Bipolare Glasfaserempfänger mit SPADs

Herkömmliche analoge optische Empfänger mit PIN oder Lawinenfotodioden benötigen aufgrund thermischen und Schrot-Rauschens sowie Zusatzrauschens (wenn eine Lawinenfotodiode verwendet wird) eine relativ hohe optische Eingangsleistung weit mehr als 1000 Photonen pro Bit entsprechend. Die Photonenstatistik setzt jedoch eine physikalische Grenze (Quantenlimit) von nur ca. 20 Photonen (im Mittel). Es wurde vor Kurzem mit CMOS Technologien gezeigt, dass Empfänger mit Einzelphotonen- Lawinenfotodioden (SPADs), die Lawinenmultiplikationsfaktoren von über einer Million erreichen, das elektronische Rauschen und das Zusatzrauschen eliminieren können. Der Abstand zum Quanten Limit wurde auf 12.7dB reduziert jedoch bei nur 20Mbit/s. Bei 100Mbit/s vergrößerte sich der Abstand zum Quanten Limit auf 21dB. Ein weiteres Ergebnis war, dass das sogenannte Afterpulsing integrierter SPADs der wichtigste begrenzende Faktor für die Annäherung an das Quanten Limit und für das Erreichen höherer Datenraten ist. Dieses Projekt wird deshalb Wege zur Reduzierung des Afterpulsing von integrierten SPADs untersuchen: Verwendung schneller bipolareraktiver Quencher- und Gaterschaltungen sowie diskreter SPADs, die mit saubereren und optimiertenProzessen hergestellt werden (Die integrierten Silicium Technologien sind bzgl. Transistor- und Schaltungseigenschaften optimiert). Bipolare Transistoren ermöglichen viel schnellere und höher verstärkende Komparatoren für die Quencher-Schaltungen und Gater für höhere Datenraten als CMOS Schaltungen. Außerdem matchen Bipolartransistoren viel besser als MOS Transistoren und ermöglichen deshalb kleinere Offset Spannungen und folglich eine niedrigere Detektionsschwelle für das Lawinenereignis als MOS Komparatoren, wodurch die Ladung in der Lawine und das Afterpulsing reduziert wird. Es ist beabsichtigt, die Datenrate gegenüber CMOS Empfängern um einen Faktor von 4 bis 10 zu erhöhen. Desweiteren soll bei 100Mbit/s der Abstand zum Quantenlimit um einen Faktor 10 reduziert werden. Ferner werden erstmals Empfänger mit diskreten InGaAs SPADs für die Telekom Wellenlängen 1,3 und 1,54m untersucht. Alle SPAD Empfänger werden mittels Bestimmung der Bitfehlerraten in Datenübertragungsexperimenten mit Glasfasern verifiziert. Zusätzlich wird erstmals ein Model für die Bitfehlerrate von gatenden SPAD Empfängern erstellt. Bipolare Empfängerschaltungen werden entworfen und als applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) hergestellt, um die innovativen Ansätze für SPAD Empfänger experimentell zu verifizieren. Zusammen mit billigen hochdatenratigen Mikro-LEDs ermöglichen es die digitalen SPAD Empfänger, die optische Eingangsleistung gegenüber analogen optischen Empfängern um mehr als einen Faktor 100 zu reduzieren. Zusammenfassend werden innovative bipolare SPAD Empfänger untersucht, um eine neue Generation robuster optischer Empfänger und Sensoren mit erheblich verbesserter Datenrate und Empfindlichkeit experimentell zu verifizieren.

Auf Transimpedanzverstärkern basierende analoge optische Empfänger benötigen aufgrund des thermischen Rauschens eine relativ hohe optische Eingangsleistung, um das Bitfehlerverhältnis unter 10^-3 zu reduzieren. Meist sind über 10.000 Photonen in einem Bit - während die Photonenstatistik die physikalische Grenze von 7 Photonen setzt. In der modernen Elektronik wurden hingegen bereits viele analoge Schaltungsblöcke durch digitale Signalverarbeitung ersetzt. Single-Photon Avalanche Dioden (SPADs) erlauben es, in optoelektronisch integrierten ICs mit ihrer sehr hohen Verstärkung, eine Art digitale optische Empfänger zu realisieren. SPADs besitzen jedoch parasitäre Eigenschaften: thermische Generation von Ladungsträgern führt zu einer Dunkelzählrate, Wechselwirkung mit Störstellen bewirkt sogenanntes Afterpulsing und es kommt zu optischem Übersprechen. Diese führen mit nur einer SPAD und einem Photon pro Bit zu einem viel zu hohen Bitfehlerverhältnis. Es sind einige detektierte Photonen pro Bit notwendig, um das Bitfehlerverhältnis ausreichend zu reduzieren. Das Afterpulsing integrierter SPADs ist der wichtigste begrenzende Faktor für die Annäherung an das Quantenlimit und für das Erreichen höherer Datenraten. Dieses Projekt untersuchte deshalb Wege zur Reduzierung des Afterpulsing von integrierten SPADs: Verwendung schneller bipolarer aktiver Quencher- und Gater-Schaltungen. Bipolare Transistoren ermöglichen viel schnellere und höher verstärkende Komparatoren für die Quencher-Schaltungen und Gater für höhere Datenraten als CMOS Schaltungen. Außerdem matchen Bipolartransistoren viel besser als MOS Transistoren und ermöglichen deshalb kleinere Offset Spannungen und folglich eine niedrigere Detektionsschwelle für das Lawinenereignis als MOS Komparatoren, wodurch die Ladung in der Lawine und das Afterpulsing reduziert wird. Für den Ausschluss des optischen Übersprechens wurden 4 separate bipolare SPAD Empfänger-Chips unter der Verwendung von optischen Splittern untersucht. Es wurden Empfänger mit 169 SPADs und aktiven Quenchern mit Bipolartransistoren entworfen für den Einsatz mit diffraktiven optischen Elementen, um die Datenrate gegenüber CMOS Empfängern zu erhöhen. Quencher wurden charakterisiert und ein SPAD Empfänger wurde mittels Bestimmung der Bitfehlerraten in Datenübertragungsexperimenten mit Glasfasern verifiziert. Zusätzlich wurde erstmals ein Model für die Bitfehlerrate von gatenden SPAD Empfängern erstellt. Es zeigte sich, dass aufgrund höherer elektrischer Verlustleistung nicht alle MOS-Transistoren in SPAD Empfängern durch Bipolartransistoren ersetzt werden können. Bipolare Empfängerschaltungen wurden entworfen und als applikationsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) hergestellt. Zusammenfassend wurden innovative bipolare SPAD Empfänger untersucht, um eine neue Generation robuster optischer Empfänger und Sensoren mit erheblich verbesserter Datenrate und Empfindlichkeit experimentell zu verifizieren.