DE10203875A1 - Optical signal receiver comprises photodiode and absorption filter made of semiconductor with direct band junction - Google Patents
Optical signal receiver comprises photodiode and absorption filter made of semiconductor with direct band junctionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Realisierung optischer Empfänger für die leitungsungebundene optische Übertragung von Signalen, die sich, unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung, durch eine besonders niedrige spektrale Detektionsbreite auszeichnen.The invention relates to the implementation of optical receivers for non-wired optical transmission of Signals that are independent of the angle of incidence of the Radiation, due to a particularly low spectral Mark detection width.
Derartige optische Empfänger werden für die leitungsungebundene optische Übertragung von Signalen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer niedrigen spektralen Detektionsbreite störendes Umgebungslicht weitgehend unterdrücken.Such optical receivers are used for Cable-free optical transmission of signals used because of their low spectral Detection ambient light largely disturbing suppress.
In kommerziellen optischen Empfängern für die leitungsungebundene Übertragung werden aus ökonomischen Gründen fast ausschließlich Farbglasfilter mit Photodioden kombiniert.In commercial optical receivers for the Wired transmission are made from economic Color glass filters with photodiodes are almost the only reasons combined.
Die Farbglasfilter gehören zu den Absorptionsfiltern und stellen einen optischen Langpass dar. Sie realisieren die untere Grenzwellenlänge des optischen Empfängers.The colored glass filters belong to the absorption filters and represent an optical long pass. You realize the lower limit wavelength of the optical receiver.
Die Photodiode besitzt Kurzpassverhalten und realisiert deshalb die obere Grenzwellenlänge des optischen Empfängers. Die Kombination aus Diode und Filter hat damit das Verhalten eines optischen Bandpasses. The photodiode has short pass behavior and is implemented hence the upper limit wavelength of the optical receiver. The combination of diode and filter has the behavior an optical band pass.
Je näher die Filterflanke des Absorptionsfilters an die Kante der Diode gerückt werden kann, desto geringer ist die resultierende spektrale Breite des Empfängers.The closer the filter flank of the absorption filter is to the edge the diode can be moved, the lower the resulting spectral width of the receiver.
Aufgrund der relativ flach ansteigenden Absorptionskurve von Farbglasfiltern liegt die spektrale Breite eines derartigen optischen Empfängers im Bereich zwischen 200 nm und 300 nm.Due to the relatively flat rising absorption curve of Colored glass filters are the spectral width of such optical receiver in the range between 200 nm and 300 nm.
Aus dem Stand der Technik ist auch die Kombination einer Diode mit einem Interferenzfilter, das Bandpasscharakter besitzt, bekannt. Als optische Bandpässe lassen Interferenzfilter prinzipiell spektrale Breiten im Bereich einiger nm zu.The combination of one is also from the prior art Diode with an interference filter, the bandpass character owns, known. Leave as optical bandpasses Interference filter basically spectral widths in the range a few nm.
Nachteilig bei der Verwendung von Interferenzfiltern wirkt sich die Abhängigkeit der Filtermittenwellenlänge vom Einfallswinkel oder der Polarisation des Lichtes aus.It is disadvantageous when using interference filters the dependence of the filter center wavelength on Angle of incidence or the polarization of the light.
Zur Lösung des Problems werden komplexe Anordnungen aus Interferenzfilter, Konzentrator und Photodiode vorgeschlagen. In der amerikanischen Patentschrift US 4,851,664 wird vorgeschlagen, das Interferenzfilter auf die gekrümmte Oberfläche des Halbkugelkonzentrators aufzubringen. Dieser Vorgang ist aber technologisch äußerst aufwendig.To solve the problem, complex arrangements are made Interference filter, concentrator and photodiode proposed. In the American patent US 4,851,664 suggested the interference filter on the curved Apply surface of the hemisphere concentrator. This The process is technologically extremely complex.
Eine andere Variante, vorgestellt von J. P. Savicki und S. P. Morgan in "Hemispherical concentrators and spectral filters for planar sensors in diffuse radiation fields", Applied Optics, vol. 33, no. 34, pp. 8057-8061, Dec. 1994, sieht zwei parabolische Konzentratoren vor, zwischen denen das Interferenzfilter angeordnet wird. Der erste Konzentrator dient der Winkeltransformation. Auch diese Anordnung ist technologisch sehr aufwendig.Another variant, presented by J. P. Savicki and S. P. Morgan in "Hemispherical concentrators and spectral filters for planar sensors in diffuse radiation fields ", Applied Optics, vol. 33, no. 34, pp. 8057-8061, Dec. 1994, sees two parabolic concentrators between which the Interference filter is arranged. The first concentrator serves the angular transformation. This arrangement is also technologically very complex.
Für derartige optische Empfänger sind Interferenzfilterbandbreiten zwischen 30 nm und 50 nm realistisch. For such optical receivers Interference filter bandwidths between 30 nm and 50 nm realistic.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung für den Empfang optischer Signale bei der leitungsungebundenen optischen Übertragung bereitzustellen, deren möglichst schmaler Empfindlichkeitsbereich und im Spezialfall auch deren Mittenwellenlänge den gegebenen Anforderungen angepasst werden können, wobei der technologische Aufwand so gering wie möglich gehalten wird.The object of the invention is therefore to provide an arrangement for the Reception of optical signals in the non-wired to provide optical transmission, its possible narrow sensitivity range and in special cases also their center wavelength adapted to the given requirements can be, the technological effort so low is kept as possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Anordnung und den dazu aufgeführten Merkmalen gelöst.According to the invention the object with that in claim 1 described arrangement and the features listed there solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the arrangement according to the invention are specified in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßer optischer Empfänger unterdrückt aufgrund seiner geringen spektralen Breite störendes Umgebungslicht, welches zu Empfängerrauschen führt, wirkungsvoller als bisherige Empfängervarianten für die leitungsungebundene Übertragung.An optical receiver according to the invention is suppressed disturbing due to its narrow spectral width Ambient light, which leads to receiver noise, more effective than previous receiver variants for the non-wired transmission.
Da die Filtercharakteristik eines erfindungsgemäßen Empfängers unabhängig vom Einfallswinkel des Lichtes ist, kann das Absorptionsfilter auf der Basis direkter Halbleiter planar realisiert werden. Der technologische Aufwand hierfür ist mit dem einer Farbglas-Dioden-Kombination vergleichbar. Außerdem ermöglicht die vorgeschlagene Empfängervariante eine Multiplexübertragung im optischen Bereich, d. h. Wellenlängenmultiplex bzw. Wellenlängenduplex.Since the filter characteristic of an inventive Is independent of the angle of incidence of the light, the absorption filter can be based on direct semiconductors can be realized planar. The technological effort for this is comparable to that of a colored glass-diode combination. In addition, the proposed receiver variant enables one Multiplex transmission in the optical area, i. H. Wavelength division multiplex or wavelength duplex.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: The invention is described below with reference to drawings explained. In the accompanying drawings:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungs gemäßen Empfängers, Fig. 1 shows the basic structure of the intended receiver Invention,
Fig. 2 das Prinzip der spektralen Filterung, Fig. 2 shows the principle of the spectral filtering,
Fig. 3 einen Vergleich der Filtercharakteristik von Farbglas mit der von GaAs-Wafern mit verschiedenen Fremdatomdotierungen, Fig. 3 shows a comparison of the filter characteristic of colored glass with that of GaAs wafers with different impurity doping,
Fig. 4 einen Vergleich der spektralen Empfind lichkeitscharakteristiken einer Kombi nation aus Interferenzfilter und idealer Silizium-Diode und einer Filter-Dioden- Kombination aus direkten Halbleitern. Fig. 4 shows a comparison of the spectral sensitivity characteristics of a combination of an interference filter and ideal silicon diode and a filter-diode combination of direct semiconductors.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Empfängers gezeigt. Er setzt sich aus der eigentlichen Photodiode 1, die vornehmlich aus einem Halbleitermaterial mit direktem Bandübergang besteht, und einem vorgeschalteten optischen Absorptionsfilter 2, welches in jedem Fall aus einer Schicht eines Halbleitermaterials mit direktem Bandübergang besteht, zusammen. Beide Komponenten sind im Normalfall mit einer Antireflexionsschicht 3 versehen.In Fig. 1 the basic structure of an optical receiver according to the invention is shown. It is composed of the actual photodiode 1 , which primarily consists of a semiconductor material with a direct band transition, and an upstream optical absorption filter 2 , which in any case consists of a layer of semiconductor material with a direct band transition. Both components are normally provided with an anti-reflection layer 3 .
In Fig. 2 ist das Prinzip der spektralen Filterung dargestellt. Die Grenzwellenlänge des Filters 2 wird mit λFi und die der Photodiode 1 mit λPD bezeichnet. Die Grenzwellenlänge λFi des vorgeschalteten Halbleiterfilters liegt unterhalb der Grenzwellenlänge λPD der Photodiode. Es gilt λFi < λPD.In Fig. 2 the principle of spectral filtering is illustrated. The limit wavelength of the filter 2 is denoted by λ Fi and that of the photodiode 1 by λ PD . The cutoff wavelength λ Fi of the upstream semiconductor filter is below the cutoff wavelength λ PD of the photodiode. Λ Fi <λ PD applies.
Das Filter absorbiert Strahlung mit Wellenlängen λ < λFi. Für Wellenlängen λ < λFi ist das Filter hingegen transparent. Diese Strahlung trifft auf die Photodiode. Es wird aber nur der Teil der Strahlung von der Diode absorbiert, dessen Wellenlänge kleiner als die der Grenzwellenlänge der Diode λPD ist. Nur dieser Anteil der Strahlung trägt zum Photostrom bei.The filter absorbs radiation with wavelengths λ <λ Fi . In contrast, the filter is transparent for wavelengths λ <λ Fi . This radiation hits the photodiode. However, only that part of the radiation is absorbed by the diode whose wavelength is less than that of the limiting wavelength of the diode λ PD . Only this portion of the radiation contributes to the photocurrent.
Damit realisiert die Filter-Dioden-Kombination einen optischen Bandpass, dessen spektrale Breite mit Δλ = λPD - λFi definiert ist.The filter-diode combination thus realizes an optical bandpass whose spectral width is defined with Δλ = λ PD - λ Fi .
Bei der Anwendung von direkten Halbleitern ist Dλ geringer als bei herkömmlichen Farbglaslösungen für die leitungsungebundene Übertragung, besonders wenn beide Komponenten aus einem Halbleiter mit direktem Bandübergang bestehen.When using direct semiconductors, Dλ is lower than with conventional colored glass solutions for the Wired transmission, especially if both Components from a semiconductor with a direct band transition consist.
Halbleiter mit direktem Bandübergang zeichnen sich durch einen besonders abrupten Übergang vom Absorptions- in den Transmissionsbereich aus. Fig. 3 zeigt, dass ihre Absorptionskante im Vergleich zur Absorptionskante von Farbglasfiltern steiler verläuft.Semiconductors with a direct band transition are characterized by a particularly abrupt transition from the absorption to the transmission range. Fig. 3 shows that its absorption edge is steeper compared to the absorption edge of colored glass filters.
Durch den abrupten Verlauf der Absorptionskante genügen schon geringe Schichtdicken (10-100 µm), um praktisch die gesamte Störstrahlung zu absorbieren, deren Wellenlänge geringer als die der Grenzwellenlänge des Halbleiters ist. So wird die Filtercharakteristik bezüglich der niedrigen Wellenlängen optimiert.The abrupt course of the absorption edge is enough thin layers (10-100 µm) to cover practically the whole Absorb interference radiation whose wavelength is less than that is the cutoff wavelength of the semiconductor. So it will Filter characteristics regarding the low wavelengths optimized.
Wird für das Filtermaterial ein ternärer Mischhalbleiter mit direktem Bandübergang verwendet, kann die Absorptionskante bzw. die untere Grenzwellenlänge des Systems Filter-Diode in einem weiten Bereich über das Mischungsverhältnis der Halbleiterkomponenten verändert werden. Bei Verwendung von InGaAs kann sie beispielsweise zwischen der von GaAs (870 nm) und der von InAs (3440 nm) variieren.If a ternary mixed semiconductor is used for the filter material used direct band transition, the absorption edge or the lower limit wavelength of the filter-diode system in a wide range over the mixing ratio of Semiconductor components are changed. When using InGaAs, for example, it can be between that of GaAs (870 nm) and that of InAs (3440 nm) vary.
Aber auch binäre Halbleiter, wie GaAs, lassen eine Anpassung der Absorptionskante, wenn auch in geringerem Umfang, durch Fremdatomdotierung zu. Binary semiconductors such as GaAs also allow adaptation the absorption edge, albeit to a lesser extent, by Foreign atom doping too.
In Fig. 3 ist die gemessene Filtercharakteristik von GaAs- Wafern mit verschiedenen "Beimischungen" dargestellt. Reines GaAs besitzt eine Grenzwellenlänge von ca. 870 nm. Durch entsprechende Dotierung verschiebt sich die Grenzwellenlänge in Richtung größerer Wellenlängen. Der spektrale Verlauf der Absorptionskante wird dabei zwar etwas flacher - im Vergleich zu dem von Farbglas ist er aber trotzdem noch weit günstiger.In Fig. 3 the measured filter characteristic of GaAs wafers is shown with different "admixtures". Pure GaAs has a cut-off wavelength of approx. 870 nm. Appropriate doping shifts the cut-off wavelength in the direction of longer wavelengths. The spectral course of the absorption edge becomes a little flatter - but it is still much cheaper than that of colored glass.
Durch die Kombination eines Halbleiterfilters mit einer PIN- Diode, die ihrerseits aus einem direkten Halbleiter besteht und deren Grenzwellenlänge nur geringfügig oberhalb der des Filters liegt, kann eine nahezu perfekte spektrale Charakteristik erreicht werden, da dabei auch der Empfindlichkeitsverlauf der Diode nach oben hin sehr abrupt verläuft.By combining a semiconductor filter with a PIN Diode, which in turn consists of a direct semiconductor and their cut-off wavelength only slightly above that of the Filters lies can be almost perfect spectral Characteristic can be achieved, since the Sensitivity curve of the diode upwards very abruptly runs.
Für den direkten Halbleiter können binäre Halbleiter wie GaAS oder InP zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine InP- Diode mit einem Filter aus GaAs kombiniert werden. Die spektrale Breite dieser Kombination beträgt bei einer Mittenwellenlänge von etwa 890 nm unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung rund 50 nm.Binary semiconductors such as GaAS can be used for direct semiconductors or InP are used. For example, an InP Diode can be combined with a filter made of GaAs. The spectral width of this combination is one Center wavelength of about 890 nm regardless of Angle of incidence of the radiation around 50 nm.
Die Anwendung eines ternären Halbleiters wie InGaAs oder InGaP hat den Vorteil, dass sowohl die obere Empfindlichkeitsgrenze der Diode λPD als auch die Absorptionskante des Halbleiterfilters λFi in einem weiten Spektralbereich entsprechend den gegebenen Anforderungen eingestellt werden kann und damit eine individuelle Anpassung der Mittenwellenlänge und der spektralen Breite der Kombination möglich wird. Es sind spektrale Breiten im Bereich von 10 nm und weniger denkbar. The use of a ternary semiconductor such as InGaAs or InGaP has the advantage that both the upper sensitivity limit of the diode λ PD and the absorption edge of the semiconductor filter λ Fi can be set in a wide spectral range according to the given requirements and thus an individual adjustment of the center wavelength and the spectral width of the combination becomes possible. Spectral widths in the range of 10 nm and less are conceivable.
Damit ist der Aufbau drahtloser Wellenlängenmultiplex- bzw. Wellenlängenduplex-Systeme möglich.The construction of wireless wavelength division multiplexing or Wavelength duplex systems possible.
In Fig. 4 werden die spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken einer Kombination eines idealen Interferenzfilters mit einer idealen Si-Diode und einer Kombination aus einem GaAs-Filters mit einer fiktiven Diode, welche eine Absorptionscharakteristik wie das GaAs- Filter besitzt, die um 50 nm zur größeren Wellenlänge hin verschoben ist, verglichen. Fig. 4 shows the spectral sensitivity characteristics of a combination of an ideal interference filter with an ideal Si diode and a combination of a GaAs filter with a fictitious diode, which has an absorption characteristic like the GaAs filter, around 50 nm towards the longer wavelength is compared.
Spektrale Breiten von 50 nm und weniger ermöglichen zum einen eine effektive Unterdrückung von Störquellen wie das Sonnenlicht, künstliche Beleuchtung oder andere Infrarot- Systeme und zum anderen Wellenlängenmultiplex oder -duplex.On the one hand, spectral widths of 50 nm and less enable effective suppression of sources of interference like that Sunlight, artificial lighting or other infrared Systems and other wavelength division multiplexing or duplexing.
Im Spezialfall ist es auch möglich, die Filterschicht direkt mit der Diode zu kombinieren. In special cases it is also possible to directly apply the filter layer to combine with the diode.
11
Photodiode
photodiode
22
Absorptionsfilter
absorption filter
33
Antireflexionsschichten
λFi Antireflective coatings
λ Fi
Grenzwellenlänge des Absorptionsfilters
λPD Cutoff wavelength of the absorption filter
λ PD
Grenzwellenlänge der Photodiode
Δλ spektrale Breite des optischen Bandpasses
aus Absorptionsfilter und Photodiode
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Cited By (4)
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2002
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