Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kohärenten Detektion eines optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detek tion eines optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Zur kohärenten Detektion von optischen Signalen werden üblicherweise wellenleiterintegrierte Fotodioden benutzt, wobei eine homodyne oder heterodyne Mischung des optischen Signals mit einem Referenzsignal (dem Lokal-Oszillator-Signal) mittels eines Richtkopplers oder eines MMIs (Multimode-Interferenz-Koppler) erfolgt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in dem Artikel „Monolithically integrated Polarisation diversity heterodyne receivers on GalnAsP/lnP“, R. Kaiser et al. , Electronics Leiters 30 (17), 1446 (1994) beschrieben. Die An wendungsmöglichkeiten einer solchen Anordnung sind jedoch begrenzt. Insbesondere lassen sie sich nicht zu 2D-Arrays kombinieren, welche beispielsweise für bildgebenden Verfahren nötig sind. Es ist ebenfalls bekannt, das optische Signal und das Referenzsignal unter Ver wendung eines Strahlteilers in eine Fotodiode einzukoppeln. Derartige Anordnungen sind je doch ebenfalls nur begrenzt einsetzbar. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine möglichst flexibel anwend bare Möglichkeit der kohärenten Detektion anzugeben.

Dieses Problem wird durch die Bereitstellung des Verfahrens mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie der Vorrichtung den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Danach wird ein Verfahren zur kohärenten Detektion mindestens eines optischen Signals be reitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen mindestens einer vertikal beleuchtbaren Fotodiode;

- Erzeugen mindestens eines optischen Referenzsignals;

- Einstrahlen des optischen Signals und des Referenzsignals in die Fotodiode derart, dass die beiden Signale zumindest teilweise miteinander interferieren, wobei

- das Einstrahlen des optischen Signals in die Fotodiode über eine erste Seite der Fotodiode und das Einstrahlen des Referenzsignals in die Fotodiode über eine zweite Seite der Foto diode erfolgt oder umgekehrt das Referenzsignal über die erste Seite der Fotodiode und das optische Signal über die zweite Seite in die Fotodiode eingestrahlt werden.

Das optische Signal (die optische Welle, insbesondere in Form des optischen Strahls) und das Referenzsignal (das Lokal-Oszillator-Signal, das ebenfalls in Form eines optischen Strahls kann) werden somit über unterschiedliche Seiten der Fotodiode in diese eingestrahlt. Bei spielsweise werden das optische Signal und das Referenzsignal jeweils durch eine Seite der Fotodiode hindurch in die Fotodiode eingestrahlt. Denkbar ist, dass das das optische Signal durch ein Substrat odereine untere Schicht (insbesondere in Form einer Halbleiterschicht, z.B. einer Kontaktschicht) der Fotodiode hindurch und das Referenzsignal durch eine obere Schicht (insbesondere in Form einer Halbleiterschicht; z.B. eine Kontaktschicht) der Fotodiode hindurch in die Fotodiode eingestrahlt werden. Möglich ist auch der umgekehrte Fall, wonach das Referenzsignal durch ein Substrat oder eine untere Schicht der Fotodiode und das opti sche Signal durch eine obere Schicht hindurch in die Fotodiode eingestrahlt werden.

Wie oben bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Referenzsignal um ein Lokal-Oszillator- Signal. Das optische Signal kann anders als das Referenzsignal mit einem Datensignal beauf schlagt sein und/oder sonstige Charakteristika (insbesondere einen Amplituden-, Frequenz- und/oder Phasenverlauf) aufweisen, die in dem Referenzsignal nicht vorhanden sind. Das er findungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere auch eine kohärente (homodyne oder he- terodyne) Detektion des optischen Signals unter Verwendung eines durch die Interferenz des optischen Signals mit dem Referenzsignal erzeugten und von der Fotodiode registrierten In terferenzsignals; insbesondere unter Verwendung eines elektrischen Fotodiodensignals, das die Fotodiode bei Empfang des Interferenzsignals erzeugt.

Dies erlaubt beispielsweise eine größere Flexibilität bei der Führung der Signale und ermög licht insbesondere die Anordnung mehrerer Fotodioden in einem Array. Denkbar ist, dass das Einstrahlen der Signale ohne Verwendung eines Strahlteilers erfolgt. Beispielsweise werden das optische Signal und das Referenzsignal zumindest im Wesentlichen kollinear in die Foto diode eingestrahlt.

Die vertikal beleuchtbare Fotodiode ist so ausgebildet, dass das zu detektierte optische Signal vertikal eingestrahlt wird, d. h. insbesondere senkrecht zu einem Substrat der Fotodiode. Die erste Seite ist insbesondere der zweiten Seite der Fotodiode abgewandt, wobei die beiden Seiten beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zueinander verlaufen. Möglich ist, dass die erste Seite eine Unterseite der Fotodiode darstellt und beispielsweise durch das be reits erwähnte Substrat oder eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht (beispiels weise einer Kontaktschicht) der Fotodiode ausgebildet ist. Entsprechend kann die zweite Seite eine Oberseite der Fotodiode bilden, wobei die Oberseite ebenfalls durch eine Seite einer Halbleiterschicht der Fotodiode (Beispiel das ebenfalls in Form einer Kontaktschicht) ausge formt sein kann.

Das optische Signal und/oder das Referenzsignal werden beispielsweise unter einem Winkel relativ zu dem Substrat oder Halbleiterschicht eingestrahlt. Beispielsweise erfolgt das Einstrah len des optischen Signals und/oder des Referenzsignals zumindest näherungsweise senk recht zu dem Substrat oder der Halbleiterschicht.

Darüber hinaus werden das optische Signal und das Referenzsignal insbesondere so in die Fotodiode eingestrahlt, dass sie sich in einer Absorberschicht der Fotodiode zumindest teil weise überlagern. Möglich ist, dass die Dicke der Absorberschicht im Hinblick auf die Detekti onseffizienz der Fotodiode optimiert ist.

Bei der Fotodiode handelt es sich insbesondere um eine p-i-n-Diode; beispielsweise in Form einer (an sich bekannten) Lawinen-Fotodiode. Denkbar ist, dass sich das optische Signal und das Referenzsignal insbesondere in einer Absorberschicht und/oder Multiplikatorschicht der Lawinen-Fotodiode überlagern. Die Fotodiode kann insbesondere zur homodynen Detektion verwendet werden, bei der die Wellenlängen des optischen Signals und des Referenzsignals zumindest näherungsweise gleich sind. Denkbar ist jedoch auch, dass die Fotodiode zu heterodynen Detektion eingesetzt wird, wobei die Wellenlängen des optischen Signals und des Referenzsignals unterschiedlich sind. Das optische Signal und das Referenzsignal werden beispielsweise (insbesondere im Fall der homodynen Detektion) mit Hilfe derselben optischen Lichtquelle (insbesondere in Form eines Lasers) erzeugt.

Möglich ist, dass das Referenzsignal und/oder das optische Signal über eine einstellbare Ab lenkeinheit eingestrahlt wird, wobei die Fotodiode ein durch die Interferenz des optischen Sig nals mit dem Referenzsignal erzeugtes Interferenzsignal registriert, das im Wesentlichen von einem Anteil des optischen Signals, der kollinearzum Referenzsignal in die Fotodiode einfällt, abhängt. Mit der einstellbaren Ablenkeinheit ist es insbesondere möglich, dass das Referenz signal und/oder das optische Signal unter einem vorgebbaren Winkel zueinander in die Foto diode eingestrahlt werden. Insbesondere lässt sich durch Verändern des Einfallswinkels des Referenzsignals die Raumrichtung des Referenzsignals auf die Richtung des optischen Sig nals einstellen. Die einstellbare Ablenkeinheit umfasst z.B. ein MEMS.

Denkbar ist auch, dass das Referenzsignal diffus eingestrahlt wird, insbesondere, um optische Signale aus unterschiedlichen Raumrichtungen detektieren zu können.

Die Fotodiode besitzt beispielsweise eine Apertur, die mindestens 0,5 mm oder mindestens 1 mm beträgt. Eine derart große Apertur kann eine starke Winkelabhängigkeit des durch die Interferenz des optischen Signals mit dem Referenzsignal erzeugten und von der Fotodiode registrierten Interferenzsignals zur Folge haben.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Referenz signal zur räumlichen Abtastung des optischen Signals unter verschiedenen Winkeln relativ zu der ersten oder zweiten Seite der Fotodiode eingestrahlt (z.B. mit Hilfe der oben erläuterten einstellbaren Ablenkvorrichtung), wobei für jeden der Winkel ein elektrisches Signal der Foto diode registriert wird. Das Detektorsignal in Bezug auf das optische Signal ist am größten, wenn das Referenzsignal kollinear zu dem optischen Signal gerichtet ist, so dass sich durch Verändern des Einstrahlwinkels des Referenzsignals Informationen über die Richtung des op tischen Signals ermitteln lassen und/oder die Detektion des optischen Signals richtungsselek tiv vorgenommen wird („beam steering“). Insbesondere wird für jeden der Winkel ein Interfe renzsignal, d.h. ein Signal, das von der Interferenz der optischen Signale abhängt, registriert. Denkbar ist, dass das optische Signal aus einem (z.B. divergierendes) Strahlenbündel besteht, das einen gewissen Raumwinkelbereich um einen Zentraleinfallswinkel überdeckt. In diesem Fall ist das registrierte Interferenzsignal vor allem (insbesondere überwiegend, zumindest nä herungsweise im Wesentlichen) von einem Anteil des optischen Signals, der kollinear zum Referenzsignal in die Fotodiode einfällt, abhängig.

Denkbar ist, dass eine Vielzahl von optischen Signalen aus unterschiedlichen Raumwinkeln eingestrahlt wird, wobei die Apertur der Fotodiode derart gewählt wird, dass die (die auf den kollinearen Einfall des optischen Signals und des Referenzsignals) normierte Intensität des Interferenzsignals von einfallenden, nicht zu detektierenden optischen Signalen aus Raum winkeln außerhalb einer vorgegebenen Raumwinkelauflösung nicht größer als 0,1 oder größer als 0,05 ist. Bei der „Raumwinkelauflösung“ handelt es sich um einen Raumwinkelbereich, aus dem optische Signale mittels der Fotodiode detektiert werden sollen. Die Ausrichtung dieses Raumwinkelbereichs kann durch Verändern der Richtung des Referenzsignals verändert wer den, um einen Sichtbereich (ein größeres Raumwinkelsegment) abzutasten. Beispielsweise ist die Fotodiode (insbesondere ihre Apertur) so beschaffen, dass die normierte Intensität des Interferenzsignals außerhalb eines Raumwinkelbereichs (der „Raumwinkelauflösung“) von 0,1°, 0,5° oder 1° kleiner als 0,1 oder 0,05 ist.

Beispielsweise wird ein Array von Fotodioden bereitgestellt, wobei das optische Signal jeweils über die erste oder die zweite Seite in die Fotodioden und das Referenzsignal jeweils über die andere Seite der Fotodioden eingestrahlt wird, wobei jede der Fotodioden ein durch die Inter ferenz des optischen Signals mit dem Referenzsignal erzeugtes Interferenzsignal registriert, das vor allem von einem Anteil des optischen Signals, der kollinear zum Referenzsignal in die Fotodiode einfällt, abhängt. Denkbar ist insbesondere, dass mit dem Array ein optisches Sig nal, das ein einen Raumwinkelbereich überdeckendes Strahlenbündel umfasst, registriert wird, wobei das Detektorsignal im Wesentlichen von dem zu dem Referenzsignal kollinearen Anteil des optischen Signals (des Strahlenbündels) abhängt.

Das mindestens eine optische Signal wird insbesondere mit Hilfe mindestens eines strahlfor menden Elements, z.B. einer (z.B. konkaven) Linse oder eines Linsenarrays, in die Fotodioden eingestrahlt. Denkbar ist, dass das mindestens eine strahlformende Element so ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest einige der Fotodioden optische Signale aus unterschied lichen Raumwinkelbereichen empfangen. Die Erfindung betrifft auch eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion mindestens eines optischen Signals, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit

- mindestens einer vertikal beleuchtbaren Fotodiode; und

- einer Lichteinstrahlvorrichtung zum Einstrahlen eines optischen Signals und eines Refe renzsignals in die Fotodiode derart, dass die beiden Signale zumindest teilweise miteinan der interferieren, wobei

- die Lichteinstrahlvorrichtung so ausgebildet ist, dass das in die Lichteinstrahlvorrichtung eintretende oder auftreffende optische Signal über eine erste Seite der Fotodiode und das das in die Lichteinstrahlvorrichtung eintretende oder auftreffende Referenzsignal über eine zweite Seite der Fotodiode in die Fotodiode eingestrahlt wird oder umgekehrt das Einstrah len des Referenzsignals über die erste Seite und das Einstrahlen des optischen Signals über die zweite Seite erfolgt.

Beispielsweise umfasst die Lichteinstrahlvorrichtung eine erste Umlenkvorrichtung zum Um lenken des optischen Signals oder des Referenzsignals und eine zweite Umlenkvorrichtung zum Umlenken des Referenzsignals. Denkbar ist, dass die erste und/oder die zweite Umlenk vorrichtung mindestens ein reflektives Element (insbesondere eine als Spiegel wirkende Flä che) umfasst. Möglich ist auch, dass die erste und/oder die zweite Umlenkvorrichtung eine Linse oder ein sonstiges diffraktives Element aufweist. Möglich ist auch, dass die Fotodioden vorrichtung eine einstellbare Ablenkvorrichtung umfasst, wie oben bereits erläutert.

Des Weiteren kann die Lichteinstrahlvorrichtung einen Wellenleiter zum Leiten des optischen Signals umfassen, wobei zum Beispiel die erste Umlenkvorrichtung durch eine Endfläche des Wellenleiters ausgebildet wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wellenleiter um einen optisch-integrierten Wellenleiter, d. h. einen Wellenleiter, der durch mindestens eine auf einem Substrat angeordnete Halbleiterschicht ausgeformt ist. Denkbar ist, dass die lichtumlenkende Endfläche des optisch integrierten Wellenleiters durch eine (insbesondere winklig verlaufende) Aussparung in der Halbleiterschicht und/oder dem Substrat gebildet ist.

Des Weiteren können natürlich auch die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemä ßen Verfahren beschriebenen Ausführungsbeispiele zur Weiterbildung der erfindungsgemä ßen Fotodiodenvorrichtung herangezogen werden. Beispielsweise umfasst die Fotodioden vorrichtung eine Auswerteeinheit oder ist mit einer solchen koppelbar, der ein elektrisches Fotodiodensignal zuführbar ist, das von einem durch die Interferenz des optischen Signals mit dem Referenzsignal erzeugten und von der Fotodiode registrierten Interferenzsignal abhängt. Anhand dieses Fotodiodensignals erfolgt mit Hilfe der Auswerteeinheit eine kohärente (homo- dyne oder heterodyne) Detektion des optischen Signals.

Die Erfindung betrifft auch ein Array mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Fotodiodenvor richtungen. Ein derartiges Array kann beispielsweise als bildgebender Sensor verwendet wer den; zum Beispiel im Rahmen eines LIDAR-Systems (etwa eines FMCW - Frequency modu- lated coherent - LIDAR-Systems). Beispielsweise sind die Lichteinstrahlvorrichtungen der Fo todiodenvorrichtungen des Arrays so beschaffen und angeordnet, dass die Fotodioden meh rerer der Fotodiodenvorrichtungen mit demselben Referenzsignal beleuchtbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematisch eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2 eine Fotodiodenvorrichtung zur kohärenten Detektion gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Figur 3 normierte Intensität des zu detektierenden Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz zwischen der Richtung des optischen Signals und des Referenzsignals.

Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Fotodiodenvorrichtung 100 zur kohärenten De tektion eines optischen Signals OS umfasst eine Fotodiode 10. Die Fotodiode 10 weist meh rere auf einem Substrat 1 übereinander angeordnete Halbleiterschichten 2 bis 4 auf. Die un terste Schicht 2 stellt eine n-dotierte Kontaktschicht dar, während es sich bei der obersten Schicht 4 um eine p-dotierte Kontaktschicht handelt. Zwischen den beiden Kontaktschichten 2, 4 befindet sich die Absorberschicht 3, so dass die Schichten 2 bis 4 einen p-i-n-Übergang ausbilden. Möglich ist alternativ, dass die n-dotierte Kontaktschicht oberhalb der Absorber schicht 3 angeordnet ist und sich die p-dotierte Kontaktschicht unterhalb der Absorberschicht 3 angrenzend an das Substrat 1 erstreckt. Zur elektrischen Kontaktierung der n-Kontaktschicht 2 dienen n-Kontakte 21, während die p-Kontaktschicht 4 über p-Kontakte 42 kontaktiert wird.

Die Fotodiodenvorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine (in Figur 1 nicht dargestellte) Licht einstrahlvorrichtung, mit der das zu detektierende optische Signal OS über eine erste Seite der Fotodiode 10, nämlich über eine Unterseite 11 des Substrats 1 (durch die Unterseite 11 hindurch), in die Fotodiode 10 eingekoppelt wird. Mit Hilfe der Lichteinstrahlvorrichtung wird des Weiteren ein Referenzsignal in Form eines Lokal-Oszillator-Signals LO über eine zweite Seite der Fotodiode 10 (durch die zweite Seite hindurch) in diese eingekoppelt. Die zweite Seite der Fotodiode 10 wird durch ihre Oberseite gebildet, d. h. durch eine nach außen ge wandte Seite 41 der p-Kontaktschicht 4. Möglich ist natürlich auch, dass umgekehrt das opti sche Signal OS über die Oberseite der Fotodiode 10, d. h. die Seite 41 der Schicht 4, und das Lokal-Oszillator-Signal LO über ihre Unterseite, d. h. die Seite 11 des Substrats 1 , in die Fo todiode 10 eingekoppelt wird.

Es erfolgt somit nach Art der kohärenten Detektion eine Mischung des optischen Signals OS mit dem Lokal-Oszillator-Signal LO. Gleichzeitig wird ein von dem durch diese Mischung ge bildeten Mischsignal abhängiges Detektorsignal (Fotodiodensignal) erzeugt. Anhand dieses Detektorsignals lassen sich in an sich bekannter Weise der kohärenten Detektion Eigenschaf ten des optischen Signals OS bestimmen. Insbesondere umfasst die erfindungsgemäße Fo todiodenvorrichtung auch eine Auswerteeinheit zur Auswertung des Detektorsignals. Denkbar ist zudem, dass wie oben bereits erläutert die Einstrahlrichtung des Lokal-Oszillator-Signals LO verändert wird, um Informationen bezüglich der Richtung des optischen Signals OS zu gewinnen oder die Detektion richtungsselektiv durchzuführen.

In Figur 2 ist ein konkreteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fotodiodenvorrich tung 100 gezeigt. Die Fotodiode 10 der Fotodiodenvorrichtung 100 weist analog zu Figur 1 eine n-dotierte Kontaktschicht (n-Kontaktschicht 2) und eine p-dotierte Kontaktschicht (p-Kon- taktschicht 4) auf, zwischen denen sich eine Absorberschicht 3 befindet.

Die Lichteinstrahlvorrichtung 20 der Fotodiodenvorrichtung 100 umfasst einen durch auf dem Substrat 1 angeordnete Halbleiterschichten 211 ausgebildeten optisch-integrierten Wellenlei ter 210, in den das zu detektierende optische Signal OS eingekoppelt wird. Durch die Halb leiterschichten 211 des Wellenleiters 210 (und zum Beispiel auch durch die n-Kontaktschicht 2) erstreckt sich eine Aussparung 212 hindurch. Die Aussparung 212 verläuft unter einem Winkel zum Substrat 1 (zum Beispiel unter 45°) und dem Wellenleiter 210, so dass der Wel lenleiter 210 eine an die Aussparung 212 angrenzende und unter diesem Winkel verlaufende Endfläche 213 besitzt. Diese Endfläche 213 bildet eine erste Umlenkvorrichtung in Form einer Umlenkfläche, die das in dem Wellenleiter 210 geführte optische Signal OS Licht um einen von dem Verlauf der Aussparung 212 abhängigen Winkel (vorliegend 90°) in Richtung auf die Fotodiode 10 umlenkt. Das optische Signal OS tritt somit wiederum über eine Unterseite der Fotodiode 10, die in diesem Fall durch eine Unterseite 22 der n-Kontaktschicht 2 gebildet ist, in die Fotodiode 10 ein. Des Weiteren umfasst die Lichteinstrahlvorrichtung 20 eine zweite Umlenkvorrichtung in Form einer (zum Beispiel zylindrisch ausgebildeten) Linse 220. Die Linse 220 ist so angeordnet, dass das in sie eingestrahlte Lokal-Oszillator-Signal LO in Richtung auf die Oberseite der Fo todiode 10, d. h. die Oberseite 41 der p-Kontaktschicht 4, abgelenkt wird und über die Seite 41 der p-Kontaktschicht 4 in die Fotodiode 10 einkoppelt. Es kommt analog zur Figur 1 zu einer Überlagerung des optischen Signals OS und des Lokal-Oszillator-Signals LO in der Ab sorberschicht 3. Denkbar ist auch hier, dass die Einstrahlrichtung des Lokal-Oszillator-Signals LO variiert wird, um das optische Signal OS räumlich abzutasten.

Wie bereits in Zusammenhang mit der Figur 1 erwähnt, können das optische Signal OS und das Lokal-Oszillator-Signal LO natürlich auch vertauscht sein, d. h. das Lokal-Oszillator-Signal LO könnte über den Wellenleiter 210 und das optische Signal OS über die Linse 220 in die Fotodiode 10 eingekoppelt werden.

Des Weiteren könnte anstelle der dargestellten konventionellen Fotodiode auch eine Lawinen- Fotodiode verwendet werden, die zusätzlich zu der Absorberschicht unter anderem eine Mul tiplikatorschicht enthält. Möglich ist auch, dass mehrere der Fotodiodenvorrichtungen 100 der Figuren 1 und 2 zu einem Array verbunden werden, um zum Beispiel einen bildgebenden Sensor zu realisieren.

Figur 3 zeigt die normierte Intensität (relativ zu einem kollinearen Einfall des optischen Signals und des Referenzsignals) des zu detektierenden Interferenzsignals in Abhängigkeit von der Winkeldifferenz („relativer Ausbreitungswinkel“) zwischen der Richtung des optischen Signals und der Richtung des Referenzsignals für unterschiedliche Aperturen der Fotodiode oder einer der Fotodiode vorgelagerten Linse. Für sämtliche Aperturen nimmt die Intensität des Interfe renzsignals bei zunehmender Winkeldifferenz ab, wobei der Intensitätsverlauf für die kleinste Apertur (10 pm) am steilsten abfällt.