Ontwerp van een kunststofvezel-verbinding met hoog datadebiet

Transcriptie

1 Ontwerp van een kunststofvezel-verbinding met hoog datadebiet Arno Vyncke, Renato Vaernewyck Promotoren: prof. dr. ir. Jan Vandewege, prof. dr. ir. Johan Bauwelinck Begeleider: Bart Baekelandt Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar

2 Voorwoord Het laatste jaar van onze opleiding is voorbij gevlogen en wordt afgesloten met als summum onze masterproef. Dankzij deze masterproef kunnen we terugkijken op een bijzonder leerrijk jaar, waarin we ons niet enkel theoretische kennis, maar ook praktische vaardigheden eigen hebben gemaakt. We menen het doel van onze masterproef bereikt te hebben, en dat geeft ons voldoening. We zijn dan ook trots op het resultaat. Het tot stand komen van deze masterproef was niet mogelijk geweest zonder de hulp van volgende mensen, die we dan ook hartelijk wensen te bedanken. De vakgroepvoorzitter prof. dr. ir. D. De Zutter, onze promotor prof. dr. ir. J. Vandewege en onze copromotor prof. dr. ir. J. Bauwelinck voor de ter beschikking gestelde infrastructuur. Professor Vandewege en professor Bauwelinck willen we uitdrukkelijk bedanken voor de aangename werkomgeving en de kans om ons te verdiepen in het domein van de opto-elektronica. Onze begeleider ir. B. Baekelandt voor zijn raadgevingen en hulp. Hij stond steeds ter beschikking wanneer wij vragen of problemen hadden. Daarenboven willen we hem bedanken voor het kritisch nalezen en verbeteren van deze masterproef. Ing. J. Gillis voor het maken van de vele bordjes, de hulp bij het gebruik van de aangeboden software en het geven van talrijke tips om ons werk eenvoudiger te maken. Het volledige INTEC design team voor hun assistentie en gegeven steun. Onze ouders voor hun onvoorwaardelijke steun en de kans om ons in ons interessegebied te kunnen verdiepen. Elise voor het geduld dat ze moest uitoefenen, de momenten van plezier en het geïnteresseerd blijven tijdens de vele onverstaanbare uitlegsessies. John voor het nalezen en de suggesties die hij ons aanreikte. Renato Vaernewyck, Arno Vyncke Gent, mei 2010 i

3 De auteurs geven de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. The authors give permission to make this master dissertation available for consultation and to copy parts of this master dissertation for personal use. In the case of any other use, the limitations of the copyright have to be respected, in particular with regard to the obligation to state expressly the source when quoting results from this master dissertation. Gent, mei 2010 De promotor De copromotor De begeleider prof. dr. ir. J. Vandewege prof. dr. ir. J. Bauwelinck ir. B. Baekelandt De auteurs Arno Vyncke Renato Vaernewyck

4 Ontwerp van een kunststofvezel-verbinding met hoog datadebiet Arno Vyncke, Renato Vaernewyck Promotoren: prof. dr. ir. Jan Vandewege, prof. dr. ir. Johan Bauwelinck Begeleider: Bart Baekelandt Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: elektrotechniek Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar Samenvatting Het doel van deze masterproef was het ontwerpen van een 1 Gb/s optische ontvanger voor kunststofvezelcommunicatie. Hiertoe werd eerst een extensieve exploratie van het domein van de opto-elektronica uitgevoerd. Met behulp van commerciële componenten werden een transceiver (EDL1000T), transmitter (MAX3740) en receiver (MAX3665) gerealiseerd. Er werd een 1 Gb/s shunt-feedback transimpedantie-versterker (TIA) voor kunststofvezelcommunicatie gerealiseerd met discrete componenten. Inductive peaking werd gebruikt om de bandbreedte van het circuit te verhogen. Een transimpedantieversterking van 72 dbω (4153 Ω) werd gehaald met een sensitiviteit van dbm. Het vermogenverbruik bleef beperkt tot 147 mw. Onder de veronderstelling dat het uitgangsvermogen van de transmitter 0 dbm bedraagt, kan zo 1 Gb/s communicatie opgezet worden over een afstand van maximaal 106m over GI-POF. Bovendien werd een extra buffertrap geïntroduceerd om een 50 Ω uitgangsimpedantie te voorzien en de totale versterking te verhogen. Zo werd een transimpedantieversterking van 77 dbω (7076 Ω) gehaald, waarbij de sensitiviteit slechts 1 db steeg tot dbm. Het vermogenverbruik steeg met 43 mw tot 190 mw. De maximale afstand waarover 1 Gb/s communicatie kan opgezet worden is door de verminderde sensitiviteit gereduceerd tot 100m. Naast het ontwerp van een optische ontvanger, werd ook het ontwerp van een laser driver voor een optische zender kort geëxploreerd. Kernwoorden 1 Gb/s, transimpedantieversterker (TIA), kunststofvezel (POF), optische ontvanger

5 Design of a plastic fiber connection with a high data rate Renato Vaernewyck, Arno Vyncke Supervisor(s): Jan Vandewege, Johan Bauwelinck Abstract A 1 Gb/s shunt-feedback transimpedance amplifier (TIA) for plastic optic fiber communication is realised using discrete components. Inductive peaking is used for bandwidth enhancement. A transimpedance gain of 72 dbω (4153 Ω) is achieved with a sensitivity of dbm, while power consumption is limited to 147 mw. Additionally an extra buffer stage was introduced to have a 50 Ω output and increase the overall TIA gain. In doing so, a transimpedance gain of 77 dbω (7076 Ω) is achieved while retaining a sensitivity of dbm. Power consumption increased with 43 mw to 190 mw. Keywords 1 Gb/s, transimpedance amplifier (TIA), plastic optic fiber (POF), optical receiver V CC R C V r C PD V O I C R F Fig. 2. Common Emitter topology I. INTRODUCTION AN optical receiver consists of a photodetector, a transimpedance amplifier (TIA), a limiting amplifier (LA) and a clock and data recovery (CDR) circuit (Figure 1) [1]. The TIA is a critical component in the receiver, since it handles the very small photocurrents produced by the photodetector. These photocurrents are amplified and converted to voltage-signals by the TIA, in order to match the input specifications of the CDR circuit. Fiber TIA LA CDR Fig. 1. Optical Receiver clock data Digital Logic Therefore, the TIA should provide a high transimpedance gain over a sufficient frequency range, while keeping the input noise current at a minimum. Once the input signal is amplified, the noise of the later stages is no longer as critical, since the SNR will only marginally decrease due to the addition of noise. II. DESIGN OF A 1 GBPS TIA A. Shunt-feedback TIA topologies Three topologies are typically considered when designing a shunt-feedback TIA: (1) CE-topology, (2) CB-topology, (3) RGC-topology [1], [2]. Both CB- and RGC-topology accept more noise in order to isolate the photodiode-capacitance from the bandwidth-determination. In this article the CE-topology (Figure 2) is used, since there was no need for this. B. Transistor choice BJT-technology was used for the transistors. The current mirror and the common-collector stage were realised using R. Vaernewyck and A. Vyncke are electrical engineering students at the INTEC Design research group, University of Ghent (UGent), Gent, Belgium. Renato.Vaernewyck@UGent.be, Arno.Vyncke@UGent.be. Infineon BFP183 transistors. The BFP183 is sufficiently fast (f T 8 GHz) and provides a high enough collector current (max 65 ma) to drive a low impedant load. The common-emitter stage uses an Infineon BFP405, since it is very fast (f T 25 GHz) and has a low noise figure (1.25 db at 1.8 GHz), which is essential for the first amplifier stage. C. Bandwidth enhancement The basic CE-topology using these transistors did not have enough bandwidth. Therefore, inductive shunt-peaking was used to enhance the TIA s bandwidth [3]. An inductor of 47 nh was introduced at the CE-stage collector, resulting in sufficient bandwidth. D. POF-photodiode mismatch The active area of the used Hamamatsu S5973 photodiode is only 0.12 mm 2, while the area of the POF fiber is 0.79 mm 2. This leads to a mismatch factor of about db needs to be added to the measured sensitivity to take this mismatch into account. A. Measurements III. RESULTS The eye diagram of 1 Gbps NRZ PRBS data is shown in Figure 3. Clearly, a large eye opening is achieved. The measured results are presented in Table I. A transimpedance gain of 72 dbω (4153 Ω) is achieved, with a sensitivity of dbm. The power consumption stays limited to 147 mw. B. Maximal communication distance Given this sensitivity, one can calculate the maximal distance over which communication is possible with a BER lower than This calculation is under the assumption the fiber loss is the factor limiting the communication distance. If 0 dbm is launched into the fiber, an optical budget of approximately 16 db is available.

6 about 60 na. This leaves the sensitivity at dbm, only 1 db higher than without buffer. Since an extra stage is used, the increase of 43 mw in power consumption is not surprising. Fig Gbps eye diagram (50 mv/div;500 ps/div) TABLE I MEASUREMENTS TIA Gain 72 dbω 4153 Ω Q-factor 13.5 Noise (i n,rms ) 217 na Sensitivity (BER = ) dbm Power consumption mw Assuming a loss of about 150 db/km (at 650 nm) [4], the communication distance is a little over 100m (106.67m). IV. ADDITION OF A BUFFER STAGE An extra CE-stage was added to the TIA in order to achieve an output impedance of 50 Ω. This stage will also add more gain, resulting in a higher overall transimpedance gain for the TIA. A BFP183 transistor was used for this extra stage. A. Measurements V. RESULTS WITH BUFFER The resulting eyediagram is seen in Figure 4. B. Maximum communication distance Under the same assumptions as in Section III-B, one can calculate the maximum communication distance using the TIA with buffer. Since the optical budget is decreased to 15 db, the maximum communication distance is reduced to 100m, about 6m less than without buffer. We need to bear in mind that this solution has traded 6.25% of the maximum communication distance for an increase of over 70% in gain (7076 Ω/4153Ω = %). A. Results TABLE II BUFFER MEASUREMENTS TIA Gain 77 dbω 7076 Ω Q-factor 8.58 Noise (i n,rms ) 273 na Sensitivity (BER = ) dbm Power consumption mw VI. CONCLUSION Two TIA designs were presented. Using the shunt-feedback TIA CE-topology a 1 Gbps TIA with a TIA gain of 72 dbω and a sensitivity of dbm was realised. Assuming 0 dbm input power, communication can be established over a distance of maximum 106m. An extra buffer stage was added to provide a proper output impedance and to increase the overall TIA gain. This extra stage accounts for an increase of 5 dbω in TIA gain to 77 dbω and an increase of 1 db in sensitivity to dbm. Therefore, still assuming 0 dbm input power, the maximum communication distance was decreased to 100m. B. Inclusion of buffer stage The choice of the best TIA design is dependant on the situation. When sensitivity is crucial because the communication distance should be maximized, the buffer stage can be omitted. However, this will result in a gain penalty of 5 dbω. If the CDR circuit requires a higher amplitude input, it may be necessary to use the buffer stage, at the expense of sensitivity deterioration. Fig Gbps eye diagram (50 mv/div;500 ps/div) with buffer stage The measurement results are presented in Table II. The TIA gain has increased 5 dbω, while the input noise current has risen REFERENCES [1] Eduard Säckinger, Broadband Circuits for Optical Fiber Communication, John Wiley & Sons, Inc., [2] Sung Min Park and Hoi-Jun Yoo, 1.25-gb/s regulated cascodecmostransimpedance amplifier for gigabit ethernet applications, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 39, no. 1, 2004, pp [3] E. Margan P. Staric, Inductive peaking circuits, in Wideband Amplifiers, chapter 2. Springer, [4] O. Ziemann, J. Krauser, P. E. Zamzow, and W. Daum, POF Handbook: Optical Short Range Transmission Systems, Springer, 2008.

7 Inhoudsopgave I Algemene inleiding 1 1 Inleiding Optische communicatie Glasvezel (GOF) versus kunststofvezel (POF) Toepassingsdomeinen POF TX-RX architectuur bij optische communicatie II Exploratie opto-elektronisch ontwerp 7 2 Hoogfrequent bordontwerp Ontkoppelen van de voeding Karakteristieke impedantie van de traces Lengte van de traces Via s Ontwerp van een transceiver-bord Commerciële transceiver - EDL1000T Beschrijving van de pinnen Schema Layout Bestukte transceiverbord Ontwerp van een optische transmitter Laserdiode - Optek OPV310Y Commerciële laser driver - MAX Beschrijving van de pinnen Schema Layout Bestukte transmitterbord Selectie van de fotodiode 21 vi

8 5.1 Types fotodiodes Keuze van de fotodiode Ontwerp van een optische receiver Fotodiode - Hamamatsu S Commerciële TIA - MAX Beschrijving van de pinnen Schema Layout Bestukte receiverbord Evaluatie van het communicatiekanaal Modulatieschema Het oogdiagram Testprocedure Genereren van de input Opmeten van het ontvangen vermogen Opmeten van het oogdiagram Terminatie van de oscilloscoop-ingangen Resultaten Evaluatie transceiverbord met EDL1000T Evaluatie transmitterbord met MAX Evaluatie receiverbord met MAX III Ontwerp van een 1 Gbps transimpedantie-versterker Performantiematen Transimpedantie-versterking Bandbreedte Groepsvertragingsvariatie Ruis Sensitiviteit Overbelastende en maximale ingangsstroom Stabiliteit Specificaties voor de TIA Bandbreedte Versterking Variatie op de groepsvertraging τ

9 11.4 Sensitiviteit Q-factor Ruis Concepten van de transimpedantieversterker Laag- en hoogimpedante front-ends Shunt-feedback TIA Shunt-feedback topologieën Geaarde emitter-topologie Geaarde basis-topologie RGC-topologie Vergelijking van de 3 topologieën TIA Ontwerpprocedure Selectie topologie Selectie transistoren DC-instelling Simulatie en toetsen van de specificaties Verbeteringen aanbrengen aan het circuit Layout en bestukken bord TIA Meetprocedure Transimpedantieversterking Q-factor Ruis Sensitiviteit Ontwerp van een 1 Gbps TIA Ontwerp volgens de GE-topologie Invloed sperspanning over de fotodiode Ontwerp volgens de CB-topologie Ontwerp volgens de RGC-topologie IV Ontwerp van een 1 Gbps Laser Driver Ontwerp van een 1 Gbps Laser Driver Definitie laser driver Algemeen werkingsschema Topologieën Ontwerp van de laser driver

10 V Conclusie Conclusie Behaalde resultaten Praktische toepassingen Maximale communicatie-afstand d max Verder onderzoek Nabeschouwing Bibliografie 111

11 Afkortingen ADS Agilent Advanced Design System APC Automatic Power Control APD Avalanche Photodiode BER Bit Error Rate BERT Bit Error Rate Tester CDR Clock and Data Recovery DPO Digital Phosphor Oscilloscope GB Geaarde Basis GC Geaarde Collector GE Geaarde Emitter GI Graded Index GOF Glass Optic Fiber, glasvezel ISI Intersymbool Interferentie LA Limiting Amplifier LAN Local Area Network LED Light Emitting Diode NRZ NonReturn-to-Zero POF Plastic/Polymer Optic Fiber, kunststofvezel pp peak-to-peak (als subscript) PRBS Pseudo Random Binary Sequence RGC Regulated Cascode of Gereguleerde Cascode x

12 RMS Root Mean Square SI Step Index SMA SubMiniature version A, type connector SNR Signal to Noise Ratio, Signaal tot Ruis Verhouding TIA Transimpedance Amplifier TX-RX Transmitter-Receiver VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser

13 Symbolen BW 3dB 3-dB Bandbreedte c Lichtsnelheid in vacuüm, m/s ɛ r Relatieve Permittiviteit F Excess ruisfactor f T Transitiefrequentie h constante van Planck, m 2 kg/s I 0 Stroom bij het verzenden of ontvangen van een 0-bit I 1 Stroom bij het verzenden of ontvangen van een 1-bit I bias Biasstroom of Instelstroom I C Collectorstroom i pp lin Maximale Ingangsstroom voor Lineaire Operatie I mod Modulatiestroom ī 2 n Ruisstroom In,T 2 IA (f) Input-Referred Noise Power Spectrum i rms n,t IA Input-Referred RMS Noise Current i pp ovl Overbelastende Ingangsstroom i pp sens η Efficiëntie Elektrische Sensitiviteit λ Golflengte M Multiplicatiefactor P 0 Vermogen dat een laser verbruikt bij het verzenden van een 0-bit xii

14 P 1 Vermogen dat een laser verbruikt bij het verzenden van een 1-bit P sens Optische Sensitiviteit q Lading van een elektron, C Q Personick Q of Q-factor R Responsiviteit r e Extinction Ratio, P 1 /P 0 R T Mid-Band Transimpedantieversterking τ Groepsvertraging T b Bitperiode V 0 Spanningsniveau van een 0-bit V 1 Spanningsniveau van een 1-bit V CE Collector-Emitter Spanning Z T Transimpedantieversterking

15 Deel I Algemene inleiding 1

16 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Optische communicatie Optische communicatie biedt een alternatief voor communicatie over conventionele elektrische verbindingen. Het heeft een aantal grote voordelen: Een hoge bandbreedte die quasi onafhankelijk is van de kabellengte Ongevoelig voor elektromagnetische storingen Lage kost voor de installatie en het onderhoud van de kabels Zeer compacte, lichte bekabeling 1.2 Glasvezel (GOF) versus kunststofvezel (POF) Glasvezels De meest gekende en gebruikte manier van optische communicatie maakt gebruik van glasvezels. Dit zijn dunne vezels vervaardigd uit glas (silica) van ongeveer 10 tot 600 µm diameter. Elk van deze vezels wordt omringd door een cladding, een ander soort glas met een lagere brekingsindex. De cladding zorgt ervoor dat het licht dat in een vezel wordt gestuurd, gereflecteerd wordt volgens de wet van Snellius en dus in de vezel blijft. Dit fenomeen is gekend als totale interne reflectie. Het grote voordeel van glasvezel is de lage attenuatie. Het verstuurde signaal zal per km slechts een fractie van een db verzwakken (0.2 db/km bij 1550 nm). Het grote nadeel van glasvezel is de moeilijkheid om de dunne kabels te termineren en te aligneren met de zender en de ontvanger, hetgeen productie en packaging duur maakt. Daarnaast is het herstellen van een vezelbreuk een zeer moeilijke opdracht, wat glasvezel ongeschikt maakt voor industriële omgevingen. 2

17 Inleiding Kunststofvezel Het antwoord op dit probleem is Plastic/Polymer Optic Fiber (POF) [1]. Dit zijn vezels die bestaan uit kunststof en een kern hebben van ongeveer 1 mm diameter, veel groter dan de kern van glasvezel. Verschillende voordelen gaan met het gebruik van POF gepaard. Eenvoudige herstelling Door de relatief grote kern is een POF zeer eenvoudig te aligneren. Dit zorgt ervoor dat een vezelbreuk ter plaatse hersteld kan worden zonder beroep te moeten doen op speciaal opgeleid, en dus duur, personeel. Hoewel de kunststofvezels een fractie duurder zijn dan de glasvezels, zal men dus toch aanzienlijke kosten besparen door de eenvoud van herstelling. Robuust POF kabels hebben bovendien een grotere mechanische weerstand dan hun glazen equivalent. Waar silica eerder broos is, zijn de kunststofvezels bestand tegen torsie, schokken en vibraties. Daarnaast zijn ze veel buigbaarder, tot een minimale krommingsstraal van 20 mm. Deze robuustheid zorgt ervoor dat de kunststofvezels geen zware en dure externe coating nodig hebben, wat bij glasvezel wel het geval is. Dit houdt ze dun en licht, waardoor ze eenvoudig te gebruiken zijn. Impact op het milieu Een derde voordeel van de POF kabels is hun impact op het milieu. De productie van POF is milieuvriendelijker dan die van glasvezel of koperen kabels. In deze groene tijden is dat een belangrijk voordeel. Nadeel Het grote nadeel van POF is zijn grote attenuatie. Waar glasvezel slechts een verlies van een fractie van een db per km heeft, moet POF afrekenen met een attenuatie van typisch 50 tot 100 db/km. Dit zorgt ervoor dat POF niet kan gebruikt worden over langere afstanden, maar eerder zijn toepassing vindt in medische en industriële instrumenten en de automobiel sector Step Index versus Graded Index vezels Er zijn 2 soorten vezels: step index (SI) fiber en graded index (GI) fiber, te zien respectievelijk op Figuur 1.1(a) en op Figuur 1.1(b).

18 portant special features of which are: rotationally symmetrical cross-section flexible can be produced in great lengths The characteristics of optical fibers are determined by a multitude of possible constructive details. For example, the material selected primarily determines the attenuation and the thermal stability. On the other hand, the optical bandwidth, in essence the transmission capacity, is determined by the refractive index profile. This is most likely the reason why most optical fibers are named after their index profile. All current variations will be presented in the following sections Refractive Index Profiles Inleiding The properties of wave guiding through a fiber are governed largely by the profile where g is the profile exponent 4 of the refractive index of the core and cladding. In a step index profile fiber the refractive index is constant across the entire cross section of the core and cladding (Fig. 2.1) while the light rays propagate along straight lines in the core and are completely reflected at the core/cladding interface. n(r) ncore n(r) ncladding for r for r a a where a is the core radius. The individual rays cover different distances, so that there are considerable differences in their respective transit times. Choosing a fiber with a graded-index profile can minimize these differences. Fibers with a graded-index profile are made up of a core having a radius-dependent refractive index and a cladding with a constant refractive index (Fig. 2.2): g r n(r)² n ² core,max 1 a n(r) ncladding and is the relative refractive index difference: 2 2 ncore ncladding 2 2 ncore for r a for r a a r refractive index n(r) a r -a Fig. 2.1: Refractive index profile in a step index profile fiber (a) Step Index -a refractive index n(r) (b) Graded Index Fig. 2.2: Principle of a fiber with a graded-index profile Those rays propagating in the center travel a shorter distance, but because of the higher refractive index there, they travel at a lower speed. On the other hand, the smaller refractive index near the cladding causes the rays traveling there to have a higher velocity, but they have a longer distance to travel. By choosing a suitable profile exponent it is possible to compensate for these differences in transit time. For negligible chromatic dispersion the ideal profile exponent is 2. One then speaks of a parabolic index profile. Figuur 1.1: Indexprofielen van SI en GI vezels Bij SI-fiber bestaat de kern van de vezel uit 1 soort materiaal, waardoor de hele kern dezelfde refractie-index heeft. Het gebruik van een SI-fiber zorgt voor een fenomeen gekend als multimode dispersie. Monochroom licht komt een vezel altijd onder verschillende hoeken binnen. Daar het monochroom licht betreft, heeft elke lichtstraal dezelfde snelheid, maar door het verschil in reflectiehoek leggen de lichtstralen toch een andere weglengte af (Figuur 1.2). Dit zorgt ervoor dat licht dat tegelijk de vezel binnenkomt, niet tegelijk de vezel verlaat, wat tot signaaldispersie (pulsverbreding) kan leiden. Multi-mode dispersie Kortere weglengte Langere weglengte Figuur 1.2: Multi-mode dispersie GI-fiber omzeilt dit probleem. De kern van de vezel bestaat uit meerdere lagen plastic, waarbij elke laag een andere refractie-index heeft met een dalende densiteit verder van het midden van de vezel. Aangezien licht sneller propageert in minder dense media, zullen de gerefracteerde stralen deze in het midden kunnen bijhouden. Door gebruik te maken van GI-POF kan de dispersie verbeterd worden, waardoor het mogelijk is om GI-POF over relatief langere afstanden te gebruiken. Attenuatie Bij SI-POF worden de laagste attenuaties bereikt binnen het zichtbare spectrum. De meest gebruikte golflengtes liggen op 520 nm (groen), 560 nm (geel) en 650 nm (rood), zoals te zien op Figuur 1.3. Dit geeft ze het voordeel dat men de continuïteit van de connectie kan verifiëren en onderbrekingen kan terugvinden door eenvoudige visuele inspectie. De vermogens die in deze korte kabels worden gestuurd zijn bovendien kleiner dan bij glasvezels, wat ze quasi ongevaarlijk maakt voor

19 Inleiding 5 Figuur 1.3: PMMA-POF Attenuatie het oog. Bij GI-POF liggen de zaken anders en wordt de beste attenuatie tussen 1200 en 1350 nm behaald, wat in het infrarood ligt. 1.3 Toepassingsdomeinen POF De grote verschillen tussen POF en GOF zorgen ervoor dat ze toepasbaar zijn in sterk uiteenlopende domeinen. Een aantal toepassingsdomeinen voor POF zijn: Robuuste verlichting Dit was de eerste applicatie waarvoor POF werd ontwikkeld. POF wordt gebruikt in medische toepassingen, verkeerssignalen en vooral als decoratief element in bvb. zwembaden, fonteinen, gevels... Local Area Network (LAN) Een sterk alternatief voor de hedendaagse koperen kabels, door de eerder vermelde voordelen en de korte afstanden. Automobielsector Aangezien auto s meer en meer informatie moeten verwerken, veroorzaken koperen kabels een probleem door hun gewicht en volume. Door zijn pluimgewicht biedt POF hier een perfecte oplossing voor. Bovendien zullen de verschillende applicaties geen last hebben van interferentie, die bij koper wel aanwezig is. Avionica en ruimtevaart Hier gelden dezelfde redenen als bij de automobielsector, zeker aangezien gewicht nog crucialer is voor deze vliegende toestellen. Sensoren POF wordt gebruikt als een connectie tussen sensoren en controle systemen. Het heeft zeker zijn voordelen in gevaarlijke omgevingen zoals brandstoftanken, waar elektriciteit een risico vormt.

20 Inleiding TX-RX architectuur bij optische communicatie Om communicatie tot stand te brengen, moet een zender (TX), een ontvanger (RX) en een kanaal beschikbaar zijn. Voor optische communicatie bestaat het kanaal uit een GOF, een POF of een andere optische vezel. Fiber TIA LA CDR clock Digital Logic data Fiber (a) Optische ontvanger (RX) Laser Driver clock Digital Logic data (b) Optische zender (TX) Figuur 1.4: TX-RX architectuur bij optische communicatie De zender (transmitter) bestaat essentieel uit een laser die licht met een variërend vermogen in de optische vezel stuurt. Aan de ontvangerzijde (receiver) vindt men een fotodiode, die het verstuurde licht ontvangt en omzet naar een stroom Transmitter voor optische communicatie Om ervoor te zorgen dat data door de laser verstuurd kan worden, is er een laser driver nodig. Het elektrisch datasignaal wordt door de laser driver omgezet naar een gemoduleerde stroom die door de laserdiode loopt. Deze modulatiestroom zorgt ervoor dat de laser het juiste vermogen uitzendt, corresponderend met de te versturen bit Receiver voor optische communicatie De ontvanger bestaat uit een fotodiode, waar het verstuurde licht op invalt. Het invallend licht veroorzaakt een elektrische stroom door de fotodiode, de fotostroom, evenredig met het vermogen van het ontvangen licht. Om van de ingang een bruikbaar signaal te maken, wordt de stroom omgezet naar een spanning en versterkt door een transimpedantieversterker (TIA). Deze wordt vaak nog gevolgd door een begrenzende versterker (limiting amplifier - LA) die de signalen verder versterkt tot logische niveaus die als input kunnen dienen voor het clock and data recovery circuit (CDR).

21 Deel II Exploratie opto-elektronisch ontwerp 7

22 Hoofdstuk 2 Hoogfrequent bordontwerp In dit hoofdstuk worden een aantal gebruikte ontwerpregels en layoutregels verduidelijkt en uitgelegd. 2.1 Ontkoppelen van de voeding Een spanningsregelaar (ADP3338) houdt de voeding van het circuit stabiel op 3.3V. Het gebruik van een regelaar is aangewezen om ons circuit tegen beschadiging te beschermen. Het is zeer belangrijk om deze voeding goed te ontkoppelen. Een ideale voeding heeft tussen zijn klemmen een verwaarloosbare impedantie over een oneindig frequentiebereik. Traces, kabels en via s tussen de circuits en de voeding gedragen zich echter inductief en worden naar hoge frequenties hoogimpedant. Om toch een laag impedantieverloop te garanderen wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde ontkoppelingscapaciteit. De ontkoppeling zorgt er ook voor dat hoogfrequente signalen niet in de voeding terechtkomen, waar ze problemen kunnen veroorzaken. Daarnaast helpt het ook tegen spanningspieken en ruis. Bij de ontkoppeling worden 2 verschillende package sizes gebruikt. Grote capaciteitswaarden komen immers in grote packages en hebben dus een grote parasitaire zelfinductantie, waardoor ze hoogimpedant worden bij stijgende frequentie. De voeding moet zowel voor als na de regelaar ontkoppeld worden. De ontkoppeling voor de regelaar is uiterst belangrijk en gebeurt met een elco (elektrolytische condensator) van een paar 100 µf. Deze elco wordt in parallel geschakeld met een keramische condensator, omdat de elco bij relatief hoge frequenties niet langer een capacitief, maar een inductief karakter heeft. Voor die hoge frequenties wordt de voeding dus niet langer ontkoppeld. Door een keramische condensator in parallel te schakelen, met een lagere capaciteit, wordt ook bij hoge frequenties 8

23 Hoogfrequent bordontwerp 9 een laagimpedante connectie met de grond voorzien. Een keramische condensator begint zich namelijk bij veel hogere frequenties inductief te gedragen. 2.2 Karakteristieke impedantie van de traces Aangezien het verzenden en ontvangen van de elektrische signalen via kabels met een karakteristieke impedantie Z 0 van 50 Ω gebeurt, moeten de traces op de bordjes zelf ook een karakteristieke impedantie van 50 Ω hebben om reflecties te vermijden. Deze wordt berekend met de (vereenvoudigde) formule Z 0 = Hierbij zijn L en C respectievelijk de inductantie en capaciteit per lengte-eenheid van de lijn. Voor een gegeven configuratie kan Z 0 berekend worden met een lijncalculator als LineCalc of een 2D-simulator als HyperLynx. Aangezien er nog extra parasitaire capaciteit naar het omringend grondvlak zal optreden is het aangewezen de berekende lijnbreedte met 10% te verminderen om L C het effect van die parasitaire capaciteit te compenseren. In deze masterproef wordt het Rogers Corporation RO4350B materiaal gebruikt om de ontworpen bordjes te produceren. De karakteristieken van dit materiaal zijn opgesomd in Tabel 2.1. Met behulp van deze karakteristieken werd de nodige baandikte voor een 50 Ω transmissielijn berekend op 1.75 mm. De 10% compensatie zorgt ervoor dat de traces op ons bord dus 1.57 mm dik zijn. Relatieve permittiviteit ɛ r 3.48 Dissipatiefactor tan δ Dikte diëlektricum H mm Dikte kopercoating T 35 µm Tabel 2.1: Karakteristieken RO4350B-materiaal 2.3 Lengte van de traces Bij de volgende ontwerpen wordt voornamelijk gebruik gemaakt van differentiële in- en uitgangen. Hierbij is de lengte van deze differentiële traces een belangrijk punt. De traces moeten namelijk even lang zijn. Als dit niet zo is, zal het signaal met het langere pad een vertraging ondervinden t.o.v. het andere pad. Ook de kabels die men gebruikt bij het testen moeten dus even lang zijn. Indien dit niet het geval is, zal men een gesloten oog waarnemen (zie Sectie 7.2).

24 Hoogfrequent bordontwerp Via s Ook de plaatsing van via s is belangrijk. Door meerdere via s dicht te plaatsen bij de punten waar grondconnecties zijn, zal een korte verbinding met grond verzekerd zijn, wat de parasitaire inductanties in het circuit vermindert. Ook tegen de snelle traces worden via s geplaatst om parasitaire effecten te verminderen. Merk op dat bij hoge frequenties het begrip grond voorzichtig gebruikt moet worden. Als bvb. een geaarde emitter met emitterdegeneratie en zijn ontkoppelcapaciteit ver van elkaar liggen kan die interconnectie een paar nh introduceren, wat bij een honderdtal MHz een niet te verwaarlozen impedantie met zich meebrengt. Daarom is het bij de layout belangrijk de componenten die met grond verbonden moeten worden zo dicht mogelijk bij elkaar te plaatsen. Tests gaven aan dat dit bij 1 Gbps operatie geen probleem vormde.

25 Hoofdstuk 3 Ontwerp van een transceiver-bord 3.1 Commerciële transceiver - EDL1000T De EDL1000T (of Gigabit Ethernet OptoLock) is een 665 nm transceiver met een speciaal ontworpen in- en uitgang voor naakte POF [2]. De chip werkt bij 3.3 V en kan 1.25 Gbps verzenden en ontvangen. Er wordt gebruik gemaakt van een VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) als laser. Deze component heeft zowel bij de ontvangende fotodiode als bij de verzendende laser een speciale interface-component waar de POF perfect in past en kan vastgeklikt worden. Zo wordt de POF naadloos gealigneerd met de ontvanger en verzender. 3.2 Beschrijving van de pinnen De EDL1000T telt 15 pinnen: 5 pinnen shielding ground 5 pinnen voor de transmitter 5 pinnen voor de receiver Zowel de receiver als de transmitter hebben elk hun eigen aparte voeding en grond. Ook hebben ze beiden een differentiële in- en uitgang. De receiver heeft een laatste pin die detecteert of een signaal ontvangen wordt (signal detect). Deze signal detect wordt gebruikt om een LED aan te sturen die oplicht als de receiver een signaal ontvangt. De transmitter heeft op zijn beurt nog een laatste pin die de laser uitschakelt indien de pin op de voedingsspanning staat of wordt losgekoppeld. Hier komt een jumper mee in verbinding die 11

26 Ontwerp van een transceiver-bord 12 met de grond verbonden wordt als de laser moet werken en wordt losgekoppeld als enkel de ontvanger wordt gebruikt. 3.3 Schema Het schema werd opgesteld op basis van de Typical application te vinden in de datasheet van de EDL1000T. Het resultaat is te zien in Figuur uH 1uH 1 39 Ohm 2 Figuur 3.1: Schema van het ontworpen transceiverbord 3.4 Layout De layout van het transceiverbord is te zien in Figuur 3.2. Bij het plaatsen van de verschillende componenten werd rekening gehouden met de aandachtspunten die aangehaald werden voor hoogfrequent bordontwerp (zie Hoofdstuk 2). Ook voor de in- en uitgangen werd er rekening mee gehouden dat het connecteren van de kabels op de SMA-connectoren een zekere ruimte vergt. Deze werden dus niet te dicht op elkaar geplaatst.

27 Ontwerp van een transceiver-bord 13 Figuur 3.2: Layout van het ontworpen transceiverbord 3.5 Bestukte transceiverbord In Figuur 3.3 is een foto te zien van het bestukte transceiverbord. Figuur 3.3: Foto van het bestukte transceiverbord

28 Hoofdstuk 4 Ontwerp van een optische transmitter 4.1 Laserdiode - Optek OPV310Y De OPV310Y is een VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) laserdiode die licht uitstraalt met een golflengte van 850 nm bij een lage stroom en spanning [3]. Ze heeft een drempelstroom van maximaal 3 ma en operatiespanning van typisch 2 V. Er is ook een monitorfotodetector aanwezig wiens kathode verbonden is met de laseranode. 4.2 Commerciële laser driver - MAX3740 De MAX3740 is een laser driver ontworpen voor het aansturen van VCSEL s tot 3.2 Gbps [4]. Deze laser driver werkt bij 3.3 V. Aangezien VCSEL s een lage stroom nodig hebben zijn de maximale modulatie- en biasstroom beperkt tot 15 ma. Bovendien kan er gebruik gemaakt worden van temperatuurcompensatie en is er een automatic power control (APC) feedback loop aanwezig. De APC veronderstelt dat er wordt gewerkt met een laser met een inwendige fotodetector, waarbij de laserkathode is verbonden met de fotodetectoranode. Daar dit bij de OPV310Y niet het geval is en om de applicatie eenvoudig te houden werd beslist om noch gebruik te maken van de APC loop, noch van de temperatuurcompensatie. Ook de foutindicator en de uitschakelfunctie worden niet gebruikt. De squelch functie wordt wel gebruikt door de desbetreffende pin hoog te trekken. Squelch zorgt ervoor dat ongewenste signalen met een laag vermogen weggefilterd worden. 14

29 TX_DISABLE SAFETY CIRCUITRY ENABLE BIAS GENERATOR WITH APC BIAS BIASSET SQUELCH IN+ 100Ω MAX3740 Ontwerp van een optische transmitter Beschrijving van de pinnen De chip heeft 24 pinnen (Figuur 4.1) waarvan er 3 voeding en 3 grond zijn. Er zijn een aantal pinnen aanwezig MODULATION die enkel CURRENT nuttig zijn voor de APC en foutindicatie. Aangezien deze functies ENABLE SIGNAL DETECT V CC GENERATOR niet gebruikt worden, moeten die pinnen niet geconnecteerd worden. Ook de peakset pin die TC1 TC2 MODSET LASER MODULATOR PEAKING CONTROL PEAKSET peaking kan introduceren wordt niet gebruikt en is dus niet geconnecteerd. De 2 temperatuurcompensatiepinnen worden kortgesloten (zoals aangeraden in de datasheet) en de transmitter Chip disable Information wordt met de grond verbonden om de transmitter Pin Configuration aan te schakelen. OUNT: 3806 BIPOLAR TOP VIEW PWRMON REF IN- OUT- OUT MD COMP VCC BIASMON GND 1 18 BIAS TX_DISABLE 2 17 BIASSET Package Information age outline information, go to m/packages. V CC OUT+ OUT- IN+ IN- FAULT MAX PACKAGE TYPE PACKAGE CODE SQUELCH 6 13 GND 24 Thin QFN 4mm 4mm 0.8mm) T VCC TC1 TC2 GND MODSET PEAKSET 24 THIN QFN (4mm x 4mm) *EXPOSED PAD IS CONNECTED TO GND e responsibility for use of any circuitry other than circuitry entirely embodied in a Maxim product. No circuit patent licenses are es the right to change the circuitry and specifications without notice at any time. Figuur 4.1: Pinout van de MAX3740 Maxim Integrated Products, 120 San Gabriel Drive, Sunnyvale, CA Uiteraard is er ook een data ingang: deze is differentieel en bestaat uit een niet-inverterende grated Products Printed USA is a registered trademark of Maxim Integrated Products. pin (DATA+) en een inverterende pin (DATA-). Ten slotte is er ook een differentiële uitgang: OUT+ en OUT Bepalen van de bias- en modulatiestroom De bias- en modulatiestroom, I bias en I mod kunnen ingesteld worden door een gepaste weerstand te verbinden met de BIASSET pin en MODSET pin respectievelijk. Om de juiste waarden voor deze stromen te vinden, moet de laser van naderbij bekeken worden. Op Figuur 4.2 ziet men dat bij een stroom van 2 ma de laser 0.1 mw uitstraalt. Dit is een goede keuze voor het vermogen P 0 bij het uitzenden van een 0-bit. Welke keuze moet nu gemaakt worden voor het vermogen P 1 bij het uitzenden van een 1-bit? De verhouding P 1 op P 0 noemt men de extinction ratio r e.

30 Ontwerp van een optische transmitter 16 Figuur 4.2: Laser uitgangsvermogen t.o.v. stroom r e = P 1 P 0 Om een voldoende scheiding tussen de logische niveaus te verkrijgen, verwacht men voor r e minstens een waarde van 10. Aangezien het geen sinecure is om P 0 op exact 0.1 mw te krijgen, werd P 1 op 1.8 mw gekozen, wat bereikt wordt bij een stroom van ongeveer 11 ma. Hierdoor zal r e zeker meer dan 10 bedragen. Nu P 0 en P 1 gekend zijn moet de bijpassende biasstroom en modulatiestroom berekend worden. I bias = I 0 + I 1 11 ma + 2 ma = = 6.5 ma 2 2 I mod = I 1 I 0 = 11 ma 2 ma = 9 ma Instellen van de bias- en modulatiestroom Op Figuur 4.3 kan men zien dat de weerstand aan de BIASMAX pin ongeveer 4.7 kω moet zijn om de instelstroom van 6.5 ma te verkrijgen. Analoog is op Figuur 4.4 te zien dat de weerstand aan de MODSET pin 1.8 kω moet bedragen om de modulatiestroom in te stellen op 9 ma. Merk op dat het bepalen van deze stromen zeer belangrijk is. Als de biasstroom te klein is t.o.v. de modulatiestroom kan het gebeuren dat de laser niets uitzendt bij een 0. Om dan een 1 te zenden, moet de laser weer opstarten, wat een vertraging tot 1 ns kan opleveren. Bij

31 Ontwerp van een optische transmitter 17 Figuur 4.3: Biasstroom t.o.v. biasset-weerstand Figuur 4.4: Modulatiestroom t.o.v. modset-weerstand

32 Ontwerp van een optische transmitter 18 bitsnelheden van 500 Mbps is dit niet te verwaarlozen. Op het oogdiagram zou men dan een stijgende flank zien die veel breder is dan de dalende. Er dient ook opgemerkt te worden dat men er hier van uitgaat dat de biasstroom de gemiddelde stroom is die de laser te verwerken krijgt. Bij de MAX3740 is dit enkel zo wanneer geen gebruik gemaakt wordt van de APC loop. Als de APC loop wel gebruikt wordt moet men een weerstand van 1.7 kω met de BIASSET pin verbinden om de maximale stroom naar de laser in te stellen. Er is nog een pin, de BIASMON pin, die de gebruiker in staat stelt de biasstroom op te meten. Bij deze pin wordt een stroom van 1/9 keer de biasstroom uitgezonden. De pin moet wel op minder dan 0.8 V staan. Aangezien de biasstroom 6.5 ma is, zal de stroom uit de monitor pin ma bedragen, wat een weerstand van 680 Ω een goede keuze maakt om hier te plaatsen. Zo zal de monitor pin op een spanning van ongeveer 0.5 V ingesteld worden Alignatie van de POF Om de POF goed te aligneren met de laser, wordt er gebruik gemaakt van een hulpstuk (Figuur 4.5) dat op de laser kan worden vastgevezen. Om dit goed tot zijn recht te laten komen, wordt er plaats voorzien op het bord waar deze header kan steunen en kan worden vastgemaakt. Figuur 4.5: Header voor alignatie van de POF met de laser 4.4 Schema Het schema werd opgesteld op basis van de Typical application te vinden in de datasheet van de MAX3740. Het resultaat is te zien in Figuur 4.6.

33 Ontwerp van een optische transmitter Ohm uH Ohm 50 Ohm kohm Figuur 4.6: Schema van het ontworpen transmitterbord 4.5 Layout De layout van het transmitterbord is te zien in Figuur 4.7. Uiteraard werden opnieuw de regels van de kunst bij hoogfrequent bordontwerp in acht genomen (zie Hoofdstuk 2). Figuur 4.7: Layout van het ontworpen transmitterbord 4.6 Bestukte transmitterbord In Figuur 4.8 is een foto te zien van het bestukte transmitterbord.

34 Ontwerp van een optische transmitter Figuur 4.8: Foto van het bestukte transmitterbord 20