Optical receiver (Opt-Rx) is an important block of many systems. The main function of the Opt-Rx is to amplify a current signal, converted from incoming optical signal by a photodiode (PD), to a voltage signal, which is fed to a subsequent block such as clock and data recovery circuit (CDR) or analog-to-digital converter (ADC), for further processing.
In this dissertation, the design of CMOS-based high-performance Opt-Rxs for three typical applications (laser detection and ranging (LADAR), image sensor, and optical links), which feature high signal-to-noise ratio, wide linear dynamic range, wide bandwidth, process/temperature insensitivity are presented. First, an introduction and general requirements of Opt-Rxs are described in Chapter 1. The fundamentals of building blocks in Opt-Rx module, including PD, preamplifier and main amplifier (MA), are provided in Chapter 2. In Chapter 3, a wideband laser receiver (WBRx) for LADAR application is described. Several design techniques; including gain control scheme and frequency response compensating technique to widen linear dynamic range, gain allocating between blocks and noise minimizing to improve SNR, and output voltage swing boosting; have been proposed to achieve a high SNR, sufficient bandwidth, and wide linear dynamic range WBRx. The measurement results have confirmed the performances of the proposed WBRx, which fully satisfies the specifications for a LADAR system intended to use in three-dimensional ranging application. In Chapter 4, a multi-pixel image sensor readout integrated circuit (ROIC) for near-infrared (NIR) spectroscopy, achieving high performances of ultra-low noise, wide linear dynamic range, simple timing scheme, is proposed. The approaches to reduce system noise and boost linear dynamic range are presented. The image sensor also provides the trigger signal for data acquisition purpose. Including ESD circuit, the image sensor is qualified as a commercial product. In Chapter 5, a bidirectional optical transceiver (Bi-TRx) with automatic mode control is presented. A novel envelope detector, which can detect whether absolute amplitude of an input differential signal is larger than a threshold or not, has been proposed to use as the automatic mode control block. Compared with the unidirectional link, the bidirectional link offered by the Bi-TRx has shown a smaller chip/module size and lower power consumption. In summary, there are several approaches proposed to design Opt-Rxs satisfying challenging specifications of typical applications; however, these general designing techniques can also be applied to design Opt-Rx in other optical-related applications.
광 수신기는 여러 시스템에서 중요한 역할을 수행한다. 광 수신기의 주된 기능은 광 입력신호를 photodiode (PD)를 통해서 얻어낸, 전류 신호를 증폭할 수 있고, 시스템 내의 다음 과정인 clock and data recovery circuit이나 analog-to-digital convertor로 전달될 전압 신호를 증폭할 수 있다.
본 논문에서는 높은 잡음특성과 넓은 dynamic range, 넓은 대역폭, 그리고 낮은 온도 의존성 등의 특성을 지닌 CMOS기반의 광 수신기가 제안되었다. 이러한 광 수신기는 레이저 감지 및 거리 측정기 (LADAR : laser detection and ranging ), 영상 감지기 (image sensor), 그리고 광연결 (optical links)에 적용되기 매우 유용한 특성을 가지고 있다. 제 1장에서는 광 수신기에 대한 소개와 일반적인 요구사항들에 대해 기술하였다. 제 2장에서는 PD, 전치증폭기(preamplifier), 그리고, 주증폭기 (MA: main amplifier) 를 포함한 기본적인 광 수신기 모듈에 대해 서술하였다. 제 3장에서는 LADAR 시스템을 위한 광대역 레이저 수신기 (WBRx : wideband laser receiver)를 기술하였다. 높은 잡음특성과 충분한 대역폭, 그리고 넓은 동작 범위를 가지는 WBRx를 위해서 여러 가지 기술들이 제안되었다. 먼저, 넓은 동작 범위를 위한 이득 조절 구도(gain control scheme)와 주파수 보상 기술이 서술되었고, 높은 잡음특성을 위해서 각 블록들 사이에 이득을 얻을 수 있게 하였으며, 잡음을 줄여주는 기술이 서술되었으며, 마지막으로 출력 증폭 전압 부스터 기술이 서술되었다. 또한 측정 결과를 통해, 제안된 광대역 레이저 수신기 가 3 차원 LADAR 시스템에 적합함을 확인 할 수 있다. 제 4장에서는, 높은 잡음 특성, 넓은 동작 범위, 단순 타이밍 구도(simple timing scheme)로써 근적외선 분광학 (near-infrared (NIR) spectroscopy)에서 이용될 수 있는 다중화소 영상 감지 ROIC (readout integrated circuit)가 제안되었다. 이 장에서는 시스템 잡음을 줄이고, 넓은 선형 동작 영역 (linear dynamic range)를 얻기 위한 접근법이 서술되었다. 영상감지기는 데이터 수집을 위한 trigger 신호를 제공해야 하며, 제안된 영상감지기는 ESD를 포함하고 있어, 상용화 가능한 구조라 할 수 있다. 제 5장에서는 자동 모드 제어가 가능한 양방향 송수신기 (bidirectional optical transceiver) 에 대해 서술하였다. 그리고 입력 차등 신호의 진폭이 threshold 값을 기준으로 비교할 수 있는 새로운 envelope detector가 제안되어 있어, 자동으로 모드 제어가 가능하게 하였다. 단방향 연결 (unidirectional link)와 비교해 보았을 때, 양방향 송수신기 (Bi-TRx)를 통해 구현된 양방향 연결 (bidirectional link)은 작은 칩과 모듈 크기와 낮은 전력 소모를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
본 논문에는 LADAR 시스템과 광 시스템에 적합한 특성을 가진 광 수신기에 대해 서술하였고, 그 접근 방법들을 제안하였다.
