ICs for optical wireless communication

Abstract

Seit Beginn des Informationszeitalters, steigt die Menge der erzeugten und ausgetauschten Daten exponentiell an. Heutzutage werden diese Daten hautsächlich durch ein weltumspannendes Glasfasernetz übertragen. Diese breitbandigen Glasfasersysteme werden mittlerweile nicht nur bis zu Verteilerstationen verlegt, sondern erreichen auch einzelne Gebäude und Büros. Das bezeichnet man als 'Fiber-to-the-home'. Auf Grund dieser Entwicklung, nimmt auch die Datenmenge, die zwischen kabellosen Kommunikationsgeräten (Rechner, Smartphones, usw.) und diversen Zugriffspunkten des dahinterliegenden Kommunikationsnetzes ausgetauscht werden, kontinuierlich zu. Deshalb sind optische, kabellose Kommunikationssysteme eine wertvolle Ergänzung zu den immer mehr überlasteten, drahtlosen lokalen Netzwerken (WLAN). In diese Dissertation wird die Entwicklung, Vermessung und Anwendung von opto-elektronischen integrierten Schaltungen beschrieben. Diese Schaltungen arbeiten als Empfänger von Daten in optischen, kabellosen Kommunikationssystemen innerhalb eines Raumes bzw. Gebäudes. Die entscheidenden Unterschiede zu Empfängern für Glaserfasersystemen sind der größere Durchmesser der Photodiode, sowie die Problematik der zusätzlichen Störungseinflüsse auf Grund von Hintergrundlicht. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung von voll integrierten optischen Empfängern in zwei unterschiedlichen Standardhalbleiterprozessen. Der erste Empfänger wurde in einer 0.35-m BiCMOS Silizium Technologie entwickelt mit dem Ziel einer möglichst hohen Datenrate. Dabei konnten die Vorteile von bipolaren Transistoren gegenüber Feldeffekttransistoren für den Bau von rauscharmen, schnellen Verstärkerschaltungen ausgenützt werden. Der zweite Empfänger wurde in einer 0.35-m CMOS Silizium Technologie für Hochvoltanwendungen entwickelt mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit. Dazu wurde eine Lawinenverstärkungs-Photodiode in den Empfänger integriert. Durch die Verstärkung der Photodiode konnte die Empfindlichkeit um mehr als 13 dB verbessert werden im Vergleich zu einer baugleichen Schaltung mit einer pn-Photodiode. Die volle Integration der Photodiode mit einer Verstärkerschaltung in einem Chip reduziert entscheidend die Kosten der Verbindungs- und Aufbautechnik. Parasitäre Kapazitäten können durch das Wegfallen von zusätzlichen Bondpads minimiert werden und der Einfluss von Induktivitäten verursacht durch Bonddrähte wird gänzlich vermieden. Als zusätzliche Besonderheit besitzen beide Chips ein Sensorsystem welches aus 4 weiteren Photodioden besteht. Die zusätzlichen Photodioden sind um die zentrale Photodiode angeordnet, wobei die zentrale Photodiode der Kommunikation dient. Die Photoströme von jeweils 2 gegenüberliegenden Photodioden bilden die Eingangssignale für einen Differenzverstärker. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers wird als Indikator benutzt, um die Position des Laserspots auf der Photodiodenanordnung zu bestimmen. Damit kann die optimale Positionierung des Laserspots erreicht werden. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Senders, um die Empfänger innerhalb eines realen Kommunikationssystems zu testen. Der Sender verwendet einen VCSEL als Quelle, ein optisches System zur Fokussierung des Laserstrahls sowie einen auslenkbaren Spiegel. Der Spiegel ist auf einem MEMS montiert welcher die Position auf Grund der Elektrostatik verändern kann. Der sich ergebende Laserstrahl wurde mittels einer Kamera vermessen. Die Auslenkung des Laserstrahls konnte mit Hilfe des oben beschriebenen Sensorsystems justiert werden. In mehreren Kommunikationsexperimenten wurden die Empfänger getestet und vermessen. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik konnte die Empfindlichkeit und Geschwindigkeit der Empfänger verbessert werden. Durch die erzielten Verbesserungen des Senders und Empfängers, konnte der Abstand zwischen Sender und Empfänger von ca. 3, 5m auf 19m vergrößert werden und die Datenrate wurde von 1, 25 GBit/s auf 3 GBit/s erhöht.

Since the beginning of the age of information, the amount of transferred data is continuously and exponentially increasing. A global optical communication system based on optical fibers serves for transmitting these data. Nowadays, these broadband optical fiber systems begin do reach our offices and buildings. This is known by the keyword "fiber-to-the-home". Because of this development, the data amount between access points to these backbone networks and wireless communication devices (e.g. laptop, smart phones) is also continuously increasing. Therefore, optical wireless communication systems can complement wireless local area networks which suffer already from a congestion of available frequency bandwidth. This PhD thesis describes the development, the characterization, and the application of opto-electronic integrated circuits working as receivers in optical wireless communication systems for indoor data transmission. The focus is the development of monolithically integrated optical receivers in two different standard silicon semiconductor technologies. The full integration of photodiodes with amplification circuits in one chip reduces the costs for integrated circuit packaging in a crucial way. The parasitic capacitance can be minimized by avoiding bonding pads and the inductive influence of bond wires can be eliminated completely. The main difference of wireless receivers compared to fiber receivers is the diameter of the photodiode as well as the additional noise caused by background lighting. One receiver was fabricated in a 0.35-m silicon BiCMOS technology aiming a high data rate. The available bipolar transistors allowed for high speed amplifiers of low noise. The other receiver was fabricated in a 0.35-m standard silicon high-voltage CMOS technology aiming a high sensitivity. To get high sensitivity, an avalanche photodiode was integrated into a CMOS receiver. Due to the photodiode-s amplification, the sensitivity was improved by more than 13 dB compared to an identical receiver circuit with simple pn-photodiode. As additional specialty, both receivers feature 4 more photodiodes which built a sensor system. These 4 photodiodes were placed around the central photodiode where the central photodiode served for communication. The photocurrent of 2 opposite situated photodiodes fed a differential amplifier. With the output signal of the differential amplifier the position of the laser spot impinging the photodiode array was determined. Consequently, the optimal spot-s position was achieved. A further part of the thesis was the development of a transmitter for testing the receivers in a real communication scenario. A VCSEL built the source of the transmitter followed by an optical system for adjusting the focus of the laser ray. The direction of the laser ray was influenced by a steerable mirror. This mirror was mounted on a MEMS which changed the position by applying electrostatic force. The laser ray was characterized with the help of a camera. The displacement of the laser ray was adjusted with the above mentioned sensor system. In several communication experiments, the receivers were tested and characterized. In comparison to the state-of-the-art, the sensitivity and speed of the receivers were improved. Based on the transmitter concept and the receivers- improvements, the distance between transmitter and receiver was increased from approx. 3.5m to 19m as well as the data rate was enhanced from 1.25 Gbit/s to 3 Gbit/s.