CMOS Circuitry for the Wavelength Locking of a Ring-Based Silicon Photonics Transmitter

De gezamenlijke bandbreedte van inter-chip en intra-chip dataverbindingen moet verhoogd worden tot multi-terabyte/s met een energie-efficiëntie van < 1 pJ/bit. Om dit te bereiken, zijn SiPh-gebaseerde optische verbindingen geïntroduceerd om de bestaande elektrische verbindingen te vervangen. Een E/O modulator is een van de elangrijkste componenten van een dergelijke optische verbinding. Deze component voert de amplitude modulatie uit op de inkomende laser golflengte (λlas) met het te verzenden elektrische signaal. Voor deze modulatie wordt de OMA gezien als vergelijkingsmaatstaf, omdat deze de amplitude van het verzonden optische oog bepaald. De golflengte waarbij de OMA maximaal is, wordt daarom de optimale golflengte (λopt) genoemd. 

Een ringmodulator is een geschikte E/O modulator om energie efficiënte optische SiPh verbindingen te realiseren met hoge  bandbreedtes. Dit type modulatoren heeft significante voordelen zoals hoge bandbreedte, compacte implementatie,
lage capaciteit, lage aanstuurspanning en ze zijn geschikt voor WDM. Echter, een belangrijke uitdaging voor een ringmodulator komt voort uit zijn resonante gedrag. Wanneer λopt niet samenvalt met λlas dan wordt de OMA van de modulator aanzienlijk verlaagd. Over het algemeen zal een kleine fout in uitlijning van slechts +/- 30 pm modulatie onmogelijk maken, doordat de OMA met ~50% verlaagd wordt. Om deze reden moeten de proces, de thermische (80 pm/°C) en de λlas variaties ecompenseerd worden binnen enkele picometers. Ongecompenseerd zouden deze variaties kunnen leiden tot uitlijningsfouten van enkele nanometers. Door middel van de compensatie wordt λopt gekoppeld aan λlas en hiermee wordt de modulatie op de maximale OMA gestabiliseerd. Dit zal de weg vrijmaken voor de commerciële implementatie van ring-gebaseerde optische SiPh verbindingen. 

Dit proefschrift beschrijft een golflengte-vergrendelingstechniek waarbij λopt op de juiste manier afgeregeld wordt, zodat deze samenvalt met de inkomende λlas. Dit wordt bereikt door de ringmodulator temperatuur met behulp van terugkoppeling af te regelen. Dat wil zeggen, een verhittingselement wordt aangestuurd op basis van het optische vermogen wat gemeten wordt op de ‘drop-port’ van de modulator. Een fotodiode zet dit drop-port vermogen om in een foto-stroom, welke als ingangssignaal voor het regelcircuit gebruikt wordt. Het voordeel van de golflengte-vergrendeling op basis van terugkoppeling van het drop-port vermogen is dat de daadwerkelijke data transmissie via de ‘through-port’ niet verstoort wordt. Dit maakt deze techniek geschikt voor WDM zender architecturen. Echter, deze terugkopelingslus is uitdagender vanwege het lagere optische vermogen in de drop-port. Het vermogen in de drop-port wordt bewust veel lager gehouden dan het trough-port vermogen, om grote optische verliezen te in de modulator te voorkomen. 

Om de hierboven beschreven uitdagingen van de golflengte-vergrendeling aan te pakken, is een regelcircuit op basis van een nieuw concept met directe drop-port OMA-bepaling geïntroduceerd. Daarnaast bevat het circuit een op CDS gebaseerde quantizer, waarmee de helling van de gemeten OMA bepaald kan worden. Er worden twee varianten van een dergelijke hellings-quantizer geïntroduceerd, te weten de dither-based en de dither-less variant. Verder wordt er voor zorggedragen dat de implementatie van het regelcircuit een lage ruis, een lage offset en een laag vermogensverbruik heeft en dat het schaalbaar is naar hogere zendsnelheden. 

Dankzij het regelcircuit zijn de prestaties van de golflengte-vergrendeling significant verbeterd ten opzichte van de laatste stand van de techniek. Dit is experimenteel vastgesteld door de implementatie van drie ring-gebaseerde optische zenders met golflengte-vergrendeling. Elke zender bestaat uit een SiPh chip en een CMOS chip die met behulp van wire-bonding of de flip-chip techniek met elkaar verbonden zijn. De SiPh chip, ontworpen in een 130 nm SOI technologie, bevat een ringmodulator, een verwarmingselement en een fotodiode. De aansturing voor de ringmodulator en de regelcircuits zijn geïntegreerd in de CMOS chip, ontworpen in 40nm dan wel in 28nm technologie. 

De eerste en tweede zenders werken op 2 Gb/s. Deze vormen respectievelijk een dither-based en een dither-less golflengte-vergrendelde terugkoppellus. De derde zender is wederom een dither-based terugkoppellus. Deze werkt echter op 4Gb/s, waarbij de regelcircuits in hoge mate geïntegreerd zijn. De zender bereikt OMA-stabilisatie met een nauwkeurigheid van 0.3% (1.7 pm ~ 0.02 °C), een snelheid van 500 pm/s (~6.3 °C/s), een afstembereik van 5 nm (~62.5 °C) en een verlies van slechts ~2%. De stabilisatie is tevens immuun voor het verlopen van het vermogen van de ingangslaser en voor de zelfverhitting van de modulator. Bovendien kan het geïmplementeerde regelcircuit geschaald worden en verbruikt het een laag vermogen van 234 µW (59 fJ/bit). Dit maakt het mogelijk om een gestabiliseerde WDM ringzender voor Nx20 Gb/s met < 761 fJ/bit te realiseren.