65nm CMOS 공정을 이용한 광 변조기 드라이버 구현

Abstract

데이터 양의 증대 및 전자통신 기술이 발전함에 따라 유선 고속 통신의 요구가 증가하고 있다. 하지만 전기적 채널의 낮은 대역폭이 이러한 추세를 따라가지 못하고 있다. 반면 광섬유는 높은 대역폭을 지니고 있어 전기적 통신의 대안으로 광 통신 인터페이스가 떠오르고 있다. 심지어는 칩-칩 같이 근거리에서도 광 통신을 적용하기 위해 SOI (silicon-on-insulator) 공정을 활용하여 CMOS 칩상의 실리콘을 광 도파관으로 사용하는 silicon photonics 또한 활발히 연구되고 있다. 이때 광 변조기는 용량성 부하를 가지는 것과 50Ω 부하를 가지는 것으로 나뉜다. 두 방식 모두 높은 차동 전압 스윙을 필요로 한다. 본 논문에서는 용량성 부하를 가지는 광 변조기를 10-Gbps에서 6V의 차동 전압 스윙으로 구동하기 위한 광 변조기 드라이버, 50Ω 부하를 가지는 광 변조기를 40-Gbps에서 3.8V의 차동 전압 스윙으로 구동하기 위한 광 변조기 드라이버, 50Ω 부하를 가지는 광 변조기를 25-Gbps에서 5.3V의 차동 전압 스윙으로 구동하기 위한 광 변조기 드라이버를 구현하였다. 또한 40-Gbps의 속도에서 동작하는 송신기도 구현되었다. 모든 회로는 TSMC 65-um CMOS 공정으로 만들어졌다. 첫째로 10-Gbps 광 변조기 드라이버는 삼단으로 쌓아진 트랜지스터와 동적 바이어싱 기법을 이용하여 기본 공급 전압인 1V의 여섯 배에 달하는 6V의 차동 전압 스윙을 얻었다. 면적 효율성을 위해 inductor를 사용하지 않아 200um X 200um의 작은 면적을 차지한다. 전력 소모는 98mW이다. 둘째로 40-Gbps급 광 변조기 드라이버는 기존의 CML (current mode logic)에 보호 트랜지스터를 한 단 더 사용하여 높은 전압스윙에서도 트랜지스터가 안정적으로 동작할 수 있도록 하였다. 면적은 200um X 250um 이며 364mW의 전력을 소모한다. 셋째로 25-Gbps급 광 변조기 드라이버는 기존의 CML에 보호 트랜지스터를 두 단 더 사용하여 트랜지스터의 안정적인 동작을 보장하였다. 또한 칩 바깥에 bias-T를 사용하여 낮은 공급 전압에서도 높은 전압 스윙을 낼 수 있도록 하였다. 150um X 500um의 면적을 차지하며 529mW의 전력을 소모한다.