DE102019124553A1

DE102019124553A1 - Chip-skaliertes lidar mit verbesserter reichweite

Info

Publication number: DE102019124553A1
Application number: DE102019124553.2A
Authority: DE
Inventors: Keyvan Sayyah; Oleg Efimov; Biqin HUANG; Raymond SARKISSIAN; James H. Schaffner; David Hammon; Richard Kremer; Timothy J. Talty; Michael Mulqueen; Pamela R. Patterson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Ein Fahrzeug, ein Lidarsystem und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts ist offenbart. Das Lidarsystem beinhaltet einen photonischen Chip und einen in den photonischen Chip integrierten Laser. Der Laser hat eine vordere Facette, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um einen übertragenen Lichtstrahl in den freien Raum zu richten. Ein reflektierter Lichtstrahl, der eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls ist, wird am photonischen Chip empfangen und ein Parameter des Objekts wird aus einem Vergleich des übertragenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls bestimmt. Ein Navigationssystem betreibt das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt basierend auf einem Parameter des Objekts.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. September 2018 eingereichten U.S. Provisional Application Serial No. 62/731,427 , deren Inhalt durch Verweis hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Erfassen eines Objekts, insbesondere auf ein Lidarsystem und dessen Verwendung zum Erfassen eines Objekts.
Ein Lidarsystem für ein Fahrzeug kann einen photonischen Chip mit einem Laser verwenden. Das Laserlicht wird vom photonischen Chip übertragen und von einem Objekt reflektiert. Unterschiede zwischen dem übertragenen Licht und dem reflektierten Licht werden genutzt, um verschiedene Parameter des Objekts zu bestimmen, wie z.B. Reichweite, Azimut, Höhe und Geschwindigkeit. In einigen photonischen Chips durchläuft das Licht von dem Laser einen internen Wellenleiter und einen Kantenkoppler, bevor es den photonischen Chip verlässt. Leistungsverluste am internen Wellenleiter und Kantenkoppler beeinflussen den erfassbaren Bereich des Lidarsystems. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Lidarsystem bereitzustellen, das einen Lichtstrahl ohne wesentliche Leistungsverluste erzeugt.
BESCHREIBUNG
In einer exemplarischen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen eines übertragenen Lichtstrahls an einem photonischen Chip über einen Laser an dem photonischen Chip, wobei der Laser eine vordere Seite aufweist, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um den übertragenen Lichtstrahl in einen freien Raum und in einen Bereich zu lenken, der das Objekt beinhaltet, das Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls, der eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls ist, an dem photonischen Chip und das Bestimmen eines Parameters des Objekts aus einem Vergleich des übertragenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren ferner das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls bei einer zweiten Öffnung des photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Richten des übertragenen Lichtstrahls in eine ausgewählte Richtung über einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner und das Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls aus der ausgewählten Richtung über den MEMS-Scanner. Das Verfahren beinhaltet ferner das Richten des übertragenen Lichtstrahls von der ersten Öffnung zum MEMS-Scanner über einen Freiraum-Zirkulator und das Richten des reflektierten Lichtstrahls vom MEMS-Scanner zur zweiten Öffnung über den Freiraum-Zirkulator. Das Verfahren beinhaltet ferner das Empfangen einer Leckageenergie vom Laser als ein lokaler Oszillatorstrahl im photonischen Chip. Der reflektierte Lichtstrahl und der lokale Oszillatorstrahl interferieren miteinander innerhalb des photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Navigieren eines Fahrzeugs in Bezug auf das Objekt basierend auf dem Parameter des Objekts.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Lidarsystem offenbart. Das Lidarsystem beinhaltet einen photonischen Chip und einen in den photonischen Chip integrierten Laser. Der Laser hat eine vordere Facette, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um einen übertragenen Lichtstrahl in den freien Raum zu richten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der photonische Chip weiterhin eine zweite Öffnung zum Empfangen eines reflektierten Strahls, der eine Reflexion des übertragenen Strahls von einem Objekt im freien Raum ist. Das Lidarsystem beinhaltet ferner einen Prozessor, der konfiguriert ist, um einen Parameter des Objekts aus einem Vergleich des übertragenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls zu bestimmen. Das Lidarsystem beinhaltet ferner ein Navigationssystem zum Betreiben eines Fahrzeugs basierend auf dem Parameter des Objekts. Das Lidarsystem beinhaltet weiterhin einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner, um den übertragenen Lichtstrahl in eine ausgewählte Richtung zu lenken und einen reflektierten Lichtstrahl aus der ausgewählten Richtung zu empfangen. Das Lidarsystem beinhaltet ferner einen Freiraum-Zirkulator, der konfiguriert ist, um den übertragenen Lichtstrahl von der ersten Öffnung zu einem Spiegel des MEMS-Scanners zu leiten und den reflektierten Lichtstrahl vom Spiegel des MEMS-Scanners zur zweiten Öffnung zu leiten. Eine Leckageenergie aus dem Laser wird als lokaler Oszillatorstrahl im photonischen Chip bereitgestellt.
In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Fahrzeug offenbart. Das Fahrzeug beinhaltet ein Lidarsystem zum Bestimmen eines Parameters eines Objekts und ein Navigationssystem. Das Lidarsystem beinhaltet einen photonischen Chip und einen in den photonischen Chip integrierten Laser. Der Laser hat eine vordere Facette, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um einen übertragenen Lichtstrahl in einen freien Raum mit dem Objekt zu leiten. Das Navigationssystem ist konfiguriert, um das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt basierend auf einem Parameter des Objekts zu betreiben, der aus dem übertragenen Lichtstrahl bestimmt wird.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet der photonische Chip weiterhin eine zweite Öffnung zum Empfangen eines reflektierten Strahls, der eine Reflexion des übertragenen Strahls von einem Objekt im freien Raum ist. Ein Prozessor bestimmt den Parameter des Objekts aus einem Vergleich zwischen dem übertragenen Lichtstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl. Das Lidarsystem beinhaltet ferner einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner, um den übertragenen Lichtstrahl in eine ausgewählte Richtung zu lenken und einen reflektierten Lichtstrahl aus der ausgewählten Richtung zu empfangen. Ein Freiraum-Zirkulator lenkt den übertragenen Lichtstrahl von der ersten Öffnung zu einem Spiegel des MEMS-Scanners und lenkt den reflektierten Lichtstrahl vom Spiegel des MEMS-Scanners zur zweiten Öffnung. Eine Leckageenergie aus dem Laser wird als lokaler Oszillatorstrahl im photonischen Chip bereitgestellt.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich exemplarisch in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die sich auf die Zeichnungen bezieht:

1 zeigt eine Draufsicht auf ein Fahrzeug, das für den Einsatz mit einem Lidarsystem geeignet ist;
2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines exemplarischen Lidarsystems, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug aus 1 geeignet ist;
3 zeigt eine Seitenansicht des Lidarsystems von 2;
4 zeigt einen alternativen photonischen Chip, der mit dem Lidarsystem anstelle des photonischen Chips von 2 verwendet werden kann;
5 zeigt einen weiteren alternativen photonischen Chip, der anstelle des photonischen Chips von 2 verwendet werden kann;
6 zeigt eine verjüngte Laserdiode mit verteilter Bragg-Reflexion (tapered Distributed Bragg Reflection (DBR) Laserdiode);
7 zeigt Details eines Master-Oszillator-Leistungsverstärkers (Master Oscillator Power Amplifier (MOPA)) in einer Ausführungsform;
8 zeigt einen optischen Frequenzverschieber mit einem integrierten Dual I&Q Mach-Zehnder Modulator (MZM);
9 zeigt einen optischen Frequenzverschieber in einer alternativen Ausführungsform;
10 zeigt eine alternative Konfiguration einer Freiraumoptik und einen MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidarsystem von 2; und
11 zeigt eine alternative Konfiguration einer Freiraumoptik und einen MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidarsystem von 2.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es sei verstanden, dass in den Zeichnungen entsprechende Referenznummern gleichartige oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zeigt 1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 100, das für die Verwendung mit einem Lidarsystem 200 aus 2 geeignet ist. Das Lidarsystem 200 erzeugt einen übertragenen Lichtstrahl 102, der auf ein Objekt 110 gerichtet ist. Das Objekt 110 kann jedes beliebige Objekt außerhalb des Fahrzeugs 100 sein, wie z.B. ein anderes Fahrzeug, ein Fußgänger, ein Telefonmast, etc. Der reflektierte Lichtstrahl 104, der durch die Wechselwirkung zwischen dem Objekt 110 und dem übertragenen Lichtstrahl 102 entsteht, wird am Lidarsystem 200 zurück empfangen. Ein Prozessor 106 steuert verschiedene Operationen des Lidarsystems 200, wie z.B. das Steuern einer Lichtquelle des Lidarsystems 200, etc. Der Prozessor 106 empfängt ferner Daten vom Lidarsystem 200 bezüglich der Unterschiede zwischen dem übertragenen Lichtstrahl 102 und dem reflektierten Lichtstrahl 104 und bestimmt aus diesen Daten verschiedene Parameter des Objekts 110. Die verschiedenen Parameter können eine Entfernung oder Reichweite des Objekts 110, Azimutposition, Höhe, Doppler (Geschwindigkeit) des Objekts usw. beinhalten. Das Fahrzeug 100 kann ferner ein Navigationssystem 108 beinhalten, das diese Parameter verwendet, um das Fahrzeug 100 in Bezug auf das Objekt 110 zu navigieren, um damit den Kontakt mit dem Objekt 110 zu vermeiden. Obwohl in Bezug auf das Fahrzeug 100 besprochen, kann das Lidarsystem 200 mit anderen Geräten in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, einschließlich Fahrwerksregelungssysteme und Vorwärts- oder Vorkonditionierung eines Fahrzeugs für raue Straßen.
2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines exemplarischen Lidarsystems 200, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug von 1 geeignet ist. Das Lidarsystem 200 beinhaltet eine Integrationsplattform 240, die eine Siliziumplattform sein kann, und verschiedene befestigte Komponenten. Auf der Integrationsplattform 240 sind ein photonischer Chip 202, eine Freiraumoptik 204 und ein mikroelektromechanischer (MEMS) Scanner 206 angeordnet.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 202 Teil eines scannenden Dauerstrichradarwellen-Lidars (Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar). Der photonische Chip 202 kann ein photonischer Chip aus Silizium in verschiedenen Ausführungsformen sein. Der photonische Chip 202 kann eine Lichtquelle, einen Wellenleiter und mindestens einen Photodetektor beinhalten. In einer Ausführungsform beinhaltet der photonische Chip 202 eine Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, einen ersten Wellenleiter 212 (hierin auch als lokaler Oszillatorwellenleiter bezeichnet), einen zweiten Wellenleiter 214 (hierin auch als Rückkehrsignalwellenleiter bezeichnet) und einen Satz von Photodetektoren 216a und 216b. Der photonische Chip 202 beinhaltet weiterhin einen oder mehrere Kantenkoppler 218, 220 zum Steuern der Lichteinkopplung in zugehörige Wellenleiter. Die Kantenkoppler können Punktgrößenwandler, Gitter oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Übergang von Licht zwischen Freiraumausbreitung und Ausbreitung in einem Wellenleiter sein. An einer ausgewählten Stelle nähern sich der erste Wellenleiter 212 und der zweite Wellenleiter 214 einander an, um einen Mehrmodeninterferenz (Multimode Interferenz (MMI)) -Koppler 226 zu bilden.
Der Laser 210 ist ein integrierter Bestandteil des photonischen Chips 202. Der Laser 210 kann jeder Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert werden kann und Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge erzeugen kann, wie beispielsweise einer Wellenlänge, die für das menschliche Auge als sicher gilt (z.B. 1550 Nanometer (nm)). Der Laser 210 beinhaltet eine vordere Facette 210a und eine hintere Facette 210b. Ein Großteil der Energie des Lasers 210 wird über die vordere Facette 210a und eine erste Öffnung 222 (Transmissionsöffnung) des photonischen Chips 202 in den freien Raum übertragen. Ein relativ kleiner Prozentsatz der Energie aus dem Laser, auch Leckageenergie genannt, verlässt den Laser 210 über die hintere Facette 210b und wird in den ersten Wellenleiter 212 gerichtet.
Die als lokaler Oszillatorstrahl verwendete Leckageenergie kann variieren und somit die Messungen in Bezug auf den Parameter des Objekts 110 beeinflussen. Um die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls zu steuern, kann ein variabler Dämpfer im optischen Pfad des lokalen Oszillatorwellenleiters verwendet werden. Wenn die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls eine ausgewählte Leistungsschwelle überschreitet, kann der Dämpfer aktiviert werden, um die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls zu begrenzen. Alternativ kann am Laser 210 eine Steuerspannung verwendet werden, um die Verstärkung des Lasers 210 an der hinteren Facette 210b des Lasers zu steuern. Die Steuerspannung kann verwendet werden, um die Strahlung oder Leckageenergie an der hinteren Facette 210b entweder zu erhöhen oder zu verringern.
Der erste Wellenleiter 212 stellt einen optischen Pfad zwischen der hinteren Facette 210b des Lasers 210b und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Ein Ende des ersten Wellenleiters 212 ist über den ersten Kantenkoppler 218 mit der hinteren Facette 210b des Lasers 210b gekoppelt. Die Leckageenergie aus der hinteren Facette 210b wird über den ersten Kantenkoppler 218 in den ersten Wellenleiter 212 gerichtet.
Der zweite Wellenleiter 214 stellt einen optischen Pfad zwischen einer zweiten Öffnung 224, auch Empfängeröffnung genannt, des photonischen Chips 202 und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Der zweite Kantenkoppler 220 an der zweiten Öffnung 224 fokussiert den einfallenden reflektierten Lichtstrahl 104 in den zweiten Wellenleiter 214.
Der erste Wellenleiter 212 und der zweite Wellenleiter 214 bilden einen Mehrmodeninterferenz (Multimode Interferenz (MMI)) -Koppler 226 an einer Stelle zwischen ihren jeweiligen Öffnungen (222, 224) und den Photodetektoren (216a, 216b). Licht im ersten Wellenleiter 212 und Licht im zweiten Wellenleiter 214 interferieren miteinander am MMI-Koppler 226 und die Ergebnisse der Interferenz werden an den Photodetektoren 216a und 216b erfasst. Messungen an den Photodetektoren 216a und 216b werden dem Prozessor 106, 1 zur Verfügung gestellt, der verschiedene Eigenschaften des reflektierten Lichtstrahls 104 und damit verschiedene Parameter des Objekts 110 bestimmt, 1. Die Photodetektoren 216a und 216b wandeln das Lichtsignal (d.h. Photonen) in ein elektrisches Signal (d.h. Elektronen) um. Das elektrische Signal erfordert im Allgemeinen eine zusätzliche Signalverarbeitung wie Verstärkung, Umwandlung von einem elektrischen Stromsignal in ein elektrisches Spannungssignal und Umwandlung von einem analogen Signal in ein diskretes digitales Signal, bevor es dem Prozessor 106 bereitgestellt wird.
Die Freiraumoptik 204 beinhaltet eine Kollimationslinse 228, eine Fokussierlinse 230, einen optischen Zirkulator 232 und einen Drehspiegel 234. Die Kollimationslinse 228 ändert die Krümmung des übertragenen Lichtstrahls 102 von einem divergierenden Strahl (beim Verlassen der vorderen Facette 210a des Lasers 210b in einen kollimierten oder parallelen Lichtstrahl). Der optische Zirkulator 232 steuert eine Richtung des übertragenen Lichtstrahls 102 und des reflektierten Lichtstrahls 104. Der optische Zirkulator 232 richtet den übertragenen Lichtstrahl 102 ohne Winkelabweichung nach vorne und richtet den einfallenden oder reflektierten Lichtstrahl 104 um einen gewählten Winkel. In verschiedenen Ausführungsformen ist der gewählte Winkel ein 90-Grad-Winkel, aber es kann jeder geeignete Winkel erreicht werden. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am Umlenkspiegel 234 auf die Fokussierlinse 230 gerichtet. Die Fokussierlinse 230 verändert den Verlauf des reflektierten Lichtstrahls 104 von einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahl in einen konvergierenden Lichtstrahl. Die Fokussierlinse 230 ist in einem Abstand von der zweiten Öffnung 224 angeordnet, der die Konzentration des reflektierten Lichtstrahls 104 auf die zweite Kantenkupplung 220 an der zweiten Öffnung 224 ermöglicht.
Der MEMS-Scanner 206 beinhaltet einen Spiegel 236 zum Scannen des übertragenen Lichtstrahls 102 über eine Vielzahl von Winkeln. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Spiegel 236 um zwei Achsen drehen und so den übertragenen Lichtstrahl 102 über einen ausgewählten Bereich scannen. In verschiedenen Ausführungsformen beinhalten die Spiegelachsen eine schnelle Achse mit einem Scanwinkel von etwa 50 Grad und eine quasistatische langsame Achse mit einem Scanwinkel von etwa 20 Grad. Der MEMS-Scanner 206 kann den übertragenen Lichtstrahl in eine ausgewählte Richtung richten und empfängt einen reflektierten Lichtstrahl 104 aus der ausgewählten Richtung.
3 zeigt eine Seitenansicht des Lidarsystems 200 aus 2. Die Integrationsplattform 240 beinhaltet den photonischen Chip 202, der auf einer Oberfläche der Integrationsplattform 240 angeordnet ist. Die Integrationsplattform 240 beinhaltet eine Tasche 242, in der ein optischer Unterbau 244 angeordnet werden kann. Die Freiraumoptik 204 und der MEMS-Scanner 206 können auf dem optischen Unterbau 244 montiert werden und der optische Unterbau kann in der Tasche 242 ausgerichtet werden, um die Kollimationslinse 228 mit der ersten Öffnung 222 des photonischen Chips 202 auszurichten und die Fokussierlinse 230 mit der zweiten Öffnung 224 des photonischen Chips auszurichten. Der optische Unterbau 244 kann aus einem Material hergestellt werden, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Integrationsplattform 240 entspricht oder im Wesentlichen entspricht, um die Ausrichtung zwischen der Freiraumoptik 204 und dem photonischen Chip 202 aufrechtzuerhalten. Die Integrationsplattform 240 kann mit einer Leiterplatte 246 gekoppelt sein. Die Leiterplatte 246 beinhaltet verschiedene Elektronik für den Betrieb der Komponenten des Lidarsystems 200, einschließlich der Steuerung des Betriebs des Lasers 210, 2 des photonischen Chips 202, der Steuerung von Schwingungen des Spiegels 236, des Empfangs von Signalen der Photodetektoren 216a und 216b und der Verarbeitung der Signale, um verschiedene Eigenschaften des reflektierten Lichtstrahls 104 zu bestimmen und damit verschiedene Parameter des Objekts 110, 1, die dem reflektierten Lichtstrahl zugeordnet sind, zu bestimmen.
Die Verwendung eines optischen Unterbaus 244 ist eine mögliche Implementierung für eine Ausführungsform der Integrationsplattform 240. In einer weiteren Ausführungsform wird ein optischer Unterbau 244 nicht verwendet und die Freiraumoptik 204 und der MEMS-Spiegel 236 sind direkt auf der Integrationsplattform 240 angeordnet.
4 zeigt einen alternativen photonischen Chip 400, der mit dem Lidarsystem 200 anstelle des photonischen Chips 202 von 2 verwendet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 400 Teil eines scannenden Dauerstrichradarwellen-Lidars (Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar) und kann ein photonischer Chip aus Silizium sein. Der photonische Chip 400 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, der ein integrierter Bestandteil des photonischen Chips 400 ist. Der Laser 210 kann jeder Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der Laser 210 Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge, wie beispielsweise einer für das menschliche Auge sicheren Wellenlänge (z.B. 1550 Nanometer (nm)). Der Laser beinhaltet eine vordere Facette 210a, aus der ein Großteil der Laserenergie aus dem Laser 210 austritt, und eine hintere Facette 210b, aus der eine Leckageenergie austritt. Die Energie, die aus der hinteren Facette 210b austritt, kann mit einem Photodetektor (nicht dargestellt) gekoppelt sein, um die Leistung des Lasers 210 zu überwachen. Die vordere Facette 210a des Lasers 210 ist über einen Laser-Kantenkoppler 406, der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderwellenleiter 404 gekoppelt. Der Senderwellenleiter 404 richtet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210a aus dem photonischen Chip 400 über einen Sendekantenkoppler 420 als übertragener Lichtstrahl 102.
Ein lokaler Oszillator (LO)-Wellenleiter 408 ist optisch mit dem Senderwellenleiter 404 über einen Richtkoppler/Splitter oder einen Mehrmoden-Interferenz-Koppler/Splitter (Multimode-Interferenz (MMI)) -Koppler/Splitter 410 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und dem Sendekantenkoppler 420 befindet. Der Richt- oder MMI-Koppler/Splitter 410 teilt das Licht des Lasers 210 in den sich im Senderwellenleiter 404 weiter ausbreitenden übertragenen Lichtstrahl 102 und einen sich im lokalen Oszillatorwellenleiter 408 ausbreitenden lokalen Oszillatorstrahl. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teilungsverhältnis von 90% für den übertragenen Lichtstrahl 102 und 10% für den lokalen Oszillatorstrahl betragen. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im lokalen Oszillatorwellenleiter 408 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfers im LO-Wellenleiter 408 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Der lokale Oszillatorstrahl ist auf die dualsymmetrischen Photodetektoren 216a, 216b gerichtet, die Strahlmessungen durchführen und die Lichtsignale in elektrische Signale zur Verarbeitung umwandeln.
Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt über den Empfängerwellenleiter 414 über einen Empfänger-Kantenkoppler 422 in den photonischen Chip 400 ein. Der Empfängerwellenleiter 414 richtet den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Empfänger-Kantenkoppler 422 auf den dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b. Der Empfängerwellenleiter 414 ist optisch mit dem lokalen Oszillatorwellenleiter 408 an einem Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 412 gekoppelt, der sich zwischen dem Empfänger-Kantenkoppler 422 und den Photodetektoren 216a, 216b befindet. Der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 interagieren miteinander am Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 412, bevor sie am dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Senderwellenleiter 404, der lokale Oszillatorwellenleiter 408 und der Empfängerwellenleiter 414 optische Fasern.
5 zeigt einen weiteren alternativen photonischen Chip 500, der anstelle des photonischen Chips 202 aus 2 verwendet werden kann. Der alternative photonische Chip 500 hat ein Design, bei dem der Laser 210 nicht auf dem photonischen Chip 500 integriert ist. Der photonische Chip 500 beinhaltet einen ersten Wellenleiter 502 zur Ausbreitung eines lokalen Oszillatorstrahls innerhalb des photonischen Chips 500 und einen zweiten Wellenleiter 504 zur Ausbreitung eines reflektierten Lichtstrahls 104 innerhalb des photonischen Chips 500. Ein Ende des ersten Wellenleiters 502 ist mit einem ersten Kantenkoppler 506 gekoppelt, der sich an einer ersten Öffnung 508 des photonischen Chips 500 befindet, und der erste Wellenleiter 502 richtet das Signal zu den Photodetektoren 216a und 216b. Ein Ende des zweiten Wellenleiters 504 ist mit einem zweiten Kantenkoppler 510 gekoppelt, der sich an einer zweiten Öffnung 512 befindet, und der zweite Wellenleiter 504 richtet das Signal zu den Photodetektoren 216a, 216b. Der erste Wellenleiter 502 und der zweite Wellenleiter 504 nähern sich einander an einer Stelle zwischen ihren jeweiligen Kantenkopplern 506, 510 und den Photodetektoren 216a, 216b, um einen MMI-Koppler 514 zu bilden, in dem der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 gegenseitig interferieren.
Der Laser 210 ist außerhalb des Chips (d.h. nicht in den photonischen Chip 500 integriert) und ist mit seiner hinteren Facette 210b auf den ersten Kantenkoppler 506 ausgerichtet. Der Laser 210 kann jeder Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der Laser 210 Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge, wie beispielsweise einer für das menschliche Auge sicheren Wellenlänge (z.B. 1550 Nanometer (nm)). Eine Fokussierlinse 520 ist zwischen der hinteren Facette 210b und der ersten Öffnung 508 angeordnet und fokussiert den Leckagestrahl von der hinteren Facette 210b auf den ersten Kantenkoppler 506, so dass der Leckagestrahl in den ersten Wellenleiter 502 als lokaler Oszillatorstrahl eintritt. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im ersten Wellenleiter 502 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfers im ersten Wellenleiter 502 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Licht, das über die vordere Facette 210a aus dem Laser 210 austritt, wird als übertragener Lichtstrahl 102 verwendet und über ein Sichtfeld des Freiraums gerichtet, um von einem Objekt 110, 1 innerhalb des Sichtfeldes reflektiert zu werden. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am zweiten Kantenkoppler 510 über eine geeignete Freiraumoptik empfangen (nicht dargestellt).
6 zeigt eine verjüngte Laserdiode mit verteilter Bragg-Reflexion (tapered Distributed Bragg Reflection (DBR) Laserdiode) 600. Die DBR Laserdiode 600 kann als Laser 210 für die photonischen Chips 202, 400 und 500 des Lidarsystems 200 verwendet werden. Die DBR Laserdiode 600 beinhaltet einen hochreflektierenden DBR-Rückspiegel 602 an einer hinteren Facette 610b der DBR Laserdiode, einen weniger reflektierenden Frontspiegel 606 an einer vorderen Facette 610a der DBR Laserdiode und einen verjüngten Verstärkungsabschnitt 604 zwischen dem DBR-Rückspiegel 602 und dem Frontspiegel 606. Der DBR-Rückspiegel 602 beinhaltet abwechselnd Bereiche von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Strom oder Energie kann am verjüngtem Verstärkungsabschnitt 604 angelegt werden, um Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge zu erzeugen.
7 zeigt Details eines Master-Oszillator-Leistungsverstärkers (Master Oscillator Power Amplifier (MOPA)) 700 in einer Ausführungsform. Der MOPA 700 kann als Laser 210 für die photonischen Chips 202, 400 und 500 des Lidarsystems 200 verwendet werden.
Der MOPA 700 beinhaltet einen hochreflektierenden DBR-Rückspiegel 702 an einer hinteren Facette 710b und einen weniger reflektierenden DBR-Frontspiegel 708 an der vorderen Facette 710a. Zwischen dem Rückspiegel 702 und dem Frontspiegel 708 befinden sich ein Phasenabschnitt 704 und ein Verstärkungsabschnitt 706. Der Phasenabschnitt 704 stellt die Modi des Lasers ein und der Verstärkungsabschnitt 706 beinhaltet ein Verstärkungsmedium zur Erzeugung von Licht bei einer ausgewählten Wellenlänge. Das aus dem Frontspiegel 708 austretende Licht durchläuft einen Verstärkungsabschnitt 710, der die Lichtintensität erhöht.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Laser eine Ausgangsleistung der vorderen Facette von 300 MilliWatt (mW) und eine Ausgangsleistung der hinteren Facette von etwa 3 mW auf, wobei eine Linienbreite von weniger als etwa 100 Kilohertz (kHz) eingehalten wird. Der MOPA 700 hat zwar ein komplizierteres Design als die DBR-Laserdiode 600, ist aber oft zuverlässiger bei der Erzeugung der erforderlichen optischen Leistung an der vorderen Facette, während der Einzelfrequenzbetrieb und der Einzelraummodusbetrieb erhalten bleiben.
8 zeigt einen optischen Frequenzverschieber 800 mit einem integrierten Dual I&Q Mach-Zehnder Modulator (MZM) 804. Der optische Frequenzverschieber 800 kann verwendet werden, um eine Frequenz oder Wellenlänge eines lokalen Oszillatorstrahls zu ändern, um Mehrdeutigkeiten bei Messungen des reflektierten Lichtstrahls 104 zu reduzieren. Der optische Frequenzverschieber 800 beinhaltet einen Eingangswellenleiter 802, der dem MZM 804 Licht mit einer ersten Wellenlänge/Frequenz, im Folgenden auch als Diodenwellenlänge/Frequenz (λ_D/λ_D ) bezeichnet, liefert. Der optische Frequenzverschieber 800 beinhaltet weiterhin einen Ausgangswellenleiter 806, der Licht bei verschobener Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m) vom MZM 804 empfängt. λ_m und f_m sind die Wellenlängenverschiebung bzw. die Frequenzverschiebung, die dem Licht durch das MZM 804 vermittelt wird.
Beim MZM 804 wird das Licht vom Eingangswellenleiter 802 in mehrere Zweige aufgeteilt. In verschiedenen Ausführungsformen gibt es vier Zweige zum MZM 804. Jeder Zweig beinhaltet einen optischen Pfadverschieber 808, mit dem die Länge des optischen Pfades vergrößert oder verkleinert und damit die Phasenverzögerung entlang des ausgewählten Zweigs geändert werden kann. Ein ausgewählter optischer Pfadschieber 808 kann ein Heizelement sein, das den Abzweig erwärmt, um die Länge des Abzweigs aufgrund von thermischer Ausdehnung oder Kontraktion zu vergrößern oder zu verkleinern. Es kann eine Spannung angelegt werden, um den optischen Pfadverschieber 808 und damit die Zunahme der Abnahme der Länge des optischen Pfades zu steuern. Somit kann ein Bediener oder Prozessor den Wert der Änderung in der Wellenlänge/Frequenz (λ_m/f_m ) und damit die verschobene Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m) im Ausgangswellenleiter 806 steuern.
9 zeigt einen optischen Frequenzverschieber 900 in einer alternativen Ausführungsform. Der optische Frequenzverschieber 900 beinhaltet einen einzelnen Mach-Zehnder Modulator (MZM) 904 und einen High-Q-Ringresonator-Optikfilter (High-Q Ring Resonator Optical Filter) 908. Das einzelne MZM 904 weist zwei Zweige von Wellenleitern auf, die jeweils einen optischen Pfadverschieber 910 aufweisen. Ein Eingangswellenleiter 902 richtet Licht mit einer Betriebswellenlänge/Frequenz in das einzelne MZM 904 (λ_D/f_D ), wobei das Licht auf die Zweige des einzelnen MZM 904 verteilt wird. Die optischen Pfadverschieber 910 werden aktiviert, um dem Licht eine Änderung der Frequenz/Wellenlänge (λ_m/f_m ) zu verleihen. Das Licht des MZM 904 durchläuft den optischen Filter 908 über den Ausgangswellenleiter 906, um die vom einzelnen MZM 904 erzeugten Oberwellen zu reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen hat das über den optischen Filter 908 austretende Licht eine Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m).
In verschiedenen Ausführungsformen verschiebt der optische Frequenzverschieber (800, 900) die optische Frequenz des lokalen Oszillatorstrahls um bis zu etwa 115 Megahertz (MHz). Der integrierte Dual I&Q MZM 804 ist in der Lage, ein breites Spektrum an optischen Verschiebungen zu erreichen, z.B. um mehr als 1 Gigahertz (GHz), während gleichzeitig nur ein geringer Oberwellenlevel erzeugt wird (d.h. < -20 dB). Häufig wird der integrierte Dual I&Q MZM 804 über den integrierten Single MZM und High-Q-Ringresonator-Optikfilter (High-Q Ring Resonator Optical Filter) 908 gewählt, obwohl sein Design komplexer ist.
10 zeigt eine alternative Konfiguration 1000 von Freiraumoptik 204 und MEMS-Scanner 206 zur Verwendung mit dem Lidarsystem 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet die Kollimationslinse 228, die Fokussierlinse 230, den optischen Zirkulator 232 und den Umlenkspiegel 234 wie in 2 dargestellt. Die Freiraumoptik beinhaltet weiterhin einen Umlenkspiegel 1002, der den übertragenen Lichtstrahl 102 vom optischen Zirkulator 232 auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 und den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 auf den optischen Zirkulator 232 richtet. Der Umlenkspiegel kann das Licht aus der Ebene der Freiraumoptik ablenken und eine Vielzahl von Umlenkspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen beinhalten.
11 zeigt eine alternative Konfiguration 1100 der Freiraumoptik 204 und des MEMS-Scanners 206 zur Verwendung mit dem Lidarsystem 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet eine einzelne Kollimations- und Fokussierlinse 1102, einen doppelbrechenden Keil 1104, einen Faraday-Rotator 1106 und einen Umlenkspiegel 1108. Die Kollimations- und Fokussierlinse 1102 kollimiert den in eine Richtung verlaufenden übertragenen Lichtstrahl 102 und fokussiert den in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden reflektierten Lichtstrahl 104. Der doppelbrechende Keil 1104 ändert einen Pfad eines Lichtstrahls in Abhängigkeit von einer Polarisationsrichtung des Lichtstrahls. Der Faraday-Rotator 1106 beeinflusst die Polarisationsrichtungen der Lichtstrahlen. Aufgrund der Konfiguration des doppelbrechenden Keils 1104 und des Faraday-Rotors 1106 wird der transmittierte Lichtstrahl 102 mit einer ersten Polarisationsrichtung auf den doppelbrechenden Keil 1104 aufgebracht und der reflektierte Lichtstrahl 104 wird auf den doppelbrechenden Keil 1104 mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die sich von der ersten Polarisationsrichtung unterscheidet, im Allgemeinen durch eine 90-Grad-Drehung der ersten Polarisationsrichtung, aufgebracht. Somit kann der übertragene Lichtstrahl 102 bei einer ersten Öffnung 1110 aus dem photonischen Chip austreten und am Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 in die ausgewählte Richtung abgelenkt werden. Unterdessen wird der reflektierte Lichtstrahl 104, der sich als übertragener Lichtstrahl 102 am MEMS-Scanner 206 in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet, in eine andere Richtung umgelenkt, die auf eine zweite Öffnung 1112 des photonischen Chips gerichtet ist.
Ein Umlenkspiegel 1108 richtet den übertragenen Lichtstrahl 102 vom Faraday-Rotator 1106 auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 und richtet den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 auf den Faraday-Rotator 1106. Der Umlenkspiegel 1008 kann das Licht aus der Ebene der Freiraumoptik ablenken und eine Vielzahl von Umlenkspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen beinhalten.
Obwohl die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird von den Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass sich die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern alle in ihren Umfang fallenden Ausführungsformen umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62731427 [0001]

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Objekts, umfassend: Erzeugen eines übertragenen Lichtstrahls an einem photonischen Chip über einen Laser an dem photonischen Chip, wobei der Laser eine vordere Facette aufweist, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um den übertragenen Lichtstrahl in den Freiraum und in einen Bereich, der das Objekt beinhaltet, zu richten; Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls, der eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls ist, am photonischen Chip; und Bestimmen eines Parameters des Objekts aus einem Vergleich des übertragenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls an einer zweiten Öffnung des photonischen Chips.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Richten des übertragenen Lichtstrahls in eine ausgewählte Richtung über einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner und das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls aus der ausgewählten Richtung über den MEMS-Scanner.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Richten des übertragenen Lichtstrahls von der ersten Öffnung zum MEMS-Scanner über einen Freiraum-Zirkulator und das Richten des reflektierten Lichtstrahls vom MEMS-Scanner zur zweiten Öffnung über den Freiraum-Zirkulator.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Empfangen einer Leckageenergie vom Laser als lokaler Oszillatorstrahl in dem photonischen Chip, wobei der reflektierte Lichtstrahl und der lokale Oszillatorstrahl innerhalb des photonischen Chips miteinander interferieren.
Lidarsystem, umfassend: einen photonischen Chip; und einen in den photonischen Chip integrierten Laser, wobei der Laser eine vordere Facette aufweist, die sich an einer ersten Öffnung des photonischen Chips befindet, um einen übertragenen Lichtstrahl in den freien Raum zu richten.
Lidarsystem nach Anspruch 6, wobei der photonische Chip ferner eine zweite Öffnung zum Empfangen eines reflektierten Strahls umfasst, der eine Reflexion des übertragenen Strahls von einem Objekt im freien Raum ist.
Lidarsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Prozessor, der konfiguriert ist, um einen Parameter des Objekts aus einem Vergleich des übertragenen Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls zu bestimmen.
Lidarsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner zum Richten des übertragenen Lichtstrahls in eine ausgewählte Richtung und Empfangen des reflektierten Lichtstrahls aus der ausgewählten Richtung und einen Freiraum-Zirkulator, der konfiguriert ist, um den übertragenen Lichtstrahl von der ersten Öffnung auf einen Spiegel des MEMS-Scanners zu richten und den reflektierten Lichtstrahl vom Spiegel des MEMS-Scanners auf die zweite Öffnung zu richten.
Lidarsystem nach Anspruch 6, wobei eine Leckageenergie von dem Laser als lokaler Oszillatorstrahl im photonischen Chip bereitgestellt wird.