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CMOS receiver design for gigabit short-range optical communications

Aznar Tabuenca, Francisco
Celma Pueyo, Santiago (dir.) ; Calvo López, Belén (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2011

Resumen: Las comunicaciones ópticas han supuesto un antes y un después para las transmisiones de larga distancia. La ventana electromagnética proporcionada por las fibras ópticas, cuyas pérdidas son varios ordenes de magnitud menor que para los cables de cobre, permite una velocidad de transmisión a través de grandes distancias que solo es alcanzable con esta tecnología. Además de aplicaciones de larga distancia, las comunicaciones ópticas empiezan a ser una opción viable para redes de corto alcance. Una combinación de bajo coste para el canal de transmisión y los dispositivos electrónicos es la condición fundamental para la viabilidad del sistema. En consecuencia, la fibra óptica de plástico y la tecnología microelectrónica CMOS se convierten en la opción predilecta. Además de su menor coste de fabricación, la fibra óptica de plástico conlleva una mayor facilidad para la instalación, debido al mayor diámetro de su núcleo, y es compatible con emisores y detectores de luz integrados en tecnología CMOS submicrónica. Dicha tecnología ofrece un coste de fabricación reducido gracias a su uso masivo en la electrónica digital, mientras que su frecuencia máxima de operación es compatible con transmisiones multi-gigabit. Esta tesis se centra en el diseño de un receptor óptico integrado en tecnología CMOS con un fotodiodo externo. Las características fundamentales a optimizar son la velocidad, determinada por la tasa de información transmitida, la sensibilidad, relacionada con el ruido electrónico del propio receptor, y el rango dinámico de entrada, dado por el cociente entre la máxima y la mínima amplitud de señal adecuadamente procesada. Así, se han implementado diferentes soluciones en tecnologías CMOS de 180 y 90 nm, caracterizando y desarrollando cada uno de los tres bloques fundamentales que constituyen el receptor óptico: el amplificador de transimpedancia, encargado de transformar la corriente proporcionada por el fotodiodo en un voltaje, el post-amplificador, el cual ofrece una salida con la suficiente amplitud para una correcta discriminación entre los niveles lógicos digitales, y un ecualizador adaptativo, cuya respuesta frecuencial es complementaria a la de la fibra independientemente de su longitud, alcanzando velocidades de transmisión gigabit. Como conclusión final cabe destacar el potencial de los sistemas basados en fibra óptica de plástico y tecnología CMOS submicrónica, contenido abordado en la última configuración implementada, para dotar al usuario final de un salto considerable de velocidad comparado con los sistemas eléctricos, además de la total confidencialidad de la información gracias a la inmunidad a la interferencia electromagnética. En todos los temas tratados se plantea una discusión crítica de los resultados obtenidos, resultados que en su totalidad han sido verificados experimentalmente y demuestran la viabilidad de las propuestas presentadas.