12
Примеры оптико-электронных Интегральных схем
В этой главе полное разнообразие приемник OEICs в цифровых и аналоговых технологий ¬ методик будет введена. Примеры оптического диапазона приемников от маломощных синхронных цифровых схем для массивно параллельных оптических межсоединений и трехмерной оптической памяти, чтобы Гбит / с приемниками волокна. Низкое смещение аналогового OEICs для двумерных оптических систем памяти, таких как CD-ROM и цифровой универсальный диск (DVD) будут описаны, а также датчики изображения. Гибридная лазерная интегрированными драйверами включены в качестве примеров оптических излучателей.
12.1 Цифровые к-моп схемы
В этом разделе описаны свойства цифровых OEICs К-МОП в силу их потенциального применения в массивно-параллельных оптических межсоединениях и объемных голографических оптических воспоминания. Синхронные схемы подходят для таких целей. Кроме того, асинхронный фотоприемник для применения в тестировании цифровых КМОП-схем на пластине уровня заслуживает того, чтобы быть описанным здесь.
12.1.1 Синхронные схемы
Для использования в массивно-параллельных оптических межсоединений между чипами VLSI, монолитных приемника оптико-электронная система была представлена в стандартном 0,7 мкм N-и КМОП-технологии [593].Схема, которая требует двух тактовых сигналов, сброс (RST) и хранения и, следовательно, синхронная схема, показан на рис. 12.1.
Сердце синхронного приемника CMOS бистабильный триггер, который действует как усилитель считывания. Флип-флоп состоит из двух инверторов CMOS, M2/M4 и M3/M5. На входе каждого преобразователя подключен к выходу другого преобразователя. Таким образом, двойное состояние может быть сохранено. Для того, чтобы использовать флип-флоп в виде свето-приемник, два фотодиодов были добавлены к стоки P-канальные транзисторы M2 и M3. В самом деле, диоды не были отделены
Рис. 12.2. Поперечное сечение МОП-транзисторов с увеличенным области стока как у фотодиода [593]
от транзисторов. Диоды были получены за счет расширения стоков в области 15 х 15 мкм2.P + стока и N-кармана, следовательно, образуют фотодиод (рис. 12.2).
Временная диаграмма синхронного приемника показана на рис. 12.3. Прежде чем флип-флоп может получить, например, новый бит, сигнал сброса должен быть применен к M6. Во время этого сигнала сброса, триггер отключен от низкого уровня напряжения на затворе M7 и высокий уровень напряжения на заьворе M1. M6 проводит во время сброса и заставляет узлы Q и NQ на тот же потенциал. После сброса фазы, M6 выключен, а свет может попасть в один из диодов, скажем, в D1. Электронно-дырочной пары создаются на P + N переходе между стоком М2 и N-карманом, который находится под постоянным смещением VDD = 5 В. Потенциал стока можно предположить, что при плавающем уровне около VDD / 2. P + N фотодиод смещен в обратном направлении, и фотогенерированных носителей разделяются в электрическом поле области перехода PN эффективно.
Рис. 12.3. Временная диаграмма синхронного CMOS фотоприемника [593]
Фотогенерированные электроны дрейфуют в N-карман и фотогенерированных дрейф дырок в P + регионе. Существует также медленнее вклад диффузии неосновных носителей в фототок, потому что свет проникает и в более глубоких область кармана, где нет поля. Как следствие фототоков, потенциал узла Q становится более позитивным, чем у узла NQ. При напряжении питания применяются к флип-флоп через M1 и M7, чувство усилитель флип-флоп начинает работать. Более позитивным входного сигнала преобразователя M3/M5 приводит к более отрицательным выходного сигнала в узле NQ, что приводит к более высокой выходной сигнал инвертора M2/M4 в узле Q. Это усиливающий процесс продолжается до тех пор, пока не будут достигнуты цифровых уровней, т. е. VDD , и землю уровней, полученных на два выходных узлов Q и NQ флип-флоп, соответственно. Было сообщено, что это последнее стабильное состояние было достигнуто после того, как около 3 нс с начала падения света [593].
Минимальная энергия входного света из 176 фДж, что соответствует оптической мощности из 59 мW в течение промежутка времени 3 нс, была необходима для оптических длиной волны 830 нм для того, чтобы получить правильное решение усилителя считывания флип-флоп. Это минимальная энергия света вызывает изменение напряжения 264 мВ на узле Q [593]. Это изменение напряжения усиливается флип-флоп до цифрового уровеня. С версией PMOS описано выше, со скоростью передачи данных 120 Мб с-1 был получен. В версии NMOS, то есть, используя N +-дренажа P-подложку диоды транзисторов M4 и M5, как фотодиодов (см. рис. 12,1 и 12,2), макс ¬ мума скорость передачи данных 180 Мб с-1 в сообщении. Это более высокая скорость версии NMOS из синхронного приемника можно объяснить тем быстрее диффузии электронов в подложке р. Версия PMOS медленнее, потому что дырки являются неосновных носителей в N-кармане, и дырки диффундируют медленнее, чем электроны из-за меньшей подвижности дырок.
Для массивно параллельных оптических межсоединений, необходимо свести к минимуму площади кристалла из приемников. Приемник схеме, показанной на рис. 12,1 занимал площадь 55 х 24 мкм2 без выходных буферов.
Схема пиксель в фотоприемник массив для страницы ориентированной оптической памяти (рис. 12.4) сочетает в себе два триггера (защелки) в целях достижения высокого коэффициента усиления.
Работа схемы контролируется сброса RST и защелки LAT. Защелка P с транзисторами P1 и P2 изолирован от N защелка с N1 и N2 через P3 и P4 LAT = 1. Выпадающие устройств N3 и N4 проводят, и защелка N сбрасывается для LAT = 1. Далее RST установлен в 0. Во время этого сброса, светочувствительные входы А и В замкнуты через P5 и Va = Vb = VRST ~ VDD + Vrh, МОП-При RST берется высокая снова, паразитные емкости удерживать узлы А и В в VRST положить P защелку в метастабильном состоянии. Фототока Iph в одном из дифференциальных входов вызывает соответствующее падение входного напряжения. Положительная обратная связь в защелка P повышает дифференциального напряжения. Когда LAT изменен на 0, это дифференциальное напряжение усиливается защелка N и сигнал приобретенные в Q и Q. P1 и P2 должны быть небольшими по размеру для высокой чувствительностью к небольшим фототоков. Статического энергопотребления схемы на рис. 12,4 определяются токи утечки. Динамическое энергопотребление в основном зависит от емкости фотодиода. В работе [595], N-и С-подложка фотодиода в 0,35 процессе ЦШ была использована CMOS с светочувствительной N-а площадью 50 х 50 ЦШ2. Емкость этого фотодиода составляет примерно 1pF. Размер цепи фотоприемник на рис. 12,4 без фотодиодов составляет 20 х 22 мкм2. Оптической мощностью 2,5 мW для = 839 нм была необходима, чтобы переключить приемник. С Предполагается, чувствительность фотодиодов на 0,3 AW-1, переключение энергии 150 FJ был оценен [595]. Один пиксель скорость передачи данных 245Mbs-1 была определена для схемы на рис. 12.4. С схему необходимо для исправления ошибок, максимальное число пикселей примерно 26700 за 0,35 чипа CMOS ЦШ был спроектирован в [595]. Скорость передачи данных в чип для скорректированные данные, по оценкам, 102 ГБ S-1, вытекающих из высокого параллелизма.