Höchst sensitive PIN und Avalanche Photodioden Empfänger

Optische Sensoren und Empfänger mit sogenannten Einzel-Photonen Lawinendioden (engl. Single-photon avalanche diodes, SPADs), die die kleinsten Einheiten von Licht, die Photonen genannten Lichtquanten, detektieren können, neigen zu falschen Detektionen. Diese falschen Detektionen werden von thermischen Elektronen, Nachpulsen und optischem Übersprechen (benachbarter SPADs) verursacht und führen zu Bit- Fehlern. Um ein Bit-Fehlerverhältnis zu unterschreiten, das eine Korrektur der Fehler ermöglicht, werden deshalb komplizierte, großflächige und viel elektrische Energie benötigende signalaufbereitende Schaltungen notwendig. Des Weiteren sind nach mehr als 10 Jahren extensiver Forschung auf dem Gebiet der SPADs und ihrer Anwendungen deren Potentiale erschöpft. In USPAR wird untersucht, wie wenige Photonen für ein kleines Bit-Fehlerverhältnis ausreichen, d. h. welche Empfindlichkeiten, Datenraten, lichtempfindliche Flächen, Chip-Fläche und elektrische Energie für optische Empfänger möglich bzw. notwendig sind, die auf dem Prinzip der Integration fotogenerierter Ladungen auf kleinen Fotodioden- oder Integrationskapazitäten beruhen wie in weitverbreiteten Bildsensoren. Je kleiner diese Kapazitäten, desto weniger Photonen müssen detektiert werden, um die übertragenen Daten fehlerfrei zu empfangen. Im Projekt wird zudem bestimmt, wie diese Eigenschaften mit reduzierten Strukturgrößen in modernen CMOS-Technologien skalieren. Die Integration von Fotodioden und Verstärkern auf demselben Chip wird essentiell sein, um kleine Kapazitäten des Eingangsknotens zu realisieren. Um diese zu erreichen, werden die Fotodioden und rauscharmen Verstärker im schwierigsten und aufwändigsten Verfahren, dem sogenannten Voll-Kunden Entwurfsstil, entworfen, um alle parasitären Kapazitäten in den integrierten Schaltungen weitmöglichst zu reduzieren. Test-Chips werden als applikationsspezifische integrierte Schaltungen (engl. ASICs) hergestellt, um die innovativen Ansätze mit Messungen bestätigen zu können. PIN-Fotodioden und Lawinenfotodioden in PIN-Fotodioden-CMOS-Technologie sind für ihre kleinen Kapazitäten bekannt. Diese werden mittels dickerer niedrig dotierter epitakischer Schichten weiter reduziert. Hoch verstärkende Schaltungen werden große Integrationseffizienzen auch für größere Fotodiodenkapazitäten und somit weit größere lichtempfindliche Fotodiodenflächen ermöglichen als sie in Bildsensoren Verwendung finden. Die USPAR Empfänger werden viel einfacher in der Praxis angewendet werden können, da sie gegenüber SPAD-Empfängern folgende Vorteile besitzen. Die Quanteneffizienz von PIN-Fotodioden ist größer als die Photonennachweiswahrscheinlichkeit von SPADs und eine kleinere Rückwärtsspannung reicht aus. Die USPAR Empfänger besitzen keine Totzeit; Nachpulse und optisches Übersprechen treten nicht auf. Des Weiteren ist ein weit kleineres Bit-Fehlerverhältnis möglich, so dass Fehlerkorrektur überflüssig ist.

Optische Sensoren und Empfänger mit Einzel-Photonen Lawinendioden (engl. Single-photon avalanche diodes, SPADs), die die kleinsten Einheiten von Licht, die Photonen genannten Lichtquanten, detektieren können, neigen zu falschen Detektionen. Diese falschen Detektionen werden von thermischen Elektronen, Nachpulsen und optischem Übersprechen (benachbarter SPADs) verursacht und führen zu Bit-Fehlern. Um ein Bit-Fehlerverhältnis zu unterschreiten, das eine Korrektur der Fehler ermöglicht, werden deshalb komplizierte, großflächige und viel elektrische Energie benötigende signalaufbereitende Schaltungen notwendig. Des Weiteren sind nach mehr als 10 Jahren extensiver Forschung auf dem Gebiet der SPADs und ihrer Anwendungen deren Potentiale erschöpft. In USPAR wurde untersucht, wie wenige Photonen für ein kleines Bit-Fehlerverhältnis ausreichen, d. h. welche Empfindlichkeiten, Datenraten, lichtempfindliche Flächen, Chip-Fläche und elektrische Energie für optische Empfänger möglich bzw. notwendig sind, die auf dem Prinzip der Integration fotogenerierter Ladungen auf kleinen Fotodioden- oder Integrationskapazitäten beruhen wie in weitverbreiteten Bildsensoren. Je kleiner diese Kapazitäten, desto weniger Photonen müssen detektiert werden, um die übertragenen Daten fehlerfrei zu empfangen. Im Projekt wurde zudem bestimmt, wie diese Eigenschaften mit reduzierten Strukturgrößen in modernen CMOS-Technologien skalieren. Die Integration von Fotodioden und Verstärkern auf demselben Chip ist essentiell, um kleine Kapazitäten des Eingangsknotens zu realisieren. Um diese zu erreichen, werden die Fotodioden und rauscharmen Verstärker im schwierigsten und aufwändigsten Verfahren, dem sogenannten Voll-Kunden Entwurfsstil, entworfen, um alle parasitären Kapazitäten in den integrierten Schaltungen weitmöglichst zu reduzieren. Test-Chips wurden als applikationsspezifische integrierte Schaltungen (engl. ASICs) in 0,35 m, 0,18 m und 55 nm CMOS Technologien hergestellt, um die innovativen Ansätze mit Messungen zu bestätigen. Punkt-PIN-Fotodioden und Lawinenfotodioden in PIN-Fotodioden-CMOS-Technologie mit sehr kleinen Kapazitäten wurden realisiert, wobei dicke niedrig dotierte epitakische Schichten zum Einsatz kamen. Multi-Punkt Fotodioden ermöglichten die Vergrößerung der lichtempfindlichen Fläche. Mit Punkt-PIN-Fotodioden wurde dieselbe Empfindlichkeit erreicht wie mit 4-SPAD Empfängern. Die Datenrate wurde auf 200 Mb/s vervierfacht. Empfänger mit integrierter Punkt-Avalanche-Fotodiode erreichten eine bessere Empfindlichkeit als SPAD-Empfänger und reduzierten den Abstand zum Quantenlimit auf 10 dB. Die USPAR Empfänger sind viel einfacher in der Praxis anzuwenden, da sie gegenüber SPAD-Empfängern folgende Vorteile besitzen. Die Quanteneffizienz von PIN-Fotodioden ist größer als die Photonennachweiswahrscheinlichkeit von SPADs und eine kleinere Betriebsspannung reicht aus. Die USPAR Empfänger besitzen keine Totzeit; Nachpulse und optisches Übersprechen treten nicht auf. Des Weiteren ist ein weit kleineres Bit-Fehlerverhältnis möglich, so dass Fehlerkorrektur überflüssig ist.