Photoempfänger für Pikosekunden-Laserimpulsradar

Modellierung, Simulation und Realisierung eines Photoempfängers für Pikosekunden-Laserimpulsradarsysteme mit Anwendungen

Djebari, Mustapha

kassel university press, ISBN: 978-3-933146-35-9, 2000, 109 Pages

URN: urn:nbn:de:0002-353

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2000

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Content: Die dimensionelle Kontrolle von Produkten zur Qualitätsssicherung wird künftig zunehmend an Bedeutung gewinnen. Gründe hierfür sind steigende Qualitätsanforderung sowie der wachsende Kostendruck in der Produktion. Laserradarsensoren sind als berührungslose Meßsystem hervorragend geeignet, mit hoher radialer und lateraler Auflösung Information über die geometrischen Eingenschaften erzeugter Produkt zu liefern.

Im wesentlichen sind zwei Lösungskonzepte für Präzisions-Laseradarsensoren bekannt.
Bei dem Dauerstrich (Continuous Wave, CW)- bzw. Phasendifferenzverfahren wird das zu messende Objekt mittels einer fokussierten, hochfrequent (10 bis 500 MHz) modulierten optischen Strahlung abgetastet. Die vom Meßobjekt, diffus rückgestreute bzw. reflektierte optische Strahlung wird auf den Detektor geleitet, in elektrische Signale gewandelt, deren abstandsabhängige Phase mit der Referenzphase verglichen und ausgewertet. Die Phasendifferenz liefert das Maß für den Meßabstand. Als Laserquelle dient ein Halbleiterlaser mit typischen mittleren optischen Ausgangsleistung von 15 mW. Derartige hohe Leistungswerte übersteigen die Grenze einer einer augensichere Laseremission.

Im Fachgebiet Hochfrequenztechnik der Universität Kassel laufen Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der topometrischen Vermessung von Objekten mit Hilfe eines Laserradarsystems nach dem Impulslaufzeitverfahren. Die erreichte Meßunsicherheit von 150 µm und laterale Auflösung < 1 mm resultiert einerseits aus einer neuartigen Modulation von Injektionslaser und andererseits aus der nichtlinearen Modellierung von breitbandigen Photodioden und Photoempfängern.

Die neuartige Modulation mittels Höchstinjektion von Ladungsträgern in den laseraktiven Bereich führt zu leistungsstarken Laserimpulsen mit typischen Impulsleistungen von mehr als 400 W bei Impulsbreiten von 40 ps.

Nahbereichs-Pulslaserradarsysteme mit ultrakurzen Sendeimpulsen im Pikosekundenbereich stellen besondere Anforderungen an das Empfängermodul. Neben der hohen Empfindlichkeit sind eine hohe Bandbreite, ein niedriges Rauschen, sowie eine große aktive Fläche aufzuweisen. Bei solchen Systemen ist eine große Positionierungstoleranz des Photoempfängers wünschenswert, was zum Einsatz von großflächigen Photodioden führt. Dies bedeutet eine Steigerung der Empfindlichkeit, aber führt gleichzeitig zu einem drastischen Verlust der Bandbreite aufgrund der höheren Sperrschichtkapazität. Avalanche-Photodioden stellen empfindliche (interne Verstärkung zwischen 30 und 50) Empfänger dar. Sie weisen jedoch eine verhältnismäßig geringe Bandbreite, ein niedriges Signalrauschverhältnis und eine hohe Betriebsspannung auf. PIN- und MSM-Photodioden (Metal-Semiconductor-Metal) benötigen dagegen nur eine kleine Betriebsspannung. Nachteilig ist ihr geringer Wirkungsgrad (zwischen 0.3 und 0.9). Andererseits können sie, und das gilt vor allem für MSM-Photodioden, über eine sehr hohe Bandbreite verfügen. Wegen der kleinen Sperrschichtkapazität erlaubt eine MSM-Photodiode bei gleicher Bandbreite eine um ein Mehrfaches größere aktive Fläche als die PIN-Photodiode.

Die Verwendung von kürzeren Impulsbreiten mit steileren Anstiegsflanken verringert den Einfluß von Meßfehlern. Einerseits erlauben ultrakurze Laserimpulse die Laufzeitmessung auch auf geringe Entfernung, da bei einem System mit einem gemeinsamen Sende- und Empfangskanal die Gefahr einer zeitlichen Überlappung von Sende- und Empfangssignal mit abnehmender Entfernung verringert wird. Weiterhin zeigt sich eine deutliche Verringerung der Zeitverschiebung des sogenannten zeitsignifikanten Punktes (50%-iger des Signalpegels der Impulsvorderflanke) unter dem Einfluß der optischen Eingangsleistung, die durch die Dynamik des Empfangssignals aufgrund der nichtlinearen Effekte in der Photodiode entsteht.

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Graduiertenkollegs "Materialien und Komponenten der Mikrosystemtechnik" von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Ziel dieser Förderung ist die Entwicklung eines Mikromeßsystems zur dreidimensionalen Erkennung und Positionierung von Objekten. Eines der Hauptthemen ist die breitbandige Charakterisierung, Modellierung, Simulation und Aufbau eines Photoempfängers für ein Pikosekunden-Laserimpulsradar (LIR). Ein Empfängerkonzept geht von der Nutzung einer schnellen MSM-Photodiode aus. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit einer solchen Photodiode wird ein breitbandiger Kettenverstärker nachgeschaltet. Mit Kettenverstärkern können unter Verwendung von schnellen 0.15 µm-Gate-FETs (InAlAs/InGaAs/InP HEMT) in MMIC-Technologie extrem hohe Bandbreiten von beispielsweise 100 GHz und sowie Verstärkungen von 9 dB erreicht werden [IAF].
Für Laserradarsensoren sind schnelle, empfindliche und kostengünstige Empfänger notwendig. Bei den vorausgegangenen Arbeiten wurden im wesentlichen Avalanche-Photodioden (APD) verwendet. Dieser Diodentyp besitzt aufgrund des Avalancheeffektes eine interne Verstärkung. Dadurch stellen APDs sehr empfindliche Empfänger dar. Der Preis hierfür ist die Begrenzung der Bandbreite. Andererseits benötigen APDs eine sehr hohe Betriebsspannung. Für die im Fachgebiet Hochfrequenztechnik verfolgte dreidimensionale Konturvermessung wurde bis jetzt eine Si-Avalanche-Photodiode, die nach dem Reach-Through-Prinzip arbeitet, eingesetzt.

In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit ein Photoempfänger basierend auf einer MSM-Photodiode für LIR einsetzbar ist. MSM-Photodioden weisen sehr hohe Bandbreiten auf und sind daher sehr attraktiv für schnelle Anwendungen. Weitere Vorteile sind die einfache Aufbauweise und die Integrierbarkeit mit anderen Bauelementen in Planartechnologie. Nachteil ist die geringe Empfindlichkeit, die mit einem zugeschalteten Verstärker behoben werden kann. Für LIR-Applikationen wurde eine InGaAs-MSM-Photodiode (200x 200 µm2) verwendet.

Die Auswahl des Verstärkers ist für die Leistungsfähigkeit des Empfängermoduls von besonderer Bedeutung. Vor allem standen zwei Verstärkertypen zur Auswahl: Transimpedanz- und Kettenverstärker mit verteilten Strukturen. Transimpedanzverstärker in optischen Empfängern sind gegengekoppelte Transistorstufen basierend auf einer Strom-Spannungswandlung. Dabei stellt die Gegenkopplungsimpedanz ein Optimierungsproblem dar. Einerseits erfordert die hohe Bandbreite eine kleine Impedanz und das geringe Rauschen eine große Impedanz. Wegen der gewählten Hybridtechnologie, in der der Verstärker realisiert wurde, stellt der Kettenverstärker mit verteilten Strukturen wegen der höheren erreichbaren Bandbreite und der einfachen Aufbauweise eine Alternative gegenüber dem Transimpedanzverstärker dar. Außerdem weisen Kettenverstärker eine hohe Stabilität auf, und können einfach kaskadiert werden.

Für einen zuverlässigen Entwurf eines Bauelementes ist eine genaue Modellierung notwendig. Es wird grundsätzlich zwischen drei Modellierungsarten unterschieden: Physikalische Modelle, die den Ladungsträgertransport im Bauelement beschreiben, dienen in erster Linie dem Verständnis der Funktionsweise des Bauelements und dem Entwurf neuer Typen. Jedoch sind sie im allgemeinen sehr komplex. Als nachteilig gilt der hohe Rechenaufwand.

Weiterhin sind genaue physikalische Parameter erforderlich.
Analytische Modelle beschreiben das elektrische Verhalten des Bauelements über analytische Funktionen mit teilweise physikalischen und teilweise formalen Parametern.

Die Vorteile analytischer Modelle liegen in der problemlosen Implementierung in Schaltungssimulationsprogramme, in den kurzen Rechenzeiten und in der Flexibilität im Hinblick auf Bauelement-Varianten. Nachteil ist die begrenzte Modellgenauigkeit aufgrund der formalen Approximationen. Experimentelle Modelle basieren unmittelbar auf gemessenen Bauelement-Daten. Das Bauelement ist durch ein Ersatzschaltbild definiert. Die Modellelemente können aus DC-Pulsmessungen, aus Kleinsignal-Streuparameter- oder Signalformmessungen abgeleitet werden. Experimentelle Modelle gelten im allgemeinen im Hinblick auf die analytischen Modelle als sehr genau, da die nichtlineare Modellbeschreibung nicht durch analytische Funktionsausdrücke eingeschränkt wird. Zahlreiche Arbeiten, die sich mit der meßtechnischen Modellierung von Bauelementen beschäftigen, liegen als Grundlage vor.

Diese Arbeit ist in 6 Kapitel gegliedert: Nach einer Einleitung enthält Kapitel 2 eine Übersicht der gängigen Photodioden, Materialien und Bauformen. Im gleichen Kapitel wurde ein theoretischer Vergleich zwischen einer PIN- und einer MSM-Photodiode im Hinblick auf die Diodenkapazität, Grenzfrequenz und Empfindlichkeit gemacht. Anschließend wurde das Signal-Rausch-Verhältnis sowie die minimal detektierbare Leistung am Beispiel einer Avalanche- und einer MSM-Photodiode in Betracht genommen. Großsignal-Modellierung von MSM-Photodioden und CAD-Implementierung sind in Kapitel 3 zusammengefaßt. Kapitel 4 stellt eine Reihe von Untersuchungen mit impulsförmiger Anregung dar. Bei den Messungen wurden vor allem Einflüsse verschiedener Parameter wie Spannung und optische Leistung auf die Impulsantwort der Photodioden untersucht.

Kapitel 5 behandelt die Modellierung von Kettenverstärkern, die Zusammenschaltung von Photodiode und Verstärker sowie deren Anpassung zum Aufbau eines Photoempfängers. Schließlich wird in Kapitel 6 der Einsatz von MSM-Photodetektoren anhand von 1D-, 2D- und 3D-Messungen illustriert.

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