Photonisch-elektronische Integration

EU Projekt IRIS (Integrated Reconfigurable Silicon Photonic Switch)

Integrierte PWM-Steuerung für skalierbare optische Schaltmatrix

Eine skalierbare PWM Steuerung mit einer 7-Bit Auflösung für die thermische Steuerung von optischen Ringresonator-Schaltmatrizen wurde vorgestellt. Die Implementierung erfolgte in einer 0,16 μm Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) Technologie, wobei eine einzelne Zelle 79x105 μm2 misst. Ein Gray Zähler mit einer Taktfrequenz von bis zu 1,2GHz und die PWM-Generation in jeder Zelle führt zu einem Leistungsverbrauch von 330mW für alle elektrischen Steuerungsschaltungen für eine optische Schaltmatrix von 1000 Knoten. Dies entspricht einer Reduktion des Leistungsverbrauches von 11,1% verglichen mit der Steuerung durch konstante Spannung.

  • 826 einstellbare Heizelemente
  • 84 Transimpedanzverstärker zur Überwachung
  • Über 2000 Kupfersäulen als Verbindungen zwischen den 3D-integrierten elektronischen und photonischen Chips
Block Diagramm des PIC und des EICs in dem die Switchmatrix, sowie die Heizer-Matrix und die Ein- und Ausgänge dargestellt sind.

© Horst Zimmermann

Blockdiagramm der optischen Schaltmatrix

Blockschaltung eines Details der Schaltung sowie die gemessenen Transmissionskurven. Es sind Verluste über der Wellenlänge für verschiedene Punkte der Schaltung dargestellt.

© Horst Zimmermann

Gemessene Transmissionsspektren für 2 ausgewählte Schaltbedingungen

Foto des montierten Chips, auf dem das Glasfaserbündel montiert ist.

© Horst Zimmermann

Aufbau mit Glasfaserbündel

Foto des integrierten Chips. Der photonische Chip ist kleiner als der elektrische Chip und auf dem elektrischen montiert.

© Horst Zimmermann

Chipfoto

Publikationen: IEEE Photonics J., IEEE JSTQE, Electron. Lett., IEEE PTL

Projektpartner: Ericsson Telecomunicazioni SpA, STMicroelectronics srl, Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA-LETI), Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni, Universidad Politecnica de Valencia, Università degli Studi di Trento, Electronics and Telecommunications Research Institute

Projekt PHELICITI (Synergetische Konvergenz von Photonik und Elektronik durch effiziente 3D Chip Integration)

  • 8-fach Empfänger und 8-fach Transmitter auf einem Chip
  • Photonisch-elektronische Integration mit Inter-Wafer Connections (IWCs)
  • RX: -27dBm @ 10Gb/s (1 Kanal)
  • TX: Ringmodulatoren 10Gb/s 4-PAM und binär
Foto des auf die Platine gebondeten photonisch-elektronisch integrierten Chips. Bemerkenswert ist die hohe Anzahl an Bonddrähten und Leitungen.

© Horst Zimmermann

Photonisch-elektronischer 8-fach Transceiver

Projektpartner: AIT, ams AG (AMS), LANTIQ A GmbH (LTQ), Commissariat à l'energie atomique (CEA-LETI)

10Gb/s-8 Kanalempfänger

8x10Gb/s paralleler Licht-zu-Logik-Konverter-Chip (EU Projekt HELIOS)

("An 8x10 Gbps parallel single-chip light-to-logic converter") [Optics Comm. 2011]

Ein 8-Kanal 10Gb/s Licht-zu-Logik Umsetzer mit hybrid montierten Ge-Photodioden wird präsentiert. Der Empfänger wurde in einer Standard-0.35μm-SiGe-BiCMOS-Technologie realisiert und der Ge-Fotodetektor wurde direkt auf den elektronischen Wafer montiert. Jeder der 8 Kanäle besteht aus einem Transimpedanzverstärker, einem limitierenden Verstärker und einem 50kΩ CML Ausgangstreiber. Die gesamte Transimpedanz beträgt 275kΩ bei einer Datenrate von 10Gb/s was zu einer Lichtempfindlichkeit von -23,1dBm (BER = 10-9) führt.

Foto des 8-Kanal Licht zu Logik Konverters mit markierten Mikropads für die Verbindungs-VIAS, sowie eines kompletten Kanals.

© Horst Zimmermann

Chipfoto des 8–Kanal Empfängers

Modulatortreiber

10Gb⁄s 5Vpp und 5.6Vpp Treiber zusammen implementiert mit einem monolitisch integrierten Silizium Modulator in einer 0,25 μm SiGe:CBiCMOS Technologie

("10Gb⁄s 5Vpp and 5.6Vpp drivers implemented together with a monolithically integrated silicon modulator in 0,25 μm SiGe:CBiCMOS") [Optics Comm. 2015]

Zwei Modulator Treiber in 0,25 μm SiGe:CBiCMOS, die jeweils gemeinsam mit einem Mach-Zehnder Modulator zur elektro-optischen Modulation (Optisches C-Band) integriert sind, werden präsentiert. Der vollständig integrierte Modulator benötigt eine Fläche von 12,3mm2. Ladungsträgerverarmung im gesperrten pn Übergang wird verwendet um den Brechungsindex in beiden Armen des Mach-Zehnder Modulators zu kontrollieren (Gegentakt-Ansteuerung). Der erste integrierte Treiber hat eine geringe Leistungsaufnahme von 0,68W aber eine hohe Verstärkung von S21=37dB und liefert sowohl ein invertiertes als auch ein nicht-invertiertes Ausgangssignal zwischen 0V und 2,5V (5Vpp differentiell). Die Versorgungsspannung der Treiberschaltung beträgt 2,5V, die der Ausgangsstufe 3,5V. Bit-Fehler-Messungen mit einer pseudo zufälligen Bitsequenz (PRBS 231-1) zeigten eine BER von weniger als 10-12 für Eingangsspannungsdifferenzen von bis hinunter zu 50mVpp. Der zweite angepasste Treiber wird mit 2,5V und 4,2V versorgt, verbraucht 0,87W und liefert ein differentielles Datensignal von 5,6Vpp bei einer Verstärkung von S21=40dB. Der vollständig integrierte Modulator erreicht bei einer optischen Wellenlänge von 1540nm und einer Datenrate von 10Gb⁄s ein Extinktionsverhältnis (ER) von 3,3dB für einen 1mm langen Modulator(VπLπ≈2Vcm) und einem Treiber der Variante 1 und 8,4dB für einen 2mm langen Modulator mit einem Treiber der Variante 2.

Foto des voll integrierten MZI mit einzeichneten Schaltungsblöcken.

© Horst Zimmermann

Vollständig elektronisch-photonisch integrierter Mach-Zehnder Modulator (in Gegentakt-Ansteuerung, 2mm lange Elektroden) mit Modulator Treiber