Module für Hochgeschwindigkeits- Übertragungssystemeitg.hs-harz.de › wp-content › uploads ›...

Module fürHochgeschwindigkeits-Übertragungssysteme

Günter Unterbörsch17.03.08

März 08 page 2© u2t Photonics | titel of presentation

u2t Photonics

Founded 1998 as a spin-off of Heinrich-Hertz-Institut /Berlin (HHI)

by Andreas Umbach,

Günter Unterbörsch, � uu²²ttDirk Trommer

Privately owned, no VC involvedStrategic focus on 40 Gbit/s componentsSupport most of all tier-one system customers

Berlin Moabit


Übersicht

� 40 Gbit/s Übertragungssysteme

� Modulationsverfahren

� Photodetektor für hohe Übertragungsraten

� Gehäusekonzepte für 40 Gbit/s

� 40 Gbit/s Komponenten- Receiver für Kurzstrecken- Receiver für Weitverkehrsstrecken


Roadmap Communication Systems

2000 2004 2008 2012

1 Gb/s

10 Gb/s

40 Gb/s

100 Gb/s


40G Communications Markets

Triple-play and HDTV services drive growing bandwidth demand

high-speed interconnects

40 Gbit/s deployment has started in 2006

Access

Metro

Storage

large switches

Long-Haul long-haul DWDM transport

short reach interconnects


Short Reach Links

Very Short Reach

Short Reach

�� cost reduction: less optical components

EDFA, AWG, dispersion comp. …

� component integration, small form factor

� low power consumption

Low equipment cost !


Transport Networks

�� cost per bit per km

� high spectral efficiency

� highest sensitivity

� advanced modulation formats less sensitive to fiber non-linearities

Largest possible reach !Largest possible reach !

Ultra-Long-HaulLong-Haul


The 40G Communications Market

u²t is the dominant supplier for 40 Gbit/s photodetectors and photoreceivers

Carriers

System Providers

Transponder / Subsystem Vendors

Component Manufacturers

Sprint at&t DTAGChina

TelecomVerizon FT TIBT NTT KDDI

Alcatel-

LucentNortel

Nokia-

Siemens

Ericsson

MarconiHuaweiCisco Ciena ZTE Fujitsu ...

MinteraStrata-

lightOpNextCore

OpticsFinisar Optium

KailightWTD

Yoko-

gawaPico-

metrix

Dis-

covery u²tScaleofIntegration

Devices Manufacturers


40 Gbit/s System Applications

Marconi Multihaul 3000

SIEMENS SURPASS hiT 7500

LUCENT Lambda Extreme

10/40Gbps DWDM

CISCO CRS-1 OC786 92 Tbit/s Router


MINTERA MI 40000 Platform

40 Gbit/s Line Cards

STRATALIGHT OTS 4000

OTS 4010/4040


Finisar43Gbit/s Transponder

40 Gbit/s Transponders

CoreOptics40G Transponder

Wuhan Telecommunication Devices 40 Gbit/s VSR Transponder

OpNext40 Gbit/s VSR Transponder


40 Gbit/s Components

Topic of the talk: Receiver for 40 Gbit/s


Übersicht







Herausforderungen an 40Gbit/s

Mit steigender Datenübertragungsrate treten zunehmend Einschränkungen / Performanceverluste bei der Übertragung auf der Glasfaser auf:

� Einfluss der chromatischen Dispersionchromatischen Dispersion proportional zur Bitrate

� bei WDM-Systemen mit 50GHz Kanalabstand nimmt das ÜbersprechenÜbersprechen zwischen Kanälen zu (WL-Kanalbreite prop.)

� PolarisationsmodendispersionPolarisationsmodendispersion (PMD) problematisch

��nichtlineare optische Effektenichtlineare optische Effekte nehmen zu (optische Leistung pro Bit prop. Bitrate)


Neue Modulationsformate

Amplitudenmodulation Phasenmodulation�On-Off-Keying: NRZ

�On-Off-Keying: RZ

�Duo-Binary: NRZ

0 1 0 2 1 0

� RZ-DPSK

RZ return to zeroNRZ non-return to zeroDQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying

�RZ-DQPSK

90°

0°

0 1 0 1 1 0

0 1 0 1 0 0 0

: ππππ phase shift

0 1 0 1 1 0 0


Modulation Formats for 40 Gbit/s

---+++++DQPSK

--++DPSK

+++ODB

+++--NRZ

CostOpticalBandwidth

ReachModulation format

Short reach �� NRZ

Long-haul �� ODB �� DPSK �� DQPSK--- time �


Übersicht







Photodetector Trade-off‘s

f= e.g. 60 GHzf = 5 GHz

linear high power operationhigh conve rsion gain

0 ∆

signal modulator

o ptic /

mm -wave

link gain

mm-waveamplification

signal distributio n

attentuation

conversion efficiency

-30 dB≈

e.g. 6 0 GHz

EDFA

vertical illumination horizontal illuminationsurface coupled pin-diode waveguide-integrated photodetector

absorption

photoabsorption layer

optical waveguide

carrier drift

photogenerated carriers

fast and efficient, high power capability

trade-off between efficiencyand speed (bandwidth)


Waveguide Integrated Detector

high internal quantum efficiency short transit timehigh power operation

and

p InGaAs+

i InGaAsn InGaAsP

+

s.i. InGaAsP lG

=1.06 µml

G=1.3 µm

s.i. InP

absorptionof light

integration with bias network

direction of carriers


Frequency Response

Bandwidth >> 50 GHz

0 10 20 30 40 50 60 70-9

-6

-3

0

Res

pons

e(d

B)

Frequency (GHz)

Optical Power (dBm)

Ph

oto

Cu

rren

t(m

A)

-10 -5 0 5 10 150.01

0.1

1

10

100

-40

-20

0

20

RF

Po

wer

(dB

m)

1.55 µm50 GHz


Data Transmission

0 20 40 60 80 100 Timebase (ps)

Ou

tpu

t V

olt

age

(20

mV

/ d

iv)

0 50 100 Timebase (ps)

Ou

tpu

t V

olt

age

(20

mV

/ d

iv)

Suitable for NRZ coding up to 80 Gbit/s

��

T&M applications


100 GHz Photodiode Module

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Frequency (GHz)

Mag

nitu

de

(dB

)

f3dB > 90 GHz

-50

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

Time (ps)

Ou

tpu

t v

olt

ag

e (

mV

)

7.4 ps FWHM


Übersicht







Empfänger-Konzepte bis 10 Gbit/s

ÜbertragungsrateK

om

ple

xitä

t1 Gbit/s 10 Gbit/s

SFP

PD analog

Trans-ceiver

Rxdigital

ROSA

ROSA = Receiver Optical Sub-Assembly SFP = Small Form-factor Pluggable

XENPAK

…


Receiver für 40 Gbit/s

40 Gbit/s Komponenten bestimmt durch:40 Gbit/s Komponenten bestimmt durch:

Unterscheidungsmerkmal der Systemhersteller

(z.B. integrierter DEMUX)

� keine hochintegrierte Schaltungen

� Sender und Empfänger getrennt

� nur analoge Schaltungen

� keine Standardisierung Gehäuse �� Pinbelegung �� Funktionen

zukünftig: MSA (multi-source agreement)�� Standard Empfänger (Integrationsgrad?)


Modulares Aufbaukonzept

Gehäusewand

Glasfaser Glasferrule PD-Chip

HF-Platine

HF-Stecker

Faserdurch-führung

Gehäuse

DC-Pins

Amp-Chip

DC-Platine

Schematische Darstellung aller Funktionsgruppen

A B C


Faser-Chip-Kopplung

Faser muss vor Stirnfläche des Wellenleiters der PD auf ca. 1 µm justiert und fixiert werden

Single-Faser

Dual-Faser

Justage-Toleranz


HF-Verbindungstechnik

koplanarkoaxialkoaxialTyp

Handhabbarkeit

Preis

Bandbreite

Größe

Konnektierung

kompliziertmittelsehr gut

potentiell 1 €20 €100 €

40 GHz50 GHz65 GHz

kleinmittelgroß

bondbarsteckbarschraubbar

koplanare

Durchführung

GPPO-SteckerV-Stecker


Übersicht







Receiver Integration for VSR

Photodetector

� u2t concept

high-gainor

high-bandwidth

WG-PD

Amplifieroptical

input

Vcc = +3.3 V

GND

rf-out

DC-Blocking

Amplifier

� InP, GaAs, SiGe

�TIA, limiting buffer stage, TIA/LA

�single in – single/differential out


DPRV2021A / DPRV2022A�40 / 33 GHz bandwidth

�300 / 1000 V/W conversion gain

�SMD package with GPPO™ connector

�Differential AC coupled output

VSR Receiver

-12

-10

-8

-6

-4

-2

-16 -12 -8 -4 0 4 8

optical power /dBm

log

BE

R

Out NOut P

PRBS 231-1

2500

2000

1500

1000

500

0

dif

fere

nti

al c

on

vers

ion

gai

n(V

/W)

0 10 20 30 40 50frequency (GHz)

BPRV2123

DPRV2021A

DPRV2022A 23

33

40 GHz


Demux compatible Package

Demux Rx

Demux

Rx


Future VSR Receiver

1. Costs, costs, costs

2. Exchangeability (MSA)

3. size, power, specs, ..

�� HTCC package with rf vias


Übersicht







Differential Phase Shift Keying (DPSK)

0 1 0 1 0 0 0

0 1 0 1 0 0 0D

D

D

D

0 1 0 1 0 0 0

differential keying

0 1 0 1 0 0 0

balanced detection

P �� Iph

P �� - Iph

1 bit delayconstructive

port

destructiveport

delay interferometer

: ππππ phase shift


Balanced Detector

Chip photograph of monolithically integrated balanced photodetector

Design Balanced Detector

PD1

PD2

Bias 1

Bias 2

Differential signal


Characteristics of BPDV

-0.25

-0.15

-0.05

0.05

0.15

0.25

0 50 100 150

Time (ps)

Re

spo

nse

(V)

PD 1

PD 2

-9

-6

-3

0

3

0 10 20 30 40 50

Frequency (GHz)

Re

lativ

e R

esp

on

se (

dB

)

PD 2

PD 1

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50

Frequency (G Hz)

CM

RR

(d

B)

Frequency Response

Common Mode Rejection Ratio

Pulse Response


BPRV: Schematic Circuit Diagram

opticalconnector

13 case16

1 3 4 6 7 8

17

18

VPD1 VTHCN VTHCP Vadj VOUTNDC VOUTPDC

VPD2 VEE GND

OUTNOUTP

Balanced input - differential output, Dual-PD-Chip, SiGe based limiting amplifier

optical inputconnector

AmplifierDualPD


-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

log

mag

nit

ud

e (d

B) Port 2-1

Port 2-4Port 3-1Port 3-4

frequency (GHz)

Pulse Response

-120

-80

-40

0

40

80

120

-50 0 50 100 150time (ps)

amp

litu

de

(m

V)

Port 2-1Port 2-4Port 3-1Port 3-4

0 10 20 30 40 50+ 6 dBm 0 dBm - 6 dBm

-400mV Offset

Balanced Receiver for DPSK


Outlook 1:Integration DLI and Balanced Rx

Hybrid integration of• Athermal free-space Delay-Line Interferometer (DLI)• Dual photodiode chip• Electrical amplifier (TIA / LA)

�� integration gives- smaller footprint- easier handling- lower cost

Opticalinputfiber

Differentialelectricaloutput(2x GPPO)

withLC connector


Delayline Interferometer based on Silicon (SOI)combined with Flip-Chip Integrated Balanced Detector

Receiver Module

SOA : Semicond. opt. amplifier DLI : Delay Line InterferometerSOI : Silicon-on-InsulatorBPD : Balanced Photodiodes

Concept

Outlook 2: Planar Integrated DPSK-Rx

SOI - Board

BPDDLISOA

SOI - Board

BPDDLISOA

Optical waveguide network on SOI

Flip-ChipPhotodiode

BMBF project eibone


Zusammenfassung






� Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

Module für Hochgeschwindigkeits- Übertragungssystemeitg.hs-harz.de › wp-content › uploads ›...

Documents

Transcript of Module für Hochgeschwindigkeits- Übertragungssystemeitg.hs-harz.de › wp-content › uploads ›...