Yksittäisten fotonien ilmaisuun perustuva integroitu optinen CMOS-vastaanotinpiiri kudoksessa tapahtuvaan tiedonsiirtoon

Abstract

Diplomityössä suunniteltiin integroitu vastaanotinpiiri kudoksessa tapahtuvaan optiseen tiedonsiirtoon. Vastaanotin koostuu 4 × 64 SPAD-matriisista, jonka aikaportti on 1 ns sekä summainpiiristä, jonka tehtävänä on laskea SPAD-riveiltä saadut ilmaisut ja antaa kokonaissumma. Suunnitellun piirin tavoitteena oli 100 MHz kellotaajuus. Piiri suunniteltiin niin, että jokainen SPAD-ilmaisin voidaan erikseen ottaa pois toiminnasta, jolloin voidaan vaikuttaa ilmaisinmatriisin herkkyyteen. Kyseinen IC-piiri suunniteltiin 110 nm CMOS-teknologialla.

Suunniteltu piiri sisältää 4 × 64 SPAD-matriisin, siirtorekisterin, ajureita, arbiter:n ja summainpiirin. Siirtorekisterin avulla asetetaan yksittäisiä SPAD-ilmaisimia päälle tai pois päältä. Ajureiden tehtävänä on ajaa LOAD- ja QUENCH-signaalit SPAD-ilmaisimien kytkintransistoreille. Piirissä arbiter muodostaa 1 ns aikaportin, jonka sisällä tapahtuvat ilmaisut lasketaan kokonaissummaan.

Piirin toiminta varmistettiin piirikuviosimulaatioilla. Vastaanottimen aikaportiksi saatiin 1 - 2 ns riippuen prosessiparametreista. LOAD-signaali saatiin piirille siten, että ilmaisimien lataamisen välinen viive on suurimmillaan 30 ps ja ilmaisimien latautumisaika on alle 200 ps. Tyypillisillä prosessiparametreilla ja 100 MHz kellotaajuudella piirin keskimääräinen virrankulutus 1,2 V käyttöjännitteestä on 8 mA ja 3,3 V käyttöjännitteestä 19 mA. Piirin kokonaispinta-ala on 3000,4 µm × 1532,4 µm sisältäen kytkentäsolut (IO-pads).

Simulointituloksista todettiin piirin logiikan toimivuus ja suorituskyky, joiden perusteella suunniteltua integroitua vastaanotinpiiriä voidaan käyttää kudoksessa tapahtuvassa optisessa tiedonsiirrossa.