SPAD-basierte faser-optische CMOS Empfänger

Herkömmliche, analoge optische CMOS Empfänger benötigen aufgrund des thermischen Rauschens eine relativ hohe optische Eingangsleistung. Diese entspricht bei 1Gbit/s oft über 10.000 Photonen pro Bit während die Photonenstatistik die physikalische Grenze von im Mittel lediglich einigen zehn Photonen setzt. Ihre elektrische Leistungsaufnahme ist groß und sie belegen eine große Chip-Fläche. In rein elektronisch integrierten Schaltungen wurden hingegen bereits viele analoge Schaltungsblöcke durch digitale Signalverarbeitung ersetzt. In optoelektronisch integrierten ICs ermöglichen es Single-Photon Avalanche Dioden (SPADs) aufgrund ihrer sehr hohen Verstärkung, digitale optische Empfänger zu realisieren. Es ist jedoch nicht so, dass jedes Photon von diesen SPADs detektiert wird so wie man es wegen des Namens erwarten könnte. Vielmehr besitzen die bisher in CMOS integrierten P+/N-Wannen SPADs eine dünne Absorptions- und Multiplikationszone und erreichen daher nur eine Photonendetektionswahrscheinlichkeit (PDW) von teilweise unter 25% (vor allem für rotes und nah-infrarotes Licht), d. h. es sind im Durchschnitt 4 Photonen notwendig, damit eines eine riesige Lawinenentladung erzeugt, die eine digitale Schaltung triggern kann. Hier setzt das Projekt an, das innovative SPADs für Datenraten von bis zu 1Gbit/s untersucht, deren PDW bis zu 90% erreichen soll. Diese SPADs, die das Prinzip diskreter Avalanche Fotodioden mit dicker Absorptionszone und separater Multiplikationszone nutzen, können erstmals zusammen mit Schaltungen in Hochvolt-CMOS Technologien integriert werden. Diese neuartigen SPADs besitzen ferner eine wesentlich kleinere Kapazität und werden damit die Avalanche Ladung und das Afterpulsing erheblich reduzieren. Um brauchbare digitale optische Empfänger erhalten zu können, müssen die SPADs auf ihre Dunkelzählraten, Afterpulsing und optisches Übersprechen untersucht und Empfangsfehler durch die Verwendung mehrerer SPADs im Empfänger ausgeschlossen werden. Die nötige Anzahl der SPADs und das erreichbare Bitfehlerverhältnis als Funktion der optischen Eingangsleistung werden im Projekt untersucht. Ferner werden verbesserte Trigger-Schaltungen mit erheblich reduzierter Trigger-Schwelle und schnelle Quenching Schaltungen untersucht ebenfalls mit dem Ziel, die Avalanche Ladung und das Afterpulsing zu minimieren. Zudem werden hochfrequente Gating-Schaltungen getestet, um höhere Datenraten von bis zu 1Gbit/s zu erzielen. Ein umfassendes Modell für die SPADs und ihr Bitfehlerverhältnis wird erstellt. Testdetektoren und -empfängerschaltungen werden im Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Verfahren hergestellt, um die innovativen Ansätze digitaler SPAD optischer Empfänger experimentell zu verifizieren. Billige hochdatenratige LEDs mit großem Extinktionsverhältnis werden es ermöglichen, die für den fehlerarmen Empfang notwendige Eingangsleistung gegenüber analogen optischen Empfängern um mehr als einen Faktor von 100 zu reduzieren. Zusammenfassend werden innovative SPADs und neuartige, kleinflächige und stromsparende digitale SPAD-Empfängerschaltungen untersucht, um die Realisierbarkeit einer neuen Generation robuster optischer Empfänger und Sensoren mit erheblich verbesserter Empfindlichkeit zu verifizieren.

Herkömmliche, analoge optische CMOS Empfänger benötigen aufgrund des thermischen Rauschens eine relativ hohe optische Eingangsleistung, um das übliche Bitfehlerverhältnis unter 10^-9 zu reduzieren. Diese entspricht bei 100Mbit/s oft über 20.000 Photonen pro Bit - während die Photonenstatistik die physikalische Grenze von im Mittel wenigen 10 Photonen setzt. Ihre elektrische Leistungsaufnahme ist groß und sie belegen eine große Chip-Fläche. In rein elektronisch integrierten Schaltungen wurden hingegen bereits viele analoge Schaltungsblöcke durch digitale Signalverarbeitung ersetzt. In optoelektronisch integrierten ICs ermöglichen es Single-Photon Avalanche Dioden (SPADs) aufgrund ihrer sehr hohen Verstärkung, eine Art digitale optische Empfänger zu realisieren. Es ist jedoch nicht so, dass jedes Photon von SPADs detektiert wird - so wie man es wegen des Namens erwarten könnte. Vielmehr besitzen die bisher in CMOS integrierten P+/N-Wannen SPADs eine dünne Absorptions- und Multiplikationszone und erreichen daher nur eine Photonendetektionswahrscheinlichkeit (PDW) von teilweise unter 25% (vor allem für rotes und nah-infrarotes Licht), d. h. es sind im Durchschnitt 4 Photonen notwendig, damit eines eine riesige Lawinenentladung erzeugt, die eine digitale Schaltung triggern kann. Hier setzte das Projekt an, das innovative SPADs untersuchte, deren PDW bis zu 90% erreichen kann. Diese SPADs, die das Prinzip diskreter Avalanche Fotodioden mit dicker Absorptionszone und separater Multiplikationszone nutzen, können erstmals zusammen mit Schaltungen in CMOS Technologien integriert werden. Diese neuartigen SPADs besitzen ferner eine wesentlich kleinere Kapazität und reduzieren damit die Avalanche Ladung und das Afterpulsing erheblich. Um brauchbare digitale optische Empfänger zu erhalten, mussten die SPADs auf ihre Dunkelzählraten, Afterpulsing und optisches Übersprechen untersucht und Empfangsfehler durch die Verwendung mehrerer SPADs im Empfänger ausgeschlossen werden. Es müssen genügend viele SPADs sein, so dass diese parasitären Effekte nicht in allen SPADs gleichzeitig innerhalb eines Bits auftreten. Ein Lichtsignal muss hingegen in jeder SPAD eine Detektion auslösen. Die nötige Anzahl der SPADs und das erreichbare Bitfehlerverhältnis als Funktion der optischen Eingangsleistung wurde im Projekt untersucht. Ferner wurden verbesserte Trigger-Schaltungen mit erheblich reduzierter Trigger-Schwelle und schnelle Quenching Schaltungen untersucht - ebenfalls mit dem Ziel, die Avalanche Ladung und das Afterpulsing zu minimieren. Es wurden SPAD-Empfänger für Datenraten von bis zu 200Mbit/s realisiert. Ein Modell für die PDW und für das Bitfehlerverhältnis wurde erstellt. Testdetektoren und -empfängerschaltungen wurden im Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Verfahren hergestellt, um die innovativen Ansätze digitaler optischer Empfänger experimentell zu verifizieren. Die für den fehlerfreien Empfang notwendige Eingangsleistung von SPAD-Empfängern gegenüber den für optische Empfänger mit Avalanche Photodioden im linearen Modus geltenden Abstand von ca. 20dB zum Quantenlimit wurde auf einen Abstand von 8dB reduziert. Zusammenfassend wurden innovative SPADs und neuartige, kleinflächige, stromsparende digitale Empfängerschaltungen untersucht, um die Realisierbarkeit einer neuen Generation robuster optischer Empfänger und Sensoren mit erheblich verbesserter Empfindlichkeit zu verifizieren.