DE102019124601A1 - COHERENT DETECTION USING BACKPLANE EMISSIONS - Google Patents

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Oleg Efimov
Michael Mulqueen
Keyvan Sayyah
Pamela R. Patterson
Raymond SARKISSIAN
James H. Schaffner
Biqin HUANG
David Hammon
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Abstract

Ein Lidar-System, ein photonischer Chip und ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts werden offenbart. Das Lidar-System beinhaltet den photonischen Chip. Der photonische Chip beinhaltet einen Laser und einen lokalen Oszillator-Hohlleiter. Der Laser ist in den photonischen Chip integriert und erzeugt an einer hinteren Facette des Lasers eine Lichtenergie, die als lokaler Oszillatorstrahl für den photonischen Chip verwendet wird. Der lokale Oszillator-Hohlleiter empfängt die Leckageenergie als lokale Oszillatorstrahl. Der Laser erzeugt ferner einen gesendeten Lichtstrahl durch eine vordere Facette des photonischen Chips, der die Lichtenergie mit einer Reflexion des gesendeten Lichtstrahls zu einem Objekt kombiniert und eine Kombination aus dem reflektierten Lichtstrahl und der Leckageenergie erfasst, um einen Parameter des Objekts zu bestimmen.A lidar system, a photonic chip and a method for detecting an object are disclosed. The lidar system contains the photonic chip. The photonic chip contains a laser and a local oscillator waveguide. The laser is integrated in the photonic chip and generates a light energy on a rear facet of the laser, which is used as a local oscillator beam for the photonic chip. The local oscillator waveguide receives the leakage energy as a local oscillator beam. The laser also generates a transmitted light beam through a front facet of the photonic chip that combines the light energy with a reflection of the transmitted light beam into an object and detects a combination of the reflected light beam and leakage energy to determine a parameter of the object.

Description

QUERVERWEIS AUF DIE ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATION

Diese Anmeldung beansprucht den Priorität der am 14. September 2018 eingereichten U.S. Provisional Application Serial No. 62/731,475 , 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 / 731.475 , the content of which is incorporated by reference herein in its entirety.

EINFÜHRUNGINTRODUCTION

Die Offenbarung bezieht sich auf Lidar-Systeme, insbesondere auf einen photonischen Chip und das Verwendungsverfahren für ein Lidar-System.The disclosure relates to lidar systems, in particular to a photonic chip and the method of using a lidar system.

Ein Lidar-System für ein Fahrzeug kann einen photonischen Chip mit einem Laser verwenden. Das Laserlicht wird vom photonischen Chip übertragen und von einem Objekt reflektiert. Unterschiede zwischen dem gesendeten Licht und dem reflektierten Licht werden genutzt, um verschiedene Parameter des Objekts zu bestimmen, wie z.B. Reichweite, Azimut, Höhe und Geschwindigkeit. In einigen photonischen Chips wird das Licht des Lasers in einen gesendeten Lichtstrahl zur Übertragung in eine Umgebung des Fahrzeugs und einen lokalen Oszillatorstrahl aufgeteilt, der als Referenzstrahl verwendet wird, um mit dem reflektierten Licht verglichen zu werden. Eine solche Aufteilung oder Teilung des gesendeten Lichts reduziert die Leistung des gesendeten Lichts und damit den Erfassungsbereich des Lidar-Systems. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Lidar-System bereitzustellen, das unterschiedliche Lichtenergie als Referenzstrahl verwendet, um Leistungsverluste und Verschlechterungen des Lidar-Bereichs zu reduzieren.A lidar system for a vehicle can use a photonic chip with a laser. The laser light is transmitted by the photonic chip and reflected by an object. Differences between the transmitted light and the reflected light are used to determine various parameters of the object, such as Range, azimuth, altitude and speed. In some photonic chips, the light from the laser is split into a transmitted light beam for transmission into an environment of the vehicle and a local oscillator beam, which is used as a reference beam to be compared with the reflected light. Such a division or division of the transmitted light reduces the power of the transmitted light and thus the detection area of the lidar system. Accordingly, it is desirable to provide a lidar system that uses different light energy as a reference beam to reduce lidar area power loss and degradation.

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

In einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen eines gesendeten Lichtstrahls durch eine vordere Facette (Frontfläche, Vorderseite) des photonischen Chips und einer Leckageenergie an einer hinteren Facette (hintere Fläche, Rückseite) des Lasers, das Kombinieren der Leckageenergie mit einem reflektierten Lichtstrahl, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist, und das Erfassen einer Kombination aus dem reflektierten Lichtstrahl und der Leckageenergie an einem Satz von Photodetektoren des photonischen Chips zum Bestimmen eines Parameters des Objekts.In an exemplary embodiment, a method of capturing an object is disclosed. The method includes generating a transmitted light beam through a front facet (front surface, front side) of the photonic chip and leakage energy at a rear facet (rear surface, back side) of the laser, combining the leakage energy with a reflected light beam, the reflected light beam being a Is reflection of the transmitted light beam from the object, and detecting a combination of the reflected light beam and the leakage energy on a set of photodetectors of the photonic chip to determine a parameter of the object.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale beinhaltet das Verfahren ferner das Anordnen der vorderen Facette des Lasers an einer ersten Blende des photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Empfangen des reflektierten Lichtstrahls an einer zweiten Blende des photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Richten des gesendeten Lichtstrahls von der ersten Blende auf einen MEMS-Scanner über einen Freiraumthermostat und das Richten des reflektierten Lichtstrahls vom MEMS-Scanner auf die zweite Blende über den Freiraumthermostat. Das Verfahren beinhaltet ferner das Empfangen der Leckageenergie an einem lokalen Oszillatorhohlleiter des photonischen Chips. Das Verfahren beinhaltet ferner das Steuern eines Leistungspegels der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter über ein variables Dämpfungsglied. Das Verfahren beinhaltet ferner das Steuern eines dem Laser zugeführten Spannungspegels, um einen Leistungspegel der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter zu steuern.In addition to one or more of the features described herein, the method further includes placing the front facet of the laser on a first aperture of the photonic chip. The method further includes receiving the reflected light beam at a second aperture of the photonic chip. The method further includes directing the transmitted light beam from the first aperture to a MEMS scanner via a free space thermostat and directing the reflected light beam from the MEMS scanner to the second aperture via the free space thermostat. The method further includes receiving the leakage energy at a local oscillator waveguide of the photonic chip. The method further includes controlling a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide via a variable attenuator. The method further includes controlling a voltage level supplied to the laser to control a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide.

In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein photonischer Chip offenbart. Der photonische Chip beinhaltet einen in den photonischen Chip integrierten Laser, wobei der Laser an einer hinteren Facette eine Leckageenergie erzeugt, die als lokaler Oszillatorstrahl für den photonischen Chip verwendet wird, und einen lokalen Oszillatorhohlleiter zum Empfangen der Leckageenergie als lokaler Oszillatorstrahl.In another exemplary embodiment, a photonic chip is disclosed. The photonic chip includes a laser integrated in the photonic chip, the laser generating leakage energy at a rear facet, which is used as a local oscillator beam for the photonic chip, and a local oscillator waveguide for receiving the leakage energy as a local oscillator beam.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale befindet sich eine vordere Facette des Lasers an einer ersten Blende des photonischen Chips, um einen gesendeten Lichtstrahl in den Freiraum einschließlich eines Objekts zu leiten. Der photonische Chip beinhaltet weiterhin eine zweite Blende zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls, der eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls von einem Objekt im Freiraum ist. Der photonische Chip beinhaltet ferner einen Kombinator zur Kombination des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl. Der photonische Chip beinhaltet weiterhin einen Satz von Photodetektoren, die eingerichtet sind, um ein elektrisches Signal aus einer Kombination aus dem lokalen Oszillatorstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. In addition to one or more of the features described herein, a front facet of the laser is located on a first aperture of the photonic chip to direct a transmitted light beam into the free space including an object. The photonic chip further includes a second aperture for receiving a reflected light beam, which is a reflection of the transmitted light beam from an object in free space. The photonic chip also includes a combiner for combining the local oscillator beam with the reflected light beam. The photonic chip further includes a set of photodetectors configured to generate an electrical signal from a combination of the local oscillator beam and the reflected light beam.

Ein Leistungspegel des Lasers kann über ein variables Dämpfungsglied gesteuert werden, um einen Leistungspegel der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter zu steuern. Ein Netzteil kann einen Leistungspegel steuern, der dem Laser zugeführt wird.A power level of the laser can be controlled via a variable attenuator to control a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide. A power supply can control a power level that is supplied to the laser.

In noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform wird ein Lidar-System offenbart. Das Lidar-System beinhaltet einen photonischen Chip mit einem Laser und einem lokalen Oszillator-Hohlleiter. Der Laser ist in den photonischen Chip integriert und erzeugt an einer hinteren Facette eine Lichtenergie, die als lokaler Oszillatorstrahl für den photonischen Chip genutzt wird. Der lokale Oszillator-Hohlleiter empfängt die Leckageenergie als lokalen Oszillatorstrahl.In yet another exemplary embodiment, a lidar system is disclosed. The lidar system includes a photonic chip with a laser and a local oscillator waveguide. The laser is integrated in the photonic chip and generates a light energy on a rear facet, which is used as a local oscillator beam for the photonic chip. The local oscillator Waveguide receives the leakage energy as a local oscillator beam.

Zusätzlich zu einem oder mehreren der hierin beschriebenen Merkmale befindet sich eine vordere Facette des Lasers an einer ersten Blende des photonischen Chips, um einen gesendeten Lichtstrahl in den Freiraum einschließlich eines Objekts zu leiten. Eine zweite Blende des photonischen Chips empfängt einen reflektierten Lichtstrahl, der eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls von einem Objekt im Freiraum ist. Der photonische Chip umfasst ferner einen Kombinator zum Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl. Der photonische Chip umfasst ferner einen Satz von Photodetektoren, die eingerichtet sind, um ein elektrisches Signal aus einer Kombination aus dem lokalen Oszillatorstrahl und dem reflektierten Lichtstrahl zu erzeugen. Ein Prozessor steuert einen Leistungspegel des lokalen Oszillatorstrahls durch Ausführen von mindestens einem der folgenden Schritte: Steuern eines dem Laser zugeführten Leistungspegels und Steuern eines variablen Dämpfungsglieds im lokalen Oszillatorhohlleiter.In addition to one or more of the features described herein, a front facet of the laser is located on a first aperture of the photonic chip to direct a transmitted light beam into the free space including an object. A second aperture of the photonic chip receives a reflected light beam, which is a reflection of the transmitted light beam from an object in free space. The photonic chip further includes a combiner for combining the local oscillator beam with the reflected light beam. The photonic chip further includes a set of photodetectors configured to generate an electrical signal from a combination of the local oscillator beam and the reflected light beam. A processor controls a power level of the local oscillator beam by performing at least one of the following steps: controlling a power level supplied to the laser and controlling a variable attenuator in the local oscillator waveguide.

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 Lidar-System geeignet ist;
  • 2 zeigt eine detaillierte Darstellung eines exemplarischen Lidar-Systems, das für die Verwendung mit dem Fahrzeug geeignet ist, aus 1;
  • 3 zeigt eine Seitenansicht des Lidar-Systems 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 Freiraumoptik und MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidar-System von 2;
  • 11 zeigt eine alternative Konfiguration von Freiraumoptik und MEMS-Scanner zur Verwendung mit dem Lidar-System von 2; und
  • 12 zeigt einen Laser und ist in einem photonischen Chip in einer Ausführungsform verwendbar.
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 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 free space optics and MEMS scanner for use with the lidar system of 2nd ;
  • 11 shows an alternative configuration of free space optics and MEMS scanner for use with the lidar system of 2nd ; and
  • 12th shows a laser and can be used in a photonic chip in one embodiment.

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 Lidar-System 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 Lidar-Systems 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, eine Freiraumoptik 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 , a free space look 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 (e.g. 1550 Nanometer (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 hinteren Facette 210b des Lasers zu steuern. Die Steuerspannung kann verwendet werden, um die Strahlung oder Leckageenergie an der hinteren 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 on the back facet 210b to control the laser. The control voltage can be used to measure the radiation or leakage energy on 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 hinteren Facette 210b des Lasers 210 gekoppelt. Die Leckageenergie aus der hinteren 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 facet 210b of the laser 210 coupled. The leakage energy from the back 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 Apertur 224, auch Empfängerapertur 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 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 disturbance are sent to 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.

Die Freiraumoptik 204 beinhaltet eine Kollimatorlinse 228, eine Fokussierlinse 230, einen optischen Zirkulator 232 und einen Drehspiegel 234. Die Kollimationslinse 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 open space look 204 includes a collimator lens 228 , a focusing lens 230 , an optical circulator 232 and a rotating mirror 234 . The collimation 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 Lidar-Systems 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. Die Freiraumoptik 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 Kollimationslinse 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 der Freiraumoptik 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 open space look 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 collimation 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 open space optics 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 die Freiraumoptik 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 free space optics 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 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 be coupled to a photodetector (not shown) 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/Splitter oder einen Multimode-Interferenz (MMI)-Koppler/Splitter 410 gekoppelt, der sich zwischen dem Laser 210 und dem Übertragungs-Kantenkoppler 420 befindet. Der Richtungs- oder MMI-Koppler/Splitter 410 teilt das Licht des Lasers 210 in den sich im Senderhohlleiter 404 weiter ausbreitenden gesendeten Lichtstrahl 102 und einen sich im lokalen Oszillatorhohlleiter 408 ausbreitenden lokalen Oszillatorstrahl. 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 Verwendung eines variablen Dämpfungsglieds im LO-Hohlleiter 408 oder durch 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 / splitter or a multimode interference (MMI) coupler / splitter 410 coupled, which is between the laser 210 and the transmission edge coupler 420 located. The directional or MMI coupler / splitter 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 lokale Oszillatorhohlleiter 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 eine geeignete Freiraumoptik 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 suitable free-space optics (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 hinteren Facette 610b der DBR-Laserdiode 600, einen weniger reflektierenden Frontspiegel 606 an einer Vorderseite 610a der DBR-Laserdiode 600 und einen konischen Verstärkungsabschnitt 604 zwischen dem DBR-Rückspiegel 602 und dem Außenspiegel 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 facet 610b the DBR laser diode 600 , a less reflective front mirror 606 on a front 610a the DBR laser diode 600 and a conical reinforcement section 604 between the DBR rearview mirror 602 and the wing 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 hinteren Facette von etwa 3 mW auf, wobei eine Linienbreite von weniger als etwa 100 Kilohertz (kHz) eingehalten wird. Der MOPA 700 hat zwar ein komplizierteres Design als die DBR-Laserdiode 600, ist aber oft zuverlässiger bei der Erzeugung der erforderlichen optischen Leistung an der 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 facet 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 dem MZM 804 Licht mit einer ersten Wellenlänge/Frequenz, im Folgenden auch als Diodenwellenlänge/Frequenz (λD/fD) bezeichnet, liefert. Der optische Frequenzschieber 800 beinhaltet weiterhin einen Ausgangshohlleiter 806, der Licht mit verschobener Wellenlänge/Frequenz (λD-λm/fD+fm) vom MZM 804 empfängt. 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 , the MZM 804 Provides light with a first wavelength / frequency, hereinafter also referred to as diode wavelength / frequency (λ D / f D ). The optical frequency shifter 800 also includes an output waveguide 806 , the light with shifted wavelength / frequency (λ D -λ m / f D + f m ) from the MZM 804 receives. λ m and f m are the wavelength shift or the frequency shift 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 Optischen 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 Freiraumoptik 204 und MEMS-Scanner 206 zur Verwendung mit dem Lidar-System 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet die Kollimatorlinse 228, die Fokussierlinse 230, den optischen Zirkulator 232 und den Drehspiegel 234 wie in 2 dargestellt. Die Freiraumoptik 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 der Freiraumoptik ablenken und eine Vielzahl von Drehspiegeln in verschiedenen Ausführungsformen aufnehmen. 10th shows an alternative configuration 1000 of free space optics 204 and MEMS scanners 206 for use with the lidar system 200 , 2nd . The free-space optics include the collimator lens 228 who have favourited Focusing Lens 230 , the optical circulator 232 and the rotating mirror 234 as in 2nd shown. The open space optics also include 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 from the plane of the free-space optics and can accommodate a large number of rotating mirrors in various embodiments.

11 zeigt eine alternative Konfiguration 1100 der Freiraumoptik 204 und des MEMS-Scanners 206 zur Verwendung mit dem Lidar-System 200, 2. Die Freiraumoptik beinhaltet eine einzelne Kollimations- und Fokussierlinse 1102, einen doppelbrechenden Keil 1104, einen Faraday-Rotator 1106 und einen Drehspiegel 1108. Die Kollimations- 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 transmittierende 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 gesendeten 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 gesendeten 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 the open space look 204 and the MEMS scanner 206 for use with the lidar system 200 , 2nd . The free-space optics contain a single collimation and focusing lens 1102 , a birefringent wedge 1104 , a Faraday rotator 1106 and a rotating mirror 1108 . The collimation 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 transmitting Beam of light 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 that turns out to be a beam of light 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 der Freiraumoptik 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 free-space optics and accommodate a variety of rotating mirrors in different embodiments.

12 zeigt einen Laser 1200, der in einem photonischen Chip in einer Ausführungsform verwendbar ist. Der Laser 1200 ist ein Festkörperlaser und beinhaltet zum Teil eine n-Schicht 1202 und eine p-Schicht 1204 mit einem Übergang 1206 zwischen der n-Schicht 1202 und der p-Schicht 1204. Die n-artige Schicht 1202 ist elektrisch mit einem positiven Anschluss einer Energieversorgung 1208 und die p-artige Schicht 1204 ist elektrisch mit einem negativen Anschluss der Energieversorgung 1208 gekoppelt. Der Laser 1200 stellt einen gesendeten Lichtstrahl 102 von einer vorderen Facette 1200a des Lasers 1200a zur Verfügung. Eine Lichtenergie 1210 wird von einer hinteren Facette 1200b des Lasers emittiert und durch einen lokalen Oszillatorhohlleiter 1212 als lokaler Oszillatorstrahl gesendet. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Prozessor 1220 zur Steuerung der Energieversorgung 1208 verwendet werden, um einen Leistungspegel der Leckageenergie 1210 und damit einen Leistungspegel des lokalen Oszillatorstrahls zu steuern. Alternativ kann der Prozessor 1220 ein variables Dämpfungsglied 1214 des lokalen Oszillatorhohlleiters 1212 steuern, um den Leistungspegel des lokalen Oszillatorstrahls zu steuern. Wenn beispielsweise die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls einen ausgewählten Leistungsschwellenwert überschreitet, kann das variable Dämpfungsglied 1214 aktiviert werden, um dem lokalen Oszillatorstrahl die Leistung des lokalen Oszillatorstrahls nach oben zu begrenzen und damit den Leistungspegel des lokalen Oszillatorstrahls zu begrenzen. 12th shows a laser 1200 which can be used in a photonic chip in one embodiment. The laser 1200 is a solid-state laser and partly includes an n-layer 1202 and a p-layer 1204 with a transition 1206 between the n-layer 1202 and the p-layer 1204. The n-type layer 1202 is electrical with a positive connection of a power supply 1208 and the p-type layer 1204 is electrical with a negative connection of the energy supply 1208 coupled. The laser 1200 represents a transmitted light beam 102 from a front facet 1200a of the laser 1200a to disposal. A light energy 1210 is from a back facet 1200b of the laser and emitted through a local oscillator waveguide 1212 sent as a local oscillator beam. In various embodiments, a processor 1220 to control the energy supply 1208 used to determine a power level of leakage energy 1210 and thereby control a power level of the local oscillator beam. Alternatively, the processor 1220 a variable attenuator 1214 of the local oscillator waveguide 1212 control to control the power level of the local oscillator beam. For example, if the power of the local oscillator beam exceeds a selected power threshold, the variable attenuator can 1214 are activated in order to limit the local oscillator beam the power of the local oscillator beam and thus to limit the power level of the local oscillator beam.

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 die vorliegende Offenbarung nicht auf die offenbarten besonderen Ausführungsformen beschränkt bleibt, sondern alle Ausführungsformen umfasst, die in den Anwendungsbereich fallen.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. Therefore, it is intended that the present disclosure not be limited to the particular embodiments disclosed, but encompass all embodiments that fall within the scope.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 62/731475 [0001]US 62/731475 [0001]

Claims (10)

Ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts, umfassend: Erzeugen, bei einem Laser eines photonischen Chips, eines gesendeten Lichtstrahls durch eine vordere Facette des photonischen Chips und einer Leckageenergie an einer hinteren Facette des Lasers; Kombinieren der Leckageenergie mit einem reflektierten Lichtstrahl, wobei der reflektierte Lichtstrahl eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt ist; und Erfassen einer Kombination aus dem reflektierten Lichtstrahl und der Leckageenergie an einem Satz von Photodetektoren des photonischen Chips, um einen Parameter des Objekts zu bestimmen.A method of capturing an object comprising: Generating, in a laser of a photonic chip, a transmitted light beam through a front facet of the photonic chip and leakage energy at a rear facet of the laser; Combining the leakage energy with a reflected light beam, the reflected light beam being a reflection of the transmitted light beam from the object; and Detecting a combination of the reflected light beam and the leakage energy on a set of photodetectors of the photonic chip to determine a parameter of the object. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Anordnen der vorderen Facette des Lasers an einer ersten Blende des photonischen Chips, das Empfangen des reflektierten Strahls an einer zweiten Blende des photonischen Chips und das Leiten des gesendeten Lichtstrahls von der ersten Blende zu einem MEMS-Scanner über einen Freiraumzirkulator und das Leiten des reflektierten Lichtstrahls vom MEMS-Scanner zur zweiten Blende über den Freiraumzirkulator.The procedure after Claim 1 , further comprising placing the front facet of the laser on a first aperture of the photonic chip, receiving the reflected beam on a second aperture of the photonic chip and directing the transmitted light beam from the first aperture to a MEMS scanner via a free space circulator and the like Directing the reflected light beam from the MEMS scanner to the second aperture via the free space circulator. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Empfangen der Leckageenergie an einem lokalen Oszillatorhohlleiter des photonischen Chips.The procedure after Claim 1 , further comprising receiving the leakage energy at a local oscillator waveguide of the photonic chip. Das Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Steuern eines Leistungspegels der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter über ein variables Dämpfungsglied.The procedure after Claim 3 , further comprising controlling a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide via a variable attenuator. Das Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Steuern eines dem Laser zugeführten Spannungspegels, um einen Leistungspegel der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter zu steuern.The procedure after Claim 3 , further comprising controlling a voltage level supplied to the laser to control a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide. Ein photonischer Chip, umfassend: einen in den photonischen Chip integrierten Laser, wobei der Laser eine Leckageenergie an einer hinteren Facette erzeugt, die als lokaler Oszillatorstrahl für den photonischen Chip verwendet wird; und einen lokalen Oszillatorhohlleiter zum Empfangen der Leckageenergie als lokalen Oszillatorstrahl.A photonic chip comprising: a laser integrated in the photonic chip, the laser generating leakage energy at a rear facet, which is used as a local oscillator beam for the photonic chip; and a local oscillator waveguide for receiving the leakage energy as a local oscillator beam. Der photonische Chip nach Anspruch 6, wobei eine vordere Facette des Lasers an einer ersten Blende des photonischen Chips angeordnet ist, um einen gesendeten Lichtstrahl in einen Freiraum zu leiten, der ein Objekt beinhaltet, und eine zweite Blende empfängt einen reflektierten Lichtstrahl, der eine Reflexion des gesendeten Lichtstrahls vom Objekt im Freiraum ist.The photonic chip after Claim 6 , wherein a front facet of the laser is arranged on a first aperture of the photonic chip to guide a transmitted light beam into a free space that contains an object, and a second aperture receives a reflected light beam that reflects the reflected light beam from the object in the There is freedom. Der photonische Chip nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Kombinator zum Kombinieren des lokalen Oszillatorstrahls mit dem reflektierten Lichtstrahl und einen Satz von Photodetektoren, die eingerichtet sind, um ein elektrisches Signal aus einer Kombination des lokalen Oszillatorstrahls und des reflektierten Lichtstrahls zu erzeugen.The photonic chip after Claim 7 , further comprising a combiner for combining the local oscillator beam with the reflected light beam and a set of photodetectors configured to generate an electrical signal from a combination of the local oscillator beam and the reflected light beam. Der photonische Chip nach Anspruch 6, wobei ein Leistungspegel des Lasers über ein variables Dämpfungsglied steuerbar ist, um einen Leistungspegel der Leckageenergie im lokalen Oszillatorhohlleiter zu steuern.The photonic chip after Claim 6 , wherein a power level of the laser can be controlled via a variable attenuator in order to control a power level of the leakage energy in the local oscillator waveguide. Der photonische Chip nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Energieversorgung, die einen Leistungspegel steuert, der dem Laser zugeführt wird.The photonic chip after Claim 6 , further comprising a power supply that controls a power level that is supplied to the laser.
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