DE102018116957B4 - HETEROGENEOUS INTEGRATION OF CURVED MIRROR STRUCTURE FOR PASSIVE ALIGNMENT IN CHIP-SCALE LIDAR - Google Patents

HETEROGENEOUS INTEGRATION OF CURVED MIRROR STRUCTURE FOR PASSIVE ALIGNMENT IN CHIP-SCALE LIDAR Download PDF

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Abstract

Ein kohärentes Chip-Scale-Lidar-System (110), umfassend:einen photonischen Chip (230), der eine Lichtquelle (240), einen Sendestrahlkoppler (250), der zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (246) konfiguriert ist, und einen Empfangsstrahlkoppler (260) umfasst, der zum Empfangen eines empfangenen Signals (262) basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals (246) durch ein Ziel konfiguriert ist;eine Sendestrahlsteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um das Ausgangssignal (246) aus dem System zu übertragen;eine Empfangsstrahlsteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um das empfangene Signal (262) in das System zu erhalten;einen gekrümmten Sendestrahlspiegel (210b), der konfiguriert ist, um das Ausgangssignal (246) von dem Sendestrahlkoppler (250) zu der Sendestrahlsteuervorrichtung zu reflektieren, undeinen gekrümmten Empfangsstrahlspiegel (210a), der konfiguriert ist, um das empfangene Signal (262) von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung zu dem Empfangsstrahlkoppler (260) zu reflektieren, wobei der gekrümmte Sendestrahlspiegel (210b) und der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel (210a) in einem Substrat (320) ausgebildet sind, das heterogen mit dem photonischen Chip (230) integriert ist;wobei der photonische Chip (230) auf einem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet ist, wobei die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung auch auf dem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet sind, und die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung nicht parallel zum photonischen Chip (230) auf dem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet sind.A coherent chip-scale lidar system (110) comprising:a photonic chip (230) comprising a light source (240), a transmit beam coupler (250) configured to provide an output signal (246), and a receive beam coupler (260) configured to receive a received signal (262) based on a reflection of the output signal (246) by a target;a transmit beam controller configured to transmit the output signal (246) out of the system;a receive beam controller configured to receive the received signal (262) into the system;a curved transmit beam mirror (210b) configured to reflect the output signal (246) from the transmit beam coupler (250) to the transmit beam controller, anda curved receive beam mirror (210a) configured to reflect the received signal (262) from the receive beam steering device to the receive beam coupler (260), wherein the curved transmit beam mirror (210b) and the curved receive beam mirror (210a) are formed in a substrate (320) that is heterogeneously integrated with the photonic chip (230);wherein the photonic chip (230) is formed on a packaging substrate (330), the transmit beam steering device and the receive beam steering device are also formed on the packaging substrate (330), and the transmit beam steering device and the receive beam steering device are not formed parallel to the photonic chip (230) on the packaging substrate (330).

Description

EINLEITUNGINTRODUCTION

Die vorliegende Offenbarung betrifft die heterogene Integration einer gekrümmten Spiegelstruktur zur passiven Ausrichtung in einem Chip-Scale-Lidar.The present disclosure relates to the heterogeneous integration of a curved mirror structure for passive alignment in a chip-scale lidar.

Fahrzeuge (z. B. Automobile, Lastwagen, Baumaschinen, Landmaschinen, automatisierte Fabrikausrüstung) werden zunehmend mit Sensoren ausgestattet, die Informationen bereitstellen, um den Fahrzeugbetrieb zu verstärken oder zu automatisieren. Zu beispielhaften Sensoren gehören Funkerfassungs- und Entfernungsmesssysteme (Radarsysteme), Kameras, Mikrofone und Lichterfassungs-Systeme (LIDAR-Systeme). Ein beispielhaftes Lidar-System ist ein kohärentes Lidar-System, das ein frequenzmoduliertes Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) überträgt und auf der optischen Kohärenz zwischen dem gesendeten Signal und einem Rücksignal beruht, das aus der reflektierten Streuung des übertragenen Signals durch ein Ziel resultiert, um die Erfassung des Ziels durchzuführen. In einer Anwendung, wie etwa der Fahrzeuganwendung, bei der die Verringerung der Größe verschiedener Sensoren und Systeme wünschenswert sein kann, kann Chip-Scale-Lidar verwendet werden. In einem Chip-Scale-Lidarsystem können Komponenten wie die Lichtquelle und die Photodetektoren auf einer integrierten Schaltung hergestellt werden, die als photonischer Chip bezeichnet wird. Für einen effektiven Betrieb des Lidar-Systems müssen Spiegel, die Licht kollimieren und als Vermittler zwischen den Licht emittierenden und empfangenden Elementen auf dem photonischen Chip wirken, und Abtastelemente (d. h. Strahlsteuervorrichtungen), die letztendlich Licht übertragen und Reflexionen empfangen, sowohl mit den Elementen auf dem photonischen Chip als auch den Abtastelementen richtig ausgerichtet sein.Vehicles (e.g., automobiles, trucks, construction equipment, agricultural equipment, automated factory equipment) are increasingly equipped with sensors that provide information to augment or automate vehicle operations. Example sensors include radio detection and ranging systems (radar systems), cameras, microphones, and light detection systems (LIDAR systems). An example lidar system is a coherent lidar system that transmits a frequency modulated continuous wave (FMCW) signal and relies on optical coherence between the transmitted signal and a return signal resulting from reflected scattering of the transmitted signal by a target to perform detection of the target. In an application, such as the automotive application, where reducing the size of various sensors and systems may be desirable, chip-scale lidar may be used. In a chip-scale lidar system, components such as the light source and photodetectors may be fabricated on an integrated circuit called a photonic chip. For effective operation of the lidar system, mirrors, which collimate light and act as intermediaries between the light-emitting and receiving elements on the photonic chip, and sensing elements (i.e., beam steering devices), which ultimately transmit light and receive reflections, must be properly aligned with both the elements on the photonic chip and the sensing elements.

US 2017 / 0 184 450 A1 beschreibt einen optischen Schaltkreis mit einer Festkörperphotonik. Der optische Schaltkreis umfasst ein Phased-Array aus Festkörperwellenleitern, die die Strahlsteuerung eines optischen Signals durchführen. Der optische Schaltkreis umfasst einen Modulator zum Modulieren einer Bitsequenz auf die Trägerfrequenz des optischen Signals, und das strahlgesteuerte Signal umfasst die modulierte Bitsequenz. Der optische Schaltkreis umfasst einen Fotodetektor, um eine Reflexion des strahlgesteuerten optischen Signals zu erkennen. Der optische Schaltkreis korreliert das Reflexionssignal automatisch mit der Bitsequenz, um ein verarbeitetes Signal zu erzeugen. US 2017 / 0 184 450 A1 describes an optical circuit using solid-state photonics. The optical circuit includes a phased array of solid-state waveguides that perform beam steering of an optical signal. The optical circuit includes a modulator for modulating a bit sequence to the carrier frequency of the optical signal, and the beam-steered signal includes the modulated bit sequence. The optical circuit includes a photodetector for detecting a reflection of the beam-steered optical signal. The optical circuit automatically correlates the reflection signal with the bit sequence to produce a processed signal.

US 2017 / 0 153 319 A1 beschreibt ein Lidar-System mit einer Lichtquelle, die zum Aussenden von Lichtimpulsen konfiguriert ist. Das Lidar-System umfasst außerdem mehrere optische Verbindungen und mehrere Sensorköpfe. Jede optische Verbindung koppelt die Lichtquelle an einen entsprechenden Sensorkopf und jede optische Verbindung ist so konfiguriert, dass sie mindestens einen Teil der emittierten Lichtimpulse von der Lichtquelle an den entsprechenden Sensorkopf überträgt. Jeder Sensorkopf umfasst einen Scanner, der so konfiguriert ist, dass er Lichtimpulse über ein Sichtfeld des Sensorkopfs scannt, wobei die gescannten Lichtimpulse den Teil der emittierten Lichtimpulse umfassen, der von der Lichtquelle zum Sensorkopf durch die entsprechende optische Verbindung übertragen wird. Jeder Sensorkopf umfasst außerdem einen Empfänger, der so konfiguriert ist, dass er mindestens einen Teil der gescannten Lichtimpulse erfasst, die von einem Ziel gestreut oder reflektiert werden, das sich unterhalb des Sensorkopfs befindet. US 2017 / 0 153 319 A1 describes a lidar system having a light source configured to emit light pulses. The lidar system further includes a plurality of optical links and a plurality of sensor heads. Each optical link couples the light source to a corresponding sensor head, and each optical link is configured to transmit at least a portion of the emitted light pulses from the light source to the corresponding sensor head. Each sensor head includes a scanner configured to scan light pulses across a field of view of the sensor head, wherein the scanned light pulses include the portion of the emitted light pulses transmitted from the light source to the sensor head through the corresponding optical link. Each sensor head also includes a receiver configured to detect at least a portion of the scanned light pulses scattered or reflected from a target located below the sensor head.

Es ist wünschenswert, eine heterogene Integration einer gekrümmten Spiegelstruktur für die passive Ausrichtung in einem Chip-Scale-Lidar bereitzustellen.It is desirable to provide a heterogeneous integration of a curved mirror structure for passive alignment in a chip-scale lidar.

KURZDARSTELLUNGBRIEF DESCRIPTION

Erfindungsgemäß beinhaltet ein kohärentes Chip-Scale-Lidarsystem einen photonischen Chip, der eine Lichtquelle beinhaltet, einen Sendestrahlkoppler zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, und einen Empfangsstrahlkoppler zum Empfangen eines empfangenen Signals basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals durch ein Ziel. Das System enthält auch eine Sendestrahlsteuervorrichtung, um das Ausgabesignal aus dem System zu übertragen, und eine Empfangsstrahlsteuervorrichtung, um das empfangene Signal in das System zu erhalten. Ein gekrümmter Sendestrahlspiegel reflektiert das Ausgangssignal von dem Sendestrahlkoppler zu der Sendestrahlsteuervorrichtung und ein gekrümmter Empfangsstrahlspiegel reflektiert das empfangene Signal von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung zu dem Empfangsstrahlkoppler. Der gekrümmte Sendestrahlspiegel und der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel sind in einem Substrat ausgebildet, das heterogen mit dem photonischen Chip integriert ist.According to the invention, a coherent chip-scale lidar system includes a photonic chip including a light source, a transmit beam coupler for providing an output signal, and a receive beam coupler for receiving a received signal based on a reflection of the output signal by a target. The system also includes a transmit beam controller for transmitting the output signal out of the system and a receive beam controller for receiving the received signal into the system. A curved transmit beam mirror reflects the output signal from the transmit beam coupler to the transmit beam controller, and a curved receive beam mirror reflects the received signal from the receive beam controller to the receive beam coupler. The curved transmit beam mirror and the curved receive beam mirror are formed in a substrate that is heterogeneously integrated with the photonic chip.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der photonische Chip Ausrichtungsmarkierungen, um die passive Ausrichtung des photonischen Chips mit dem Substrat zu erleichtern, das den gekrümmten Sendestrahlspiegel und den gekrümmten Empfangsstrahlspiegel umfasst.In addition to one or more of the features described herein, the photonic chip includes alignment marks to facilitate passive alignment of the photonic chip with the substrate comprising the curved transmit beam mirror and the curved receive beam mirror.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale gibt die Lichtquelle eine frequenzmodulierte Dauerstrichwelle als das Ausgangssignal aus.In addition to one or more of the features described herein, the light source outputs a frequency modulated continuous wave as the output signal.

Erfindungsgemäß wird der photonische Chip auf einem Verpackungssubstrat gebildet.According to the invention, the photonic chip is formed on a packaging substrate.

Erfindungsgemäß sind die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung auch auf dem Verpackungssubstrat ausgebildet.According to the invention, the transmit beam control device and the receive beam control device are also formed on the packaging substrate.

Erfindungsgemäß sind die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung nicht parallel zu dem photonischen Chip auf dem Verpackungssubstrat ausgebildet.According to the invention, the transmit beam control device and the receive beam control device are not formed parallel to the photonic chip on the packaging substrate.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist ein Mittenabstand zwischen dem gekrümmten Sendestrahlspiegel und dem gekrümmten Empfangsstrahlspiegel derselbe wie ein Abstand zwischen dem Sendestrahlkoppler und dem Empfangsstrahlkoppler auf dem photonischen Chip.In addition to one or more of the features described herein, a center distance between the curved transmit beam mirror and the curved receive beam mirror is the same as a distance between the transmit beam coupler and the receive beam coupler on the photonic chip.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale wird der gekrümmte Sendestrahlspiegel unter Verwendung von lithographischen Techniken mit einer Krümmung gebildet, die konfiguriert ist, um das Ausgangssignal von dem Sendestrahlkoppler zu kollimieren, und der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel wird unter Verwendung lithographischer Techniken mit einer Krümmung gebildet, die konfiguriert ist, um das empfangene Signal von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung auf den photonischen Chipkoppler zu fokussieren.In addition to one or more of the features described herein, the curved transmit beam mirror is formed using lithographic techniques with a curvature configured to collimate the output signal from the transmit beam coupler, and the curved receive beam mirror is formed using lithographic techniques with a curvature configured to focus the received signal from the receive beam steering device onto the photonic chip coupler.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale wird ein zweiter gekrümmter Sendestrahlspiegel auf der Basis einer aus dem gekrümmten Sendestrahlspiegel gebildeten Form geprägt, und ein zweiter gekrümmter Empfangsstrahlspiegel wird auf der Basis einer aus dem gekrümmten Empfangsstrahlspiegel geformten Form geprägt.In addition to one or more of the features described herein, a second curved transmit beam mirror is embossed based on a shape formed from the curved transmit beam mirror, and a second curved receive beam mirror is embossed based on a shape formed from the curved receive beam mirror.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale befindet sich das Lidar-System innerhalb oder an einem Fahrzeug und erfasst eine Position und eine Geschwindigkeit eines Objekts relativ zu dem Fahrzeug.In addition to one or more of the features described herein, the lidar system is located within or on a vehicle and detects a position and a velocity of an object relative to the vehicle.

Erfindungsgemäß beinhaltet ein Verfahren zum Zusammenbauen eines kohärenten Lidar-Systems das Bilden eines gekrümmten Sendespiegels und eines gekrümmten Empfangsspiegels nebeneinander in einem Substrat als gekrümmte Spiegelstruktur. Das Verfahren beinhaltet auch das Bilden eines photonischen Chips auf einem Verpackungssubstrat, wobei der photonische Chip eine Lichtquelle, einen zum Bereitstellen eines Ausgangssignals konfigurierten Sendestrahlkoppler, und einen Empfangsstrahlkoppler zum Empfangen eines empfangenen Signals basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals durch ein Ziel beinhaltet. Die gekrümmte Spiegelstruktur ist heterogen mit dem photonischen Chip integriert.According to the invention, a method of assembling a coherent lidar system includes forming a curved transmit mirror and a curved receive mirror side by side in a substrate as a curved mirror structure. The method also includes forming a photonic chip on a packaging substrate, the photonic chip including a light source, a transmit beam coupler configured to provide an output signal, and a receive beam coupler for receiving a received signal based on a reflection of the output signal by a target. The curved mirror structure is heterogeneously integrated with the photonic chip.

Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren auch das Anordnen einer Sendestrahlsteuervorrichtung und einer Empfangsstrahlsteuervorrichtung nebeneinander auf dem Verpackungssubstrat.According to the invention, the method also includes arranging a transmit beam control device and a receive beam control device next to each other on the packaging substrate.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Anordnen der Sendestrahlsteuervorrichtung und der Empfangsstrahlsteuervorrichtung das Trennen der Sendestrahlsteuervorrichtung und der Empfangsstrahlsteuervorrichtung um einen gleichen Abstand wie einen Mittenabstand zwischen dem gekrümmten Sendespiegel und dem gekrümmten Empfangsspiegel.In addition to one or more of the features described herein, arranging the transmit beam control device and the receive beam control device includes separating the transmit beam control device and the receive beam control device by a distance equal to a center distance between the curved transmit mirror and the curved receive mirror.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale befindet sich die Anordnung der Sendestrahlsteuervorrichtung und der Empfangsstrahlsteuervorrichtung auf einer nicht parallelen Ebene mit dem photonischen Chip.In addition to one or more of the features described herein, the arrangement of the transmit beam steerer and the receive beam steerer is on a non-parallel plane with the photonic chip.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das heterogene Integrieren der gekrümmten Spiegelstruktur mit dem photonischen Chip das Verwenden von Ausrichtungsmarkierungen auf dem photonischen Chip, um die gekrümmte Spiegelstruktur passiv mit dem photonischen Chip auszurichten.In addition to one or more of the features described herein, heterogeneously integrating the curved mirror structure with the photonic chip includes using alignment marks on the photonic chip to passively align the curved mirror structure with the photonic chip.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale umfasst das Ausbilden des gekrümmten Sendespiegels und des gekrümmten Empfangsspiegels das Verwenden von Photolithographie und Ätzen.In addition to one or more of the features described herein, forming the curved transmit mirror and the curved receive mirror includes using photolithography and etching.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren auch das Ausbilden eines zweiten gekrümmten Sendespiegels und eines zweiten gekrümmten Empfangsspiegels, das Prägen des zweiten gekrümmten Sendespiegels und des zweiten gekrümmten Empfangsspiegels unter Verwendung von Formen, die jeweils aus dem gekrümmten Sendespiegel und dem gekrümmten Empfangsspiegel gebildet sind.In addition to one or more of the features described herein, the method also includes forming a second curved transmit mirror and a second curved receive mirror, embossing the second curved transmit mirror and the second curved receive mirror using molds formed from the curved transmit mirror and the curved receive mirror, respectively.

In noch einer anderen exemplarischen Ausführungsform beinhaltet ein Fahrzeug ein kohärentes Chip-Scale-Lidarsystem, das einen photonischen Chip beinhaltet, der eine Lichtquelle beinhaltet, einen Sendestrahlkoppler zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, und einen Empfangsstrahlkoppler zum Empfangen eines empfangenen Signals basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals durch ein Ziel sowie dessen Fokussierung auf einen Empfangsstrahlkoppler auf dem photonischen Chip. Das System enthält auch eine Sendestrahlsteuervorrichtung, um das Ausgabesignal aus dem System zu übertragen, und eine Empfangsstrahlsteuervorrichtung, um das empfangene Signal in das System zu erhalten. Ein gekrümmter Sendestrahlspiegel reflektiert das Ausgangssignal von dem Sendestrahlkoppler zu der Sendestrahlsteuervorrichtung und ein gekrümmter Empfangsstrahlspiegel reflektiert das empfangene Signal von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung zu dem Empfangsstrahlkoppler. In yet another exemplary embodiment, a vehicle includes a coherent chip-scale lidar system including a photonic chip including a light source, a transmit beam coupler for providing an output signal, and a receive beam coupler for receiving a received signal based on a reflection of the output signal by a target and focusing it on a receive beam coupler on the photonic chip. The system also includes a transmit beam steering device. device to transmit the output signal out of the system and a receive beam steering device to receive the received signal into the system. A curved transmit beam mirror reflects the output signal from the transmit beam coupler to the transmit beam steering device and a curved receive beam mirror reflects the received signal from the receive beam steering device to the receive beam coupler.

Der gekrümmte Sendestrahlspiegel und der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel sind in einem Substrat ausgebildet, das heterogen mit dem photonischen Chip integriert ist. Das Fahrzeug beinhaltet auch eine Fahrzeugsteuerung, um Informationen von dem Lidar-System zu verwenden, um Fahrzeugsysteme zu erweitern oder zu automatisieren.The curved transmit beam mirror and the curved receive beam mirror are formed in a substrate that is heterogeneously integrated with the photonic chip. The vehicle also includes a vehicle controller to use information from the lidar system to augment or automate vehicle systems.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale sind die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung nicht parallel zu dem photonischen Chip auf dem Verpackungssubstrat ausgebildet.In addition to one or more of the features described herein, the transmit beam steering device and the receive beam steering device are not formed parallel to the photonic chip on the packaging substrate.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist ein Mittenabstand zwischen dem gekrümmten Sendestrahlspiegel und dem gekrümmten Empfangsstrahlspiegel derselbe wie ein Abstand zwischen dem Sendestrahlkoppler und dem Empfangsstrahlkoppler auf dem photonischen Chip.In addition to one or more of the features described herein, a center distance between the curved transmit beam mirror and the curved receive beam mirror is the same as a distance between the transmit beam coupler and the receive beam coupler on the photonic chip.

Die oben genannten Eigenschaften und Vorteile sowie anderen Eigenschaften und Funktionen der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ohne weiteres hervor.The above features and advantages as well as other features and functions of the present disclosure will be readily apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur exemplarisch in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, wobei gilt:

  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Szenarios, das ein kohärentes Chip-Scale-Lidar-System gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet;
  • 2 ist ein Blockdiagramm des Lidar-Systems mit heterogen integrierten gekrümmten Spiegeln gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 3 zeigt eine Seitenansicht des Lidar-Systems, das eine exemplarische Anordnung des heterogen integrierten gekrümmten Spiegels gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt; und
  • 4 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens zum Zusammenbauen eines Lidar-Systems mit heterogen integrierten gekrümmten Spiegeln gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
Other features, advantages and details appear only by way of example in the following detailed description of the embodiments, which detailed description refers to the drawings, wherein:
  • 1 is a block diagram of a scenario involving a coherent chip-scale lidar system, in accordance with one or more embodiments;
  • 2 is a block diagram of the lidar system with heterogeneously integrated curved mirrors according to one or more embodiments;
  • 3 shows a side view of the lidar system showing an exemplary arrangement of the heterogeneously integrated curved mirror according to one or more embodiments; and
  • 4 is a process flow of a method for assembling a lidar system with heterogeneously integrated curved mirrors according to one or more embodiments.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und nicht dazu gedacht, die vorliegende Erfindung in ihren An- oder Verwendungen zu beschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present invention in its scope or uses. It should be understood that throughout the drawings, corresponding reference characters designate like or corresponding parts and features.

Wie zuvor erwähnt, müssen ein Spiegel, der Licht von dem lichtemittierenden Element auf einem photonischen Chip zu einer Strahlabtastvorrichtung, die das Licht von dem Lidar emittiert, kollimiert und lenkt und ein Spiegel, der Licht von einer Strahlabtastvorrichtung lenkt und auf das Lichtempfängerelement auf einem photonischen Chip fokussiert, mit der jeweiligen Strahlabtastvorrichtung und dem jeweiligen Element auf dem photonischen Chip ordnungsgemäß ausgerichtet sein. Ausführungsformen der hierin beschriebenen Verfahren und Systeme betreffen die heterogene Integration einer gekrümmten Spiegelstruktur zur passiven Ausrichtung in einem Chip-Scale-Lidar. Heterogene Integration bezieht sich auf die Montage von separat hergestellten Komponenten auf einem einzigen Chip. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen werden gekrümmte Spiegel in einem Substrat lithographisch ausgebildet, um eine Präzision auf Nanometerebene in der Formation zu ermöglichen. Gemäß Ausführungsformen, die hierin ausführlich beschrieben sind, ist die gekrümmte Spiegelstruktur, die das Substrat und die gekrümmten Spiegel beinhaltet, ausgerichtet und heterogen mit einem photonischen Chip integriert.As previously mentioned, a mirror that collimates and directs light from the light emitting element on a photonic chip to a beam scanning device that emits the light from the lidar and a mirror that directs light from a beam scanning device and focuses it onto the light receiving element on a photonic chip must be properly aligned with the respective beam scanning device and element on the photonic chip. Embodiments of the methods and systems described herein relate to heterogeneous integration of a curved mirror structure for passive alignment in a chip-scale lidar. Heterogeneous integration refers to the assembly of separately manufactured components on a single chip. According to one or more embodiments, curved mirrors are lithographically formed in a substrate to enable nanometer-level precision in the formation. According to embodiments described in detail herein, the curved mirror structure including the substrate and the curved mirrors is aligned and heterogeneously integrated with a photonic chip.

Insbesondere werden Ausrichtungsmarkierungen verwendet, um die gekrümmte Spiegelstruktur mit dem photonischen Chip genau auszurichten und heterogen zu integrieren. Unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen werden die gekrümmten Spiegel und der photonische Chip passiv ausgerichtet, sodass eine Steuerung mit geschlossenem Regelkreis nicht erforderlich ist, um die Spiegel gemäß einem aktiven Ausrichtungsverfahren in Ausrichtung zu bringen. Die gekrümmten Spiegel sind auch auf die Strahlsteuervorrichtungen ausgerichtet, die Spiegel oder andere Reflektoren sind, die durch ein zweidimensionales (2D) mikroelektromechanisches System (MEMS) betätigt werden können.In particular, alignment marks are used to precisely align and heterogeneously integrate the curved mirror structure with the photonic chip. Using the alignment marks, the curved mirrors and the photonic chip are passively aligned, so that a closed-loop controller is not required to bring the mirrors into alignment according to an active alignment procedure. The curved mirrors are also aligned with the beam steering devices, which are mirrors or other reflectors that can be actuated by a two-dimensional (2D) microelectromechanical system (MEMS).

Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Szenarios, das ein kohärentes Chip-Scale-Lidar-System 110 beinhaltet. Das Lidar-System 110 beinhaltet eine heterogene Integration eines gekrümmten Spiegels 210 (2) mit einem photonischen Chip 230 (2) zur passiven Ausrichtung, wie unter Bezugnahme auf 3 und 4 detailliert beschrieben. Das in 1 dargestellte Fahrzeug 100 ist ein Kraftfahrzeug 101. Ein kohärentes Lidar-System 110, das unter Bezugnahme auf 2 ausführlicher beschrieben wird, ist auf dem Dach des Kraftfahrzeugs 101 gezeigt. Gemäß alternativen oder zusätzlichen Ausführungsformen können ein oder mehrere Lidar-Systeme 110 an anderer Stelle in oder an dem Fahrzeug 100 angeordnet sein. Ein weiterer Sensor 115 (z. B. Kamera, Sonar, Radarsystem) ist ebenfalls gezeigt. Informationen, die von dem Lidar-System 110 und einem oder mehreren anderen Sensoren 115 erhalten werden, können an eine Steuerung 120 (z. B. eine elektronische Steuereinheit (ECU)) zur Bild- oder Datenverarbeitung, Zielerkennung und nachfolgende Fahrzeugsteuerung geliefert werden.According to an exemplary embodiment, 1 a block diagram of a scenario rios, which includes a coherent chip-scale lidar system 110. The lidar system 110 includes a heterogeneous integration of a curved mirror 210 ( 2 ) with a photonic chip 230 ( 2 ) for passive alignment, as described with reference to 3 and 4 described in detail. The 1 The vehicle 100 shown is a motor vehicle 101. A coherent lidar system 110, which is described with reference to 2 described in more detail, is shown on the roof of the motor vehicle 101. According to alternative or additional embodiments, one or more lidar systems 110 may be located elsewhere in or on the vehicle 100. Another sensor 115 (e.g., camera, sonar, radar system) is also shown. Information obtained from the lidar system 110 and one or more other sensors 115 may be provided to a controller 120 (e.g., an electronic control unit (ECU)) for image or data processing, target detection, and subsequent vehicle control.

Die Steuerung 120 kann die Information verwenden, um ein oder mehrere Fahrzeugsysteme 130 zu steuern. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das Fahrzeug 100 ein autonomes Fahrzeug sein, und die Steuerung 120 kann bekannte Fahrzeugbetriebssteuerung unter Verwendung von Informationen von dem Lidar-System 110 und anderen Quellen durchführen. In alternativen Ausführungsformen kann die Steuerung 120 den Fahrzeugbetrieb unter Verwendung von Informationen von dem Lidar-System 110 und anderen Quellen als Teil eines bekannten Systems (z. B. Kollisionsvermeidungssystem, adaptives Geschwindigkeitsregelungssystem) verstärken. Das Lidar-System 110 und ein oder mehrere andere Sensoren 115 können verwendet werden, um Objekte 140 zu erfassen, wie z. B. den Fußgänger 145, der in 1 gezeigt ist. Die Steuerung 120 kann eine Verarbeitungsschaltung beinhalten, die eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Hardware-Computerprozessor (gemeinsam genutzte oder dedizierte oder Gruppe) und einen Speicher beinhalten kann, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten ausführt, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen.The controller 120 may use the information to control one or more vehicle systems 130. In an exemplary embodiment, the vehicle 100 may be an autonomous vehicle, and the controller 120 may perform known vehicle operation control using information from the lidar system 110 and other sources. In alternative embodiments, the controller 120 may augment vehicle operation using information from the lidar system 110 and other sources as part of a known system (e.g., collision avoidance system, adaptive cruise control system). The lidar system 110 and one or more other sensors 115 may be used to detect objects 140, such as the pedestrian 145 walking in 1 The controller 120 may include processing circuitry, which may include an application specific integrated circuit (ASIC), an electronic circuit, a hardware computer processor (shared or dedicated or group), and memory executing one or more software or firmware programs, combinational logic circuitry, and/or other suitable components that provide the described functionality.

2 ist ein Blockdiagramm des Lidar-Systems 110 mit heterogen integrierten gekrümmten Spiegeln 210a, 210b (im Allgemeinen als 210 bezeichnet) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Der Mittenabstand c zwischen den gekrümmten Spiegeln 210a, 210b ist in 2 angedeutet und unter Bezugnahme auf 3 weiter erörtert. Die Ausrichtungsmarkierungen 201 werden auch weiter unter Bezugnahme auf 3 erörtert. Das beispielhafte Lidar-System 110 ist ein bistatisches System, das einen getrennten Pfad zum Übertragen von Licht und zum Empfangen von reflektiertem Licht von dem Ziel 140 beinhaltet. Das heißt, es werden zwei getrennte Strahlsteuervorrichtungen, die in der exemplarischen Ausführungsform von 2 gezeigten 2D-MEMS-Spiegel 220a, 220b (allgemein als 220 bezeichnet), verwendet. 2 is a block diagram of the lidar system 110 with heterogeneously integrated curved mirrors 210a, 210b (generally referred to as 210) according to one or more embodiments. The center distance c between the curved mirrors 210a, 210b is shown in 2 indicated and with reference to 3 The alignment marks 201 are also further discussed with reference to 3 The exemplary lidar system 110 is a bistatic system that includes a separate path for transmitting light and for receiving reflected light from the target 140. That is, two separate beam steering devices, which in the exemplary embodiment of 2 shown 2D MEMS mirrors 220a, 220b (generally referred to as 220).

Der Photonenchip 230 beinhaltet eine Lichtquelle 240. Die Lichtquelle 240 kann Komponenten enthalten, die sich nicht auf dem photonischen Chip 230 befinden. Beispielsweise kann die Lichtquelle 240 eine Laserdiode sein, die zum Beispiel einen Oszillator auf dem photonischen Chip 230 und eine chipexterne Stromquelle umfasst. Die Modulation der Stromquelle führt zu einem frequenzmodulierten Dauerstrichwellensignal (FMCW-Signal) 242, das von der Lichtquelle 240 ausgegeben wird. Das Signal 242 wird durch einen Splitter 245 in das Ausgangssignal 246 aufgeteilt, das dem Sendestrahlkoppler 250 (z. B. Gitter- oder Kantenkoppler) zur Übertragung bereitgestellt wird. Das FMCW-Signal 242 wird auch in das Lokaloszillatorsignal (LO-Signal) 247 aufgeteilt. Das Ausgangssignal 246 wird von dem gekrümmten Spiegel 210b zu dem 2D-MEMS-Spiegel 220b reflektiert. Wie 2 anzeigt, wird die Übertragung von dem 2D-MEMS-Spiegel 220b durch das Ziel 140 gestreut. Ein Teil dieser gestreuten Reflexion wird von dem 2D-MEMS-Spiegel 220a empfangen und von dem gekrümmten Spiegel 210a zu dem Empfangsstrahlkoppler 260 (z. B. Gitter- oder Kantenkoppler) reflektiert. Der Abstand g zwischen dem Sendestrahlkoppler 250 und dem Empfangsstrahlkoppler 260 ist in 2 angedeutet und weiter unter Bezugnahme auf 3 erörtert.The photonic chip 230 includes a light source 240. The light source 240 may include components that are not located on the photonic chip 230. For example, the light source 240 may be a laser diode that includes, for example, an oscillator on the photonic chip 230 and an off-chip power source. The modulation of the power source results in a frequency modulated continuous wave (FMCW) signal 242 output from the light source 240. The signal 242 is split by a splitter 245 into the output signal 246, which is provided to the transmit beam coupler 250 (e.g., grating or edge coupler) for transmission. The FMCW signal 242 is also split into the local oscillator (LO) signal 247. The output signal 246 is reflected from the curved mirror 210b to the 2D MEMS mirror 220b. As 2 , the transmission from the 2D MEMS mirror 220b is scattered by the target 140. A portion of this scattered reflection is received by the 2D MEMS mirror 220a and reflected by the curved mirror 210a to the receive beam coupler 260 (e.g., grating or edge coupler). The distance g between the transmit beam coupler 250 and the receive beam coupler 260 is in 2 indicated and further with reference to 3 discussed.

Das empfangene Signal 262 wird an dem Kombinierer 265 mit dem LO-Signal 247 kombiniert und dann in kombinierte Signale 267a und 267b aufgeteilt (allgemein als 267 bezeichnet). Jedes kombinierte Signal 267 wird einem Photodetektor 270a, 270b (allgemein als 270 bezeichnet) bereitgestellt. Das empfangene Signal 262 und das LO-Signal 247 in jedem kombinierten Signal 267 interferieren miteinander in jedem Photodetektor 270. Die Photodetektoren 270 wandeln das Ergebnis der Interferenz in elektrische Ströme 275a, 275b (allgemein als 275 bezeichnet) um, die auch als Taktsignale bezeichnet werden. Die zwei Photodetektoren 270 werden in Übereinstimmung mit einer bekannten symmetrischen Detektortechnik verwendet, um das Intensitätsrauschen in dem LO-Signal 247 (welches durch die Lichtquelle 240 verursacht wird und somit in dem Ausgangssignal 246 und dem LO-Signal 247 gleich ist) zu löschen, das beiden Photodetektoren 270 gemeinsam ist. Die elektrischen Ströme 275 von jedem der Photodetektoren 270 werden kombiniert und verarbeitet, um eine dreidimensionale Information wie die Entfernung zum Ziel 140 und die relative Geschwindigkeit des Ziels 140 zu dem Lidar-System 110 als eine Funktion von zweidimensionalen räumlichen Koordinaten zu erhalten. Die Verarbeitung kann beispielsweise innerhalb des Lidar-Systems 110 durch einen Prozessor 280 oder außerhalb des Lidar-Systems 110 durch die Steuerung 120 durchgeführt werden. Der Prozessor 280 kann Verarbeitungsschaltungen enthalten, die denen ähnlich sind, die für die Steuerung 120 erörtert wurden.The received signal 262 is combined with the LO signal 247 at the combiner 265 and then split into combined signals 267a and 267b (generally referred to as 267). Each combined signal 267 is provided to a photodetector 270a, 270b (generally referred to as 270). The received signal 262 and the LO signal 247 in each combined signal 267 interfere with each other in each photodetector 270. The photodetectors 270 convert the result of the interference into electrical currents 275a, 275b (generally referred to as 275), also referred to as clock signals. The two photodetectors 270 are used in accordance with a known symmetric detector technique to cancel the intensity noise in the LO signal 247 (which is caused by the light source 240 and thus is the same in the output signal 246 and the LO signal 247) that is common to both photodetectors 270. The electrical currents 275 from each of the photodetectors 270 are combined and processed to provide three-dimensional information such as the range to the target 140 and the relative speed of the target 140 to the lidar. System 110 as a function of two-dimensional spatial coordinates. The processing may be performed, for example, within the lidar system 110 by a processor 280 or outside the lidar system 110 by the controller 120. The processor 280 may include processing circuitry similar to that discussed for the controller 120.

3 zeigt eine Seitenansicht des Lidar-Systems 110, das eine exemplarische Anordnung des heterogen integrierten gekrümmten Spiegels 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen zeigt. 3 zeigt einen gekrümmten Spiegel 210 und einen 2D-MEMS-Spiegel 220, weil eine Seitenansicht dargestellt ist. Ein zweiter gekrümmter Spiegel 210 und ein entsprechender zweiter 2D-MEMS-Spiegel 220 sind jeweils hinter dem sichtbaren gekrümmten Spiegel 210 und dem sichtbaren 2D-MEMS-Spiegel 220 aus der in 3 gezeigten Ansicht angeordnet. In diesem Fall muss der Mittenabstand c zwischen den gekrümmten Spiegeln 210, der in 2 angedeutet ist, dem Abstand g zwischen dem Sendestrahlgitterkoppler 250 und dem Empfangsstrahlgitterkoppler 260 entsprechen, die auf dem photonischen Chip 230 in 2 gezeigt sind. Wie 3 zeigt, ist der gekrümmte Spiegel 210 in einem Substrat 320 ausgebildet. Das Substrat 320 kann Material enthalten, das thermisch mit dem photonischen Chip 230 abgestimmt ist. Das Substrat 320 ist mit dem photonischen Chip 230 durch Metallverbindungen 310 oder ein anderes Verbindungsmaterial, wie zum Beispiel Epoxidharz, verbunden, die mit den Ausrichtungsmarkierungen 201 auf dem photonischen Chip 230 ausgerichtet sind. Die Ausrichtung wird durch die Ausrichtungsmarkierungen 325 auf dem Substrat 320 sichergestellt, in dem der gekrümmte Spiegel 210 ausgebildet ist. 3 shows a side view of the lidar system 110 showing an exemplary arrangement of the heterogeneously integrated curved mirror 210 according to one or more embodiments. 3 shows a curved mirror 210 and a 2D MEMS mirror 220 because a side view is shown. A second curved mirror 210 and a corresponding second 2D MEMS mirror 220 are respectively shown behind the visible curved mirror 210 and the visible 2D MEMS mirror 220 from the 3 In this case, the center distance c between the curved mirrors 210, which is shown in 2 is indicated, correspond to the distance g between the transmit beam grating coupler 250 and the receive beam grating coupler 260, which are arranged on the photonic chip 230 in 2 shown. How 3 , the curved mirror 210 is formed in a substrate 320. The substrate 320 may include material that is thermally matched to the photonic chip 230. The substrate 320 is connected to the photonic chip 230 by metal interconnects 310 or other interconnect material, such as epoxy, that are aligned with the alignment marks 201 on the photonic chip 230. Alignment is ensured by the alignment marks 325 on the substrate 320 in which the curved mirror 210 is formed.

Die gekrümmten Spiegel 210 werden durch lithographische Techniken gebildet, um präzise Abmessungen und Krümmungen zu ermöglichen. Die genaue Krümmung des gekrümmten Spiegels 210b stellt eine Kollimation des Ausgangssignals 246 von dem photonischen Chip 230 sicher, der auf den 2D-MEMS-Spiegel 220 gerichtet ist, und die genaue Krümmung des gekrümmten Spiegels 210a stellt eine Fokussierung des empfangenen Signals 262 von dem 2D-MEMS Spiegel 220 sicher, der auf den photonischen Chip 230 gerichtet ist. Die gekrümmten Spiegel 210 können beschichtet sein, um die Reflexion zu verbessern. Wie 3 zeigt, sind der photonische Chip 230 und der 2D-MEMS-Spiegel 220 in einem Verpackungssubstrat 330 ausgebildet.The curved mirrors 210 are formed by lithographic techniques to allow for precise dimensions and curvatures. The precise curvature of the curved mirror 210b ensures collimation of the output signal 246 from the photonic chip 230 directed to the 2D MEMS mirror 220, and the precise curvature of the curved mirror 210a ensures focusing of the received signal 262 from the 2D MEMS mirror 220 directed to the photonic chip 230. The curved mirrors 210 may be coated to improve reflection. How 3 shows, the photonic chip 230 and the 2D MEMS mirror 220 are formed in a packaging substrate 330.

Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform kann ein gekrümmter Hauptspiegel 210 unter Verwendung von lithographischen Techniken ausgebildet werden, sodass nachfolgende gekrümmte Spiegel 210 in nachfolgenden Lidar-Systemen 110 unter Verwendung eines Prägens basierend auf dem Hauptspiegel gebildet werden können. Ausrichtungsmarkierungen 201 auf dem photonischen Chip 230 erleichtern eine präzise Ausrichtung des gekrümmten Spiegels 210 mit dem photonischen Chip 230. Das heißt, das Substrat 320, in dem die gekrümmten Spiegel 210 ausgebildet sind, wird unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen 201 mit dem photonischen Chip 230 verbunden. Wenn gekrümmte Hauptspiegel 210 gebildet werden, können nachfolgende geprägte gekrümmte Spiegel 210 immer noch präzise mit dem photonischen Chip 230 basierend auf den Ausrichtungsmarkierungen 201 ausgerichtet werden. Unter Verwendung der Ausrichtungsmarkierungen 201 werden die gekrümmten Spiegel 210 und der photonische Chip 230 passiv ausgerichtet, ohne dass eine Steuerverfahren mit geschlossenem Regelkreis der aktiven Ausrichtung erforderlich ist, der das Bewegen der gekrümmten Spiegel 210 bis zum Erreichen der Ausrichtung beinhaltet.According to an exemplary embodiment, a curved primary mirror 210 may be formed using lithographic techniques such that subsequent curved mirrors 210 in subsequent lidar systems 110 may be formed using embossing based on the primary mirror. Alignment marks 201 on the photonic chip 230 facilitate precise alignment of the curved mirror 210 with the photonic chip 230. That is, the substrate 320 in which the curved mirrors 210 are formed is bonded to the photonic chip 230 using the alignment marks 201. When curved primary mirrors 210 are formed, subsequent embossed curved mirrors 210 may still be precisely aligned with the photonic chip 230 based on the alignment marks 201. Using the alignment marks 201, the curved mirrors 210 and the photonic chip 230 are passively aligned without the need for a closed-loop active alignment control process that involves moving the curved mirrors 210 until alignment is achieved.

Wie 3 zeigt, sind die gekrümmten Spiegel 210 auch passiv mit den entsprechenden 2D-MEMS-Spiegeln 220 ausgerichtet. Eine korrekte Ausrichtung führt dazu, dass der Mittelpunkt des Lichtstrahls, der durch den gekrümmten Sendespiegel 210b ausgerichtet ist, auf den Mittelpunkt des 2D-Sende-MEMS-Spiegels 220b ausgerichtet ist, und dass der Mittelpunkt des Lichtstrahls, der durch den 2D-MEMS-Empfangsspiegel 220a ausgerichtet ist, auf den Mittelpunkt des gekrümmten Empfangsspiegels 210a ausgerichtet ist. Eine exemplarische, nicht einschränkende Breite d des Strahls, der zwischen den gekrümmten Spiegeln 210 und den 2D-MEMS-Spiegeln 220 übertragen wird, beträgt 2,3 Millimeter (mm). Kollimiertes Licht von dem gekrümmten Spiegel 210b zu dem 2D-MEMS-Spiegel 220b wird aus dem Lidar-System 110 gestreut. In ähnlicher Weise wird gestreutes reflektiertes Licht, das von dem 2D-MEMS-Spiegel 220a zu dem gekrümmten Spiegel 210a gerichtet wird, durch den gekrümmten Spiegel 210a kollimiert und an den photonischen Chip 230 bereitgestellt. Wie 3 zeigt, sind die 2D-MEMS-Spiegel 220 nicht parallel zu dem photonischen Chip 230. Ein exemplarischer Winkel A kann 12 Grad betragen und eine exemplarische Höhe h3 kann 5,2 mm betragen. Eine exemplarische Höhe h1 kann 1 mm betragen, und h2 kann 4 mm betragen. Die bereitgestellten Abmessungen sollen beispielhaft und keinesfalls einschränkend sein.How 3 shows, the curved mirrors 210 are also passively aligned with the corresponding 2D MEMS mirrors 220. Proper alignment results in the center of the light beam aligned by the curved transmit mirror 210b being aligned with the center of the 2D transmit MEMS mirror 220b, and the center of the light beam aligned by the 2D MEMS receive mirror 220a being aligned with the center of the curved receive mirror 210a. An exemplary, non-limiting width d of the beam transmitted between the curved mirrors 210 and the 2D MEMS mirrors 220 is 2.3 millimeters (mm). Collimated light from the curved mirror 210b to the 2D MEMS mirror 220b is scattered out of the lidar system 110. Similarly, scattered reflected light directed from the 2D MEMS mirror 220a to the curved mirror 210a is collimated by the curved mirror 210a and provided to the photonic chip 230. As 3 , the 2D MEMS mirrors 220 are not parallel to the photonic chip 230. An exemplary angle A may be 12 degrees and an exemplary height h3 may be 5.2 mm. An exemplary height h1 may be 1 mm and h2 may be 4 mm. The dimensions provided are intended to be exemplary and in no way limiting.

4 ist ein Prozessablauf eines Verfahrens 400 zum Zusammenbauen eines Lidar-Systems 110 mit heterogen integrierten gekrümmten Spiegeln 210 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Bei Block 410 involviert das Entwerfen von zwei gekrümmten Spiegeln 210 das Berücksichtigen mehrerer Faktoren. Wie bereits erwähnt, ist der Mittenabstand c der gekrümmten Spiegel 210 so ausgelegt, dass er mit dem Abstand g zwischen dem Sendestrahlkoppler 250 und dem Empfangsstrahlkoppler 260 auf dem photonischen Chip 230 identisch ist. Zusätzlich ist die dreidimensionale Krümmung des im Sendepfad verwendeten gekrümmten Spiegels 210 für einen geeigneten Strahldurchmesser und eine Divergenz des Ausgangssignals 246 ausgelegt, und die dreidimensionale Krümmung des im Empfangspfad verwendeten gekrümmten Spiegels 210 ist für eine geeignete Fokussierung des empfangenen Signals 262 auf den Empfangsstrahlgitterkoppler 260 ausgelegt. Das Herstellen der gekrümmten Spiegel 210 unter Verwendung von dreidimensionaler Lithographie und Ätzen bei Block 420 stellt eine Präzision auf Nanometerebene für die Abmessungen und die Krümmung sicher. 4 is a process flow of a method 400 for assembling a lidar system 110 with heterogeneously integrated curved mirrors 210 according to one or more embodiments. At block 410, designing two curved mirrors 210 involves taking several factors into account. As previously mentioned, the center distance distance c of the curved mirrors 210 is designed to be identical to the distance g between the transmit beam coupler 250 and the receive beam coupler 260 on the photonic chip 230. Additionally, the three-dimensional curvature of the curved mirror 210 used in the transmit path is designed for appropriate beam diameter and divergence of the output signal 246, and the three-dimensional curvature of the curved mirror 210 used in the receive path is designed for appropriate focusing of the received signal 262 onto the receive beam grating coupler 260. Fabricating the curved mirrors 210 using three-dimensional lithography and etching at block 420 ensures nanometer-level precision for the dimensions and curvature.

Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform werden die lithographischen Techniken nur für die gekrümmten Hauptspiegel 210 verwendet. Gemäß dieser Ausführungsform wird in Block 430 das Prägen gekrümmter Spiegel 210 von dem Hauptspiegel für jedes nachfolgende Lidar-System 110 durchgeführt. Bei Block 440 beinhaltet das Durchführen einer heterogenen Integration der gekrümmten Spiegel 210 mit dem photonischen Chip 230 das Verwenden einer ausgerichteten Thermokompression (d. h. Metallverbindung) oder eine adhäsive Bindung. Die Ausrichtungsmarkierungen 201 auf dem photonischen Chip 230 und die Ausrichtungsmarkierungen 325 auf dem Substrat 320 werden verwendet, um eine geeignete passive Ausrichtung zu gewährleisten, ohne dass eine aktive Steuerung mit geschlossener Regelschleife erforderlich ist.According to an exemplary embodiment, the lithographic techniques are used only for the curved primary mirrors 210. According to this embodiment, in block 430, embossing of curved mirrors 210 from the primary mirror for each subsequent lidar system 110 is performed. At block 440, performing heterogeneous integration of the curved mirrors 210 with the photonic chip 230 includes using aligned thermocompression (i.e., metal bonding) or adhesive bonding. The alignment marks 201 on the photonic chip 230 and the alignment marks 325 on the substrate 320 are used to ensure proper passive alignment without the need for active closed-loop control.

Während die obige Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass unterschiedliche Änderungen vorgenommen und die einzelnen Teile durch entsprechende andere Teile ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Materialsituation an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, aber alle Ausführungsformen beinhaltet, die in deren Umfang fallen.While the above disclosure has been described with reference to exemplary embodiments, those skilled in the art will understand that various changes may be made and corresponding other parts may be substituted for the individual parts without departing from the scope of the disclosure. Moreover, many modifications may be made to adapt a particular material situation to the teachings of the disclosure without departing from the essential scope thereof. Therefore, it is intended that the present disclosure not be limited to the particular embodiments disclosed, but will include all embodiments falling within the scope thereof.

Claims (8)

Ein kohärentes Chip-Scale-Lidar-System (110), umfassend: einen photonischen Chip (230), der eine Lichtquelle (240), einen Sendestrahlkoppler (250), der zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (246) konfiguriert ist, und einen Empfangsstrahlkoppler (260) umfasst, der zum Empfangen eines empfangenen Signals (262) basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals (246) durch ein Ziel konfiguriert ist; eine Sendestrahlsteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um das Ausgangssignal (246) aus dem System zu übertragen; eine Empfangsstrahlsteuervorrichtung, die konfiguriert ist, um das empfangene Signal (262) in das System zu erhalten; einen gekrümmten Sendestrahlspiegel (210b), der konfiguriert ist, um das Ausgangssignal (246) von dem Sendestrahlkoppler (250) zu der Sendestrahlsteuervorrichtung zu reflektieren, und einen gekrümmten Empfangsstrahlspiegel (210a), der konfiguriert ist, um das empfangene Signal (262) von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung zu dem Empfangsstrahlkoppler (260) zu reflektieren, wobei der gekrümmte Sendestrahlspiegel (210b) und der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel (210a) in einem Substrat (320) ausgebildet sind, das heterogen mit dem photonischen Chip (230) integriert ist; wobei der photonische Chip (230) auf einem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet ist, wobei die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung auch auf dem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet sind, und die Sendestrahlsteuervorrichtung und die Empfangsstrahlsteuervorrichtung nicht parallel zum photonischen Chip (230) auf dem Verpackungssubstrat (330) ausgebildet sind.A coherent chip-scale lidar system (110) comprising: a photonic chip (230) comprising a light source (240), a transmit beam coupler (250) configured to provide an output signal (246), and a receive beam coupler (260) configured to receive a received signal (262) based on a reflection of the output signal (246) by a target; a transmit beam controller configured to transmit the output signal (246) out of the system; a receive beam controller configured to receive the received signal (262) into the system; a curved transmit beam mirror (210b) configured to reflect the output signal (246) from the transmit beam coupler (250) to the transmit beam controller, and a curved receive beam mirror (210a) configured to reflect the received signal (262) from the receive beam controller to the receive beam coupler (260), wherein the curved transmit beam mirror (210b) and the curved receive beam mirror (210a) are formed in a substrate (320) heterogeneously integrated with the photonic chip (230); wherein the photonic chip (230) is formed on a packaging substrate (330), wherein the transmit beam control device and the receive beam control device are also formed on the packaging substrate (330), and the transmit beam control device and the receive beam control device are not formed parallel to the photonic chip (230) on the packaging substrate (330). Lidar-System (110) nach Anspruch 1, worin der photonische Chip (230) Ausrichtungsmarkierungen beinhaltet, um die passive Ausrichtung des photonischen Chips (230) mit dem Substrat (320) zu erleichtern, das den gekrümmten Sendestrahlspiegel (210b) und den gekrümmten Empfangsstrahlspiegel (210a) umfasst.Lidar system (110) to Claim 1 wherein the photonic chip (230) includes alignment marks to facilitate passive alignment of the photonic chip (230) with the substrate (320) comprising the curved transmit beam mirror (210b) and the curved receive beam mirror (210a). Lidar-System (110) nach Anspruch 1, wobei ein Mittenabstand zwischen dem gekrümmten Sendestrahlspiegel (210b) und dem gekrümmten Empfangsstrahlspiegel (210a) derselbe ist wie ein Abstand zwischen dem Sendestrahlkoppler (250) und dem Empfangsstrahlkoppler (260) auf dem photonischen Chip (230), der gekrümmte Sendestrahlspiegel (210b) wird unter Verwendung lithographischer Techniken mit einer Krümmung gebildet, die konfiguriert ist, um das Ausgangssignal (246) von dem Sendestrahlkoppler (250) zu kollimieren, der gekrümmte Empfangsstrahlspiegel (210a) wird unter Verwendung lithographischer Techniken mit einer Krümmung gebildet, die konfiguriert ist, um das empfangene Signal (262) von der Empfangsstrahlsteuervorrichtung auf den photonische Chip-Koppler zu fokussieren, ein zweiter gekrümmter Sendestrahlspiegel wird basierend auf einer aus dem gekrümmten Sendestrahlspiegel (210b) gebildeten Form geprägt, und ein zweiter gekrümmter Empfangsstrahlspiegel wird basierend auf einer aus dem gekrümmten Empfangsstrahlspiegel (210a) gebildeten Form geprägt.Lidar system (110) to Claim 1 , wherein a center distance between the curved transmit beam mirror (210b) and the curved receive beam mirror (210a) is the same as a distance between the transmit beam coupler (250) and the receive beam coupler (260) on the photonic chip (230), the curved transmit beam mirror (210b) is formed using lithographic techniques with a curvature configured to collimate the output signal (246) from the transmit beam coupler (250), the curved receive beam mirror (210a) is formed using lithographic techniques with a curvature configured to focus the received signal (262) from the receive beam steering device onto the photonic chip coupler, a second curved transmit beam mirror is embossed based on a shape formed from the curved transmit beam mirror (210b), and a second curved Receiving beam mirror is embossed based on a shape formed from the curved receiving beam mirror (210a). Lidar-System (110) nach Anspruch 1, worin sich das Lidar-System (110) innerhalb oder an einem Fahrzeug befindet und konfiguriert ist, um eine Position und eine Geschwindigkeit eines Objekts relativ zu dem Fahrzeug zu erfassen.Lidar system (110) to Claim 1 wherein the lidar system (110) is located within or on a vehicle and is configured to detect a position and a velocity of an object relative to the vehicle. Verfahren zum Zusammensetzen eines kohärenten Lidar-Systems (110), umfassend: Bilden eines gekrümmten Sendespiegels (210b) und eines gekrümmten Empfangsspiegels (210a) nebeneinander in einem Substrat (320) als eine gekrümmte Spiegelstruktur; Bilden eines photonischen Chips (230) auf einem Verpackungssubstrat (330), wobei der photonische Chip (230) eine Lichtquelle (240), einen zum Bereitstellen eines Ausgangssignals (246) konfigurierten Sendestrahlkoppler (250), und einen Empfangsstrahlkoppler (260) zum Empfangen eines empfangenen Signals (262) basierend auf einer Reflexion des Ausgangssignals (246) durch ein Ziel beinhaltet; Heterogenes Integrieren der gekrümmten Spiegelstruktur mit dem photonischen Chip (230); und Anordnen einer Sendestrahlsteuervorrichtung und einer Empfangsstrahlsteuervorrichtung nebeneinander auf dem Verpackungssubstrat (330).A method of assembling a coherent lidar system (110), comprising: forming a curved transmit mirror (210b) and a curved receive mirror (210a) side by side in a substrate (320) as a curved mirror structure; forming a photonic chip (230) on a packaging substrate (330), the photonic chip (230) including a light source (240), a transmit beam coupler (250) configured to provide an output signal (246), and a receive beam coupler (260) for receiving a received signal (262) based on a reflection of the output signal (246) by a target; heterogeneously integrating the curved mirror structure with the photonic chip (230); and arranging a transmit beam control device and a receive beam control device side by side on the packaging substrate (330). Verfahren nach Anspruch 5, worin das Anordnen der Sendestrahlsteuervorrichtung und der Empfangsstrahlsteuervorrichtung das Trennen der Sendestrahlsteuervorrichtung und der Empfangsstrahlsteuervorrichtung um einen gleichen Abstand wie einen Mittenabstand zwischen dem gekrümmten Sendespiegel (210b) und dem gekrümmten Empfangsspiegel (210a) beinhaltet, und die Anordnung der Sendestrahlsteuervorrichtung und Empfangsstrahlsteuervorrichtung auf einer nicht parallelen Ebene mit dem photonischen Chip (230).Procedure according to Claim 5 wherein arranging the transmit beam control device and the receive beam control device includes separating the transmit beam control device and the receive beam control device by an equal distance as a center distance between the curved transmit mirror (210b) and the curved receive mirror (210a), and arranging the transmit beam control device and receive beam control device on a non-parallel plane with the photonic chip (230). Verfahren nach Anspruch 5, worin das heterogene Integrieren der gekrümmten Spiegelstruktur mit dem photonischen Chip (230) das Verwenden von Ausrichtungsmarkierungen auf dem photonischen Chip (230) beinhaltet, um die gekrümmte Spiegelstruktur passiv mit dem photonischen Chip (230) auszurichten.Procedure according to Claim 5 wherein heterogeneously integrating the curved mirror structure with the photonic chip (230) includes using alignment marks on the photonic chip (230) to passively align the curved mirror structure with the photonic chip (230). Verfahren nach Anspruch 5, worin das Ausbilden des gekrümmten Sendespiegels (210b) und des gekrümmten Empfangsspiegels (210a) das Verwenden von Photolithographie und Ätzen beinhaltet, und das Verfahren ebenfalls das Ausbilden eines zweiten gekrümmten Sendespiegels und eines zweiten gekrümmten Empfangsspiegels, das Prägen des zweiten gekrümmten Sendespiegels und des zweiten gekrümmten Empfangsspiegels unter Verwendung von Formen, die jeweils aus dem gekrümmten Sendespiegel (210b) und dem gekrümmten Empfangsspiegel (210a) gebildet sind, beinhaltet.Procedure according to Claim 5 wherein forming the curved transmit mirror (210b) and the curved receive mirror (210a) includes using photolithography and etching, and the method also includes forming a second curved transmit mirror and a second curved receive mirror, embossing the second curved transmit mirror and the second curved receive mirror using molds formed from the curved transmit mirror (210b) and the curved receive mirror (210a), respectively.
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