[论文解读] Proposal and demonstration of lock-in pixels for indirect time-of-flight measurements based on germanium-on-silicon technology

Neil Na, Soofin Cheng+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 1

一句话总结

本文提出并验证了基于锗硅异质结技术的锁相像元，用于间接飞行时间3D传感，实现了高达GHz频率的量子效率和大调制带宽。该技术在室内外环境中均实现了优异的深度测量精度，将工作波长范围扩展至硅材料响应极限之外的长近红外波段。

ABSTRACT

We propose the use of germanium-on-silicon technology for indirect time-of-flight based three-dimensional sensing, and demonstrate a novel lock-in pixel featuring high quantum efficiency and large frequency bandwidth. Compared to silicon pixels, germanium-on-silicon pixels simultaneously maintain a high quantum efficiency and a high demodulation contrast deep into GHz frequency regime, which enable consistently superior depth accuracy in both indoor and outdoor scenarios. Physical model, numerical simulation, device fabrication and characterization, system performance comparison, and laser safety analysis are presented. Our work paves a new path to high-performance time-of-flight rangers and imagers, as well as potential adoption of lasers operated at a longer near infrared wavelength that falls outside of the operation window of silicon pixels.

研究动机与目标

• 解决基于硅的像元在间接飞行时间3D传感中的局限性，特别是其在高调制频率和较短近红外波长下的性能下降问题。
• 通过利用锗硅异质结技术，克服传统硅基像元在量子效率与调制对比度之间的权衡。
• 实现使用长近红外波长激光（超出硅材料响应范围）的工作，以提升在复杂光照条件下的性能。
• 通过建立物理模型、器件制造及系统级性能对比，验证所提出像元的优越性。
• 通过分析功率水平和暴露限值，确保激光安全，以支持实际部署。

提出的方法

• 采用锗硅异质结结型光电二极管，实现对宽近红外光谱（包括超出硅截止波长的波长）的高量子效率响应。
• 采用集成调制与解调功能的锁相像元架构，从调制光中提取相位偏移，实现间接飞行时间测量。
• 设计像元以在GHz频率下实现高调制对比度，确保在强环境光条件下仍具备精确的深度分辨率。
• 通过物理建模与数值仿真，预测器件在不同频率与照度条件下的行为。
• 采用标准CMOS兼容工艺制造原型像元，确保可扩展性并可与现有成像系统集成。
• 在受控的室内外光照条件下，对器件进行表征，并与基于硅的像元进行系统级性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于锗硅的锁相像元是否能在GHz调制频率下同时保持高量子效率与高调制对比度，从而实现在复杂环境下的精确深度感知？
• RQ2 锗硅技术在多大程度上扩展了飞行时间传感器的工作波长范围，使其超越硅材料的限制？
• RQ3 在室内外场景中，基于锗硅的像元与基于硅的像元相比，其深度精度表现如何？
• RQ4 环境光与激光功率对系统性能有何影响？所提出的器件设计如何确保激光安全？
• RQ5 所提出的像元架构是否可采用标准CMOS工艺实现，从而支持在商业成像系统中实现可扩展集成？

主要发现

• 基于锗硅的锁相像元在GHz频率范围内实现了高量子效率与大调制对比度的同步表现，从而保障了稳定的深度测量精度。
• 所提出的像元在室内外环境中均保持优异性能，在强环境光条件下显著优于基于硅的像元。
• 该技术支持使用波长更长的近红外激光（超过1100 nm），而这些波长对硅基像元无效。
• 数值仿真与实验表征结果证实了物理模型的准确性，并验证了器件在不同频率与照度条件下的性能表现。
• 激光安全分析表明，系统工作在安全暴露限值内，支持实际部署。
• 制造工艺与标准CMOS技术兼容，支持在商业3D成像系统中实现可扩展集成。