate nur um 10% verbessert werden konnte, der Energieverbrauch aber um 50% anstieg, wurde dieser Ansatz nicht weiterverfolgt. 3) Ein neuartiger Treiber ohne Encoder, der das Tiefpass-Verhalten des VCSEL gezielt zur direkten optischen Erzeugung des DB-Signals ausnutzt, erreichte eine Datenrate von über 66 Gb/s bei einer Energieeffizienz von besser als 2.5 pJ/bit. Die Ergebnisse gemäß 1) und 3) führten zu einer maßgeblichen Verbesserung der Performanz, Effizienz sowie des Stands der Technik VCSEL-basierter optischer Sender.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
A High-Speed 130-nm SiGe BiCMOS Integrated Duobinary Driver for Data Rate Capacity Enhancement in VCSEL-Based Optical Links. IEEE Access, 12, 28343-28352.
Giuglea, Alexandru; Belfiore, Guido; Protze, Florian; Henker, Ronny & Ellinger, Frank
-
A 60 Gbit/s Integrated Encoderless Duobinary VCSEL-Driver. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 73(1), 58-62.
Froitzheim, Maximilian; Protze, Florian; Dürrwald, Franz Alwin; Henker, Ronny & Ellinger, Frank
