DE102024202402A1

DE102024202402A1 - Optical sensor device

Info

Publication number: DE102024202402A1
Application number: DE102024202402.3A
Authority: DE
Inventors: Patrick Tritschler; Torsten Ohms; Peter Degenfeld-Schonburg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-03-14
Filing date: 2024-03-14
Publication date: 2025-09-18
Also published as: WO2025190559A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung (1), umfassend eine Laserlichtquelle (2) zum Bereitstellen von Laserlicht (L), ein optischer Ringresonator (3), welcher angeordnet ist, um einen Teil des Laserlichts über einen Koppler (4) aufzunehmen, wobei der Ringresonator (3) ein optisch nichtlineares Material und/oder ein optisch absorbierendes Material aufweist so dass eine Resonanzkurve (31) des Ringresonators (3) als Funktion der Wellenlänge des aufzunehmenden Laserlichts (L) asymmetrisch bezüglich einer Resonanzwellenlänge (32) ist, wobei die Resonanzkurve (31) eine zu der Resonanzwellenlänge flach ansteigende Seite (31a) und eine zu der Resonanzwellenlänge (32) steil ansteigende Seite (31b) aufweist, eine Detektionseinrichtung (5), welche zum Detektieren von einem nicht in dem Ringresonator (3) gekoppelten Anteil des Laserlichts (L) eingerichtet ist, eine Steuereinrichtung (6), welche dazu ausgelegt ist, eine Laserleistung der Laserstrahlquelle (2) basierend auf dem detektierten nicht in den Ringresonator (3) gekoppelten Anteil des Laserlichts (L) derart zu steuern, dass in den Ringresonator (3) gekoppeltes Laserlicht (L) eine Laserwellenlänge (30) aufweist, welche auf der steil ansteigenden Seite (31b) der Resonanzkurve (31) angeordnet ist.The present invention provides an optical sensor device (1) comprising a laser light source (2) for providing laser light (L), an optical ring resonator (3) which is arranged to receive a portion of the laser light via a coupler (4), wherein the ring resonator (3) comprises an optically non-linear material and/or an optically absorbing material such that a resonance curve (31) of the ring resonator (3) as a function of the wavelength of the laser light (L) to be received is asymmetric with respect to a resonance wavelength (32), wherein the resonance curve (31) has a side (31a) rising gently towards the resonance wavelength and a side (31b) rising steeply towards the resonance wavelength (32), a detection device (5) which is designed to detect a portion of the laser light (L) not coupled in the ring resonator (3), a control device (6) which is designed to control a laser power of the laser beam source (2) based on the detected portion not coupled in to control the portion of the laser light (L) coupled to the ring resonator (3) in such a way that laser light (L) coupled into the ring resonator (3) has a laser wavelength (30) which is arranged on the steeply rising side (31b) of the resonance curve (31).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung.The present invention relates to an optical sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Optische Gyroskope basieren typischerweise auf dem Sagnac-Effekt. Es gibt faserbasierte und ringlaserbasierte Gyroskope. Faserbasierte Gyroskope basieren darauf, dass Licht kontinuierlich in zwei entgegengesetzte Richtungen in einer Glasfaser propagieren. Aufgrund des Sagnac-Effekts variiert bei einer Rotation des Gyroskops die effektiv zurückgelegte Länge beider Lichtwege. Dadurch verschiebt sich die Phase des Lichts. Nach dem Durchlaufen der Glasfaser treffen beide Lichtwege wieder aufeinander und eine Überlagerung der Lichtwellen findet statt. Dabei tritt konstruktive und destruktive Interferenz auf und es resultiert eine Lichtwelle, deren Intensität proportional zur Drehrate variiert.Optical gyroscopes are typically based on the Sagnac effect. There are fiber-based and ring-laser-based gyroscopes. Fiber-based gyroscopes rely on light continuously propagating in two opposite directions within a fiber optic cable. Due to the Sagnac effect, the effective distance traveled by both light paths varies as the gyroscope rotates. This shifts the phase of the light. After passing through the fiber optic cable, both light paths meet again, and the light waves superpose. Constructive and destructive interference occur, resulting in a light wave whose intensity varies proportionally to the rotation rate.

Bei Ringlasergyroskopen propagiert Licht in einem Ringresonator. Ringresonatoren sind geschlossene, kreisförmige Strukturen, in welchen das Licht zirkulieren kann. In Ringresonatoren können bestimmte Moden existieren, welche Aufgrund der Interferenz des Lichts nach einem Durchlauf des Rings miteinander interferieren. Damit werden in einem Ringresonator bestimmte Frequenzen verstärkt und andere gedämpft. Auch hier variiert bei der Rotation des Systems die effektive Weglänge aufgrund des Sagnac-Effekts und damit ändert sich die Resonanzfrequenz des Resonators. Dies sorgt dafür, dass bei einer Rotation die transmittierte Intensität in Abhängigkeit von der Drehrate variiert.In ring laser gyroscopes, light propagates in a ring resonator. Ring resonators are closed, circular structures in which light can circulate. Certain modes can exist in ring resonators, which interfere with each other due to the interference of the light after it has passed through the ring. This means that certain frequencies are amplified and others attenuated in a ring resonator. Here, too, the effective path length varies as the system rotates due to the Sagnac effect, thus changing the resonant frequency of the resonator. This ensures that the transmitted intensity varies depending on the rotation rate during rotation.

Für kompakte und Chip-integrierte faserbasierte und Ringresonator-basierte Gyroskope wird eine sehr hochwertige Fertigung benötigt, um eine vergleichbar mit größeren Produkten hohe Sensitivität zu erreichen. Insbesondere ist es schwierig, eine Resonanzkurve des Ringresonators sehr steil zu fertigen, wodurch die Sensitivität erhöht wird.For compact and chip-integrated fiber-based and ring-resonator-based gyroscopes, very high-quality manufacturing is required to achieve high sensitivity comparable to larger products. In particular, it is difficult to manufacture a very steep resonance curve of the ring resonator, which increases sensitivity.

Feng et al. „Progress of Waveguide Ring Resonators Used in Micro-Optical Gyroscopes“, Photonics, 7, 96 (2020 ) beschreibt optische Gyroskope. Feng et al. “Progress of Waveguide Ring Resonators Used in Micro-Optical Gyroscopes,” Photonics, 7, 96 (2020 ) describes optical gyroscopes.

Die vorliegende Erfindung hat somit die Aufgabe, eine verbesserte optische Sensorvorrichtung bereitzustellen, die eine erhöhte Sensitivität und/oder Kompaktheit ermöglicht.The present invention therefore has the object of providing an improved optical sensor device which enables increased sensitivity and/or compactness.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung nach Anspruch 1.The present invention provides an optical sensor device according to claim 1.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred further training is the subject of the subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß umfasst die optische Sensorvorrichtung eine Laserlichtquelle zum Bereitstellen von Laserlicht, ein optischer Ringresonator, welcher angeordnet ist, um einen Teil des Laserlichts über einen Koppler aufzunehmen, wobei der Ringresonator ein optisch nichtlineares Material und/oder ein optisch absorbierendes Material aufweist so dass eine Resonanzkurve des Ringresonators als Funktion der Wellenlänge des aufzunehmenden Laserlichts asymmetrisch bezüglich einer Resonanzwellenlänge ist, wobei die Resonanzkurve eine zu der Resonanzwellenlänge flach ansteigende Seite und eine zu der Resonanzwellenlänge steil ansteigende Seite aufweist, eine Detektionseinrichtung, welche zum Detektieren von einem nicht in dem Ringresonator gekoppelten Anteil des Laserlichts eingerichtet ist, eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine Laserleistung der Laserstrahlquelle basierend auf dem detektierten nicht in den Ringresonator gekoppelten Anteil des Laserlichts derart zu steuern, dass in den Ringresonator gekoppeltes Laserlicht eine Laserwellenlänge aufweist, welche auf der steil ansteigenden Seite der Resonanzkurve angeordnet ist.According to the invention, the optical sensor device comprises a laser light source for providing laser light, an optical ring resonator which is arranged to receive a portion of the laser light via a coupler, wherein the ring resonator comprises an optically non-linear material and/or an optically absorbing material such that a resonance curve of the ring resonator as a function of the wavelength of the laser light to be received is asymmetric with respect to a resonance wavelength, wherein the resonance curve has a side which rises gently towards the resonance wavelength and a side which rises steeply towards the resonance wavelength, a detection device which is configured to detect a portion of the laser light not coupled into the ring resonator, a control device which is configured to control a laser power of the laser beam source based on the detected portion of the laser light not coupled into the ring resonator such that laser light coupled into the ring resonator has a laser wavelength which is arranged on the steeply rising side of the resonance curve.

Diese vorliegende Erfindung basiert auf einem kompakten Sensoraufbau, welcher die Nichtlinearität von optischen Materialien ausnutzt, um die Steilheit der Resonanz und damit die Sensitivität zu erhöhen. Damit kann ein kompakter optischer, chip-integrierter Drehratensensor realisiert werden, dessen Fertigungsqualität nicht sehr hoch sein muss.This invention is based on a compact sensor design that exploits the nonlinearity of optical materials to increase the slope of the resonance and thus the sensitivity. This allows for the realization of a compact optical, chip-integrated angular rate sensor whose manufacturing quality does not require very high levels of precision.

Zum Erreichen der steilen Resonanzkurve wird zumindest eines oder eine Kombination aus einem optisch nichtlinearen und/oder einem optisch stark absorbierendem Medium verwendet. Ferner wird auch eine Architektur zur Regelung der Leistung und optional der Phase eines Lasers verwendet. Bei dem Medium ist es wichtig, dass dieses entweder eine hohe zweite oder dritte Ordnung Suszeptibilität besitzt oder aber eine relevante Absorption, um vorzugsweise eine optische Bistabilität zu erzeugen. Dabei kann das Medium auch mit absichtlichen Fehlstellen gefertigt werden, um die Lichtabsorption zu erhöhen. Ein Beispiel sind ungebundene Silizium-Atome in einem Silizium-Nitride Wellenleiter. Bei den Silizium-Atomen kann eine zwei-Photonen Absorption auftreten, welche bei Silizium-Nitrid Wellenleitern nicht auftritt und dadurch entsteht eine zusätzliche Erhitzung des Wellenleiters. In Kombination dazu wird ein System aus Detektoren und Laserleistungssteuerung, optional auch Phasensteuerung verwendet um die Leistung im Resonator zu regeln, welche auch einen Einfluss auf eine Bistabilität besitzt.To achieve the steep resonance curve, at least one or a combination of an optically nonlinear and/or a strongly optically absorbing medium is used. Furthermore, an architecture for controlling the power and, optionally, the phase of a laser is used. It is important that the medium has either a high second- or third-order susceptibility or a relevant absorption, preferably to create optical bistability. The medium can also be manufactured with intentional defects to increase light absorption. One example is unbonded silicon atoms in a silicon nitride waveguide. Two-photon absorption can occur in the silicon atoms, which does not occur in silicon nitride waveguides, resulting in additional heating of the waveguide. In combination with this, a system of detectors and laser power control, optionally also phase control, is used to regulate the power in the resonator. which also has an influence on bistability.

Das Laserlicht aus einer Laserlichtquelle wird über einen Koppler in einen Ringresonator gekoppelt. In diesem entsteht üblicherweise eine Felderhöhung und damit eine hohe Intensität. Der Resonator enthält ein beliebiges optisch nichtlineares oder optisch absorbierendes Material, entweder in Form eines Wellenleiters, z.B. auf einem integrierten photonischen Chip, oder innerhalb eines Freiraumresonators. Für die Nichtlinearität kommt jedes Material mit einer relevanten zweiten Ordnung Suszeptibilität wie Lithium Niobate (auch PPLN) oder einer relevanten dritten Ordnung Suszeptibilität wie Silizium oder Silizium Nitride in Frage. Für die Absorption des Materials ist einmal das Material selbst entscheidend, als auch die Fertigungsart. Je nachdem mit welcher Orientierung und Schichtfolge und Fertigungsqualität die Kristalle bei der Halbleiterfertigung wachsen, absorbieren diese mehr oder weniger Photonen.The laser light from a laser light source is coupled into a ring resonator via a coupler. This typically results in a field enhancement and thus a high intensity. The resonator contains any optically nonlinear or optically absorbing material, either in the form of a waveguide, e.g., on an integrated photonic chip, or within a free-space resonator. Any material with a relevant second-order susceptibility, such as lithium niobate (also PPLN), or a relevant third-order susceptibility, such as silicon or silicon nitride, can be considered for the nonlinearity. The material itself and the manufacturing method are both crucial for the absorption of the material. Depending on the orientation, layer sequence, and manufacturing quality of the crystals grown during semiconductor production, they absorb more or fewer photons.

Die Transmission eines Ringresonators bzw. des Kopplers, also der Teil des Laserlichts, welcher nicht in den Ringresonator gekoppelt wird, kann über die Koppelrate ĸ, die Verlustrate y und dem Detuning Δ berechnet werden. Während alle drei die Intensitätsverstärkung definieren, sorgt das Detuning für die optische Bistabilität und eine Verschiebung der Resonanzfrequenz. Diese setzt sich aus Effekten wie unter anderem der Selbstphasenmodulation und einer thermischen Modulation zusammen. Die Selbstphasenmodulation verursacht eine Bistabilität aufgrund der Suszeptibilität, während bei der thermischen Modulation Photonen absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Beides verursacht eine Bistabilität, welche zu einer asymmetrischen Resonanzkurve, wenn aufgetragen als Funktion der Wellenlänge, führt. Eine Steigung in einer nichtlinearen oder steilen Seite der Kurve ist stärker als in einer gegenüberliegenden Seite, wobei die Seiten von der Resonanzwellenlänge, also dem höchsten Punkt der Resonanzkurve getrennt werden.The transmission of a ring resonator or coupler, i.e. the part of the laser light that is not coupled into the ring resonator, can be calculated using the coupling rate ĸ, the loss rate y, and the detuning Δ. While all three define the intensity gain, detuning causes optical bistability and a shift in the resonance frequency. This is composed of effects such as self-phase modulation and thermal modulation. Self-phase modulation causes bistability due to susceptibility, while thermal modulation absorbs photons and converts them into heat. Both cause bistability, which leads to an asymmetric resonance curve when plotted as a function of wavelength. A slope in a nonlinear or steep side of the curve is stronger than in an opposite side, with the sides separated by the resonance wavelength, i.e. the highest point of the resonance curve.

Wie oben erwähnt, wird in der vorliegenden Erfindung die transmittierende Leistung des Ringresonators, also der Teil des Laserlichts, welcher nicht in den Ringresonator gekoppelt wird, gemessen. Dafür wird bevorzugt die Resonanzfrequenz des Ring-Resonators so geschoben, dass die Wellenlänge des Lasers an der steilsten Stelle positioniert ist. Dies kann dadurch ermöglicht werden, indem die Wellenlänge des Lasers entsprechend angepasst wird. So ist es vorteilhafter bei einer konstant geregelten Laserwellenlänge und Laserleistung die Resonanzfrequenz des Ringresonators zu regeln Optional kann dies zusätzlich oder alternativ durch einen Phasenschieber geschehen, welcher in Abhängigkeit der Laserleistung geregelt werden kann, wie weiter unten beschrieben wird. Durch die Nichtlinearität kann somit eine starke Signal-Flanke und damit eine hohe Sensitivität erreicht werden. Wirkt eine Drehrate auf das System, so entsteht aufgrund des Sagnac-Effects eine Änderung der effektiven Länge des Resonators, damit eine Änderung der Resonanzfrequenz und damit eine effektive Phasenänderung. Aufgrund dieser Änderung, ändert sich die gemessene Leistung der Transmission.As mentioned above, in the present invention, the transmitted power of the ring resonator, i.e. the part of the laser light that is not coupled into the ring resonator, is measured. For this purpose, the resonant frequency of the ring resonator is preferably shifted so that the laser wavelength is positioned at the steepest point. This can be achieved by adjusting the laser wavelength accordingly. Thus, it is more advantageous to control the resonant frequency of the ring resonator with a constantly controlled laser wavelength and laser power. Optionally, this can be done additionally or alternatively using a phase shifter, which can be controlled depending on the laser power, as described below. The nonlinearity thus makes it possible to achieve a strong signal edge and thus high sensitivity. If a rotation rate acts on the system, the Sagnac effect causes a change in the effective length of the resonator, thus a change in the resonant frequency and thus an effective phase change. Due to this change, the measured transmission power changes.

Aufgrund der Bistabilität wird die Änderung der Transmission stärker und damit das Sensorsystem sensitiver. Dies ist auch möglich, da sich in diesem optischen System der Steady-State sehr schnell einstellt und damit Phasenänderungen quasi direkt in einer Leistungsänderung gemessen werden können.Due to the bistability, the change in transmission becomes more pronounced, making the sensor system more sensitive. This is also possible because the steady state in this optical system is established very quickly, allowing phase changes to be measured almost directly as a change in power.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist eine Lichtaufteileinrichtung vorgesehen, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, das Laserlicht in einen ersten Lichtpfad und einen zweiten Lichtpfad in einem vorbestimmten Verhältnis aufzuteilen. Somit wird der ursprüngliche Lichtpfad von der Laserstrahlquelle zum Koppler in den ersten und zweiten Lichtpfad aufgeteilt. Der Koppler hin zum Ringresonator ist dabei auf dem ersten Lichtpfad angeordnet. Die Detektionseinrichtung ist zum Detektieren von in dem zweiten Lichtpfad aufgeteiltes Laserlicht eingerichtet. Dies kann realisiert werden, indem ein Detektor, beispielsweise ein Fotodetektor, den Teil des in den zweiten Lichtpfad abgelenkten Laserlichts misst. So kann beispielsweise die Temperatur oder der Strom des Lasers so geregelt werden, dass die im zweiten Lichtpfad gemessene Leistung immer konstant ist.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, a light splitting device is provided, which is arranged and designed to split the laser light into a first light path and a second light path in a predetermined ratio. Thus, the original light path from the laser beam source to the coupler is split into the first and second light paths. The coupler toward the ring resonator is arranged on the first light path. The detection device is configured to detect laser light split in the second light path. This can be achieved by a detector, for example a photodetector, measuring the portion of the laser light deflected into the second light path. For example, the temperature or the current of the laser can be controlled such that the power measured in the second light path is always constant.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist ein Lichtschalter vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, das Laserlicht in einen ersten Lichtpfad oder einen zweiten Lichtpfad abzulenken. Der Koppler ist in dieser Ausführungsform ebenfalls auf dem ersten Lichtpfad angeordnet. Die Detektionseinrichtung ist zum Detektieren von in den zweiten Lichtpfad abgelenktes Laserlicht eingerichtet. Dies kann wiederum realisiert werden, indem ein (Foto-)Detektor den durch den Lichtschalter auf den zweiten Lichtpfad abgelenkten Teil der Laserleistung misst und beispielsweise die Temperatur, oder der Strom des Lasers so geregelt wird, dass die gemessene Leistung immer konstant ist. Die Schaltzeit des Lichtschalters, um Licht von dem ersten Lichtpfad zum zweiten Lichtpfad und umgekehrt zu schalten, liegt dabei vorzugsweise im µs-Bereich. Dies ist sinnvoll, da das einschwingen im Ringresonator im ns-Bereich liegt, und damit schneller ist, als die Schaltzeit des Lichtschalters. Der Lichtschalter kann insbesondere in dem Koppler integriert sein. Auf diese Weise ist nur ein einzelner Lichtweg notwendig.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, a light switch is provided, which is designed to deflect the laser light into a first light path or a second light path. In this embodiment, the coupler is also arranged on the first light path. The detection device is configured to detect laser light deflected into the second light path. This can in turn be achieved by a (photo)detector measuring the portion of the laser power deflected by the light switch onto the second light path and, for example, regulating the temperature or the current of the laser so that the measured power is always constant. The switching time of the light switch to switch light from the first light path to the second light path and vice versa is preferably in the µs range. This is useful because the oscillation in the ring resonator is in the ns range and thus faster than the switching time of the light switch. The light switch can, in particular, be integrated into the coupler. In this way, only a single light path is necessary.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist die Wellenlänge an einem steilsten Punkt der Resonanzkurve angeordnet. Dies kann durch die Laserlichtquelle selbst oder durch einen Phasenschieber gesteuert werden, wie weiter unten beschrieben wird. Diese Einstellung führt zu einer Änderung der Weglänge mit einer maximalen Änderung des Resonanzverhaltens der verwendeten Wellenlänge. Dies erhöht die Sensitivität der optischen Sensorvorrichtung.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the wavelength is positioned at a steepest point of the resonance curve. This can be controlled by the laser light source itself or by a phase shifter, as described below. This adjustment results in a change in the path length with a maximum change in the resonance behavior of the wavelength used. This increases the sensitivity of the optical sensor device.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung weist der Ringresonator einen Phasenschieber auf, welcher dazu eingerichtet ist, eine Phase des in den Ringresonator gekoppelte Laserlichts zu verschieben. Der Phasenschieber kann entweder ein thermischer Phasenschieber sein, welcher die Temperatur und damit die Phase schiebt, oder ein elektro-optischen Phasenschieber, welcher den Brechungsindex des Wellenleitermaterials und damit die Phase schiebt. Durch eine entsprechend angepasste Steuerung der Phase des Laserlichts kann die Frequenz bzw. Wellenlänge des Laserlichts insbesondere in Abhängigkeit der Laserleistung geändert werden, so dass die verwendete Wellenlänge optimal auf die steilste Stelle in der Resonanzkurve eingestellt werden, um so eine erhöhte Sensitivität zu erreichen.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator has a phase shifter configured to shift the phase of the laser light coupled into the ring resonator. The phase shifter can be either a thermal phase shifter, which shifts the temperature and thus the phase, or an electro-optical phase shifter, which shifts the refractive index of the waveguide material and thus the phase. By appropriately adjusting the phase control of the laser light, the frequency or wavelength of the laser light can be changed, particularly as a function of the laser power, so that the wavelength used can be optimally adjusted to the steepest point in the resonance curve in order to achieve increased sensitivity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist ein Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorgesehen. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den Phasenschieber basierend auf der erfassten Umgebungstemperatur zu steuern. In Abhängigkeit des Messwertes kann daraufhin die Phase geschoben, so dass der Arbeitspunkt sich bevorzugt immer bei der Transmission an der steilsten Flanke befindet. So können Temperaturschwankungen ausgeglichen werden, so dass die Sensitivität der optischen Sensorvorrichtung auch bei Schwankungen der Umgebungstemperatur erhalten bleibt.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, a temperature sensor is provided for detecting the ambient temperature. The control device is designed to control the phase shifter based on the detected ambient temperature. Depending on the measured value, the phase can then be shifted so that the operating point is preferably always located at the steepest edge during transmission. This allows temperature fluctuations to be compensated, so that the sensitivity of the optical sensor device is maintained even with fluctuations in the ambient temperature.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist ein variabler Abschwächer vorgesehen, welcher zwischen der Laserstrahlquelle und dem Koppler angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein zusätzliches Dämpfungsglied in Form des variablen Abschwächers verwendet werden, welches die Laserleistung regelt. Dies ist stabiler als eine Temperatur oder Stromregelung, da sich dabei auch die Wellenlänge ändern kann. Der variable Abschwächer kann chip-integriert zwischen der Laserlichtquelle und dem Koppler angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den variablen Abschwächer zur Steuerung der Laserleistung anzusteuern. Zusätzlich kann dieser Detektor als Referenzsensor verwendet werden, um die Leistungsänderungen an den anderen Detektoren richtig zu interpretieren. Dieser kann chip-integriert, z.B. nach dem Koppler, beispielsweise über den optischen Widerstand mithilfe von Graphenschichten, realisiert sein, oder makroskopisch hinter der Laserlichtquelle positioniert werden.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, a variable attenuator is provided, which is arranged between the laser beam source and the coupler. In this way, an additional attenuator in the form of the variable attenuator can be used, which regulates the laser power. This is more stable than temperature or current control, since the wavelength can also change. The variable attenuator can be arranged on-chip between the laser light source and the coupler. The control device is configured to control the variable attenuator to control the laser power. In addition, this detector can be used as a reference sensor to correctly interpret the power changes at the other detectors. This can be implemented on-chip, e.g., downstream of the coupler, for example, via the optical resistor using graphene layers, or positioned macroscopically behind the laser light source.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist die Detektionseinrichtung dazu eingerichtet, über einen weiteren Koppler aus dem Ringresonator ausgekoppeltes Laserlicht zu detektieren. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, die Laserleistung basierend auf einer detektierten Lichtmenge des aus dem Ringresonator ausgekoppelten Laserlichts zu steuern. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Regelung für die optische Leistung im Resonator verwendet. Da die Nicht-linearität von der Leistung im Resonator abhängt, kann so ein zuverlässiger Betrieb garantiert werden. Dafür kann ein Teil der Leistung im Resonator aus diesem ausgekoppelt und detektiert werden. Die Laserlichtquelle kann dann nachgeregelt werden, so dass die Leistung im Resonator konstant ist. So kann über eine weitere Koppelstelle ein definierter Teil des Lichts im Resonator ausgekoppelt und gemessen werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn dieser weitere Koppler breitbandig ausgelegt ist und damit wellenlängenunabhängig einen gleichen Leistungsanteil des Lichtes aus dem Resonator koppelt.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the detection device is configured to detect laser light coupled out of the ring resonator via a further coupler. The control device is designed to control the laser power based on a detected amount of the laser light coupled out of the ring resonator. In this way, additional control is used for the optical power in the resonator. Since the nonlinearity depends on the power in the resonator, reliable operation can be guaranteed. For this purpose, a portion of the power in the resonator can be coupled out and detected. The laser light source can then be adjusted so that the power in the resonator is constant. In this way, a defined portion of the light in the resonator can be coupled out and measured via a further coupling point. It is advantageous if this further coupler is designed to be broadband and thus couples the same power portion of the light from the resonator regardless of the wavelength.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Phasenschieber basierend auf der detektierten Lichtmenge des aus dem Ringresonator ausgekoppelten Laserlichts zu steuern. So kann die Wellenlänge des in den Ringresonator gekoppelten Laserlichts, oder die Resonanzbedingung des Ringresonators über weitere Phasenschieber angepasst werden, wodurch die hohe Sensitivität gewährleistet wird.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the control device is designed to control the phase shifter based on the detected amount of laser light coupled out of the ring resonator. Thus, the wavelength of the laser light coupled into the ring resonator or the resonance condition of the ring resonator can be adjusted via additional phase shifters, thereby ensuring high sensitivity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung weist der Ringresonator einen Schlitzwellenleiter auf, welcher einen Schlitzbereich zwischen einem ersten Leiterkern und einem zweiten Leiterkern aufweist, wobei das optisch nichtlineare Material und/oder das optisch absorbierende Material in dem Schlitzbereich angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Material eine höhere Nichtlinearität besitzen. Dabei können die anderen Wellenleiter eine andere Form aufweisen um eine sensitive Sensorregion im Ringresonator zu realisieren, und gleichzeitig eine effiziente Lichtführung in den anderen Pfaden.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator comprises a slotted waveguide having a slotted region between a first conductor core and a second conductor core, wherein the optically nonlinear material and/or the optically absorbing material is arranged in the slotted region. In this way, the material can exhibit a higher nonlinearity. The other waveguides can have a different shape to realize a sensitive sensor region in the ring resonator while simultaneously ensuring efficient light guidance in the other paths.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist der Ringresonator auf einem photonischen integrierten Schaltkreis angeordnet. Ferner ist ein Chip-Koppler vorgesehen, welcher dazu ausgelegt ist, das von der Laserlichtquelle bereitgestellte Laserlicht auf den photonischen integrierten Schaltkreis einzukoppeln. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator is arranged on a photonic integrated circuit. Furthermore, a chip coupler is provided, which is designed to transfer the laser light provided by the laser light source to the photonic integrated circuit. This enables a particularly compact design.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung sind der Ringresonator und die Laserlichtquelle heterogen oder homogen auf einem photonischen integrierten Schaltkreis integriert sind. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau, ohne dass ein Chip-Koppler notwendig ist.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator and the laser light source are heterogeneously or homogeneously integrated on a photonic integrated circuit. This enables a particularly compact design without the need for a chip coupler.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist der Koppler als ein evaneszenter Koppler oder ein Multimodeninterferometer ausgebildet. Diese Koppler sind chip-basiert integrierbar und können somit eine Kompaktheit garantieren. Ferner stellen diese besonders zuverlässige optische Komponenten dar.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the coupler is designed as an evanescent coupler or a multimode interferometer. These couplers can be integrated on a chip-based basis and thus guarantee compactness. Furthermore, they represent particularly reliable optical components.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist der Ringresonator und der Koppler durch eine Anordnung von Strahlteilern und Freiraumspiegeln realisiert. Auf diese Weise kann eine optische Sensorvorrichtung mit einfachen und relativ günstigen Komponenten realisiert werden.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator and the coupler are implemented by an arrangement of beam splitters and free-space mirrors. In this way, an optical sensor device can be realized with simple and relatively inexpensive components.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung weist der Ringresonator eine „horse-race“, ähnlich der Form eines Langlochs, oder spiralförmige Anordnung auf. Damit besitzt der Ringresonator ein erweitertes Sensorgebiet womit die Sensitivität aufgrund der größeren Fläche erhöht wird.According to a preferred embodiment of the optical sensor device, the ring resonator has a "horserace" configuration, similar to the shape of an elongated hole, or a spiral configuration. Thus, the ring resonator has an extended sensing area, which increases sensitivity due to the larger surface area.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the schematic figures of the drawing.

Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
1 B eine schematische Darstellung einer Resonanzkurve eines Ringresonators in einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

They show:

1A a schematic representation of an optical sensor device according to an embodiment of the present invention;
1 B a schematic representation of a resonance curve of a ring resonator in an optical sensor device according to an embodiment of the present invention;
2 a schematic representation of an optical sensor device according to a further embodiment of the present invention;
3 a schematic representation of an optical sensor device according to a further embodiment of the present invention; and
4 a schematic representation of an optical sensor device according to a further embodiment of the present invention;

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally identical elements.

1A zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1A shows a schematic representation of an optical sensor device 1 according to an embodiment of the present invention.

Die in 1 gezeigte optische Sensorvorrichtung 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2 zum Bereitstellen von Laserlicht L. Die Laserlichtquelle 2 kann dabei jede Form eines Lasers sein, der für die Anwendung geeignet ist. Bevorzugt werden kompakte Laserlichtquellen 2, welche auch eine geringe Linienbreite haben und eine geringe Modenzahl, vorzugsweise mit einer Einzelmode, oszillieren. So kommen beispielsweise DFB-Laser oder diodengepumpte Faserlaser mit Bragg-Gitter oder ähnliches zur Anwendung.The 1 The optical sensor device 1 shown comprises a laser light source 2 for providing laser light L. The laser light source 2 can be any form of laser suitable for the application. Compact laser light sources 2 are preferred, which also have a narrow linewidth and oscillate with a small number of modes, preferably with a single mode. For example, DFB lasers or diode-pumped fiber lasers with Bragg gratings or similar devices are used.

Ferner umfasst die optische Sensorvorrichtung 1 einen optischen Ringresonator 3, welcher angeordnet ist, um einen Teil des Laserlichts über einen Koppler 4 aufzunehmen. In bestimmten Ausführungsformen ist der Koppler 4 als ein evaneszenter Koppler ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist der Koppler 4 als ein Multimodeninterferometer ausgebildet. Der Ringresonator 3 weist ein optisch nichtlineares Material und/oder ein optisch absorbierendes Material auf so dass eine Resonanzkurve 31 des Ringresonators 3 als Funktion der Wellenlänge des aufzunehmenden Laserlichts L asymmetrisch bezüglich einer Resonanzwellenlänge 32 ist, eine Detektionseinrichtung 5, welche zum Detektieren von einem nicht in den Ringresonator 3 gekoppelten Anteil des Laserlichts L eingerichtet ist. So ist ein Fotodetektor 5 vorgesehen, der das Laserlicht L, welches nicht in den Ringresonator gekoppelt wird und den Koppler passiert, detektiert. Die Transmission eines Ringresonators 3, also der Teil des Laserlichts L, welcher nicht in den Ringresonator gekoppelt wird, kann wie folgt angegeben werden $T = {| κ / [(γ + κ) / 2 - i Δ] - 1 |}^{2}$ wobei die Koppelrate ĸ, die Verlustrate y und das Detuning Δ in der Formel enthalten sind. Dieses transmittierte Laserlicht L wird durch den Fotodetektor 5 erfasst.The optical sensor device 1 further comprises an optical ring resonator 3, which is arranged to receive a portion of the laser light via a coupler 4. In certain embodiments, the coupler 4 is designed as an evanescent coupler. In further embodiments, the coupler 4 is designed as a multimode interferometer. The ring resonator 3 comprises an optically nonlinear material and/or an optically absorbing material such that a resonance curve 31 of the ring resonator 3, as a function of the wavelength of the laser light L to be received, is asymmetric with respect to a resonance wavelength 32. A detection device 5, which is configured to detect a portion of the laser light L not coupled into the ring resonator 3. Thus, a photodetector 5 is provided, which detects the laser light L that is not coupled into the ring resonator and passes through the coupler. The transmission of a ring resonator 3, i.e. the part of the laser light L which is not coupled into the ring resonator, can be given as follows $T = {| κ / [(γ + κ) / 2 - i Δ] - 1 |}^{2}$ where the coupling rate ĸ, the loss rate y, and the detuning Δ are included in the formula. This transmitted laser light L is detected by the photodetector 5.

Die optische Sensorvorrichtung 1 umfasst außerdem eine Steuereinrichtung 6, welche dazu ausgelegt ist, eine Laserleistung der Laserstrahlquelle 2 basierend auf dem detektierten, nicht in den Ringresonator 3 gekoppelten Anteil des Laserlichts L derart zu steuern, dass in den Ringresonator gekoppeltes Laserlicht L eine Laserwellenlänge aufweist, welche auf der steil ansteigenden Seite 31b der Resonanzkurve 31 angeordnet ist. Die Resonanzkurve 31 mit der steil ansteigenden Seite 31b wird in der folgenden 1B näher erläutert.The optical sensor device 1 also comprises a control device 6, which is designed to control a laser power of the laser beam source 2 based on the detected portion of the laser light L not coupled into the ring resonator 3 such that laser light L coupled into the ring resonator has a laser wavelength which is arranged on the steeply rising side 31b of the resonance curve 31. The resonance curve 31 with the steeply rising side 31b is shown in the following 1B explained in more detail.

1 B zeigt eine schematische Darstellung einer Resonanzkurve 31 eines Ringresonators 3 in einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 1 B shows a schematic representation of a resonance curve 31 of a ring resonator 3 in an optical sensor device according to an embodiment of the present invention.

Die in 1B gezeigte Resonanzkurve 31 ist aufgetragen als Intensität auf der vertikalen Achse 33 als Funktion der Wellenlänge 34. Die Resonanzkurve 31 weist eine zu der Resonanzwellenlänge 32, welche den höchsten Punkt in der Resonanzkurve 31 darstellt, flach ansteigende Seite 31a und eine zu der Resonanzwellenlänge 32 steil ansteigende Seite 31b auf. In dieser Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung 1 ist die Wellenlänge 30 des in den Ringresonators 3 gekoppelten Laserlichts L an einem steilsten Punkt der Resonanzkurve 31 angeordnet.The 1B The resonance curve 31 shown is plotted as intensity on the vertical axis 33 as a function of the wavelength 34. The resonance curve 31 has a side 31a that rises gently to the resonance wavelength 32, which represents the highest point in the resonance curve 31, and a side 31b that rises steeply to the resonance wavelength 32. In this embodiment of the optical sensor device 1, the wavelength 30 of the laser light L coupled into the ring resonator 3 is arranged at a steepest point of the resonance curve 31.

Die Koppelrate und die Verlustrate definieren die Intensitätsverstärkung der Resonanzkurve 31. Das Detuning bildet die optische Bistabilität und eine Verschiebung der Resonanzfrequenz. Diese setzt sich aus Effekten wie beispielsweise der Selbstphasenmodulation und einer thermischen Modulation zusammen. Die Selbstphasenmodulation verursacht eine Bistabilität aufgrund der Suszeptibilität, während bei der thermischen Modulation Photonen absorbiert und in Wärme umgewandelt werden. Beides verursacht eine Bistabilität, wie sie in 1B dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass die Steigung in der nichtlinearen Resonanzkurve 32, insbesondere auf der steil ansteigenden Seite 31b, stärker ist als in einer zum Vergleich eingezeichneten linearen Kurve 33, welche eine symmetrische Resonanzkurve 35 bei Abwesenheit des optisch nichtlinearen und/oder optisch absorbierenden Materials im Ringresonator 3 darstellt. In der vorliegenden Erfindung wird die von dem Ringresonators 3 transmittierende Leistung des Laserlichts L durch den Fotodetektor 5 gemessen. Dafür wird die Resonanzfrequenz bzw. Resonanzwellenlänge 32 des Ringresonators 3 so geschoben, dass die Wellenlänge des gekoppelten Laserlichts 30 möglichst an der steilsten Stelle positioniert ist, wie in 1B gezeigt.The coupling rate and the loss rate define the intensity gain of the resonance curve 31. The detuning creates the optical bistability and a shift of the resonance frequency. This is composed of effects such as self-phase modulation and thermal modulation. Self-phase modulation causes bistability due to susceptibility, while thermal modulation absorbs photons and converts them into heat. Both cause bistability, as in 1B It can be seen that the slope in the non-linear resonance curve 32, particularly on the steeply rising side 31b, is stronger than in a linear curve 33 drawn for comparison, which represents a symmetrical resonance curve 35 in the absence of the optically non-linear and/or optically absorbing material in the ring resonator 3. In the present invention, the power of the laser light L transmitted by the ring resonator 3 is measured by the photodetector 5. For this purpose, the resonance frequency or resonance wavelength 32 of the ring resonator 3 is shifted such that the wavelength of the coupled laser light 30 is positioned as steeply as possible, as shown in 1B shown.

Durch die Nichtlinearität kann somit eine starke Signal-Flanke und damit eine hohe Sensitivität erreicht werden. Wirkt eine Drehrate auf das System, so entsteht aufgrund des Sagnac-Effects eine Änderung der effektiven Länge des Resonators, damit eine Änderung der Resonanzfrequenz 32 und damit eine effektive Phasenänderung. Aufgrund dieser Änderung, ändert sich die gemessene Leistung der Transmission an dem Fotodetektor 5 in 1A. Aufgrund der Bistabilität wird die Änderung der Transmssion stärker und damit die optische Sensorvorrichtung 1 sensitiver. Dies ist auch möglich, da sich in diesem optischen System der Steady-State sehr schnell einstellt und damit Phasenänderungen quasi direkt in einer Leistungsänderung gemessen werden können.Due to the nonlinearity, a strong signal edge and thus high sensitivity can be achieved. If a rotation rate acts on the system, the Sagnac effect causes a change in the effective length of the resonator, thus a change in the resonance frequency 32 and thus an effective phase change. Due to this change, the measured power of the transmission at the photodetector 5 changes in 1A Due to the bistability, the change in transmission becomes more pronounced, making the optical sensor device 1 more sensitive. This is also possible because the steady state in this optical system is established very quickly, allowing phase changes to be measured almost directly in a power change.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 shows a schematic representation of an optical sensor device 1 according to a further embodiment of the present invention.

Die optische Sensorvorrichtung 1 der 2 basiert auf der optischen Sensorvorrichtung 1 der 1 und sind miteinander kombinierbar.The optical sensor device 1 of the 2 is based on the optical sensor device 1 of the 1 and can be combined with each other.

Die in 2 gezeigte optische Sensorvorrichtung 1 weist eine Lichtaufteileinrichtung 71 auf, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, das Laserlicht L in einen ersten Lichtpfad 11 und einen zweiten Lichtpfad 12 in einem vorbestimmten Verhältnis aufzuteilen. Der Koppler 4 ist auf dem ersten Lichtpfad 11 angeordnet. Die Detektionseinrichtung 5 ist zum Detektieren von in dem zweiten Lichtpfad aufgeteiltes Laserlicht L eingerichtet. Dies bedeutet, dass neben einem ersten Fotodetektor 5a, welcher das im ersten Lichtpfad 11 nicht in den Ringresonator 3 gekoppelte Laserlicht erfasst, noch ein zweiter Fotodetektor 5b vorgesehen ist, welcher das in den zweiten Lichtpfad 12 abgezweigte Laserlicht detektiert. Der zweite Fotodetektor 5b ist mit der Steuereinrichtung 6 (der Übersicht halber in 2 weggelassen) verbunden und dazu eingerichtet, die Laserleistung der Laserlichtquelle 2 basierend auf der gemessenen Lichtmenge am zweiten Fotodetektor 5b zu steuern.The 2 The optical sensor device 1 shown has a light splitting device 71, which is arranged and designed to split the laser light L into a first light path 11 and a second light path 12 in a predetermined ratio. The coupler 4 is arranged on the first light path 11. The detection device 5 is designed to detect laser light L split in the second light path. This means that in addition to a first photodetector 5a, which detects the laser light not coupled into the ring resonator 3 in the first light path 11, a second photodetector 5b is provided, which detects the laser light branched into the second light path 12. The second photodetector 5b is connected to the control device 6 (for the sake of clarity in 2 omitted) and configured to control the laser power of the laser light source 2 based on the measured amount of light at the second photodetector 5b.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3 shows a schematic representation of an optical sensor device 1 according to a further embodiment of the present invention.

Die optische Sensorvorrichtung 1 der 3 basiert auf der optischen Sensorvorrichtung 1 der 1 und sind miteinander kombinierbar. Ferner kann die in 3 gezeigte optische Sensorvorrichtung als alternative Ausbildung zur optischen Sensorvorrichtung 1 der 2 angesehen werden. Jedoch sind die in 2 und 3 gezeigten optischen Sensorrichtungen dennoch miteinander kombinierbar.The optical sensor device 1 of the 3 is based on the optical sensor device 1 of the 1 and can be combined with each other. Furthermore, the 3 shown optical sensor device as an alternative embodiment to the optical sensor device 1 of 2 However, the 2 and 3 The optical sensor directions shown can still be combined with each other.

Die in 3 gezeigte optische Sensorvorrichtung 1 weist einen Lichtschalter 72 auf, welcher dazu ausgebildet ist, das Laserlicht in einen ersten Lichtpfad oder einen zweiten Lichtpfad abzulenken. Im Gegensatz zu der Lichtaufteileinrichtung 71 lenkt der Lichtschalter 71 die komplette ankommende Lichtmenge des von der Laserlichtquelle 2 emittierten Laserlichts L auf den ersten bzw. zweiten Lichtpfad ab.The 3 The optical sensor device 1 shown has a light switch 72 which is designed to switch the laser light into a first light path or a second light path. In contrast to the light splitting device 71, the light switch 71 deflects the entire incoming light quantity of the laser light L emitted by the laser light source 2 onto the first or second light path.

Die Detektionseinrichtung 5 zum Detektieren von in den zweiten Lichtpfad abgelenktes Laserlicht eingerichtet ist. Dazu werden beide Lichtpfade 11, 12 auf einem Fotodetektor 5 zusammengeführt, der je nach Schaltzustand der Lichtschalters 72 das im ersten Lichtpfad 11 propagierte und nicht über den Koppler 4 in den Ringresonator 3 gekoppelte Laserlicht L oder das über den zweiten Lichtpfad 12 propagierende Laserlicht L detektiert. Der Fotodetektor 5 ist mit der Steuereinrichtung 6 (der Übersicht halber in 2 weggelassen) verbunden und dazu eingerichtet, die Laserleistung der Laserlichtquelle 2 basierend auf der gemessenen Lichtmenge an dem Fotodetektor 5 zu steuern, abhängig auch von der Einstellung des Lichtschalters. Da das Einschwingen des Ringresonator 3 im ns-Bereich liegt, kann der Lichtschalter 72 im µs-Bereich geschaltet werden, um so die Leistung der Laserlichtquelle 2 zu überwachen und entsprechend anzupassen.The detection device 5 is configured to detect laser light deflected into the second light path. For this purpose, both light paths 11, 12 are combined on a photodetector 5, which, depending on the switching state of the light switch 72, detects the laser light L propagated in the first light path 11 and not coupled into the ring resonator 3 via the coupler 4, or the laser light L propagated via the second light path 12. The photodetector 5 is connected to the control device 6 (for the sake of clarity, 2 omitted) and configured to control the laser power of the laser light source 2 based on the measured light quantity at the photodetector 5, also depending on the setting of the light switch. Since the oscillation of the ring resonator 3 is in the ns range, the light switch 72 can be switched in the µs range in order to monitor the power of the laser light source 2 and adjust it accordingly.

Alternativ kann die Lichtaufteileinrichtung 71 oder der Lichtschalter 72 auch in dem Koppler 4 realisiert werden. Damit ist nur ein Koppler 4 als Bauelement notwendig und es ist auch nur eine Lichtzuführung zur Fotodiode 5 notwendig. Alternatively, the light splitting device 71 or the light switch 72 can also be implemented in the coupler 4. Thus, only one coupler 4 is required as a component, and only one light supply to the photodiode 5 is necessary.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer optischen Sensorvorrichtung 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4 shows a schematic representation of an optical sensor device 1 according to a further embodiment of the present invention.

Die optische Sensorvorrichtung 1 der 4 basiert auf der optischen Sensorvorrichtungen 1 der 1 bis 3 und sind mit diesen auch kombinierbar.The optical sensor device 1 of the 4 is based on the optical sensor devices 1 of 1 to 3 and can also be combined with these.

In dieser Ausführungsform weist der Ringresonator einen Phasenschieber 80 auf, welcher dazu eingerichtet ist, eine Phase des in den Ringresonator 3 gekoppelte Laserlichts L zu verschieben. Der Phasenschieber 80 kann entweder ein thermischer Phasenschieber 80 sein, welcher die Temperatur und damit die Phase schiebt, oder ein elektro-optischer Phasenschieber, welcher den Brechungsindex des Wellenleitermaterials und damit die Phase schiebt. Durch eine entsprechend angepasste Steuerung der Phase des Laserlichts L kann die Frequenz bzw. Wellenlänge des Laserlichts L geändert werden, so dass die verwendete Wellenlänge optimal auf die steilste Stelle in der Resonanzkurve 31 eingestellt werden, um so eine erhöhte Sensitivität zu erreichen. Außerdem ist ein weiterer Phasenschieber 81 zwischen der Lichtaufteileinrichtung 71, bzw., in bestimmten Ausführungsformen dem Lichtschalter 72, und dem Koppler 4 angeordnet, mit der das Laserlicht L durch Ansteuerung mit der Steuereinrichtung 6 ebenfalls phasen- und damit frequenzverschiebbar ist, um die Wellenlänge des Laserlichts auf die steilste Stelle der Resonanzkurve 31 des Ringresonators 3 einzustellen (Verbindung Steuereinrichtung 6 zum Phasenschieber 81 der Übersicht halber nicht gezeigt in 4).In this embodiment, the ring resonator has a phase shifter 80 configured to shift the phase of the laser light L coupled into the ring resonator 3. The phase shifter 80 can be either a thermal phase shifter, which shifts the temperature and thus the phase, or an electro-optical phase shifter, which shifts the refractive index of the waveguide material and thus the phase. By appropriately adjusting the phase control of the laser light L, the frequency or wavelength of the laser light L can be changed, so that the wavelength used can be optimally adjusted to the steepest point in the resonance curve 31, thus achieving increased sensitivity. In addition, a further phase shifter 81 is arranged between the light splitting device 71, or, in certain embodiments, the light switch 72, and the coupler 4, with which the laser light L can also be phase- and thus frequency-shifted by controlling it with the control device 6 in order to set the wavelength of the laser light to the steepest point of the resonance curve 31 of the ring resonator 3 (connection of the control device 6 to the phase shifter 81 is not shown in 4 ).

Ferner weist die optische Sensorvorrichtung 1 einen Temperatursensor 82 zur Erfassung der Umgebungstemperatur auf. Die Steuereinrichtung 6 ist dazu ausgelegt ist, den Phasenschieber 80 basierend auf der erfassten Umgebungstemperatur zu steuern.Furthermore, the optical sensor device 1 has a temperature sensor 82 for detecting the ambient temperature. The control device 6 is designed to control the phase shifter 80 based on the detected ambient temperature.

Außerdem ist in dieser Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung 1 ein variabler Abschwächer 9 vorgesehen, welcher zwischen der Laserlichtquelle 2 und dem Koppler 4 angeordnet ist. In weiteren Ausführungsformen ist der variable Abschwächer 9 chip-integriert nach dem Koppler 4 angeordnet. Die Steuereinrichtung 6 dazu eingerichtet ist, den variablen Abschwächer 9 zur Steuerung der Laserleistung anzusteuern. Ferner ist die Steuereinrichtung 6 dazu eingerichtet, alle Phasenschieber 80 anzusteuern.Furthermore, in this embodiment of the optical sensor device 1, a variable attenuator 9 is provided, which is arranged between the laser light source 2 and the coupler 4. In further embodiments, the variable attenuator 9 is arranged in a chip-integrated manner downstream of the coupler 4. The control device 6 is configured to control the variable attenuator 9 to control the laser power. Furthermore, the control device 6 is configured to control all phase shifters 80.

In dieser Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung 1 ist die Detektionseinrichtung 5 dazu eingerichtet, über einen weiteren Koppler 41 aus dem Ringresonator 3 ausgekoppeltes Laserlicht zu detektieren. Dies wird mit einer dritten Fotodiode 5c realisiert, die ein entsprechendes elektrisches Signal an die Steuereinrichtung 6 sendet. Die Steuereinrichtung 6 ist dazu ausgelegt, die Laserleistung basierend auf einer detektierten Lichtmenge des aus dem Ringresonator 3 ausgekoppelten Laserlichts L zu steuern. Außerdem ist die Steuereinrichtung 6 dazu ausgelegt ist, den Phasenschieber 80 basierend auf der detektierten Lichtmenge des aus dem Ringresonator 3 ausgekoppelten Laserlichts zu steuern.In this embodiment of the optical sensor device 1, the detection device 5 is configured to detect laser light coupled out of the ring resonator 3 via a further coupler 41. This is achieved using a third photodiode 5c, which sends a corresponding electrical signal to the control device 6. The control device 6 is configured to control the laser power based on a detected light quantity of the laser light L coupled out of the ring resonator 3. Furthermore, the control device 6 is configured to control the phase shifter 80 based on the detected light quantity of the laser light coupled out of the ring resonator 3.

Ferner ist in 4 zu erkennen, dass einige Komponenten, wie beispielsweise der Ringresonator 3 auf einem photonischen integrierten Schaltkreis 10 angeordnet sind. Ein zwischen der Laserlichtquelle 2 und der Lichtaufteileinrichtung 71 angeordneter Chip-Koppler 21 ist dazu ausgelegt, das von der Laserlichtquelle 2 bereitgestellte Laserlicht L auf den photonischen integrierten Schaltkreis 10 einzukoppeln. In weiteren Ausführungsformen ist auch die Laserlichtquelle 2 heterogen oder homogen auf dem photonischen integrierten Schaltkreis 10 mit integriert, so dass kein Chip-Koppler 21 notwendig ist.Furthermore, in 4 It can be seen that some components, such as the ring resonator 3, are arranged on a photonic integrated circuit 10. A chip coupler 21 arranged between the laser light source 2 and the light splitting device 71 is designed to couple the laser light L provided by the laser light source 2 onto the photonic integrated circuit 10. In further embodiments, the laser light source 2 is also heterogeneously or homogeneously integrated on the photonic integrated circuit 10, so that no chip coupler 21 is necessary.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to the preferred embodiment, it is not limited to limited, but can be modified in many ways.

In weiteren Ausführungsformen weist der Ringresonator 3 einen Schlitzwellenleiter auf, welcher einen Schlitzbereich zwischen einem ersten Leiterkern und einem zweiten Leiterkern aufweist, wobei das optisch nichtlineare Material und/oder das optisch absorbierende Material in dem Schlitzbereich angeordnet ist. Damit kann die Nichtlinearität des Ringresonator 3 erhöht, und somit die Sensitivität der optischen Sensorvorrichtung 1 verbessert werden. In further embodiments, the ring resonator 3 comprises a slotted waveguide having a slotted region between a first conductor core and a second conductor core, wherein the optically nonlinear material and/or the optically absorbing material is arranged in the slotted region. This can increase the nonlinearity of the ring resonator 3, thus improving the sensitivity of the optical sensor device 1.

Auch wenn der Ringresonator 3 beispielhaft ringförmig eingezeichnet wird, ist dieser nicht auf diese Form begrenzt. In weiteren Ausführungsformen weist der Ringresonator eine „horse-race“ oder spiralförmige Anordnung auf. Damit besitzt der Ringresonator ein erweitertes Sensorgebiet womit die Sensitivität aufgrund der größeren Fläche erhöht wird.Although the ring resonator 3 is depicted as a ring for illustrative purposes, it is not limited to this shape. In further embodiments, the ring resonator has a "horserace" or spiral arrangement. This provides the ring resonator with an expanded sensor area, which increases sensitivity due to the larger surface area.

In weiteren Ausführungsformen ist die Laserlichtquelle 2 chip-integriert gefertigt und über homo- oder heterogene Integration mit dem photonischen integrierten Schaltkreis 10 integriert.In further embodiments, the laser light source 2 is manufactured chip-integrated and integrated with the photonic integrated circuit 10 via homo- or heterogeneous integration.

In weiteren Ausführungsformen ist der Ringresonator 3 und der Koppler 4, statt durch faseroptische Komponenten, durch eine Anordnung von Strahlteilern und Freiraumspiegeln realisiert ist. Damit kann die optische Sensorrichtung 1 mit einfachen und relativ günstigen optischen Komponenten realisiert werden.In further embodiments, the ring resonator 3 and the coupler 4 are implemented by an arrangement of beam splitters and free-space mirrors instead of fiber optic components. Thus, the optical sensor device 1 can be implemented using simple and relatively inexpensive optical components.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Feng et al. “Progress of Waveguide Ring Resonators Used in Micro-Optical Gyroscopes”, Photonics, 7, 96 (2020 [0005]

Claims

An optical sensor device (1) comprising a laser light source (2) for providing laser light (L), an optical ring resonator (3) arranged to receive a portion of the laser light via a coupler (4), wherein the ring resonator (3) comprises an optically nonlinear material and/or an optically absorbing material such that a resonance curve (31) of the ring resonator (3) as a function of the wavelength of the laser light (L) to be received is asymmetric with respect to a resonance wavelength (32), wherein the resonance curve (31) has a side (31a) rising gently towards the resonance wavelength and a side (31b) rising steeply towards the resonance wavelength (32), a detection device (5) configured to detect a portion of the laser light (L) not coupled in the ring resonator (3), a control device (6) configured to control a laser power of the laser beam source (2) based on the detected portion not coupled in the Ring resonator (3) coupled portion of the laser light (L) such that laser light (L) coupled into the ring resonator (3) has a laser wavelength (30) which is arranged on the steeply rising side (31b) of the resonance curve (31).

Optical sensor device (1) according to Claim 1 , wherein a light splitting device (71) is provided which is arranged and designed to split the laser light (L) into a first light path (11) and a second light path (12) in a predetermined ratio, wherein the coupler (4) is arranged on the first light path (11), wherein the detection device (5) is set up to detect laser light (L) split in the second light path (12).

Optical sensor device (1) according to Claim 1 , wherein a light switch (72) is provided which is designed to deflect the laser light into a first light path (11) or a second light path (12), wherein the coupler (4) is arranged on the first light path (11), wherein the detection device (5) is designed to detect laser light (L) deflected into the second light path (12), wherein the light switch (72) is integrated in particular in the coupler (4).

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the wavelength (30) is arranged at a steepest point of the resonance curve (31).

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator has a phase shifter (80) which is configured to shift a phase of the laser light (L) coupled into the ring resonator (3).

Optical sensor device (1) according to Claim 5 , wherein a temperature sensor (82) is provided for detecting the ambient temperature, wherein the control device (6) is designed to control the phase shifter (80) based on the detected ambient temperature.

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein a variable attenuator (9) is provided, which is arranged, in particular chip-integrated, between the laser light source (2) and the coupler (4), wherein the control device (6) is configured to control the variable attenuator (9) to control the laser power.

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the detection device (5) is configured to detect laser light coupled out of the ring resonator (3) via a further coupler (4), wherein the control device (6) is configured to control the laser power based on a detected light quantity of the laser light (L) coupled out of the ring resonator (3).

Optical sensor device (1) according to Claim 8 , wherein the control device (6) is designed to control the phase shifter (80) based on the detected light quantity of the laser light coupled out of the ring resonator (3).

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator (3) comprises a slot waveguide having a slot region between a first conductor core and a second conductor core, wherein the optically non-linear material and/or the optically absorbing material is arranged in the slot region.

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator (3) is arranged on a photonic integrated circuit (10), wherein a chip coupler (21) is provided which is designed to couple the laser light (L) provided by the laser light source (2) onto the photonic integrated circuit (10).

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator (3) and the laser light source (2) are heterogeneous or homogeneously integrated on a photonic integrated circuit (10).

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the coupler (4) is designed as an evanescent coupler or a multimode interferometer.

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator (3) and the coupler (4) are realized by an arrangement of beam splitters and free-space mirrors.

Optical sensor device (1) according to one of the preceding claims, wherein the ring resonator (3) has a horse-race or spiral arrangement.