Stand der TechnikState of the art
In „Large-scale nanophotonics phased array” (Sun et al., Nature 493, 195 (2013) ) ist der Aufbau einer zweidimensionalen optische phasengesteuerte Anordnung (OPA), beschrieben. Hierbei ist eine große Anzahl vertikaler Emitter in einer Matrix (Array) angeordnet. Die Emitter sind als Gitterkoppler ausgeführt, welche über Lichtwellenleiter mit Licht versorgt werden. Der Abstand zwischen den Emittern ist ein Maß dafür, wie stark ein Strahl abgelenkt werden kann. Durch Einstellung 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. Die Phaseneinstellung kann über Heizer erfolgen, welche in die Lichtwellenleiter integriert sein können. Hierzu kann an die Heizer jeweils eine Spannung angelegt werden. Des Weiteren ist ein LiDAR System (LiDAR = Light detection and ranging), System, welches die optische phasengesteuerte Anordnung umfasst, beschrieben.In "Large-scale nanophotonics phased array" (Sun et al., Nature 493, 195 (2013) ) describes the construction of a two-dimensional optical phased array (OPA). Here, a large number of vertical emitters are arranged in a matrix (array). The emitters are designed as grating couplers which are supplied with light via optical waveguides. The distance between the emitters is a measure of how much a beam can be deflected. By adjusting the phase of the light at each emitter and interference of the light in the far field, any pattern can be created or narrow focus can be generated and moved in a wide angular range. The phase adjustment can be done via heaters, which can be integrated into the optical fibers. For this purpose, a voltage can be applied to the heaters. Furthermore, a LiDAR system (LiDAR = light detection and ranging), system comprising the optical phased array is described.
Kern und Vorteile der ErfindungCore and advantages of the invention
Die Erfindung betrifft einen optischen Phasenschieber, eine optische phasengesteuerte Anordnung, ein Verfahren zur Einstellung eines Strahlenverlaufs und ein LiDAR-System.The invention relates to an optical phase shifter, an optical phased array, a method for adjusting a beam path and a LiDAR system.
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. Eine mögliche Anwendung besteht darin, eine optische Strahlablenkeinheit mittels einer optischen phasengesteuerten Anordnung (OPA) zu realisieren, welche ohne bewegliche Teile auskommt. Eine solche Strahlablenkeinheit kann beispielsweise als Ersatz für mechanische Spiegel dienen. OPAs sind sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise mechanischen Stößen und sind kostengünstig herstellbar. Zudem können OPAs sehr kompakt realisiert werden. Mögliche Anwendungen von OPAs liegen beispielsweise im Bereich von LiDAR-Systemen, welche mittels elektromagnetischer Strahlung Form und Entfernung eines Objekts messen können und insbesondere im Bereich automatisiertes Fahren von Interesse sind. Eine andere Anwendung umfasst beispielsweise den Einsatz von OPAs für Pico-Projektoren oder Head-Up Displays.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. One possible application is to realize an optical beam deflection unit by means of an optical phased array (OPA), which manages without moving parts. Such a beam deflection unit can serve, for example, as a replacement for mechanical mirrors. OPAs are very robust against environmental influences, such as mechanical shocks and are inexpensive to produce. In addition, OPAs can be realized very compact. Possible applications of OPAs are, for example, in the field of LiDAR systems, which can measure the shape and distance of an object by means of electromagnetic radiation and are of particular interest in the field of automated driving. Another application includes, for example, the use of OPAs for pico projectors or head-up displays.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass der Leistungsverbrauch zur Einstellung einer Phase einer elektromagnetischen Strahlung reduziert werden kann und somit die Effizienz eines optischen Phasenschiebers erhöht werden kann.An advantage of the invention with the features of the independent claims is that the power consumption for adjusting a phase of an electromagnetic radiation can be reduced and thus the efficiency of an optical phase shifter can be increased.
Dies wird erreicht mit einem optischen Phasenschieber, umfassend einen Wellenleiter und ein Einstellelement, welches dazu eingerichtet ist eine Phase einer vom Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung einzustellen, und welches mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, ein Einstellsignal zur Einstellung der Phase der vom Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen. Der optische Phasenschieber zeichnet sich dadurch aus, dass das Einstellsignal einen elektrischen Spannungspuls umfasst. Ein Vorteil ist, dass somit der Energiebedarf des optischen Phasenschiebers gegenüber dem Fall, dass eine konstante elektrische Spannung an das Einstellelement angelegt wird, reduziert werden kann.This is achieved with an optical phase shifter comprising a waveguide and a setting element which is adapted to set a phase of an electromagnetic radiation guided by the waveguide, and which is connected to an electrical voltage source which is adapted to a setting signal for adjusting the phase of To provide guided by the waveguide electromagnetic radiation. The optical phase shifter is characterized in that the adjustment signal comprises an electrical voltage pulse. One advantage is that thus the energy requirement of the optical phase shifter can be reduced compared to the case where a constant electrical voltage is applied to the adjusting element.
In einer Ausführungsform weist der elektrische Spannungspuls eine zeitliche Dauer von maximal 100 Nanosekunden (ns) auf. Ein Vorteil ist, dass somit der Energiebedarf des optischen Phasenschiebers deutlich reduziert werden kann.In one embodiment, the electrical voltage pulse has a time duration of a maximum of 100 nanoseconds (ns). One advantage is that thus the energy requirement of the optical phase shifter can be significantly reduced.
In einer Ausführungsform umfasst der elektrische Spannungspuls einen Dreieckspuls. Alternativ oder ergänzend umfasst der elektrische Spannungspuls zumindest einen halben sinusförmigen Puls. Alternativ oder ergänzend umfasst der Spannungspuls einen gaußförmigen Puls. Ein Vorteil dieser Ausführungsformen ist, dass solche Spannungspulse einfach zu generieren sind.In one embodiment, the electrical voltage pulse comprises a triangular pulse. Alternatively or additionally, the electrical voltage pulse comprises at least half a sinusoidal pulse. Alternatively or additionally, the voltage pulse comprises a Gaussian pulse. An advantage of these embodiments is that such voltage pulses are easy to generate.
In einer Ausführungsform des optischen Phasenschiebers ist das Einstellelement zumindest teilweise auf einer Oberfläche des Wellenleiters angeordnet. Ein Vorteil ist, dass somit eine kompakte Anordnung des Einstellelements ermöglicht wird und die Integration des Einstellelements in den optischen Phasenschieber vereinfacht wird.In one embodiment of the optical phase shifter, the adjustment element is at least partially disposed on a surface of the waveguide. One advantage is that thus a compact arrangement of the adjusting element is made possible and the integration of the adjusting element in the optical phase shifter is simplified.
Eine optische phasengesteuerte Anordnung umfasst mindestens einen ersten optischen Phasenschieber, welcher dazu eingerichtet ist, eine erste Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von einem ersten Wellenleiter des ersten optischen Phasenschiebers geführt wird, einzustellen und mindestens einen zweiten optischen Phasenschieber, welcher dazu eingerichtet ist, eine zweite Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von einem zweiten Wellenleiter des zweiten optischen Phasenschiebers geführt wird, einzustellen sowie eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Spannungspulse des ersten optischen Phasenschiebers und des zweiten optischen Phasenschiebers zur Einstellung der ersten Phase und der zweiten Phase zu steuern. Ein Vorteil ist, dass somit der Energiebedarf der optischen phasengesteuerten Anordnung reduziert werden kann und eine kompakte Realisierung der optischen phasengesteuerten Anordnung ermöglicht werden kann.An optical phased array comprises at least one first optical phase shifter configured to set a first phase of electromagnetic radiation guided by a first waveguide of the first optical phase shifter and at least one second optical phase shifter configured to provide a second phase shifter Phase of an electromagnetic radiation, which is guided by a second waveguide of the second optical phase shifter set, and a control unit, wherein the control unit is adapted to the voltage pulses of the first optical phase shifter and the second optical phase shifter for adjusting the first phase and the second phase. One advantage is that thus the energy requirement of the optical phased array can be reduced and a compact implementation of the optical phased array can be made possible.
Ein Verfahren zur Einstellung einer Phase elektromagnetischer Strahlung mittels eines optischen Phasenschiebers zeichnet sich dadurch aus, dass eine Einstellung einer optischen Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von einem Wellenleiter geführt wird, durch Anlegen eines Spannungspulses an das Einstellelement erfolgt. Ein Vorteil ist, dass somit keine konstante Spannung an den optischen Phasenschieber angelegt werden muss und somit eine Energieeinsparung erzielt werden kann.A method for adjusting a phase of electromagnetic radiation by means of an optical phase shifter is characterized in that an adjustment of an optical phase of an electromagnetic radiation, which is guided by a waveguide, by applying a voltage pulse to the adjusting element. An advantage is that thus no constant voltage must be applied to the optical phase shifter and thus an energy saving can be achieved.
Ein Verfahren zur Einstellung eines Strahlenverlaufs einer elektromagnetischen Strahlung mittels einer optischen phasengesteuerten Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst. Es erfolgt ein Anlegen eines ersten Spannungspulses zur Einstellung einer ersten optischen Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von einem ersten Wellenleiter geführt wird und es erfolgt ein Anlegen eines zweiten Spannungspulses zur Einstellung einer zweiten optischen Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von einem zweiten Wellenleiter geführt wird. Ein Vorteil ist, dass somit die Effizienz der optischen phasengesteuerten Anordnung erhöht werden kann, da der Energiebedarf der optischen phasengesteuerten Anordnung aufgrund der Verwendung von Spannungspulsen zur Einstellung der optischen Phasen reduziert werden kann.A method for setting a beam path of an electromagnetic radiation by means of an optical phased array is characterized in that the method comprises the subsequent steps. The application of a first voltage pulse for setting a first optical phase of an electromagnetic radiation, which is guided by a first waveguide and there is a second voltage pulse for setting a second optical phase of electromagnetic radiation, which is guided by a second waveguide. One advantage is that, thus, the efficiency of the optical phased array can be increased because the power requirement of the optical phased array can be reduced due to the use of voltage pulses to adjust the optical phases.
In einer Ausführungsform des Verfahrens weisen der erste Spannungspuls und der zweite Spannungspuls jeweils eine zeitliche Länge von maximal 100 ns auf. Ein Vorteil ist, dass somit eine Energieeinsparung gegenüber einem Anlegen einer konstanten elektrischen Spannung ermöglicht werden kann.In one embodiment of the method, the first voltage pulse and the second voltage pulse each have a time length of a maximum of 100 ns. One advantage is that it is thus possible to save energy compared to applying a constant electrical voltage.
Ein LiDAR-System, umfassend eine Strahlablenkvorrichtung, zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlablenkvorrichtung eine optische phasengesteuerte Anordnung umfasst. Ein Vorteil ist, dass durch die Verwendung einer optischen phasengesteuerten Anordnung ein deutlich kompakterer Aufbau realisiert werden kann und auf mechanisch bewegliche Teile verzichtet werden kann. Somit kann eine Robustheit des LiDAR-Systems gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise mechanischer Beanspruchung, erhöht werden und die Lebensdauer des LiDAR-Systems erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein solches LiDAR-System kostengünstig hergestellt werden kann. LiDAR-Systeme sind beispielsweise im Bereich des autonomen Fahrens von Interesse. Ein LiDAR-System kann mittels elektromagnetischer Strahlung eine Objektform und eine Entfernung zu einem Objekt messen.A LiDAR system comprising a beam deflecting device is characterized in that the beam deflecting device comprises an optical phased array. An advantage is that by using an optical phased array, a significantly more compact design can be realized and can be dispensed with mechanically moving parts. Thus, a robustness of the LiDAR system against environmental influences, such as mechanical stress, can be increased and the life of the LiDAR system can be increased. Another advantage is that such a LiDAR system can be produced inexpensively. LiDAR systems are of interest, for example, in the field of autonomous driving. A LiDAR system can use electromagnetic radiation to measure an object shape and a distance to an object.
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 zeigen
- 1 eine Aufsicht auf einen optischen Phasenschieber, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist,
- 2 einen Querschnitt eines optischen Phasenschiebers,
- 3a ein Einstellsignal, welches einen ersten Spannungspuls, welcher als Rechteckspuls ausgeführt ist, umfasst,
- 3b ein Einstellsignal, welches einen ersten Spannungspuls, einen zweiten Spannungspuls und einen dritten Spannungspuls umfasst, wobei die Spannungspulse jeweils als Dreieckspuls ausgeführt sind,
- 4 ein Einstellsignal, welches einen ersten Spannungspuls einen zweiten Spannungspuls und einen dritten Spannungspuls umfasst, wobei die Spannungspulse jeweils sinusförmig ausgeführt sind,
- 5 ein Einstellsignal, welches einen ersten Spannungspuls und einen zweiten Spannungspuls umfasst, wobei die Spannungspulse jeweils gaußförmig ausgeführt sind,
- 6 ein Diagramm, welches einen zeitlichen Temperaturverlauf in einem Wellenleiter eines optischen Phasenschiebers anhand einer ersten Kurve und einer zweiten Kurve zeigt,
- 7 einen Querschnitt einer optischen phasengesteuerten Anordnung, welche drei optische Phasenschieber umfasst,
- 8 eine Aufsicht auf eine optische phasengesteuerte Anordnung welche drei optische Phasenschieber umfasst, wobei die optischen Phasenschieber mit drei elektrischen Spannungsquellen gebunden sind,
- 9 ein Verfahren zur Einstellung einer Phase mittels eines optischen Phasenschiebers,
- 10 ein Verfahren zur Einstellung eines Strahlenverlaufs einer elektromagnetischen Strahlung mittels einer optischen phasengesteuerten Anordnung und
- 11 ein Blockdiagramm eines LiDAR-Systems mit einer optischen phasengesteuerten Anordnung.
Show it - 1 a plan view of an optical phase shifter, which is connected to a voltage source,
- 2 a cross section of an optical phase shifter,
- 3a a setting signal which comprises a first voltage pulse, which is embodied as a rectangular pulse,
- 3b a setting signal, which comprises a first voltage pulse, a second voltage pulse and a third voltage pulse, wherein the voltage pulses are each designed as a triangular pulse,
- 4 a setting signal which comprises a first voltage pulse, a second voltage pulse and a third voltage pulse, the voltage pulses being respectively sinusoidal,
- 5 an adjustment signal, which comprises a first voltage pulse and a second voltage pulse, wherein the voltage pulses are in each case Gaussian-shaped,
- 6 a diagram showing a temporal temperature profile in a waveguide of an optical phase shifter with reference to a first curve and a second curve,
- 7 a cross section of an optical phased array, which comprises three optical phase shifter,
- 8th a plan view of an optical phased array comprising three optical phase shifter, wherein the optical phase shifter are connected to three electrical power sources,
- 9 a method for adjusting a phase by means of an optical phase shifter,
- 10 a method for adjusting a beam path of an electromagnetic Radiation by means of an optical phased array and
- 11 a block diagram of a LiDAR system with an optical phased array.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
1 zeigt einen optischen Phasenschieber 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Aufsicht. Der optische Phasenschieber 1 umfasst einen Wellenleiter 3 und ein Einstellelement 4. Das Einstellelement 4 ist dazu eingerichtet, eine Phase einer vom Wellenleiter 3 geführten elektromagnetischen Strahlung einzustellen. Das Einstellelement 4 ist mit einer elektrischen Spannungsquelle 6 verbunden. Die elektrische Spannungsquelle 6 ist dazu eingerichtet, ein Einstellsignal 7 zur Einstellung der Phase der vom Wellenleiter 3 geführten elektromagnetischen Strahlung bereitzustellen. Das Einstellelement 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Wellenleiter 3 angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Einstellelement 4 auch nur teilweise auf einer Oberfläche des Wellenleiters 3 angeordnet sein. Das Einstellsignal 7 umfasst mindestens einen elektrischen Spannungspuls 71, 72, 73. Beispiele für das Einstellsignal 7 sind beispielsweise in 3a, 3b, 4 und 5 dargestellt. Ein elektrischer Spannungspuls 71, 72, 73 beschreibt hierbei eine elektrische Spannung, welche für eine zeitliche Dauer 701, 702, 703, welche kürzer als eine optische Pulslänge ist, einen Wert ungleich null annimmt. Die optische Pulslänge ist hier die Zeitdauer während welcher die optische Leistung mehr als 1% der optischen Spitzenleistung des Pulses beträgt. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Einstellelement 4 als elektrische Leiterbahn ausgeführt, welche auf dem Wellenleiter 3 angeordnet ist. An diese Leiterbahn wird mittels der elektrischen Spannungsquelle 6 eine elektrische Spannung angelegt. Die Leiterbahn wirkt als ohmscher Widerstand. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Leiterbahn kommt es zu ohmschen Verlusten, das heißt die Leiterbahn, welche als Einstellelement 4 wirkt, erwärmt sich. Da das Einstellelement 4 auf dem Wellenleiter 3 angeordnet ist, erwärmt sich folglich auch der Wellenleiter 3. Durch die durch das Einstellelement 4 hervorgerufene Temperaturänderung im Wellenleiter 3 ändert sich der Brechungsindex des Materials, aus welchem der Wellenleiter 3 ausgebildet ist, aufgrund des thermo-optischen Effekts. Die Temperaturänderung ist abhängig von der Leistung bzw. von der elektrischen Spannung, welche an das Einstellelement 4 angelegt wird. Folglich ist auch die Änderung des Brechungsindex abhängig von der elektrischen Spannung, welche an das Einstellelement 4 angelegt wird. Die Änderung des Brechungsindex führt zu einem optischen Laufzeitunterschied, wodurch sich die Phase der elektromagnetischen Strahlung, welche im Wellenleiter geführt wird, ändert. Die Phase ist abhängig vom Brechungsindex, daher ist die Phase der elektromagnetischen Strahlung, welche im Wellenleiter 3 geführt wird, durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Einstellelement 4 einstellbar. Mittels der elektrischen Spannung kann die Phase der elektromagnetischen Strahlung, welche im Wellenleiter weitergeführt wird, gesteuert werden. Der Temperaturübertrag vom Einstellelement 4 zum Wellenleiter 3 passiert im Allgemeinen nicht instantan sondern zeitlich verzögert. Nach einer gewissen Zeit, wenn der Temperaturübertrag vom Einstellelement 4 auf den Wellenleiter 3 erfolgt ist, befindet sich der Wellenleiter 3 in einem sogenannten Gleichgewichtszustand, das heißt in einem Zustand, in dem der Wellenleiter 3 zumindest näherungsweise eine konstante Temperatur aufweist. Wird eine konstante elektrische Spannung an das Einstellelement 4 angelegt, so wird der Gleichgewichtszustand typischerweise nach ein paar Mikrosekunden erreicht. Bei einer Leistung von 50 Milliwatt (mW) über eine Zeit von 25 µs wird beispielsweise eine Schaltenergie von 375 Nanojoule (nJ) benötigt. Die größte Temperaturänderung im Wellenleiter 3 erfolgt unmittelbar nach Anlegen der elektrischen Spannung an das Einstellelement 4. Die Temperatur im Wellenleiter 3 steigt bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustands weiter an, jedoch deutlich langsamer als unmittelbar nach Anlegen der elektrischen Spannung. Bei der vorliegenden Erfindung wird statt einer konstanten elektrischen Spannung mindestens ein elektrischer Spannungspuls 71, 72, 73 an das Einstellelement 4 angelegt. Die elektrischen Spannungspulse 71, 72, 73, welche an das Einstellelement 4 angelegt werden, weisen eine zeitliche Dauer 701, 702, 703 von wenigen Nanosekunden, beispielsweise weniger als 100 ns auf. Die angelegte elektrische Spannung ist ein Maß für die Phasenänderung der elektromagnetischen Strahlung. Daher kann über die elektrische Spannung beispielsweise eine gewünschte Phasenverzögerung der vom Wellenleiter 3 geführten elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden. 1 shows an optical phase shifter 1 according to an embodiment in a plan view. The optical phase shifter 1 includes a waveguide 3 and an adjustment 4 , The adjustment element 4 is designed to be a phase one of the waveguide 3 adjusted electromagnetic radiation. The adjustment element 4 is with an electrical voltage source 6 connected. The electrical voltage source 6 is set to a setting signal 7 to adjust the phase of the waveguide 3 provide guided electromagnetic radiation. The adjustment element 4 is on the waveguide in this embodiment 3 arranged. In a further embodiment, the adjusting element 4 even partially on a surface of the waveguide 3 be arranged. The adjustment signal 7 includes at least one electrical voltage pulse 71 . 72 . 73 , Examples of the adjustment signal 7 are for example in 3a . 3b . 4 and 5 shown. An electrical voltage pulse 71 . 72 . 73 This describes an electrical voltage, which for a period of time 701 . 702 . 703 which is shorter than an optical pulse length, assumes a nonzero value. The optical pulse length here is the time duration during which the optical power is more than 1% of the optical peak power of the pulse. In the in 1 embodiment shown is the adjustment 4 designed as an electrical trace, which on the waveguide 3 is arranged. To this trace is by means of the electrical voltage source 6 an electrical voltage applied. The track acts as a resistor. When an electrical voltage is applied to the printed conductor, there are ohmic losses, that is to say the printed conductor, which serves as the setting element 4 works, warms up. Because the adjustment 4 on the waveguide 3 is arranged, therefore, also heats the waveguide 3 , Through the through the adjustment 4 caused temperature change in the waveguide 3 the refractive index of the material from which the waveguide changes changes 3 is formed, due to the thermo-optical effect. The temperature change is dependent on the power or of the electrical voltage which is applied to the adjusting element 4 is created. Consequently, the change in refractive index is also dependent on the electrical voltage applied to the adjusting element 4 is created. The change in the refractive index leads to an optical transit time difference, which changes the phase of the electromagnetic radiation which is guided in the waveguide. The phase is dependent on the refractive index, therefore the phase of the electromagnetic radiation which is in the waveguide 3 is performed by applying an electrical voltage to the adjustment 4 adjustable. By means of the electrical voltage, the phase of the electromagnetic radiation, which is continued in the waveguide, are controlled. The temperature transfer from the adjusting element 4 to the waveguide 3 generally does not happen instantaneously but delayed. After a while, when the temperature transfer from the adjustment 4 on the waveguide 3 is done, is the waveguide 3 in a so-called equilibrium state, that is, in a state in which the waveguide 3 at least approximately has a constant temperature. Is a constant electrical voltage to the adjustment 4 applied, the equilibrium state is typically reached after a few microseconds. For example, with a power of 50 milliwatts (mW) over a period of 25 μs, a switching energy of 375 nan Jo Joules (nJ) is needed. The largest temperature change in the waveguide 3 takes place immediately after applying the electrical voltage to the adjustment 4 , The temperature in the waveguide 3 increases until it reaches the equilibrium state, but much slower than immediately after application of the electrical voltage. In the present invention, instead of a constant electrical voltage at least one electrical voltage pulse 71 . 72 . 73 to the adjustment 4 created. The electrical voltage pulses 71 . 72 . 73 , which to the adjustment 4 be created, have a time duration 701 . 702 . 703 of a few nanoseconds, for example less than 100 ns. The applied electrical voltage is a measure of the phase change of the electromagnetic radiation. Therefore, for example, a desired phase delay of the waveguide via the electrical voltage 3 guided electromagnetic radiation can be adjusted.
2 zeigt einen Querschnitt eines optischen Phasenschiebers 1, wie er beispielsweise in 1 dargestellt ist. Auf einem Substrat 2 ist der Wellenleiter 3 angeordnet. Der Wellenleiter 3 umfasst einen Wellenleiter-Kern 3", welcher in diesem Ausführungsbeispiel von einem Wellenleiter-Mantel 3' umschlossen ist. 2 shows a cross section of an optical phase shifter 1 as he is for example in 1 is shown. On a substrate 2 is the waveguide 3 arranged. The waveguide 3 includes a waveguide core 3 ' , which in this embodiment of a waveguide cladding 3. ' is enclosed.
Der Wellenleiter-Kern 3" kann beispielsweise aus Siliziumnitrid ausgeführt sein. Der Wellenleiter-Mantel 3' kann beispielsweise aus Silika oder Siliziumdioxid ausgeführt sein. Das Einstellelement 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einer ersten Seite 5' des Wellenleiters 3 angeordnet, wobei die erste Seite 5' eine von dem Substrat 2 abgewandten Seite des Wellenleiter 3 bezeichnet. Das Einstellelement 4 kann beispielsweise aus Titan (Ti) ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Einstellelement 4 aus Titannitrid (TiN), dotiertem Silizium, Platin (Pt) oder Palladium (Pd) ausgebildet sein. Elektrische Kontakte des Einstellelements 4, welche mit der elektrischen Spannungsquelle 6 verbunden werden können, sind in 2 nicht dargestellt.The waveguide core 3 ' can be made of silicon nitride, for example. The waveguide coat 3. ' may be made of silica or silicon dioxide, for example. The adjustment element 4 is in this embodiment on a first page 5 ' of the waveguide 3 arranged, the first page 5 ' one from the substrate 2 opposite side of the waveguide 3 designated. The adjustment element 4 For example, it can be made of titanium (Ti) be. Alternatively or additionally, the adjustment 4 of titanium nitride (TiN), doped silicon, platinum (Pt) or palladium (Pd) may be formed. Electrical contacts of the adjusting element 4 , which with the electrical voltage source 6 can be connected in 2 not shown.
In 3a, 3b, 4 und 5 sind Ausführungsbeispiele des Einstellsignals 7 dargestellt. Auf der x-Achse ist die Zeit aufgetragen, auf der y-Achse ist die elektrische Spannung aufgetragen. In 3a umfasst das Einstellsignal 7 einen ersten Spannungspuls 71, welcher als Rechteckspuls ausgeführt ist. Der erste Spannungspuls 71 weist für eine erste zeitliche Dauer 701 einen konstanten Spannungswert ungleich null auf und weist für alle anderen Zeiten einen Spannungswert von null auf. In 3b umfasst das Einstellsignal 7 einen ersten Spannungspuls 71, einen zweiten Spannungspuls 72 und einen dritten Spannungspuls 73, wobei die Spannungspulse 71, 72, 73 jeweils Dreieckspulse sind. Ein Dreieckspuls weist einen linearen Spannungsanstieg bis zu einem Maximalwert auf, der als Amplitude des Spannungspulses 71, 72, 73 bezeichnet wird, und fällt dann wieder linear auf null ab. Die zeitliche Dauer 701, 702, 703 des Pulses entspricht einer Zeitdauer vom Beginn des linearen Anstiegs bei einem Spannungswert von Null bis zum Ende des linearen Abfalls auf einen Spannungswert von Null. Zu einem ersten Zeitpunkt wird der erste Spannungspuls 71 für eine erste zeitliche Dauer 701 an das Einstellelement 4 angelegt. Zu einem zweiten Zeitpunkt, der zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt liegt, wird der zweite Spannungspuls 72 für eine zweite zeitliche Dauer 702 an das Einstellelement 4 angelegt. In diesem Ausführungsbeispiel stimmen der erste Spannungspuls 71 und der zweite Spannungspuls 72 in der zeitlichen Dauer 701, 702 und in der Amplitude überein. Auf den zweiten Spannungspuls folgt zu einem dritten Zeitpunkt, der zeitlich auf den zweiten Zeitpunkt folgt, ein dritter Spannungspuls 73. Der dritte Spannungspuls weist eine dritte zeitliche Dauer 703 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als die erste zeitliche Dauer 701 ist. Des Weiteren ist die Amplitude des dritten Spannungspulses 73 kleiner als die Amplituden des ersten Spannungspulses 71 und des zweiten Spannungspulses 72. Wird der erste Spannungspuls 71 an das Einstellelement 4 angelegt, so wird die Phase im Wellenleiter 4 entsprechend dem ersten Spannungspuls 71 eingestellt. Die Wärme, die vom Einstellelement 4 in den Wellenleiter 3 übertragen wird, kann über das Substrat 2 abfließen, sodass sich wieder der ursprüngliche Brechungsindex und damit auch wieder die ursprüngliche Phase der elektromagnetischen Strahlung im Wellenleiter 3 einstellt. Nach einiger Zeit in der keine elektrische Spannung am Einstellelement 4 anliegt, folgt der zweite Spannungspuls 72. Dieser bewirkt analog zum ersten Spannungspuls 71 eine Änderung der Phase der elektromagnetischen Strahlung im Wellenleiter 3. Da der erste Spannungspuls 71 und der zweite Spannungspuls 72 in der zeitlichen Dauer 701, 702 und der Amplitude übereinstimmen, stimmen auch die Änderungen der Phase durch den ersten Spannungspuls 71 und den zweiten Spannungspuls 72 überein. Die Wärme, die vom Einstellelement 4 in den Wellenleiter 3 übertragen wird, kann über das Substrat 2 abfließen, sodass sich wieder der ursprüngliche Brechungsindex und damit auch wieder die ursprüngliche Phase der elektromagnetischen Strahlung im Wellenleiter 3 einstellt. Nach einiger Zeit, in der keine elektrische Spannung am Einstellelement 4 anliegt, wird der dritte Spannungspuls 73 angelegt. Dadurch ändert sich die Phase der elektromagnetischen Strahlung, welche im Wellenleiter 3 geführt wird. Da die Amplitude und die zeitliche Dauer 703 des dritten Spannungspuls 73 von der Amplitude und der zeitlichen Dauer 701, 702 des ersten und zweiten Spannungspulses 71, 72 abweicht, ergibt sich infolge des dritten Spannungspulses 73 eine andere Phasenänderung als zuvor. Durch die Wahl der Amplitude und der zeitlichen Dauer 701, 702, 703 des Spannungspulses 71, 72, 73, welcher an das Einstellelement 4 angelegt wird, kann ein Wert für die Phasenänderung bzw. die Phasenverzögerung eingestellt werden. Kann die Wärme abfließen, so stellt sich wieder die ursprüngliche Phase ein.In 3a . 3b . 4 and 5 are exemplary embodiments of the adjustment signal 7 shown. The time is plotted on the x-axis, the electrical voltage is plotted on the y-axis. In 3a includes the adjustment signal 7 a first voltage pulse 71 , which is designed as a rectangular pulse. The first voltage pulse 71 indicates a first time duration 701 has a constant non-zero voltage value and has a zero voltage value for all other times. In 3b includes the adjustment signal 7 a first voltage pulse 71 , a second voltage pulse 72 and a third voltage pulse 73 , wherein the voltage pulses 71 . 72 . 73 each are triangular pulses. A triangular pulse has a linear voltage rise up to a maximum value, which is the amplitude of the voltage pulse 71 . 72 . 73 is designated, and then drops linearly to zero again. The duration of time 701 . 702 . 703 of the pulse corresponds to a period of time from the beginning of the linear increase at a voltage value of zero to the end of the linear drop to a voltage value of zero. At a first time, the first voltage pulse 71 for a first time duration 701 to the adjustment 4 created. At a second time, which is later than the first time, the second voltage pulse 72 for a second time duration 702 to the adjustment 4 created. In this embodiment, the first voltage pulse is correct 71 and the second voltage pulse 72 in the temporal duration 701 . 702 and in amplitude. The second voltage pulse is followed by a third voltage pulse at a third time, which follows the second time in time 73 , The third voltage pulse has a third time duration 703 which, in this embodiment, is smaller than the first time duration 701 is. Furthermore, the amplitude of the third voltage pulse 73 smaller than the amplitudes of the first voltage pulse 71 and the second voltage pulse 72 , Will the first voltage pulse 71 to the adjustment 4 applied, so the phase is in the waveguide 4 according to the first voltage pulse 71 set. The heat from the adjusting element 4 in the waveguide 3 can be transferred over the substrate 2 flow away, so that again the original refractive index and thus also the original phase of the electromagnetic radiation in the waveguide 3 established. After some time in the no electrical voltage on the adjustment 4 is applied, the second voltage pulse follows 72 , This works analogous to the first voltage pulse 71 a change in the phase of the electromagnetic radiation in the waveguide 3 , Because the first voltage pulse 71 and the second voltage pulse 72 in the temporal duration 701 . 702 and the amplitude match, the changes in the phase are also due to the first voltage pulse 71 and the second voltage pulse 72 match. The heat from the adjusting element 4 in the waveguide 3 can be transferred over the substrate 2 flow away, so that again the original refractive index and thus also the original phase of the electromagnetic radiation in the waveguide 3 established. After some time, in which no electrical voltage on the adjustment 4 is applied, the third voltage pulse 73 created. This changes the phase of the electromagnetic radiation which is in the waveguide 3 to be led. Because the amplitude and the duration of time 703 the third voltage pulse 73 from the amplitude and the time duration 701 . 702 the first and second voltage pulses 71 . 72 deviates, results from the third voltage pulse 73 a different phase change than before. By choosing the amplitude and the time duration 701 . 702 . 703 the voltage pulse 71 . 72 . 73 , which on the adjustment 4 is created, a value for the phase change or the phase delay can be set. If the heat can flow away, the original phase returns.
In 4 umfasst das Einstellsignal 7 einen ersten Spannungspuls 71, einen zweiten Spannungspuls 72 und einen dritten Spannungspuls 73. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Spannungspulse 71, 72, 73 als halber sinusförmiger Puls ausgeführt. Die zweite zeitliche Dauer 702 stimmt mit der dritten zeitlichen Dauer 703 überein, allerdings unterscheiden sich der zweite Spannungspuls 72 und der dritte Spannungspuls 73 in der Amplitude, das heißt im maximalen Spannungswert. Folglich führt der zweite Spannungspuls 72 zu einer Temperaturänderung im Wellenleiter 3, welche mit der Temperaturänderung, die durch den dritten Spannungspuls 73 hervorgerufen wird, nicht übereinstimmt. Somit ruft der zweite Spannungspuls 72 eine andere Phasenänderung als der dritte Spannungspuls 73 hervor. Die Amplituden des ersten Spannungspulses 71 und des dritten Spannungspulses 73 stimmen in diesem Ausführungsbeispiel überein, jedoch ist die erste zeitliche Dauer 701 kleiner als die zweite und dritte zeitliche Dauer 702, 703.In 4 includes the adjustment signal 7 a first voltage pulse 71 , a second voltage pulse 72 and a third voltage pulse 73 , In this embodiment, the voltage pulses 71 . 72 . 73 executed as a half sinusoidal pulse. The second time duration 702 agrees with the third time duration 703 however, the second voltage pulse is different 72 and the third voltage pulse 73 in the amplitude, that is in the maximum voltage value. Consequently, the second voltage pulse leads 72 to a temperature change in the waveguide 3 associated with the temperature change caused by the third voltage pulse 73 is not matched. Thus, the second voltage pulse calls 72 a different phase change than the third voltage pulse 73 out. The amplitudes of the first voltage pulse 71 and the third voltage pulse 73 agree in this embodiment, but the first time duration 701 less than the second and third time durations 702 . 703 ,
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Einstellsignal 7 dargestellt, welches einen ersten Spannungspuls 71 und einen zweiten Spannungspuls 72 umfasst, wobei die Spannungspulse 71, 72 als gaußförmig Pulse ausgeführt sind. Die erste zeitliche Dauer 701 ist größer als die zweite zeitliche Dauer 702 und die Amplitude des ersten Spannungspulses 71 ist größer als die Amplitude des zweiten Spannungspulses 72.In 5 is another embodiment of the adjustment signal 7 shown, which a first voltage pulse 71 and a second voltage pulse 72 includes, wherein the voltage pulses 71 . 72 are designed as Gaussian pulses. The first time duration 701 is greater than the second time duration 702 and the amplitude of the first voltage pulse 71 is greater than the amplitude of the second voltage pulse 72 ,
Das Einstellsignal 7 kann auch mehr als drei Spannungspulse 71, 72, 73 oder weniger als drei Spannungspulse 71, 72, 73 umfassen. Des Weiteren sind Kombinationen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele für das Einstellsignal 7 denkbar. Alternativ oder ergänzend kann das Einstellsignal 7 auch Spannungspulse 71, 72, 73 umfassen, die sich in der Form unterscheiden, beispielsweise eine Kombination aus Rechteckspulsen und Dreieckspulsen. The adjustment signal 7 can also have more than three voltage pulses 71 . 72 . 73 or less than three voltage pulses 71 . 72 . 73 include. Furthermore, combinations of the previously described embodiments for the adjustment signal 7 conceivable. Alternatively or additionally, the adjustment signal 7 also voltage pulses 71 . 72 . 73 include, which differ in shape, for example, a combination of rectangular and triangular pulses.
In 6 ist ein Diagramm dargestellt, wobei auf der x-Achse die Zeit in Mikrosekunden und auf der y-Achse die Temperatur in Grad Celsius aufgetragen sind. 6 zeigt eine Wärmeübertragung in einem optischen Phasenschieber 1, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist. Der optische Phasenschieber 1 führt beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 905 nm, wobei der Wellenleiter 3 eine Breite von 500 nm und eine Höhe von 220 nm aufweist. Die Breite bezeichnet in 2 eine Abmessung des Wellenleiters 3 parallel zur y-Achse und die Höhe bezeichnet in 2 eine Abmessung des Wellenleiters 3 parallel zur z-Achse. Der Wellenleiter-Kern 3" ist beispielsweise aus Siliziumnitrid ausgeführt. Wenn der Wellenleiter 3 elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von mehr als 1300 nm führen soll, so kann der Wellenleiter-Kern 3" beispielsweise aus Silizium ausgeführt werden. Die erste Kurve in 6 beschreibt einen Temperaturverlauf im Wellenleiter 3 über die Zeit, wenn ein Spannungspuls 71, 72, 73 als Einstellsignal 7 an das Einstellelement 4 angelegt wird. Durch Anlegen des Spannungspulses 71, 72, 73 wird eine Temperaturänderung von 60 °C im Wellenleiter erreicht. Der Spannungspuls 71, 72, 73 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine zeitliche Dauer von 100 ns und wird als Rechteckspuls ausgeführt, wie er beispielsweise in 3a dargestellt ist. Die zweite Kurve in 6 beschreibt einen Temperaturverlauf im Wellenleiter 3 über die Zeit, wenn eine konstante Spannung als Einstellsignal 7 an das Einstellelement 4 angelegt wird. Auch in diesem Fall wird eine Temperaturänderung von 60 °C im Wellenleiter 3 erzielt. Im Vergleich der ersten Kurve 8 und der zweiten Kurve 9 wird deutlich, dass im Fall des Spannungspulses 71, 72, 73 die Temperaturänderung von 60 °C im Wellenleiter 3 schneller erfolgt, als im Fall, dass eine konstante Spannung angelegt wird (zweite Kurve 9). Die instantane Heizleistung des Spannungspulses 71, 72, 73 ist größer als die der konstanten Spannung. In beiden Fällen wird die gleiche Phasenänderung erzielt. Im Fall des Spannungspulses 71, 72, 73 wird hierfür beispielsweise eine Energie von 50 nJ benötigt, im Fall der konstanten Spannung wird eine Energie von 375 nJ benötigt. Die zeitliche Dauer 701, 702, 703 des Spannungspulses kann auch kleiner als 100 ns gewählt werden. Vorzugsweise wird die zeitliche Dauer 701, 702, 703 größer als die optische Pulslänge gewählt.In 6 a diagram is shown, with the time in microseconds on the x-axis and the temperature in degrees Celsius on the y-axis. 6 shows a heat transfer in an optical phase shifter 1 as he is for example in 2 is shown. The optical phase shifter 1 For example, performs electromagnetic radiation with a wavelength of 905 nm, wherein the waveguide 3 has a width of 500 nm and a height of 220 nm. The width denotes in 2 a dimension of the waveguide 3 parallel to the y-axis and the height denoted in 2 a dimension of the waveguide 3 parallel to the z-axis. The waveguide core 3 ' is made of silicon nitride, for example. When the waveguide 3 electromagnetic radiation with a wavelength of more than 1300 nm, so can the waveguide core 3 ' For example, be made of silicon. The first turn in 6 describes a temperature profile in the waveguide 3 over time, when a voltage pulse 71 . 72 . 73 as a setting signal 7 to the adjustment 4 is created. By applying the voltage pulse 71 . 72 . 73 a temperature change of 60 ° C in the waveguide is achieved. The voltage pulse 71 . 72 . 73 in this embodiment has a time duration of 100 ns and is executed as a rectangular pulse, as he, for example, in 3a is shown. The second turn in 6 describes a temperature profile in the waveguide 3 over time, if a constant voltage as a setting signal 7 to the adjustment 4 is created. Also in this case, a temperature change of 60 ° C in the waveguide 3 achieved. In comparison of the first curve 8th and the second bend 9 it becomes clear that in the case of the voltage pulse 71 . 72 . 73 the temperature change of 60 ° C in the waveguide 3 faster than in the case that a constant voltage is applied (second curve 9 ). The instantaneous heat output of the voltage pulse 71 . 72 . 73 is greater than that of the constant voltage. In both cases, the same phase change is achieved. In the case of the voltage pulse 71 . 72 . 73 This requires, for example, an energy of 50 nJ, in the case of constant voltage an energy of 375 nJ is required. The duration of time 701 . 702 . 703 The voltage pulse can also be selected smaller than 100 ns. Preferably, the time duration 701 . 702 . 703 greater than the optical pulse length selected.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer optischen phasengesteuerten Anordnung 100 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die optische phasengesteuerte Anordnung einen ersten optischen Phasenschieber 1', einen zweiten optischen Phasenschieber 1" und einen dritten optischen Phasenschieber 1''', wobei die optischen Phasenschieber 1', 1", 1''' in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene nebeneinander angeordnet sind, das heißt sie sind in einem 2D-Array angeordnet. Die optische phasengesteuerte Anordnung kann auch weitere optische Phasenschieber 1, 1', 1", 1'" umfassen, wobei diese auch in z-Richtung verschoben oberhalb und/oder unterhalb des 2D Arrays angeordnet sind. In einem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind in der Ebene parallel zur x-y-Ebene zehn Phasenschieber 1, 1', 1", 1'''nebeneinander angeordnet. Diese können baugleich oder zumindest teilweise voneinander verschiedene Bauformen aufweisen. In diesem hier nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise zehn solcher Ebenen übereinander angeordnet, sodass die optischen Phasenschieber 1, 1', 1", 1''' in einem 3D-Array angeordnet sind. Da jeder Phasenschieber 1, 1', 1", 1''' jeweils mindestens ein Einstellelement 4 umfasst, umfasst die phasengesteuerte Anordnung 100 dann einhundert Einstellelemente. Eine kleine Energieeinsparung bei jedem Einstellelement 4 bewirkt somit insgesamt eine deutliche Energieeinsparung. In 7 sind die drei Phasenschieber 1, 1', 1", 1''' baugleich ausgeführt, beispielsweise wie zuvor beschrieben. Der erste Phasenschieber 1' umfasst ein erstes Substrat 21, auf dem ein erster Wellenleiter 31 angeordnet ist, wobei der erste Wellenleiter 31 einen ersten Wellenleiter-Kern 31", welcher von einem ersten Wellenleiter-Mantel 31' umschlossen ist umfasst. Auf einer von dem ersten Substrat 21 abgewandten Seite des ersten Wellenleiters 31 ist ein erstes Einstellelement 41 angeordnet. Der zweite Phasenschieber 1" umfasst ein zweites Substrat 22, auf dem ein zweiter Wellenleiter 32 angeordnet ist, wobei der zweite Wellenleiter 32 einen zweiten Wellenleiter-Kern 32", welcher von einem zweiten Wellenleiter-Mantel 32' umschlossen ist umfasst. Auf einer von dem zweiten Substrat 22 abgewandten Seite des zweiten Wellenleiters 32 ist ein zweites Einstellelement 42 angeordnet. Der dritte Phasenschieber 1''' umfasst ein drittes Substrat 23, auf dem ein dritter Wellenleiter 33 angeordnet ist, wobei der dritte Wellenleiter 33 einen dritten Wellenleiter-Kern 33", welcher von einem dritten Wellenleiter-Mantel 33' umschlossen ist umfasst. Auf einer von dem dritten Substrat 23 abgewandten Seite des dritten Wellenleiters 33 ist ein drittes Einstellelement 43 angeordnet. Der dritte Phasenschieber 1''' ist zwischen dem ersten Phasenschieber 1' und dem zweiten Phasenschieber 1" angeordnet. Das erste Einstellelement 41, das zweite Einstellelement 42 und das dritte Einstellelement 43 sind mit der elektrischen Spannungsquelle 6 verbunden, die dazu eingerichtet ist ein erstes Einstellsignal 7' für den ersten Phasenschieber 1', ein zweites Einstellsignal 7" für den zweiten Phasenschieber 1" und ein drittes Einstellsignal 7''' für den dritten Phasenschieber 1''' bereitzustellen. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Spannungsquelle 6 in die Steuereinheit 106 integriert. Alternativ oder ergänzend können die Spannungsquelle 6 und die Steuereinheit 106 separat angeordnet sein. Die Steuereinheit 106 ist dazu eingerichtet, die Einstellsignals 7', 7", 7''' zu steuern.In 7 is an embodiment of an optical phased array 100 shown. In this embodiment, the optical phased array comprises a first optical phase shifter 1' , a second optical phase shifter 1" and a third optical phase shifter 1''' , wherein the optical phase shifter 1' . 1" . 1''' in this embodiment are arranged side by side in a plane parallel to the xy plane, that is, they are arranged in a 2D array. The optical phased array may also include other optical phase shifters 1 . 1' . 1" . 1'" include, which are also arranged in the z-direction shifted above and / or below the 2D array. In an embodiment not shown here, ten phase shifters are parallel to the xy plane in the plane 1 . 1' . 1" . 1''' arranged side by side. These may have identical or at least partially mutually different designs. In this embodiment, not shown here, for example, ten such levels are arranged one above the other, so that the optical phase shifter 1 . 1' . 1" . 1''' arranged in a 3D array. Because every phase shifter 1 . 1' . 1" . 1''' in each case at least one adjusting element 4 includes, comprises the phased array 100 then one hundred adjustment elements. A small energy saving with each adjustment element 4 thus causes a total of significant energy savings. In 7 are the three phase shifters 1 . 1' . 1" . 1''' executed identical, for example, as previously described. The first phase shifter 1' includes a first substrate 21 on which a first waveguide 31 is arranged, wherein the first waveguide 31 a first waveguide core 31 " which is from a first waveguide cladding 31 ' enclosed is included. On one of the first substrate 21 opposite side of the first waveguide 31 is a first adjustment element 41 arranged. The second phase shifter 1" includes a second substrate 22 on which a second waveguide 32 is arranged, wherein the second waveguide 32 a second waveguide core 32 " which is a second waveguide cladding 32 ' enclosed is included. On one of the second substrate 22 opposite side of the second waveguide 32 is a second adjustment 42 arranged. The third phase shifter 1''' includes a third substrate 23 on which a third waveguide 33 is arranged, wherein the third waveguide 33 a third waveguide core 33 " which is of a third waveguide cladding 33 ' enclosed is included. On one of the third substrate 23 opposite side of the third waveguide 33 is a third adjustment element 43 arranged. The third phase shifter 1''' is between the first phase shifter 1' and the second phase shifter 1" arranged. The first adjustment element 41 , the second adjusting element 42 and the third adjusting element 43 are with the electrical voltage source 6 connected, which is set up a first adjustment 7 ' for the first phase shifter 1' , a second adjustment signal 7 " for the second phase shifter 1" and a third adjustment signal 7 ''' for the third phase shifter 1''' provide. In the in 7 The embodiment shown is the electrical voltage source 6 in the control unit 106 integrated. Alternatively or additionally, the voltage source 6 and the control unit 106 be arranged separately. The control unit 106 is set to the setting signal 7 ' . 7 " . 7 ''' to control.
In 8 ist eine Aufsicht auf eine optische phasengesteuerte Anordnung 100, wie sie beispielsweise in 7 dargestellt ist, gezeigt. Die optische phasengesteuerte Anordnung 100 umfasst drei optische Phasenschieber 1', 1", 1''', welche nebeneinander in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Phasenschieber 1', 1", 1''' baugleich zueinander ausgeführt. Der dritte optische Phasenschieber 1''' ist zwischen dem ersten optischen Phasenschieber 1' und dem zweiten optischen Phasenschieber 1" angeordnet. Der erste optische Phasenschieber 1' führt eine erste elektromagnetische Strahlung 101, welche parallel zur x-Achse in negative x-Richtung verläuft. Der zweite optische Phasenschieber 1" führt eine zweite elektromagnetische Strahlung 102, welche parallel zur x-Achse in negative x-Richtung verläuft. Der dritte optische Phasenschieber 1''' führt eine dritte elektromagnetische Strahlung 103, welche parallel zur x-Achse in negative x-Richtung verläuft. Aufgrund der Anordnung der optischen Phasenschieber 1', 1”, 1''' verlaufen, die erste elektromagnetische Strahlung 101, die zweite elektromagnetische Strahlung 102 und die dritte elektromagnetische Strahlung somit in den Wellenleitern 31, 32, 33 parallel zueinander. Da die Phasenschieber 1', 1", 1''' in 7 baugleich zueinander ausgeführt sind, weist elektromagnetische Strahlung 101, 102, 103, welche in alle drei Wellenleiter mit der gleichen Phase eintritt, beim Austritt aus den Wellenleitern 31, 32, 33 jeweils die gleiche Phase auf. Die erste elektromagnetische Strahlung 101, die zweite elektromagnetische Strahlung 102 und die dritte elektromagnetische Strahlung können nach Austritt aus den Wellenleitern 31, 32, 33 interferieren. Wird nun beispielsweise von der ersten Spannungsquelle 61, welche mit dem ersten Einstellelement 41 des ersten optischen Phasenschiebers 1' verbunden ist, ein erstes Einstellsignal 7' an das Einstellelement 41 angelegt, beispielsweise ein erster Spannungspuls 71, wie er beispielsweise in 3a skizziert ist, so weist die erste elektromagnetische Strahlung 101 nach Austritt aus dem ersten Wellenleiter 31 eine erste Phase auf. Die zweite elektromagnetische Strahlung 102 weist nach Austritt aus dem zweiten Wellenleiter 32 eine zweite Phase auf und die dritte elektromagnetische Strahlung 103 weist nach Austritt aus dem dritten Wellenleiter 33 eine dritte Phase auf. Die zweite und die dritte Phase stimmen überein, da alle Wellenleiter 31, 32, 33 baugleich sind und am zweiten Phasenschieber 1" und am dritten Phasenschieber 1''' zunächst in einem ersten Beispiel keine Einstellsignale 7, 7', 7", 7''' anliegen. Jedoch weist die erste Phase eine Differenz zur zweiten und dritten Phase auf. Die Größe der Differenz hängt von dem ersten Einstellsignal 7' ab. Über das erste Einstellsignal 7' kann somit beispielsweise ein Interferenzmuster oder ein Strahlenverlauf der ersten elektromagnetischen Strahlung 101, der zweiten elektromagnetischen Strahlung 102 und der dritten elektromagnetischen Strahlung 103 eingestellt werden. Ein Strahlenverlauf der elektromagnetischen Strahlung 101, 102, 103 nach Austritt aus der optischen phasengesteuerten Anordnung, insbesondere das Interferenzmuster, kann mittels der optischen phasengesteuerten Anordnung 100 beispielsweise durch Anlegen eines ersten Einstellsignals 7' an den ersten Phasenschieber 1' und/ oder durch Anlegen eines zweiten Einstellsignals 7" an den zweiten Phasenschieber 1" und/ oder durch Anlegen eines dritten Einstellsignals 7''' an den dritten Phasenschieber 1''' eingestellt werden. In 8 ist eine Betrachtungsebene 107 skizziert. Diese kann beispielsweise im Fernfeld, wo zum Beispiel ein vorgegebenes Interferenzmuster eingestellt werden soll, angeordnet sein. Somit ist es beispielsweise möglich ein Abbild eines Gegenstandes, eines Schriftzuges, etc. in die Betrachtungsebene 107 zu projizieren. Die Steuereinheit 106 ist dazu eingerichtet, die Einstellsignals 7', 7", 7''' zu steuern. In dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Steuereinheit 106 eine erste Spannungsquelle 61, eine zweite Spannungsquelle 62 und eine dritte Spannungsquelle 63. Alternativ oder ergänzend kann die Anzahl elektrischer Spannungsquellen 6, 61, 62, 63 ungleich der Anzahl optischer Phasenschieber 1, 1', 1", 1''' sein. Beispielsweise kann auch nur eine Spannungsquelle 6 verwendet werden. Die Steuereinheit 106 steuert die Anzahl der Spannungspulse 71, 72, 73, die zeitliche Dauer 701, 702, 703 der Spannungspulse 71, 72, 73, die Amplituden der Spannungspulse 71, 72, 73, etc., welche an die optischen Phasenschieber 1', 1", 1''' der optischen phasengesteuerten Anordnung 100 angelegt werden. Zudem steuert die Steuereinheit, an welche optischen Phasenschieber 1, 1', 1", 1''' zu welchem Zeitpunkt welches Einstellsignal 7, 7', 7", 7''' angelegt wird um beispielsweise einen vorgegebenen Strahlenverlauf einzustellen. Die optische phasengesteuerte Anordnung 100 kann beispielsweise eine Anordnung von zehn übereinander angeordneten Ebenen von jeweils zehn optischen Phasenschiebern 1, 1', 1", 1''' umfassen.In 8th is a plan view of an optical phased array 100 as they are for example in 7 is shown. The optical phased array 100 includes three optical phase shifters 1' . 1" . 1''' , which are arranged side by side in a plane parallel to the xy plane. In this embodiment, the phase shifters 1' . 1" . 1''' identical executed to each other. The third optical phase shifter 1''' is between the first optical phase shifter 1' and the second optical phase shifter 1" arranged. The first optical phase shifter 1' performs a first electromagnetic radiation 101 , which runs parallel to the x-axis in the negative x-direction. The second optical phase shifter 1" performs a second electromagnetic radiation 102 , which runs parallel to the x-axis in the negative x-direction. The third optical phase shifter 1''' performs a third electromagnetic radiation 103 , which runs parallel to the x-axis in the negative x-direction. Due to the arrangement of the optical phase shifter 1' . 1 ", 1 '''run, the first electromagnetic radiation 101 , the second electromagnetic radiation 102 and the third electromagnetic radiation thus in the waveguides 31 . 32 . 33 parallel to each other. Because the phase shifters 1' . 1" . 1''' in 7 are constructed identical to each other, has electromagnetic radiation 101 . 102 . 103 , which enters all three waveguides with the same phase, on exit from the waveguides 31 . 32 . 33 each on the same phase. The first electromagnetic radiation 101 , the second electromagnetic radiation 102 and the third electromagnetic radiation, after emerging from the waveguides 31 . 32 . 33 interfere. Now, for example, from the first voltage source 61 , which with the first adjustment 41 of the first optical phase shifter 1' is connected, a first adjustment signal 7 ' to the adjustment 41 created, for example, a first voltage pulse 71 as he is for example in 3a is sketched, so the first shows electromagnetic radiation 101 after exiting the first waveguide 31 a first phase up. The second electromagnetic radiation 102 points after exit from the second waveguide 32 a second phase and the third electromagnetic radiation 103 points after exit from the third waveguide 33 a third phase up. The second and the third phase coincide, as all waveguides 31 . 32 . 33 are identical and on the second phase shifter 1" and at the third phase shifter 1''' initially in a first example no adjustment signals 7 . 7 ' . 7 " . 7 ''' issue. However, the first phase has a difference to the second and third phases. The size of the difference depends on the first setting signal 7 ' from. About the first setting signal 7 ' Thus, for example, an interference pattern or a beam path of the first electromagnetic radiation 101 , the second electromagnetic radiation 102 and the third electromagnetic radiation 103 be set. A beam path of the electromagnetic radiation 101 . 102 . 103 After exiting the optical phased array, in particular the interference pattern, can by means of the optical phased array 100 for example, by applying a first adjustment signal 7 ' to the first phase shifter 1' and / or by applying a second adjustment signal 7 " to the second phase shifter 1" and / or by applying a third adjustment signal 7 ''' to the third phase shifter 1''' be set. In 8th is a viewing plane 107 outlined. This can be arranged, for example, in the far field, where, for example, a predetermined interference pattern is to be set. Thus, it is possible, for example, an image of an object, a lettering, etc. in the viewing plane 107 to project. The control unit 106 is set to the setting signal 7 ' . 7 " . 7 ''' to control. In the in 8th The embodiment shown comprises the control unit 106 a first voltage source 61 , a second voltage source 62 and a third voltage source 63 , Alternatively or additionally, the number of electrical voltage sources 6 . 61 . 62 . 63 unequal to the number of optical phase shifters 1 . 1' . 1" . 1''' be. For example, only one voltage source can be used 6 be used. The control unit 106 controls the number of voltage pulses 71 . 72 . 73 , the time duration 701 . 702 . 703 the voltage pulses 71 . 72 . 73 , the amplitudes of the voltage pulses 71 . 72 . 73 , etc., which are connected to the optical phase shifters 1' . 1" . 1''' the optical phased array 100 be created. In addition, the control unit controls which optical phase shifters 1 . 1' . 1" . 1''' at what time which adjustment signal 7 . 7 ' . 7 " . 7 ''' is created to set, for example, a predetermined beam path. The optical phased array 100 For example, an arrangement of ten superimposed planes of ten optical phase shifters 1 . 1' . 1" . 1''' include.
9 zeigt ein Verfahren 120 zur Einstellung einer Phase elektromagnetischer Strahlung mittels eines optischen Phasenschiebers 1, 1', 1", 1''', wobei eine Einstellung einer optischen Phase der elektromagnetischen Strahlung, welche von einem Wellenleiter 3, 31, 32, 33 geführt wird, durch Anlegen 121 eines Spannungspulses 71, 72, 73 an das Einstellelement 4, 41, 42, 43 erfolgt. Dieses Verfahren 120 kann zum Beispiel in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware in einem Steuergerät implementiert sein. 9 shows a method 120 for adjusting a phase of electromagnetic radiation by means of an optical phase shifter 1 . 1' . 1" . 1''' wherein an adjustment of an optical phase of the electromagnetic radiation generated by a waveguide 3 . 31 . 32 . 33 is guided by mooring 121 a voltage pulse 71 . 72 . 73 to the adjustment 4 . 41 . 42 . 43 he follows. This method 120 For example, it may be implemented in software or hardware or in a hybrid of software and hardware in a controller.
10 zeigt ein Verfahren 110 zur Einstellung eines Strahlenverlaufs elektromagnetischer Strahlung 101, 102, 103 mittels einer optischen phasengesteuerten Anordnung 100 wie dies bereits zuvor beschrieben wurde. Das Verfahren 110 umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte: Anlegen 111 eines ersten Einstellsignals 7' an ein erstes Einstellelement 7' des ersten optischen Phasenschiebers 1' zur Einstellung einer ersten optischen Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von dem ersten Wellenleiter 31 geführt wird; Anlegen 112 eines zweiten Einstellsignals 7" an ein zweites Einstellelement 7" des zweiten optischen Phasenschiebers 1" zur Einstellung einer zweiten optischen Phase einer elektromagnetischen Strahlung, welche von dem zweiten Wellenleiter 32 geführt wird. Dieses Verfahren 110 kann zum Beispiel in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware in der Steuereinheit 106 implementiert sein. 10 shows a method 110 for setting a beam path of electromagnetic radiation 101 . 102 . 103 by means of an optical phased array 100 as previously described. The procedure 110 includes at least the following steps: Create 111 a first adjustment signal 7 ' to a first adjustment 7 ' of the first optical phase shifter 1' for adjusting a first optical phase of electromagnetic radiation emitted by the first waveguide 31 to be led; Invest 112 a second adjustment signal 7 " to a second adjustment 7 " of the second optical phase shifter 1" for adjusting a second optical phase of electromagnetic radiation emitted by the second waveguide 32 to be led. This method 110 can for example be in software or hardware or in a hybrid of software and hardware in the control unit 106 be implemented.
11 zeigt eine Anwendung einer optischen phasengesteuerten Anordnung 100 beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele in einem LiDAR-System 200. In 11 ist ein Blockschaltbild eines LiDAR-Systems 200 abgebildet. Ein LiDAR-System 200 umfasst eine Strahlablenkeinheit 202. Die Strahlablenkeinheit 202 ist dazu ausgebildet, auf die Strahlablenkeinheit 202 auftreffende elektromagnetische Strahlung unter einem einstellbaren Ablenkwinkel weiterzuleiten. Die Strahlablenkeinheit 202 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße optische phasengesteuerte Anordnung 100. Elektromagnetische Strahlung, die von einer Strahlungsquelle 201 emittiert wird, trifft auf die optische phasengesteuerte Anordnung 100, die als Strahlablenkeinheit 202 eingesetzt wird. Als Strahlungsquelle 201 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Laser verwendet. Es kann im Allgemeinen sowohl eine polychromatische, als auch eine monochromatische Strahlungsquelle 201 verwendet werden. Die optische phasengesteuerte Anordnung 100 lenkt die Strahlung derart ab, dass sie auf ein zu untersuchendes Objekt 203 gerichtet wird. Die Strahlung wird vom Objekt 203 zumindest teilweise zurückgestreut, von einer optischen Empfängereinheit 204 aufgenommen und von einer Detektionseinheit 205 detektiert. Somit kann eine Entfernung zum Objekt 203, dessen Zusammensetzung und dessen Form bestimmt werden. 11 shows an application of an optical phased array 100 for example, according to one of the previously described embodiments in a LiDAR system 200. In 11 a block diagram of a LiDAR system 200 is shown. A LiDAR system 200 includes a beam deflector 202 , The beam deflection unit 202 is designed to be on the beam deflection unit 202 transmit incident electromagnetic radiation at an adjustable deflection angle. The beam deflection unit 202 in this embodiment comprises an optical phased array according to the invention 100 , Electromagnetic radiation emitted by a radiation source 201 is emitted, meets the optical phased array 100 acting as a beam deflection unit 202 is used. As a radiation source 201 In this embodiment, a laser is used. It can generally be both a polychromatic and a monochromatic radiation source 201 be used. The optical phased array 100 deflects the radiation such that it is incident on an object to be examined 203 is directed. The radiation is from the object 203 at least partially scattered back from an optical receiver unit 204 recorded and by a detection unit 205 detected. Thus, a distance to the object 203 , whose composition and form are determined.
Das Verfahren 110, welches zur Einstellung eines Strahlenverlaufs vorsieht, an die optischen Phasenschiebern 1, 1', 1", 1''' der optischen phasengesteuerten Anordnung 100 nur kurze Spannungspulse 71, 72, 73 anzulegen, eignet sich insbesondere für LiDAR-Systeme 200, da bei LiDAR-Systemen 200 eine konstante Strahlablenkung nicht erforderlich ist. In LiDAR-Systemen 200 genügt eine Ablenkung einzelner optischer Pulse. Diese optischen Pulse können eine Pulslänge von wenigen Nanosekunden haben, beispielsweise können sie jeweils eine zeitliche Dauer (701, 702, 703) von mindestens einer Nanosekunde aufweisen und beispielsweise eine zeitliche Dauer von maximal 100 Nanosekunden aufweisen. Solange in den wenigen Nanosekunden die Temperatur am Wellenleiter 3, welche die gewünschte Phasenverzögerung einstellt, anliegt, ist es unerheblich wie der Temperaturverlauf im Wellenleiter 3, 31, 32, 33 vor oder nach dem optischen Puls ist. Die größte Temperaturänderung entsteht unmittelbar nach Anlegen der Spannung an das Einstellelement 7, 71, 72, 73. Zwar steigt die Temperatur bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustands weiter, aber immer langsamer. Durch die Verwendung von Spannungspulsen 71, 72, 73 als Einstellsignale 7', 7", 7''' wird ausgenutzt, dass die nötige Wärmenergie zur Einstellung der Phasen über ein möglichst kurzen Zeitraum eingebracht wird, bevor diese wieder in die Umgebung bzw. das Substrat 2, 21, 22, 23 abfließen kann.The procedure 110 , which provides for setting a beam path, to the optical phase shifters 1 . 1' . 1" . 1''' the optical phased array 100 only short voltage pulses 71 . 72 . 73 is particularly suitable for LiDAR systems 200, as in LiDAR systems 200 a constant beam deflection is not required. In LiDAR systems 200, a deflection of individual optical pulses is sufficient. These optical pulses can have a pulse length of a few nanoseconds, for example they can each have a time duration ( 701 . 702 . 703 ) of at least one nanosecond and, for example, have a duration of up to 100 nanoseconds. As long as in the few nanoseconds the temperature at the waveguide 3 , which adjusts the desired phase delay is applied, it is irrelevant as the temperature profile in the waveguide 3 . 31 . 32 . 33 before or after the optical pulse. The largest temperature change occurs immediately after the voltage is applied to the adjusting element 7 . 71 . 72 . 73 , Although the temperature continues to rise until the state of equilibrium is reached, it is always slower. By using voltage pulses 71 . 72 . 73 as setting signals 7 ' . 7 " . 7 ''' is exploited that the necessary heat energy for adjusting the phases over a short period of time is introduced before these again in the environment or the substrate 2 . 21 . 22 . 23 can drain away.
Die optische phasengesteuerte Anordnung 100, beispielsweise gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele kann auch als Strahlablenkeinheit 202 komplexerer LiDAR-Systeme 200 verwendet werden, die beispielsweise eine Untersuchung von Stoffkonzentrationen, die in dem zu untersuchenden Objekt 203 vorhanden sind, ermöglichen.The optical phased array 100 , For example, according to one of the embodiments described above can also be used as a beam deflection unit 202 more complex LiDAR systems 200 may be used, for example, an examination of substance concentrations present in the object to be examined 203 are available.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE 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 the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The 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
-
„Large-scale nanophotonics phased array” (Sun et al., Nature 493, 195 (2013) [0001]"Large-scale nanophotonics phased array" (Sun et al., Nature 493, 195 (2013) [0001]
