University of Oulu

Puolijohdelaserin integroitu viivelinjalla säädettävä CMOS-pulssitin

Saved in:
Author: Pakaslahti, Marko1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.4 MB)
Pages: 42
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201911303206
Language: Finnish
Published: Oulu : M. Pakaslahti, 2019
Publish Date: 2019-12-02
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Nissinen, Ilkka
Reviewer: Nissinen, Ilkka
Nissinen, Jan
Description:

Tiivistelmä

Työssä suunniteltiin integroitu viivelinjalla säädettävä CMOS-pulssitin puolijohdelaserille. Tavoitteena oli saada digitaalisella ohjauksella säädettävä pulssitin kokonaisuudessaan 150 nm teknologian mikropiirille. Ohjauksella säädetään pulssin leveys 0,5–2,5 ns välillä 100 ps tarkkuudella, jotta saavutettaisiin ainakin noin 700 ps virtapulssi. Säätöalue on haluttu laajaksi, jotta sama pulssitin soveltuu rakenteeltaan erilaisille laserdiodeille ja tavoiteltu optinen pulssi voidaan saavuttaa.

Suunniteltu piiri sisältää laserajurin, esiajurin, viivelinjapiirin ja viivelukitun silmukkapiirin. Viivelinjapiirissä on karkea viivelinja ja tarkka viivelinja, joille molemmille on oma viivelukittu silmukka viivelukitussa silmukkapiirissä. Viivelukittu silmukkapiiri lukitsee viivelinjapiirin säätöjännitteet ja täten pitää viive-elementtien viiveet stabiilina, vaikka lämpötila, käyttöjännite ja prosessikulmat vaihtelisivat. Viivelinjapiiri muodostaa pulssin esiajurille, jonka tehtävä on kasvattaa riittävä ajokyky laserajurisolujen kytkintransistoreille, jotka sulkeutuvat pulssin ajaksi myötäbiasoiden laserdiodin.

Piirin toiminta varmennettiin piirikuviosimulaatioilla. Pulssittimesta saatiin leveydeltään tavoiteltu noin 700 ps virtapulssi ja 0,9–2,6 ns väliltä kaikki pulssit likimain 100 ps tarkkuudella. Näiden virtapulssien keskimääräinen amplitudi oli 1,66 A. Myös kapea noin 300 ps virtapulssi saatiin muodostettua, amplitudin jäädessä kuitenkin 1,2 A:iin esiajurin riittämättömän ajokyvyn vuoksi. Koko integroidun piirin keskimääräinen tehonkulutus 100 MHz pulssitustaajuudella oli 3,64 W. Pulssin leveyden vaihtelu eri prosessikulmilla ja -10–80 ºC lämpötila-alueella pysyi alle 32 ps. Integroidun piirin pinta-ala on 5,03 × 2,32 mm², mukaan lukien kytkentäsolut.

A pulse width-controlled CMOS pulser for a semiconductor laser

Abstract

This thesis presents a pulse width-controlled CMOS pulser for a semiconductor laser diode. The main objective of this work was to design in a 150 nm technology an integrated pulser, which pulse width can be adjusted by digital words. Width can be adjusted from 0.5 ns to 2.5 ns with resolution of 100 ps and thus the aimed 700 ps current pulse will be achieved. The range of the pulse width can be adjusted in such a way that the same pulser assorts with diverse structures of laser diodes, while providing the desired optical pulse.

The designed circuit consists of a laser driver, a pre-driver, a delay line circuit and a delay-locked loop circuit. The delay line circuit contains a coarse delay line and a fine delay line, which are both locked by means of delay-locked loops and, as a result, the delay of a delay-cell is stabilized against temperature, supply voltage and process corners variations. The delay line circuit forms a pulse to the pre-driver which builds up a driving capability for the switching transistors of the laser driver cells. The laser diode is forward biased for the duration of the pulse when the switches are closed.

The designed circuit was verified by post-layout simulations. The desired 700 ps current pulse was generated along with the other current pulses from 0.9 ns to 2.6 ns in a 100 ps resolution. The average amplitude of these current pulses was 1.66 A. A narrow pulse of about 300 ps was also achieved through the pre-driver with an amplitude of 1.2 A due to the insufficient driving capacity of the pre-driver. With 100 MHz pulse frequency, the average power consumption of the whole integrated circuit was 3.64 W. The pulse width variation with different process corners and -10–80 ºC range of temperature stayed under 32 ps. The integrated circuit area is 5.03 × 2.32 mm² including IO pads.

see all

Subjects:
Copyright information: © Marko Pakaslahti, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.