DE102019124598A1 - LIDAR SYSTEM WITH INTEGRATED CIRCULATOR - Google Patents

LIDAR SYSTEM WITH INTEGRATED CIRCULATOR Download PDF

Info

Publication number
DE102019124598A1
DE102019124598A1 DE102019124598.2A DE102019124598A DE102019124598A1 DE 102019124598 A1 DE102019124598 A1 DE 102019124598A1 DE 102019124598 A DE102019124598 A DE 102019124598A DE 102019124598 A1 DE102019124598 A1 DE 102019124598A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light beam
photonic chip
reflected light
laser
transmitted light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019124598.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Richard Kremer
Timothy J. Talty
Pamela R. Patterson
Biqin HUANG
Michael Mulqueen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US16/554,858 external-priority patent/US11573297B2/en
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102019124598A1 publication Critical patent/DE102019124598A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912—Receivers
    • G01S7/4917—Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

Ein Fahrzeug, ein Lidarsystem und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts wird offenbart. Das Lidar-System beinhaltet einen photonischen Chip mit einer Blende, einen oder mehrere Photodetektoren und einen Zirkulator. Ein innerhalb des photonischen Chips erzeugter gesendeter Lichtstrahl verlässt den photonischen Chip über die Blende und ein reflektierter Lichtstrahl tritt über die Blende in den photonischen Chip ein, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist. Der eine oder die mehreren Photodetektoren messen den Parameter des Objekts mindestens aus dem reflektierten Lichtstrahl. Der im photonischen Chip integrierte Zirkulator lenkt den gesendeten Lichtstrahl auf die Blende und lenkt den reflektierten Lichtstrahl von der Blende auf einen oder mehrere Photodetektoren. Ein Navigationssystem navigiert das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt, basierend auf dem Parameter des Objekts.A vehicle, a lidar system and a method for detecting an object is disclosed. The lidar system includes a photonic chip with an aperture, one or more photodetectors and a circulator. A transmitted light beam generated within the photonic chip leaves the photonic chip via the diaphragm and a reflected light beam enters the photonic chip via the diaphragm, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object. The one or more photodetectors measure the parameter of the object at least from the reflected light beam. The circulator integrated in the photonic chip directs the transmitted light beam onto the diaphragm and directs the reflected light beam from the diaphragm onto one or more photodetectors. A navigation system navigates the vehicle with respect to the object based on the parameter of the object.

Description

QUERVERWEIS AUF DIE ZUGEHÖRIGE ANWENDUNGCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATION

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. September 2018 eingereichten U.S. Provisional Application Serial No. 62/731,455 , deren Inhalt durch Verweis hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.This application claims priority from those filed on September 14, 2018 US Provisional Application Serial No. 62 / 731,455 , the content of which is incorporated by reference herein in its entirety.

EINFÜHRUNGINTRODUCTION

Die Offenbarung bezieht sich auf Lidarsysteme und insbesondere auf ein System und Verfahren zum Senden und Empfangen von Lichtstrahlen zur Verwendung in Lidarsystemen.The disclosure relates to lidar systems and, more particularly, to a system and method for transmitting and receiving light beams for use in lidar systems.

Ein Fahrzeug kann ein Lidar-System verwenden, um Parameter von Objekten in einem Sichtfeld des Fahrzeugs zu lokalisieren und zu bestimmen. Das Lidar-System sendet einen Lichtstrahl von einem ersten Ort und empfängt an einem zweiten Ort eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls von den Objekten. Die Verwendung einer ersten Position für das Senden eines Strahls und einer zweiten Position für den Empfang eines reflektierten Strahls erfordert den Einsatz eines optischen Richtfunks, um die Strahlen entsprechend auszurichten. Ausrichtungsprobleme zwischen dem optischen Richtfunk und der ersten und zweiten Position können die Wirksamkeit des Lidar-Systems beeinträchtigen. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein System für das Senden des Strahls und den Strahlempfang bereitzustellen, das diese Ausrichtungsprobleme vermeidet.A vehicle can use a lidar system to locate and determine parameters of objects in a field of view of the vehicle. The lidar system sends a light beam from a first location and receives a reflection of the transmitted light beam from the objects at a second location. The use of a first position for the transmission of a beam and a second position for the reception of a reflected beam requires the use of an optical directional radio to align the beams accordingly. Alignment problems between the optical radio and the first and second positions can affect the effectiveness of the Lidar system. Accordingly, it is desirable to provide a beam transmission and reception system that avoids these alignment problems.

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

In einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Richten eines im Laser erzeugten gesendeten Lichtstrahls auf eine Blende des photonischen Chips über einen Zirkulator des photonischen Chips, das Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls an der Blende, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist, das Richten des reflektierten Lichtstrahls auf einen oder mehrere Photodetektoren über den Zirkulator und das Erfassen eines Parameters des Objekts aus dem reflektierten Lichtstrahl an einem oder mehreren Photodetektoren.In an exemplary embodiment, a method of capturing an object is disclosed. The method includes directing a transmitted light beam generated in the laser onto an aperture of the photonic chip via a circulator of the photonic chip, receiving a reflected light beam at the aperture, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object, directing the reflected one Light beam onto one or more photodetectors via the circulator and the detection of a parameter of the object from the reflected light beam at one or more photodetectors.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren ferner das Erzeugen des gesendeten Lichtstrahls über einen Laser eines photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchleiten des gesendete Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls durch eine einzige Linse im Freiraum. Das Verfahren beinhaltet ferner das Richten des gesendeten Lichtstrahls von der Blende in eine ausgewählte Richtung über einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner und das Richten des reflektierten Lichtstrahls, der von der ausgewählten Richtung empfangen wird, auf die Blende. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erhalten eines lokalen Oszillatorstrahls aus dem gesendeten Strahl über einen Verteiler zwischen dem Laser und dem Zirkulator. Das Verfahren beinhaltet ferner das Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl an einer Stelle zwischen dem Zirkulator und einem oder mehreren Photodetektoren. Das Verfahren beinhaltet ferner das Navigieren eines Fahrzeugs in Bezug auf das Objekt, basierend auf dem Parameter des Objekts.In addition to one or more of the features described herein, the method further includes generating the transmitted light beam via a laser of a photonic chip. The method further includes passing the transmitted light beam and the reflected light beam through a single lens in free space. The method further includes directing the transmitted light beam from the diaphragm in a selected direction via a microelectromechanical (MEMS) scanner and directing the reflected light beam received from the selected direction onto the diaphragm. The method further includes obtaining a local oscillator beam from the transmitted beam through a distributor between the laser and the circulator. The method further includes combining the local oscillator beam with the reflected light beam at a location between the circulator and one or more photodetectors. The method further includes navigating a vehicle with respect to the object based on the parameter of the object.

In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein Lidarsystem offenbart. Das Lidar-System beinhaltet einen photonischen Chip, der einen Parameter eines Objekts misst. Der photonische Chip beinhaltet eine Blende, durch die ein innerhalb des photonischen Chips erzeugter gesendeter Lichtstrahl den photonischen Chip verlässt und durch die ein reflektierter Lichtstrahl in den photonischen Chip eintritt, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist. Der photonische Chip beinhaltet auch einen oder mehrere Photodetektoren, die konfiguriert sind, um den Parameter des Objekts zu messen, das mindestens den reflektierten Lichtstrahl bildet, und einen in den photonischen Chip integrierten Zirkulator, um den gesendeten Lichtstrahl auf die Blende zu richten und den reflektierten Lichtstrahl von der Blende auf einen oder mehrere Photodetektoren zu richten.In a further exemplary embodiment, a lidar system is disclosed. The lidar system includes a photonic chip that measures a parameter of an object. The photonic chip includes an aperture through which a transmitted light beam generated within the photonic chip leaves the photonic chip and through which a reflected light beam enters the photonic chip, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object. The photonic chip also includes one or more photodetectors configured to measure the parameter of the object that forms at least the reflected light beam and a circulator integrated in the photonic chip to direct the transmitted light beam onto the aperture and the reflected one To direct the light beam from the aperture onto one or more photodetectors.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist ein Laser in den photonischen Chip integriert, wobei der Laser den gesendeten Lichtstrahl erzeugt. Das Lidar-System beinhaltet weiterhin eine einzelne Linse im Freiraum, die sich vor der Blende befindet, durch die der gesendete Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl laufen. Das Lidar-System beinhaltet ferner einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner, der den gesendeten Lichtstrahl von der Blende in eine ausgewählte Richtung überträgt und den reflektierten Lichtstrahl, der von der ausgewählten Richtung empfangen wird, in Richtung der Blende leitet. Ein Teiler des photonischen Chips zwischen dem Laser und dem Zirkulator erhält einen lokalen Oszillatorstrahl aus dem gesendeten Strahl. Ein Kombinator des photonischen Chips zwischen dem Zirkulator und einem oder mehreren Photodetektoren kombiniert den lokalen Oszillatorstrahl mit dem reflektierten Lichtstrahl. In einer Ausführungsform, in der das Lidar-System einem Fahrzeug zugeordnet ist, navigiert ein Navigationssystem das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt basierend auf dem Parameter des Objekts.In addition to one or more of the features described herein, a laser is integrated into the photonic chip, the laser generating the transmitted light beam. The lidar system also includes a single lens in the free space, which is located in front of the aperture through which the transmitted light beam and the reflected light beam pass. The lidar system also includes a microelectromechanical (MEMS) scanner that transmits the transmitted light beam from the diaphragm in a selected direction and directs the reflected light beam received from the selected direction towards the diaphragm. A divider of the photonic chip between the laser and the circulator receives a local oscillator beam from the transmitted beam. A combiner of the photonic chip between the circulator and one or more photodetectors combines the local oscillator beam with the reflected light beam. In one embodiment, in which the lidar system is assigned to a vehicle, a navigation system navigates the vehicle with respect to the object based on the parameter of the object.

In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein Fahrzeug offenbart. Das Fahrzeug beinhaltet ein Lidar-System und ein Navigationssystem. Das Lidar-System misst einen Parameter eines Objekts. Das Lidar-System beinhaltet einen photonischen Chip mit einer Blende, einen oder mehrere Photodetektoren und einen Zirkulator. Ein innerhalb des photonischen Chips erzeugter gesendeter Lichtstrahl verlässt den photonischen Chip über die Blende und ein reflektierter Lichtstrahl tritt über die Blende in den photonischen Chip ein, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist. Der eine oder die mehreren Photodetektoren messen den Parameter des Objekts mindestens aus dem reflektierten Lichtstrahl. Der Zirkulator ist in den photonischen Chip integriert, lenkt den gesendeten Lichtstrahl auf die Blende und lenkt den reflektierten Lichtstrahl von der Blende auf einen oder mehrere Photodetektoren. Das Navigationssystem navigiert das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt basierend auf dem Parameter des Objekts.In yet another exemplary embodiment, a vehicle is disclosed. The Vehicle includes a lidar system and a navigation system. The lidar system measures a parameter of an object. The lidar system includes a photonic chip with an aperture, one or more photodetectors and a circulator. A transmitted light beam generated within the photonic chip leaves the photonic chip via the diaphragm and a reflected light beam enters the photonic chip via the diaphragm, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object. The one or more photodetectors measure the parameter of the object at least from the reflected light beam. The circulator is integrated in the photonic chip, directs the transmitted light beam onto the diaphragm and directs the reflected light beam from the diaphragm onto one or more photodetectors. The navigation system navigates the vehicle with respect to the object based on the parameter of the object.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Lidar-System weiterhin einen in den photonischen Chip integrierten Laser, wobei der Laser den gesendeten Lichtstrahl erzeugt. Das Lidar-System beinhaltet weiterhin eine einzelne Linse im Freiraum vor der Blende, durch die der gesendete Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl hindurchgehen. Das Lidar-System beinhaltet ferner einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner, der konfiguriert ist, um den gesendeten Lichtstrahl von der Blende in eine ausgewählte Richtung über und den reflektierten Lichtstrahl, der von der ausgewählten Richtung empfangen wird, in Richtung der Blende zu lenken. Der photonische Chip beinhaltet weiterhin einen Verteiler zwischen dem Laser und dem Zirkulator, um aus dem gesendete Lichtstrahl einen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten. Der photonische Chip beinhaltet weiterhin einen Kombinator zwischen dem Zirkulator und einem oder mehreren Photodetektoren zum Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl.In addition to one or more of the features described herein, the lidar system further includes a laser integrated in the photonic chip, the laser generating the transmitted light beam. The lidar system also includes a single lens in the free space in front of the aperture, through which the transmitted light beam and the reflected light beam pass. The lidar system also includes a microelectromechanical (MEMS) scanner configured to direct the transmitted light beam from the diaphragm in a selected direction and the reflected light beam received from the selected direction towards the diaphragm. The photonic chip also includes a distributor between the laser and the circulator in order to obtain a local oscillator beam from the transmitted light beam. The photonic chip further includes a combiner between the circulator and one or more photodetectors for combining the local oscillator beam with the reflected light beam.

Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren.The aforementioned features and advantages as well as further features and advantages of the disclosure result from the following detailed description in connection with the attached figures.

FigurenlisteFigure list

Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen exemplarisch nur in der folgenden Detailbeschreibung, die sich auf die Figuren 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 geeignet ist, aus 1;
  • 3 zeigt eine Seitenansicht des Lidarsystems von 2;
  • 4 zeigt einen alternativen photonischen Chip, der mit dem Lidar-System 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 Distributed Bragg Reflection (DBR) Laserdiode;
  • 7 zeigt Details eines Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) in einer Ausführungsform;
  • 8 zeigt einen optischen Frequenzschieber mit einem integrierten Dual I&Q Mach-Zehnder Modulator (MZM);
  • 9 zeigt einen optischen Frequenzschieber in einer alternativen Ausführungsform;
  • 10 zeigt eine alternative Konfiguration von optischem Richtfunk und MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidar-System von 2;
  • 11 zeigt eine alternative Konfiguration von optischem Richtfunk und MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidarsystem von 2; und
  • 12 zeigt einen alternativen photonischen Chip, der in einem Lidarsystem verwendet werden kann.
Further features, advantages and details only appear in the following detailed description, which refers to the figures:
  • 1 shows a top view of a vehicle suitable for use with a lidar system;
  • 2nd shows a detailed illustration of an exemplary lidar system that is suitable for use with the vehicle 1 ;
  • 3rd shows a side view of the lidar system of 2nd ;
  • 4th shows an alternative photonic chip using the lidar system instead of the photonic chip of FIG 2nd can be used;
  • 5 shows another alternative photonic chip which is used instead of the photonic chip of 2nd can be used;
  • 6 shows a tapered distributed Bragg Reflection (DBR) laser diode;
  • 7 shows details of a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) in one embodiment;
  • 8th shows an optical frequency shifter with an integrated Dual I&Q Mach-Zehnder modulator (MZM);
  • 9 shows an optical frequency shifter in an alternative embodiment;
  • 10th shows an alternative configuration of optical radio and MEMS scanner for use with the lidar system of 2nd ;
  • 11 shows an alternative configuration of optical radio and MEMS scanner for use with the lidar system of 2nd ; and
  • 12th shows an alternative photonic chip that can be used in a lidar system.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in den Figuren entsprechende Bezugszeichen gleichartige oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, its application, or use. It is to be understood that corresponding reference symbols in the figures indicate similar or corresponding parts and features.

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 Lidar-System 200 erzeugt einen gesendeten 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 gesendeten Lichtstrahl 102 entsteht, wird am Lidar-System 200 zurück empfangen. Ein Prozessor 106 steuert verschiedene Funktionen des Lidar-Systems 200, wie z.B. das Steuern einer Lichtquelle des Lidar-Systems 200, etc. Der Prozessor 106 empfängt ferner Daten vom Lidar-System 200 bezüglich der Unterschiede zwischen dem gesendeten 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 den Kontakt mit dem Objekt 110 zu vermeiden. Obwohl in Bezug auf das Fahrzeug 100 besprochen, kann das Lidar-System 200 mit anderen Geräten in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, einschließlich Fahrwerksregelungen und Vorwärts- oder Vorkonditionierungsfahrzeug für raue Straßen.According to an exemplary embodiment, shows 1 a top view of a vehicle 100 that is for use with a lidar system 200 out 2nd suitable is. The lidar system 200 generates a transmitted light beam 102 pointing to an object 110 is directed. The object 110 can be any object outside the vehicle 100 such as another vehicle, a pedestrian, a telephone pole, etc. The reflected light beam 104 caused by the interaction between the object 110 and the transmitted light beam 102 is created on the lidar system 200 received back. A processor 106 controls various functions of the lidar system 200 , such as controlling a light source from the lidar system 200 , etc. The processor 106 also receives data from the Lidar system 200 regarding the differences between the transmitted light beam 102 and the reflected light beam 104 and determines various parameters of the object from this data 110 . The various parameters can be a distance or range of the object 110 , Azimuth position, altitude, Doppler (speed) of the object, etc. The vehicle 100 can also be a navigation system 108 involve using these parameters to the vehicle 100 in relation to the object 110 to navigate to the contact with the object 110 to avoid. Although in relation to the vehicle 100 discussed, the lidar system 200 can be used with other devices in various embodiments, including undercarriage controls and forward or preconditioning vehicle for rough roads.

2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines exemplarischen Lidarsystems 200, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug von 1 geeignet ist. Das Lidar-System 200 beinhaltet eine Integrationsplattform 240, die eine Siliziumplattform sein kann, und verschiedene befestigte Komponenten. Auf der Integrationsplattform 240 sind ein photonischer Chip 202, ein optischer Richtfunk 204 und ein mikroelektromechanischer (MEMS) Scanner 206 angeordnet. 2nd shows a detailed representation of an exemplary lidar system 200 designed for use with the vehicle of 1 suitable is. The lidar system 200 includes an integration platform 240 , which can be a silicon platform, and various attached components. On the integration platform 240 are a photonic chip 202 , an optical radio relay 204 and a microelectromechanical (MEMS) scanner 206 arranged.

In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 202 Teil eines Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar. Der photonische Chip 202 kann ein siliziumhaltiger photonischer Chip in verschiedenen Ausführungsformen sein. Der photonische Chip 202 kann eine Lichtquelle, einen Hohlleiter und mindestens einen Photodetektor beinhalten. In einer Ausführungsform beinhaltet der photonische Chip 202 eine Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, einen ersten Hohlleiter 212 (hierin auch als lokaler Oszillatorhohlleiter bezeichnet), einen zweiten Hohlleiter 214 (hierin auch als Rücklaufsignalhohlleiter 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 Hohlleiter. Die Kantenkoppler können Punktgrößenwandler, Gitter oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Übergang von Licht zwischen Freiraumausbreitung und Ausbreitung in einem Hohlleiter sein. An einer ausgewählten Stelle nähern sich der erste Hohlleiter 212 und der zweite Hohlleiter 214 einander an, um einen Multimode Interferenz (MMI)-Koppler 226 zu bilden.In various embodiments, the photonic chip 202 Part of a Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) lidar. The photonic chip 202 can be a silicon-containing photonic chip in various embodiments. The photonic chip 202 can include a light source, a waveguide and at least one photodetector. In one embodiment, the photonic chip includes 202 a light source, such as a laser 210 , a first waveguide 212 (also referred to herein as a local oscillator waveguide), a second waveguide 214 (also referred to herein as a return signal waveguide) and a set of photodetectors 216a and 216b . The photonic chip 202 also includes one or more edge couplers 218 , 220 for controlling the light coupling into the associated waveguide. The edge couplers can be point size converters, gratings or any other suitable device for the transition of light between free space propagation and propagation in a waveguide. The first waveguide approaches at a selected point 212 and the second waveguide 214 each other to a multimode interference (MMI) coupler 226 to build.

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 Blende 222 (Transmissionsblende) des photonischen Chips 202 in den Freiraum 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 Hohlleiter 212 geleitet.The laser 210 is an integral part of the photonic chip 202 . The laser 210 can be any single frequency laser that can be frequency modulated and can produce light at a selected wavelength, such as a wavelength that is considered safe for the human eye (eg, 1550 nanometers (nm)). The laser 210 includes a front facet 210a and a back facet 210b . Much of the energy of the laser 210 is about the front facet 210a and a first aperture 222 (Transmission aperture) of the photonic chip 202 transferred into the free space. A relatively small percentage of the energy from the laser, also known as “leakage energy”, leaves the laser 210 about the back facet 210b and is in the first waveguide 212 headed.

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 variables Dämpfungsglied im Lichtweg des lokalen Oszillatorhohlleiters verwendet werden. Wenn die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls einen ausgewählten Leistungsschwellenwert überschreitet, kann das Dämpfungsglied aktiviert werden, um den lokalen Oszillatorstrahl zu begrenzen. Alternativ kann am Laser 210 eine Steuerspannung verwendet werden, um die Verstärkung des Lasers 210 an der Rückseite hintere Facette 210b des Lasers zu steuern. Die Steuerspannung kann verwendet werden, um die Strahlung oder Leckageenergie an der Rückseite der Facette hintere Facette 210b zu erhöhen oder zu verringern.The leakage energy used as the local oscillator beam can vary, and thus the measurements related to the parameter of the object 110 influence. In order to control the power of the local oscillator beam, a variable attenuator in the light path of the local oscillator waveguide can be used. When the power of the local oscillator beam exceeds a selected power threshold, the attenuator can be activated to limit the local oscillator beam. Alternatively, the laser 210 a control voltage can be used to amplify the laser 210 rear facet on the back 210b to control the laser. The control voltage can be used to measure the radiation or leakage energy at the back of the rear facet 210b to increase or decrease.

Der erste Hohlleiter 212 stellt einen optischen Weg zwischen der hinteren Facette 210b des Lasers 210 und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Ein Ende des ersten Hohlleiters 212 ist über den ersten Kantenkoppler 218 mit der Rückseite hintere Facette 210b des Lasers hintere Facette 210b gekoppelt. Die Leckageenergie aus der Rückseite hintere Facette 210b wird über den ersten Kantenkoppler 218 in den ersten Hohlleiter 212 geleitet.The first waveguide 212 provides an optical path between the back facet 210b of the laser 210 and the photodetectors 216a , 216b to disposal. One end of the first waveguide 212 is over the first edge coupler 218 with the back rear facet 210b rear facet of the laser 210b coupled. The leakage energy from the back rear facet 210b is over the first edge coupler 218 in the first waveguide 212 headed.

Der zweite Hohlleiter 214 stellt einen optischen Weg zwischen einer zweiten Blende 224, auch Empfängerblende genannt, des photonischen Chips 202 und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Der zweite Kantenkoppler 220 an der zweiten Blende 224 fokussiert den einfallenden reflektierten Lichtstrahl 104 in den zweiten Hohlleiter 214.The second waveguide 214 provides an optical path between a second aperture 224 , also called the receiver aperture, of the photonic chip 202 and the photodetectors 216a , 216b to disposal. The second edge coupler 220 on the second aperture 224 focuses the incident reflected light beam 104 in the second waveguide 214 .

Der erste Hohlleiter 212 und der zweite Hohlleiter 214 bilden einen Multimode Interferenz (MMI)-Koppler 226 an einer Stelle zwischen ihren jeweiligen Blenden (222, 224) und den Photodetektoren (216a, 216b). Licht im ersten Hohlleiter 212 und Licht im zweiten Hohlleiter 214 stören sich gegenseitig am MMI-Koppler 226 und die Ergebnisse der Störung 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.The first waveguide 212 and the second waveguide 214 form a multimode interference (MMI) coupler 226 at a point between their respective panels ( 222 , 224 ) and the photodetectors ( 216a , 216b ). Light in the first waveguide 212 and light in the second waveguide 214 interfere with each other on the MMI coupler 226 and the results of the disorder are on the photodetectors 216a and 216b detected. Measurements on the photodetectors 216a and 216b become the processor 106 , 1 provided the various properties of the reflected light beam 104 and thus different parameters of the object 110 certainly, 1 . The photodetectors 216a and 216b convert the light signal (ie photons) into an electrical signal (ie electrons). The electrical signal generally requires additional signal processing such as amplification, conversion from an electrical current signal to an electrical voltage signal, and conversion from an analog signal to a discrete digital signal before it is sent to the processor 106 provided.

Der optische Richtfunk 204 beinhaltet eine Kollimatorlinse 228, eine Fokussierlinse 230, einen optischen Zirkulator 232 und einen Drehspiegel 234. Die Kollimatorlinse 228 ändert die Krümmung des gesendeten Lichtstrahls 102 von einem divergierenden Strahl (beim Verlassen der vorderen Facette 210a des Lasers 210 in einen kollimierten oder parallelen Lichtstrahl). Der optische Zirkulator 232 steuert eine Richtung des gesendeten Lichtstrahls 102 und des reflektierten Lichtstrahls 104. Der optische Zirkulator 232 lenkt den gesendeten Lichtstrahl 102 ohne Winkelabweichung nach vorne und lenkt den ein- 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 Drehspiegel 234 auf die Fokussierlinse 230 gerichtet. Die Fokussierlinse 230 verändert die Kurven des reflektierten Lichtstrahls 104 von einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahl in einen konvergierenden Lichtstrahl. Die Fokussierlinse 230 ist in einem Abstand von der zweiten Blende 224 angeordnet, der die Konzentration des reflektierten Lichtstrahls 104 auf die zweite Kantenkupplung 220 an der zweiten Blende 224 ermöglicht.The optical radio relay 204 includes a collimator lens 228 , a focusing lens 230 , an optical circulator 232 and a rotating mirror 234 . The collimator lens 228 changes the curvature of the transmitted light beam 102 from a diverging beam (when leaving the front facet 210a of the laser 210 into a collimated or parallel light beam). The optical circulator 232 controls a direction of the transmitted light beam 102 and the reflected light beam 104 . The optical circulator 232 directs the transmitted light beam 102 forward without angular deviation and directs the reflected or reflected light beam 104 at a chosen angle. In various embodiments, the selected angle is a 90 degree angle, but any suitable angle can be achieved. The reflected beam of light 104 is on the rotating mirror 234 on the focusing lens 230 directed. The focusing lens 230 changes the curves of the reflected light beam 104 from a substantially parallel light beam to a converging light beam. The focusing lens 230 is at a distance from the second aperture 224 arranged of the concentration of the reflected light beam 104 on the second edge coupling 220 on the second aperture 224 enables.

Der MEMS-Scanner 206 beinhaltet einen Spiegel 236 zum Abtasten des gesendeten Lichtstrahls 102 über eine Vielzahl von Winkeln. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Spiegel 236 um zwei Achsen drehen und so den gesendeten Lichtstrahl 102 über einen ausgewählten Bereich abtasten. In verschiedenen Ausführungsformen beinhalten die Spiegelachsen eine schnelle Achse mit einem Abtastwinkel von etwa 50 Grad und eine quasistatische langsame Achse mit einem Abtastwinkel von etwa 20 Grad. Der MEMS-Scanner 206 kann den gesendeten Lichtstrahl in eine ausgewählte Richtung lenken und empfängt einen reflektierten Lichtstrahl 104 aus der gewählten Richtung.The MEMS scanner 206 includes a mirror 236 for scanning the transmitted light beam 102 across a variety of angles. In various embodiments, the mirror can 236 rotate around two axes and thus the transmitted light beam 102 scan over a selected area. In various embodiments, the mirror axes include a fast axis with a scan angle of approximately 50 degrees and a quasi-static slow axis with a scan angle of approximately 20 degrees. The MEMS scanner 206 can direct the transmitted light beam in a selected direction and receives a reflected light beam 104 from the chosen direction.

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 Submount 244 angeordnet werden kann. Der optische Richtfunk 204 und der MEMS-Scanner 206 können auf dem optischen Submount 244 montiert werden und der optische Submount kann in der Tasche 242 ausgerichtet werden, um die Kollimatorlinse 228 mit der ersten Blende 222 des photonischen Chips 202 auszurichten und die Fokussierlinse 230 mit der zweiten Blende 224 des photonischen Chips auszurichten. Der optische Submount 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 dem optischem Richtfunk 204 und dem photonischen Chip 202 aufrechtzuerhalten. Die Integrationsplattform 240 kann mit einer Leiterplatte 246 gekoppelt werden. Die Leiterplatte 246 beinhaltet verschiedene Elektronik für den Betrieb der Komponenten des Lidar-Systems 200, einschließlich der Steuerung des Lasers 210, 2 des photonischen Chips 202, der Steuerung der 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. 3rd shows a side view of the lidar system 200 out 2nd . The integration platform 240 contains the photonic chip 202 that is on a surface of the integration platform 240 is arranged. The integration platform 240 includes a bag 242 in which an optical submount 244 can be arranged. The optical radio relay 204 and the MEMS scanner 206 can on the optical submount 244 can be mounted and the optical submount can be in the pocket 242 aligned with the collimator lens 228 with the first aperture 222 of the photonic chip 202 align and focus lens 230 with the second aperture 224 align the photonic chip. The optical submount 244 can be made from a material that has a coefficient of thermal expansion equal to that of the integration platform 240 corresponds or essentially corresponds to the alignment between the optical radio relay 204 and the photonic chip 202 maintain. The integration platform 240 can with a circuit board 246 be coupled. The circuit board 246 contains various electronics for operating the components of the lidar system 200 , including control of the laser 210 , 2nd of the photonic chip 202 , the control of the vibrations of the mirror 236 , the reception of signals from the photodetectors 216a and 216b and processing the signals to different properties of the reflected light beam 104 to determine and thus different parameters of the object 110 , 1 assigned to the reflected light beam.

Die Verwendung eines optischen Submounts 244 ist eine mögliche Implementierung für eine Ausführungsform der Integrationsplattform 240. In einer weiteren Ausführungsform wird kein optischer Submount 244 verwendet und der optische Richtfunk 204 und der MEMS-Spiegel 236 sind direkt auf der Integrationsplattform 240 angeordnet.The use of an optical submount 244 is a possible implementation for one embodiment of the integration platform 240 . In another embodiment, no optical submount 244 used and the optical directional radio 204 and the MEMS mirror 236 are directly on the integration platform 240 arranged.

4 zeigt einen alternativen photonischen Chip 400, der mit dem Lidar-System 200 anstelle des photonischen Chips 202 von 2 verwendet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 400 Teil eines Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar und kann ein Silizium-Photonik-Chip 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 einzelne Frequenzlaser 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 werden, um die Leistung des Lasers 210 zu überwachen. Die vordere Facette 210a des Lasers 210 ist über einen lasergesicherten Kantenkoppler 406, der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderhohlleiter 404 gekoppelt. Der Senderhohlleiter 404 leitet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210 aus dem photonischen Chip 400 über einen Sendekantenkoppler 420 als gesendeten Lichtstrahl 102. 4th shows an alternative photonic chip 400 with the lidar system 200 instead of the photonic chip 202 of 2nd can be used. In various embodiments, the photonic chip 400 Part of a Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) lidar and can be a silicon photonics chip. The photonic chip 400 includes a coherent light source, such as a laser 210 which is an integral part of the photonic chip 400 is. The laser 210 can be any single frequency laser that can be frequency modulated. In various embodiments, the laser generates 210 Light with a selected wavelength, such as a wavelength safe for the human eye (e.g. 1550 nanometers (nm)). The laser contains a front facet 210a , from which much of the laser energy comes from the laser 210 emerges, and a rear facet 210b , from which leakage energy emerges. The energy coming from the back facet 210b emerges, can with a photodetector (not shown) to be coupled to the power of the laser 210 to monitor. The front facet 210a of the laser 210 is via a laser-secured edge coupler 406 that the light from the laser 210 receives, with a transmitter waveguide 404 coupled. The transmitter waveguide 404 directs the light from the front facet 210a of the laser 210 from the photonic chip 400 via a transmit edge coupler 420 as a transmitted light beam 102 .

Ein lokaler Oszillator (LO)-Hohlleiter 408 ist optisch mit dem Sender-Hohlleiter 404 über einen Richtkoppler/Verteiler oder einen Multimode-Interferenz (MMI)-Koppler/Verteiler 410 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und dem Übertragungs-Kantenkoppler 420 befindet. Der Richtungs- oder MMI-Koppler/Verteiler 410 teilt das Licht des Lasers 210 in den sich im Senderhohlleiter 404 weiter ausbreitenden gesendeten Lichtstrahl 102 und einen sich im Lokaloszillatorhohlleiter 408 ausbreitenden Lokaloszillatorstrahl. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teilungsverhältnis von 90% für den gesendeten Lichtstrahl 102 und 10% für den lokalen Oszillatorstrahl betragen. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im lokalen Oszillatorhohlleiter 408 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfungsglieds im LO-Hohlleiter 408 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Der lokale Oszillatorstrahl ist auf die zwei symmetrischen Photodetektoren 216a, 216b gerichtet, die Strahlmessungen durchführen und die Lichtsignale in elektrische Signale zur Verarbeitung umwandeln.A local oscillator (LO) waveguide 408 is optical with the transmitter waveguide 404 via a directional coupler / distributor or a multimode interference (MMI) coupler / distributor 410 coupled, which is between the laser 210 and the transmission edge coupler 420 located. The directional or MMI coupler / distributor 410 shares the light of the laser 210 in the in the transmitter waveguide 404 further propagating transmitted light beam 102 and one in the local oscillator waveguide 408 propagating local oscillator beam. In various embodiments, a split ratio of 90% can be used for the transmitted light beam 102 and 10% for the local oscillator beam. The power of a local oscillator beam in the local oscillator waveguide 408 can be achieved by using a variable attenuator in the LO waveguide 408 or by using a control voltage on the laser 210 to be controlled. The local oscillator beam is on the two symmetrical photodetectors 216a , 216b directed, carry out the beam measurements and convert the light signals into electrical signals for processing.

Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt über den Empfängerhohlleiter 414 über einen Empfänger-Kantenkoppler 422 in den photonischen Chip 400 ein. Der Empfängerhohlleiter 414 lenkt den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Empfänger-Kantenkoppler 422 auf den dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b. Der Empfängerhohlleiter 414 ist optisch mit dem lokalen Oszillatorhohlleiter 408 an einem Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinator 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/Kombinator 412, bevor sie am dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Senderhohlleiter 404, der Lokaloszillatorhohlleiter 408 und der Empfängerhohlleiter 414 optische Fasern.The incident or reflected light beam 104 passes over the receiver waveguide 414 via a receiver edge coupler 422 in the photonic chip 400 on. The receiver waveguide 414 directs the reflected light beam 104 from the receiver edge coupler 422 on the dual symmetrical photodetector 216a , 216b . The receiver waveguide 414 is optical with the local oscillator waveguide 408 on a directional or MMI coupler / combiner 412 coupled, which is between the receiver edge coupler 422 and the photodetectors 216a , 216b located. The local oscillator beam and the reflected light beam 104 interact with each other on the directional or MMI coupler / combiner 412 before working on the dual symmetric photodetector 216a , 216b be received. In various embodiments, the transmitter waveguide 404 , the local oscillator waveguide 408 and the receiver waveguide 414 optical fibers.

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 Hohlleiter 502 zur Ausbreitung eines lokalen Oszillatorstrahls innerhalb des photonischen Chips 500 und einen zweiten Hohlleiter 504 zur Ausbreitung eines reflektierten Lichtstrahls 104 innerhalb des photonischen Chips 500. Ein Ende des ersten Hohlleiters 502 ist mit einem ersten Kantenkoppler 506 gekoppelt, der sich an einer ersten Blende 508 des photonischen Chips 500 befindet, und der erste Hohlleiter 502 leitet das Signal zu den Photodetektoren 216a und 216b. Ein Ende des zweiten Hohlleiters 504 ist mit einem zweiten Kantenkoppler 510 gekoppelt, der sich an einer zweiten Blende 512 befindet, und der zweite Hohlleiter 504 leitet das Signal zu den Photodetektoren 216a, 216b. Der erste Hohlleiter 502 und der zweite Hohlleiter 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 sich der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 gegenseitig stören. 5 shows another alternative photonic chip 500 that instead of the photonic chip 202 out 2nd can be used. The alternative photonic chip 500 has a design where the laser 210 not on the photonic chip 500 is integrated. The photonic chip 500 includes a first waveguide 502 to propagate a local oscillator beam within the photonic chip 500 and a second waveguide 504 to spread a reflected light beam 104 inside the photonic chip 500 . One end of the first waveguide 502 is with a first edge coupler 506 coupled, which is on a first aperture 508 of the photonic chip 500 and the first waveguide 502 routes the signal to the photodetectors 216a and 216b . One end of the second waveguide 504 is with a second edge coupler 510 coupled, which is on a second aperture 512 is located, and the second waveguide 504 routes the signal to the photodetectors 216a , 216b . The first waveguide 502 and the second waveguide 504 approach each other at a point between their respective edge couplers 506 , 510 and the photodetectors 216a , 216b to an MMI coupler 514 form in which the local oscillator beam and the reflected light beam 104 interfere with each other.

Der Laser 210 ist off-chip (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 einzelne Frequenzlaser 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)). Eine Fokussierlinse 520 ist zwischen der hinteren Facette 210b und der ersten Blende 508 angeordnet und fokussiert den Leckagestrahl von der hinteren Facette 210b auf die erste Kantenkupplung 506, so dass der Leckagestrahl in den ersten Hohlleiter 502 als lokaler Oszillatorstrahl eintritt. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im ersten Hohlleiter 502 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfungsglieds im ersten Hohlleiter 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 gesendeter Lichtstrahl 102 verwendet und über ein Sichtfeld des Freiraums gerichtet, um von einem Objekt 110, 1, im Sichtfeld reflektiert zu werden. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am zweiten Kantenkoppler 510 über einen geeigneten optischer Richtfunk empfangen (nicht dargestellt).The laser 210 is off-chip (ie not in the photonic chip 500 integrated) and is with its rear facet 210b on the first edge coupler 506 aligned. The laser 210 can be any single frequency laser that can be frequency modulated. In various embodiments, the laser generates 210 Light with a selected wavelength, such as a wavelength safe for the human eye (e.g. 1550 nanometers (nm)). A focusing lens 520 is between the back facet 210b and the first aperture 508 arranged and focused the leakage jet from the rear facet 210b on the first edge coupling 506 so that the leakage beam in the first waveguide 502 occurs as a local oscillator beam. The power of a local oscillator beam in the first waveguide 502 can by using a variable attenuator in the first waveguide 502 or by using a control voltage on the laser 210 to be controlled. Light that shines through the front facet 210a from the laser 210 emerges, is sent as a light beam 102 used and directed across a field of view of the free space to from an object 110 , 1 to be reflected in the field of vision. The reflected beam of light 104 is on the second edge coupler 510 received via a suitable optical directional radio (not shown).

6 zeigt eine verjüngte Distributed Bragg Reflection (DBR) Laserdiode 600. Die DBR Laserdiode 600 kann als Laser 210 für die photonischen Chips 202, 400 und 500 des Lidar-Systems 200 verwendet werden. Die DBR Laserdiode 600 beinhaltet einen hochreflektierenden DBR-Rückspiegel 602 an einer Rückseite 610b der DBR Laserdiode, einen weniger reflektierenden Frontspiegel 606 an einer Vorderseite 610a der DBR Laserdiode und einen konischen 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 konischen Verstärkungsabschnitt 604 angelegt werden, um Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge zu erzeugen. 6 shows a tapered Distributed Bragg Reflection (DBR) laser diode 600 . The DBR laser diode 600 can be used as a laser 210 for the photonic chips 202 , 400 and 500 of the lidar system 200 be used. The DBR laser diode 600 includes a highly reflective DBR rearview mirror 602 on a back 610b the DBR laser diode, a less reflective front mirror 606 on a front 610a the DBR laser diode and a conical gain section 604 between the DBR rearview mirror 602 and the front mirror 606 . The DBR rearview mirror 602 alternately contains areas of materials with different refractive indices. Current or energy can be on the conical reinforcement section 604 can be applied to generate light with a selected wavelength.

7 zeigt Details eines 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 Lidar-Systems 200 verwendet werden. 7 shows details of a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) 700 in one embodiment. The MOPA 700 can be used as a laser 210 for the photonic chips 202 , 400 and 500 of the lidar system 200 be used.

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 Verstärkerabschnitt 710, der die Lichtintensität erhöht.The MOPA 700 includes a highly reflective DBR rearview mirror 702 on a back facet 710b and a less reflective DBR front mirror 708 on the front facet 710a . Between the rearview mirror 702 and the front mirror 708 there is a phase segment 704 and a reinforcing section 706 . The phase section 704 sets the modes of the laser and the gain section 706 includes an amplification medium for generating light at a selected wavelength. That from the front mirror 708 emerging light passes through an amplifier section 710 that increases the light intensity.

In verschiedenen Ausführungsformen weist der Laser eine Ausgangsleistung von 300 MilliWatt (mW) auf der Vorderseite und eine Ausgangsleistung der Rückseite 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 Vorderseite, während der Einzelfrequenzbetrieb und der Einzelraumbetrieb erhalten bleiben.In various embodiments, the laser has an output of 300 milliWatts (mW) on the front and an output of the rear of approximately 3 mW, with a line width of less than approximately 100 kilohertz (kHz) being maintained. The MOPA 700 has a more complicated design than the DBR laser diode 600 , but is often more reliable in generating the required optical power at the front while maintaining single frequency operation and single room operation.

8 zeigt einen optischen Frequenzschieber 800 mit einem integrierten Dual I&Q Mach-Zehnder Modulator (MZM) 804. Der optische Frequenzschieber 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 Frequenzschieber 800 beinhaltet einen Eingangshohlleiter 802, der Licht mit einer ersten Wellenlänge/Frequenz liefert, hierin auch als Diodenwellenlänge/Frequenz (λD/fD) für das MZM 804 bezeichnet. Der optische Frequenzschieber 800 beinhaltet weiterhin einen Ausgangshohlleiter 806, der Licht mit einer verschobenen Wellenlänge/Frequenz empfängt (λD-λm/fD+fm), vom MZM 804. λm und fm sind die Wellenlängenverschiebung bzw. die Frequenzverschiebung, die dem Licht durch das MZM 804 vermittelt wird. 8th shows an optical frequency shifter 800 with an integrated Dual I&Q Mach-Zehnder modulator (MZM) 804 . The optical frequency shifter 800 can be used to change a frequency or wavelength of a local oscillator beam to avoid ambiguity in measurements of the reflected light beam 104 to reduce. The optical frequency shifter 800 includes an input waveguide 802 , which delivers light with a first wavelength / frequency, also referred to herein as diode wavelength / frequency (λ D / f D ) for the MZM 804 designated. The optical frequency shifter 800 also includes an output waveguide 806 , which receives light with a shifted wavelength / frequency (λ D -λ m / f D + f m ), from the MZM 804 . λ m and fm are the wavelength shift and the frequency shift, respectively, that the light through the MZM 804 is conveyed.

Beim MZM 804 wird das Licht des Eingangshohlleiters 802 in mehrere Zweige aufgeteilt. In verschiedenen Ausführungsformen gibt es vier Zweige zum MZM 804. Jeder Zweig beinhaltet einen optischen Pfadschieber 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 Zweig erwärmt, um die Länge des Zweigs aufgrund von thermischer Ausdehnung oder Kontraktion zu vergrößern oder zu verkleinern. Es kann eine Spannung angelegt werden, um den optischen Pfadschieber 808 und damit die Zunahme der Abnahme der Länge des optischen Pfades zu steuern. Somit kann ein Bediener oder Prozessor den Wert der Wellenlängen/Frequenzveränderung (λm/fm) und damit die verschobene Wellenlänge/Frequenz (λD-λm/fD+fm) im Ausgangshohlleiter 806 steuern.At the MZM 804 becomes the light of the input waveguide 802 divided into several branches. In various embodiments, there are four branches to the MZM 804 . Each branch contains an optical path shifter 808 , with which the length of the optical path can be increased or decreased and thus the phase delay along the selected branch can be changed. A selected optical path shifter 808 can be a heating element that heats the branch to increase or decrease the length of the branch due to thermal expansion or contraction. A voltage can be applied to the optical path shifter 808 and thereby control the increase in the decrease in the length of the optical path. An operator or processor can thus determine the value of the wavelength / frequency change (λ m / f m ) and thus the shifted wavelength / frequency (λ D -λ m / f D + f m ) in the output waveguide 806 Taxes.

9 zeigt einen optischen Frequenzschieber 900 in einer alternativen Ausführungsform. Der optische Frequenzschieber 900 beinhaltet einen einzelnen Mach-Zehnder Modulator (MZM) 904 und einen High-Q Ring Resonator Optical Filter 908. Das einzelne MZM 904 weist zwei Zweige von Hohlleitern auf, die jeweils einen optischen Pfadschieber 910 aufweisen. Ein Eingangshohlleiter 902 leitet das Licht mit einer Betriebswellenlänge/Frequenz in das einzelne MZM 904 (λD/fD), wobei das Licht auf die Zweige des einzelnen MZM 904 verteilt wird. Die optischen Pfadschieber 910 werden aktiviert, um dem Licht eine Änderung der Frequenz/Wellenlänge (λm/fm) zu verleihen. Das Licht des MZM 904 durchläuft den optischen Filter 908 über den Ausgangshohlleiter 906, um die vom einzelnen MZM 904 erzeugten Oberwellen zu reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen hat das über den optischen Filter 908 austretende Licht Wellenlänge/Frequenz (λD-λm/fD+fm). 9 shows an optical frequency shifter 900 in an alternative embodiment. The optical frequency shifter 900 includes a single Mach-Zehnder modulator (MZM) 904 and a high-Q ring resonator optical filter 908 . The single MZM 904 has two branches of waveguides, each with an optical path shifter 910 exhibit. An input waveguide 902 directs the light into the individual MZM with an operating wavelength / frequency 904 (λ D / f D ), the light shining on the branches of the individual MZM 904 is distributed. The optical path shifters 910 are activated to give the light a change in frequency / wavelength (λ m / f m ). The light of the MZM 904 passes through the optical filter 908 via the output waveguide 906 to the individual MZM 904 reduce harmonics generated. In various embodiments, this is via the optical filter 908 emerging light wavelength / frequency (λ D -λ m / f D + f m ).

In verschiedenen Ausführungsformen verschiebt der optische Frequenzschieber (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) bei gleichzeitig nur geringem Oberwellenpegel (d.h. < -20 dB). Häufig wird der integrierte Dual I&Q MZM 804 über den integrierten Single MZM und HighQ Ring Resonator Optical Filter 908 gewählt, obwohl sein Design komplexer ist.In various embodiments, the optical frequency shifter ( 800 , 900 ) the optical frequency of the local oscillator beam by up to about 115 megahertz (Mhz). The integrated Dual I&Q MZM 804 is able to achieve a wide range of optical shifts, for example by more than 1 gigahertz (GHz) with only a low harmonic level (ie <-20 dB). The integrated Dual I&Q MZM is often used 804 via the integrated Single MZM and HighQ Ring Resonator Optical Filter 908 chosen, although its design is more complex.

10 zeigt eine alternative Konfiguration 1000 von optischem Richtfunk 204 und MEMS-Scanner 206 zur Verwendung mit dem Lidar-System 200, 2. Der optische Richtfunk beinhaltet die Kollimatorlinse 228, die Fokussierlinse 230, den optischen Zirkulator 232 und den Drehspiegel 234 wie in 2 dargestellt. Der optische Richtfunk beinhaltet weiterhin einen Drehspiegel 1002, der den gesendeten 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 lenkt. Der Drehspiegel kann das Licht aus der Ebene des optischen Richtfunks ablenken und eine Vielzahl von Drehspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen aufnehmen. 10th shows an alternative configuration 1000 of optical radio relay 204 and MEMS scanners 206 for use with the lidar system 200 , 2nd . The optical radio relay contains the collimator lens 228 who have favourited Focusing Lens 230 , the optical circulator 232 and the rotating mirror 234 as in 2nd shown. Optical directional radio also includes a rotating mirror 1002 that the beam of light sent 102 from the optical circulator 232 on the mirror 236 of the MEMS scanner 206 and the reflected light beam 104 from the mirror 236 of the MEMS scanner 206 on the optical circulator 232 directs. The rotating mirror can deflect the light out of the plane of the optical directional radio and can accommodate a large number of rotating mirrors in various embodiments.

11 zeigt eine alternative Konfiguration 1100 des optischen Richtfunks 204 und des MEMS-Scanners 206 zur Verwendung mit dem Lidar-System 200, 2. Der optische Richtfunk beinhaltet eine einzelne Kollimator- und Fokussierlinse 1102, einen doppelbrechenden Keil 1104, einen Faraday-Rotator 1106 und einen Drehspiegel 1108. Die Kollimator- und Fokussierlinse 1102 kollimiert den in eine Richtung verlaufenden gesendeten Lichtstrahl 102 und fokussiert den in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden reflektierten Lichtstrahl 104. Der doppelbrechende Keil 1104 ändert den Weg 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 gesendete Lichtstrahl 102 mit einer ersten Polarisationsrichtung auf den doppelbrechenden Keil 1104 und der reflektierte Lichtstrahl 104 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 gesendete Lichtstrahl 102 bei einer ersten Blende 1110 aus dem photonischen Chip austreten und am Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 in die gewählte Richtung abgelenkt werden. Unterdessen wird der reflektierte Lichtstrahl 104, der sich als gesendeter Lichtstrahl 102 am MEMS-Scanner 206 in die entgegengesetzte Richtung bewegt, in eine andere Richtung umgelenkt, die auf eine zweite Blende 1112 des photonischen Chips gerichtet ist. 11 shows an alternative configuration 1100 of optical radio relay 204 and the MEMS scanner 206 for use with the lidar system 200 , 2nd . Optical directional radio contains a single collimator and focusing lens 1102 , a birefringent wedge 1104 , a Faraday rotator 1106 and a rotating mirror 1108 . The collimator and focusing lens 1102 collimates the one-way transmitted light beam 102 and focuses the reflected light beam running in the opposite direction 104 . The birefringent wedge 1104 changes the path of a light beam depending on a polarization direction of the light beam. The Faraday rotator 1106 influences the polarization directions of the light rays. Due to the configuration of the birefringent wedge 1104 and the Faraday rotor 1106 becomes the transmitted light beam 102 with a first polarization direction on the birefringent wedge 1104 and the reflected beam of light 104 on the birefringent wedge 1104 with a second polarization direction that differs from the first polarization direction, generally by a 90 degree rotation of the first polarization direction. The transmitted light beam can thus 102 at a first aperture 1110 emerge from the photonic chip and on the mirror 236 of the MEMS scanner 206 be distracted in the selected direction. Meanwhile, the reflected beam of light 104 , which is a transmitted light beam 102 on the MEMS scanner 206 moved in the opposite direction, redirected in another direction, to a second aperture 1112 of the photonic chip is directed.

Ein Drehspiegel 1108 lenkt den gesendeten Lichtstrahl 102 vom Faraday-Rotator 1106 auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 und lenkt den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 auf den Faraday-Rotator 1106. Der Drehspiegel 1008 kann das Licht aus der Ebene des optischen Richtfunks ablenken und eine Vielzahl von Drehspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen aufnehmen.A rotating mirror 1108 directs the transmitted light beam 102 from the Faraday rotator 1106 on the mirror 236 of the MEMS scanner 206 and directs the reflected light beam 104 from the mirror 236 of the MEMS scanner 206 to the Faraday rotator 1106 . The rotating mirror 1008 can deflect the light from the plane of the optical directional radio and accommodate a variety of rotating mirrors in different embodiments.

12 zeigt einen alternativen photonischen Chip 1200, der in einem Lidar-System 200 verwendet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 1200 Teil eines Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar und kann ein Silizium-Photonik-Chip sein. Der photonische Chip 1200 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, der ein integrierter Bestandteil des photonischen Chips 1200 ist. Der Laser 210 kann jeder einzelne Frequenzlaser 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 vordere Facette 210a des Lasers 210 ist über einen lasergesicherten Kantenkoppler (nicht dargestellt), der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderhohlleiter 1202 gekoppelt. Der Senderhohlleiter 1202 leitet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210 zu einem im photonischen Chip 1200 integrierten Zirkulator 1204. Der Zirkulator 1204 leitet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210 über einen Ein-/Ausgangshohlleiter 1208 auf eine Blende 1206. 12th shows an alternative photonic chip 1200 that in a lidar system 200 can be used. In various embodiments, the photonic chip 1200 Part of a Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) lidar and can be a silicon photonics chip. The photonic chip 1200 includes a coherent light source, such as a laser 210 which is an integral part of the photonic chip 1200 is. The laser 210 can be any single frequency laser that can be frequency modulated. In various embodiments, the laser generates 210 Light with a selected wavelength, such as a wavelength safe for the human eye (e.g. 1550 nanometers (nm)). The laser contains a front facet 210a , from which much of the laser energy comes from the laser 210 emerges, and a rear facet 210b , from which leakage energy emerges. The front facet 210a of the laser 210 is via a laser-secured edge coupler (not shown) that receives the light from the laser 210 receives, with a transmitter waveguide 1202 coupled. The transmitter waveguide 1202 directs the light from the front facet 210a of the laser 210 to one in the photonic chip 1200 integrated circulator 1204 . The circulator 1204 directs the light from the front facet 210a of the laser 210 via an input / output waveguide 1208 on an aperture 1206 .

Das Licht verlässt die Blende als gesendeter Lichtstrahl 102.The light leaves the aperture as a transmitted light beam 102 .

Ein lokaler Oszillator (LO)-Hohlleiter 1210 ist optisch mit dem Sender-Hohlleiter 1202 über einen Richtkoppler/Verteiler oder einen Multimode-Interferenz (MMI)-Koppler/Verteiler 1212 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und dem Zirkulator 1204 befindet. Der Richtungs- oder MMI-Koppler/Verteiler 1212 teilt das Licht des Lasers 210 in den gesendeten Lichtstrahl 102, der sich im Senderhohlleiter 1202 weiter ausbreitet, und einen lokalen Oszillatorstrahl, der sich im lokalen Oszillatorhohlleiter 1210 ausbreitet. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teilungsverhältnis von 90% für den gesendeten Lichtstrahl 102 und 10% für den lokalen Oszillatorstrahl betragen. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im lokalen Oszillatorhohlleiter 1210 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfungsglieds im LO-Hohlleiter 1210 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Der lokale Oszillatorstrahl ist auf die zwei symmetrischen Photodetektoren 216a, 216b gerichtet, die Strahlmessungen durchführen und die Lichtsignale in elektrische Signale zur Verarbeitung umwandeln.A local oscillator (LO) waveguide 1210 is optical with the transmitter waveguide 1202 via a directional coupler / distributor or a multimode interference (MMI) coupler / distributor 1212 coupled, which is between the laser 210 and the circulator 1204 located. The directional or MMI coupler / distributor 1212 shares the light of the laser 210 in the transmitted light beam 102 that is in the transmitter waveguide 1202 spreads further, and a local oscillator beam, which is in the local oscillator waveguide 1210 spreads. In various embodiments, a split ratio of 90% can be used for the transmitted light beam 102 and 10% for the local oscillator beam. The power of a local oscillator beam in the local oscillator waveguide 1210 can be achieved by using a variable attenuator in the LO waveguide 1210 or by using a control voltage on the laser 210 to be controlled. The local oscillator beam is on the two symmetrical photodetectors 216a , 216b directed, carry out the beam measurements and convert the light signals into electrical signals for processing.

Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt über die Blende 1206 und den Ein-/Ausgangshohlleiter 1208 in den photonischen Chip 1200 ein. Der Ein-/Ausgangshohlleiter 1208 leitet den reflektierten Lichtstrahl 104 von der Blende 1206 zum Zirkulator 1204. Der Zirkulator 1204 leitet den reflektierten Lichtstrahl in einen Empfängerhohlleiter 1214. Der Empfängerhohlleiter 1214 ist optisch mit dem lokalen Oszillatorhohlleiter 1210 an einem Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinator 1216 gekoppelt, der sich zwischen dem Zirkulator 1204 und den Photodetektoren 216a, 216b befindet. Der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 interagieren miteinander am Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinator 1216, bevor sie am dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Senderhohlleiter 1202, der Lokaloszillatorhohlleiter 1210 und der Empfängerhohlleiter 1214 optische Fasern.The incident or reflected light beam 104 steps over the aperture 1206 and the input / output waveguide 1208 in the photonic chip 1200 on. The input / output waveguide 1208 guides the reflected light beam 104 from the bezel 1206 to the circulator 1204 . The circulator 1204 directs the reflected light beam into a receiver waveguide 1214 . The receiver waveguide 1214 is optical with the local oscillator waveguide 1210 on a directional or MMI coupler / combiner 1216 coupled, which is between the circulator 1204 and the photodetectors 216a , 216b located. The local one Oscillator beam and the reflected light beam 104 interact with each other on the directional or MMI coupler / combiner 1216 before working on the dual symmetric photodetector 216a , 216b be received. In various embodiments, the transmitter waveguide 1202 , the local oscillator waveguide 1210 and the receiver waveguide 1214 optical fibers.

12 zeigt ferner einen optischen Richtfunk, die mit dem photonischen Chip 1200 verwendet werden kann. Der optische Richtfunk beinhaltet eine Einzellinse 1230. Der gesendete Lichtstrahl 102 und der reflektierte Lichtstrahl durchlaufen beide die Linse 1230. Die Linse 1230 ist in einem Abstand von der Blende 1206 angeordnet, so dass die Linse 1230 eine Kollimatorlinse für den von der Blende 1206 ausgehenden gesendeten Lichtstrahl 102 ist und eine Fokussierlinse ist, die den reflektierten Lichtstrahl 104 auf die Blende 1206 fokussiert. 12th also shows an optical directional radio with the photonic chip 1200 can be used. Optical directional radio contains a single lens 1230 . The beam of light sent 102 and the reflected light beam both pass through the lens 1230 . The Lens 1230 is at a distance from the aperture 1206 arranged so that the lens 1230 a collimator lens for that from the aperture 1206 outgoing transmitted light beam 102 and is a focusing lens that reflects the reflected light beam 104 on the bezel 1206 focused.

Der gesendete Lichtstrahl 102 wird durch die Linse 1230 und auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 geleitet, der den gesendeten Lichtstrahl 102 in eine ausgewählte Richtung lenkt. Der reflektierte Lichtstrahl 104, der aus der gewählten Richtung empfangen wird, wird vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 durch die Linse 1230 und die Blende 1206 geleitet. Die Verwendung des Zirkulators 1204 innerhalb des photonischen Chips 1200 ermöglicht die Verwendung der Einzellinse 1230 zwischen dem photonischen Chip 1200 und dem MEMS-Scanner 206 anstelle einer Vielzahl von Linsen und anderen optischen Richtfunken. Die Verwendung einer Einzellinse 1230 reduziert die Anzahl der Ausrichtungsprobleme zwischen photonischem Chip 1200 und MEMS-Scanner 206 weiter.The beam of light sent 102 is through the lens 1230 and on the mirror 236 of the MEMS scanner 206 directed the beam of light sent 102 steers in a selected direction. The reflected beam of light 104 which is received from the chosen direction is reflected by the mirror 236 of the MEMS scanner 206 through the lens 1230 and the aperture 1206 headed. The use of the circulator 1204 inside the photonic chip 1200 enables the use of the single lens 1230 between the photonic chip 1200 and the MEMS scanner 206 instead of a variety of lenses and other optical directional sparks. The use of a single lens 1230 reduces the number of alignment problems between the photonic chip 1200 and MEMS scanners 206 further.

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 den Anwendungsbereich fallenden Ausführungsformen umfasst.Although the above disclosure has been described with reference to exemplary embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes can be made and equivalents can be replaced by elements thereof without departing from their scope. In addition, many changes can be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the disclosure without departing from the essential scope of the disclosure. It is therefore intended that the present disclosure is not restricted to the individual disclosed embodiments, but rather encompasses all embodiments falling within the scope.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 62731455 [0001]US 62731455 [0001]

Claims (11)

Beansprucht wird:The following are claimed: Ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts, umfassend: Richten eines in einem Laser erzeugten gesendeten Lichtstrahls auf eine Blende eines photonischen Chips über einen Zirkulator des photonischen Chips; Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls an der Blende, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist; Richten des reflektierten Lichtstrahls auf einen oder mehrere Photodetektoren über den Zirkulator; und Erfassen eines Parameters des Objekts aus dem reflektierten Lichtstrahl an einem oder mehreren Photodetektoren.A method of capturing an object comprising: Directing a transmitted light beam generated in a laser onto an aperture of a photonic chip via a circulator of the photonic chip; Receiving a reflected light beam at the diaphragm, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object; Directing the reflected light beam onto one or more photodetectors via the circulator; and Detecting a parameter of the object from the reflected light beam at one or more photodetectors. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erzeugen des gesendeten Lichtstrahls über den Laser des photonischen Chips.The procedure after Claim 1 , further comprising generating the transmitted light beam via the laser of the photonic chip. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Durchleiten des gesendeten Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls durch eine einzige Linse im Freiraum.The procedure after Claim 1 , further comprising passing the transmitted light beam and the reflected light beam through a single lens in the free space. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Richten des gesendeten Lichtstrahls von der Blende in eine ausgewählte Richtung über einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner und das Richten des reflektierten Lichtstrahls, der von der ausgewählten Richtung empfangen wird, auf die Blende.The procedure after Claim 1 , further comprising directing the transmitted light beam from the diaphragm in a selected direction via a microelectromechanical (MEMS) scanner and directing the reflected light beam received from the selected direction onto the diaphragm. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erhalten eines lokalen Oszillatorstrahls aus dem gesendeten Strahl über einen Verteiler zwischen dem Laser und dem Zirkulator und das Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl an einem Ort zwischen dem Zirkulator und einem oder mehreren Photodetektoren.The procedure after Claim 1 , further comprising obtaining a local oscillator beam from the transmitted beam via a distributor between the laser and the circulator and combining the local oscillator beam with the reflected light beam at a location between the circulator and one or more photodetectors. Ein Lidarsystem, umfassend: einen photonischen Chip zum Messen eines Parameters eines Objekts, wobei der photonische Chip beinhaltet: eine Blende, durch die ein innerhalb des photonischen Chips erzeugter gesendeter Lichtstrahl aus dem photonischen Chip austritt und durch die ein reflektierter Lichtstrahl in den photonischen Chip eintritt, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist; einen oder mehrere Photodetektoren, die eingerichtet sind, um den Parameter des Objekts aus mindestens dem reflektierten Lichtstrahl zu messen, und einen in den photonischen Chip integrierten Zirkulator, wobei der Zirkulator eingerichtet ist, um den gesendeten Lichtstrahl auf die Blende zu richten und den reflektierten Lichtstrahl von der Blende auf einen oder mehrere Photodetektoren zu richten.A lidar system comprising: a photonic chip for measuring a parameter of an object, the photonic chip including: an aperture through which a transmitted light beam generated within the photonic chip exits the photonic chip and through which a reflected light beam enters the photonic chip, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object; one or more photodetectors which are configured to measure the parameter of the object from at least the reflected light beam, and a circulator integrated in the photonic chip, the circulator being set up to direct the transmitted light beam onto the diaphragm and to direct the reflected light beam from the diaphragm onto one or more photodetectors. Das Lidarsystem nach Anspruch 6, ferner umfassend einen in den photonischen Chip integrierten Laser, wobei der Laser den gesendeten Lichtstrahl erzeugt.The lidar system after Claim 6 , further comprising a laser integrated in the photonic chip, the laser generating the transmitted light beam. Das Lidarsystem nach Anspruch 6, ferner umfassend eine einzelne Linse im Freiraum vor der Blende, durch die der gesendete Lichtstrahl und der reflektierte Lichtstrahl hindurchgehen.The lidar system after Claim 6 , further comprising a single lens in the free space in front of the diaphragm through which the transmitted light beam and the reflected light beam pass. Das Lidarsystem nach Anspruch 6, ferner umfassend einen mikroelektromechanischen (MEMS) Scanner, der eingerichtet ist, um den gesendeten Lichtstrahl von der Blende in eine ausgewählte Richtung über die, und den von der ausgewählten Richtung empfangenen reflektierten Lichtstrahl in Richtung der Blende zu richten.The lidar system after Claim 6 , further comprising a microelectromechanical (MEMS) scanner, which is configured to direct the transmitted light beam from the diaphragm in a selected direction over and the reflected light beam received from the selected direction in the direction of the diaphragm. Das Lidarsystem nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Verteiler zwischen dem Laser und dem Zirkulator zum Erhalten eines lokalen Oszillatorstrahls aus dem gesendeten Lichtstrahl und einen Kombinator zwischen dem Zirkulator und einem oder mehreren Photodetektoren zum Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl.The lidar system after Claim 7 , further comprising a distributor between the laser and the circulator for obtaining a local oscillator beam from the transmitted light beam and a combiner between the circulator and one or more photodetectors for combining the local oscillator beam with the reflected light beam.
DE102019124598.2A 2018-09-14 2019-09-12 LIDAR SYSTEM WITH INTEGRATED CIRCULATOR Pending DE102019124598A1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862731455P 2018-09-14 2018-09-14
US62/731,455 2018-09-14
US16/554,858 2019-08-29
US16/554,858 US11573297B2 (en) 2018-09-14 2019-08-29 Lidar system with integrated circulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019124598A1 true DE102019124598A1 (en) 2020-03-19

Family

ID=69646766

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019124598.2A Pending DE102019124598A1 (en) 2018-09-14 2019-09-12 LIDAR SYSTEM WITH INTEGRATED CIRCULATOR

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019124598A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021209514A1 (en) Apparatus and method for measuring the distance to an object by scanning
DE102019114579A1 (en) CHIP-SCALE LIDAR WITH A SINGLE MEMS SCANNER IN A COMPACT OPTICAL PACKAGE
DE102006058395B4 (en) Arrangement for the electrical control and fast modulation of THz transmitters and THz measuring systems
EP1529194B1 (en) Method and device for optically measuring distance
DE3904752A1 (en) DEVICE FOR THE OPTICAL DIRECT RECEPTION OF SEVERAL WAVELENGTHS
EP3239734A1 (en) Dynamics extending a distance measuring device with a variable optical weakening element in the transmission channel
EP2488917B1 (en) SYSTEM FOR PRODUCING A THz-SIGNAL HAVING AN ADJUSTABLE TIME POSITION OR PHASE POSITION
DE102019200225A1 (en) Structure for receiving an optical data signal, data transmission system and method for adjusting a structure for receiving and / or transmitting an optical data signal
DE60012704T2 (en) TUNABLE LASER WITH AN INTEGRATED WAVELENGTH MONITORING DEVICE AND ASSOCIATED OPERATING METHOD
DE1299783B (en) Homodyne detector device
DE102019124599B4 (en) METHOD OF DETECTING AN OBJECT AND LIDAR SYSTEM
DE102019126476A1 (en) MULTIPLE PHOTON CHIP LIDAR SYSTEM ARCHITECTURE
DE102019124601A1 (en) COHERENT DETECTION USING BACKPLANE EMISSIONS
DE102019124553A1 (en) CHIP-SCALED LIDAR WITH IMPROVED RANGE
EP4133327A1 (en) Optical coupling and mode-selective separation or overlaying of optical fields
DE60131322T2 (en) Optoelectronic transmission system in a turbulent medium with photodetector matrix and time compensation
DE102019124598A1 (en) LIDAR SYSTEM WITH INTEGRATED CIRCULATOR
EP1262734A1 (en) Device to measure an object without contact, in particular to measure distance and/or vibration
DE102018116950B4 (en) LIDAR system and method for producing a LIDAR chip
EP1378074B1 (en) Device and system for the optical transmission of data between satellites
WO2006092444A1 (en) Optical multiplexer/demultiplexer
DE102019126477A1 (en) HYBRID-OPTICAL PHASE ARRANGEMENT AND MEMS BEAM STEERING FOR A CHIP-SCALE LIDAR SYSTEM
DE102019126494A1 (en) TRANSIMPEDANCE AMPLIFIER FOR LIDAR SYSTEM
EP1014604B1 (en) Method and apparatus for producing an error signal in coherent heterodyne reception of lightwaves
DE102019126478A1 (en) LIDAR SPECTRUM ANALYZER

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication