Circuits for optical receivers near the quantum limit

Abstract

Diese Arbeit gibt einen Überblick über die kritischen Schaltungen eines optischen Empfängers nahe dem Quantenlimit, basierend auf der Einzelphotonen-Lawinendiode (engl. single photon avalanche diode, SPAD). Alle präsentierten Schaltungen sind in CMOS-Technologie entworfen, mit dem Ziel Referenzdesigns für zukünftige Entwicklungen zu setzen. Der auf einer vollintegrierten SPAD basierende optische Sensor (SPAD und Quenchingschaltung sind auf demselben Chip) AQRC132 mit einer 40-μm-Durchmesser-SPAD wurde in einer Zero-Change-Standard-0.35-μm-CMOS-Technologie entwickelt und gefertigt. AQRC132 erreicht eine Spitzen Photonendetektionswahrscheinlichkeit (engl. photon detection probability, PDP) von 67.6% bei 13.2 V Überspannung für eine Wellenlänge von 652 nm, eine maximale Zählrate von 116.5 Mcps (engl. counts per second) und eine hohe Quench- und Reset-Abfall/Anstiegsgeschwindigkeit von 13.8 GV/s beziehungsweise 4.9 GV/s. AQRC132 erzielt die höchste je für einen optischen Sensor mit vollintegrierter SPAD veröffentlichte Gütezahl (engl. figure of merit, FoM) von 8.729 m bei einer Wellenlänge von 650 nm und 4.481 m bei einer Wellenläge von 850 nm. Der auf einer vollintegrierten SPAD basierende optische Sensor AQRC99 mit einer 40-μm-Durchmesser-SPAD wurde in derselben Technologie wie AQRC132 entwickelt und gefertigt. AQRC99 erzielt für eine Wellenlänge von 657 nm eine maximale PDP von 53.8% bei 9.9 V Überspannung, eine maximale Zählrate von 127.4 Mcps und eine hohe Quench- und Reset-Abfall/Anstiegsgeschwindigkeit von 15.6 GV/s beziehungsweise 6.3 GV/s. AQRC99 erreicht ein FoM von 4.104 m bei einer Wellenlänge von 650 nm und 2.356 m bei einer Wellenlänge von 850 nm. Des Weiteren präsentiert diese Arbeit den optischen Sensor mit vollintegrierter SPAD AQRC165, optimiert für Standard-0.35-μm-CMOS-Technologie, für welchen eine Spitzen-PDP von 75.6 % bei 16.5 V Überspannung für eine Wellenlänge von 652 nm und eine PDP von 39.2 % für eine Wellenlänge von 854 nm erwartet wird. Aufgrund des neuartigen Designs, welches zu einer reduzierten Nachfolgepulswahrscheinlichkeit (engl. afterpulsing probability, APP) führt, wird von AQRC165 die höchste je erreichte FoM von 10.93 m bei einer Wellenlänge von 650 nm und 5.667 m bei einer Wellenlänge von 850 nm erwartet. Zusätzlich zu AQRC165 präsentiert diese Arbeit einen auf einer vollintegrierten SPAD basierenden optischen Sensor UltiAQRC, optimiert für eine 0.35-μm-Hochvolt-CMOS-Technologie. Der UltiAQRC Sensor hat eine einstellbare Überspannung von 10 V bis 22 V und es wird eine Spitzen-PDP von 90.1% (Sättigungs-PDP) bei 17.9 V Überspannung und einer Wellenlänge von 650 nm erwartet. UltiAQRC ist der erste je veröffentlichte Sensor der eine Sättigungs-PDP erreichen kann. Der auf einer vollintegrierten SPAD basierende Sensor TVQC mit einer 90-μm-Durchmesser-SPAD wurde in einer 0.35-μm-Hochvolt-CMOS-Technologie entwickelt und gefertigt. TVQC erreicht eine Spitzen-PDP von 68.8% bei 9.9 V Überspannung für eine Wellenlänge von 642 nm. Für TVQC wird zum ersten Mal für einen optischen Sensor mit vollintegrierter SPAD eine PDP von 40.2% bei 850 nm veröffentlicht. FastAQRC wurde in derselben Technologie wie TVQC entwickelt und gefertigt. FastAQRC erreicht die höchste je experimentell verifizierte maximale Zählrate von 227 Mcps, genauso wie die kürzeste Quenchzeit von 0.54 ns bei einer Überspannung von 3.3 V. Die Vierfach-Quenching/Reset-Schaltung (Q2RC) wurde in einer Standard 0.15-μm-Technologie entwickelt und gefertigt. Q2RC wurde entwickelt um eine externe SPAD mit hoher parasitärer Kapazität (bis zu 4 pF) mit einer Überspannung von 7.2 V zu treiben und erreicht eine Quench- und Reset-Abfall/Anstiegsgeschwindigkeit von 4.96 GV/s beziehungsweise 3.5 GV/s. Die Schaltungseigenschaften wurden mit einer 90-μm-Durchmesser-SPAD in 0.35-μm-CMOS getestet, wobei das Gesamtsystem eine Spitzen-PDP von 43.7% bei 642 nm und ein FoM von 1.875 m bei einer Wellenlänge von 650 nm, beziehungsweise 1.278 m bei einer Wellenlänge von 850 nm erreicht. Q2RC verfügt über einen neuartigen Quench/Reset-Schalter welcher es ermöglicht Systeme in Niedervolt-CMOS-Technologien umzusetzen. Diese Arbeit enthält einen SPAD-Datenempfänger basierend auf einem analogen Ladungsaddierer („analoge Prozessierung“), entwickelt in einer 0.35-μm-HV-CMOS-Technologie. Zwei Versionen von SPAD-Empfängern werden präsentiert, wobei der erste Empfänger mit einem 4-SPAD-Array und der zweite Empfänger mit einem 9-SPAD-Array integriert ist. Post-Layout-Simulationen zeigen, dass der Empfänger eine maximale Datenrate von 133.33 Mbit/s mit einem 4-Kanal-Ladungsaddierer und 100 Mbit/s mit einem 9-Kanal-Ladungsaddierer erreicht. In dieser Arbeit wird auch ein neuartiger schneller Differenzierer gepaart mit Q2RC, entwickelt in einer 0.15-μm-CMOS-Technologie, präsentiert. Dieser Differenzierer ermöglicht die Messung der Lawinenstromanstiegsgeschwindigkeit und der ungefähren Ladungsmenge, die während einer Lawine in einer bestimmten Zeit fließt. Idealerweise kann dieser Differenzierer dazu benutzt werden, die Photonenanzahl zu bestimmen, welche die SPAD zur selben Zeit trafen.Die Ergebnisse der optischen SPAD-Sensoren in dieser Arbeit können auch mit kundenspezifischen Lösungen und kommerziellen Lösungen, welche in teureren Technologien gefertigt wurden, konkurrieren. Die veröffentlichten Schaltungen und Ergebnisse in dieser Arbeit stellen einen neuen Meilenstein dar, wie optische SPAD-Sensoren in Zero-Change-Standard-CMOS-Technologien umgesetzt werden sollten.

This thesis presents a development of the crucial circuits for the optical receivers near the quantum limit based on the single-photon avalanche diode (SPAD). All presented circuits are designed in CMOS technology with the aim to set reference designs for future developments. The fully-integrated SPAD-based optical sensor (SPAD and quenching circuit are on the same chip) AQRC132 with a 40-μm diameter SPAD was designed and fabricated in zero-change standard 0.35-μm CMOS technology. AQRC132 achieves a peak photon-detection probability (PDP) of 67.6% at 13.2 V excess bias voltage for a wavelength of 652 nm, a maximum count rate of 116.5 Mcps, and a high quenching and resetting slew rate of 13.8 GV/s and 4.9 GV/s, respectively. AQRC132 reports the highest ever reported figure of merit (FoM) for a fully-integrated SPAD-based optical sensor of 8.729 m at a wavelength of 650 nm and 4.481 m at a wavelength of 850 nm. The fully-integrated SPAD-based optical sensor AQRC99 with a 40 μm diameter SPAD was designed and fabricated in the same technology as AQRC132. AQRC99 achieves a peak PDP of 53.8% at 9.9 V excess bias voltage for a wavelength of 657 nm, a maximum count rate of 127.4 Mcps, and a high quenching and resetting slew rate of 15.6 GV/s and 6.3 GV/s, respectively. AQRC99 reports a FoM of 4.104 m at a wavelength of 650 nm and 2.357 m at a wavelength of 850 nm. Also, this thesis presents the fully-integrated SPAD-based optical sensor AQRC165 optimized for standard 0.35-μm CMOS technology, which is estimated to achieve a PDP of 75.6% at 16.5 V excess bias voltage for a wavelength of 652 nm, and a PDP of 39.2% for a wavelength of 854 nm. Due to the novel design, which leads to a reduced after-pulsing probability (APP), AQRC165 is estimated to achieve the highest ever reported FoM of 10.93 m at a wavelength of 650 nm and 5.667 m at a wavelength of 850 nm. Additionally to AQRC165, this thesis presents the fully-integrated SPAD-based optical sensor UltiAQRC optimized for 0.35-μm high-voltage (HV) CMOS technology. The UltiAQRC has a tunable excess bias voltage from 10 V up to 22 V, and it is estimated that this circuit can achieve a peak PDP of 90.1% (saturation PDP) at 17.9 V excess bias voltage for a wavelength of 650 nm. The UltiAQRC is the first-ever reported circuit that can achieve a saturation PDP. The fully-integrated SPAD-based optical sensor TVQC with a 90-μm diameter SPAD was designed and fabricated in 0.35-μm HV CMOS technology. TVQC achieves a peak PDP of 68.8% at 9.9 V excess bias voltage for a wavelength of 642 nm. TVQC achieves the highest ever reported average PDP (over the wavelength range from 400 nm to 900 nm) for a fully-integrated SPAD optical sensors of 53.2% and a PDP of 40.2 % at 850 nm. FastAQRC was designed and fabricated in the same technology as TVQC. FastAQRC reports the highest ever, experimentally verified, maximum count rate of 227 Mcps, as well The fully-integrated SPAD-based optical sensor TVQC with a 90-μm diameter SPADwas designed and fabricated in 0.35-μm HV CMOS technology. TVQC achieves a peak PDP of 68.8% at 9.9 V excess bias voltage for a wavelength of 642 nm. TVQC achieves the highest ever reported average PDP (over the wavelength range from 400 nm to 900 nm) for a fully-integrated SPAD optical sensors of 53.2% and a PDP of 40.2 % at 850 nm. FastAQRC was designed and fabricated in the same technology as TVQC. FastAQRC reports the highest ever, experimentally verified, maximum count rate of 227 Mcps, as well as the shortest quenching time of 0.54 ns at an excess bias of 3.3 V.The quadruple quenching/resetting circuit (Q2RC) was designed and fabricated in standard 0.15-μm CMOS technology. Q2RC was designed to drive external SPADs with high parasitic capacitances (up to 4 pF) and up to 7.2 V excess bias voltage, while achieving a 4.96 GV/s quenching and a 3.5 GV/s resetting slew-rate. Circuit’s performances were tested with a 90-μm diameter SPAD in 0.35-μm CMOS, where the overall system achieves a peak PDP of 43.7% at 642 nm, and a FoM of 1.875 m at a wavelength of 650 nm and 1.278 m at a wavelength of 850 nm. Q2RC implements a novel type of quenching/resetting switch suitable for scaling solutions in low-voltage CMOS technologies. This thesis contains a SPAD data receiver based on a charge adder circuit (corresponding to “analog processing”) designed in 0.35-μm HV CMOS technology. Two versions of the SPAD receiver are presented, where the first receiver is integrated with a 4-SPADs array, while the second receiver is integrated with a 9-SPADs array. Post-layout simulations show that receivers achieve a maximum data rate of 133.33 Mbit/s when a 4-channel charge adder circuit is used and 100 Mbit/s when a 9-channel charge adder circuit is used. A novel fast differentiator circuit designed in 0.15-μm CMOS technology and paired with Q2RC is presented in the thesis. The differentiator circuit is suitable for finding an avalanche current slope in the SPAD and the approximate quantity of developed charge at a specific time during the avalanche. Ideally, the differentiator circuit can be used to distinguish between the number of photons that hit the SPAD at the same time.Performances of the reported SPAD optical sensors in this thesis also compete with custom solutions, and cased commercial solutions, which are fabricated in custom, more expensive technologies. Reported circuits and results in this thesis present a new stepping stone on how SPAD optical sensors should be done in zero-change standard CMOS technology.