TECHNISCHES GEBIET

[0001] Ausführungsformen der Offenbarung betreffen einen optoelektrischen Chip, ein Messsystem mit einem optoelektrischen Chip sowie ein Verfahren zum Auswerten eines Reflexions Spektrums eines Faser-Bragg-Gitters, das einen optoelektrischen Chip verwendet.

[0002] Bei messtechnischen Anwendungen unter Verwendung von Licht ist es vielfach notwendig, ein Reflexions spektrum oder ein Transmissions spektrum des zur Messung verwendeten Lichts auszuwerten. Beispielsweise wird Licht in seinen spektralen Eigenschaften von optischen Elementen, z. B. von optischen Gittern wie Faser-Bragg-Gittern beeinflusst, und es werden die spektralen Eigenschaften des Lichts ausgewertet, das einer solchen Beeinflussung unterzogen wurde. Die spektralen Eigenschaften des Lichts umfassen beispielsweise ein wellenlängenabhängiges Intensitätsminimum oder -maximum.

STAND DER TECHNIK

[0003] Es sind optoelektrische Chips bekannt, auf bzw. in welchen optische Elemente und elektrische bzw. elektronische Elemente in Form eines gemischten optischen und elektrischen Systems angeordnet und verschaltet sind, typischerweise auf bzw. in einem gemeinsamen Wafer für die jeweiligen optischen und elektrischen/elektronischen Elemente.

[0004] Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen optoelektrischen Chip 101. In den Chip 101 ist ein Lichtwellenleiter 110 eingeführt, dessen eingeführtes Ende eine Lichteintritts Öffnung 111 für eintretendes Licht 150 bildet. Das eintretende Licht 150 ist beispielsweise Licht, das auf seinem Ausbreitungsweg von einer (nicht dargestellten) Lichtquelle bis zur Lichteintrittsöffnung 111 in seinen spektralen Eigenschaften verändert wurde, wobei einige oder alle weiteren Elemente des Chips 101 zur Messung interessierender spektraler Eigenschaften bzw. spektraler Eigenschaftsveränderungen dienen. Typischerweise wurde ein wellenlängenbezogenes Maximum der Intensität des eintretenden Lichts 150 durch ein (nicht dargestelltes) Faser-Bragg-Gitter, das im Lichtwellenleiter 110 ausgebildet ist, beeinflusst bzw. verschoben.

[0005] Das in den Chip 101 eingetretene Licht 150 wird in einem Strahlteiler 120 in einen ersten Lichtanteil 151 und einen zweiten Lichtanteil 152 aufgeteilt. Der erste Lichtanteil 151 passiert anschließend in Transmission ein optisches Filter 130, das eine wellenlängenabhängige Filterung des Lichts vornimmt. Das aus dem optischen Filter 130 austretende gefilterte Licht 153 trifft auf eine Filter-Fotodiode 140 und erzeugt dort ein elektrisches Messsignal entsprechend seiner Intensität.

[0006] Der zweite Lichtanteil 152 trifft auf eine Referenz-Fotodiode 160 und erzeugt dort ein elektrisches Referenzsignal entsprechend seiner Intensität. Der zweite Lichtanteil 152 ist ungefiltert. Der Wert des Messsignals wird durch den Wert des Referenzsignals dividiert, beispielsweise in einer (nicht dargestellten) Auswertungsschaltung. Über ein Kalibriermodell des optischen Filters 130 kann aus dem so erhaltenen Quotienten auf die Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters im Lichtwellenleiter 110 geschlossen werden.

[0007] Der optoelektrische Chip 101 ist unter anderem durch den Strahlteiler 120 relativ komplex aufgebaut, und die Empfindlichkeit ist durch den Strahlteiler 120 niedrig. Es ist eine Lösung wünschenswert, bei welcher die Komplexität eines optoelektrischen Chips 101 verringert und/oder die Empfindlichkeit verbessert ist.

ZUSAMMENFASSUNG

[0008] Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen einen optoelektrischen Chip mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereit. Ferner geben Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 an, welches einen hierin offenbarten optoelektrischen Chip verwendet. Des Weiteren stellen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Auswerten eines Reflexions Spektrums eines Faser-Bragg-Gitters mit den Merkmalen des Anspruchs 9 bereit, in welchem Verfahren ein hierin offenbarter optoelektrischen Chip verwendet wird.

[0009] Gemäß einer Ausführungsform wird ein optoelektrischer Chip angegeben, der Folgendes umfasst: eine Lichteintrittsöffnung; ein wellenlängensensitives optisches Filter; ein erstes fotoelektrisches Element zum Messen einer ersten Lichtintensität, insbesondere eine erste Fotodiode, wobei das erste fotoelektrische Element derart angeordnet ist, dass durch die Lichteintritts Öffnung in den optoelektrischen Chip eintretendes Licht, welches das Filter transmittiert, auf das erste fotoelektrische Element trifft; und ein zweites fotoelektrisches Element zum Messen einer zweiten Lichtintensität, insbesondere eine zweite Fotodiode, wobei das zweite fotoelektrische Element derart angeordnet ist, dass das durch die Lichteintritts Öffnung in den optoelektrischen Chip eintretende Licht, welches am Filter reflektiert wird, auf das zweite fotoelektrische Element trifft.

[0010] Ein hierin offenbartes Messsystem weist einen hierin beschriebenen optoelektrischen Chip und einen an die Lichteintritts Öffnung gekoppelten Lichtwellenleiter auf, wobei der Lichtwellenleiter mindestens ein Faser-Bragg-Gitter umfasst.

[0011] Ein hierin offenbartes Verfahren zum Auswerten eines Reflexionsspektrums eines Faser-Bragg-Gitters, wobei das Faser-Bragg-Gitter in einem Lichtwellenleiter bereitgestellt ist, und wobei ein Ende des Lichtwellenleiters in die Lichteintritts Öffnung eines hierin beschriebenen optoelektrischen Chips eingeführt ist, umfasst Folgendes: Messen einer Transmissionsintensität des durch die Lichteintrittsöffnung eingefallenen und das optische Filter durchlaufenen Lichts mit dem ersten fotoelektrischen Element; Messen einer Reflexionsintensität des durch die Lichteintritts Öffnung eingefallenen und am optischen Filter reflektierten Lichts mit dem zweiten fotoelektrischen Element; Dividieren der Transmissionsintensität durch die Reflexionsintensität, um einen Verhältniswert zu erhalten; und Beziehen des Verhältniswerts auf ein Modell des optischen Filters, um einen Wert zu erhalten, der mit dem Reflexions spektrum zusammenhängt.

[0012] Das Filterielement, d. h. das wellenlängensensitive optische Filter, wird demnach sowohl in Transmission, als auch in Reflexion genutzt. Das am Filterelement reflektierte Licht wird direkt zur Messung einer Referenzintensität genutzt. Die Filteroberfläche fungiert somit als Strahlteiler.

[0013] Das durch die durch die Lichteintritts Öffnung eingefallene und das optische Filter durchlaufene Licht zusammen mit dem durch die Lichteintrittsöffnung eingefallenen und am optischen Filter reflektierten Licht unterliegt der Energieerhaltung. Dadurch, dass kein separater Strahlteiler oder ein ähnliches die Lichtintensität abschwächendes optisches Element verwendet wird, wird der Wirkungsgrad des hierin beschriebenen optoelektrischen Chips gegenüber einem herkömmlichen optoelektrischen Chip verdoppelt.

[0014] Das eingesparte Strahlteilerelement verringert zudem die Herstellungskosten, beispielsweise die Materialkosten und eventuelle Arbeitskosten bei der Herstellung des Chips.

[0015] Die Übertragungsfunktion bezüglich der Wellenlänge, die am ersten fotoelektrischen Element vorliegt, wird wellenlängen-invers an das zweite fotoelektrische Element angelegt. Bei einer Division der beiden Intensitäten, die an den jeweiligen fotoelektrischen Elementen gemessen werden, kann sich daher ein verbessertes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis ergeben.

[0016] Bei Ausführungsformen des optoelektrischen Chips, des Messsystems und/oder des Verfahrens ist das optische Filter ein wellenlängensensitives Transmissionsfilter oder Kantenfilter.

[0017] Bei Ausführungsformen des optoelektrischen Chips, des Messsystems und/oder des Verfahrens ist eine Reflexionsoberfläche des optischen Filters relativ zur Ausbreitungsrichtung des durch die Lichteintrittsöffnung in den optoelektrischen Chip eintretenden Lichts geneigt ist, insbesondere in einem Winkelbereich von 10° bis 80° in Bezug auf eine senkrechte Ausrichtung der Reflexionsoberfläche gegenüber der Ausbreitungsrichtung geneigt.

[0018] Eine Neigung der Reflexionsfläche des optischen Filters kann es ermöglichen, das zweite fotoelektrische Element platzsparend im bzw. am optoelektrischen Chip anzuordnen, beispielsweise benachbart zu einem eingeführten Lichtwellenleiter.

[0019] Bei Ausführungsformen des optoelektrischen Chips, des Messsystems und/oder des Verfahrens sind der Lichtweg von der Lichteintritts Öffnung zum Filter, der Lichtweg vom Filter zum ersten fotoelektrischen Element und der Lichtweg vom Filter zum zweiten fotoelektrischen Element jeweils frei von weiteren optischen Elementen. Die Intensität des Lichts, dessen spektrale Eigenschaften im optoelektrischen Chip bewertet werden, wird dadurch keiner nennenswerten Dämpfung unterworfen, wie sie sich beispielsweise bei einem separat vorgesehenen Strahlteiler ergibt. Dadurch kann die Empfindlichkeit verbessert werden.

[0020] Bei Ausführungsformen des optoelektrischen Chips, des Messsystems und/oder des Verfahrens umfasst der optoelektrische Chip ferner eine Auswertungsschaltung. Der Auswertungsschaltung werden ein erstes Messsignal vom ersten fotoelektrischen Element und ein zweites Messsignal vom zweiten fotoelektrischen Element zugeführt. Die jeweiligen Werte der Messsignale hängen mit den jeweiligen gemessenen Lichtintensitäten zusammen. Die Aus wertungs Schaltung ist dazu konfiguriert, den Wert des ersten Messsignals durch den Wert des zweiten Messsignals zu dividieren, um einen Verhältniswert zu erhalten. [0021] Eine Aus wertungs Schaltung, die mit dem optoelektnschen Chip integriert ist, kann zu einer weiteren Vereinfachung und/oder Kompaktierung in einem optoelektrischen Messsystem beitragen.

[0022] Typischerweise ist die Auswertungsschaltung dazu konfiguriert, den Verhältniswert auf ein Modell des optischen Filters zu beziehen, um einen Wert zu erhalten, der mit einem Spektrum des durch die Lichteintrittsöffnung eintretenden Lichts zusammenhängt. Beispielsweise gibt der Wert ein frequenzabhängiges Intensitätsmaximum oder ein Intensitätsminimum des durch die Lichteintrittsöffnung eintretenden Lichts an. Das Modell des optischen Filters ist typischerweise ein Modell, das zu Kalibrierungszwecken des Filters geeignet ist. Ein Kalibrierungsmodell des optischen Filters umfasst typischerweise eine Look- up-Tabelle. Mit dem Verhältniswert kann z. B. auf eine Wellenlänge bzw. Wellenlängenverschiebung eines Faser-Bragg-Gitters rückgeschlossen werden, das im Lichtwellenleiter ausgebildet ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0023] Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optoelektrischen Chips gemäß einer Ausführungsform, mit eingeführtem Lichtwellenleiter;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines optoelektrischen Chips gemäß einer Ausführungsform, der ferner eine Aus wertungs Schaltung umfasst;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Auswerten eines Reflexionsspektrums eine Faser-Bragg-Gitters gemäß einer Ausführungsform; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen optoelektrischen Chips.

[0024] Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen dienen der Veranschaulichung eines oder mehrerer Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung.

[0025] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektrischen Chips, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist, gemäß einer Ausführungsform. In den optoelektrischen Chip 1 ist ein Ende eines Lichtwellenleiters 10 eingeführt, und der Chip 1 sowie der Lichtwellenleiter 10 bilden gemeinsam ein Messsystem, mit welchem beispielsweise ein Reflexions spektrum eines (nicht dargestellten) Faser-Bragg-Gitters ausgewertet werden kann, das im Lichtwellenleiter 10 ausgebildet ist.

[0026] Eine Endfläche des eingeführten Endes des Lichtwellenleiters 10 dient zum Einkoppeln von Licht in den optoelektrischen Chip 1. Diese Endfläche stellt in der vorliegenden Ausführungsform eine Lichteintrittsöffnung 11 für in den optoelektrischen Chip 1 eintretendes Licht 50 dar. Es ist auch möglich, eine Lichteintritts Öffnung 11 in einer anderen Ausgestaltung vorzusehen und den Lichtwellenleiter 10 bzw. dessen Endfläche in entsprechender Weise an eine solche Lichteintritts Öffnung 11 anzukoppeln, so dass sich das eintretende Licht 50 im optoelektrischen Chip 1 ausbreiten kann. Der Chip 1 bildet insoweit ein optoelektrisches Freistrahl-System.

[0027] Das eintretende Licht 50 breitet sich entlang einer Ausbreitungsrichtung A aus und trifft auf ein optisches Transmissionsfilter 20, das wellenlängensensitiv ist und nur bestimmte spektrale Anteile des Lichts 50 als transmittiertes Licht 51 hindurchlässt. Der nicht transmittierte Anteil des Lichts 50 wird an einer Reflexionsoberfläche 21 des optischen Filters 20 reflektiert.

[0028] In der dargestellten Ausführungsform ist zumindest die Reflexionsoberfläche 21 des optischen Filters 20 relativ zur Ausbreitungsrichtung A geneigt. Das reflektierte Licht 52, d. h. der Anteil des Lichts 50, der nicht als transmittiertes Licht 51 hindurchgelassen wurde, breitet sich demnach in einer Richtung aus, die sich aufgrund des Neigungswinkels α der Reflexionsoberfläche 21 ergibt. Ein Beispiel für einen Winkelbereich des Neigungswinkels α der Reflexionsoberfläche 21 ist ein Bereich zwischen 10° und 80°.

[0029] Das transmittierte Licht 51 trifft auf ein erstes fotoelektrisches Element 30, das beispielsweise als eine erste Fotodiode ausgebildet ist. Weitere Beispiele für ein erstes fotoelektrisches Element 30 umfassen einen Fototransistor oder ein anderweitiges fotosensitives Halbleiterbauelement. Das transmittierte Licht 51 erzeugt im ersten fotoelektrischen Element 30 ein elektrisches Signal entsprechend der Intensität. Das elektrische Signal wird - ggf. verstärkt - aus dem ersten fotoelektrischen Element 30 als ein erstes Messsignal 61 ausgegeben, wie noch unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird.

[0030] Das reflektierte Licht 52 trifft auf ein zweites fotoelektrisches Element 40, das wiederum beispielsweise als eine zweite Fotodiode ausgebildet ist. Auch hier umfassen weitere Beispiele für ein zweites fotoelektrisches Element 40 einen Fototransistor oder ein anderweitiges fotosensitives Halbleiterbauelement. Wiederum erzeugt das reflektierte Licht 52 ein elektrisches Signal, hierbei im zweiten fotoelektrischen Element 40, entsprechend der Intensität des reflektierten Lichts 52. Das elektrische Signal wird - ggf. verstärkt - aus dem zweiten fotoelektrischen Element 40 als ein zweites Messsignal 62 ausgegeben, wie noch unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird.

[0031] In der Ausführungsform ist der Lichtweg zwischen der Lichteintritts Öffnung 11 und dem Filter 20 frei von optischen Elementen. Ebenso ist der Lichtweg zwischen dem Filter 20 und dem ersten fotoelektrischen Element 30 frei von optischen Elementen. Zudem ist der Lichtweg zwischen dem Filter 20, genauer zwischen der Reflexionsoberfläche 21, und dem zweiten fotoelektrischen Element 40 frei von optischen Elementen. Das eingetretene Licht 50, das transmittierte Licht 51 und das reflektierte Licht 52 breiten sich damit jeweils unbeeinflusst aus. Eine Beeinflussung der Intensität erfolgt allenfalls durch das Filter 20, das zugleich als Strahlteiler fungiert. Eine weitere Beeinflussung durch optische Elemente, mit Ausnahme einer mediums abhängigen Dämpfung bei der Ausbreitung, erfolgt nicht.

[0032] Die Übertragungsfunktion bezüglich der Wellenlänge am ersten fotoelektrischen Element 30 wird durch die Reflexion am Filter 20 wellenlängen-invers am zweiten fotoelektrischen Element 40 angelegt.

[0033] Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines optoelektrischen Chips 1, in welchem zusätzlich eine Auswertungsschaltung 60 integriert ist. Der Auswertungsschaltung 60 werden das erste Messsignal 61 aus dem ersten fotoelektrischen Element 30 und das zweite Messsignal 62 aus dem zweiten fotoelektrischen Element 40 zugeführt. Die Auswertungsschaltung 60 dividiert den Wert des ersten Messsignals 61 durch den Wert des zweiten Messsignals 62. Das zweite Messsignal 62 dient dabei als Referenzsignal. Der so erhaltene Quotient ist ein Verhältniswert 63.

[0034] Der Verhältnis wert 63 kann direkt ausgegeben werden, wie in Fig. 2 dargestellt. Der Verhältniswert 63 kann aber auch intern in der Auswertungsschaltung 60 dazu verwendet werden, um den Verhältniswert 63 auf ein Modell des Filters 20 zu beziehen, um einen Wert zu erhalten, der mit einem Spektrum des durch die Lichteintrittsöffnung 11 eintretenden Lichts 50 zusammenhängt. Beispielsweise ist das Modell des Filters 20 ein Kalibrierungsmodell. Der so erhaltene Wert kann z. B. direkt oder indirekt die Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters im Lichtwellenleiter 10 angeben. Dieser Wert kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ zum Verhältniswert 63 ausgegeben werden.

[0035] Weil kein weiteres Strahlteiler-Element im Lichtweg vorhanden ist und das reflektierte Licht 52 sowie das transmittierte Licht 51 der Energieerhaltung unterliegen, ergibt sich für den Verhältniswert 63 ein im Vergleich zum herkömmlichen Chip 101 verbessertes Signal- zu-Rauschen- Verhältnis .

[0036] Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Auswerten eines Reflexions Spektrums eines Faser-Bragg-Gitters, wobei das Faser-Bragg-Gitter in einem Lichtwellenleiter 10 bereitgestellt ist, und wobei ein Ende des Lichtwellenleiters optisch an die Lichteintritts Öffnung 11 des optoelektrischen Chips 1 gemäß einer hierin beschriebenen Ausführungsform gekoppelt ist, beispielsweise eingeführt ist.

[0037] In 1001 wird gemäß dem Verfahren zunächst eine Transmissionsintensität des durch die Lichteintrittsöffnung eingefallenen Lichts 50 gemessen, das das optische Filter 20 durchlaufen hat und als transmittiertes Licht 51 auf das erste fotoelektrische Element 30 trifft.

[0038] In 1002 wird eine Reflexionsintensität des durch die Lichteintritts Öffnung eingefallenen Lichts 50 gemessen, das an der Reflexionsoberfläche 21 des optischen Filters 20 reflektiert wurde und als reflektiertes Licht 52 auf das zweite fotoelektrische Element 40 trifft.

[0039] In 1003 wird die Transmissionsintensität durch die Reflexionsintensität dividiert, um einen Verhältniswert zu erhalten.

[0040] In 1004 wird der Verhältniswert auf ein Modell des optischen Filters 20 bezogen, um einen Wert zu erhalten, der mit dem Reflexions spektrum zusammenhängt.

[0041] Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen angemessen miteinander kombinierbar sind, und dass einzelne Aspekte dort weggelassen werden können, wo es im Rahmen des fachmännischen Handelns sinnvoll und möglich ist. Abwandlungen und Ergänzungen der hierin beschriebenen Aspekte sind dem Fachmann geläufig.