DE4037313A1 - Optronischer korrelator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optronischen Korrelator, d. h. optisch/elek­ tronischen Korrelator mit großen Zeitbandbreiteprodukt.

Bei bisher be­ kannten Korrelatoren oder sogenannten Optimalfiltern oder SAW-Filtern (vgl. DE 32 48 539 C2) sind die Zeitbandbreiteprodukte relativ niedrig. Die Detektierbarkeit von Signalen im Rauschen ist durch den Quotienten aus Signalenergie (Leistung×Zeit) und spektraler Störleistungsdichte, die Extraktionsfähigkeit von Informationen, wie etwa Laufzeit, ist durch das Zeitbandbreiteprodukt eines Signals gegeben.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, das Zeitbandbreiteprodukt von Korrelatoren oder Optimalfiltern erheblich zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die beanspruchten Verfahrens- und Vor­ richtungsmerkmale. Aus- und Weiterbildungen sind in weiteren Ansprüchen beschrieben.

Der wesentlichste Vorteil ist eine Steigerung des Zeitbandbreiteproduk­ tes um mindestens eine Größenordnung und entsprechend gesteigerter Sig­ naldetektierbarkeit trotz stark verrauschter Signale. Diese Vorteile gelten sowohl gegenüber SAW-Filtern, z. B. ist ein solcher Filter in der DE 32 48 539 C2 beschrieben, als auch gegenüber einer "Tapped Delay Line" (eine solche ist z. B. in der EP 01 06 505 A2 beschrieben). Die elektronische Auswertung für die bevorzugte Anwendung der Erfindung (Bi­ närkorrelator) kann in der Art ausgeführt werden, wie in der Deutschen Patentschrift 38 16 845 C2 beschrieben. Abwandlungen hiervon können selbstverständlich vorgenommen werden, ohne hierdurch den Schutzumfang zu verlassen, wie er durch die Ansprüche gekennzeichnet ist.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das zu korrelierende/optimal zu fil­ ternde Signal auf ein Lichtsignal gleicher zeitlicher Länge (beispiels­ weise durch Amplitudenmodulation) aufzumodulieren. So kann nach dem Vor­ bild des "Tapped Delay Line"-Filters ein optronisch wirksames Optimal­ filter mit sehr großem Zeitbandbreiteprodukt hergestellt werden. Das so modulierte Lichtsignal wird in einen Lichtwellenleiter eingespeist. Der Lichtwellenleiter (LWL) ist mit Rücksicht auf seine beträchtliche Länge bei geforderter geringer Dämpfung als Glasfaser ausgebildet (die Glas­ sorte wird unter dem Gesichtspunkt möglichst geringer Dämpfung ausge­ wählt). Diese (Monomode-) Glasfaser wird beispielsweise in vorteilhaft spiralig ausgeätzten Rillen/V-Nuten (siehe Fig. 1a) des Siliziumwafers eingedrückt, um eine planare Spule als Verzögerungsleitung auf einem Chip zu bilden. Diese planare Lichtwellenleiterspule in Spiralform wird nun an diskreten Stellen des Lichtwellenleiters so bearbeitet (ange­ schliffen, angeätzt), daß an diesen angezapften Stellen Licht austritt. Das aus den dadurch geschaffenen Austrittsfenstern austretende Licht kann nun mit einer Linsenanordnung oder ähnlicher Optik gesammelt und auf einer einzigen PIN-Diode als Photoempfänger konzentriert werden; zur Sammlung und Bildung des Korrelations- bzw. Konvolutionsintegrals.

Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen, an den Austrittsfenstern für das Licht eine Lichtwellenleiterspirale, die von einem Zentrum in Fig. 1 und Fig. 1a ausgeht und als Verzögerungsleitung für Licht von einer ge­ pulsten Lichtquelle (LED) dient, gemäß Fig. 1, Anzapfungen a bis f anzu­ bringen, wobei diese Sammellichtwellenleiter von a bis f wegen ihrer Kürze als radiale Strahlen, die zum Zentrum führen, aus optischem Lei­ termaterial, wie Lithium-Niobat (LiNbO₃) im Strahlen-/Streifenmuster in Dünnschichttechnik hergestellt werden, wobei das Strahlenmuster mit Hilfe von Maskentechnik oder auf lithogrphischem Wege erzeugt wird. Die Sammellichtwellenleiter, die (siehe Fig. 2 und Fig. 2a) von den Fenstern a bis f zum Zentrum führen, sind auf einem eigenen Siliziumwafer ange­ ordnet (siehe Fig. 2a). Im Zentrum ist bevorzugt auch die Sammellinse angeordnet, die mit einem Sammellichtwellenleiter zum Sammelpunkt S und von dort zum Photoempfänger (PIN-Diode) führt.

Der Träger für die als Verzögerungsleitung dienende planare Lichtwellen­ leiterspule (Fig. 1a) dient als Unterteil und der Träger für die strah­ lenförmigen Sammellichtwellenleiter (Fig. 2a) dient als Oberteil einer zu schaffenden Einheit, die zusammengefügt/gebondet wird, insbesondere am Umfang der beiden Siliziumwafer. Dabei wird der Lichtwellenleiter in Form der planaren spiraligen Spule in einer entsprechend in Mikrotechnik hergestellten Spirale des Unterteils (Fig. 1a) eingeklemmt. Für die Fixierung dieses spiraligen Lichtwellenleiters ist deshalb kein Haftver­ mittler (Klebstoff) erforderlich.

Erfindungsgemäß sind die Sammellichtwellenleiter, insbesondere in Form kurzer Stäbe, als Strahlen, insbesondere in Streifenform aus optischem leitendem Material, wie Lithium-Niobat in Dünnschichttechnik/Maskentech­ nik im Vakuum aufgedampft (PVD- oder CVD-Verfahren). Hierbei wird man möglichst dünne Lichtwellenleiter verwenden und möglichst dünne Stege zwischen den V-Nuten in dem Siliziumwafer (Fig. 1a) stehenlassen, um so eine möglichst große Länge eines Lichtwellenleiters auf kleinem Raum planar zu realisieren. Hierzu dient vor allem die Spiralform, die beson­ ders gut in Mikrotechnik, insbesondere Mikrosystemtechnik aus einem Si­ liziumwafer o. ä. Material in Kreisscheibenform, wie in der Halbleiter­ technik üblich, herstellbar ist.

Wird Licht durch die Spirale geschickt, so wird ersichtlich, daß die Korrelationsspitze (peak) dann auftritt, wenn auf dem spiraligen Licht­ wellenleiter alle Hellabschnitte von Lichtsignalen mit Hell/Dunkelab­ schnitten, die durch den Lichtwellenleiter geschickt werden, an den An­ zapfungsstellen (a bis f) liegen. In diesem Moment ist ein Maximum, d. h. die höchste Lichtintensität, vorhanden und am Sammelpunkt S mit Hilfe des Photoempfängers (PIN-Diode) erkennbar. Dabei wird an dem photoelek­ trischen Detektor (PIN-Diode) momentan ein Intensitätsmaximum der opti­ schen Impulse erfaßt und es bilden sich entsprechend elektrische Signale aus, entweder analoge oder nach Umwandlung in einem A/D-Wandler digitale Signale (Bits) zur Informationsweiterverarbeitung/Processing und Auswer­ tung.

Hierzu bietet sich eine Verarbeitung binärer Signale nach DE 3B 16 845 C2 an, wobei die schnelle Änderung vom 0-Zustand in den 1-Zustand größer als eine Mikrosekunde, jedoch kleiner als eine Millise­ kunde angestrebt wird. Dabei können die gewandelten/demodulierten Meß­ signale mit Referenzsignalen zur Auswertung verglichen werden, in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Elektronik.

Die Erfindung ist nicht auf die o. a. Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Anwendung der Erfindung liegt vor allem in der Nachrichtentechnik, zum einen für Signalübertragung über eine bestimmte Strecke auf elektromagnetischem, insbesondere optischem Wege, aber auch in der Meßtechnik, Analysentechnik und anderen Anwendungen.

Es kann im Rahmen der Erfindung bei Signaldauern von größer als eine Mi­ krosekunde, kleiner als eine Millisekunde ausgeführter Echtzeitverarbei­ tung von Signalen hoher Bandbreite bis in den Gigahertzbereich hinein, eine hohe Zeitstandbreite erzielt werden. Zeitbandbreite (time band wide) ist das Produkt einer Zeit multipliziert mit einer Frequenz, z. B. Millisekunde×1 : Millisekunde zu verstehen, daß bei der Erfindung in der Größenordnung von 1000 und mehr liegt (dimensionslose Zahl als Güte­ ziffer). Bei Abwandlungen dürfen jedoch nicht die durch die erfindungs­ gemäße Lichtsammelanordnung kürzesten Verbindungen von Anzapfstellen zum Zentrum einer Spirale gefährdet werden, d. h. die Ziele der Erfindung, wie kurze Wege, geringe Dämpfung der Lichtwellenleiter (LWL) und hohe Extraktionsfähigkeit modulierter/kodierter Information.

Abwandlungen können hinsichtlich des Wafermaterials vorgenommen werden, jedoch wurde Silizium (Si) wegen der guten chemischen Ätzbarkeit (aniso­ trop) eines kristallinen Materials gewählt. Auch andere aus der Mikro­ systemtechnik, Mikromechanik, Mikroelektronik, Optoelektronik bekannte Materialien und Herstellverfahren, einschließlich derjeniger für Licht­ wellenleiter (in Dünnschichttechnik) und deren Integration einschließ­ lich Optik und Elektronik auf einem Chip sind hier anwendbar.

Da die Auswerteelektronik nur die bekannten Schaltungsteile wie Demudolatoren A/D- und/oder D/A-Wandler und Komperatoren (für Vergleich mit einer Referenz) enthält, ist sie der Einfachheit wegen nicht dargestellt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erkennen von Informationen enthaltenden, über ei­ ne Strecke übertragener Nutzsignale aus verrauschten elektromagneti­ schen, insbesondere Lichtsignalen, nach Art einer angezapften Verzöge­ rungsleitung (tapped delay line), dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter in spiralförmigen Rillen/Nuten eines Wafers auf mikrotech­ nischem Wege hergestellt ist, um so eine planare Lichtwellenleiterspule auf einem Chip zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Glas­ fasern in spiralig ausgeätzten Rillen/Nuten eines Siliziumwafers eige­ klemmt/eingedrückt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (LWL) an diskreten Stellen so bearbeitet, insbesondere mechanisch (angeschliffen) oder chemisch (angeätzt) angezapft ist, daß an diesen Stellen/Fenstern Licht austritt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an diskreten Stellen aus den Fenstern austretende Licht gesammelt und auf einen einzigen Photoempfänger (PIN-Diode) konzentriert wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammeln mittels Lichtwellenleitern erfolgt, die von den Fenstern das Licht anzapfen und zu den Photoempfängern (PIN-Dioden) hinleiten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter zur Sammlung des Lichtes auf einem eigenen Träger (Si­ liziumwafer) angeordnet sind, insbesondere als kürzeste Verbindung (Strahlen) von den Anzapfungen zum Zentrum (C) oder Sammelpunkt (S).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter zum Sammeln von im Vakuum aufgedampften Streifen aus dünnen Schichten optischer Leiter, wie aus Lithium-Niobat (LiNbO₃) gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Träger für den Lichtwellenleiter als spiralige Verzöge­ rungsleitung und ein zweiter Träger für die Lichtwellenleiter für das Sammeln von aus Anzapfungen/Fenstern austretendem Licht zu einer Einheit zusammengefügt sind (Fig. 3).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Zusammenfügen/Bonden der beiden Träger/Wafer der Lichtwellenleiter für die Verzögerungsleitung in eingeätzte Spiralen eines Siliziumwafers eingeklemmt bzw. eingedrückt wird und der erste Träger für den Lichtwel­ lenleiter in Spiralform als Verzögerungsleitung ein Unterteil (Basis) bildet, auf das ein zweiter Träger für die Lichtwellenleiter zum Sammeln des an den Anzapfungen/Fenstern austretenden Lichtes, der ein(en) Ober­ teil (Deckel) bildet, aufgesetzt wird.

10. Verfahren zum Erkennen von Informationen enthaltenden, über eine Strecke übertragener Nutzsignale aus verrauschten elektromagnetischen, insbesondere Lichtsignalen, nach Art einer angezapften Verzögerungslei­ tung (tapped delay line), mit Hilfe einer elektronischen Signalverarbei­ tung in Echtzeit, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erkennenden Nutz­ signale/Informationen, in schneller Änderung aufmoduliert auf Lichtsig­ nale vorgegebener Dauer, in einen Wellenleiter in Form einer in Mikro­ technik hergestellten Planarspule eingespeist werden und nach Sammlung, Demodulation und Vergleich mit Referenzen, binär elektronisch verarbei­ tet/ausgewertet werden.