DE102019124599B4

DE102019124599B4 - Verfahren zum erfassen eines objekts und lidarsystem

Info

Publication number: DE102019124599B4
Application number: DE102019124599.0A
Authority: DE
Inventors: Richard Kremer; Timothy J. Talty; Keyvan Sayyah; Michael Mulqueen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2039-09-13
Also published as: DE102019124599A1

Abstract

Verfahren zum Erfassen eines Objekts (110), umfassend:Erzeugen eines übertragenen Lichtstrahls (102) und eines zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls an einem Laser (210) eines photonischen Chips (202);Verschieben einer Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls über einen Frequenzverschieber des photonischen Chips (202), um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten;Kombinieren eines reflektierten Lichtstrahls (104) mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem Kombinierer des photonischen Chips (202), wobei der reflektierte Lichtstrahl (104) eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls (102) vom Objekt (110) ist; undErhalten einer ersten Messung eines Parameters des Objekts (110) aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls (104) und des frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahls an einem ersten Satz von Photodetektoren (216a, 216b),ferner umfassend das Kombinieren des reflektierten Lichtstrahls (104) mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl und das Erhalten einer zweiten Messung des Parameters des Objekts (110) aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls (104) mit dem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem zweiten Satz von Photodetektoren (1316a, 1316b).

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf Lidarsysteme und deren Anwendungsverfahren, insbesondere auf ein Lidarsystem mit einem Frequenzverschieber zur Beseitigung von Doppler-Mehrdeutigkeiten.
Ein Lidarsystem kann mit einem Fahrzeug verwendet werden, um Objekte in der Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen, so dass das Fahrzeug oder ein Fahrer des Fahrzeugs in Bezug auf das Objekt navigieren kann. Das Lidarsystem erhält verschiedene Parameter des Objekts, wie z.B. seine Reichweite, seine azimutale Position, seine Höhe und seine Geschwindigkeit, in Form einer Dopplerfrequenz. Häufig ist die Dopplerfrequenz durch eine Bewegung des Objekts über ein Testfeld, eine Beschleunigung des Objekts usw. nicht eindeutig. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Beseitigung dieser Doppler-Mehrdeutigkeit in Lidarsystemen bereitzustellen.
WO 2018 / 160 240 A2 beschreibt Techniken zur Doppler-Korrektur einer gechirpten optischen Entfernungsdetektion, umfassend das Erhalten eines ersten Satzes von Entfernungen basierend auf entsprechenden Frequenzunterschieden zwischen einem optischen Rücksignal und einem ersten gechirpten übertragenen optischen Signal mit einem Aufwärts-Chirp, der die Frequenz mit der Zeit erhöht. Ein zweiter Satz von Entfernungen wird basierend auf entsprechenden Frequenzunterschieden zwischen einem optischen Rücksignal und einem zweiten gechirpten übertragenen optischen Signal mit einem Down-Chirp erhalten.
US 2013 / 0 083 389 A1 beschreibt eine photonische integrierte Schaltung und ein zugehöriges Verfahren. Eine photonische integrierte Schaltung umfasst eine Strahlungsquelle, einen oder mehrere optische Verstärker, einen Transceiver und optische Wellenleiter. Die Lichtwellenleiter koppeln Licht zwischen der Strahlungsquelle, dem einen oder den mehreren optischen Verstärkern und dem Transceiver. Der eine oder die mehreren optischen Verstärker sind konfiguriert, um eine optische Leistung des Lichts auf mindestens 10 mW zu erhöhen. Die photonische integrierte Schaltung kann verwendet werden, um Messungen vom Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessertyp durchzuführen.
US 2012 / 0 227 263 A1 beschreibt einen mehraxialen Transceiver mit einer einzigen Öffnung, der in einem LIDAR-System zum Erfassen niedriger Geschwindigkeiten bei erhöhten Entfernungen nützlich ist. Das System ist nützlich bei Systemen, die sehr niedrige Geschwindigkeiten und sehr kurze Distanzen messen sowie eine Reichweite von Hunderten von Metern bereitstellen. Der Transceiver verwendet eng beabstandete Wellenleiter, die nahe dem Brennpunkt eines einzelnen Objektivs angeordnet sind, um Eingangs- und Detektoröffnungen zu bilden.
BESCHREIBUNG
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Lidarsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 angegeben. Beispielhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
In einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen eines übertragenen Lichtstrahls und eines zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls an einem Laser eines photonischen Chips, das Verschieben einer Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls über einen Frequenzverschieber des photonischen Chips, um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten, das Kombinieren eines reflektierten Lichtstrahls mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem Kombinierer des photonischen Chips, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls von dem Objekt ist, und das Erhalten einer ersten Messung eines Parameters des Objekts aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls und des frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahls an einem ersten Satz von Photodetektoren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale, der übertragene Lichtstrahl und der zugehörige lokale Oszillatorstrahl aus einem Chirpsignal. Das Verfahren beinhaltet ferner das Verschieben der Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls durch Verschieben einer Phase des Chirpsignals in einem lokalen Oszillatorwellenleiter des photonischen Chips um einen ausgewählten Betrag. Das Verfahren beinhaltet ferner das Übertragen des übertragenen Lichtstrahls vom photonischen Chip über eine erste Öffnung und das Empfangen des reflektierten Strahls am photonischen Chip über eine zweite Öffnung. Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß das Kombinieren des reflektierten Lichtstrahls mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl und das Erhalten einer zweiten Messung des Parameters des Objekts aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls mit dem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem zweiten Satz von Photodetektoren. Das Verfahren beinhaltet ferner das Entfernen einer Doppler-Mehrdeutigkeit für das Objekt aus einem Vergleich der ersten Messung des Parameters des Objekts und der zweiten Messung des Parameters des Objekts. Das Verfahren beinhaltet ferner das Navigieren eines Fahrzeugs in Bezug auf das Objekt unter Verwendung mindestens der ersten Messung eines Parameters des Objekts.
In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Lidarsystem offenbart. Das Lidarsystem beinhaltet einen photonischen Chip mit einem Laser, einem Frequenzverschieber auf dem Chip, einem Kombinierer und einem ersten Satz Photodetektoren. Der Laser erzeugt einen übertragenen Lichtstrahl und einen zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl innerhalb des photonischen Chips. Der Frequenzverschieber auf dem Chip ist konfiguriert, um eine Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls zu verschieben, um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten. Der Kombinierer ist konfiguriert, um einen reflektierten Lichtstrahl mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu kombinieren, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls von einem Objekt ist. Der erste Satz von Photodetektoren erzeugt ein erstes elektronisches Signal, das sich auf die Kombination aus dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl bezieht. Das Lidarsystem beinhaltet ferner einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine erste Messung eines Parameters aus dem ersten elektronischen Signal zu erhalten.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Laser steuerbar, um ein Chirpsignal für den übertragenen Lichtstrahl und den zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl zu erzeugen. Der Frequenzverschieber verschiebt die Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls, indem er eine Phase des Chirpsignals in einem lokalen Oszillatorwellenleiter um einen ausgewählten Betrag verschiebt. Der photonische Chip beinhaltet ferner eine erste Öffnung, durch die der übertragene Lichtstrahl aus dem photonischen Chip austritt, und eine zweite Öffnung des photonischen Chips, durch die der reflektierte Lichtstrahl in den photonischen Chip eintritt. Der photonische Chip beinhaltet ferner einen zweiten Satz von Photodetektoren, die konfiguriert sind, um ein zweites elektronisches Signal zu erzeugen, das sich auf eine Kombination des reflektierten Lichtstrahls mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl bezieht. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, um eine Doppler-Mehrdeutigkeit für das Objekt aus einem Vergleich des ersten elektronischen Signals und des zweiten elektronischen Signals zu entfernen. Das Lidarsystem beinhaltet ferner ein Navigationssystem, das konfiguriert ist, um ein Fahrzeug in Bezug auf das Objekt unter Verwendung mindestens der ersten Messung des Parameters des Objekts zu navigieren.
In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform ist ein Fahrzeug offenbart. Das Fahrzeug beinhaltet einen photonischen Chip, einen Prozessor und ein Navigationssystem. Der photonische Chip beinhaltet einen Laser, einen Frequenzverschieber auf dem Chip, einen Kombinierer und einen ersten Satz von Photodetektoren. Der Laser ist konfiguriert, um einen übertragenen Lichtstrahl und einen zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl innerhalb des photonischen Chips zu erzeugen. Der Frequenzverschieber auf dem Chip ist konfiguriert, um eine Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls zu verschieben, um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten. Der Kombinierer ist konfiguriert, um einen reflektierten Lichtstrahl mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu kombinieren, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls von einem Objekt ist. Der erste Satz von Photodetektoren ist konfiguriert, um ein erstes elektronisches Signal zu erzeugen, das sich auf die Kombination aus dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl bezieht. Der Prozessor ist konfiguriert, um eine erste Messung eines Parameters aus dem ersten elektronischen Signal zu erhalten. Das Navigationssystem ist konfiguriert ist, um das Fahrzeug in Bezug auf das Objekt unter Verwendung mindestens der ersten Messung des Parameters des Objekts zu navigieren.
Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale ist der Laser steuerbar, um ein Chirpsignal für den übertragenen Lichtstrahl und den zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl zu erzeugen. Der Frequenzverschieber verschiebt die Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls, indem er eine Phase des Chirpsignals in einem lokalen Oszillatorwellenleiter um einen ausgewählten Betrag verschiebt. Der photonische Chip beinhaltet ferner eine erste Öffnung, durch die der übertragene Lichtstrahl aus dem photonischen Chip austritt, und eine zweite Öffnung des photonischen Chips, durch die der reflektierte Lichtstrahl in den photonischen Chip eintritt. Der photonische Chip beinhaltet weiterhin einen zweiten Satz von Photodetektoren, die konfiguriert sind, um ein zweites elektronisches Signal zu erzeugen, das sich auf eine Kombination des reflektierten Lichtstrahls mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl bezieht. Der Prozessor ist ferner konfiguriert, um eine Doppler-Mehrdeutigkeit für das Objekt aus einem Vergleich des ersten elektronischen Signals und des zweiten elektronischen Signals zu entfernen.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich exemplarisch in der folgenden detaillierten Beschreibung, die sich auf die Zeichnungen bezieht, in denen:

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

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sei verstanden, dass in den Zeichnungen entsprechende Referenznummern gleichartige oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform zeigt 1 eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 100, das für die Verwendung mit einem Lidarsystem 200 aus 2 geeignet ist. Das Lidarsystem 200 erzeugt einen übertragenen Lichtstrahl 102, der auf ein Objekt 110 gerichtet ist. Das Objekt 110 kann jedes beliebige Objekt außerhalb des Fahrzeugs 100 sein, wie z.B. ein anderes Fahrzeug, ein Fußgänger, ein Telefonmast, etc. Der reflektierte Lichtstrahl 104, der durch die Wechselwirkung zwischen dem Objekt 110 und dem übertragenen Lichtstrahl 102 entsteht, wird am Lidarsystem 200 zurück empfangen. Ein Prozessor 106 steuert verschiedene Funktionen des Lidarsystems 200, wie z.B. das Steuern einer Lichtquelle des Lidarsystems 200, etc. Der Prozessor 106 empfängt ferner Daten vom Lidarsystem 200 bezüglich der Unterschiede zwischen dem übertragenen Lichtstrahl 102 und dem reflektierten Lichtstrahl 104 und bestimmt aus diesen Daten verschiedene Parameter des Objekts 110. Die verschiedenen Parameter können eine Entfernung oder Reichweite des Objekts 110, azimutale Position, 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 Lidarsystem 200 mit anderen Geräten in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, einschließlich Fahrwerksregelungen und Vorwärts- oder Vorkonditionierung eines Fahrzeugs für raue Straßen.
2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines exemplarischen Lidarsystems 200, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug von 1 geeignet ist. Das Lidarsystem 200 beinhaltet eine Integrationsplattform 240, die eine Siliziumplattform sein kann, und verschiedene befestigte Komponenten. Auf der Integrationsplattform 240 sind ein photonischer Chip 202, eine Freiraumoptik 204 und ein mikroelektromechanischer (MEMS) Scanner 206 angeordnet.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 202 Teil eines scannenden frequenzmodulierten Dauerstrichradarwellen-Lidars (Scanning Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Lidar). Der photonische Chip 202 kann ein photonischer Chip aus Silizium in verschiedenen Ausführungsformen sein. Der photonische Chip 202 kann eine Lichtquelle, einen Wellenleiter und mindestens einen Photodetektor beinhalten. In einer Ausführungsform beinhaltet der photonische Chip 202 eine Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, einen ersten Wellenleiter 212 (hierin auch als lokaler Oszillatorwellenleiter bezeichnet), einen zweiten Wellenleiter 214 (hierin auch als Umkehrsignalwellenleiter bezeichnet) und einen Satz von Photodetektoren 216a und 216b. Der photonische Chip 202 beinhaltet weiterhin einen oder mehrere Kantenkoppler 218, 220 zum Steuern einer Lichteinkopplung in zugehörige Wellenleiter. Die Kantenkoppler können Punktgrößenwandler, Gitter oder jede andere geeignete Vorrichtung zum Übergang von Licht zwischen Freiraumausbreitung und Ausbreitung in einem Wellenleiter sein. An einer ausgewählten Stelle nähern sich der erste Wellenleiter 212 und der zweite Wellenleiter 214 einander an, um einen Mehrmoden-Interferenz (Multimode Interferenz (MMI)) -Koppler 226 zu bilden.
Der Laser 210 ist ein integrierter Bestandteil des photonischen Chips 202. Der Laser 210 kann jeder Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert werden kann und Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge erzeugen kann, wie beispielsweise einer Wellenlänge, die für das menschliche Auge als sicher gilt (z.B. 1550 Nanometer (nm)). Der Laser 210 beinhaltet eine vordere Facette 210a und eine hintere Facette 210b. Ein Großteil der Energie des Lasers 210 wird über die vordere Facette 210a und eine erste Öffnung 222 (Transmissionsöffnung) des photonischen Chips 202 in den freien Raum übertragen. Ein relativ kleiner Prozentsatz der Energie aus dem Laser, auch als Leckageenergie bezeichnet, verlässt den Laser 210 über die hintere Facette 210b und wird in den ersten Wellenleiter 212 gerichtet.
Die als lokaler Oszillatorstrahl verwendete Leckageenergie kann variieren und somit die Messungen in Bezug auf den Parameter des Objekts 110 beeinflussen. Um die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls zu steuern, kann ein variabler Dämpfer im Lichtpfad des lokalen Oszillatorwellenleiters verwendet werden. Wenn die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls eine ausgewählte Leistungsschwelle überschreitet, kann der Dämpfer 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 hinteren Facette 210b des Lasers zu steuern. Die Steuerspannung kann verwendet werden, um die Strahlung oder Leckageenergie an der hinteren Facette 210b entweder zu erhöhen oder zu verringern.
Der erste Wellenleiter 212 stellt einen optischen Pfad zwischen der hinteren Facette 210b des Lasers 210b und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Ein Ende des ersten Wellenleiters 212 ist über den ersten Kantenkoppler 218 mit der hinteren Facette 210b des Lasers 210 verbunden. Die Leckageenergie aus der hinteren Facette 210b wird über den ersten Kantenkoppler 218 in den ersten Wellenleiter 212 gerichtet.
Der zweite Wellenleiter 214 stellt einen optischen Pfad zwischen einer zweiten Öffnung 224, auch als Empfängeröffnung bezeichnet, des photonischen Chips 202 und den Photodetektoren 216a, 216b zur Verfügung. Der zweite Kantenkoppler 220 an der zweiten Öffnung 224 fokussiert den einfallenden reflektierten Lichtstrahl 104 in den zweiten Wellenleiter 214.
Der erste Wellenleiter 212 und der zweite Wellenleiter 214 bilden einen Mehrmoden-Interferenz (Multimode Interferenz (MMI)) -Koppler 226 an einer Stelle zwischen ihren jeweiligen Öffnungen (222, 224) und den Photodetektoren (216a, 216b). Licht im ersten Wellenleiter 212 und Licht im zweiten Wellenleiter 214 interferieren miteinander am MMI-Koppler 226 und die Ergebnisse der Interferenz werden an den Photodetektoren 216a und 216b erfasst. Messungen an den Photodetektoren 216a und 216b werden dem Prozessor 106, 1, zur Verfügung gestellt, der verschiedene Eigenschaften des reflektierten Lichtstrahls 104 und damit verschiedene Parameter des Objekts 110, 1, bestimmt. Die Photodetektoren 216a und 216b wandeln das Lichtsignal (d.h. Photonen) in ein elektrisches Signal (d.h. Elektronen) um. Das elektrische Signal erfordert im Allgemeinen eine zusätzliche Signalverarbeitung wie Verstärkung, Umwandlung von einem elektrischen Stromsignal in ein elektrisches Spannungssignal und Umwandlung von einem analogen Signal in ein diskretes digitales Signal, bevor es dem Prozessor 106 bereitgestellt wird.
Die Freiraumoptik 204 beinhaltet eine Kollimationslinse 228, eine Fokussierlinse 230, einen optischen Zirkulator 232 und einen Umlenkspiegel 234. Die Kollimationslinse 228 ändert den Verlauf des übertragenen Lichtstrahls 102 von einem divergierenden Strahl (beim Verlassen der vorderen Facette 210a des Lasers 210b) in einen kollimierten oder parallelen Lichtstrahl. Der optische Zirkulator 232 steuert eine Richtung des übertragenen Lichtstrahls 102 und des reflektierten Lichtstrahls 104. Der optische Zirkulator 232 richtet den übertragenen Lichtstrahl 102 ohne Winkelabweichung nach vorne und richtet den einfallenden oder reflektierten Lichtstrahl 104 um einen ausgewählten Winkel. In verschiedenen Ausführungsformen ist der gewählte Winkel ein 90-Grad-Winkel, aber es kann jeder geeignete Winkel erreicht werden. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am Umlenkspiegel 234 auf die Fokussierlinse 230 gerichtet. Die Fokussierlinse 230 verändert den Verlauf des reflektierten Lichtstrahls 104 von einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahl in einen konvergierenden Lichtstrahl. Die Fokussierlinse 230 ist in einem Abstand von der zweiten Öffnung 224 angeordnet, der die Konzentration des reflektierten Lichtstrahls 104 auf die zweite Kantenkupplung 220 an der zweiten Öffnung 224 ermöglicht.
Der MEMS-Scanner 206 beinhaltet einen Spiegel 236 zum Scannen des übertragenen Lichtstrahls 102 über eine Vielzahl von Winkeln. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich der Spiegel 236 um zwei Achsen drehen und so den übertragenen Lichtstrahl 102 über einen ausgewählten Bereich scannen. In verschiedenen Ausführungsformen beinhalten die Spiegelachsen eine schnelle Achse mit einem Scanwinkel von etwa 50 Grad und eine quasistatische langsame Achse mit einem Scanwinkel von etwa 20 Grad. Der MEMS-Scanner 206 kann den übertragenen Lichtstrahl in eine ausgewählte Richtung richten und empfängt einen reflektierten Lichtstrahl 104 aus der ausgewählten Richtung.
3 zeigt eine Seitenansicht des Lidarsystems 200 aus 2. Die Integrationsplattform 240 beinhaltet den photonischen Chip 202, der auf einer Oberfläche der Integrationsplattform 240 angeordnet ist. Die Integrationsplattform 240 beinhaltet eine Tasche 242, in der ein optischer Unterbau 244 angeordnet sein kann. Die Freiraumoptik 204 und der MEMS-Scanner 206 können auf dem optischen Unterbau 244 montiert sein und der optische Unterbau kann in der Tasche 242 ausgerichtet sein, um die Kollimationslinse 228 mit der ersten Öffnung 222 des Photonikchips 202 auszurichten und die Fokussierlinse 230 mit der zweiten Öffnung 224 des Photonikchips auszurichten. Der optische Unterbau 244 kann aus einem Material hergestellt sein, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Integrationsplattform 240 entspricht oder im Wesentlichen entspricht, um die Ausrichtung zwischen der Freiraumoptik 204 und dem photonischen Chip 202 aufrechtzuerhalten. Die Integrationsplattform 240 kann mit einer Leiterplatte 246 gekoppelt sein. Die Leiterplatte 246 beinhaltet verschiedene Elektroniken für den Betrieb der Komponenten des Lidarsystems 200, einschließlich der Steuerung des Betriebs 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.
Die Verwendung eines optischen Unterbaus 244 ist eine mögliche Implementierung für eine Ausführungsform der Integrationsplattform 240. In einer weiteren Ausführungsform wird ein optischer Unterbau 244 nicht verwendet und die Freiraumoptik 204 und der MEMS-Spiegel 236 sind direkt auf der Integrationsplattform 240 angeordnet.
4 zeigt einen alternativen photonischen Chip 400, der mit dem Lidarsystem 200 anstelle des photonischen Chips 202 von 2 verwendet werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 400 Teil eines scannenden frequenzmodulierten Dauerstrichradarwellen-Lidars (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 Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert werden kann. In verschiedenen Ausführungsformen erzeugt der Laser 210 Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge, wie beispielsweise einer für das menschliche Auge sicheren Wellenlänge (z.B. 1550 Nanometer (nm)). Der Laser beinhaltet eine vordere Facette 210a, aus der ein Großteil der Laserenergie aus dem Laser 210 austritt, und eine hintere Facette 210b, aus der eine Leckageenergie austritt. Die Energie, die aus der hinteren Facette 210b austritt, kann mit einem Photodetektor (nicht dargestellt) gekoppelt werden, um die Leistung des Lasers 210 zu überwachen. Die vordere Facette 210a des Lasers 210 ist über einen Laser-Kantenkoppler 406, der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderwellenleiter 404 gekoppelt. Der Senderwellenleiter 404 richtet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210a aus dem photonischen Chip 400 über einen Sender-Kantenkoppler 420 als übertragener Lichtstrahl 102.
Ein lokaler Oszillator (LO)-Wellenleiter 408 ist optisch mit dem Senderwellenleiter 404 über einen Richtkoppler/Splitter oder einen Mehrmoden-Interferenz (Multimode-Interferenz (MMI)) -Koppler/Splitter 410 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und dem Sender-Kantenkoppler 420 befindet. Der Richtungs- oder MMI-Koppler/Splitter 410 teilt das Licht von dem Laser 210 in den sich im Senderwellenleiter 404 weiter ausbreitenden übertragenen Lichtstrahl 102 und einen sich im lokalen Oszillatorwellenleiter 408 ausbreitenden lokalen Oszillatorstrahl. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teilungsverhältnis 90% für den übertragenen Lichtstrahl 102 und 10% für den lokalen Oszillatorstrahl betragen. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im lokalen Oszillatorwellenleiter 408 kann durch Verwendung eines variablen Dämpfers im LO-Wellenleiter 408 oder durch Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Der lokale Oszillatorstrahl ist auf die dualsymmetrischen Photodetektoren 216a, 216b gerichtet, die Strahlmessungen durchführen und Lichtsignale in elektrische Signale zur Verarbeitung umwandeln.
Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt über den Empfängerwellenleiter 414 über einen Empfänger-Kantenkoppler 422 in den photonischen Chip 400 ein. Der Empfängerwellenleiter 414 richtet den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Empfänger-Kantenkoppler 422 auf den dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b. Der Empfängerwellenleiter 414 ist optisch mit dem lokalen Oszillatorwellenleiter 408 an einem Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 412 gekoppelt, der sich zwischen dem Empfänger-Kantenkoppler 422 und den Photodetektoren 216a, 216b befindet. Der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 interagieren miteinander am Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 412, bevor sie am dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Senderwellenleiter 404, der lokale Oszillatorwellenleiter 408 und der Empfängerwellenleiter 414 optische Fasern.
5 zeigt einen weiteren alternativen photonischen Chip 500, der anstelle des photonischen Chips 202 aus 2 verwendet werden kann. Der alternative photonische Chip 500 hat ein Design, bei dem der Laser 210 nicht auf dem photonischen Chip 500 integriert ist. Der photonische Chip 500 beinhaltet einen ersten Wellenleiter 502 zur Ausbreitung eines lokalen Oszillatorstrahls innerhalb des photonischen Chips 500 und einen zweiten Wellenleiter 504 zur Ausbreitung eines reflektierten Lichtstrahls 104 innerhalb des photonischen Chips 500. Ein Ende des ersten Wellenleiters 502 ist mit einem ersten Kantenkoppler 506 gekoppelt, der sich an einer ersten Öffnung 508 des photonischen Chips 500 befindet, und der erste Wellenleiter 502 richtet das Signal zu den Photodetektoren 216a und 216b. Ein Ende des zweiten Wellenleiters 504 ist mit einem zweiten Kantenkoppler 510 gekoppelt, der sich an einer zweiten Öffnung 512 befindet, und der zweite Wellenleiter 504 richtet das Signal zu den Photodetektoren 216a, 216b. Der erste Wellenleiter 502 und der zweite Wellenleiter 504 nähern sich einander an einer Stelle zwischen ihren jeweiligen Kantenkopplern 506, 510 und den Photodetektoren 216a, 216b, um einen MMI-Koppler 514 zu bilden, in dem der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 miteinander interferieren.
Der Laser 210 ist außerhalb des Chips (d.h. nicht in den photonischen Chip 500 integriert) und ist mit seiner hinteren Facette 210b auf den ersten Kantenkoppler 506 ausgerichtet. Der Laser 210 kann jeder Einzelfrequenzlaser sein, der frequenzmoduliert 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 Öffnung 508 angeordnet und fokussiert den Leckagestrahl von der hinteren Facette 210b auf den ersten Kantenkoppler 506, so dass der Leckagestrahl in den ersten Wellenleiter 502 als lokaler Oszillatorstrahl eintritt. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im ersten Wellenleiter 502 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfers im ersten Wellenleiter 502 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Licht, das über die vordere Facette 210a aus dem Laser 210 austritt, wird als übertragener Lichtstrahl 102 verwendet und über ein Sichtfeld des Freiraums gerichtet, um von einem Objekt 110, 1, im Sichtfeld reflektiert zu werden. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am zweiten Kantenkoppler 510 über eine geeignete Freiraumoptik (nicht dargestellt) empfangen.
6 zeigt eine verjüngte Laserdiode mit verteilter Bragg-Reflexion (Distributed Bragg Reflection (DBR) Laserdiode) 600. Die DBR Laserdiode 600 kann als Laser 210 für die photonischen Chips 202, 400 und 500 des Lidarsystems 200 verwendet werden. Die DBR Laserdiode 600 beinhaltet einen hochreflektierenden DBR-Rückspiegel 602 an einer hinteren Facette 610b der DBR Laserdiode, einen weniger reflektierenden Frontspiegel 606 an einer vorderen Facette 610a der DBR Laserdiode und einen verjüngten Verstärkungsabschnitt 604 zwischen dem DBR-Rückspiegel 602 und dem Frontspiegel 606. Der DBR-Rückspiegel 602 beinhaltet abwechselnd Bereiche von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Strom oder Energie kann am verjüngten Verstärkungsabschnitt 604 angelegt werden, um Licht mit einer ausgewählten Wellenlänge zu erzeugen.
7 zeigt Details eines Master-Oszillator-Leistungsverstärkers (Master Oscillator Power Amplifier (MOPA)) 700 in einer Ausführungsform. Der MOPA 700 kann als Laser 210 für die photonischen Chips 202, 400 und 500 des Lidarsystems 200 verwendet werden.
Der MOPA 700 beinhaltet einen hochreflektierenden DBR-Rückspiegel 702 an einer hinteren Facette 710b und einen weniger reflektierenden DBR-Frontspiegel 708 nahe 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.
In verschiedenen Ausführungsformen weist der Laser eine Ausgangsleistung der vorderen Facette von 300 MilliWatt (mW) auf und eine Ausgangsleistung der hinteren Facette von etwa 3 mW, wobei eine Linienbreite von weniger als etwa 100 Kilohertz (kHz) aufrechterhalten wird. Der MOPA 700 hat zwar ein komplizierteres Design als die DBR-Laserdiode 600, ist aber oft zuverlässiger bei der Erzeugung der erforderlichen optischen Leistung an der vorderen Facette, während der Einzelfrequenzbetrieb und der Einzelraummodusbetrieb erhalten bleiben.
8 zeigt einen optischen Frequenzverschieber 800 mit einem integrierten Dual I&Q Mach-Zehnder Modulator (MZM) 804. Der optische Frequenzverschieber 800 kann verwendet werden, um eine Frequenz oder Wellenlänge eines lokalen Oszillatorstrahls zu ändern, um Mehrdeutigkeiten bei Messungen des reflektierten Lichtstrahls 104 zu reduzieren. Der optische Frequenzverschieber 800 beinhaltet einen Eingangswellenleiter 802, der dem MZM 804 Licht mit einer ersten Wellenlänge/Frequenz, im Folgenden auch als Diodenwellenlänge/Frequenz (λ_D/f_D) bezeichnet, liefert. Der optische Frequenzverschieber 800 beinhaltet weiterhin einen Ausgangswellenleiter 806, der Licht bei einer verschobenen Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m) vom MZM 804 empfängt. λ_m und f_m sind die Wellenlängenverschiebung und die Frequenzverschiebung, die dem Licht durch das MZM 804 vermittelt wird.
Beim MZM 804 wird das Licht von dem Eingangswellenleiters 802 in mehrere Zweige aufgeteilt. In verschiedenen Ausführungsformen gibt es vier Zweige zum MZM 804. Jeder Zweig beinhaltet einen optischen Pfadverschieber 808, mit dem die Länge des optischen Pfades vergrößert oder verkleinert und damit die Phasenverzögerung entlang des ausgewählten Zweigs geändert werden kann. Ein ausgewählter optischer Pfadverschieber 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 Pfadverschieber 808 und damit die Vergrößerung der Verkleinerung der Länge des optischen Pfades zu steuern. Somit kann ein Bediener oder Prozessor den Wert der Änderung der Wellenlänge/Frequenz (λ_m/f_m) und damit die verschobene Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m) im Ausgangswellenleiter 806 steuern.
9 zeigt einen optischen Frequenzverschieber 900 in einer alternativen Ausführungsform. Der optische Frequenzverschieber 900 beinhaltet einen einzelnen Mach-Zehnder Modulator (MZM) 904 und einen High-Q-Ringresonator-Optikfilter (High-Q Ring Resonator Optical Filter) 908. Das einzelne MZM 904 weist zwei Zweige von Wellenleitern auf, die jeweils einen optischen Pfadverschieber 910 aufweisen. Ein Eingangswellenleiter 902 richtet Licht mit einer Betriebswellenlänge/Frequenz (λ_D/f_D) in das einzelne MZM 904, wobei das Licht auf die Zweige des einzelnen MZM 904 verteilt wird. Die optischen Pfadverschieber 910 werden aktiviert, um dem Licht eine Änderung der Frequenz/Wellenlänge (λ_m/f_m) zu verleihen. Das Licht vom MZM 904 durchläuft den optischen Filter 908 über den Ausgangswellenleiter 906, um die vom einzelnen MZM 904 erzeugten Oberwellen zu reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen hat das über den optischen Filter 908 austretende Licht eine Wellenlänge/Frequenz (λ_D-λ_m/f_D+f_m).
In verschiedenen Ausführungsformen verschiebt der optische Frequenzverschieber (800, 900) die optische Frequenz des lokalen Oszillatorstrahls um bis zu etwa 115 Megahertz (MHz). Der integrierte Dual I&Q MZM 804 ist in der Lage, ein breites Spektrum an optischen Verschiebungen zu erreichen, z.B. um mehr als 1 Gigahertz (GHz), wobei gleichzeitig nur ein geringes Oberwellenlevel (d.h. < -20 dB) erzeugt wird. Häufig wird der integrierte Dual I&Q MZM 804 über den integrierten einzelnen MZM und High-Q-Ringresonator-Optikfilter (High-Q Ring Resonator Optical Filter) 908 ausgewählt, obwohl sein Design komplexer ist.
10 zeigt eine alternative Konfiguration 1000 einer Freiraumoptik 204 und MEMS-Scanner 206 zur Verwendung mit dem Lidarsystem 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet die Kollimationslinse 228, die Fokussierlinse 230, den optischen Zirkulator 232 und den Umlenkspiegel 234 wie in 2 dargestellt. Die Freiraumoptik beinhaltet weiterhin einen Umlenkspiegel 1002, der den übertragenen Lichtstrahl 102 vom optischen Zirkulator 232 auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 und den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 auf den optischen Zirkulator 232 richtet. Der Umlenkspiegel kann das Licht aus der Ebene der Freiraumoptik ablenken und eine Vielzahl von Umlenkspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen.
11 zeigt eine alternative Konfiguration 1100 der Freiraumoptik 204 und des MEMS-Scanners 206 zur Verwendung mit dem Lidarsystem 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet eine einzelne Kollimations- und Fokussierlinse 1102, einen doppelbrechenden Keil 1104, einen Faraday-Rotator 1106 und einen Umlenkspiegel 1108. Die Kollimations- und Fokussierlinse 1102 kollimiert den in eine Richtung verlaufenden übertragenen Lichtstrahl 102 und fokussiert den in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden reflektierten Lichtstrahl 104. Der doppelbrechende Keil 1104 ändert den Pfad eines Lichtstrahls in Abhängigkeit von einer Polarisationsrichtung des Lichtstrahls. Der Faraday-Rotator 1106 beeinflusst die Polarisationsrichtungen der Lichtstrahlen. Aufgrund der Konfiguration des doppelbrechenden Keils 1104 und des Faraday-Rotors 1106 wird der übertragene 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 übertragene Lichtstrahl 102 bei einer ersten Öffnung 1110 aus dem photonischen Chip austreten und am Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 in die ausgewählte Richtung abgelenkt werden. Unterdessen wird der reflektierte Lichtstrahl 104, der sich als übertragener Lichtstrahl 102 am MEMS-Scanner 206 in die entgegengesetzte Richtung bewegt, in eine andere Richtung umgelenkt, die auf eine zweite Öffnung 1112 des photonischen Chips gerichtet ist.
Ein Umlenkspiegel 1108 richtet den übertragenen Lichtstrahl 102 vom Faraday-Rotator 1106 auf den Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 und richtet den reflektierten Lichtstrahl 104 vom Spiegel 236 des MEMS-Scanners 206 auf den Faraday-Rotator 1106. Der Umlenkspiegel 1008 kann das Licht aus der Ebene der Freiraumoptik ablenken und eine Vielzahl von Umlenkspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen.
12 zeigt einen alternativen photonischen Chip 1200, der mit dem Lidarsystem 200 von 2 verwendbar ist, um die Doppler-Mehrdeutigkeit aufzulösen. In verschiedenen Ausführungsformen ist der photonische Chip 1200 Teil eines scannenden frequenzmodulierten Dauerstrichradarwellen-Lidars (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 ein beliebiger Einzelfrequenz-Laser sein, der gesteuert werden kann, um ein linear frequenzmoduliertes (LFM) Signal zu erzeugen, das auch als „Chirp“-Signal bezeichnet wird. 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 Laser-Kantenkoppler (nicht dargestellt), der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderwellenleiter 1202 gekoppelt. Der Senderwellenleiter 1202 leitet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210 aus dem photonischen Chip 1200 über die erste Öffnung 1204 als übertragener Lichtstrahl 102. Die erste Öffnung 1204 kann einen Kantenkoppler wie ein Gitter oder einen Punktgrößenwandler (nicht dargestellt) beinhalten.
Ein lokaler Oszillator-(LO)-Wellenleiter 1208 ist optisch mit dem Senderwellenleiter 1202 über einen Richtkoppler/Splitter oder einen Mehrmoden-Interferenz (Multimode Interferenz(MMI)) -Koppler/Splitter 1210 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und der ersten Öffnung 1204 befindet. Der Richtungs- oder MMI-Koppler/Splitter 1210 teilt das Licht von dem Laser 210 in den übertragenen Lichtstrahl 102, der sich im Senderwellenleiter 1202 weiter ausbreitet, und einen lokalen Oszillatorstrahl, der sich im lokalen Oszillatorwellenleiter 1208 ausbreitet. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Teilungsverhältnis 90% für den übertragenen Lichtstrahl 102 und 10% für den lokalen Oszillatorstrahl betragen. Die Leistung eines lokalen Oszillatorstrahls im lokalen Oszillatorwellenleiter 1208 kann durch die Verwendung eines variablen Dämpfers im LO-Wellenleiter 1208 oder durch die Verwendung einer Steuerspannung am Laser 210 gesteuert werden. Der lokale Oszillatorstrahl ist auf die dualsymmetrischen Photodetektoren 216a, 216b gerichtet, die Strahlmessungen durchführen und die Lichtsignale in elektrische Signale zur Verarbeitung umwandeln.
Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt über eine zweite Öffnung 1206 und den Empfängerwellenleiter 1212 in den photonischen Chip 1200 ein. Die zweite Öffnung 1206 kann einen Kantenkoppler wie ein Gitter oder einen Punktgrößenwandler (nicht dargestellt) beinhalten. Der Empfängerwellenleiter 1212 richtet den reflektierten Lichtstrahl 104 von der zweiten Öffnung 1206 auf den dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b. Der Empfängerwellenleiter 1212 ist optisch mit dem lokalen Oszillatorwellenleiter 1208 an einem Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 1214 gekoppelt, der sich zwischen der zweiten Öffnung 1206 und den Photodetektoren 216a, 216b befindet. Der lokale Oszillatorstrahl und der reflektierte Lichtstrahl 104 interagieren miteinander am Richtungs- oder MMI-Koppler/Kombinierer 1214, bevor sie am dualsymmetrischen Photodetektor 216a, 216b empfangen werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind der Senderwellenleiter 1202, der lokale Oszillatorwellenleiter 1208 und der Empfängerwellenleiter 1212 optische Fasern.
Der lokale Oszillatorwellenleiter 1208 beinhaltet einen optischen Frequenzverschieber 1220. Der optische Frequenzverschieber 1220 befindet sich zwischen dem MMI-Koppler/Splitter 1210 und dem MMI-Koppler/Kombinierer 1214. Der optische Frequenzverschieber 1220 verschiebt die Frequenz des lokalen Oszillatorstrahls. Da der lokale Oszillatorstrahl ein linear frequenzmoduliertes (LFM) Signal oder „Chirp“-Signal ist, kann die Frequenzverschiebung durch Ändern einer Phase des Chirpsignals erreicht werden. Das frequenzverschobene Signal wird dann mit dem reflektierten Strahlsignal am MMI-Koppler/Kombinierer 1214 kombiniert. Das Ergebnis der Kombination liefert eine erste Messung eines Parameters des Objekts. In verschiedenen Ausführungsformen weist die erste Messung eine reduzierte Doppler-Mehrdeutigkeit im Signal auf.
13 zeigt einen weiteren alternativen photonischen Chip 1300, der mit dem Lidarsystem 200 von 2 verwendbar ist, um die Doppler-Mehrdeutigkeit aufzulösen. Der photonische Chip 1300 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle, wie beispielsweise einen Laser 210, der ein integrierter Bestandteil des photonischen Chips 1200 ist. Der Laser 210 kann ein beliebiger Einzelfrequenz-Laser sein, der gesteuert werden kann, um ein linear frequenzmoduliertes (LFM) Signal zu erzeugen, das auch als „Chirp“-Signal bezeichnet wird. 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 Laser-Kantenkoppler (nicht dargestellt), der das Licht vom Laser 210 empfängt, mit einem Senderwellenleiter 1302 gekoppelt. Der Senderwellenleiter 1302 leitet das Licht von der vorderen Facette 210a des Lasers 210 aus dem photonischen Chip 1300 über die erste Öffnung 1304 als übertragener Lichtstrahl 102. Die erste Öffnung 1304 kann einen Kantenkoppler wie ein Gitter oder einen Punktgrößenwandler (nicht dargestellt) beinhalten.
Ein Paar Richtkoppler/Splitter oder MMI-Koppler/Splitter 1308 und 1310 extrahieren aus dem Senderwellenleiter 1302 einen ersten lokalen Oszillatorstrahl, der sich durch einen ersten lokalen Oszillatorwellenleiter 1312 ausbreitet, und einen zweiten lokalen Oszillatorstrahl, der sich durch einen zweiten lokalen Oszillatorwellenleiter 1314 ausbreitet. Der erste lokale Oszillatorwellenleiter 1312 richtet den ersten lokalen Oszillatorstrahl auf einen ersten Satz von dualsymmetrischen Photodetektoren 216a, 216b und der zweite lokale Oszillatorwellenleiter 1314 richtet den zweiten lokalen Oszillatorstrahl auf einen zweiten Satz von dual symmetrischen Photodetektoren 1316a, 1316b.
Der einfallende oder reflektierte Lichtstrahl 104 tritt mit einer zweiten Öffnung 1306 in den photonischen Chip 1300 ein. Die zweite Öffnung 1206 kann einen Kantenkoppler wie ein Gitter oder einen Punktgrößenwandler (nicht dargestellt) beinhalten. Der reflektierte Lichtstrahl 104 wird am Richtkoppler/Splitter oder MMI-Koppler/Splitter 1318 in einen ersten Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls aufgeteilt, der sich durch einen ersten Empfängerwellenleiter 1320 ausbreitet, und einen zweiten Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls, der sich durch einen zweiten Empfängerwellenleiter 1322 ausbreitet. In verschiedenen Ausführungsformen weisen der erste Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls und der zweite Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls die gleiche Intensität auf, da der reflektierte Lichtstrahl 104 an dem Richtkoppler/Splitter oder MMI-Koppler/Splitter 1318 zu 50/50 aufgeteilt wird.
Der erste Empfängerwellenleiter 1320 richtet den ersten Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls 104 von der zweiten Öffnung 1306 auf den ersten Satz des dualsymmetrischen Photodetektors 216a, 216b. Der erste Empfängerwellenleiter 1320 ist optisch mit dem ersten lokalen Oszillatorwellenleiter 1312 am ersten Kombinierer 1324 gekoppelt. Der erste lokale Oszillatorstrahl und der erste Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls interagieren am Kombinierer 1324 miteinander, bevor sie am ersten Satz des dualsymmetrischen Photodetektors 216a, 216b empfangen werden.
Ebenso richtet der zweite Empfängerwellenleiter 1322 den zweiten Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls 104 von der zweiten Öffnung 1306 auf den zweiten Satz von dualsymmetrischen Photodetektoren 1316a, 1316b. Der zweite Empfängerwellenleiter 1322 ist optisch mit dem zweiten lokalen Oszillatorwellenleiter 1314 am zweiten Kombinierer 1326 gekoppelt. Der zweite lokale Oszillatorstrahl und der zweite Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls interagieren miteinander am zweiten Kombinierer 1326, bevor sie am zweiten Satz des dualsymmetrischen Photodetektors 1316a, 1316b empfangen werden.
Der erste lokale Oszillatorwellenleiter 1312 beinhaltet einen optischen Frequenzverschieber 1330, der sich zwischen Richtkoppler/Splitter oder MMI-Koppler/Splitter 1310 und dem ersten Kombinierer 1324 befindet. Der optische Frequenzverschieber 1330 verschiebt die Frequenz des ersten lokalen Oszillatorstrahls unter Verwendung der hierin offenbarten Verfahren. Der erste lokale Oszillatorstrahl wird dann mit dem ersten reflektierten Strahlsignal am ersten Kombinierer 1324 kombiniert. Das Ergebnis der Kombination bietet eine erste Messung eines Parameters des Objekts, dass ein reduziertes Level der Doppler-Mehrdeutigkeit im Signal.
Der zweite lokale Oszillatorstrahl kombiniert sich mit dem zweiten Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls 104 ohne eine optische Frequenzverschiebung. (Der zweite Abschnitt des reflektierten Lichtstrahls ist ein nicht verschobener lokaler Oszillatorstrahl). Daher bietet die Kombination aus dem zweiten lokalen Oszillatorstrahl und dem zweiten reflektierten Strahlsignal am zweiten Satz der Photodetektoren 1316a, 1316b eine zweite Messung des Parameters des Objekts. Ein Prozessor, wie beispielsweise der Prozessor 106 von 1, kann die erste Messung des Parameters des Objekts und die zweite Messung des Parameters des Objekts vergleichen, um eine Doppler-Mehrdeutigkeit in dem Parameter aufzulösen oder zu entfernen.
Obwohl die vorstehende Offenbarung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird von den Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der Offenbarung abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass sich die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern alle in ihren Anwendungsbereich fallenden Ausführungsformen umfasst.

Claims

Verfahren zum Erfassen eines Objekts (110), umfassend: Erzeugen eines übertragenen Lichtstrahls (102) und eines zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls an einem Laser (210) eines photonischen Chips (202); Verschieben einer Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls über einen Frequenzverschieber des photonischen Chips (202), um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten; Kombinieren eines reflektierten Lichtstrahls (104) mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem Kombinierer des photonischen Chips (202), wobei der reflektierte Lichtstrahl (104) eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls (102) vom Objekt (110) ist; und Erhalten einer ersten Messung eines Parameters des Objekts (110) aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls (104) und des frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahls an einem ersten Satz von Photodetektoren (216a, 216b), ferner umfassend das Kombinieren des reflektierten Lichtstrahls (104) mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl und das Erhalten einer zweiten Messung des Parameters des Objekts (110) aus der Kombination des reflektierten Lichtstrahls (104) mit dem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl an einem zweiten Satz von Photodetektoren (1316a, 1316b).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erzeugen des übertragenen Lichtstrahls (102) und des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls aus einem Chirpsignal und das Verschieben der Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls durch Verschieben einer Phase des Chirpsignals in einem lokalen Oszillatorwellenleiter (212) des photonischen Chips (202) um einen ausgewählten Betrag.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Übertragen des übertragenen Lichtstrahls (102) von dem photonischen Chip (202) über eine erste Öffnung (222) und das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls (104) an dem photonischen Chip (202) über eine zweite Öffnung (224).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Entfernen einer Doppler-Mehrdeutigkeit für das Objekt (110) aus einem Vergleich der ersten Messung des Parameters des Objekts (110) und der zweiten Messung des Parameters des Objekts (110).
Lidarsystem (200), umfassend: einen photonischen Chip (202), umfassend: einen Laser (210), der konfiguriert ist, um einen übertragenen Lichtstrahl (102) und einen zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl innerhalb des photonischen Chips (202) zu erzeugen; einen Frequenzverschieber auf dem Chip (202), der konfiguriert ist, um eine Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls zu verschieben, um einen frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu erhalten; einen Kombinierer, der konfiguriert ist, um einen reflektierten Lichtstrahl (104) mit dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl zu kombinieren, wobei der reflektierte Lichtstrahl (104) eine Reflexion des übertragenen Lichtstrahls (102) von einem Objekt (110) ist, und einen ersten Satz von Photodetektoren (216a, 216b), die konfiguriert sind, um ein erstes elektronisches Signal zu erzeugen, das sich auf die Kombination aus dem frequenzverschobenen lokalen Oszillatorstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl (104) bezieht; und einen Prozessor (106), der konfiguriert ist, um eine erste Messung eines Parameters aus dem ersten elektronischen Signal zu erhalten; wobei der photonische Chip (202) ferner einen zweiten Satz von Photodetektoren (1316a, 1316b) umfasst, die konfiguriert sind, um ein zweites elektronisches Signal zu erzeugen, das sich auf eine Kombination des reflektierten Lichtstrahls (104) mit einem nicht verschobenen lokalen Oszillatorstrahl bezieht.
Lidarsystem (200) nach Anspruch 5, wobei der Laser (210) steuerbar ist, um ein Chirpsignal für den übertragenen Lichtstrahl (102) und den zugehörigen lokalen Oszillatorstrahl zu erzeugen, wobei der Frequenzverschieber auf dem Chip (202) konfiguriert ist, um die Frequenz des zugehörigen lokalen Oszillatorstrahls durch Verschieben einer Phase des Chirpsignals in einem lokalen Oszillatorwellenleiter (212) um einen ausgewählten Betrag zu verschieben.
Lidarsystem (200) nach Anspruch 6, ferner umfassend eine erste Öffnung (222) des photonischen Chips (202), durch die der übertragene Lichtstrahl (102) aus dem photonischen Chip (202) austritt, und eine zweite Öffnung (224) des photonischen Chips (202), durch die der reflektierte Lichtstrahl (104) in den photonischen Chip (202) eintritt.
Lidarsystem (200) nach Anspruch 5, wobei der Prozessor (106) ferner konfiguriert ist, um eine Doppler-Mehrdeutigkeit für das Objekt (110) aus einem Vergleich des ersten elektronischen Signals und des zweiten elektronischen Signals zu entfernen.