DE102015225863A1

DE102015225863A1 - Optical phased array and LiDAR system

Info

Publication number: DE102015225863A1
Application number: DE102015225863.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Also published as: CN108369313A; WO2017102156A1; EP3391109A1; CN108369313B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische phasengesteuerte Anordnung, umfassend eine Wellenleiteranordnung (2), dadurch gekennzeichnet, dass – die Wellenleiteranordnung (2) einen ersten Wellenleiter (2a) mit einer ersten Dimensionierung und einen zweiten Wellenleiter (2b) mit einer zweiten Dimensionierung aufweist, – wobei die erste Dimensionierung des ersten Wellenleiters (2a) ungleich der zweiten Dimensionierung des zweiten Wellenleiters (2b) ist und – wobei die erste Dimensionierung des ersten Wellenleiters (2a) und die zweite Dimensionierung des zweiten Wellenleiters (2b) derart gewählt sind, dass ein Einkoppeln von Licht wenigstens einer vorgegebenen Wellenlänge des ersten Wellenleiters (2a) in den zweiten Wellenleiters (2b) gedämpft wird.The invention relates to an optical phased array comprising a waveguide arrangement (2), characterized in that - the waveguide arrangement (2) has a first waveguide (2a) with a first dimensioning and a second waveguide (2b) with a second dimensioning, the first dimensioning of the first waveguide (2a) is different from the second dimensioning of the second waveguide (2b); and wherein the first dimensioning of the first waveguide (2a) and the second dimensioning of the second waveguide (2b) are chosen such that coupling-in of Light of at least a predetermined wavelength of the first waveguide (2a) in the second waveguide (2b) is attenuated.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische phasengesteuerte Anordnung und ein LiDAR System, welches eine optische phasengesteuerte Anordnung umfasst.The invention relates to an optical phased array and a LiDAR system comprising an optical phased array.

Stand der TechnikState of the art

In „Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering“ (Guan et al., CLEO:2015) wird eine optische phasengesteuerte Anordnung (OPA) basierend auf einer photonischen integrierten Schaltung und 3D Wellenleitern beschrieben. Ziel ist es ohne Verstellen der Wellenlänge maximale Ablenkwinkel bei möglichst geringen Verlusten zu erzeugen. Die in „Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering“ (Guan et al., CLEO:2015) beschriebene OPA erreicht in vertikaler und horizontaler Richtung jeweils einen maximalen Ablenkwinkel von ±2,47°. Eine Möglichkeit für eine weitere Vergrößerung des maximalen Ablenkwinkels wird darin gesehen, Methoden zur Herstellung der Wellenleiter weiterzuentwickeln, um eine Erhöhung des Brechzahlkontrasts der Wellenleiter zu ermöglichen.In "Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering" (Guan et al., CLEO: 2015) An optical phased array (OPA) based on a photonic integrated circuit and 3D waveguides will be described. The aim is to produce maximum deflection angle with as little loss as possible without adjusting the wavelength. In the "Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering" (Guan et al., CLEO: 2015) described OPA achieved in the vertical and horizontal directions each have a maximum deflection angle of ± 2.47 °. One way to further increase the maximum deflection angle is to further develop methods for making the waveguides to allow for an increase in the refractive index contrast of the waveguides.

In „Large-scale nanophotonics phased array“ (Sun et al., Nature 493, 195 (2013)) ist der Aufbau einer zweidimensionalen OPA beschrieben. Hierbei ist eine große Anzahl vertikaler Emitter in einer Matrix (Array) angeordnet. Die Emitter sind in diesem Fall Gitterkoppler, die über Wellenleiter mit Licht versorgt werden. Der Abstand zwischen den Emittern bestimmt, wie stark ein Strahl abgelenkt werden kann. Durch Kontrolle der Phase des Lichts an jedem Emitter und Interferenz des Lichts im Fernfeld kann ein beliebiges Muster erzeugt werden bzw. ein enger Fokus in einem großen Winkelbereich erzeugt und bewegt werden.In "Large-scale nanophotonics phased array" (Sun et al., Nature 493, 195 (2013)) the structure of a two-dimensional OPA is described. Here, a large number of vertical emitters are arranged in a matrix (array). The emitters in this case are grating couplers which are supplied with light via waveguides. The distance between the emitters determines how much a beam can be deflected. By controlling the phase of light at each emitter and interfering with the light in the far field, any pattern can be created or narrow focus can be made and moved in a wide range of angles.

Kern und Vorteile der ErfindungCore and advantages of the invention

Die Erfindung geht von einer optischen phasengesteuerten Anordnung und einem LiDAR System nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche aus.The invention is based on an optical phased array and a LiDAR system according to the preamble of the independent claims.

Im Bereich der Mikrosystemtechnik sind aktuell miniaturisierte optische Systeme Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Im Speziellen stellt die sogenannte integrierte Optik eine Möglichkeit dar, Licht in sehr kompakten planaren Wellenleitern zu führen und zu verarbeiten. Die physikalische Grundlage für die Führung von Licht ist hierbei analog zu der von heutigen Glasfaserkabeln. In the field of microsystems technology, miniaturized optical systems are currently the subject of numerous investigations. Specifically, so-called integrated optics provide a way to guide and process light in very compact planar waveguides. The physical basis for the guidance of light is analogous to that of today's fiber optic cables.

Eine wichtige Größe im Zusammenhang mit optischen phasengesteuerten Anordnungen (OPAs) ist der maximale Ablenkwinkel. Die aus dem Stand der Technik bekannten OPAs ermöglichen Ablenkungen im Bereich von ±5° bis etwa ±15°. Für den Einsatz in einem LiDAR System (LiDAR = Light detection and ranging), werden OPAs mit deutlich größeren Ablenkwinkeln benötigt. An important quantity associated with optical phased arrays (OPAs) is the maximum deflection angle. The prior art OPAs allow for deflections in the range of ± 5 ° to about ± 15 °. For use in a LiDAR system (LiDAR = light detection and ranging), OPAs with significantly larger deflection angles are required.

Anhand der Gittergleichung kann der Ablenkwinkel abgeschätzt werden. sinα = λ / δd Based on the grid equation, the deflection angle can be estimated. sinα = λ / δd

Dabei beschreibt den Ablenkwinkel, die Wellenlänge und d den Abstand benachbarter Emitter in einer Ebene. Die Wellenlänge ist üblicherweise durch das verwendete Materialsystem bzw. Detektoreigenschaften bestimmt. Eine Veränderung des Ablenkwinkels ist über eine Einstellung eines Abstands der Wellenleiter möglich. Dabei ist der Abstand der Wellenleiter nach unten begrenzt. Denn Feldverteilungen benachbarter Wellenleiter überlappen je nach Abstand der Wellenleiter und es kommt somit zu einer Kopplung der Wellenleiter. Diese Kopplung verhindert eine Interferenz der von den Wellenleitern geführten Strahlungen im Fernfeld. It describes the deflection angle, the wavelength and d the distance of adjacent emitters in a plane. The wavelength is usually determined by the material system or detector properties used. A change in the deflection angle is possible via an adjustment of a distance of the waveguides. The distance between the waveguides is limited downwards. Because field distributions of adjacent waveguides overlap depending on the distance of the waveguide and thus there is a coupling of the waveguide. This coupling prevents interference of the far-field radiations guided by the waveguides.

Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs ist, dass die Wellenleiter der OPA sehr kompakt angeordnet werden können, ohne dass es zu einer signifikanten Kopplung der Wellenleiter kommt. Somit werden die Interferenz im Fernfeld und eine Vergrößerung des Ablenkwinkels ermöglicht.An advantage of the invention with the features of the independent claim is that the waveguides of the OPA can be arranged very compactly, without resulting in a significant coupling of the waveguides. Thus, the interference in the far field and an increase of the deflection angle are made possible.

Dies wird erreicht mit einer optischen phasengesteuerten Anordnung, umfassend eine Wellenleiteranordnung, die sich dadurch auszeichnet, dass sie einen ersten Wellenleiter mit einer ersten Dimensionierung und einen zweiten Wellenleiter mit einer zweiten Dimensionierung aufweist. Dabei unterscheidet sich die erste Dimensionierung von der zweiten Dimensionierung. Die erste Dimensionierung des ersten Wellenleiters und die zweite Dimensionierung des zweiten Wellenleiters sind derart gewählt, dass das Einkoppeln von Licht wenigstens einer vorgegebenen Wellenlänge des ersten Wellenleiters in den zweiten Wellenleiters gedämpft wird. Eine maximale Kopplungsleistung zwischen dem ersten Wellenleiter und dem zweiten Wellenleiter kann somit vorteilhafterweise auf weniger als –20 dB reduziert werden. Dadurch wird eine Interferenz im Fernfeld bei gleichzeitiger Realisierung großer Ablenkwinkel ermöglicht. Denn der Abstand benachbarter Wellenleiter kann durch geeignete Wahl der Dimensionierung signifikant verringert werden. Beispielsweise führen verschiedene Breiten benachbarter Wellenleiter zu jeweils verschiedenen optischen Eigenschaften, wodurch das Einkoppeln von Licht von einem in den anderen Wellenleiter verringert bzw. unterdrückt wird. Somit kann ein kleinerer Abstand zwischen den benachbarten Wellenleitern realisiert werden ohne die Interferenz im Fernfeld zu verhindern. Dies ermöglicht eine Realisierung größerer maximaler Ablenkwinkel.This is accomplished with an optical phased array comprising a waveguide array characterized by having a first waveguide having a first dimension and a second waveguide having a second dimension. The first dimensioning differs from the second dimensioning. The first dimensioning of the first waveguide and the second dimensioning of the second waveguide are selected such that the coupling of light of at least one predetermined wavelength of the first waveguide into the second waveguide is attenuated. A maximum coupling power between the first waveguide and the second waveguide can thus advantageously be reduced to less than -20 dB. This allows interference in the far field while simultaneously achieving large deflection angles. Because the distance between adjacent waveguides can be significantly reduced by a suitable choice of sizing. For example, different widths of adjacent waveguides result in different optical properties, respectively, thereby reducing or suppressing the coupling of light from one waveguide to the other waveguide. Thus, a smaller distance between the adjacent waveguides can be realized without the To prevent interference in the far field. This allows a realization of larger maximum deflection angle.

Genügt eine Ablenkung in einer Dimension, so können die Wellenleiter der Wellenleiteranordnung in einer Ausführungsform nebeneinander in einer eindimensionalen Matrix angeordnet werden. Dadurch ergibt sich ein sehr kompakter flacher Aufbau.If a deflection in one dimension is sufficient, in one embodiment the waveguides of the waveguide arrangement can be arranged side by side in a one-dimensional matrix. This results in a very compact flat structure.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Wellenleiter der Wellenleiteranordnung in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet. Somit ist vorteilhafterweise eine Ablenkung in zwei Richtungen möglich.In a further embodiment, the waveguides of the waveguide arrangement are arranged in a two-dimensional matrix. Thus, a deflection in two directions is advantageously possible.

Gemäß einer Ausführungsform weisen wenigstens zwei Wellenleiter der Wellenleiteranordnung unterschiedliche Breiten auf. Ein Vorteil ist, dass die unterschiedlichen Breiten bei der Herstellung sehr einfach durch Anpassen einer Maske zur Herstellung der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung realisiert werden können. Zudem können die Wellenleiter der Wellenleiteranordnung somit sehr kompakt angeordnet werden.According to one embodiment, at least two waveguides of the waveguide arrangement have different widths. One advantage is that the different widths of manufacture can be realized very easily by fitting a mask to produce the waveguides of the waveguide array. In addition, the waveguides of the waveguide arrangement can thus be arranged very compact.

Alternativ oder ergänzend umfasst die Wellenleiteranordnung mindestens zwei Wellenleiter, die unterschiedliche Höhen aufweisen. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass die optischen Moden der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung zusätzlich stärker in den Wellenleitern lokalisiert werden können und somit die Wellenleiter noch kompakter platziert werden können, bzw. weniger miteinander koppeln. Zusätzlich kann bei einer Kombination von Breitenunterschieden und Höhenunterschieden ein Unterschied der Modeneigenschaften der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung nochmal zusätzlich vergrößert werden. Dies ist insbesondere wichtig, um auch die Kopplung zu den nicht direkt benachbarten, sondern weiter entfernten Wellenleitern der Wellenleiteranordnung zu reduzieren bzw. zu unterbinden. Alternatively or additionally, the waveguide arrangement comprises at least two waveguides which have different heights. This approach has the advantage that the optical modes of the waveguides of the waveguide arrangement can additionally be localized more strongly in the waveguides and thus the waveguides can be placed even more compactly, or couple with one another less. In addition, with a combination of width differences and height differences, a difference in the mode properties of the waveguides of the waveguide arrangement can be additionally increased again. This is particularly important in order to reduce or eliminate the coupling to the not directly adjacent, but more distant waveguides of the waveguide array.

Alternativ oder ergänzend umfasst die Wellenleiteranordnung mindestens zwei Wellenleiter, die sich dadurch auszeichnen, dass sie unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. Dies kann zusätzlich die Unterschiede zwischen der optischen Modeneigenschaften der Wellenleiter der Wellenleiteranordnung erhöhen und die Kopplung zwischen diesen weiter unterbinden.Alternatively or additionally, the waveguide arrangement comprises at least two waveguides, which are characterized in that they have different cross-sectional areas. This may additionally increase the differences between the optical mode characteristics of the waveguides of the waveguide array and further inhibit the coupling between them.

Alternativ oder ergänzend umfasst die Wellenleiteranordnung mindestens zwei Wellenleiter, die sich dadurch auszeichnen, dass sie aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Wellenleiter unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, um die Modeneigenschaften deutlich zu differenzieren. Zusätzlich können unterschiedliche thermooptische oder elektrooptische Eigenschaften der Materialien der Wellenleiter ausgenutzt werden, da mithilfe dieser Eigenschaften der Strahl durch Veränderung der Gesamttemperatur abgelenkt werden kann und nicht nur durch Änderung einer lokalen Temperatur an einzelnen Wellenleitern der Wellenleiteranordnung.Alternatively or additionally, the waveguide arrangement comprises at least two waveguides, which are characterized in that they are made of different materials. In this case, it must be ensured in particular that the waveguides have different refractive indices in order to clearly differentiate the mode properties. In addition, different thermo-optic or electro-optic properties of the waveguide materials can be exploited, since these properties allow the beam to be deflected by altering the overall temperature, rather than merely by changing a local temperature on individual waveguides of the waveguide array.

Eine interessante Anwendung ist die Realisierung von Strahlablenkvorrichtungen mittels erfindungsgemäßer OPA. Die OPA kommt im Gegensatz zu herkömmlichen Strahlablenkvorrichtungen, die beispielsweise mechanische Spiegel umfassen, ohne bewegliche Teile aus. Daher weist die erfindungsgemäße OPA eine größere Robustheit gegenüber mechanischen Stößen auf. Zudem ermöglicht eine erfindungsgemäße OPA eine sehr kompakte Realisierung und sie lässt sich kostengünstiger als herkömmliche Strahlablenkvorrichtungen herstellen. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist beispielsweise die Verwendung von OPAs in einem LiDAR System, welches mittels Licht eine Objektform und eine Entfernung eines Objekts misst.An interesting application is the realization of beam deflection devices by means of OPA according to the invention. The OPA, in contrast to conventional beam deflection devices, which include, for example, mechanical mirrors, without moving parts. Therefore, the OPA according to the invention has a greater robustness to mechanical shocks. In addition, an OPA according to the invention enables a very compact implementation and can be produced more cost-effectively than conventional beam deflection devices. One possible application is, for example, the use of OPAs in a LiDAR system, which uses light to measure an object shape and a distance of an object.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der OPA eignen sich aufgrund des verbesserten Ablenkwinkels zur Verwendung in einem LiDAR System. Das LiDAR System, das eine Strahlablenkvorrichtung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlablenkvorrichtung eine OPA entsprechend einer der oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Ein Vorteil ist, dass durch den kompakten und robusten Aufbau der erfindungsgemäßen OPA bei gleichzeitig vergrößertem Ablenkwinkel, das LiDAR System kostengünstiger, robuster und kompakter als bekannte LiDAR Systeme realisiert werden kann. Dadurch ergibt sich ein weiteres Feld möglicher Einsatzgebiete des LiDAR Systems. Herkömmliche LiDAR Systeme weisen häufig zusätzliche Optiken hinter der Strahlablenkvorrichtung auf, um die gewünschten Ablenkwinkel zu erreichen. Diese zusätzlichen Optiken werden mit dem neuen Ansatz obsolet. Somit wird eine mechanisch stabile und kompakte Anordnung ermöglicht.The embodiments of the OPA described above are suitable for use in a LiDAR system because of the improved deflection angle. The LiDAR system having a beam deflection device is characterized in that the beam deflection device comprises an OPA according to one of the embodiments described above. An advantage is that the compact and robust design of the OPA according to the invention with simultaneously increased deflection angle, the LiDAR system can be realized more cost-effective, robust and compact than known LiDAR systems. This results in another field of possible applications of the LiDAR system. Conventional LiDAR systems often have additional optics behind the beam deflector to achieve the desired deflection angles. These additional optics become obsolete with the new approach. Thus, a mechanically stable and compact arrangement is made possible.

Des Weiteren können erfindungsgemäße OPAs im Bereich Pico-Projektoren oder Head-Up Displays verwendet werden, wobei die zuvor genannten Vorteile auch hier zu einer Verbesserung gegenüber Vorrichtungen ohne OPA führen.Furthermore, OPAs according to the invention can be used in the area of pico projectors or head-up displays, with the aforementioned advantages also leading to an improvement over devices without OPA.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent elements.

Es zeigenShow it

1a zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung einer OPA, wobei die Wellenleiter als zweidimensionale Matrix angeordnet sind und wobei die Wellenleiter zumindest teilweise unterschiedliche Breiten aufweisen, 1a shows a cross section of a waveguide arrangement according to the invention an OPA, wherein the waveguides are arranged as a two-dimensional matrix and wherein the waveguides at least partially have different widths,

2 zeigt einen dreidimensionalen Ausschnitt einer OPA, der eine erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung zeigt, 2 shows a three-dimensional section of an OPA showing a waveguide arrangement according to the invention,

3 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung mit unterschiedlich stark abgelenkten Lichtstrahlen und 3 shows a three-dimensional view of a waveguide arrangement according to the invention with differently deflected light beams and

4 zeigt ein Blockschaltbild eines LiDAR Systems mit einem erfindungsgemäßen OPA als Strahlablenkvorrichtung. 4 shows a block diagram of a LiDAR system with an OPA according to the invention as a beam deflecting device.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Eine Dimensionierung eines Wellenleiters umfasst sowohl die Beschreibung eines Materials aus dem der Wellenleiter gefertigt ist, als auch Abmessungen und Querschnittsfläche des Wellenleiters. Optische Modeneigenschaften eines Wellenleiters umfassen sowohl ein Phaseninformation einer vom Wellenleiter transportierten Strahlung als auch eine Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes im Bereich des Wellenleiters. Im Allgemeinen wird diese Verteilung als optisches Modenprofil bezeichnet. Ein Abstand zwischen zwei Wellenleiter wird von einem ersten Wellenleiterzentrum eines ersten Wellenleiters 2a zu einem zweiten Wellenleiterzentrum eines zweiten Wellenleiters 2b gemessen. Ein Wellenleiterzentrum ist beispielsweise im Fall einer runden Querschnittsfläche der Kreismittelpunkt und im Fall einer rechteckigen Querschnittsfläche der Mittelpunkt des Rechtecks.Sizing of a waveguide includes both the description of a material from which the waveguide is made, and the dimensions and cross-sectional area of the waveguide. Optical mode properties of a waveguide include both phase information of a radiation transported by the waveguide and a distribution of the electric and magnetic field in the region of the waveguide. In general, this distribution is called the optical mode profile. A distance between two waveguides is from a first waveguide center of a first waveguide 2a to a second waveguide center of a second waveguide 2 B measured. For example, in the case of a circular cross-sectional area, a waveguide center is the center of the circle and, in the case of a rectangular cross-sectional area, the center of the rectangle.

Eine erfindungsgemäße optische phasengesteuerte Anordnung 1 umfasst eine Wellenleiteranordnung 2. In 1 ist ein Querschnitt einer Wellenleiteranordnung 2 einer erfindungsgemäßen OPA 1 dargestellt. Die Wellenleiteranordnung 2 umfasst einen ersten Wellenleiter 2a, einen zweiten Wellenleiter 2b und einen dritten Wellenleiter 2c. Eine Breite des Wellenleiters 2a, 2b, 2c wird durch seine Ausdehnung parallel zur x-Achse beschrieben. Eine Höhe des Wellenleiters 2a, 2b, 2c ist durch seine Ausdehnung in y-Richtung definiert. Der erste Wellenleiter 2a, der zweite Wellenleiter 2b und der dritten Wellenleiter 2c unterscheiden sich in diesem Ausführungsbeispiel in ihrer Breite. Das heißt eine erste Breite des ersten Wellenleiters 2a ist ungleich einer zweiten Breite des zweiten Wellenleiters 2b und die zweite Breite ist ungleich einer dritten Breite 2c des dritten Wellenleiters 2c. Die erste Breite und die dritte Breite stimmen in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls nicht überein. Der Querschnitt der Wellenleiteranordnung 2 zeigt eine zweidimensionale Anordnung von Wellenleitern 2a, 2b, 2c. In diesem Ausführungsbeispiel beschreibt die Wellenleiteranordnung 2 eine 5×5 Matrix, das heißt die Wellenleiter 2a, 2b, 2c sind in fünf Zeilen und fünf Spalten angeordnet. Die optischen Modeneigenschaften von Wellenleitern hängen unter anderem von der Geometrie der Wellenleiter 2a, 2b, 2c ab. Mithilfe der Wahl der Geometrie der Wellenleiter 2a, 2b, 2c können die Wellenleiter 2a, 2b, 2c so modifiziert werden, dass sie eine geringe Kopplung untereinander aufweisen. Mittels eines über die Geometrie einstellbaren Phasenunterschieds zwischen den Wellenleitern 2a, 2b, 2c, kann die maximale Kopplungsleistung auf –20 dB bis –30 dB und weniger reduziert werden. Für solche Kopplungsleistungen ist eine Interferenz der von den Wellenleitern 2a, 2b, 2c transportierten Strahlung im Fernfeld und somit eine Strahlablenkung möglich. Da die Wellenleiter 2a, 2b, 2c in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, ist eine Strahlablenkung in zwei Richtungen, in x- und in y-Richtung, möglich. Aufgrund der verschiedenen Geometrien der Wellenleiter 2a, 2b, 2c können die Wellenleiter 2a, 2b, 2c somit dichter angeordnet werden als im Fall, dass die Geometrien aller Wellenleiter 2a, 2b, 2c übereinstimmen. Ein minimaler Abstand ist dabei durch den Abstand zweier benachbarter Wellenleiter 2a, 2b, 2c definiert, bei dem eine Interferenz der von den Wellenleitern 2a, 2b, 2c transportierten Strahlung im Fernfeld gerade noch möglich ist. Die Wellenleiter 2a, 2b, 2c in 1 lassen sich aufgrund ihrer Geometrie sehr kompakt anordnen.An inventive optical phased array 1 includes a waveguide assembly 2 , In 1 is a cross section of a waveguide assembly 2 an OPA according to the invention 1 shown. The waveguide arrangement 2 includes a first waveguide 2a , a second waveguide 2 B and a third waveguide 2c , A width of the waveguide 2a . 2 B . 2c is described by its extension parallel to the x-axis. A height of the waveguide 2a . 2 B . 2c is defined by its extension in the y-direction. The first waveguide 2a , the second waveguide 2 B and the third waveguide 2c differ in their width in this embodiment. That is, a first width of the first waveguide 2a is not equal to a second width of the second waveguide 2 B and the second width is unequal to a third width 2c of the third waveguide 2c , The first width and the third width also do not match in this embodiment. The cross section of the waveguide arrangement 2 shows a two-dimensional array of waveguides 2a . 2 B . 2c , In this embodiment, the waveguide arrangement describes 2 a 5x5 matrix, that is the waveguides 2a . 2 B . 2c are arranged in five rows and five columns. Among other things, the optical mode properties of waveguides depend on the geometry of the waveguides 2a . 2 B . 2c from. By choosing the geometry of the waveguides 2a . 2 B . 2c can the waveguides 2a . 2 B . 2c be modified so that they have a low coupling with each other. By means of a geometry-adjustable phase difference between the waveguides 2a . 2 B . 2c , the maximum coupling power can be reduced to -20 dB to -30 dB and less. For such coupling powers, interference is that of the waveguides 2a . 2 B . 2c transported radiation in the far field and thus a beam deflection possible. Because the waveguides 2a . 2 B . 2c are arranged in a two-dimensional matrix, a beam deflection in two directions, in the x and y directions, is possible. Due to the different geometries of the waveguides 2a . 2 B . 2c can the waveguides 2a . 2 B . 2c thus be arranged denser than in the case that the geometries of all waveguides 2a . 2 B . 2c to match. A minimum distance is the distance between two adjacent waveguides 2a . 2 B . 2c defined, in which an interference of the waveguides 2a . 2 B . 2c transported radiation in the far field is just possible. The waveguides 2a . 2 B . 2c in 1 can be very compact due to their geometry.

In einer möglichen Realisierung weisen die Wellenleiter 2a, 2b, 2c der Wellenleiteranordnung 2 jeweils eine Höhe von 220 nm auf. Die erste Breite des ersten Wellenleiters 2a ist 300 nm, die zweite Breite des zweiten Wellenleiters 2b ist 450 nm und die dritte Breite des dritten Wellenleiters 2c ist 600 nm. Die Wellenleiter 2a, 2b, 2c sind in diesem Ausführungsbeispiel Siliziumnitrid (SiN) Wellenleiter in SiO₂. Diese Wellenleiteranordnung 2 kann für ein LiDAR System 101 verwendet werden, welches bei einer Wellenlänge von 905 nm operiert.In one possible implementation, the waveguides point 2a . 2 B . 2c the waveguide arrangement 2 each at a height of 220 nm. The first width of the first waveguide 2a is 300 nm, the second width of the second waveguide 2 B is 450 nm and the third width of the third waveguide 2c is 600 nm. The waveguides 2a . 2 B . 2c In this embodiment, silicon nitride (SiN) waveguides are in SiO ₂ . This waveguide arrangement 2 can for a LiDAR system 101 which operates at a wavelength of 905 nm.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Wellenleiteranordnung 2 einen ersten Wellenleiter 2a mit einer ersten Breite und einen zweiten Wellenleiter 2b mit einer zweiten Breite. In a further embodiment, the waveguide arrangement comprises 2 a first waveguide 2a with a first width and a second waveguide 2 B with a second width.

In einem Ausführungsbeispiel werden die Wellenleiter 2a, 2b, 2c aus 1 in SiN ausgeführt. Die Wellenleiter 2a, 2b, 2c weisen alle eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Die Höhe der Wellenleiter beträgt 220 nm. Der erste Wellenleiter 2a weist eine Breite von 300 nm auf, der zweite Wellenleiter 2b weist eine Breite von 450 nm auf und der dritte Wellenleiter weist eine Breite von 600 nm auf. In diesem Fall liegt der minimale Abstand benachbarter Wellenleiter 2a, 2b, 2c bei 1 µm. Würden die Wellenleiter 2a, 2b, 2c alle eine Breite von 450 nm aufweisen, so läge der minimale Abstand zweier benachbarter Wellenleiter 2a, 2b, 2c, bei der die maximale Kopplungsstärke ausreichend klein ist, sodass eine Interferenz im Fernfeld noch möglich ist, bei 3 µm. Im Fall gleicher Breiten der Wellenleiter 2a, 2b, 2c wäre somit ein maximaler Ablenkwinkel von ±8,5° möglich, während bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit den vorstehend genannten verschiedenen Breiten der Wellenleiter 2a, 2b, 2c ein maximaler Ablenkwinkel von ±27° erreicht wird. Die zumindest teilweise unterschiedlichen Breiten der Wellenleiter 2a, 2b, 2c können im Herstellungsprozess durch entsprechende Änderungen der Maske realisiert werden.In one embodiment, the waveguides become 2a . 2 B . 2c out 1 in SiN. The waveguides 2a . 2 B . 2c all have a rectangular cross-sectional area. The height of the waveguides is 220 nm. The first waveguide 2a has a width of 300 nm, the second waveguide 2 B has a width of 450 nm and the third waveguide has a width of 600 nm. In this case, the minimum spacing of adjacent waveguides is 2a . 2 B . 2c at 1 μm. Would the waveguides 2a . 2 B . 2c all have a width of 450 nm, so would be the minimum distance between two adjacent waveguides 2a . 2 B . 2c , in which the maximum coupling strength is sufficiently small, so that interference in the far field is still possible, at 3 microns. In the case of equal widths of the waveguides 2a . 2 B . 2c Thus, a maximum deflection angle of ± 8.5 ° would be possible, while in the 1 shown embodiment with the above-mentioned different widths of the waveguide 2a . 2 B . 2c a maximum deflection angle of ± 27 ° is achieved. The at least partially different widths of the waveguides 2a . 2 B . 2c can be realized in the manufacturing process by appropriate changes of the mask.

In einem weiteren hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind weitere Änderungen der Wellenleitergeometrien möglich. Alternativ oder ergänzend zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel können die Höhen der Wellenleiter 2a, 2b, 2c zumindest teilweise verschieden gewählt werden. Alternativ oder ergänzend kann auch die Querschnittsfläche der Wellenleiter 2a, 2b, 2c zumindest teilweise verschieden gewählt werden. Beispielsweise sind kreisförmige, elliptische oder rechteckige Querschnittsflächen möglich. Die Wellenleiter 2a, 2b, 2c der Wellenleiteranordnung 2 können zumindest teilweise unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. Im Allgemeinen gilt, dass jeder Unterschied in der Dimensionierung benachbarter Wellenleiter 2a, 2b, 2c zu einer Änderung der maximalen Kopplungsleistung führt. Ein Einkoppeln zumindest einer Wellenlänge der in dem ersten Wellenleiter 2a transportierten Strahlung in den benachbarten zweiten Wellenleiter 2b wird durch verschiedene Dimensionierung des ersten Wellenleiters 2a und des zweiten Wellenleiters 2b reduziert oder unterbunden. Gleiches gilt für ein Einkoppeln zumindest einer Wellenlänge der in dem zweiten Wellenleiter 2b transportierten Strahlung in den benachbarten ersten Wellenleiter 2a. Die Wahl des Materials für die Wellenleiters ist nicht auf SiN beschränkt. Möglich sind zum Beispiel auch Realisierungen der Wellenleiter 2a, 2b, 2c der Wellenleiteranordnung 2 in Silizium (Si), Silizium-Oxynitird (SiON), Aluminium-Nitrid (AlN), Siliziumdioxid (SiO₂), Germanium (Ge), organischen Materialien, und III-V Halbleiter. In a further exemplary embodiment not shown here, further changes of the waveguide geometries are possible. Alternatively or in addition to the in 1 the embodiment shown, the heights of the waveguides 2a . 2 B . 2c at least partially chosen differently. Alternatively or additionally, the cross-sectional area of the waveguides can also be used 2a . 2 B . 2c at least partially chosen differently. For example, circular, elliptical or rectangular cross-sectional areas are possible. The waveguides 2a . 2 B . 2c the waveguide arrangement 2 may at least partially have different cross-sectional areas. In general, any difference in the dimensioning of adjacent waveguides 2a . 2 B . 2c leads to a change in the maximum coupling power. Coupling at least one wavelength of the in the first waveguide 2a transported radiation in the adjacent second waveguide 2 B is due to different sizing of the first waveguide 2a and the second waveguide 2 B reduced or prevented. The same applies to coupling at least one wavelength of the in the second waveguide 2 B transported radiation in the adjacent first waveguide 2a , The choice of material for the waveguide is not limited to SiN. For example, realizations of the waveguides are possible 2a . 2 B . 2c the waveguide arrangement 2 in silicon (Si), silicon oxynitride (SiON), aluminum nitride (AlN), silicon dioxide (SiO ₂ ), germanium (Ge), organic materials, and III-V semiconductors.

In 2 ist eine dreidimensionale Ansicht der Wellenleiteranordnung 2 aus 1 gezeigt.In 2 is a three-dimensional view of the waveguide array 2 out 1 shown.

3 zeigt einen Ausschnitt aus 1. 3 entspricht einer Zeile 20 der zweidimensionalen Matrix aus 1, in der die Wellenleiter 2a, 2b, 2c angeordnet sind. Es sind drei Strahlen 3a, 3b, 3c skizziert, die aufgrund der zumindest teilweise verschiedenen optischen Eigenschaften des ersten Wellenleiters 2a, des zweiten Wellenleiters 2b und des dritten Wellenleiters 2c unterschiedlich stark abgelenkt werden. Die unterschiedliche Ablenkung wird erreicht, indem zumindest teilweise unterschiedliche, aber bestimmte Phasenprofile auf das Licht in den Wellenleiter aufgeprägt werden. Wie im Stand der Technik beschrieben, kann die Phase des Lichts in jedem Wellenleiter 2a, 2b, 2c eingestellt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch Heizer in jedem Wellenleiter 2a, 2b, 2c, aber auch durch Laufzeitunterschiede oder mit Hilfe eines beliebigen optischen Phasenschiebers. Bei gleicher Phase des Lichts in den Wellenleitern 2a, 2b, 2c wird der Strahl nicht abgelenkt, während der maximale Ablenkwinkel erreicht wird, wenn zwischen benachbarten Wellenleitern 2a, 2b, 2c ein maximaler Phasenunterschied von π besteht. 3 shows a section 1 , 3 corresponds to a line 20 of the two-dimensional matrix 1 in which the waveguides 2a . 2 B . 2c are arranged. There are three rays 3a . 3b . 3c outlined due to the at least partially different optical properties of the first waveguide 2a , the second waveguide 2 B and the third waveguide 2c be distracted differently. The differential deflection is achieved by impressing at least partially different but specific phase profiles on the light in the waveguide. As described in the prior art, the phase of the light in each waveguide 2a . 2 B . 2c be set. This is done, for example, by heaters in each waveguide 2a . 2 B . 2c , but also by differences in transit time or by means of any optical phase shifter. At the same phase of the light in the waveguides 2a . 2 B . 2c the beam is not deflected while the maximum deflection angle is achieved when between adjacent waveguides 2a . 2 B . 2c there is a maximum phase difference of π.

In 4 ist ein Blockschaltbild eines LiDAR Systems 101 abgebildet. Ein LiDAR System 101 umfasst eine Strahlablenkvorrichtung 102. Die Strahlablenkvorrichtung 102 ist dazu ausgebildet, auf die Strahlablenkvorrichtung 102 auftreffende Strahlung unter einem einstellbaren Ablenkwinkel weiterzuleiten. Die Strahlablenkvorrichtung 102 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße OPA 1. Strahlung, die von einer Strahlungsquelle 103 emittiert wird, trifft auf die OPA 1, die als Strahlablenkvorrichtung 102 eingesetzt wird. Als Strahlungsquelle 103 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Laser verwendet. Es kann im Allgemeinen sowohl eine polychromatische, als auch eine monochromatische Strahlungsquelle 103 verwendet werden. Die OPA 1 lenkt die Strahlung derart ab, dass sie auf ein zu untersuchendes Objekt 104 gerichtet wird. Die Strahlung wird vom Objekt 104 zumindest teilweise zurückgestreut und von einer Detektionseinheit 105 detektiert. Somit kann eine Entfernung zum Objekt 104, dessen Zusammensetzung und dessen Form bestimmt werden. In 4 is a block diagram of a LiDAR system 101 displayed. A LiDAR system 101 includes a beam deflecting device 102 , The beam deflector 102 is adapted to the beam deflecting device 102 imparting incident radiation at an adjustable deflection angle. The beam deflector 102 includes in this embodiment an OPA according to the invention 1 , Radiation coming from a radiation source 103 emitted, meets the OPA 1 acting as a beam deflector 102 is used. As a radiation source 103 In this embodiment, a laser is used. It can generally be both a polychromatic and a monochromatic radiation source 103 be used. The grandpa 1 deflects the radiation such that it is incident on an object to be examined 104 is directed. The radiation is from the object 104 at least partially scattered back and by a detection unit 105 detected. Thus, a distance to the object 104 , whose composition and form are determined.

Eine erfindungsgemäße OPA 1 kann des Weiteren als Strahlablenkvorrichtung 102 komplexerer LiDAR Systeme 101 verwendet werden, die beispielsweise eine Untersuchung von Stoffkonzentrationen, die in dem zu untersuchenden Objekt 104 vorhanden sind, ermöglichen.An OPA according to the invention 1 can further as a beam deflecting device 102 more complex LiDAR systems 101 used, for example, an examination of substance concentrations in the object to be examined 104 are available.

Im Allgemeinen kann eine erfindungsgemäße OPA 1 insbesondere in Bereichen eingesetzt werden, in denen robuste, kompakte Strahlablenkvorrichtungen 102 benötigt werden, die große Ablenkwinkel ermöglichen.In general, an OPA according to the invention 1 Especially used in areas where robust, compact Strahlablenkvorrichtungen 102 needed, which allow large deflection.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

"Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering" (Guan et al., CLEO: 2015) [0002]
"Hybrid 3D Photonic Integrated Circuit for Optical Phased Array Beam Steering" (Guan et al., CLEO: 2015) [0002]
"Large-scale nanophotonics phased array" (Sun et al., Nature 493, 195 (2013)) [0003]

Claims

Optical phased array ( 1 ), comprising a waveguide arrangement ( 2 ), characterized in that - the waveguide arrangement ( 2 ) a first waveguide ( 2a ) with a first dimensioning and a second waveguide ( 2 B ) having a second dimensioning, - wherein the first dimensioning of the first waveguide ( 2a ) not equal to the second dimensioning of the second waveguide ( 2 B ) and wherein the first dimensioning of the first waveguide ( 2a ) and the second dimensioning of the second waveguide ( 2 B ) are selected such that an input of light at least a predetermined wavelength of the first waveguide ( 2a ) in the second waveguide ( 2 B ) is dampened.

Optical phased array ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) are arranged side by side in a one-dimensional matrix.

Optical phased array ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) are arranged in a two-dimensional matrix.

Optical phased array ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) have different widths.

Optical phased array ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) have different heights.

Optical phased array ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least two waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) are made of different materials.

Optical phased array ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the waveguides ( 2a . 2 B . 2c ) of the waveguide arrangement ( 2 ) different cross-sectional areas ( 3a . 3b . 3c ) exhibit.

LiDAR system ( 101 ), comprising a beam deflection device, characterized in that the beam deflection device comprises an optical phased array ( 1 ) according to one of the preceding claims.