Empfängerschaltungen für die hochbitratige optoelektronische Datenübertragung
Final Report Abstract
In der einjährigen Fortsetzungsphase des DFG-Projektes wurden zwei Schwerpunkte gesetzt: - das Redesign verschiedener Konzepte für Transimpedanz- und Begrenzerverstärker und die Anpassung an die CMOS-Photodioden. - die Weiterentwicklung der CMOS-Photodioden bezüglich der Bandbreite und deren Integration in den Empfängerchip. Darüber hinaus wurde an der Entwicklung von Komponenten für Entzerrer-Schaltungen in CMOS für die Datenrückgewinnung in der Empfängerschaltung gearbeitet. Ein wesentliches Ergebnis ist die Realisierung eines voll integrierten optischen Empfängers inklusive Photodiode in einem kommerziell nutzbaren CMOS-Prozess der Firma STMicroelectronics mit einer minimalen Gateweite von 0,18 um. Es wurde eine differenzielle Photodiode integriert, die aus beleuchteten und abgeschatteten Bereichen besteht. Durch diese Anordnung heben sich die langsamen Diffusionsanteile des Photostroms in den beiden Teilbereichen gerade auf und nur die schnellen Anteile werden weiter verstärkt. Der Transimpedanzverstärker besteht aus zwei Stufen. In den Rückkoppelpfaden liegen kleine Kapazitäten von 15fF, um Überschwingen zu vermeiden. Die gesamte wirksame Transimpedanz beträgt 2,7 kn. Zusammen mit der Kapazität der Photodiode ergibt die Rückkopplung der Eingangsstufe eine analoge Bandbreite von 1,8 GHz. Durch die Anpassung der Verstärkerstufen auf die im ersten Teil des Projektes entwickelte differenzielle Photodiode konnte eine quasi fehlerfreie Datenübertragung bei 2 Gbit/s und 850 nm Wellenlänge mit -6 dBm optischer Eingangsleistung erzielt werden. Gegenüber der bisher veröffentlichten maximalen Bandbreite für räumlich modulierte Photodioden von 700 Mbit/s [20] wird also ein deutlich größerer Wert erreicht. Da in dem voll integrierten optischen Empfänger im Moment noch die Photodiode die maximale Datenrate begrenzt, sollten die differenziellen Strukturen weiter optimiert werden. Arbeiten zu mäanderförmigen Fingerstrukturen sind bereits während des laufenden Projekts begonnen worden. Durch die geänderte Geometrie sollen die elektrischen Feldverläufe und damit die Ausräumung der optisch generierten Ladungsträgerpaare verbessert werden. Dann könnten in der bestehenden 0,18 um Technologie voll integrierte optische Empfänger gebaut werden, deren Datenrate nur durch die nachfolgenden Verstärkerschaltungen begrenzt ist. Diese liegt in der 0,18 um Technologie bei etwa 10 Gbit/s. Die Abschattung eines Teilbereichs der aktiven Fläche der differenziellen Dioden muss ebenfalls optimiert werden, um eine höhere Photoempfindlichkeit der Dioden zu erhalten. Im Moment nimmt der abgeschattete Teil die Hälfte der Gesamtfläche ein. Untersuchungen sollen zeigen, ob bereist kleinere abgeschattete Bereiche ein ausreichend hohes Signal des langsamen Stromanteils erzeugen können, um letztendlich durch Differenzbildung die schnellen Nutzsignale zu extrahieren. Die Topologie und Dimensionierung der Photodioden muss an die jeweilig verfügbare Technologie angepasst werden. Insbesondere bei noch kleineren Strukturgrößen bis hinunter zu 60 nm werden die Diffusionsgebiete so dünn, dass ein Großteil des Lichtes erst tief im Substrat absorbiert wird. Künftige Arbeiten müssen sich also mit der ständigen Anpassung der Dioden und auch der nachfolgenden Verstärkerstufen an neue Technologien beschäftigen. Weitere Arbeiten können auch in Richtung Produktentwicklung des Empfängers zielen. Dazu müssen die ICs an den Ausgängen digitale Signale liefern, die zu gängigen Logikfamilien kompatibel sind (TTL, LVDS, PECL, ...) und gewisse Spezifikationen erfüllen, wie sie z.B. im optischen Datennetz im Automobilbereich gefordert werden. Ein Beispiel für eine bereits kommerziell verfügbare Anwendung ist ein Chipsatz von Maxim, der Sendetreiber (MAX 3905 VCSEL-Treiber) und Empfänger MAX 3901 (5V, 50 MBit/s, TTL) bzw. MAX 3902 (3,3V, 150 MBit/s, Differenz! eile LVDS- oder P EG L-Ausgänge) beinhaltet. Sie sind allerdings in einem Silizium Bipolar-Prozess gefertigt (CB30HM), die Photodiode ist nicht mit integriert und die Datenrate beträgt maximal 150 MBit/s. Hier könnten die CMOS-Empfänger eine preiswertere Alternative bilden und bereits jetzt bei weitaus höheren Datenraten nutzbar sein. Da auch VCSEL-Treiber bereits in CMOS realisiert wurden [4][19], ist die Entwicklung eines Sende-/Empfangs-Chipsatzes denkbar. Bei weiterer Steigerung der Datenraten ist auch die Integration von Entzerrern auf der Empfangsseite oder Vorverzerrern auf der Sendeseite sinnvoll, da die Daten im Automobil typischerweise über Multimodefaser laufen und die Modendispersion beachtet werden muss. Weitere Anwendungen sind im Bereich der Sensorik mit Detektorarrays und on-chip- Datenaufbereitung zu sehen. Hierzu müssen die entwickelten Einzeldetektoren zu Arrays gruppiert werden und entsprechende Ansteuer- und Auslesekonzepte implementiert werden. Auch die Integration von komplexen Auswerteschaltungen muss mit einbezogen werden.
Publications
- 2-Gb/s CMOS optical integrated receiver with a spatially Modulated photodetector, Jutzi, M.; Grozing, M.; Gaugler, E.; Mazioschek, W.; Berroth, M.; IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 17, No. 6, June 2005, pp. 1268 - 1270.
- Low-noise amplifier in 0.12 urn standard CMOS technology for K-band, Basaran, U.; Tao, R.; Wu, L; Berroth, M.; Electronics Letters, Vol. 41, No. 10, May 12, 2005, pp. 31-32.
