High-Speed CMOS Transceiver Circuits for Optical Applications

Abstract

The proliferation of high-speed communication systems requires broadband interconnects, so that optical links have become very attractive and thus can be an alternative to electrical copper-based links because of their various advantages such as low frequency-dependent loss, negligible electromagnetic interference(EMI), coupling loss and crosstalk attenuation even over long distance transmission. In this thesis, low-cost MM-POF(Multi-Mode Plastic Optical Fibers) are particularly exploited as an optical medium and optical devices with low-current characteristic, such as VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) and PIN-PD(p-i-n photodiode), are employed for electrical-to-optical conversion, hence guaranteeing a low-cost low-power solution. Meanwhile, LiDAR(Light Detection and Ranging) systems, as another application utilizing light signaling, are investigated in this thesis where it emits and senses light signals to estimate the required distance information from the designated targets in a scene for the realization of 2-D or 3-D images. Especially, ToF(Time-of-Flight) method with pulsed signals are incorporated to deliver high-resolution ranging because of its simple design as a LiDAR sensor. This dissertation mainly focuses on high-speed CMOS optical transceivers as low-cost and low-power solution for not only optical AOC(Active Optical Cable) application but LiDAR application, in which a number of novel circuit designs are proposed to achieve high data-rate operations with high signal integrity. The proposed 4-channel optical transmitter chip was implemented with VCSEL diodes, based on various broadband techniques including asymmetric pre-emphasis control (APC) for balanced VCSEL outputs, and input data detection (IDD) to automatically turn-off unused VCSEL diodes for low power consumption and longer sustainability. Also, the proposed 4-channel optical receiver chip was realized with PIN-PD with a novel DFF-TIA(differential feed-forward transimpedance amplifier) with bootstrapping stage (BS) to nullify the effect of the photodiode capacitance upon bandwidth and noise. The proposed optical transceiver chipsets support AOC using MM-POF up to 10 Gb/s per channel targeting the on-screen HDMI display of 8-Mpixel, 60-fps(4k × 2k 60Hz) data). As for LiDAR application, the proposed optical transmitter based laser diodes produces pulsed light signal, and then reflected light signal detected by photodiodes at receiver side is delivered to proposed VCF-TIA(voltage-mode CMOS feed-forward transimpedance amplifier) with 4-level automatic gain control(AGC). The realized LiDAR receiver module, that of 16-channel VCF-TIA, vividly detects the target within the range of 0.5-to-25 meters with the dynamic range of 1:11,760. ;멀티미디어 데이터 통신의 비약적인 발전과 함께 대용량 정보를 처리하기 위해 요구되는 칩의 동작속도는 수십~수백 기가비트에 달한다. 또한, 데이터센터, 클라우드 서비스 및 IoT(Internet-of-Thing) 시스템 등은 대량의 정보를 고속으로 실시간으로 혹은 장거리 전송을 필요로 하는데, 기존의 구리선 기반의 전송매체를 사용하는 경우 수십 기가 비트 이상의 고속 데이터를 전송함에 있어서 심각한 전자기 전파 장해(EMI) 및 전송 선로간 간섭에 의한 신호 감쇄를 겪을 뿐만 아니라 전송 거리에 따라 신호의 세기는 기하급수적으로 손실되는 한계가 있어, 신호 손실을 보상하기 위한 추가 회로 설계의 복잡성과 전력 소모의 낭비 등의 고속 통신 시스템 구현에 제한을 갖는다. 이에 반해 광 케이블을 사용하는 광 통신 기술은 빠른 구동 속도의 신호 전송도 매우 적은 전자기적 손실 및 신호 감쇄 특성으로 지원하면서도 거리에 기인하는 신호 손실이 매우 작기 때문에, 구리선 네트워크 보다 약 1만 5천 ~ 1만 6천배 높은 정보 전달 능력을 가지며 음성 데이터나 동영상 등 대용량의 멀티미디어 정보를 전송하는 통신 시스템의 저전력 및 저가형 광 애플리케이션(Optical Application) 솔루션을 제공한다. 본 논문에서는 저가형 POF(Plastic Optical Fiber, 플라스틱 광 파이버)를 사용하는 HDMI(High-Definition Multimedia Interface, 고선명 멀티미디어 인터페이스) 프로토콜을 지원하는 광통신 기술인 AOC(Active Optical Cable, 액티브광케이블)를 위한 광 송신단 어레이 및 광 수신단 어레이를 제안한다. 광 송신단은 저전압 저전력 구동이 가능한 850-nm VCSEL(Vertical-Cavity Surface-emitting Laser, 수직 캐비티 표면 광방출 레이저, 빅셀)이라고 하는 광 소자를 직접 구동하는 VCSEL 드라이버를 제안하며, 고온 및 장시간 사용에서도 VCSEL 소자가 안정적으로 높은 광 출력을 POF로 전달 할 수 있도록 VCSEL의 구동 전류를 조절 가능하도록 설계하였으며, VCSEL 소자 특성에 기인하는 비선형 특성을 개선하기 위해 APC(Asymmetric Pre-emphasis Control)을 구현하여 밸런스 된 광 출력 신호를 얻을 수 있도록 하며, 멀티채널 시스템에서 불필요한 전력 낭비와 열화에 의해 감소하는 소자의 출력 특성을 연장할 수 있도록 IDD(Input Data Detection) 회로를 함께 설계하여 입력 신호가 인가된 채널의 VCSEL 드라이버만 동작하도록 하였으며, 동작속도 및 전류소모 측면에서 최적화된 대역폭 개선 회로 기법을 응용하여 채널 당 12.5 Gb/s 동작속도까지 안정적으로 구동하는 것을 확인하였다. 광 수신단에서는 가장 중요한 front-end, 즉 TIA(Transimpedance Amplifier, 트랜스임피던스 증폭기)단을 DFF(Differential Feed-Forward)-TIA 라고 하는 구조를 새롭게 제안하여 기존의 인버터(Inverter) 기반의 TIA(INV-TIA)와 동일한 소모전류의 스케일에서 높은 트랜스임피던스 이득 및 낮은 노이즈 특성, 차동구조에 의한 CMRR(Common-mode Rejection Ratio)를 높이는 효과를 얻었으며, bootstrapping 기법을 DFF-TIA와 함께 적용하여 front-end의 대역폭 및 노이즈 특성에 상당한 민감도를 야기하는 p-i-n 포토다이오드(PIN-Photodiode, PIN-PD)의 기생 커패시턴스(CPD)를 ac-ground 효과로 무효화하였으며, HDMI 2.0 와 HDMI 2.1 의 여러가지 전송 프로토콜을 지원할 수 있도록 광 수신단의 대역폭을 선택할 수 있는 selectable EQ(Equalizer, 이퀄라이저)를 구현하였다. 또한 본 논문에서는 빛 신호를 사용하는 또 다른 광 애플리케이션(Optical Application)응용으로, LiDAR(Light Detection and Ranging, 라이다) 시스템을 위한 광 트랜시버를 함께 제안하고 있다. 짧은 파장의 전자파를 이용하여, 송신된 전파와 반사되어 돌아온 수신된 전파의 시간 차이 및 크기를 통해 목표물 정보를 2-D 또는 3-D의 이미지로 구현하는 ToF(Time-of-Flight) 방식을 기반으로 하는 LiDAR 시스템의 수신단으로는 AOC의 광 수신단과 마찬가지로 본 논문에서 새롭게 제안하는 VCF(Voltage-mode CMOS Feedforward)-TIA를 기본으로, 허용 가능한 입력 신호 범위인 Dynamic Range (DR)을 35dB, 즉 1:11,760 수준으로 확장하도록 AGC(Automatic Gain Control) 회로를 함께 구현하였다. 16-채널 어레이로 제작된 VCF-TIA 어레이는 저가형의 1550-nm InGaAs PIN-PD 어레이와 함께 FR-4 PCB에 와이어 본딩하여 제작된 칩셋으로, 1550-nm pulsed erbium 파이버 레이저의 송출된 5-ns 펄스를 5-미터에서 25-미터 범위까지 5% 의 반사율을 가지는 목표물(1 × 1 mm2)에서 반사되어 돌아온 빛을 정확히 감지하고 구별하는 것을 실험적으로 확인하였다.