Monolithically integrated optical receivers for low-cost data communication and optical storage systems

Abstract

Seit etwa 30 Jahren werden Glasfasern in der optischen Nachrichtentechnik verwendet. Dies wurde erstens durch die Entwicklung schnell modulierbarer Lichtquellen (Leuchtdioden und insbesondere Halbleiter-Laser), und zweitens durch neue Herstellungsverfahren für hochreine Glasfasern ermöglicht. Neben Hochleistungs-Anwendungen mit Datenraten jenseits von 10Gbit/s ist ein Bedarf an kostengünstigen Lösungen auf dem Gebiet der optischen Nachrichtentechnik entstanden. Mögliche Anwendungen gibt es unter anderem im Bereich der Automatisierungstechnik, bei der Datenübertragung in Kraftfahrzeugen, bei Netzwerken mit kleinen räumlichen Abmessungen aber auch auf dem Gebiet der Unterhaltungs-Elektronik.<br />Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von kostengünstigen optischen Empfängern. Die Reduzierung der Kosten wurde in erster Linie durch die Verwendung eines 0.6[mu]m BiCMOS Silizium-Prozesses erreicht. Außerdem wurden die Fotodioden in die Halbleiter-Chips der optischen Empfänger integriert, wodurch die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert wird und die Bestückungskosten sinken. Naturgemäß haben die Eigenschaften der Fotodiode einen großen Einfluß auf die Eigenschaften des optischen Empfängers. Daher wird in Kapitel 2 die Integration von schnellen Fotodioden in den verwendeten 0.6[mu]m BiCMOS Prozess behandelt. Das Kapitel 3 zeigt Beispiele für Empfänger mit Datenraten von 155Mbit/s bis 2.5Gbit/s. Immer häufiger werden optische Polymerfasern verwendet, wobei diese einen großen Kerndurchmesser aufweisen können. Deswegen steigt der Bedarf an Empfängern mit einer großen lichtempfindlichen Fläche.<br />Entwurfsprobleme, welche durch die hohe Kapazität einer großen Fotodiode verursacht werden, können in manchen Fällen durch eine in Kapitel 4 vorgeschlagene Methode der Teilung der Fotodiode vermieden werden. Die ersten kommerziellen Anwendungen für integrierte Schaltungen mit integrierten Fotodioden in großen Stückzahlen waren Empfänger in Leseköpfen von optischen Speichersystemen (zum Beispiel in CD-ROM Laufwerken). Im Kapitel 5 wird eine derartige Schaltung vorgestellt, welche in einem besonders kostengünstigen 0.6[mu]m CMOS Prozess gefertigt werden kann.<br />

Optical fibers are in use for communication systems since about thirty years. This has become possible by both the invention of fast light emitters, namely lightemitting diodes and semiconductor lasers, and the ability to produce glass fibers with a sufficient purity. Beside high-performance multi-gigabit applications there is a growing need for low-cost solutions also. Possible applications of low-cost optical communication systems are industrial automation, data transmission in automobiles, local-area networks or home multimedia equipment.<br />This work deals with the design of low-cost optical receivers. Applying a lowcost 0.6[mu]m silicon BiCMOS process was the main measure to attain low-cost receivers. Secondly, the photodiodes were monolithically integrated into the receiver chips, which minimizes the number of components and therefore reduces the assembly costs. Since the characteristics of the photodiode have a considerable influence on the performance of an optical receiver, the integration of fast photodiodes in the used BiCMOS process is discussed in chapter 2. Examples of optical fiber receivers with data rates ranging from 155Mbit/s to 2.5Gbit/s are presented in chapter 3. Plastic optical fibers with large core diameters are increasingly used in low-cost optical networks. Because of that, there are demands for receivers with a large photo-detection area. To overcome design problems caused by the capacitances of these large photodiodes, an approach to divide the photodiode into several parts is proposed in chapter 4. The first commercial applications for optoelectronic integrated circuits (OEIC) were receivers in optical pickup units of optical storage systems (eg. CD-ROM drives). In chapter 5 such an OEIC, which can be implemented in a cheap 0.6[mu]m CMOS process, is presented.