Einzelphotonen-Lawinendioden für integrierbare optische Empfänger

Abstract

Der klassische optische Empfänger besteht aus einer Photodiode in Kombination mit einem Transimpedanzverstärker, realisiert als optoelektronisch integrierte Schaltung (engl. optoelectronic integrated circuit, OEIC). Um die Eigenschaften der optischen Empfänger zu verbessern, wurden in den letzten Jahren vermehrt Lawinenphotodioden (engl. avalanche photodiodes, APDs) eingesetzt. Dabei wird die intrinsische Verstärkung der APD genutzt, um die Empfindlichkeit des Empfängers zu erhöhen. Eine weitere Verbesserung kann dabei durch eine Veränderung des Arbeitspunktes der APD erzielt werden. Betreibt man APDs oberhalb der Durchbruchspannung, im sogenannten Geiger-Modus, ist das Verhältnis von Lichtmenge zur Anzahl der generierten Ladungsträger nicht mehr linear. In diesem Spannungsbereich können bereits sehr kleine Lichtmengen, bis hin zu einzelnen Photonen, eine selbst erhaltende Ladungslawine auslösen, die am Ausgang des Detektors gemessen werden kann. Sie werden daher als Einzelphotonen-Lawinendioden (engl. single photon avalanche diodes, SPADs) bezeichnet. Um eine SPAD über der Durchbruchspannung betreiben zu können, ist eine Schaltung notwendig, die die generierte Ladungslawine nach einem Triggerereignis erfasst und die Spannung an der Diode anschließend unter die Durchbruchspannung reduziert. Die Lawine wird somit gestoppt. Anschließend muss die Spannung an der SPAD wieder erhöht werden. Diese Arbeit befasst sich mit integrierten optischen SPAD-Empfängern in Standard m CMOS Technologie. Im ersten Schritt wird neben dem Design der SPAD auch auf die Realisierung der notwendigen Schaltungen eingegangen (Quenchingschaltung). Dafür wurden in zwei CMOS Prozessen (0.35 m PIN-CMOS und 0.35 m HV-CMOS) sechs unterschiedliche SPAD-Strukturen und drei Quenchingschaltungen vorgestellt. Für jede der vorgestellten SPAD-Strukturen wurde daraufhin ein eigener OEIC realisiert und untersucht. Die parasitären Effekte der SPAD hängen stark von der produzierten Ladungsmenge während des Lawinendurchbruchs ab. Aus den gewonnenen Messdaten konnte eindeutig gezeigt werden, dass durch eine minimale Detektionsschwelle der Quenchingschaltung die Nachfolgepulswahrscheinlichkeit (engl. afterpulsing probability, APP) der SPAD reduziert werden kann. Eine weitere Möglichkeit die APP zu reduzieren ist die Erhöhung der Totzeit. Mit den realisierten Quenchingschaltungen ist es möglich, beide Methoden zu untersuchen. Im nächsten Schritt werden die kompletten SPAD-Empfänger vorgestellt. Jeder der präsentierten Empfänger besteht aus einem Array aus vier SPADs mit einer Quenchingschaltung für jedes einzelne Segment. Insgesamt wurden fünf Empfänger realisiert und deren Bitfehlerrate und Empfindlichkeit untersucht. Mit den vorgestellten SPAD-Empfängern konnte erstmals eine Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber APD-Empfängern erzielt werden und demnach ein wichtiger Grundstein für die Entwickelung neuer, moderner Empfängerkonzepte gelegt werden.

Standard optical receivers consist of a photodetector combined with a transimpedance amplifier. In optoelectronic integrated circuits (OEICs) the photodetector often is realized as photodiode. In order to increase the performance of the overall optical receiver these photodiodes often were designed as avalanche photodiodes (APDs) in the last few years. Driven in the linear mode the APDs offer an intrinsic amplification and therefore increase the sensitivity of the system. Further improvements can be achieved, when the APDs are driven above their breakdown-voltage in the so called Geiger-mode. In this mode, relation between light and generated carriers is not linear any more. Therefore small amounts of light, even single photons, cause a self-sustaining avalanche. Hence the name single photon avalanche diodes (SPADs). The electrical circuits detecting the resulting carrier avalanches are called quenching circuits, and reduce the bias voltage of the SPAD below the breakdown voltage in case of a hit and therefore quench the avalanche, afterwards the bias voltage is increased again for the next detection. This work deals with implementation of optical SPAD-receivers in standard m CMOS technology. The first part is focused on the SPAD design and the quenching circuit. Six different SPAD structures und three different quenching circuits were designed in two CMOS technologies (0.35 m PIN-CMOS and 0.35 m HV-CMOS). For each SPAD a single OEIC was realised and investigated. The parasitic effects of SPADs strongly depend on the amount of charge produced during the avalanche breakdown. Two different methods for decreasing the APP were investigated. On the one hand, the detection threshold of the quenching circuit was minimized and on the other hand, the dead time, i.e. the minimum time between two detections, was increased. The complete SPAD receiver OEICs are presented in the final part. All receivers consist of an array of four SPADs in combination with a quenching circuit for every element. Finally, results of the measured bit error rates und sensitivities for all five receivers are presented. The SPAD receivers exceed sensitivities compared to APD receivers and represent an important step in the evolution of new, modern receiver concepts.