The high-speed clock and data recovery (CDR) circuit is a key building block of modern communication systems with applications spanning a wide range from wireline long-haul networks to chip-to-chip and backplane communications. In this dissertation, our focus is on the modelling, design and analysis of devices and circuits used in this versatile system in CMOS technology. Of these blocks, we have identified the voltage-controlled oscillator (VCO) as an important circuit that contributes to the total noise performance of the CDR. Among different solutions known for this circuit, LC-VCO is acknowledged to have the best phase noise performance, due to the filtering characteristic of the LC tank circuit. We provide details on modelling and characterization of a special type of varactor, the accumulation-mode MOS varactor, used in the tank circuit as a tuning component of these types of VCOs. We propose a new sub-circuit model for this type of varactor, which can be easily migrated to other technologies as long as an accurate model exists for MOS transistors. The model is suitable whenever the numerical models have convergence problems and/or are not defined for the specific designs (e.g., minimum length structures). The model is verified directly using measurement in a standard CMOS 0.13µm process, and indirectly by comparing the tuning curves of an LC-VCO designed in CMOS 0.13µm and 0.18µm processes. Using a varactor, a circuit technique is proposed for designing a narrowband tuneable clock buffer, which can be used in a variety of applications including the CDR system. The buffer automatically adjusts its driving bandwidth to that of the VCO, using the same control voltage that controls the frequency of the VCO. In addition, a detailed analysis of the impact of large output signals on the tuning characteristics of the LC-VCO is performed. It is shown that the oscillation frequency of the VCO deviates from that of an LC tank. / Applied Science, Faculty of / Electrical and Computer Engineering, Department of / Graduate

Nowadays, Multi-GHz analog-to-digital converters (ADCs) are becoming more and more popular in radar systems, software-de ned radio (SDR) and wideband communications, because they can realize much higher operation speed through using many interleaved sub-ADCs to relax ADC sampling rates. Although the time interleaved ADC has some issues such as gain mismatch, o set mismatch and timing skew between each ADC channel, these deterministic errors can be solved by previous works such as digital calibration technique. However, time-interleaved ADCs require a precise sample clock to achieve an acceptable e ective-numberof- bits (ENOB) which can be degraded by jitter in the sample clock. The clock generation circuits presented in this work achieves sub-picosecond jitter performance in 180nm CMOS which is suitable for time-interleaved ADC. Two di erent test chips were fabricated in 180nm CMOS to investigate the low jitter design technique. The low jitter delay line in two chips were designed in two di erent ways, but both of them utilized the low jitter design technique. In rst test chip, the measured RMS jitter is 0.1061ps for each delay stage. The second chip uses the proposed low jitter Delay-Locked Loop can work from 80MHz to 120MHz, which means it can provide the time interleaved ADC with 2.4GHz to 3.6GHz low jitter sample clock, the measured delay stage jitter performance in second test chip is 0.1085ps.

The work deals with design, simulation and preparation of laboratory preparation. The main aim of the thesis is to design and implement a simple noise generator, signal sources, mixer and phase lock loop for teaching purposes.

The aim of the master thesis is on lock-in amplifiers. Amplifier's basic parts and lock-in circuits description is listed in introductory chapters. The thesis offers overview of parameters of chosen devices available on the market and their possible usage. We describe HF2LI device functions and usage of ziControl software. With the aim to verify properties of the device and ziControl software, one of the last chapters focuses on manipulation with HF2LI device. The conducted experiments and achieved results are presented in the last chapter.

Bakgrund: Locked-in Syndrom är ett neurologiskt syndrom som har uppkommit via en skada på hjärnstammen. Tillståndet bidrar till en paralysering av kroppen, vilket gör att kroppens funktioner blir kraftigt nedsatta. Kommunikationsförmågan blir vanligtvis även nedsatt och ögonrörelser är generellt den enstaka rörelsen som kan utföras. I dagsläget finns det ingen fastställd behandling av syndromet. Det gör att omvårdnad och hjälpmedel är betydelsefulla aspekter vid patienternas förändrade livssituation. Hälso- och sjukvårdspersonalen har en generellt låg kompetens inom området, vilket påverkar individens vårdprocess negativt. Syfte: Syftet med studien var att beskriva vuxna individers upplevelser av att leva med Locked-in Syndrom. Metod: Metoden för studien baserades på en kvalitativ litteraturstudie med en induktiv ansats. Datan är insamlad från fyra engelska patografier. Analysmetoden som användes var Graneheim och Lundmans (2004) tolkningar av en kvalitativ innehållsanalys, som är anpassat för omvårdnadsvetenskap.  Resultat: Resultatet bestod av tre huvudkategorier och sju underkategorier. Resultatet påvisar att insjuknandet i Locked-in-Syndrom är svårhanterligt och ger en förändrad livsvärld. Patienterna får även en ny vardag och ett nytt framtidsperspektiv. Något som beskrevs vara högt värderat är stöd från sin omgivning. Patienterna upplevde också en bristande kunskap och bemötande från vårdpersonalen, vilket bidrog till en känsla av otrygghet. Slutsats: Patienterna upplevde mestadels negativa aspekter av den förändrade livssituationen samt en förändrad livsbild. Det poängteras att vårdpersonal har en stor inverkan på personens välmående. Vårdrelationen mellan patienten och sjuksköterskan är väsentlig för en god omvårdnad. Det finns ett behov av att förbättra kunskapen om Locked-in-Syndrom via ytterligare forskning. Behovet behövs för att kunna förstärka patientsäkerheten och den personcentrerade vården för individerna med Locked-in-Syndrom.

Thesis. 1976. Sc.D.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Electrical Engineering and Computer Science. / Microfiche copy available in Archives and Engineering. / Vita. / Includes bibliographical references. / Sc.D.

Brain computer interfaces based on sensorimotor rhythms modulation (SMR-BCIs) allow people to emit commands to an interface by imagining right hand, left hand or feet movements. The neurophysiological activation associated with those specific mental imageries can be measured by electroencephalography and detected by machine learning algorithms. Improvements for SMR-BCI accuracy in the last 30 years seem to have reached a limit. The currrent main issue with SMR-BCIs is that between 15% to 30% cannot use the BCI, called the "BCI inefficiency" issue. Alternatively to hardware and software improvements, investigating the individual characteristics of the BCI users has became an interesting approach to overcome BCI inefficiency. In this dissertation, I reviewed existing literature concerning the individual sources of variation in SMR-BCI accuracy and identified generic individual characteristics. In the empirical investigation, attention and motor dexterity predictors for SMR-BCI performance were implemented into a trainings that would manipulate those predictors and lead to higher SMR-BCI accuracy. Those predictors were identified by Hammer et al. (2012) as the ability to concentrate (associated with relaxation levels) and "mean error duration" in a two-hand visuo-motor coordination task (VMC). Prior to a SMR-BCI session, a total of n=154 participants in two locations took part of 23 min sessions of either Jacobson’s Progressive Muscle Relaxation session (PMR), a VMC session, or a control group (CG). No effect of PMR or VMC manipulation was found, but the manipulation checks did not consistently confirm whether PMR had an effect of relaxation levels and VMC on "mean error duration". In this first study, correlations between relaxation levels or "mean error duration" and accuracy were found but not in both locations. A second study, involving n=39 participants intensified the training in four sessions on four consecutive days or either PMR, VMC or CG. The effect or manipulation was assessed for in terms of a causal relationship by using a PRE-POST study design. The manipulation checks of this second study validated the positive effect of training on both relaxation and "mean error duration". But the manipulation did not yield a specific effect on BCI accuracy. The predictors were not found again, displaying the instability of relaxation levels and "mean error duration" in being associated with BCI performance. An effect of time on BCI accuracy was found, and a correlation between State Mindfulness Scale and accuracy were reported. Results indicated that a short training of PMR or VMC were insufficient in increasing SMR-BCI accuracy. This study contrasted with studies succeeding in increasing SMR-BCI accuracy Tan et al. (2009, 2014), by the shortness of its training and the relaxation training that did not include mindfulness. It also contrasted by its manipulation checks and its comprehensive experimental approach that attempted to replicate existing predictors or correlates for SMR-BCI accuracy. The prediction of BCI accuracy by individual characteristics is receiving increased attention, but requires replication studies and a comprehensive approach, to contribute to the growing base of evidence of predictors for SMR-BCI accuracy. While short PMR and VMC trainings could not yield an effect on BCI performance, mindfulness meditation training might be beneficial for SMR-BCI accuracy. Moreover, it could be implemented for people in the locked-in-syndrome, allowing to reach the end-users that are the most in need for improvements in BCI performance. / Les interfaces cerveau-ordinateur (angl. brain-computer interfaces, BCIs) basées sur les rythmes sensorimoteurs (angl. sensorimotor rhythms, SMR) permettent d’émettre des commandes par l’imagination de mouvements des mains ou des jambes. Dans le cas des BCIs non-invasifs, les manifestations neurophysiologiques liées á l’imagination motrice peuvent être mesurées par électroencephalographie (EEG) á la surface du cuir chevelu, puis détectées á l’aide d’algorithmes d’apprentissage. Après 30 années de progrès dans l’implémentation des BCI basées sur les SMR, il devient de plus en plus difficile d’obtenir un gain significatif de performance, alors qu’il est estimé qu’entre 15% et 30 % des utilisateurs ne peuvent pas utiliser une BCI basée sur les SMR. On parle d’inefficacité de la BCI (angl. BCI inefficiency). Une alternative aux avancées matérielles et logicielles réside dans l’investigation de caractéristiques propres à l’utilisateur. Dans ce travail de thèse, j’ai d’abord procédé à une revue de littérature sur les sources individuelles de variation de la performance SMR-BCIs, sous la forme de caractéristiques psychologiques, neurologiques et neuroanatomiques propres à l’utilisateur. Pour l’étude empirique, je me suis basé sur deux prédicteurs – l’attention et la dextérite motrice – que j’ai expérimentalement manipulés par des protocoles d’intervention. Ces deux prédicteurs ont été identifiés par Hammer et al. (2012) en tant que capacité à se concentrer (ability to concentrate) et durée moyenne d’erreur dans une tâche de coordination visuo-motrice (mean error duration in a visuomotor coordination task, VMC). La première étude comprend N=154 participants recrutés dans deux villes allemandes (Würzburg et Berlin). Avant de procéder à une session de BCI basée sur les SMR, les participants ont été aléatoirement répartis en trois groupes d’intervention d’une durée de 23 minutes. Le groupe PMR a pris part à une session de relaxation musculaire progressive de Jacobson, censée relaxer le participant ; le groupe VMC a pris part a une session de coordination visuo-motrice des deux mains, censé augmenter la dextérité motrice ; le groupe controle CG ayant eu pour tâche de lire un texte. Les résultats, analysés indépendemment pour chaque lieu de mesure, indiquent que l’entraînement PMR ou VMC n’ont pas provoqué d’amélioration significative de la performance BCI. L’effet des interventions sur leurs variables témoins respectives (PMR sur le niveau subjectif de relaxation ; VMC sur la durée moyenne d’erreur) sont inéquivoques. Il n’est donc pas possible d’interpréter l’absence d’effet d’entraînement sur la performance BCI. Les corrélations entre les variables témoins et la performance BCI répliquent les deux prédicteurs à l’origine de l’étude, mais ces résultats sont restreints à l’un des deux lieux de mesure. La seconde étude a été menée sur N=39 participants pour lesquels la durée d’entraînement (soit PMR, VMC ou CG) a été prolongée sur quatre sessions étalées sur quatre jours successifs. Cette seconde étude a été conçue selon un modèle pré-test post-test permettant de réduire la sensibilité aux variations inter-individuelles de la performance, ainsi que de tester la présence d’une relation causale entre entraînement et performance BCI. Les variables témoins – relaxation et durée d’erreur VMC– ont evolué de maniere positive validant les entraînements. Cependant, les entraînements PMR et VMC n’ont eu aucun effet positif sur la performance BCI basée sur les SMR. Les prédicteurs n’ont donc pas de nouveau été répliqués, démontrant l’instabilité des niveaux de relaxation et la performance VMC dans leur association avec la performance BCI. L’effet de temps sur la performance BCI, constaté dans de nombreuses études a été répliqué. De manière plus inattendue, une correlation entre l’échelle d’attention consciente (state mindfulness scale, SMS) et la performance BCI a été révélée. Globalement, Les résultats de ces deux études empiriques indiquent que de courts entraînements PMR ou VMC ont été insuffisants pour améliorer la performance BCI. Ces études contrastent donc avec les précédentes études qui au contraîre ont montré un effect positif d’un entraînement en relaxation Tan et al. (2009, 2014), notamment marqués par leur durée s’étalant sur plusieurs mois ainsi que leur forme de relaxations basées sur la méditation de pleine conscience (angl. Mindfulness). Mes deux études se démarquent cependant par la présence de tests de manipulation, l’approche expérimentale basée sur l’implémentation du potentiel des prédicteurs et corrélats de la performance BCI. La prédiction de performance SMR-BCI par des caractérisiques individuelles reçevant une attention croissante ces dernières années, il est nécessaire pour contribuer efficacement au domaine des sources de variation des BCI, d’opter pour une approche expériementale englobant les résultats existants, notamment par l’effort de réplication, et de comparaison d’études. En conclusion, Alors que de courts entraînements PMR et VMC n’ont pas eu d’effets sur la performance BCI basée sur les SMR, la piste de l’entraînement de méditation pleine conscience présente un potentiel qu’il est nécessaire de confirmer. De plus, il pourraît être mis en place pour des patients paralysés moteur (angl. locked-in syndrome, LIS), permettant de fait d’atteîndre la population pouvant le plus profiter des améliorations de la performance BCI. / Gehirn-Computer Schnittstellen (engl. brain-computer interfaces, BCIs), basierend auf der Modulation sensomotorischer Rhythmen (SMR), erlauben Menschen, Befehle an eine Schnittstelle zu übermitteln, beispielsweise durch die Vorstellung von Bewegungen der Hände oder der Füße. Die neurophysiologische Aktivität, die mit den Bewegungsvorstellungen assoziiert ist, kann mittels Elektroenzephalographie gemessen und durch Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens detektiert werden. Die Fortschritte in Bezug auf SMR-BCIs, die es in den letzten 30 Jahren gab, scheinen an eine Grenze zu stoßen. Das Hauptproblem liegt darin, dass 15 bis 30% der Nutzer keine Kontrolle über SMR-BCIs erlangen. Dieses Phänomen wird als „BCI Ineffizienz“ bezeichnet. Neben Verbesserungen der Hard- und Software ist die Untersuchung individueller Charakteristika der BCI Nutzer ein vielversprechender Ansatz, um die BCI Ineffizienz zu überwinden. Im Rahmen dieser Dissertation habe ich zunächst durch eine Literaturstudie zu den Ursachen der Variation der SMR-BCI Genauigkeiten individuelle Charakteristika identifiziert. In der experimentellen Untersuchung wurden Aufmerksamkeit und Feinmotorik als Prädiktoren für die Leistung mit einem SMR-BCI in ein Trainingsparadigma aufgenommen, das zum Ziel hatte, die SMR-BCI Genauigkeiten zu verbessern. Diese Prädiktoren wurden von Hammer et al. (2012) als die Konzentrationsfähigkeit (assoziiert mit Entspannungsniveau) und „mittlere Fehlerdauer“ in einer beidhändigen visuomotorischen Koordinationsaufgabe (engl. two-hand visuo-motor coordination task, VMC) identifiziert. In der ersten Studie der vorliegenden Dissertation nahmen insgesamt n=154 Studienteilnehmer an zwei verschiedenen Standorten teil. Im Vorfeld einer SMR-BCI Sitzung nahmen diese entweder an einer 23-minütigen Sitzung mit Progressiver Muskelrelaxation nach Jacobson (PMR), einer Sitzung mit VMC oder einer Kontrollgruppe (KG) teil. Es zeigten sich keine Effekte auf die Genauigkeiten des SMRBCI als Folge der Versuchsbedingung (VMC, PMR oder KG). Jedoch konnte auch durch Manipulationschecks nicht konsistent bestätigt werden, dass PMR eine Auswirkung auf das Entspannungsniveau und VMC auf die „mittlere Fehlerdauer“ hatte. In dieser ersten Studie konnten Korrelationen zwischen dem Entspannungsniveau oder „mittlerer Fehlerdauer“ und der Genauigkeit mit dem SMR-BCI aufgedeckt werden, jedoch nicht an beiden Standorten. In der zweiten Studie dieser Dissertation mit n=39 Teilnehmern wurde das Training durch die Steigerung auf vier Sitzungen intensiviert, die an vier aufeinanderfolgenden Tagen entweder mit PMR, VMC oder KG durchgeführt wurden. Der Effekt dieser Manipulation auf SMRBCI Genauigkeiten wurde mittels eines Pretest-Posttest-Studiendesigns untersucht. Die Manipulationschecks validierten den positiven Effekt des Trainings sowohl für Entspannung als auch die „mittlere Fehlerdauer“. Es gab jedoch keine spezifische Wirkung des Trainings auf die BCI Genauigkeiten. Entspannungsniveau und „mittlere Fehlerdauer“ konnten nicht als zuverlässige Prädiktoren für SMR-BCI Leistung bestätigt werden. Es gab einen Effekt der Zeit auf die BCI Genauigkeit und eine Korrelation zwischen der State Mindfulness Scale und der Genauigkeit. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein kurzes PMR oder VMC Training nicht ausreichten, um SMR-BCI Genauigkeiten zu steigern. Diese Studie steht im Widerspruch zu Studien von Tan et al. (2009, 2014), die erfolgreich die SMR-BCI Genauigkeit steigern konnten, unterscheidet sich von diesen jedoch auch durch die kürzere Trainingsdauer und dem Fehlen von Achtsamkeitskomponenten beim Entspannungstraining. Weitere Unterschiede liegen in dem verwendeten Manipulationscheck und dem umfassenden experimentellen Ansatz der aktuellen Studie mit dem Ziel, zuvor ermittelte Prädiktoren oder Korrelate von SMR-BCI Genauigkeit zu replizieren. Die Vorhersage von BCI Genauigkeit durch individuelle Charakteristika erhält steigende wissenschaftliche Aufmerksamkeit, bedarf aber Replikationsstudien und eines umfassenden Ansatzes, um die Beweislage hinsichtlich Prädiktoren für SMR-BCI Genauigkeit zu verbessern. Während für kurze PMR und VMC Trainings kein Effekt auf die SMR-BCI Genauigkeit aufgedeckt werden konnte, könnte sich achtsamkeitsbasiertes Meditationstraining als vorteilhaft für die Leistung mit einem SMR-BCI erweisen. Darüber hinaus könnte es auch für Personen mit Locked-In-Syndrom implementiert werden, um so diejenigen Endnutzer zu erreichen, die am meisten von Verbesserungen der BCI Leistung profitieren würden.

The topic of this dissertation is the development of low repetition rate and low noise semiconductor-based laser sources with a focus on linearly chirped pulse laser sources. In the past decade chirped optical pulses have found a plethora of applications such as photonic analogto-digital conversion, optical coherence tomography, laser ranging, etc. This dissertation analyzes the aforementioned applications of linearly chirped pulses and their technical requirements, as well as the performance of previously demonstrated chirped pulse laser sources. Moreover, the focus is shifted to a specific application of the linearly chirped pulses, timestretched photonic analog-to-digital conversion (TS ADC). The challenges of surpassing the speeds of current electronic converters are discussed, while the need for low noise linearly chirped pulse lasers becomes apparent for the realization of TS ADC. The experimental research addresses the topic of low noise chirped pulse generation in three distinct ways. First, a chirped pulse (Theta) laser with an intra-cavity Fabry-Pérot etalon and a long-term referencing mechanism is developed that results in the reduction of the pulse-topulse energy noise. Noise suppression of > 15 times is demonstrated. Moreover, an optical frequency comb with spacing equal to the repetition rate (≈100 MHz) is generated using the etalon, resulting in the first reported demonstration of a system operating in the sub-GHz regime based on semiconductor gain. The path for the development of the Theta laser was laid by the precise characterization of the etalon used in this laser cavity design. A narrow linewidth laser is used in conjunction with an acousto-optic modulator externally swept for measuring the etalon's iv free spectral range with a sub-Hz precision, or 10 parts per billion. Furthermore, the measurement of the etalon long-term drift and birefringence lead to the development of a modified intra-cavity Hänsch-Couillaud locking mechanism for the Theta laser. Moreover, an external feed-forward system was demonstrated that aimed at increasing the temporal/spectral uniformity of the optical pulses. A complete characterization of the system is demonstrated. On a different series of experiments, the pulses emitted by an ultra-low noise but high repetition rate mode-locked laser were demultiplexed resulting in a low repetition rate pulse train. Experimental investigation of the noise properties of the laser proved that they are preserved during the demultiplexing process. The noise of the electrical gate used in this experiment is also investigated which led into the development of a more profound understanding of the electrical noise of periodical pulses and a mechanism of measuring their noise. The appendices in this dissertation provide additional material used for the realization of the main research focus of the dissertation. Measurements of the group delay of the etalon used in the Theta laser are presented in order to demonstrate the limiting factors for the development of this cavity design. The description of a balancing routine is presented, that was used for expanding the dynamic range of intra-cavity active variable delay. At last, the appendix presents the calculations regarding the contribution of various parameters in the limitations of analog-todigital conversion.

Recently optical frequency combs and low noise RF tones are drawing increased attention due to applications in spectroscopy, metrology, arbitrary waveform generation, optical signal processing etc. This thesis focuses on the generation of low noise RF tones and stabilized optical frequency combs. The optical frequency combs are generated by a semiconductor based external cavity mode-locked laser with a high finesse intracavity etalon. In order to get the lowest noise and broadest bandwidth from the mode-locked laser, it is critical to know the free spectral range (FSR) of the etalon precisely. First the etalon FSR is measured by using the modified Pound-Drever-Hall (PDH) based method and obtained a resolution of 1 part in 106 , which is 2 order of magnitude better than the standard PDH based method. After optimizing the cavity length, RF driving frequency and PDH cavity locking point, the mode-locked laser had an integrated timing jitter of 3 fs (1 Hz- 100 MHz) which is, to the best of our knowledge, the lowest jitter ever reported from a semiconductor based multigigahertz comb source. The modelocked laser produces ~ 100 comb lines with 10 GHz spacing, a linewidth of ~500 Hz and 75 dB optical signal-to-noise ratio. The same system can also be driven as a regeneratively modelocked laser with greatly improved noise performance. Another way of generating a low noise RF tone is using an opto-electronic oscillator which uses an optical cavity as a high Q element. Due to the harmonic nature of OEOs, a mode selection element is necessary. Standard OEOs use an RF filter having drawbacks such as broad pass band, high loss, and high thermal noise. In our work, a novel optoelectronic scheme which uses an optical filter (Fabry-Perot etalon) as the mode filter instead of an RF filter is demonstrated. This method has the advantage of having ultra-narrow filtering bandwidths ( ~ 10 iv kHz for a 10 GHz FSR and 106 finesse) and an extremely low noise RF signal. Experimental demonstration of the proposed method resulted in a 5-10 dB decrease of the OEO noise compared to the conventional OEO setup. Also, by modifying the etalon-based OEO, and using single side band modulation, an optically tunable optoelectronic oscillator is achieved with 10-20 dB lower noise than dual side band modulation. Noise properties of the OEO as a function of optical frequency detuning is also analyzed theoretically and the results are in agreement with experimental results. The thesis concludes with comments on future work and directions.

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