-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kohärenten Detektion eines optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion eines optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
-
Zur kohärenten Detektion von optischen Signalen werden üblicherweise wellenleiterintegrierte Fotodioden benutzt, wobei eine homodyne oder heterodyne Mischung des optischen Signals mit einem Referenzsignal (dem Lokal-Oszillator-Signal) mittels eines Richtkopplers oder eines MMIs (Multimode-Interferenz-Koppler) erfolgt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in dem Artikel „Monolithically integrated polarisation diversity heterodyne receivers on GalnAsP/lnP“, R. Kaiser et al., Electronics Letters 30 (17), 1446 (1994) beschrieben. Die Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Anordnung sind jedoch begrenzt. Insbesondere lassen sie sich nicht zu 2D-Arrays kombinieren, welche beispielsweise für bildgebenden Verfahren nötig sind. Es ist ebenfalls bekannt, das optische Signal und das Referenzsignal unter Verwendung eines Strahlteilers in eine Fotodiode einzukoppeln. Derartige Anordnungen sind jedoch ebenfalls nur begrenzt einsetzbar.
-
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine möglichst flexibel anwendbare Möglichkeit der kohärenten Detektion anzugeben.
-
Dieses Problem wird durch die Bereitstellung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Vorrichtung den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Danach wird ein Verfahren zur kohärenten Detektion mindestens eines optischen Signals bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen mindestens einer vertikal beleuchtbaren Fotodiode;
- - Erzeugen mindestens eines optischen Referenzsignals;
- - Einstrahlen des optischen Signals und des Referenzsignals in die Fotodiode derart, dass die beiden Signale zumindest teilweise miteinander interferieren, wobei
- - das Einstrahlen des optischen Signals in die Fotodiode über eine erste Seite der Fotodiode und das Einstrahlen des Referenzsignals in die Fotodiode über eine zweite Seite der Fotodiode erfolgt oder umgekehrt das Referenzsignal über die erste Seite der Fotodiode und das optische Signal über die zweite Seite in die Fotodiode eingestrahlt werden.
-
Das optische Signal (die optische Welle, insbesondere in Form des optischen Strahls) und das Referenzsignal (das Lokal-Oszillator-Signal, das ebenfalls in Form eines optischen Strahls kann) werden somit über unterschiedliche Seiten der Fotodiode in diese eingestrahlt. Dies erlaubt beispielsweise eine größere Flexibilität bei der Führung der Signale und ermöglicht insbesondere die Anordnung mehrerer Fotodioden in einem Array. Denkbar ist, dass das Einstrahlen der Signale ohne Verwendung eines Strahlteilers erfolgt. Beispielsweise werden das optische Signal und das Referenzsignal zumindest im Wesentlichen kollinear in die Fotodiode eingestrahlt.
-
Die vertikal beleuchtbare Fotodiode ist so ausgebildet, dass das zu detektierte optische Signal vertikal eingestrahlt wird, d. h. insbesondere senkrecht zu einem Substrat der Fotodiode. Die erste Seite ist insbesondere der zweiten Seite der Fotodiode abgewandt, wobei die beiden Seiten beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zueinander verlaufen. Möglich ist, dass die erste Seite eine Unterseite der Fotodiode darstellt und beispielsweise durch das bereits erwähnte Substrat oder eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht (beispielsweise einer Kontaktschicht) der Fotodiode ausgebildet ist. Entsprechend kann die zweite Seite eine Oberseite der Fotodiode bilden, wobei die Oberseite ebenfalls durch eine Seite einer Halbleiterschicht der Fotodiode (Beispiel das ebenfalls in Form einer Kontaktschicht) ausgeformt sein kann.
-
Das optische Signal und/oder das Referenzsignal werden beispielsweise unter einem Winkel relativ zu dem Substrat oder Halbleiterschicht eingestrahlt. Beispielsweise erfolgt das Einstrahlen des optischen Signals und/oder des Referenzsignals zumindest näherungsweise senkrecht zu dem Substrat oder der Halbleiterschicht.
-
Darüber hinaus werden das optische Signal und das Referenzsignal insbesondere so in die Fotodiode eingestrahlt, dass sie sich in einer Absorberschicht der Fotodiode zumindest teilweise überlagern. Möglich ist, dass die Dicke der Absorberschicht im Hinblick auf die Detektionseffizienz der Fotodiode optimiert ist.
-
Bei der Fotodiode handelt es sich insbesondere um eine p-i-n-Diode; beispielsweise in Form einer (an sich bekannten) Lawinen-Fotodiode. Denkbar ist, dass sich das optische Signal und das Referenzsignal insbesondere in einer Absorberschicht und/oder Multiplikatorschicht der Lawinen-Fotodiode überlagern.
-
Die Fotodiode kann insbesondere zur homodynen Detektion verwendet werden, bei der die Wellenlängen des optischen Signals und des Referenzsignals zumindest näherungsweise gleich sind. Denkbar ist jedoch auch, dass die Fotodiode zu heterodynen Detektion eingesetzt wird, wobei die Wellenlängen des optischen Signals und des Referenzsignals unterschiedlich sind. Das optische Signal und das Referenzsignal werden beispielsweise (insbesondere im Fall der homodynen Detektion) mit Hilfe derselben optischen Lichtquelle (insbesondere in Form eines Lasers) erzeugt.
-
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Referenzsignal zur räumlichen Abtastung des optischen Signals unter verschiedenen Winkeln relativ zu der ersten oder zweiten Seite der Fotodiode eingestrahlt, wobei für jeden der Winkel ein elektrisches Signal der Fotodiode registriert wird. Das Detektorsignal in Bezug auf das optische Signal ist am größten, wenn das Referenzsignal kollinear zu dem optischen Signal gerichtet ist, so dass sich durch Verändern des Einstrahlwinkels des Referenzsignals Informationen über die Richtung des optischen Signals ermitteln lassen und/oder die Detektion des optischen Signals richtungsselektiv vorgenommen wird („beam steering“). Insbesondere wird für jeden der Winkel ein Interferenzsignal, d.h. ein Signal, das von der Interferenz der optischen Signale abhängt, registriert. Denkbar ist, dass das optische Signal aus einem (z.B. divergierendes) Strahlenbündel besteht, das einen gewissen Raumwinkelbereich um einen Zentraleinfallswinkel überdeckt. In diesem Fall ist das registrierte Interferenzsignal vor allem (insbesondere überwiegend, zumindest näherungsweise im Wesentlichen) von einem Anteil des optischen Signals, der kollinear zum Referenzsignal in die Fotodiode einfällt, abhängig.
-
Beispielsweise wird ein Array von Fotodioden bereitgestellt, wobei das optische Signal jeweils über die erste oder die zweite Seite in die Fotodioden und das Referenzsignal jeweils über die andere Seite der Fotodioden eingestrahlt wird, wobei jede der Fotodioden ein durch die Interferenz des optischen Signals mit dem Referenzsignal erzeugtes Interferenzsignal registriert, das vor allem von einem Anteil des optischen Signals, der kollinear zum Referenzsignal in die Fotodiode einfällt, abhängt. Denkbar ist insbesondere, dass mit dem Array ein optisches Signal, das ein einen Raumwinkelbereich überdeckendes Strahlenbündel umfasst, registriert wird, wobei das Detektorsignal im Wesentlichen von dem zu dem Referenzsignal kollinearen Anteil des optischen Signals (des Strahlenbündels) abhängt.
-
Das mindestens eine optische Signal wird insbesondere mit Hilfe mindestens eines strahlformenden Elements, z.B. einer (z.B. konkaven) Linse oder eines Linsenarrays, in die Fotodioden eingestrahlt. Denkbar ist, dass das mindestens eine strahlformende Element so ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest einige der Fotodioden optische Signale aus unterschiedlichen Raumwinkelbereichen empfangen.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion mindestens eines optischen Signals, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit
- - mindestens einer vertikal beleuchtbaren Fotodiode; und
- - einer Lichteinstrahlvorrichtung zum Einstrahlen eines optischen Signals und eines Referenzsignals in die Fotodiode derart, dass die beiden Signale zumindest teilweise miteinander interferieren, wobei
- - die Lichteinstrahlvorrichtung so ausgebildet ist, dass das in die Lichteinstrahlvorrichtung eintretende oder auftreffende optische Signal über eine erste Seite der Fotodiode und das das in die Lichteinstrahlvorrichtung eintretende oder auftreffende Referenzsignal über eine zweite Seite der Fotodiode in die Fotodiode eingestrahlt wird oder umgekehrt das Einstrahlen des Referenzsignals über die erste Seite und das Einstrahlen des optischen Signals über die zweite Seite erfolgt.
-
Beispielsweise umfasst die Lichteinstrahlvorrichtung eine erste Umlenkvorrichtung zum Umlenken des optischen Signals oder des Referenzsignals und eine zweite Umlenkvorrichtung zum Umlenken des Referenzsignals. Denkbar ist, dass die erste und/oder die zweite Umlenkvorrichtung mindestens ein reflektives Element (insbesondere eine als Spiegel wirkende Fläche) umfasst. Möglich ist auch, dass die erste und/oder die zweite Umlenkvorrichtung eine Linse oder ein sonstiges diffraktives Element aufweist.
-
Des Weiteren kann die Lichteinstrahlvorrichtung einen Wellenleiter zum Leiten des optischen Signals umfassen, wobei zum Beispiel die erste Umlenkvorrichtung durch eine Endfläche des Wellenleiters ausgebildet wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wellenleiter um einen optisch-integrierten Wellenleiter, d. h. einen Wellenleiter, der durch mindestens eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht ausgeformt ist. Denkbar ist, dass die lichtumlenkende Endfläche des optisch integrierten Wellenleiters durch eine (insbesondere winklig verlaufende) Aussparung in der Halbleiterschicht und/oder dem Substrat gebildet ist.
-
Des Weiteren können natürlich auch die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fotodiodenvorrichtung herangezogen werden.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Array mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Fotodiodenvorrichtungen. Ein derartiges Array kann beispielsweise als bildgebender Sensor verwendet werden; zum Beispiel im Rahmen eines LIDAR-Systems (etwa eines FMCW - Frequency modulated coherent - LIDAR-Systems). Beispielsweise sind die Lichteinstrahlvorrichtungen der Fotodiodenvorrichtungen des Arrays so beschaffen und angeordnet, dass die Fotodioden mehrerer der Fotodiodenvorrichtungen mit demselben Referenzsignal beleuchtbar sind.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 normierte Intensität des zu detektierenden Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz zwischen der Richtung des optischen Signals und des Referenzsignals.
-
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Fotodiodenvorrichtung 100 zur kohärenten Detektion eines optischen Signals OS umfasst eine Fotodiode 10. Die Fotodiode 10 weist mehrere auf einem Substrat 1 übereinander angeordnete Halbleiterschichten 2 bis 4 auf. Die unterste Schicht 2 stellt eine n-dotierte Kontaktschicht dar, während es sich bei der obersten Schicht 4 um eine p-dotierte Kontaktschicht handelt. Zwischen den beiden Kontaktschichten 2, 4 befindet sich die Absorberschicht 3, so dass die Schichten 2 bis 4 einen p-i-n-Übergang ausbilden. Möglich ist alternativ, dass die n-dotierte Kontaktschicht oberhalb der Absorberschicht 3 angeordnet ist und sich die p-dotierte Kontaktschicht unterhalb der Absorberschicht 3 angrenzend an das Substrat 1 erstreckt. Zur elektrischen Kontaktierung der n-Kontaktschicht 2 dienen n-Kontakte 21, während die p-Kontaktschicht 4 über p-Kontakte 42 kontaktiert wird.
-
Die Fotodiodenvorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine (in 1 nicht dargestellte) Lichteinstrahlvorrichtung, mit der das zu detektierende optische Signal OS über eine erste Seite der Fotodiode 10, nämlich über eine Unterseite 11 des Substrats 1, in die Fotodiode 10 eingekoppelt wird. Mit Hilfe der Lichteinstrahlvorrichtung wird des Weiteren ein Referenzsignal in Form eines Lokal-Oszillator-Signals LO über eine zweite Seite der Fotodiode 10 in dieser eingekoppelt. Die zweite Seite der Fotodiode 10 wird durch ihre Oberseite gebildet, d. h. durch eine nach außen gewandte Seite 41 der p-Kontaktschicht 4. Möglich ist natürlich auch, dass umgekehrt das optische Signal OS über die Oberseite der Fotodiode 10, d. h. die Seite 41 der Schicht 4, und das Lokal-Oszillator-Signal LO über ihre Unterseite, d. h. die Seite 11 des Substrats 1, in die Fotodiode 10 eingekoppelt wird.
-
Es erfolgt somit nach Art der kohärenten Detektion eine Mischung des optischen Signals OS mit dem Lokal-Oszillator-Signal LO. Gleichzeitig wird ein von dem durch diese Mischung gebildeten Mischsignal abhängiges Detektorsignal erzeugt. Anhand dieses Detektorsignals lassen sich in an sich bekannter Weise Eigenschaften des optischen Signals OS bestimmen. Insbesondere umfasst die erfindungsgemäße Fotodiodenvorrichtung auch eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Detektorsignals. Denkbar ist zudem, dass wie oben bereits erläutert die Einstrahlrichtung des Lokal-Oszillator-Signals LO verändert wird, um Informationen bezüglich der Richtung des optischen Signals OS zu gewinnen oder die Detektion richtungsselektiv durchzuführen.
-
In 2 ist ein konkreteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fotodiodenvorrichtung 100 gezeigt. Die Fotodiode 10 der Fotodiodenvorrichtung 100 weist analog zu 1 eine n-dotierte Kontaktschicht (n-Kontaktschicht 2) und eine p-dotierte Kontaktschicht (p-Kontaktschicht 4) auf, zwischen denen sich eine Absorberschicht 3 befindet.
-
Die Lichteinstrahlvorrichtung 20 der Fotodiodenvorrichtung 100 umfasst einen durch auf dem Substrat 1 angeordnete Halbleiterschichten 211 ausgebildeten optisch-integrierten Wellenleiter 210, in den das zu detektierende optische Signal OS eingekoppelt wird. Durch die Halbleiterschichten 211 des Wellenleiters 210 (und zum Beispiel auch durch die n-Kontaktschicht 2) erstreckt sich eine Aussparung 212 hindurch. Die Aussparung 212 verläuft unter einem Winkel zum Substrat 1 (zum Beispiel unter 45°) und dem Wellenleiter 210, so dass der Wellenleiter 210 eine an die Aussparung 212 angrenzende und unter diesem Winkel verlaufende Endfläche 213 besitzt. Diese Endfläche 213 bildet eine erste Umlenkvorrichtung in Form einer Umlenkfläche, die das in dem Wellenleiter 210 geführte optische Signal OS Licht um einen von dem Verlauf der Aussparung 212 abhängigen Winkel (vorliegend 90°) in Richtung auf die Fotodiode 10 umlenkt. Das optische Signal OS tritt somit wiederum über eine Unterseite der Fotodiode 10, die in diesem Fall durch eine Unterseite 22 der n-Kontaktschicht 2 gebildet ist, in die Fotodiode 10 ein.
-
Des Weiteren umfasst die Lichteinstrahlvorrichtung 20 eine zweite Umlenkvorrichtung in Form einer (zum Beispiel zylindrisch ausgebildeten) Linse 220. Die Linse 220 ist so angeordnet, dass das in sie eingestrahlte Lokal-Oszillator-Signal LO in Richtung auf die Oberseite der Fotodiode 10, d. h. die Oberseite 41 der p-Kontaktschicht 4, abgelenkt wird und über die Seite 41 der p-Kontaktschicht 4 in die Fotodiode 10 einkoppelt. Es kommt analog zur 1 zu einer Überlagerung des optischen Signals OS und des Lokal-Oszillator-Signals LO in der Absorberschicht 3. Denkbar ist auch hier, dass die Einstrahlrichtung des Lokal-Oszillator-Signals LO variiert wird, um das optische Signal OS räumlich abzutasten.
-
Wie bereits in Zusammenhang mit der 1 erwähnt, können das optische Signal OS und das Lokal-Oszillator-Signal LO natürlich auch vertauscht sein, d. h. das Lokal-Oszillator-Signal LO könnte über den Wellenleiter 210 und das optische Signal OS über die Linse 220 in die Fotodiode 10 eingekoppelt werden.
-
Des Weiteren könnte anstelle der dargestellten konventionellen Fotodiode auch eine Lawinen-Fotodiode verwendet werden, die zusätzlich zu der Absorberschicht unter anderem eine Multiplikatorschicht enthält. Möglich ist auch, dass mehrere der Fotodiodenvorrichtungen 100 der 1 und 2 zu einem Array verbunden werden, um zum Beispiel einen bildgebenden Sensor zu realisieren.
-
3 zeigt die normierte Intensität des zu detektierenden Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz („relativer Ausbreitungswinkel“) zwischen der Richtung des optischen Signals und der Richtung des Referenzsignals für unterschiedliche Aperturen der Fotodiode oder einer der Fotodiode vorgelagerten Linse. Für sämtliche Aperturen nimmt die Intensität des Interferenzsignals bei zunehmender Winkeldifferenz ab, wobei der Intensitätsverlauf für die kleinste Apertur (10 µm) am steilsten abfällt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- R. Kaiser et al., Electronics Letters 30 (17), 1446 (1994) [0002]
