Interferometrische Abstandsmessung mit APDs und SPADs

Herkömmliche analoge optische CMOS Sensoren benötigen aufgrund thermischen Rauschens oft mehr als 400.000 Photonen für eine Abstandsmessung während das Projekt auf die Verwendung von nur einigen zehn Photonen (im Mittel) abzielt. Die elektrische Verlustleistung analoger Sensoren ist gewöhnlich hoch und sie belegen eine große Chipfläche. In rein elektronischen integrierten Schaltungen (ICs) wurden bereits viele analoge Schaltungsblöcke durch digitale Signalverarbeitung ersetzt. Dieses Projekt wird erstmals zeigen, dass integrierte Avalanche Photodioden (APDs) und Single-Photon Avalanche Dioden (SPADs) mit ihrer hohen bzw. sehr hohen Verstärkung die Realisierung digitaler optischer Sensoren als optoelektronisch integrierte ICs ermöglichen, die um Größenordnungen weniger Photonen für die Abstandsmessung benötigen. Eine solche Art ICs mit großen Pixel Matrizen ermöglicht hochauflösende 3D Sensoren. Der Messbereich von Time-of-Flight (ToF) integrierten optischen Abstandssensoren mit PIN Photodioden ist aufgrund elektronischen Rauschens auf einige Meter begrenzt. Integrierte APDs und SPADs werden den Messbereich erheblich ausweiten. Die Verwendung von APDs und SPADs alleine wird jedoch den Messfehler von ToF Sensoren, der in der Größenordnung Zentimeter liegt, aufgrund der sehr hohen Lichtgeschwindigkeit nicht nennenswert verbessern können. Deshalb werden als zweiter Schwerpunkt im Projekt erstmals interferometrische Messprinzipien zusammen mit integrierten APD und SPAD Sensoren angewandt. Der Messfehler interferometrischer Techniken kann im Prinzip in den Sub-Wellenlängenbereich reduziert werden und das Projekt wird untersuchen wie nahe APD und SPAD Sensoren mit ausgeklügelten Sensorschaltungen und Signalverarbeitungsmethoden an diesen Bereich herankommen bzw. in diesen vordringen können. Ferner wird es ein variabler Referenzarm im Interferometer ermöglichen, den einige Meter weiten Messbereich in Entfernungen von einigen Metern oder sogar von mehr als 10 Metern zu positionieren. Zwei unterschiedliche interferometrische Ansätze werden verfolgt: (i) Verwendung eines Frequenzkammes, der von einem verbesserten Frequency-shifted-feedback (FSF) Faser-Laser erzeugt wird, und (ii) Variation der Wellenlänge einer Laser-Diode mittels Änderung des Injektionsstromes. Mittels spezieller stufenförmiger Anhebung der Wellenlänge mit der Zeit wird die Frequenz des Ausgangssignales des Interferometers ohne Frequenzzähler bestimmt, die proportional zum Messabstand ist (Differenz von Objekt- und Referenzarm). Für SPADs mit einer bereits dicken Absorptionszone und hoher Photonennachweiswahrscheinlichkeit (PDP), werden schnelle aktive Quencher-Schaltungen eingeführt, die ihre Überspannung verdreifachen und hiermit ihre PDP auf über 60% erhöhen. Testdetektoren und Sensorschaltungen wie Korrelatoren und Photonenzähler werden als Applikations Spezifische Integrierte Schaltungen (ASICs) hergestellt, um die innovativen auf digitale SPAD Abstandssensoren abzielenden Ansätze zu untersuchen. Zusammenfassend werden neuartige kleinflächige, stromsparende digitale Sensoren untersucht, um eine neue Generation robuster optischer Abstandssensoren mit erheblich verbesserter Empfindlichkeit und Messgenauigkeit zu verifizieren.