Integrated streak camera in standard BiCMOS technology

par Martin Zlatanski

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique et automatique

Sous la direction de Daniel Mathiot.

Soutenue en 2011

à Strasbourg .

mots clés

• Amplificateur transimpédance
• MOS complémentaires
• Caméras à balayage de fente
• Capteurs optiques
• Résolution (optique)

Titre traduit

Caméra à balayage de fente en technologie BiCMOS standard

Résumé

Les caméras à balayage de fente conventionnelles ont été développées pendant les années 1950 pour l’étude et la mise au point d’explosions nucléaires. Leur fonctionnement est basé sur les principes du tube imageur ou le miroir rotatif, ce qui fait d’elles les instruments de détection optique résolue en temps les plus performants en terme de résolution temporelle. Aujourd’hui, ces technologies sont arrivées à maturité et les performances des caméras à balayage de fente conventionnelles sont proches de leurs limites physiques. Ce document décrit la conception et la caractérisation d’une caméra à balayage de fente intégrée en technologie BiCMOS standard 0. 35 µm. Le prototype est basé sur un vecteur de 64 photodiodes PDIFF–NWELL–PSUB, qui représente directement la fente de la caméra, et une unité d’échantillonnage et de stockage. Le courant photonique délivré par chaque photodiode est converti en tension par un amplificateur transimpédance large bande. La sensibilité et la bande passante de cette structure de capteur dépassent celles des prototypes à architecture matricielle réalisées précédemment. Le balayage temporel est assuré par une ligne à retard contrôlée en tension, commandée par une boucle à verrouillage de délai. Des vitesses de balayage ajustables entre 154 ps/pixel et 1 ns/pixel avec une variation de moins d’un pour cent sur une plage de température de 50° C ont été atteintes. La résolution temporelle de la caméra est de 600 ps à λ = 800 nm et 465 ps à λ = 400 nm. Au moyen de simulations physiques et post-traitement sur la réponse impulsionnelle de la caméra, les réponses en fréquence des photodiodes et de l’amplificateur transimpédance ont été compensées. Par conséquence la résolution temporelle de la caméra atteint 450 ps quelque soit la longueur d’onde.

Résumé

Conventional streak-mode imaging devices have been developed in the 1950s to answer the need of photographing atomic explosions. They are based on image converter tube or rotating mirror imaging concepts and feature the highest temporal resolutions achievable with a time-resolved direct optical detection device. Today, conventional streak cameras are still built using the same technologies, which have reached their fundamental limits. The goal of the project in which this work takes part is to propose a solid-state streak-mode imaging device for applications in which a temporal resolution of several hundreds of picoseconds is required. This document presents the design and the characterization of an integrated streak camera in standard 0. 35 µm BiCMOS technology. The prototype is based on a narrow vector of 64 PDIFF–NWELL–PSUB photodiodes, representing the slit of the camera, each one coupled to a 128-deep analog memory through a broadband transimpedance amplifier. Both the sensitivity and the bandwidth of the camera have been improved with respect to the previous pixel array designs operating in photon flux integration mode by means of the single-column photodetecting architecture of the sensor and the direct optical current conversion front-end. The temporal sweep is carried out through a Voltage-Controlled Delay Line driven by a Delay-Locked Loop. A continuously adjustable sweep speed from 154 ps/pixel to 1 ns/pixel has been achieved with less than 1 % variation over a temperature range of 50° C. The measured temporal resolution of the camera is 600 ps at λ = 800 nm and 465 ps at λ = 400 nm. Physical simulations and post-processing of the impulse response of the imager enabled the equalization of the frequency responses of the photodiodes and amplifier. As a result, a temporal resolution of 450 ps has been obtained at both wavelengths, making the speed of the camera independent of the wavelength.