Development of a single-chip visible light communication receiver

Abstract

The VLC has drawn the attention in the last decade, which is simply based on the data transmission over the visible light (400nm-700nm). It is considered as an alternative to RF-based technologies and offers unlicensed frequency spectrum to the users. Despite the widely available optical bandwidth, LEDs that are used as a light source in VLC impose a limitation in data rate due to their limited bandwidth, which changes between a few hundred kHz and a few MHz. At this point, the equalization is one the most used method to achieve higher data rates in VLC system. There have been a growing works focusing on the equalization performed for VLC system. However, most of them offer an improvement in data rate at the discrete element level. They are not integrated and consume higher power. The works, which offer a solution at the chip level, are limited. Additionally, a monolithic optoelectronic receiver that can be operated with LEDs with different bandwidths and perform the equalization for the employed LED has been not investigated recently. This work is concentrated on the design and implementation of a monolithic optoelectronic receiver that includes a photodiode with the area of 300 umx 300 um, a TIA, an adjustable equalizer controlled by a switching mechanism, and an output buffer. The designed optoelectronic receiver is implemented in 130 nm CMOS technology and tested in an experimental setup. It is employed with three different phosphorescent white LEDs and for each of the employed LEDs around 20 times improvement in data rate to their bandwidth is achieved at a distance of 2 meters. The implemented chip has an area of 0.6 mm^2 and consumes around 2.05 mW.

Görünür ışık haberleşmesi son on yılda dikkat çekmekte olup, basit bir şekilde görünür ışık üzerinden (400nm-700nm) veri aktarımına dayanmaktadır. Radyo frekansı temelli teknolojilere alternatif olarak görülmekte olup, kullanıcılara sınırsız bir frekans spektrumu sağlamaktadır. Geniş ölçüde mevcut bir bantgenişliği olmasına karşın, görünür ışık haberleşmesinde ışık kaynağı olarak kullanılan ışık yayan diyotlar, birkaç yüz kHZ ile birkaç MHz arasında değişen sınırlı bantgenişliklerinden ötürü veri aktarımına sınırlama getirmektedirler. Bu noktada, denkleştirme görünür ışık haberleşmesinde daha yüksek hızları gerçekleştirmek için olan en çok kullanılan yöntemlerinden biridir. Görünür ışık haberleşmesi için gerçekleştirilen denkleştirmelere odaklanan çalşmalar sayıca artmaktadır. Ancak, bu çalışmaların birçoğu veri hızındaki artırımı ayrık eleman seviyesinde sunmaktadır. Bunlar tümleşik olmamakta ve daha yüksek güç tüketmektedir. Kırmık seviyesinde çözüm sunan çalışmalar sınırlı sayıda olup buna ilaveten farklı bantgenişliklerine sahip ışık yayan diyotlarla ile birlikte çalışabilen ve denkleştirmeyi kullanılan ışık yayan diyot için gerçekleştiren monolitik optoelektronik alıcı şu ana kadar incelenmemiştir. Bu çalışma, 300 umx300 um alanına sahip bir fotodiyot, transempedans yükseltici, anahtarlama mekanizaması ile kontrol edilen ayarlanabilir denkleştirici, ve çıkış tamponu içeren bir monolitik optoelektronik alıcının tasarım ve gerçekleştirmesine odaklanmaktadır. Tasarlanan optoelektronik alıcı 130 nm CMOS teknolojisinde gerçekleştirilmiş ve deneysel düzenekte test edilmiştir. Üç adet farklı fosforlu beyaz ışık yayan diyot kullanılmış ve 2 metre mesafede her bir kullanılan ışık yayan diyot için veri aktarımında bantgenişliğine oranla yaklaşık 20 kat iyileştirme başarılmıştır. Gerçekleştirilen kırmık 0.6 mm^2 alana sahip olmakta ve 2.05 mW güç harcamaktadır.