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Die Erfindung betrifft eine Übertragungsvorrichtung mit mindestens einem großflächigen Breitbandphotodetektor für die optische oder Infrarot-Freiraumübertragung mit hoher Datenrate, sowie die Verwendung eines solchen Breitbandphotodetektors für eine derartige Freiraumübertragung.
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Eine Möglichkeit der drahtlosen Kommunikation stellt die optische Freiraum-Übertragung dar. Dabei können beispielsweise Wellenlängen im sichtbaren und im infraroten Bereich eingesetzt werden. Praktisch eingesetzt werden solche Systeme als optische Richtfunkverbindungen in der Inter-Satellitenkommunikation sowie im terrestrischen Bereich zur Kommunikation zwischen Standorten, die mehrere Kilometer entfernt sein können. Diese im Stand der Technik bekannten Systeme beinhalten auf Sende- und/oder Empfangsseite stark bündelnde Linsen oder Parabolspiegel. Auf der Empfangsseite dient eine Linse oder ein Parabolspiegel dazu, die optische Strahlung im Bereich einer möglichst großen Querschnittsfläche zu sammeln und auf einen Photodetektor zu fokussieren. Durch eine hohe optische Empfangsleistung kann eine hohe Übertragungsqualität (z.B. niedrige Bitfehlerwahrscheinlichkeit) erzielt werden.
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Infolge der verwendeten optischen Bündelung der optischen Strahlung wird Strahlung aus einer ganz bestimmten Richtung empfangen und die Sende- und Empfangsseitensysteme müssen zueinander ausgerichtet betrieben werden. Bei einer nicht optimalen Ausrichtung der Sende- und Empfangsseitensysteme sinkt die Übertragungsqualität infolge der abnehmenden Empfangsleistung.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Übertragungssystem für die optische Freiraumübertragung zu schaffen, bei dem die Übertragungsqualität nicht oder nur wenig von einer genauen Ausrichtung der Sende- und Empfangsseite zueinander abhängt.
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Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird eine Übertragung zwischen zwei Stationen, beispielsweise in einem Veranstaltungsraum möglich, bei der zumindest eine der Stationen mobil oder zumindest portabel ist, so dass eine fest justierte optische Bündelung mit einer Linse oder einem Parabolspiegel nicht einsetzbar ist. Erfindungsgemäß kann ein großflächiger optischer Detektor verwendet werden, so dass keine Bündelung der Strahlung notwendig ist. Eine „grobe“ Ausrichtung der Sendeeinheit und Empfangseinheit ist ausreichend, um eine gute Übertragungsqualität zu gewährleisten.
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Das Problem großflächiger PIN-Photodioden, die üblicherweise als optische Detektoren eingesetzt werden können, liegt grundsätzlich in deren großer Sperrschichtkapazität, wodurch sich bei Zusammenschaltung mit einem Verstärker eine niedrige Grenzfrequenz und damit eine kleine Datenrate ergeben. Dies gilt auch für den Fall, wenn der Verstärker eine kleine Eingangsimpedanz hat. Beispielsweise ergibt sich bei einer typischen Fläche von 100 mm2 eine Sperrschichtkapazität von ca. 1000 pF, was zusammen mit einer Verstärker-Eingangsimpedanz von 50 Ohm zu einer 3 dB-Grenzfrequenz von 3,2 MHz resultiert.
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Grundsätzlich ist die Verwendung und Integration einzelner Photodioden mit nachfolgenden Verstärkern aus dem Stand der Technik gemäß S. Chandrasekhar et al. (4 Gbit/s pin/HBT monolithic photoreceiver. Electronics Letters 1990, S.1880–1882) und von V. Hurm et al. (1.3 mm monolithic integrated optoelectronic receiver using an InGaAs MSM photodiode and AlGaAS/GaAs HEMTs grown on GaAs. Electronics Letters 1995, S.67–68) bekannt.
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Aus der
US2005/01 04 089 A1 ist eine Kamera bzw. ein Bildsensor (visible/near infrared image sensor) bekannt, dessen Ziel es ist, eine ortsaufgelöste Information über die empfangene Strahlung zu gewinnen. In der
US2005/01 91 062 A1 wird die Integration eines einzelnen Photodioden-Verstärkerpaares mit einem Bildsensor beschrieben. Der Bildsensor dient dabei ausschließlich zur Lokalisierung des zu empfangenen optischen Signals und nicht zu dessen Empfang. Ferner schlägt die Druckschrift
US2002/01 14 049 A1 einen intelligenten Empfänger für optische Übertragungssysteme vor, der die Aufgabe hat, einen fokussierten optischen Strahl möglichst gut zu detektieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Feld von optischen Detektoren größer als der Fleck ist, auf den eine fokussierende Optik die optische Strahlung fokussiert. Nur die Ausgangssignale der beleuchteten Detektorelemente werden ausgewertet, beispielsweise summiert.
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Ferner beschreibt die
EP 1 488 549 B1 einen integrierten optischen Faserempfänger mit einer erhöhten Empfindlichkeit und vergrösserter Bandbreite, bei dem eine der Grösse des Lichtflecks angepasste optische Empfängerdiode unterteilt wird, wobei jeder einzelnen Teil-Photodiode ein eigener Transimpedanzverstärker folgt und die Ausgangssignale der einzelnen Transimpedanzverstärker in einem Summenverstärker addiert werden. Bei diesem System sind jedoch die Sende- und Empfangsseite über den Lichtleiter zueinander fixiert und somit mechanisch eingeschränkt, und insbesondere nicht für eine Freiraumübertragung, verwendbar.
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Eine vorgesehene Anwendung für die hier beschriebene Erfindung ist die optische oder Infrarot-Freiraumübertragung mit hoher Datenrate, so dass Grenzfrequenzen im GHz-Bereich benötigt werden. Selbst wenn die Eingangsimpedanz des Verstärkers sehr klein ist (z.B. durch einen Transistor in Basis- bzw. Gate-Grundschaltung), begrenzt der Bahnwiderstand der Photodiode die Grenzfrequenz entsprechend, so dass mit einer gewöhnlichen großflächigen Photodiode die gewünschte Grenzfrequenz nicht erreicht werden kann.
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Eine Lösung des beschriebenen Problems geben die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 an.
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Die Lösung des beschriebenen Problems besteht in der gleichzeitigen Verwendung sehr vieler Photodioden mit kleiner Fläche, die jeweils einen eigenen Verstärker besitzen. Dadurch werden hohe Grenzfrequenzen erreicht. Die Ausgangssignale dieser Verstärker werden schließlich schaltungstechnisch addiert.
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Die Erfindung betrifft daher eine Übertragungsvorrichtung für die Freiraumübertragung optischer Signale mit hoher Datenrate mit Grenzfrequenzen im GHz-Bereich zwischen zwei Stationen, mit einer Sendeeinheit zum Senden der optischen Signale und mit einer Empfangseinheit für deren Empfang, wobei die Empfangseinheit einen Breitbandphotodetektor mit einer integrierten optoelektronischen Schaltung mit mehreren Photodioden mit kleiner Fläche und Verstärkern umfasst, wobei jeweils jeder Photodiode ein Verstärker zugeordnet ist, die Paare von Photodioden und Verstärkern dicht aneinander angeordnet sind, so dass nur geringe zusätzliche Streukapazitäten entstehen und die optoelektronische Schaltung so ausgelegt ist, dass die Ausgangssignale der Verstärker schaltungstechnisch addiert werden, wobei zumindest eine der Stationen mobil oder zumindest portabel ist.
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Die Übertragungsvorrichtung für die Freiraumübertragung optischer Signale umfasst somit in der Regel zumindest zwei Baueinheiten, wobei die erste Baueinheit die Sendeeinheit und die zweite Baueinheit die Empfangseinheit umfasst. Diese Ausführung ist besonders für eine unidirektionale Signalübertragung vorgesehen, während für eine bidirektionale Signalübertragung jede Baueinheit jeweils eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit umfasst und die Übertragungsvorrichtung somit also vier Untereinheiten umfasst. Die jeweiligen Untereinheiten sind an weitere Baueinheiten anschließbar, die die elektrischen Signale zur Verfügung stellen bzw. weiter verarbeiten.
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Erfindungsgemäß werden unter optischen Signalen solche Signale mit Wellenlängen im sichtbaren als auch im Infrarot-Bereich verstanden.
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Dabei können die Photodiode und der der jeweiligen Photodiode zugeordnete Verstärker paarweise in einer Matrix von derartigen Paaren angeordnet sein. Die Erfindung umfasst somit ein integriertes Bauelement, bei dem eine große Zahl, in der Regel mehr als 100 Paare, bevorzugt mehr als 400 Paare, besonders mehr als 900 Paare von Photodioden und Verstärkern in einem Halbleiterleiterbauelement monolithisch integriert sind.
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Da die Verbindungsleitung bei vielen Einzelelementen eine große Länge und damit auch eine große Kapazität zum Substrat besitzt, sollten nicht alle Einzelelemente miteinander verbunden werden, sondern ein mehrstufiges Konzept verwendet werden. Dabei werden zunächst wenige Verstärkerausgangssignale addiert. Anschließend werden die Summensignale addiert. Die Additionsschaltung kann noch weitere Additionsstufen beinhalten. Je mehr Stufen verwendet werden, desto größer ist die Bandbreite der Verstärker.
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Es kann somit vorteilhaft sein, wenn die Ausgangssignale der Verstärker zunächst zeilenweise oder spaltenweise addiert werden und die entsprechenden summierten Ausgangssignale anschließend addiert werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die optoelektronische Schaltung so ausgelegt, dass die schaltungstechnische Addition der Ausgangssignale der Verstärker stufenweise in mindestens zwei Stufen durchgeführt wird.
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Ferner kann es erforderlich sein, dass zwischen jeder Photodiode und jedem Verstärker ein Anpassungsnetzwerk verwendet wird.
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Als ein solches Anpassungsnetzwerk kann zwischen jeder Photodiode und jedem Verstärker besonders eine Induktivität als verwendet werden. Als solche können elektrische induktive Bauelemente wie Spulen oder kurze Streifenleitungen mit hohem Wellenwiderstand verwendet werden.
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Die Paare von Photodioden und Verstärkern sind erfindungsgemäß dicht aneinander angeordnet, so dass nur geringe zusätzliche Streukapazitäten entstehen. Die schaltungstechnische Addition der Ausgangssignale der Verstärker kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass beim Einsatz von Feldeffekt-Transistoren als Verstärkerelemente Source-Grundschaltungen verwendet werden und alle Drain-Anschlüsse durch eine Leitung miteinander verbunden werden.
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Die Erfindung ist somit auch gerichtet auf die Verwendung einer integrierten optoelektronischen Schaltung mit mehreren Photodioden und Verstärkern, wobei jeweils jeder Photodiode ein Verstärker zugeordnet ist und die optoelektronische Schaltung so ausgelegt ist, daß die Ausgangssignale der Verstärker schaltungstechnisch addiert werden, in einer Vorrichtung zur Freiraumübertragung optischer Signale.
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Eine weitere Anwendung der Empfangseinheit mit dem großflächigen Breitband-Photodetektor ist im Bereich der Messtechnik für sich schnell verändernde optische oder infrarote Strahlung gegeben, wobei die Sendeeinheit in Form einer Strahlungsquelle ausgebildet ist und die von dieser Strahlungsquelle emittierten optischen Signale von der Empfangseinheit empfangen und verarbeitet werden.
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Die Erfindung wird anhand der 1 weiter erläutert. Dabei zeigt 1 einen einzigen großflächigen Photodetektor mit einer Anzahl von hier 64 Photodioden. Die Erfindung ist auf diese Anzahl Photodioden nicht beschränkt, sondern kann weitaus größer sein. Jede einzelne Photodiode (1) liefert einen Photostrom, der in dem der Photodiode zugeordneten Verstärker (2) verstärkt wird. Die Ausgangssignale einer Zeile von Verstärkern (2) werden auf einer Verbindungsleitung (3) gesammelt und dabei addiert. Dieses einzelne Zeilensummensignal wird jeweils einem zweiten Verstärker (4) zugeführt, dessen Ausgangssignal in die Verbindungsleitung (5) eingespeist wird und so die Signale aller Zeilen addiert werden. Am Kontakt (6) kann das verstärkte Summensignal der zweiten Verstärker (4) und somit aller Photodioden (1), hier 64, abgegriffen werden.
