Die Integration von lichtempfindlichen Bauteilen wie Fotodioden oder Fototransistoren ermöglicht es optische Empfänger und deren Signalverarbeitung auf einem Chip zu realisieren. Solche Systeme können sowohl als Faserempfänger, z.B. Glasfaserempfänger oder Plastic Optical Fiber (POF) Empfänger, als auch als Sensoren, z.B. Abstandsmessung, eingesetzt werden.

Chipfoto einer optoelektronischen integrierten Schaltung

© Horst Zimmermann

Chipfoto OEIC

Chipfoto OEIC

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Integrierter Single Photon Avalanche Detector (SPAD) Empfänger

(Integrated fiber optical receiver reducing the gap to the quantum limit) [SCIENTFIC REP.2017]

Ergebnisse des Experiments mit einem, auf SPADs basierenden, optischen Faserempfänger in einer 0,35μm PIN-Fotodioden CMOS Technologie wurden präsentiert. Um die parasitären Effekte der SPAD auszugleichen wurden vier Empfänger implementiert. Die SPAD besteht aus einer Multiplikations- und einer dicken Absorptionszone um eine hohe Photonendetektionswahrscheinlichkeit (PDP) zu erhalten. Weiters wurden kaskodierte Quencher implementiert um die zu quenchende Spannung auf das doppelte der üblichen Versorgungsspannung zu bringen (z.B. von 3,3V auf 6,6V). Diese Maßnahme ermöglicht es die PDP weiter zu erhöhen. Gemessene Empfindlichkeiten von -55,7dBm bei einer Datenrate von 50 Mbit/s und -51.6dBm bei 100Mbit/s für eine Wellenlänge von 635nm und einer Bit-Fehler Wahrscheinlichkeit von 2x10-3, was ausreichend ist, um eine Fehlerkorrektur durchzuführen, wurden erreicht. Mit diesen Ergebnissen wurde ein weiterer Schritt der direkten optischen Empfänger hinsichtlich Empfindlichkeit in Richtung Quantenlimit getan.

Foto eines 4-fach SPAD Empfängers mit Bonddrähten und eingezeichneten Schaltungsblöcken.

4-SPAD optischer Empfänger

4-SPAD optischer Empfänger

Integration von Fotodioden/Fototransistoren

Integrierte Avalanche Fotodioden in Hochleistungs- CMOS Technologie

("Linear Mode Avalanche Photodiode with 1-GHz Bandwidth Fabricated in 0,35μm CMOS") [PTL 14]

Es wurde eine Avalanche Fotodiode (APD) mit getrennter Absorptions- und Verstärkungszone vorgestellt. Die APD wurde in 0,35μm CMOS Technologie mit einem epitaktischen Wafer hergestellt. Die dicke Detektionszone ermöglicht eine große dynamische Quanteneffektivität und daraus ergibt sich eine hohe dynamische Empfindlichkeit. Die maximale Responsivity bei einer Wellenlänge von 670nm bei 5nW optischer Lichtleistung beträgt 1,8*104 A/W und eine maximale Bandbreite von 1,02GHz wurde bei einer optischen Lichtleistung von 5μW gemessen. Das maximale Responsivity-Bandbreiten-Produkt ist 269,7GHZ*A/W wurde bei einer Bias-Spannung von 35V und einer optischen Eingangsleistung von 5nW erreicht.

(Schematischer) Querschnitt einer SPAD mit n++ Kathode, p-well Multiplikationszone, p-epi Absorptionszone und p-substrat Anode.

Querschnitt APD (nicht skaliert)

Querschnitt APD (nicht skaliert)

Optische Freiraumübertragung

Optische Freiraumkommunikation mit MEMS-Strahlansteuerung

(Optical Wireless Communication With Adaptive Focus and MEMS-Based Beam Steering) [PTL 13]

Ein System zur optischen Freiraumkommunikation für Wellenlängen, die mit Silizium detektierbar sind, wurde beschrieben. Als Transmitter wurde ein direkt modulierter VCSEL verwendet. Das Blickfeld des Laserstrahls wurde durch ein adaptives optisches System geformt und durch einen mikromechanischen Spiegel gesteuert. Als Empfänger wurde ein eigens entwickelter 0,35μm BiCMOS Siliziumchip mit integrierter PIN Fotodiode entwickelt. Der experimentelle Aufbau ermöglicht eine 3Gb/s optische Freiraumübertragung über eine Distanz von 7m bei einer Bitfehlerrate von <10-9 ohne kostenintensive optische Kompetenzen oder kompliziertes Adjustieren.

Mikrofotografie: Optischer Empfänger mit Satellitendioden zur Positionierung des Laserstrahles bei Freiraumkommunikation.

Chipfoto des Empfängers

Chipfoto des Empfängers

Rauscharme Faserempfänger

11 Gb/s monolithisch in Silizium integrierter Optischer Empfänger für 850nm Wellenlänge

("11Gb/s Monolithically Integrated Silicon Optical Receiver for 850nm Wavelength") [IEEE ISSCC06]

Dieser Hochgeschwindigkeitsempfänger erreicht eine maximale Datenrate von mehr als 11Gb/s durch die Verwendung einer vertikalen PIN Fotodiode mit 50μm Durchmesser. Diese hohe Datenrate kann nur durch die Entzerrung des Fotostromes und eine Vorspannung der Fotodiode von 17V erreicht werden. Der Mikrochip ist in einer modifizierten 0,5μm BiCMOS Silizium Technologie hergestellt.

Diagramm Bitfehlerrate über durchschnittlicher optischer Leistung bei Datenraten von 8Gbps bis 11,5Gbps.

© Horst Zimmermann

Bitfehlerhäufigkeit gegenüber durchschnittlicher optischer Leistung

Bitfehlerhäufigkeit gegenüber durchschnittlicher optischer Leistung

Optische Empfänger für Multilevel Datenübertragung

("Optical receiver front-end for multilevel Signaling") [IEEE Electronics Lett. 09]

Es wird ein optischer Empfänger in 0,6μm BiCMOS Technologie vorgestellt, der Signallevel in gleichmäßigen Abständen erhält und gleichzeitig einen konstanten Ausgangsspannungshub für unterschiedliche maximale optische Eingangsleistungen liefert. Die Symbolfehlerrate zeigt für 4-PAM Signale eine bessere Empfindlichkeit, als es mit einem konventionellen optischen Empfänger möglich ist. Nach unserem Kenntnisstand ist dies der erste Bericht über eine vollständige Charakterisierung eines optischen Empfängers, der extra für Multilevel Datenübertragung entworfen wurde.

Augendiagramm eines 4-PAM Empfängers.

© Horst Zimmermann

Augendiagramm eines 4-PAM Signals

Augendiagramm eines 4-PAM Signals

Low-Cost Empfänger

A 2.5Gbps Silicon Receiver OEIC with Large-Diameter Photodiode [IEEE Electronics Lett. 2004]

Ein monolithisch integrierter optoelektronischer Empfänger (OEIC) wurde in einer 0.6μm Silizium-BiCMOS Technologie gefertigt. Dieser besitzt eine PIN-Fotodiode mit einem Durchmesser von 300μm und erreicht bei einer Datenrate von 2,5Gbps und einer Bitfehlerrate von 10-9 eine Empfindlichkeit von -20.1dBm.

Foto eines optischen Empfängers mit einer 300 Mikrometer Durchmesser PIN Fotodiode.

© Horst Zimmermann

Foto des OEICs

Foto des OEICs

Optische Abstandsmessung

Ein 2x32 Sensor Feld für Entfernungsmessung mit im Pixel eingebauter Unterdrückung des Hintergrundlichtes bis zu 120kLux

("A 2x32 Range Finding Sensor Array with Pixel-Inherent Suppression of Ambient Light up to 120kLux" [IEEE ISSCC 09]

Eine neue "Time-of-flight"-Pixel Schaltung, welche Hintergrundlicht bis zu 120kLux - was direkter Sonneneinstrahlung entspricht - handhaben kann ohne jeden optischen Filter oder burst mode Betrieb zur Verbesserung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses, wurde vorgestellt. Die große Herausforderung ist die Unterdrückung des im Vergleich zum Signal riesigen DC-Stroms, der durch das Umgebungslicht entsteht und unter Umständen um Dekaden größer ist als der Strom durch moduliertes Licht. Die offensichtlichste Lösung des Problems, die Subtraktion des DC-Anteils innerhalb einer Integrationsperiode, wird mittels des vorgestellten Brücken-Korrelator Konzepts erreicht.

3D Graph: Messergebnis des Zeilensensors, nur 1 Reihe mit sich bewegendem Objekt. Die gemessene und tatsächliche Distanz in jedem Pixel ist dargestellt.

© Horst Zimmermann

Messergebnis des Zeilensensors (nur 1. Reihe)

Messergebnis des Zeilensensors (nur 1. Reihe)

Foto des Zeilensensors (1280µmx50565µm) und eines einzelnen Pixels (158µmx109µm).

© Horst Zimmermann

Chipfoto des Zeilensensors und eines einzelnen Pixels

Chipfoto des Zeilensensors und eines einzelnen Pixels

Nichtlineare optische Empfänger

130dB DR Transimpedance Amplifier with Monotonic Logarithmic Compression & High-Current Monitor [IEEE ISSCC 08]

Foto des nichtlinearen optischen Empfängers mit eingezeichneten Schaltungsblöcken.

© Horst Zimmermann

Chipfoto des TIAs

Chipfoto des TIAs

Bandbreite

250MHz (2pF @ Eingang)

Eingangsstromrauschen

58nA (2pF @ Eingang)

Eingangsstrom Übersteuerung

200mA

Eingangsstrombereich

130dB

Verbrauch

110mA (from 3.3V)

Chip-Fläche

1.57mm2

Technologie

0.35µm SiGe BiCMOS

Anwendungsbereiche

Optische Sensorik, Optische Freiraumübertragung, etc.