DE10203875A1

DE10203875A1 - Optischer Empfänger für die leitungsungebundene optische Übertragung

Info

Publication number: DE10203875A1
Application number: DE10203875A
Authority: DE
Inventors: Mike Wolf
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2002-10-31

Abstract

Die erfindungsgemäße Anordnung soll einen möglichst schmalen Empfindlichkeitsbereich aufweisen, welcher den gegebenen Anforderungen angepasst werden kann. Im Spezialfall soll auch die Mittenwellenlänge des optischen Bandpasses an diese Anforderungen angepasst werden können. Der technologische Aufwand ist dabei so gering wie möglich zu halten. DOLLAR A Der erfindungsgemäße optische Empfänger ist aus einem Absorptionsfilter und einer PIN-Diode aufgebaut. Beide Komponenten bestehen aus einem Halbleiter mit direktem Bandübergang, wobei die Grenzwellenlänge des Filters kleiner der Grenzwellenlänge der Diode ist. DOLLAR A Derartige optische Empfänger werden für die leitungsungebundene optische Übertragung von Signalen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer niedrigen spektralen Detektionsbreite störendes Umgebungslicht weitgehend unterdrücken.

Description

Die Erfindung betrifft die Realisierung optischer Empfänger für die leitungsungebundene optische Übertragung von Signalen, die sich, unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung, durch eine besonders niedrige spektrale Detektionsbreite auszeichnen.

Derartige optische Empfänger werden für die leitungsungebundene optische Übertragung von Signalen eingesetzt, da sie aufgrund ihrer niedrigen spektralen Detektionsbreite störendes Umgebungslicht weitgehend unterdrücken.

In kommerziellen optischen Empfängern für die leitungsungebundene Übertragung werden aus ökonomischen Gründen fast ausschließlich Farbglasfilter mit Photodioden kombiniert.

Die Farbglasfilter gehören zu den Absorptionsfiltern und stellen einen optischen Langpass dar. Sie realisieren die untere Grenzwellenlänge des optischen Empfängers.

Die Photodiode besitzt Kurzpassverhalten und realisiert deshalb die obere Grenzwellenlänge des optischen Empfängers. Die Kombination aus Diode und Filter hat damit das Verhalten eines optischen Bandpasses.

Je näher die Filterflanke des Absorptionsfilters an die Kante der Diode gerückt werden kann, desto geringer ist die resultierende spektrale Breite des Empfängers.

Aufgrund der relativ flach ansteigenden Absorptionskurve von Farbglasfiltern liegt die spektrale Breite eines derartigen optischen Empfängers im Bereich zwischen 200 nm und 300 nm.

Aus dem Stand der Technik ist auch die Kombination einer Diode mit einem Interferenzfilter, das Bandpasscharakter besitzt, bekannt. Als optische Bandpässe lassen Interferenzfilter prinzipiell spektrale Breiten im Bereich einiger nm zu.

Nachteilig bei der Verwendung von Interferenzfiltern wirkt sich die Abhängigkeit der Filtermittenwellenlänge vom Einfallswinkel oder der Polarisation des Lichtes aus.

Zur Lösung des Problems werden komplexe Anordnungen aus Interferenzfilter, Konzentrator und Photodiode vorgeschlagen. In der amerikanischen Patentschrift US 4,851,664 wird vorgeschlagen, das Interferenzfilter auf die gekrümmte Oberfläche des Halbkugelkonzentrators aufzubringen. Dieser Vorgang ist aber technologisch äußerst aufwendig.

Eine andere Variante, vorgestellt von J. P. Savicki und S. P. Morgan in "Hemispherical concentrators and spectral filters for planar sensors in diffuse radiation fields", Applied Optics, vol. 33, no. 34, pp. 8057-8061, Dec. 1994, sieht zwei parabolische Konzentratoren vor, zwischen denen das Interferenzfilter angeordnet wird. Der erste Konzentrator dient der Winkeltransformation. Auch diese Anordnung ist technologisch sehr aufwendig.

Für derartige optische Empfänger sind Interferenzfilterbandbreiten zwischen 30 nm und 50 nm realistisch.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung für den Empfang optischer Signale bei der leitungsungebundenen optischen Übertragung bereitzustellen, deren möglichst schmaler Empfindlichkeitsbereich und im Spezialfall auch deren Mittenwellenlänge den gegebenen Anforderungen angepasst werden können, wobei der technologische Aufwand so gering wie möglich gehalten wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Anordnung und den dazu aufgeführten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer optischer Empfänger unterdrückt aufgrund seiner geringen spektralen Breite störendes Umgebungslicht, welches zu Empfängerrauschen führt, wirkungsvoller als bisherige Empfängervarianten für die leitungsungebundene Übertragung.

Da die Filtercharakteristik eines erfindungsgemäßen Empfängers unabhängig vom Einfallswinkel des Lichtes ist, kann das Absorptionsfilter auf der Basis direkter Halbleiter planar realisiert werden. Der technologische Aufwand hierfür ist mit dem einer Farbglas-Dioden-Kombination vergleichbar. Außerdem ermöglicht die vorgeschlagene Empfängervariante eine Multiplexübertragung im optischen Bereich, d. h. Wellenlängenmultiplex bzw. Wellenlängenduplex.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungs gemäßen Empfängers,

Fig. 2 das Prinzip der spektralen Filterung,

Fig. 3 einen Vergleich der Filtercharakteristik von Farbglas mit der von GaAs-Wafern mit verschiedenen Fremdatomdotierungen,

Fig. 4 einen Vergleich der spektralen Empfind lichkeitscharakteristiken einer Kombi nation aus Interferenzfilter und idealer Silizium-Diode und einer Filter-Dioden- Kombination aus direkten Halbleitern.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Empfängers gezeigt. Er setzt sich aus der eigentlichen Photodiode 1, die vornehmlich aus einem Halbleitermaterial mit direktem Bandübergang besteht, und einem vorgeschalteten optischen Absorptionsfilter 2, welches in jedem Fall aus einer Schicht eines Halbleitermaterials mit direktem Bandübergang besteht, zusammen. Beide Komponenten sind im Normalfall mit einer Antireflexionsschicht 3 versehen.

In Fig. 2 ist das Prinzip der spektralen Filterung dargestellt. Die Grenzwellenlänge des Filters 2 wird mit λ_Fi und die der Photodiode 1 mit λ_PD bezeichnet. Die Grenzwellenlänge λ_Fi des vorgeschalteten Halbleiterfilters liegt unterhalb der Grenzwellenlänge λ_PD der Photodiode. Es gilt λ_Fi < λ_PD.

Das Filter absorbiert Strahlung mit Wellenlängen λ < λ_Fi. Für Wellenlängen λ < λ_Fi ist das Filter hingegen transparent. Diese Strahlung trifft auf die Photodiode. Es wird aber nur der Teil der Strahlung von der Diode absorbiert, dessen Wellenlänge kleiner als die der Grenzwellenlänge der Diode λ_PD ist. Nur dieser Anteil der Strahlung trägt zum Photostrom bei.

Damit realisiert die Filter-Dioden-Kombination einen optischen Bandpass, dessen spektrale Breite mit Δλ = λ_PD - λ_Fi definiert ist.

Bei der Anwendung von direkten Halbleitern ist Dλ geringer als bei herkömmlichen Farbglaslösungen für die leitungsungebundene Übertragung, besonders wenn beide Komponenten aus einem Halbleiter mit direktem Bandübergang bestehen.

Halbleiter mit direktem Bandübergang zeichnen sich durch einen besonders abrupten Übergang vom Absorptions- in den Transmissionsbereich aus. Fig. 3 zeigt, dass ihre Absorptionskante im Vergleich zur Absorptionskante von Farbglasfiltern steiler verläuft.

Durch den abrupten Verlauf der Absorptionskante genügen schon geringe Schichtdicken (10-100 µm), um praktisch die gesamte Störstrahlung zu absorbieren, deren Wellenlänge geringer als die der Grenzwellenlänge des Halbleiters ist. So wird die Filtercharakteristik bezüglich der niedrigen Wellenlängen optimiert.

Wird für das Filtermaterial ein ternärer Mischhalbleiter mit direktem Bandübergang verwendet, kann die Absorptionskante bzw. die untere Grenzwellenlänge des Systems Filter-Diode in einem weiten Bereich über das Mischungsverhältnis der Halbleiterkomponenten verändert werden. Bei Verwendung von InGaAs kann sie beispielsweise zwischen der von GaAs (870 nm) und der von InAs (3440 nm) variieren.

Aber auch binäre Halbleiter, wie GaAs, lassen eine Anpassung der Absorptionskante, wenn auch in geringerem Umfang, durch Fremdatomdotierung zu.

In Fig. 3 ist die gemessene Filtercharakteristik von GaAs- Wafern mit verschiedenen "Beimischungen" dargestellt. Reines GaAs besitzt eine Grenzwellenlänge von ca. 870 nm. Durch entsprechende Dotierung verschiebt sich die Grenzwellenlänge in Richtung größerer Wellenlängen. Der spektrale Verlauf der Absorptionskante wird dabei zwar etwas flacher - im Vergleich zu dem von Farbglas ist er aber trotzdem noch weit günstiger.

Durch die Kombination eines Halbleiterfilters mit einer PIN- Diode, die ihrerseits aus einem direkten Halbleiter besteht und deren Grenzwellenlänge nur geringfügig oberhalb der des Filters liegt, kann eine nahezu perfekte spektrale Charakteristik erreicht werden, da dabei auch der Empfindlichkeitsverlauf der Diode nach oben hin sehr abrupt verläuft.

Für den direkten Halbleiter können binäre Halbleiter wie GaAS oder InP zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine InP- Diode mit einem Filter aus GaAs kombiniert werden. Die spektrale Breite dieser Kombination beträgt bei einer Mittenwellenlänge von etwa 890 nm unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung rund 50 nm.

Die Anwendung eines ternären Halbleiters wie InGaAs oder InGaP hat den Vorteil, dass sowohl die obere Empfindlichkeitsgrenze der Diode λ_PD als auch die Absorptionskante des Halbleiterfilters λ_Fi in einem weiten Spektralbereich entsprechend den gegebenen Anforderungen eingestellt werden kann und damit eine individuelle Anpassung der Mittenwellenlänge und der spektralen Breite der Kombination möglich wird. Es sind spektrale Breiten im Bereich von 10 nm und weniger denkbar.

Damit ist der Aufbau drahtloser Wellenlängenmultiplex- bzw. Wellenlängenduplex-Systeme möglich.

In Fig. 4 werden die spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken einer Kombination eines idealen Interferenzfilters mit einer idealen Si-Diode und einer Kombination aus einem GaAs-Filters mit einer fiktiven Diode, welche eine Absorptionscharakteristik wie das GaAs- Filter besitzt, die um 50 nm zur größeren Wellenlänge hin verschoben ist, verglichen.

Spektrale Breiten von 50 nm und weniger ermöglichen zum einen eine effektive Unterdrückung von Störquellen wie das Sonnenlicht, künstliche Beleuchtung oder andere Infrarot- Systeme und zum anderen Wellenlängenmultiplex oder -duplex.

Im Spezialfall ist es auch möglich, die Filterschicht direkt mit der Diode zu kombinieren.

Bezugszeichenliste

1

Photodiode

2

Absorptionsfilter

3

Antireflexionsschichten
λ_Fi

Grenzwellenlänge des Absorptionsfilters
λ_PD

Grenzwellenlänge der Photodiode
Δλ spektrale Breite des optischen Bandpasses aus Absorptionsfilter und Photodiode

Claims

1. Anordnung für den leitungsungebundenen, ungerichteten, störungsarmen Empfang optischer Signale bestehend aus einer Kombination einer PIN-Diode mit einer Grenzwellenlänge λ_PD und einem Absorptionsfilter mit einer Grenzwellenlänge λ_Fi, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode 1 und das Absorptionsfilter 2 aus einem Halbleiter mit direktem Bandübergang bestehen und die Grenzwellenlänge des Absorptionsfilter 2 λ_Fi kleiner der Grenzwellenlänge der Photodiode 1 λ_PD ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode und/oder das Absorptionsfilter aus einem binären direkten Halbleiter bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode und/oder das Absorptionsfilter aus einem ternären direkten Halbleiter bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Photodiode 1 und das Absorptionsfilter 2 mit einer Antireflexionsschicht versehen sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsfilter direkt mit der Photodiode kombiniert wird.