Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Empfänger für eine optische drahtlose Kommunikation.

Optische Transceiver, welche einen optischen Sender und einen optischen Empfänger umfassen, werden heute vielfach für die optische drahtlose Kommunikation eingesetzt. Die Anforderungen an Reichweite und Erfassungsbereich bei gleichzeitig kleiner werdendem Formfaktor steigen dabei stetig an.

Die Anforderungen an einen Transceiver für die optische drahtlose Kommunikation bestehen in einer hohen Datenrate, in einer applikationsspezifischen Abstrahlungscharakteris- tik, in einem applikationsspezifischen Sichtfeld, daraus resultierend in einer großen Reichweite und in einem großen Erfassungsbereich, in einer einfachen Handhabung durch den Anwender, in einem kleinen Formfaktor, in einer hohen Sensitivität, in einem großen Dynamikbereich des Empfängers und in einem Sendeelement, welches den Augensicherheitsanforderungen genügt.

Heutige Transceiver bzw. optische Empfänger für die optische drahtlose Kommunikation bestehen aus einer Linse und einem Photodetektor. Die optischen Kenndaten, wie Sensitivität, Sichtfeld und Dynamikbereich, dieser Anordnung wird bestimmt durch die Größe der Linse, die Größe des Photodetektors sowie die elektrischen Eigenschaften des De- tektors, wie zum Beispiel die elektrische Bandbreite, die Eingangskapazität, die Ladungsträgerbeweglichkeit und die Empfindlichkeit. Da eine hohe Datenrate eine sehr kleine Eingangskapazität des Detektors erfordert, welche aus Proportionalitätsgründen eine sehr kleine Diodenfläche zur Folge hat, ist die Leistungsfähigkeit des Systems bzgl. des Sichtfelds stark eingeschränkt. Eine bedingte Kompensation dieses Nachteils kann durch kom- plexe und große Optiken erreicht werden. Dadurch wird der Empfänger jedoch zu groß und zu schwer sowie kostentechnisch nicht marktrelevant.

Bei kleinem Formfaktor ist mit konventionellen Mitteln kein großes Sichtfeld bei gleichzeitig hoher Datenrate umsetzbar. Anwendungsspezifische Anforderungen können häufig nicht erfüllt werden. Aus der US 6,983,1 10 B2 ist ein optischer Empfänger bekannt, der einen Eingangspfad, einen Matrixlichtsensor, eine optische Sammellinse und einen Informationssignalgenerator aufweist. Die Sammellinse ist dem optischen Eingangspfad zugeordnet. Der Matrixlichtsensor beinhaltet Lichtdetektoren und eine lichtempfindliche Oberfläche. Jeder Lichtdetektor erzeugt ein lichtabhängiges elektrisches Signal, welches dem Informationssignalgenerator zugeführt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten optischen Empfänger bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Empfänger für eine optische drahtlose Kommunikation, mit einer Lichtbrecheinrichtung zum Brechen von einem einfallenden Lichtsignal, um so das einfallende Lichtsignal in Teillichtsignale aufzuteilen; einer ersten Konvertereinrichtung, welche eine Vielzahl von ersten Konverterelementen zum Einkoppeln eines der Teillichtsignale in jeweils eine optische Signalleitung umfasst, um so je optischer Signalleitung ein eingekoppeltes Lichtsignal zu erzeugen; einer Schaltereinrichtung, welche eine Einzahl oder eine Mehrzahl von Schaltern aufweist, welche jeweils in einer der optischen Signalleitungen angeordnet und dazu ausgebildet sind, das eingekoppelte Lichtsignal in einer ersten Schalterstellung weiterzuleiten und in einer zweiten Schalterstellung zu blockieren, um so wenigstens ein eingekoppeltes schaltbares Lichtsignal zu erzeugen; und einer Detektoreinrichtung mit einer Einzahl oder einer Mehrzahl von Detektorelementen zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von wenigstens einem der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale.

Die Lichtbrecheinrichtung dient dazu, das einfallende Licht so zu brechen, dass jedem der Konverterelemente ein Teil des einfallenden Lichtes, also ein Teillichtsignal, zugeführt wird. Mittels der Lichtbrecheinrichtung ist es möglich, das gewünschte Sichtfeld gezielt einzustellen. Dabei kann das Sichtfeld in Teilsichtfelder aufgeteilt sein, welche jeweils durch eines der erzeugten Teillichtsignale abgebildet wird. Die Teilsichtfelder können dabei überlappend oder nicht überlappend vorgesehen sein.

Indem nun jedes der Teillichtsignale mittels der Konvertereinrichtung in eine eigene opti- sehe Signalleitung eingekoppelt wird, kann jedes der Teillichtsignale unabhängig von den anderen Teillichtsignalen als eingekoppeltes Lichtsignal weitergeleitet und verarbeitet werden.

Indem nun einzelnen oder bevorzugt allen optischen Signalleitungen Schalter zugeordnet sind, welche es ermöglichen, die eingekoppelten Lichtsignale in einer ersten Schalterstellung weiterzuleiten und in einer zweiten Schalterstellung zu blockieren, kann die Gesamtleistung der eingekoppeltes schaltbaren Lichtsignale beeinflusst werden. Auf diese Weise kann eine große Empfindlichkeit des Empfängers ohne die Gefahr der Übersteuerung des Empfängers realisiert werden. Wenn beispielsweise das einfallende Lichtsignal eine ge- ringe Leistung aufweist, so können sämtliche Schalter in die erste Schaltstellung gebracht werden, um eine möglichst große Gesamtleistung der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale zu erhalten. Wenn hingegen das einfallende Lichtsignal eine sehr hohe Leistung aufweist, können einige der Schalter in die zweite Schaltstellung gebracht werden, umso die Gesamtleistung der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale zu verringern, so dass eine Übersteuerung des Empfängers vermieden ist. Zudem ist es so möglich, Störsignale gezielt auszublenden. Störsignale können dabei beispielsweise an der Art ihrer Modulation erkannt werden. Die Schalter können dabei durch eine elektronische Steuereinrichtung basierend auf den Eigenschaften des oder der einfallenden Lichtsignale automatisch geschaltet sein.

Die Schalter können zum Beispiel als elektro-optische Schalter ausgebildet sein. Die elektrooptischen Schalter können auf organischen oder auf anorganischen Materialien basieren. Möglich sind Flüssigkristallgemische, z. B. eine Mischung aus dem Flüssigkristall E44 und aus Polymethlymethacrylat, sogenannte Dye-Doped Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystals (DDPSBP-LC) oder siliziumbasierte Mikroringresonatoren in Kombination mit PIN Dioden (englisch: positive intrinsic negative diode).

Mit Hilfe der Detektoreinrichtung können die eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale in elektrische Signale umgewandelt werden und dann analog und/oder digital weiterverarbei- tet werden. Die Detektorelemente können beispielsweise aus Indiumgalliumarsenid (InGaAS) aus Galliumarsenid (GaAs), aus Silizium (Si) oder aus Germanium(Ge) beste- hen. Es können insbesondere Photodioden, wie beispielsweise PIN Photodioden, verwendet werden.

Die Erfindung ermöglicht einen kleinen Formfaktor bei gleichzeitig anwendungsspezifi- schem Sichtfeld. Möglich ist dabei sogar ein Rundumsichtfeld, so dass selbst ein omnidi- rektionaler Empfänger möglich wird. Dadurch kann eine optische drahtlose Übertragungsstrecke realisiert werden, deren Reichweite unabhängig von der relativen Ausrichtung von Sender und Empfänger ist. Zusätzlich kann so der Dynamikbereich des Empfängers vergrößert werden, wodurch eine Datenübertragung mit dem gleichen Empfänger bei sehr kurzen bis hin zum mittleren Reichweiten einfach sichergestellt werden kann. D.h. der Empfänger wird bei einer kurzen Reichweite (hohe optische Empfangsleistung) nicht übersteuert und bei großer Reichweite (sehr kleine Empfangsleistung) wird eine ausreichend hohe Sensitivität bereitgestellt. Da die Detektoreinrichtung mehrere Detektorelemente enthalten kann, können diese kleinflächig ausgebildet sein, so dass diese eine kleine Eingangskapazität aufweisen können, so dass der Empfänger mit hohen Datenraten betrieben werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lichtbrecheinrichtung wenigstens ein Linsenarray mit einer Vielzahl von Linsen zum Brechen des empfangenen Lichtsignals. Unter einem Linsenarray wird dabei eine Baueinheit mit einer Vielzahl von Linsen verstanden. Das Linsenarray kann dabei einzeln montierte Linsen oder einen zusammenhängenden Linsenverbund umfassen. Verwendet werden können zum Beispiel plankonvexe Linsen, bikonvexe Linsen, asphärische Linsen, Fresnel-Linsen, CPC-Linsen oder DTIRC-Linsen. Die Linsen können beispielsweise Glas, Kunststoff, Polymere, Silizi- um, Germanium usw. umfassen. Die Herstellung der Linsen kann in einem Pressverfahren, in einem Spritzgussverfahren, in einem Imprintverfahren, in einem Halbleiterprozess usw. erfolgen. Eine einzelne Linse kann in einem Ausführungsbeispiel das von ihr aufgenommene Licht auf genau ein Konverterelement leiten. In diesem Fall erzeugt die Linse genau eines der Teillichtsignale. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine einzel- ne Linse das von ihr aufgenommene Licht auf mehrere Konverterelemente leiten. In diesem Fall erzeugt die einzelne Linse mehrere Teillichtsignale. In einem anderen Ausführungsbeispiel leiten mehrere der Linsen das jeweils von ihnen aufgenommene Licht auf eine Linse. In diesem Fall erzeugen mehrere Linsen gemeinsam ein Teillichtsignal. Alternativ zum Linsenarray kann ein optisches Gitter oder ein Diffuser eingesetzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Linsenarrays vorgesehen, welche aus unterschiedlichen Richtungen einfallende Lichtsignale jeweils in Teillichtsignale aufteilen. Hierdurch kann auf einfache Weise das Sichtfeld vergrößert werden, wobei die Empfindlichkeit des Empfängers in unterschiedlichen Teilsichtfeldern nahezu gleichbleibend sein kann. Beispielsweise können mehrere Konverterarrays jeweils kombiniert mit einem Linsenarray an verschiedenen Seiten eines Empfangsmoduls angeordnet sein, und so ein sehr großes Sichtfeld bereitzustellen. Im Idealfall kann so eine optische omnidirektionale Antenne realisiert werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Konvertereinrichtung wenigstens ein Konverterarray mit wenigstens einem Teil der ersten Konverterelemente. Unter einem Konverterarray wird dabei eine bauliche Einheit verstanden, welche eine Vielzahl von Konverterelementen umfasst. Jedes Konverterelement kann dabei ein Teillichtsignal, welches von einer Linse oder von mehreren Linsen stammt, in eine opti- sehe Faser einkoppeln. Die Konverterelemente eines Konverterarrays können auf planen oder gewölbten Flächen angeordnet sein. Möglich sind insbesondere kreisförmige Anordnungen oder rechteckige Anordnungen der Konverterelemente.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Konverterelemente als Gitterkoppler ausgebildet. Die Gitterkoppler können optional mit einem so genannten Taper versehen sein. Hierdurch wird eine direkte Faserfixierung in einem definierten Abstand zu einem Kopplungsbereich des Gitterkopplers bewirkt. Der Gitterkoppler kann in einem Pressverfahren, in einem Ätzverfahren, in einem Imprintverfahren oder in einem Halbleiterprozess aus Silizium, aus Germanium, aus Glas, oder aus einem Polymer her- gestellt sein.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eines der Linsenarrays an einem der Konverterarrays angeordnet. In diesem Fall bilden das Linsenarray und das Konverterarray eine bauliche Einheit. Hierdurch kann eine präzise Aus- richtung des Linsenarrays in Bezug auf das Konverterarray bewirkt werden. Dabei kann jedem Konverterelement genau eine Linse zugeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass jedem Konverterelement mehrere Linsen zugeordnet sind. Schließlich ist es auch möglich, dass sich mehrere Konverterelemente eine Linse teilen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Konvertereinrichtung und der Detektoreinrichtung eine Phasenausgleichsanordnung zum Ausgleich von Phasenunterschieden der in unterschiedliche optische Signalleitungen eingekoppelten Lichtsignale vorgesehen. Gerade bei größeren Linsenarrays oder bei der Verwendung von mehreren Linsenarrays kann ein Phasenausgleich der einzelnen optischen Signalleitungen sinnvoll sein, um bei der weiteren Verarbeitung der eingekoppelten Lichtsignale eine gegenseitige Schwächung bzw. Auslöschung der eingekoppelten Lichtsignale zu verhindern. Unter einem Phasenausgleich wird dabei eine Maßnahme verstanden, welche die Phasen der unterschiedlichen Teil Lichtsignale relativ zueinander angleicht.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Phasenausgleichsan- Ordnung wenigstens ein statisches Verzögerungselement, welches einer der optischen Signalleitungen zugeordnet ist. Ein statisches Verzögerungselement, also ein Verzögerungselement, welches ständig eine definierte Verzögerung des jeweiligen eingekoppelten Lichtsignale bewirkt, stellt eine einfache Möglichkeit dar, die Phasen von unterschiedlichen eingekoppelten Lichtsignale aneinander anzugleichen. Im einfachsten Fall ist das statische Verzögerungselement durch eine Verlängerung der optischen Signalleitung realisiert. Möglich als statische Verzögerungselemente sind jedoch auch Mikroringresonato- ren.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Phasenausgleichsan- Ordnung wenigstens ein dynamisch zuschaltbares Verzögerungselement, welches einer der optischen Signalleitungen zugeordnet ist. Durch die Verwendung von dynamisch zuschaltbaren Verzögerungselementen kann die Genauigkeit der Phasenanpassung verbessert werden. Insbesondere kann so die Phasenanpassung in Abhängigkeit von einem tatsächlichen Phasenunterschied durchgeführt werden. Die dynamischen Verzögerungs- elemente können dabei durch eine elektronische Steuereinrichtung automatisch gesteuert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Konvertereinrichtung und der Detektoreinrichtung eine wellenlängensensitive Filtereinrichtung angeordnet, welche wenigstens ein Filterelement zum Filtern wenigstens eines der in eine der optischen Signalleitungen eingekoppelten Lichtsignale aufweist. Mittels einer derartigen Filtereinrichtung ist es möglich, störende Fremdsignale aus den eingekoppelten Lichtsignalen zu entfernen. Dabei können einzelne oder alle der eingekoppelten Lichtsignale gefiltert werden. Die Filterelemente können statisch oder dynamisch zu-und abschaltbar sein. Der Durchlassbereich der Filterelemente kann beispielsweise im Bereich von 850 nm, im Bereich von 940 nm, im Bereich von 980 nm, im Bereich von 1330 nm oder im Bereich von 1550 nm liegen. Es sind aber auch andere Bereiche möglich. Als Filterelemente können Mikroringresonatoren, zum Beispiel auch so genannte Grating-Assisted Mikroringresona- toren, oder elektrooptisch selektive Materialien verwendet werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Konvertereinrichtung vorgesehen, welche eine Einzahl oder eine Mehrzahl von zweiten Konverterelementen zum Auskoppeln des geschalteten Lichtsignals aus wenigstens einer der optischen Signalleitungen umfasst, wobei die Konverterelemente so ausgebildet sind, dass das aus gekoppelte Lichtsignal senkrecht auf die Detektorelemente trifft. Die zweiten Konver- terelemente können so wie die ersten Konverterelemente ausgebildet sein, wobei allerdings der Eingang und der Ausgang vertauscht sind.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einem der Detektorelemente die ausgekoppelten Lichtsignale von wenigstens zwei der optischen Signalleitungen zu- führbar. Hierdurch kann die optische Signalleistung an einem der Detektorelemente erhöht werden, so dass eine größere Empfindlichkeit erzielt werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Konverterelemente eines der ersten Konverterarrays und die dem ersten Konverterarray zugeordneten Schal- ter und/oder die dem ersten Konverterarray zugeordneten Detektorelemente auf einer oder mehreren Ebenen eines Substrates ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konverterarray zugeordneten Verzögerungselemente auf dem Substrat ausgebildet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konverterarray zugeordneten Filterelemente auf dem Substrat ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konver- terarray zugeordneten zweiten Konverterelemente auf dem Substrat ausgebildet.

Durch die Ausbildung mehrerer der Elemente auf einer oder mehreren Ebenen des gemeinsamen Substrats kann der Empfänger einfach und präzise hergestellt werden. Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen der Erfindung können dabei, außer z. B. in den Fällen ein- deutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen, einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Linsenarrays und eines Konverterarrays eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 3 eine räumliche Darstellung eines Linsenarrays und eines Konverterarrays eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 4 eine räumliche Darstellung eines Konverterelements eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Lichtbrecheinrichtung, einer Konvertereinrichtung und einer Schaltereinrichtung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers;

Fig. 9 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers; und Fig. 10 eine räumliche Darstellung eines Konverterarrays, einer Phasenausgleichsanordnung, einer Schaltereinrichtung und einer Detektoreinrichtung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1 für eine optische drahtlose Kommunikation, mit einer Lichtbrecheinrichtung 2 zum Brechen von einem einfallenden Lichtsignal LE, um so das einfallende Lichtsignal LT in n Teillichtsignale LT1 bis LTn aufzuspalten; einer ersten Konvertereinrichtung 3, welches eine Vielzahl von ersten Konverterelementen zum Einkoppeln eines der Teillichtsignale LT1 bis LTn in jeweils eine optische Signalleitung umfasst, um so je optischer Signalleitung ein eingekoppeltes Lichtsignal LK1 bis LKn zu erzeugen; einer Schaltereinrichtung 4, welche eine Einzahl oder eine Mehrzahl von Schaltern aufweist, welche jeweils in einer der optischen Signalleitungen angeordnet und dazu ausgebildet sind, das eingekoppelte Lichtsignal LK1 bis LKn in einer ersten Schaltstellung weiterzuleiten und in einer zweiten Schalterstellung zu blockieren, um so wenigstens ein eingekoppeltes schaltbares Lichtsignal LS1 bis LSN zu erzeugen; und einer Detektoreinrichtung 5 mit einer Einzahl oder einer Mehrzahl von Detektorelementen zum Erzeugen eines elektrischen Signals ES1 bis ESm in Abhängigkeit von wenigstens einem der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSN.

Mittels der Lichtbrecheinrichtung 2 ist es möglich, das gewünschte Sichtfeld gezielt einzustellen. Dabei kann das Sichtfeld in Teilsichtfelder aufgeteilt sein, welche jeweils durch eines der erzeugten Teillichtsignale LT1 bis LTn abgebildet wird. Die Teilsichtfelder kön- nen dabei überlappend oder nicht überlappend vorgesehen sein.

Indem nun jedes der Teillichtsignale LT1 bis LTn mittels der Konvertereinrichtung 3 in eine eigene optische Signalleitung eingekoppelt wird, kann jedes der Teillichtsignale LT1 bis LTn unabhängig von den anderen Teillichtsignalen LT1 bis LTn als eingekoppeltes Lichtsignal LK1 bis LKn weitergeleitet und verarbeitet werden. Die Anzahl n der Teillicht- Signale entspricht dabei der Anzahl n der optischen Signalleitungen und damit der Anzahl n der eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn.

Indem nun einzelnen oder bevorzugt allen optischen Signalleitungen Schalter zugeordnet sind, welche es ermöglichen, das eingekoppelte Lichtsignal LK1 bis LKn in einer ersten Schalterstellung weiterzuleiten und in einer zweiten Schalterstellung zu blockieren, kann die Gesamtleistung der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LK1 bis LKn beeinflusst werden. Auf diese Weise kann eine große Empfindlichkeit des Empfängers 1 ohne die Gefahr der Übersteuerung des Empfängers 1 realisiert werden. Wenn beispielsweise das einfallende Lichtsignal LE eine geringe Leistung aufweist, so können sämtliche Schalter in die erste Schaltstellung gebracht werden, um eine möglichst große Gesamtleistung der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSn zu erhalten. Wenn hingegen das einfallende Lichtsignal LE eine sehr hohe Leistung aufweist, können einige der Schalter in die zweite Schaltstellung gebracht werden, umso die Gesamtleistung der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSn zu verringern, so dass eine Übersteuerung des Empfängers 1 vermieden ist. Zudem ist es so möglich, Störsignale gezielt auszublenden. Störsignale können dabei beispielsweise an der Art ihrer Modulation erkannt werden. Die Schalter können dabei durch eine elektronische Steuereinrichtung basierend auf den Eigenschaften des oder der einfallenden Lichtsignale LE automatisch geschaltet sein.

Mit Hilfe der Detektoreinrichtung 5 können die eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSn in elektrische Signale ES1 bis ESm umgewandelt werden und dann analog und/oder digital weiterverarbeitet werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass jedes der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSn genau einem Detektorelement zuge- führt und in ein individuelles elektrisches Signal ES1 bis ESm umgewandelt wird. In diesem Fall entspricht die Anzahl n der eingekoppelten schaltbaren Lichtsignale LS1 bis LSn der Anzahl m der elektrischen Signale ES1 bis ESm. Es ist aber auch möglich, eine Gruppe von Lichtsignalen LS1 bis LSn gemeinsam zu einem der Detektorelemente zu führen. Dann ist die Anzahl n der eingekoppelten Lichtsignale LS1 bis LSn größer als die Anzahl m der elektrischen Signale ES1 bis ESm. Die Detektorelemente können in einem Detektorarray 19 angeordnet sein, wobei unter einem Detektorarray 19 eine bauliche Einheit mit einer Vielzahl von Detektorelementen verstanden wird.

Die Erfindung ermöglicht einen kleinen Formfaktor bei gleichzeitig anwendungsspezifi- schem Sichtfeld. Möglich ist dabei sogar ein Rundumsichtfeld, so dass selbst ein omnidi- rektionaler Empfänger 1 möglich wird. Dadurch kann eine optische drahtlose Übertra- gungsstrecke realisiert werden, deren Reichweite unabhängig von der relativen Ausrichtung von Sender und Empfänger 1 ist. Zusätzlich kann so der Dynamikbereich des Empfängers 1 vergrößert werden, wodurch eine Datenübertragung mit dem gleichen Empfänger 1 bei sehr kurzen bis hin zum mittleren Reichweiten einfach sichergestellt werden kann. D.h. der Empfänger 1 wird bei einer kurzen Reichweite (hohe optische Empfangsleistung) nicht übersteuert und bei großer Reichweite (sehr kleine Empfangsleistung) wird eine ausreichend hohe Sensitivität bereitgestellt. Da die Detektoreinrichtung 5 mehrere Detektorelemente 14 enthalten kann, können diese kleinflächig ausgebildet sein, so dass diese eine kleine Eingangskapazität aufweisen können, so dass der Empfänger 1 mit ho- hen Datenraten betrieben werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Lichtbrecheinrichtung 2 wenigstens ein Linsenarray 6 mit einer Vielzahl von Linsen zum Brechen des empfangenen Lichtsignals LE. Unter einem Linsenarray 6 wird dabei eine Baueinheit mit einer Viel- zahl von Linsen verstanden. Das Linsenarray 6 kann dabei einzeln montierte Linsen oder einen zusammenhängenden Linsenverbund umfassen. Verwendet werden können zum Beispiel plankonvexe Linsen, bikonvexe Linsen, asphärische Linsen, Fresnel-Linsen, CPC-Linsen oder DTIRC-Linsen. Die Linsen können beispielsweise Glas, Kunststoff, Polymere, Silizium, Germanium usw. umfassen. Die Herstellung der Linsen kann in einem Pressverfahren, in einem Spritzgussverfahren, in einem Imprintverfahren, in einem Halb- leiterprozess usw. erfolgen. Eine einzelne Linse kann das Licht auf ein oder auf mehrere Konverterelemente fokussieren. Alternativ zum Linsenarray kann ein optisches Gitter oder ein diffuser eingesetzt werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Konvertereinrichtung 3 wenigstens ein Konverterarray 8 mit wenigstens einem Teil der ersten Konverterelemente. Unter einem Konverterarray 8 wird dabei eine bauliche Einheit verstanden, welche eine Vielzahl von Konverterelementen umfasst. Jedes Konverterelement kann dabei ein Teillichtsignal, welches von einer Linse oder von mehreren Linsen stammt, in eine optische Faser einkoppeln. Die Konverterelemente eines Konverterarrays 8 können auf planen oder gewölbten Flächen angeordnet sein. Möglich sind insbesondere kreisförmige Anordnungen oder rechteckige Anordnungen der Konverterelemente.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Linsenarrays 6 und eines Konverterarrays 8 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers. Die Konfiguration der Fig. 2 kann dabei bei jedem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä- ßen Empfängers vorgesehen sein. In Fig. 2 umfasst die Lichtbrecheinrichtung 2 beispielhaft ein Linsenarray 6, welches j Linsen 7.1 bis 7.j. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 entspricht die Anzahl j der Linsen 7.1 bis 7.j der Anzahl n der ersten Konverterelemente und damit der Anzahl n der eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn. In anderen Ausfüh- rungsbeispielen kann j aber auch größer oder kleiner als n sein.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eines der Lin- senarrays 6 an einem der Konverterarrays 8 angeordnet. In diesem Fall bilden das Linsenarray 6 und das Konverterarray 8 eine bauliche Einheit. Hierdurch kann eine präzise Ausrichtung des Linsenarrays 6 in Bezug auf das Konverterarray 8 bewirkt werden. Dabei kann jedem Konverterelement genau eine Linse 7.1 bis7.j zugeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass jedem Konverterelement mehrere Linsen 7.1 bis7.j zugeordnet sind. Schließlich ist es auch möglich, dass sich mehrere Konverterelemente eine Linse 7.1 bis7.j teilen.

Fig. 3 zeigt eine räumliche Darstellung eines Linsenarrays 6 und eines Konverterarrays 8 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1. Einfallendes Licht LE fällt auf eine als Linsenarray 6 ausgebildete Lichtbrecheinrichtung 2. Auf diese Weise entsteht gebrochenes Licht LT welches auf die als Konverterarrays 8 ausgebildete erste Konvertereinrichtung 3 fällt.

Fig. 4 zeigt eine räumliche Darstellung eines Konverterelements 9 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1 . Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Konverterelemente 9 als Gitterkoppler 9 ausgebildet. Die Gitterkoppler 9 können optional mit einem so genannten Taper versehen sein. Hierdurch wird eine direkte Fixierung der optischen Signalleitung 10 in einem definierten Abstand zu einem Kopplungsbereich des Gitterkopplers 9 bewirkt. Der Gitterkoppler 9 kann in einem Pressverfahren, in einem Ätzverfahren, in ei- nem Imprintverfahren oder in einem Halbleiterprozess aus Silizium, aus Germanium, aus Glas, oder aus einem Polymer hergestellt sein.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Lichtbrecheinrichtung 2, einer Konvertereinrichtung 3 und einer Schaltereinrichtung 4 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Linsenarrays 6.1 bis 6.3 vorgesehen, welche aus unterschiedlichen Richtungen einfallende Lichtsignale LE1 bis LE3 jeweils in Teillichtsignale aufzuteilen. Hierdurch kann auf einfache Weise das Sichtfeld vergrößert werden, wobei die Empfindlichkeit des Empfängers 1 in unterschiedli- chen Teilsichtfeldern nahezu gleichbleibend sein kann. Beispielsweise können mehrere Konverterarrays 8.1 bis 8.3 jeweils kombiniert mit einem Linsenarray 6.1 bis 6.3 an verschiedenen Seiten eines Empfangsmoduls 1 angeordnet sein, und so ein sehr großes Sichtfeld bereitzustellen. Im Idealfall kann so eine optische omnidirektionale Antenne realisiert werden.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Konvertereinrich- tung 2 und der Detektoreinrichtung 5 eine Phasenausgleichsanordnung 1 1 zum Ausgleich von Phasenunterschieden der in unterschiedliche optische Signalleitungen eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn vorgesehen. Gerade bei größeren Linsenarrays 6 oder bei der Verwendung von mehreren Linsenarrays 6 kann ein Phasenausgleich der einzelnen optischen Signalleitungen sinnvoll sein, um bei der weiteren Verarbeitung der eingekop- pelten Lichtsignale LK1 bis LKn eine gegenseitige Schwächung bzw. Auslöschung der eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn zu verhindern. Unter einem Phasenausgleich wird dabei eine Maßnahme verstanden, welche die Phasen der unterschiedlichen Teil Lichtsignale LK1 bis LKn relativ zueinander angleicht. Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Konvertereinrichtung 3 und der Detektoreinrichtung 5 eine wellenlängensensitive Filtereinrichtung 12 an- geordnet, welche wenigstens ein Filterelement zum Filtern wenigstens eines der in eine der optischen Signalleitungen eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn aufweist. Mittels einer derartigen Filtereinrichtung 12 ist es möglich, störende Fremdsignale aus den eingekoppelten Lichtsignalen LK1 bis LKn zu entfernen. Dabei können einzelne oder alle der eingekoppelten Lichtsignale LK1 bis LKn gefiltert werden. Die Filterelemente können sta- tisch oder dynamisch zu-und abschaltbar sein. Der Durchlassbereich der Filterelemente kann beispielsweise im Bereich von 850 nm, im Bereich von 940 nm, im Bereich von 980 nm, im Bereich von 1330 nm oder im Bereich von 1550 nm liegen. Es sind aber auch andere Bereiche möglich. Als Filterelemente können Mikroringresonatoren, zum Beispiel auch so genannte Grating-Assisted Mikroringresonatoren, oder elektrooptisch selektive Materialien verwendet werden.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Konvertereinrichtung 13 vorgesehen, welche eine Einzahl oder eine Mehrzahl von zweiten Konverterelementen zum Auskoppeln des geschalteten Lichtsignals LS1 bis LSn aus wenigstens einer der optischen Signalleitungen umfasst, wobei die Konverterelemente so ausgebildet sind, dass das ausgekoppelte Lichtsignal LA1 bis LA auf n senkrecht auf die Detektorelemente trifft. Die zweiten Konverterelemente können so wie die ersten Konverterelemente ausge- bildet sein, wobei allerdings der Eingang und der Ausgang vertauscht sind.

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1 . Hierbei sind die wesentlichen Blöcke des Empfängers die bereits beschriebene Lichtbrecheinrichtung 2, die bereits beschriebene erste Konvertereinrichtung 3, die bereits beschriebene Phasenausgleichsanordnung 1 1 , die bereits beschriebene Schalteinrichtung 4, die bereits beschriebene Filtereinrichtung 12, die bereits beschriebene zweite Konvertereinrichtung 13 und die bereits beschriebene Detektoreinrichtung 5.

Fig. 10 zeigt eine räumliche Darstellung eines Konverterarrays 8, einer Phasenaus- gleichsanordnung 1 1 , einer Schaltereinrichtung 4 und einer Detektoreinrichtung 5 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Empfängers 1. Dabei weist die erste Konvertereinrichtung 3 ein Konverterarray mit insgesamt neun ersten Konverterelementen 9.0 bis 9.8 auf. Jedes der Konverterelemente 9.0 bis 9.8 ist dabei mit einer der optischen Signalleitungen 0.0 bis 0.8 verbunden, um jeweils einen Teil des durch die nicht gezeig- te Lichtbrecheinrichtung 2 gebrochenen Lichts in die jeweilige optische Signalleitung 10.0 bis 10.8 einzukoppeln.

Die Schaltereinrichtung 4 umfasst insgesamt beispielhaft neun Schalter 15.0 bis 15.8, wobei jeder der Schalter 15.0 bis 15.8 zum Schalten einer der Signalleitungen 10.0 bis 10.8 vorgesehen ist. Die Schalter 15.0 bis 15.8 können zum Beispiel als elektro-optische Schalter 15.0 bis 15.8 ausgebildet sein. Die elektrooptischen Schalter 15.0 bis 15.8 kön- nen auf organischen oder auf anorganischen Materialien basieren. Möglich sind Flüssigkristallgemische, z. B. eine Mischung aus dem Flüssigkristall E44 und aus Polymethlyme- thacrylat, sogenannte Dye-Doped Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystals (DDPSBP-LC) oder siliziumbasierte Mikrowellenresonanzforen in Kombination mit PIN Dioden (englisch: positive intrinsic negative diode).

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Phasenausgleichsanordnung 1 1 wenigstens ein statisches Verzögerungselement 16, welches einer der optischen Signalleitungen 10.0 bis 10.8 zugeordnet ist. Ein statisches Verzögerungselement 16, also ein Verzögerungselement 16, welches ständig eine definierte Verzögerung des jeweiligen eingekoppelten Lichtsignale bewirkt, stellt eine einfache Möglichkeit dar, die Phasen von unterschiedlichen eingekoppelten Lichtsignale aneinander anzugleichen. Im einfachsten Fall ist das statische Verzögerungselement durch eine Verlängerung der optischen Signalleitung realisiert. Möglich als statische Verzögerungselemente sind jedoch auch, wie in Figur 10 gezeigt, Mikroringresonatoren 16.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Phasenausgleichsanordnung 1 wenigstens ein dynamisch zuschaltbares Verzögerungselement 17.1 bis 17.3, welches einer der optischen Signalleitungen 10.0 bis 10.8 zugeordnet ist. Durch die Ver- wendung von dynamisch zuschaltbaren Verzögerungselementen 17.1 bis 17.3 kann die Genauigkeit der Phasenanpassung verbessert werden. Insbesondere kann so die Phasenanpassung in Abhängigkeit von einem tatsächlichen Phasenunterschied durchgeführt werden. Die dynamischen Verzögerungselemente 17.1 bis 17.3 können dabei durch eine elektronische Steuereinrichtung automatisch gesteuert werden.

Die Detektorelemente 14.0 bis 14.2 können beispielsweise aus Indiumgalliumarsenid (InGaAS) aus Galliumarsenid (GaAs), aus Silizium (Si) oder aus Germanium(Ge) bestehen. Es können insbesondere Photodioden, wie beispielsweise PIN Photodioden, verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind einem der Detektorelemente 14.0 bis 14.2 die ausgekoppelten Lichtsignale von wenigstens zwei der optischen Signalleitungen 10.0 bis 10.8 zuführbar. Hierdurch kann die optische Signalleistung an einem der Detektorelemente 14.0 bis 14.2 erhöht werden, so dass eine größere Empfindlichkeit erzielt werden kann. So werden im Beispiel der Fig. 10 die ausgekoppelten Lichtsignale der Signalleitungen 10.0 bis 10.2 dem Detektorelement 14.0, die ausgekoppelten Licht- Signale der Signalleitungen 10.3 bis 10.5 dem Detektorelement 14.1 und die aus gekoppelten Lichtsignale der Signalleitungen 10.6 bis 10.8 dem Detektorelement 14.2 zugeführt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die ersten Konverterelemente 9 eines der ersten Konverterarrays 8 und die dem ersten Konverterarray zugeordneten Schalter 15 und/oder die dem ersten Konverterarray 8 zugeordneten Detektorelemente 14 auf einer Ebene eines Substrates ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konver- terarray 8 zugeordneten Verzögerungselemente 16, 17 auf der Ebene des Substrates ausgebildet.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konverterarray 8 zugeordneten Filterelemente auf der Ebene des Substrates ausgebildet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die dem ersten Konverterarray 8 zugeordneten zweiten Konverterelemente auf der Ebene des Substrates ausgebildet. Durch die Ausbildung mehrerer der Elemente auf einer gemeinsamen Ebene des Substrats kann der Empfänger einfach und präzise hergestellt werden.

Der erfindungsgemäße Empfänger umfasst in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel folgende Bestandteile:

Ein Linsenarray, bestehend aus einzeln montierten Linsen oder einem zusammenhängendem Linsenverbund. Die Linsen sind z.B. plankonvex, bi-konvex, Asphären, Fresnellinsen, CPC oder DTIRC. Das Material kann Glas, Kunststoff, Polymere, Silizium oder Germanium umfassen. Die Herstellung kann mittels Pressverfahren, Spritzguss, Imprint oder Halbleiterprozessen erfolgen. Eine Linse kann Licht auf ein Konverterelement des Konverterarrays oder auf das gesamte Konverterarray fokussieren. Die Linsen können auch direkt auf das Konverterarray aufgebracht werden (ein Linsenelement auf ein Konverterelement, mehrere Linsenelemente auf ein Konverterelement, eine Linse auf mehrere Konverterelemente). Als Alternative zum Linsenarray kann ein optisches Gitter oder ein Diffusor eingesetzt werden. Ein Konverterarray, bestehend aus mehreren Konverterelementen, die jeweils das Licht einer Linse (oder mehrerer Linsen) in je eine optische Faser (auch optische Signalleitung) einkoppeln. Das Konverterelement kann z.B. ein Gitterkoppler, optional mit Taper (direkte Faserfixierung in definiertem Abstand) sein. Bei dem Material kann es sich um Silizium, Germanium, Glas oder um ein Polymer handeln. Die Herstellung kann durch Pressverfahren, Ätzen, Imprint, Halbleiterprozesse erfolgen. Die Anordnung der Konverterelemente kann auf verschiedene Weise beispielsweise auf planen oder gewölbten Flächen erfolgen. Beispielsweise sind kreisförmige Anordnungen oder rechteckigem Muster möglich. Es können mehrere Konverterarrays (jeweils kombiniert mit Linsenarray) an ver- schiedenen Seiten eines Empfangsmoduls angeordnet werden und so eine zusätzlich vergrößerte Coverage erzeugen (im Idealfall auch als Omnidirektionale Antenne).

Eine Schaltmatrix bei der einzelne der n Signalleitung abgeschaltet werden können, um so definierte Bereiche des Empfängers abzuschalten (Reduktion von optischer Leistung oder Störungen). Dazu können z.B. elektro-optische Schalter eingesetzt werden. Elektrooptische Schalter sind ausgebildet über organische oder anorganische Materialien (z.B. Flüssigkritallgemisch (z.B. PMMA/E44 Composite, Dye-Doped Polymer-Stabilized Blue Phase Liquid Crystals (DDPSBP-LC)) oder siliziumbasierte Mikroringresonatoren in Kombination mit PIN Dioden oder andere elektrooptische Schalterprinzipien). Zusätzlich können aus n optischen Signalleitungen mehrere Signalleitungen zusammengeschaltet, um so die optische Signalleistung pro Leitung zu erhöhen. Die Anzahl resultierender m Ausgangssignale kann größer gleich eins sein.

Ein Detektorarray mit einem bis m Detektoren (z.B. InGaAs, GaAs, Si PIN Photo- dioden). Das Licht fällt bevorzugt aus dem Konverterarray jeweils senkrecht auf die Detektoroberfläche.

Eine Phasenausgleichsanordnung. Bei sehr großen Arrays oder der Anwendung mehrerer Linsen-/Konverterarrays kann ein Phasenausgleich der einzelnen optischen Signalleitungen optional notwendig werden. Der Phasenausgleich kann über statische oder dynamisch zuschaltbare Delayelemente erfolgen. Als statische Verzögerungselemente können unterschiedliche Signallängen oder Mikroringresonatoren verwendet werden. Als dynamische Verzögerungselemente können z.B. über elektrooptische Schalter schaltbare Delayelemente bedarfsgerecht in den Signalweg geschaltet werden. Eine Filtermatrix, mit der jedes der n Signale wellenlängenselektiv gefiltert wird. Die Filter können fest verdrahtet sein oder dynamisch je nach Anwendung zu- oder abgeschaltet werden. Die Wellenlängenselektivität kann z.B. in einem Bereich um 850nm, 940nm, 980nm, 1330nm, 1550nm oder in einem anderen Bereich liegen. Die Filter kön- nen z.B. mittels Mikroringresonator (z. B. auch Grating-Assisted Mikroringresonator, elekt- rooptisch selektiver Materialien) realisiert werden. Die Filtermatrix ist optional. Der Phasenausgleich, die Schaltermatrix und die Filtermatrix können auf derselben physikalischen Ebene (gleiches Substrat) wie die Konverterelemente angeordnet sein. Eine zweite Variante besteht in der Aufteilung auf mehrere planare oder andere Substratebenen (mindes- tens zwei), die z.B. gestackt (übereinander gestapelt) werden können.

Ein zweites Konverterarray ist optional und kann das optische Signal senkrecht zu dem Detektorarray leiten. Vom Aufbau können beim zweiten Konverterarray ähnliche Herstellungstechnologien wie beim ersten Konverterarray verwendet werden. Das zweite Konverterarray kann weniger Elemente aufweisen als das erste.

Die Vorteile der beschriebenen Erfindung bestehen in einer Kombination aus kleinem Formfaktor sowie gleichzeitig anwendungsspezifischer Coverage (im Extremfall: Omnidi- rektionaler Empfänger). Dadurch kann die optische Performance einer optisch drahtlosen Übertragungsstrecke bzgl. Reichweite und Ausrichtung von Sender und Empfänger erhöht werden. Zusätzlich ist der Dynamikbereich des beschriebenen Empfängers vergrößert, wodurch eine Datenübertragung mit dem gleichen Empfänger bei sehr kurzen bis hin zu mittleren Reichweiten einfach sichergestellt werden kann. D. h. der Empfänger wird bei einer kurzen Reichweite (hohe optische Empfangsleistung) nicht übersteuert und bei großer Reichweite (sehr kleine Empfangsleistung) wird eine ausreichend hohe Sensitivität bei kleinen (kbit/s) mittleren (Mbit/s) und hohen Datenraten (Multi Gbit/s) bereitgestellt.

Bezugszeichenliste:

1 Optischer Empfänger

2 Lichtbrecheinrichtung

3 erste Konvertereinrichtung

4 Schaltereinrichtung

5 Detektoreinrichtung

6 Linsenarray

7 Linse

8 Konverterarray

9 erstes Konverterelement

10 optische Signalleitung

1 1 Phasenausgleichsanordnung

12 Filtereinrichtung

13 zweite Konvertereinrichtung

14 Detektorelement

15 Schalter

16 statisches Verzögerungselement

17 dynamisches Verzögerungselement

18 zweites Konverterarray

19 Detektorarray ni

LE einfallendes Lichtsignal

LT Teillichtsignal

LK eingekoppeltes Lichtsignal

LS eingekoppeltes geschaltetes Lichtsignal

ES elektrisches Signal

LA ausgekoppeltes Lichtsignal