ABSTRACT – CAN. J. ELECT. COMPUT. ENG., VOL. 30, NO. 1, PP. 49–54

Noise performance of a preamplifier for high-speed optical receiver front-ends

Caractéristiques du bruit d'un préamplificateur pour les composants frontaux des récepteurs optiques à haute vitesse

Xizhen Tian, Langis Roy, and A.P. Freundorfer

This paper reports on an optical receiver employing a p-i-n diode and a GaAs HBT monolithic microwave integrated circuit (MMIC) distributed preamplifier combination. The design is the first to have a photodiode mounted directly on the MMIC chip. The p-i-n preamplifier displays a measured average equivalent input noise current density of 24 pA/Hz. Good agreement is obtained between the predicted and measured noise performance. The monolithic eight-stage distributed amplifier is implemented using Nortel’s GaAs HBT (fT = 70 GHz) process, and makes use of a coplanar waveguide regime having a large input impedance optimized for noise performance and bandwidth. The p-i-n photodiode employed is an InGaAs vertically illuminated structure, also from Nortel. While the voltage gain of the amplifier displays a 3 dB bandwidth extending to nearly 40 GHz, the bandwidth of the complete optical receiver is found to be only 22 GHz. Packaging effects are believed to be responsible for this shrinkage.

Cet article montre un récepteur optique employant une combinaison distribuée de préamplificateurs utilisant une diode p-i-n et un circuit intégré monolithique à micro-ondes (CIMM) basé sur le GaAs HBT. Le design est le premier à avoir une photodiode montée directement sur la puce CIMM. Le préamplificateur p-i-n montre une densité de courant moyenne et équivalente du bruit à l’entrée de 24 pA/Hz. Un bon accord est obtenu entre les caractéristiques du bruit prédites et mesurées. L’amplificateur monolithique à huit étages est implanté en utilisant le processus GaAs HBT (fT = 70 GHz) de Nortel et utilise un régime de guide d’ondes coplanaire ayant une large impédence d’entrée optimisée pour les caractéristiques du bruit et la largeur de bande. La photodiode p-i-n employée est une structure InGaAs illuminée verticalement, également de Nortel. Alors que le gain en voltage de l’amplificateur montre une largeur de bande à 3 dB s’étendant jusqu’à presque 40 GHz, la largeur de bande du récepteur optique complet n’est que de 22 GHz. Les effets de l’empaquetage sont crus responsables de cette diminution.

Keywords: distributed amplifier, GaAs HBT, photoreceiver, p-i-n diode, preamplifier

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