DE102020208141A1

DE102020208141A1 - Lasersende- und Empfangsmodul für Lidar

Info

Publication number: DE102020208141A1
Application number: DE102020208141.7A
Authority: DE
Inventors: Chan-Hee Kang; Kyeong-Jin Han; Geum-Bong Kang; Hyo-Hoon Park; Seong-Hwan Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Hyundai Motor Co; Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Kia Corp
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-09-09
Also published as: CN113359107A; KR20210112596A; JP2021139869A; US20210278537A1

Abstract

Ein Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDAR kann eine Laserlichtquelle; eine OPA (Optical Phased Array) -Sendevorrichtung, die eingerichtet ist, Laserlicht von der Laserlichtquelle in einen zweidimensionalen (2D) Bereich zu emittieren; eine OPA-Empfangsvorrichtung, die eingerichtet ist, reflektiertes Laserlicht, nachdem dieses von der OPA-Sendevorrichtung emittiert wurde, zu empfangen; eine Mischvorrichtung, die eingerichtet ist, das Laserlicht mit dem reflektierten Laserlicht, das von der OPA-Empfangsvorrichtung empfangen wird, zu mischen; und einen Photodetektor, der eingerichtet ist, ein durch die Mischvorrichtung gemischtes optisches Signal zu detektieren, aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung betreffen ein Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDAR-System (Light Detection and Ranging System) für autonomes Fahren.
HINTERGRUND
Der Begriff „LiDAR“ ist eine Abkürzung für „light detection and ranging“ und ist eine Vorrichtung zur Emission eines Laserpulses, zum Empfang des von einem Zielobjekt in der Umgebung reflektierten Laserpulses, und zum Messen eines Abstands zu dem Zielobjekt, um die Umgebung eines Fahrzeugs genau wiederzugeben. Ein typisches LiDAR-System weist einen Controller, ein Sendemodul, ein Empfangsmodul, und ein optisches Modul zur Strahllenkung auf.
Das optische Modul zur Strahllenkung verwendet einen optisches System mit Motordrehspiegel, und die erforderliche Qualität hinsichtlich der Langzeithaltbarkeit eines mechanisch optischen Systems kann möglicherweise nicht robust für eine Langzeithaltbarkeit eines Fahrzeugs sein.
Um ein solches Abtastverfahren eines Motordrehspiegels zu verbessern, wurde jüngst eine Technologie eines Optical Phased Array (OPA, optisch phasengesteuertes Feld) entwickelt.
Bei der OPA-Technologie handelt es sich um eine Technologie einer optischen Vorrichtung vom Halbleitertyp, welche einen Brechungsindex (eine Phase von Licht) eines Siliziummaterials, durch welches das Licht geleitet wird, elektronisch steuert, um eine Richtung des Lichts einzustellen. Mit anderen Worten wird eine Vielzahl von kleinen Pfaden (Wellenleiter), durch die mittels eines Siliziumhalbleiterprozesses Licht treten kann, gebildet und dienen als optisches Modul zur Strahllenkung durch elektronisches und individuelles Modulieren von Phasen des Lichts, das durch die kleinen Pfade tritt, um es einem Strahl zu erlauben, eine Richtung gemäß gesteuerten Phasen des Lichts in einem Ausgangsteil zu haben.
Ein OPA-Ansteuerungsverfahren umfasst verschiedene Verfahren wie ein Laufzeitverfahren (ToF, Time of Flight), einen Verfahren des moduliertes Dauerstrichs (FMCW) und dergleichen gemäß der Art von Eingangslicht, und unterschiedliche Sende- und Empfangsmodulstrukturen werden in Abhängigkeit von einem Betriebsverfahren benötigt. Ein in jüngster Zeit Aufmerksamkeit auf sich ziehendes Verfahren ist das FMCW-Verfahren. Das FMCW-Verfahren besitzt eine längere Sensierreichweite und eine ausgezeichnete Auflösung im Vergleich zu dem Laufzeitverfahren, hat jedoch den Nachteil, dass es komplexe Sende- und Empfangsmodule erforderlich macht.
Die in diesem Abschnitt zum Hintergrund offenbarten Informationen sollen dem Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung dienen und sollen nicht als Bestätigung betrachtet werden, dass diese Informationen einen Teil des Stands der Technik bilden.
DARSTELLUNG
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung richtet sich auf eine optische Kernvorrichtung für ein autonomes Fahrzeug der nächsten Generation, die in der Lage ist, eine innovative Verkleinerung und Leistungsverbesserung (Detektion eines weit entfernten Objekts) von LiDAR-Komponenten zu erzielen, indem eine OPA (Optical Phased Array) - Systemschaltung zur Abstandsmessung in einem modulierten Direktstrahl (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave) -Verfahren mittels eines Halbleiterprozesses integriert wird.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung können anhand der folgenden Beschreibung verstanden werden und werden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ersichtlich. Ein Fachmann auf dem Gebiet, an den sich die vorliegende Offenbarung richtet, erkennt außerdem, dass die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Offenbarung durch die wie beanspruchten Mittel und Kombinationen dieser verwirklicht werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann ein Lasersende- und Empfangsmodul für LiDAR eine Laserlichtquelle, eine OPA (Optical Phased Array) Sendevorrichtung, die eingerichtet ist, Laserlicht aus der Laserlichtquelle in einen zweidimensionalen (2D) Bereich zu emittieren, eine OPA-Empfangsvorrichtung, die eingerichtet ist, reflektiertes Licht, nachdem dieses von der OPA-Sendevorrichtung emittiert wurde, zu empfangen, eine Mischvorrichtung, die eingerichtet ist, das Laserlicht mit dem reflektierten Licht, das von der OPA-Empfangsvorrichtung empfangen wird, zu mischen, und einen Photodetektor aufweisen, der eingerichtet ist, ein durch die Mischvorrichtung gemischtes optisches Signal zu detektieren.
Ferner kann das Lasersende- und Empfangsmodul ein variables optisches Dämpfungselement, das an einer vorderen Stufe der OPA-Sendevorrichtung angeordnet ist und eingerichtet ist, eine optische Leistung gleichmäßig einzustellen, und einen Richtungskoppler, der an einer vorderen Stufe des variablen optischen Dämpfungselements angeordnet ist und eingerichtet ist, es einem Teil des emittierten Laserlichts zu gestatten, zu der Mischvorrichtung abzuzweigen, aufweisen.
Ferner kann der Richtungskoppler es dem Teil des Laserlichts, der an das variable optische Dämpfungselement wandert, erlauben, als Referenzlicht zu der Mischvorrichtung abzuzweigen, die Mischvorrichtung kann das Referenzlicht mit dem reflektierten Licht mischen, und der Photodetektor kann ein optisches Signal detektieren, das eine Abwärtswandlung erfährt und einen Wandlungsgewinn erhält.
Ferner können der Richtungskoppler, der Photodetektor und die Mischvorrichtung als Empfangsmodul dienen, das in einem modulierten Dauerstrichbetriebsverfahren (FMCW) benötigt wird.
Hierbei kann das Lasersende- und Empfangsmodul ferner eine Mischvorrichtung aufweisen, die an einer vorderen Stufe des Photodetektors angeordnet ist und eingerichtet ist, das Referenzlicht und das reflektierte Laserlicht zu empfangen und eine Phase zu wandeln und zu mischen.
Hierbei kann der Photodetektor einen Photodetektor (PD) vom Wanderwellenleitertyp mit einer Silizium-P-N-Übergangsstruktur aufweisen.
Insbesondere kann die OPA-Sendevorrichtung einen Leistungsteiler, der eingerichtet ist, es dem Laserlicht zu gestatten, in N Kanäle zu verzweigen, wobei „N“ eine natürliche Zahl von zwei oder mehr ist, einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des auf die N Kanäle auftreffenden Laserlichts zu steuern, und einen Strahler, der eingerichtet ist, das durch den Phasenwechsler phasengesteuerte Laserlicht an einen freien Raum mit einer bestimmten Direktionalität abzustrahlen, aufweisen.
Ferner kann der Leistungsteiler einen MMI (Multimode Interference) -Leistungsteiler aufweisen.
Ferner kann der Phasenwechsler die Phase des den Strahler erreichenden Laserlichts steuern, um das durch den Strahler abgestrahlte Laserlicht in eine bestimmte Richtung zu steuern.
Hierbei kann der Phasenwechsler die Phase durch ein elektrooptisches Verfahren (eine p-i-n-Struktur oder p-n Struktur) oder ein thermooptisches Verfahren (eine p-i-n-Struktur oder eine Struktur einer externen Metallheizeinrichtung) steuern.
Ferner kann der Strahler ausgebildet sein, um als 1 ×N Strahlerarray angeordnet zu sein.
Ferner kann jeder Strahler des 1 ×N Strahlerarrays in einer beliebigen Struktur unter einer Gitterstruktur, einer Spiegelstruktur oder einer Nanometalldünnfilmstruktur gebildet sein.
Ferner kann eine Vielzahl von Strahlern ausgebildet sein, um als 1 ×N Strahlerarray in einer Längsrichtung angeordnet zu sein.
Ferner kann die OPA-Sendevorrichtung als eine Vielzahl von OPA-Sendevorrichtungen parallel angeordnet sein, und ein Schalter, der eingerichtet ist, die Vielzahl von OPA-Sendevorrichtungen zu betätigen, kann an einer hinteren Stufe des variablen optischen Dämpfungselements angeordnet sein.
Als nächstes kann die OPA-Empfangsvorrichtung aufweisen: einen Empfänger, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht durch die N Kanäle zu empfangen, einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des reflektierten Laserlichts, das in die N Kanäle abzweigt, zu steuern, und einen Leistungskombinierer, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht zu kombinieren, welches phasengesteuert ist und durch die N Kanäle empfangen wird.
Ferner kann der Phasenwechsler der OPA-Empfangsvorrichtung Phasen des durch die N Kanäle empfangenen, reflektierten Laserlichts auf die gleiche Weise steuern wie bei einer Phasensteuerung durch die OPA-Sendevorrichtung.
Hierbei kann die die OPA-Empfangsvorrichtung als Vielzahl von OPA-Empfangsvorrichtungen parallel angeordnet sein, und ein Schalter, der eingerichtet ist, die Vielzahl von OPA-Empfangsvorrichtungen nacheinander zu bedienen, kann an einer hinteren Stufe des Leistungskombinierers angeordnet sein.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann ein Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDAR (LiDAR) eine OPA (Optical Phased Array) - Sendevorrichtung, die eingerichtet ist, Laserlicht aus einer Laserlichtquelle in einen zweidimensionalen (2D) Bereich zu senden, und eine OPA-Empfangsvorrichtung, die eingerichtet ist, reflektiertes Laserlicht, nachdem dieses durch die OPA-Sendevorrichtung gesendet wurde, zu empfangen, aufweisen, wobei die OPA-Sendevorrichtung und die OPA-Empfangsvorrichtung als Silizium-basierte Einzel-Halbleitervorrichtung modularisiert sind.
Ferner kann die OPA-Sendevorrichtung einen Leistungsteiler, der eingerichtet ist, es dem Laserlicht zu erlauben, in N Kanäle zu verzweigen, wobei „N“ eine natürliche Zahl von zwei oder mehr ist, einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des auf die N Kanäle auftreffenden Laserlichts zu steuern, und einen Strahler aufweisen, der eingerichtet ist, das durch den Phasenwechsler phasengesteuerte Laserlicht mit einer bestimmten Direktionalität abzustrahlen.
Ferner kann die die OPA-Empfangsvorrichtung einen Empfänger, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht durch die N Kanäle zu empfangen, einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des durch die N Kanäle empfangenen, reflektierten Laserlichts zu steuern, und einen Leistungskombinierer aufweisen, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht, welches phasengesteuert ist und durch die N Kanäle empfangen wird, zu kombinieren.
Ferner kann das Lasersende- und Empfangsmodul einen Photodetektor, der eingerichtet ist, das Laserlicht mit dem reflektierten Laserlicht, das durch die OPA-Empfangsvorrichtung empfangen wird, zu vergleichen, und eine Mischvorrichtung, die an einer vorderen Stufe des Photodetektors angeordnet ist und eingerichtet ist, das Referenzlicht und das reflektierte Laserlicht zu empfangen und eine Phase zu wandeln und zu mischen, aufweisen.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, die ein Lasersende- und Empfangsmodul für LiDAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
2 ist eine schematische Darstellung, die eine Verarbeitung eines Strahls aufgrund des Lasersende- und Empfangsmoduls für LiDAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3 ist eine schematische Darstellung, die das von einer OPA-Empfangsvorrichtung 130 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung empfangene Licht darstellt.

BESCHREIBUNG KONKRETER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es sollte nun Bezug genommen werden auf die beigefügten Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung darstellen, und auf die Beschreibung der beigefügten Zeichnungen, um die vorliegende Offenbarung und Betriebsvorteile der vorliegenden Offenbarung und Aufgaben, die durch Ausführen der vorliegenden Offenbarung erzielt werden, vollständig zu verstehen.
In der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können bekannte Technologien oder sich wiederholende Beschreibungen, die den Geist der vorliegenden Offenbarung unnötig verschleiern, verringert oder weggelassen werden.
1 ist eine Darstellung, die ein Lasersende- und Empfangsmodul für LiDAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt, und 2 ist eine schematische Darstellung, die eine Verarbeitung eines Strahls aufgrund des Lasersende- und Empfangsmoduls für LiDAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. Nachfolgend wird ein Lasersende- und Empfangsmodul für LiDAR gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDAR-System, welches einen Abstand mittels eines Strahls aus einer Laserlichtquelle 110 durch eine OPA-Sendevorrichtung 120 und eine OPA-Empfangsvorrichtung 130 in einem frequenzmodulierten Dauerstrich-Verfahren (FMCW) misst.
Beispielsweise dient die Laserlichtquelle 110 (Hybridlaserdioden (LD) -Integration) dazu, einen Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm zu emittieren, und Licht des emittierten Lasers wandert zu einem variablen optisches Dämpfungselement 152. Das variable optische Dämpfungselement 152 gleicht auf die OPA-Sendevorrichtung 120 auftreffende optische Leistung aus.
Bei dem Verfahren zur Veränderung einer Frequenz von Licht mittels Laserzirpen kann es zu einer unerwünschten Variation im optischen Leistungsausgang einer LD kommen. Weil die unerwünschte Variation einen stabilen Betrieb der OPA-Sendevorrichtung 120 beeinträchtigen kann, wird eine Vorrichtung zum Ausgleich der optischen Leistung, die in die OPA-Sendevorrichtung 120 gelangt, in Echtzeit mittels des variablen optischen Dämpfungselements 152 benötigt.
Bei der vorliegenden Offenbarung kann das variable optische Dämpfungselement 152 als die obige Vorrichtung eingesetzt werden, um die optische Leistung auszugleichen, und es kann ein variables optisches Dämpfungselement basierend auf einem Mach-Zehnder-Interferometer mit z.B. einem Silizium-p-n-Übergang, einem p-i-n-Übergang, oder einer Struktur einer Metallheizeinrichtung als ein Arm von jedem Phasenwechsler angewendet werden. Weil die obige Technologie angewendet wird, wird die auf die OPA-Sendevorrichtung 120 auftreffende optische Leistung ausgeglichen, um es der OPA-Sendevorrichtung 120 zu erlauben, einen stabilen Betrieb durchzuführen.
Ferner ist ein Richtungskoppler 151 an einem Pfad angeordnet, so dass ein Referenzlicht an einen Photodetektor 142 (PAT-PD, „balanced photon assisted tunneling“) getrennt von dem Laser wandert, der an das variable optische Dämpfungselement 152 wandert.
Hybridintegration von Halbleiter-basierten LDs kann durch verschiedene Verfahren einschließlich einem Verfahren mittels inverser Verjüngungsstruktur aus verschiedenen Materialien, einem Verfahren mittels einem Faserblockarray, einem Verfahren mittels eines Mikrospiegels aus einer parabolisch-konkaven Form und dergleichen erzielt werden.
Ein Teil des durch die LDs emittierten Lichts wandert an die OPA-Sendevorrichtung 120 über das variable optische Dämpfungselement 152, der übrige Teil des Lichts wird durch den Richtungskoppler 151, der sich an einer vorderen Stufe des variablen optischen Dämpfungselements 152 befindet, getrennt, um über eine Mischvorrichtung 141 zu dem Photodetektor 142 zu wandern, und ein Verhältnis einer Menge des geteilten Lichts wird gemäß einem Entwurfsparameter des Richtungskopplers 151 bestimmt.
Ferner sollte ein Strom zugeführt werden, um eine Halbleiter-LD anzutreiben. Eine Variation in der zentralen Wellenlänge des Lasers erfolgt gemäß einer Variation des Zufuhrbetrags des Stroms, und Variationen in der zentralen Wellenlänge und Frequenz gemäß der Variation in dem Zufuhrbetrag des Stroms werden als ein Zirpen bezeichnet. Licht, das sich periodisch verändert, kann mittels eines Zirp-Phänomens an eine OPA zugeführt werden, und daher kann Eingangslicht für einen FMCW-Betrieb an die OPA-Sendevorrichtung 120 zugeführt werden.
Die OPA-Sendevorrichtung 120 ist eine Vorrichtung des nicht-mechanischen (elektronischen) Strahlabtastens zum Senden eines Strahls an einen zweidimensionalen (2D) Raum.
Wenn von der LD emittiertes Laserlicht zu der OPA-Sendevorrichtung 120 durch das variable optische Dämpfungselement 152 wandert, wird das Laserlicht in mehrere Äste in der OPA-Sendevorrichtung 120 durch Wellenleiter geteilt, Phasen der geteilten Laserlichter werden angeordnet, und dann werden die geteilten Laserlichter wieder kombiniert. Somit wird ein Strahl gemäß den in einem Ausgangsteil des OPA-Sendeelements 120 gesteuerten Phasen an die Umgebung mit einer bestimmten Direktionalität gesendet bzw. übertragen und erreicht ein Objekt bzw. einen Gegenstand, und dann wird das reflektierte Licht wieder von der OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangen.
Die OPA-Sendevorrichtung 120 kann derart eingerichtet sein, dass eine Vielzahl von OPA-Sendevorrichtungen 120 parallel konfiguriert sind, um eine OPA-Sendevorrichtungsgruppe (Tx OPAs) zu bilden. Obgleich in dem Beispiel acht Wellenleiter einer OPA-Sendevorrichtung 120 gezeigt wurden, bedeutet das, dass OPAs mit anderen vertikalen Strahlungswinkeln in mehreren Stufen (Tx OPAs) zur breiten vertikalen Strahllenkung angeordnet sein können. Um die OPAs nacheinander zu bedienen, können 1 × n Schalter 153 (n ist eine natürliche Zahl von zwei oder mehr) an einer hinteren Stufe des variablen optischen Dämpfungselements 152 angeordnet sein.
Die OPA-Sendevorrichtung 120 weist Leistungsteiler 121, einen Phasenwechsler (1 × N-Array) und einen Strahler 123 (1 × N-Array) auf.
Licht, das von einer einzelnen Lichtquelle auftrifft, wird in N Kanäle (N ist eine natürliche Zahl von zwei oder mehr) durch Leistungsteiler 121 getrennt. In diesem Fall sind die Leistungsteiler 121 nicht auf MMI-Leistungsteiler beschränkt und können Leistungsteiler mit verschiedenen Strukturen wie etwa Y-Zweig-Koppler, einen Richtungskoppler, und einen Sternkoppler aufweisen.
Ferner kann, wie in der Zeichnung dargestellt, eine Struktur, bei der 1x2 Leistungsteiler in mehreren Stufen angeordnet sind, oder eine Struktur, bei der eine Vorrichtung dazu verwendet wird, in N Kanäle abzuzweigen.
Wie oben beschrieben kann der Phasenwechsler 122, der mit jedem Kanal verbunden ist, nachdem er in den N Kanal verzweigt, auch ein elektrooptisches Verfahren (z.B. eine p-in- oder p-n-Struktur) oder ein thermooptisches Verfahren (z.B. eine p-i-n Struktur oder eine Struktur einer externen Metallheizeinrichtung) einsetzen, und die Phase des auf jeden Kanal auftreffenden Lichts wird gesteuert, um die Direktionalität des aus dem Strahler 123 abgestrahlten Lichts in die Umgebung (Luft) anzupassen.
Mit anderen Worten dient der Phasenwechsler 122 dazu, die Phasen der Lichtwellen zu steuern, um Lichtwellen mit Phasendifferenzen mit gleichmäßigen Intervallen an jeden Strahler 123 zuzuführen.
Dann werden die phasengesteuerten Kanäle an dem Strahler 123 gesammelt, und die Lichtwellen werden in den Freiraum und in die Umgebung (Luft) in einem Zustand abgestrahlt, in dem sie eine bestimmte Richtung (Winkel) gemäß einer Wellenlänge des Eingangslichts, eine Form der von dem Phasenwechsler 122 gesteuerten Phase, und eine Form und Anordnung des Strahlers 123 haben.
Hierzu kann der Strahler 123 in einer Gitterstruktur, einer Spiegelstruktur, einer Nanometall-Dünnschichtstruktur, oder dergleichen implementiert sein. Zum Beispiel kann eine Gitterstruktur, die an einem Ende des optischen Wellenleiters gebildet ist, die Lichtwellen in einen Raum über einem Gitter aufgrund der Streuung der Lichtwellen, die mit dem Gitter kollidieren, abstrahlen.
Weil der Strahler 123 in einem 1 ×N Strahlerarray gebildet und angeordnet ist, wird die Phase der Lichtwelle, die in das 1×N Strahlerarray eingegeben wird, auf eine bestimmte Phase für jeden Strahler eingestellt, so dass ein Phasenabgleichsstrahl mit einem engen Divergenzwinkel in einem Raum in einer bestimmten Richtung aufgrund von Interferenz zwischen den abgestrahlten Lichtwellen gebildet werden kann.
Bei einem solchen Array erfolgt ein Abtasten in einer Breitenrichtung, bei der es sich um eine Längsrichtung handelt, nicht nur durch eine Veränderung der Phase. Hierzu, wie in der Zeichnung dargestellt, sind eine Vielzahl von 1 ×N Arrays in der Längsrichtung angeordnet, so dass ein Strahl zweidimensional abgestrahlt werden kann. Alternativ kann das Abtasten in der Breitenrichtung implementiert werden, indem eine Wellenlänge oder ein Brechungsindex des Strahlers 123 eingestellt werden.
Wie oben beschrieben ist die OPA-Empfangsvorrichtung 130 eine Vorrichtung, die das reflektierte Licht, nachdem dieses abgestrahlt wurde, empfängt.
Herkömmlich wird eine separate Photodiode oder dergleichen als Vorrichtung zum Empfangen von Licht verwendet, aber in der vorliegenden Offenbarung wird die OPA-Empfangsvorrichtung 130 zusammen mit der OPA-Sendevorrichtung 120 durch einen einzigen Halbleiterprozess hergestellt.
Mit anderen Worten wird Licht, das in die Umgebung (Luft) durch die OPA-Sendevorrichtung 120 in einem Zustand mit einer bestimmten Direktionalität abgestrahlt wird, von einem Objekt bzw. Gegenstand reflektiert und dann durch die OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangen.
Die OPA-Empfangsvorrichtung 130 ist grundsätzlich in der gleichen Struktur wie die OPA-Sendevorrichtung 120 konfiguriert. Wenn das Licht durch einen Empfänger (1×N Array) empfangen wird und eine Phasensteuerung der OPA-Sendevorrichtung 120 und der OPA-Empfangsvorrichtung 130 durch den Phasenwechsler 132 auf die gleiche Weise vorgenommen wird, kann nur ein Bestandteil bzw. eine Komponente des Lichts, das in die gleiche Richtung reflektiert wird, des Lichts, das durch die OPA-Sendevorrichtung 120 in die bestimmte Richtung emittiert wird und dann von dem Objekt reflektiert wird, um gestreut zu werden, durch die OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangen werden, so dass ein Rauschen minimiert wird.
Weil die Phasensteuerung der OPA-Sendevorrichtung 120 und der OPA-Empfangsvorrichtung 130 auf die gleiche Weise erfolgen, bedeutet das wie in dem Fall der Phased-Array Antenne des bestehenden LiDAR, dass das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) deutlich verbessert werden kann. Daher wird die OPA-Empfangsvorrichtung 130 verwendet, so dass es möglich ist, eine Komponente des reflektierten Lichts mit hohem SNR ohne eine Linse zu extrahieren.
Nach der Phaseneinstellung wandert das Licht, das durch einen Leistungskombinierer 131 eine Verstärkung erfährt, an den Photodetektor 142, und Referenzlicht, das von dem Richtungskoppler 151 abzweigt, wird mit dem von der OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangenen Licht verglichen, um einen Abstand zu einem reflektierenden Objekt bzw. Gegenstand zu messen.
Ein Schalter 154, der eingerichtet ist, eine Vielzahl von OPA-Empfangsvorrichtungen 130 zu betätigen, kann an einer hinteren Stufe des Leistungskombinierers 131 angeordnet sein.
3 ist eine schematische Darstellung, die von der OPA-Lichtempfangsvorrichtung 130 empfangenes Licht veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 3 wird der Empfang von dem Objekt reflektierten Licht genauer beschrieben.
Wie in der Zeichnung dargestellt, ist bei einer Antennenanordnungsstruktur der OPA-Empfangsvorrichtung 130 eine Größe eines elektrischen Felds, das von einer n-ten Antenne empfangen wird, wie folgt. $\begin{array}{l} E (n) = \int_{0}^{2 π} \int_{0}^{π} G (θ, Φ) e^{- i \frac{2 π}{λ} Δ l (n)} d θ d Φ \\ Δ l (n) = n d s i n θ cos Φ \\ Δ Φ (n) = \frac{2 π}{λ} (n d s i n θ_{0} cos Φ_{0}) \end{array}$
Das elektrische Feld, das jeder Antenne eingegeben wird bzw. auf jede Antenne trifft, besitzt eine Pfaddifferenz von Δl(n), um eine Phasendifferenz zu bewirken. Ferner ist ΔΦ(n) eine Phasendifferenz, die durch die n-te Antenne der OPA-Empfangsvorrichtung 130 erzeugt wird, welche auf vorgegebene Winkel θ0 und Φ0 zielt.
Deshalb wird das gesamte elektrische Feld, das von der OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangen wird, welche die vorgegebenen Winkel θ0 und Φ0 anstrebt, wie in Gleichung 2 unten ausgedrückt, und eine Interferenzkorrektur, die aufgrund einer Phasendifferenz von jeder Antenne eingetreten ist, wird wie in Gleichung 3 ausgedrückt. $\begin{array}{l} E_{R} (θ_{0} Φ_{0}) = \sum_{n = 0}^{N - 1} E (n) e^{i} Δ Φ (n) = \sum_{n = 0}^{N - 1} {\int_{0}^{2 π} \int_{0}^{π} G (θ, Φ) e}^{i (Δ Φ (n) - \frac{2 π}{λ} Δ l (n))} d θ d Φ \\ = \int_{0}^{2 π} \int_{0}^{π} G {(θ, Φ P {(θ, Φ, θ_{0}, Φ}_{0})}_{d} θ d Φ \end{array}$
$P (θ, Φ, θ_{0}, Φ_{0}) = {\sum_{n = 0}^{N - 1}_{e}}^{^{- i \frac{2 π d}{λ} [n (sin θ cos Φ -sin θ_{0} c o s Φ_{0})]}}$
Das Licht wird von dem Objekt in Form einer Halbkugel reflektiert. Weil jedoch der Abstand zu dem Objekt verglichen mit einer Größe eines Fensters der OPA-Empfangsvorrichtung 130 sehr lang ist, wird das auftreffende Licht zu parallelem Licht, bei dem eine Richtungskomponente konstant ist.
Ferner wird unter Bezugnahme auf die obigen Gleichungen nur ein Strahl mit der gleichen Phase (Richtung) wie der getunte bzw. abgestimmte und abgestrahlte Strahl empfangen, so dass der Photodetektor 142 die Strahlen mit der gleichen Phase vergleicht, um einen Abstand zu dem reflektierenden Objekt zu messen.
Entwurfsmäßig erhöht die OPA-Empfangsvorrichtung 130 die Empfangsleistung in einer Richtung der Verringerung eines Rauschpegels durch Filtern allen Lichts abgesehen von dem Licht, das unter einem vorgegebene Winkel auftritt.
Als nächstes empfängt die Mischvorrichtung 141 das ihr eingegebene Referenzlicht als lokaler Oszillator von der integrierten Hybrid-LD 110 durch den Richtungskoppler 151 und das von der OPA-Sendevorrichtung 120 gesendete Licht, das durch die OPA-Empfangsvorrichtung 130 eingegeben wurde, um das Referenzlicht und das eingegebene Licht durch einen 90-Grad Hybrid-Koppler zu mischen und zu takten.
Wenn zwei Arten von Licht an zwei Eingangsanschlüssen der Mischvorrichtung 141 auftreffen, wird Licht mit einem 180-Grad Phasendifferenzlicht an die Ausgangsanschlüsse ausgegeben, und eine Frequenzdifferenz zwischen dem von der OPA-Empfangsvorrichtung 130 durch den Photodetektor 142 empfangenem Licht und dem Licht des lokalen Oszillators kann extrahiert werden (eine Abwärtswandlungsfunktion). Weil eine Laserfrequenzmodulation mit einer konstanten Rate über der Zeit mittels eines Laserzirpen erfolgt, können Abstandsinformationen zu einem Objekt, das gemessen werden soll, unter Verwendung der extrahierten Frequenzdifferenz zwischen den Lichtern erhalten werden. Ferner ist wie oben beschrieben die Abwärtswandlung möglich und gleichzeitig kann ein Wandlungsgewinn um so viel wie ein Verhältnis zwischen dem Referenzlicht und dem empfangenen Licht erhalten werden, so dass ein großer Vorteil hinsichtlich des Lichtempfangs erhalten werden kann.
Wie oben beschrieben wird ein optisches Signal, das die Abwärtswandlung erfährt und den Wandlungsgewinn erhält, von dem Photodetektor 142 detektiert.
Der Photodetektor 142 (symmetrischer PAT-PD) ist eine Vorrichtung mit einer grundlegenden Funktion der Wandlung eines optischen Signals in ein elektrisches Signal und der Detektion des elektrischen Signals. PAT-PD setzt kein Heteroübergangsmaterial wie etwa Ge oder ein Gruppe III-V-Material ein, setzt alle Silizium-Materialien ein, um als Photodetektor vom Wanderwellenleiter-Typ zu dienen, und ein symmetrischer PAT-PD wird mittels eines entsprechenden PAT-PD konfiguriert.
Weil das bestehende LiDAR reflektiertes Licht durch eine Linse sammelt, wird herkömmlich allgemein eine Avalanche-Photodiode (APD) vom Oberflächenempfangstyp oder ein Einzelphotonendetektor verwendet, wohingegen es bei der vorliegenden Offenbarung schwierig ist, mit einem Oberflächenempfangs-Photodetektor (PD) zu kombinieren, weil das durch die OPA-Empfangsvorrichtung 130 empfangene Licht in einem einzelnen Wellenleiter gesammelt wird, so dass es vorteilhaft ist, eher einen Photodetektor vom Wanderwellenleiter-Typ als einen Photodetektor einer entsprechenden Struktur anzuschließen.
Beispielsweise kommt es in dem Fall eines Wanderwellenleiter-Photodetektors mit einer Silizium-p-n-Übergangsstruktur selten zur Absorption eines Photons, weil Silizium an sich transparent ist für Licht, das eine Wellenlänge von mehr als 1,3 µm besitzt. Dennoch kann ein Photostrom durch Photon Assisted Tunneling und Aufprallionisierung durch Anlegen einer umgekehrten Vorspannung, die für einen p-n-Übergang stark ist, erhalten werden. Deshalb besteht, wenn die obige Struktur verwendet wird, ein Vorteil der Bildung des PD mit allen Siliziummaterialien ohne Schwierigkeit der Bildung eines Heteroübergangs PD mit Ge oder einem Gruppe III-V-Material, so dass in der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Detektion des reflektierten Lichts durch Verbinden der OPA-Empfangsvorrichtung 130 mit dem Photodetektor 142 angewendet wird.
Wie oben beschrieben können gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die OPA-Sendevorrichtung 120, die OPA-Empfangsvorrichtung 130, die Mischvorrichtung 141, und der Photodetektor 142 als Silizium-basiertes Einzel-Halbleitermodul ausgebildet sein und als Schaltung eingerichtet sein, dass es möglich ist, ein LiDAR-System für autonome Fahrzeuge zu bilden, das sehr klein und robust ist.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Empfänger in einer Gesamtheit einer Schaltung des Optical Phase Array (OPA) enthalten, wohingegen in einer verwandten Technik eine Photodiode (PD), die eine getrennte Vorrichtung ist, einen reflektierten Strahl, nachdem dieses abgestrahlt wurde, empfängt. Mit anderen Worten empfängt der Empfänger den reflektierten Strahl als Rx OPA mit der gleichen Struktur wie ein Tx OPA.
Weil die Rx OPA anstelle der PD verwendet wird, die Licht in allen Richtungen empfängt, ist es möglich, reflektiertes Licht mit Direktionalität zu empfangen, so dass Interferenzen aufgrund von Infrarotstrahlen, die von Solarlicht emittiert werden, oder Infrarotstrahlen, die von benachbarten LiDAR-Systemen emittiert werden, entfernt werden können.
Weil ein Frequenzmodulationsverfahren mittels Strominjektion einer Halbleiter LD eingesetzt wird, wird eine platzraubende bzw. sperrige externe Lichtquelle ausgeschlossen und die Halbleiter-LD ist hybridintegriert mit den Sende- und Empfangs-OPAs, so dass ein LiDAR-System für ein autonomes Fahrzeug dahingehend gebildet werden kann. sehr klein zu sein.
Obgleich die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung wie in den Ansprüchen definiert abzuweichen. Dementsprechend sollte angemerkt werden, dass solche Abwandlungen oder Modifikationen innerhalb der Ansprüche der vorliegenden Offenbarung liegen und der Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung sollte auf Grundlage der beigefügten Ansprüche ausgelegt werden.

Claims

Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDar (Light Detection And Ranging), aufweisend: eine Laserlichtquelle; eine OPA (Optical Phased Array) -Sendevorrichtung, die eingerichtet ist, Laserlicht von der Laserlichtquelle in einen zweidimensionalen (2D) Bereich zu emittieren; eine OPA-Empfangsvorrichtung, die eingerichtet ist, reflektiertes Laserlicht, nachdem dieses von der OPA-Sendevorrichtung emittiert wurde, zu empfangen; eine Mischvorrichtung, die eingerichtet ist, das Laserlicht mit dem reflektierten Laserlicht, das von der OPA-Empfangsvorrichtung empfangen wird, zu mischen; und einen Photodetektor, der eingerichtet ist, ein durch die Mischvorrichtung gemischtes optisches Signal zu detektieren.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein variables optisches Dämpfungselement, das an einer vorderen Stufe der OPA-Sendevorrichtung angeordnet ist und eingerichtet ist, eine optische Leistung gleichmäßig einzustellen; und einen Richtungskoppler, der an einer vorderen Stufe des variablen optischen Dämpfungselements angeordnet ist und eingerichtet ist, es einem Teil des emittierten Laserlichts zu gestatten, zu der Mischvorrichtung abzuzweigen.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 2, wobei: der Richtungskoppler es dem Teil des emittierten Laserlichts, der an das variable optische Dämpfungselement wandert, erlaubt, als Referenzlicht zu der Mischvorrichtung abzuzweigen, die Mischvorrichtung das Referenzlicht mit dem reflektierten Laserlicht mischt, und der Photodetektor ein optisches Signal detektiert, das eine Abwärtswandlung erfährt und einen Wandlungsgewinn erhält.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 3, wobei der Richtungskoppler, der Photodetektor und die Mischvorrichtung als Empfangsmodul dienen, das in einem modulierten Dauerstrich-Betriebsverfahren (FMCW) benötigt wird.
Lasersende- und Empfangsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Photodetektor einen Photodetektor (PD) vom Wanderwellenleiter-Typ mit einer Silizium-P-N-Übergangsstruktur aufweist.
Lasersende- und Empfangsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die OPA-Sendevorrichtung aufweist: einen Leistungsteiler, der eingerichtet ist, es dem emittierten Laserlicht zu gestatten, in N Kanäle zu verzweigen, wobei „N“ eine natürliche Zahl von zwei oder mehr ist; einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des auf die N Kanäle auftreffenden Laserlichts zu steuern; und einen Strahler, der eingerichtet ist, das durch den Phasenwechsler phasengesteuerte Laserlicht an einen freien Raum mit einer bestimmten Direktionalität abzustrahlen.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 6, wobei der Leistungsteiler einen MMI (Multimode Interference) -Leistungsteiler aufweist.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Phasenteiler die Phase des den Strahler erreichenden Laserlichts steuert, um das durch den Strahler abgestrahlte Laserlicht in eine bestimmte Richtung zu steuern.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 8, wobei der Phasenwechsler die Phase des Laserlichts durch ein elektrooptisches Verfahren oder ein thermooptisches Verfahren steuert, das elektrooptische Verfahren eine p-i-n-Struktur oder eine p-n-Struktur nutzt, und das thermooptische Verfahren eine p-i-n-Struktur oder eine Struktur einer externen Metallheizeinrichtung nutzt.
Lasersende- und Empfangsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Strahler ausgebildet ist, als 1 ×N Strahlerarray angeordnet zu sein.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 10, wobei jeder Strahler des 1 ×N Strahlerarrays in einer der Strukturen unter einer Gitterstruktur, einer Spiegelstruktur oder einer Nanometall-Dünnschichtstruktur ausgebildet ist.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Vielzahl von Strahlern ausgebildet sind, um als 1×N Strahlerarray in einer Längsrichtung angeordnet zu sein.
Lasersende- und Empfangsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei: die OPA-Sendevorrichtung als eine Vielzahl von OPA-Sendevorrichtungen parallel angeordnet ist, und ein Schalter, der eingerichtet ist, die Vielzahl von OPA-Sendevorrichtungen zu betätigen, an einer hinteren Stufe des variablen optischen Dämpfungselements angeordnet ist.
Lasersende- und Empfangsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die OPA-Empfangsvorrichtung aufweist: einen Empfänger, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht durch die N Kanäle zu empfangen; einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des reflektierten Laserlichts, das in die N Kanäle abzweigt, zu steuern; und einen Leistungskombinierer, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht zu kombinieren, welches phasengesteuert ist und durch die N Kanäle empfangen wird.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 14, wobei der Phasenwechsler der OPA-Empfangsvorrichtung Phasen des durch die N Kanäle empfangenen, reflektierten Laserlichts auf die gleiche Weise steuert wie bei einer Phasensteuerung durch die OP A-Sendevorrichtung.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 14, wobei: die OPA-Empfangsvorrichtung als Vielzahl von OPA-Empfangsvorrichtungen parallel angeordnet ist, und ein Schalter, der eingerichtet ist, die Vielzahl von OPA-Empfangsvorrichtungen nacheinander zu bedienen, an einer hinteren Stufe des Leistungskombinierers angeordnet ist.
Lasersende- und Empfangsmodul für ein LiDAR (LiDAR), aufweisend eine OPA (Optical Phased Array) -Sendevorrichtung, die eingerichtet ist, Laserlicht aus einer Laserlichtquelle in einen zweidimensionalen (2D) Bereich zu senden, und eine OPA-Empfangsvorrichtung, die eingerichtet ist, reflektiertes Laserlicht, nachdem dieses durch die OPA-Sendevorrichtung gesendet wurde, zu empfangen, wobei die OPA-Sendevorrichtung und die OPA-Empfangsvorrichtung als Silizium-basierte Einzel-Halbleitervorrichtung modularisiert sind.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 17, wobei die OPA-Sendevorrichtung aufweist: einen Leistungsteiler, der eingerichtet ist, es dem gesendeten Licht zu erlauben, in N Kanäle zu verzweigen, wobei „N“ eine natürliche Zahl von zwei oder mehr ist; einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des auf die N Kanäle auftreffenden Laserlichts zu steuern; und einen Strahler, der eingerichtet ist, das durch den Phasenwechsler phasengesteuerte Laserlicht mit einer bestimmten Direktionalität abzustrahlen.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 18, wobei die OPA-Empfangsvorrichtung aufweist: einen Empfänger, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht durch die N Kanäle zu empfangen; einen Phasenwechsler, der eingerichtet ist, jede der Phasen des durch die N Kanäle empfangenen, reflektierten Laserlichts zu steuern; und einen Leistungskombinierer, der eingerichtet ist, das reflektierte Laserlicht zu kombinieren, welches phasengesteuert ist und durch die N Kanäle empfangen wird.
Lasersende- und Empfangsmodul nach Anspruch 19, ferner aufweisend: einen Photodetektor, der eingerichtet ist, das gesendete Laserlicht mit dem reflektierten Laserlicht, das durch die OPA-Empfangsvorrichtung empfangen wird, zu vergleichen; und eine Mischvorrichtung, die an einer vorderen Stufe des Photodetektors angeordnet ist und eingerichtet ist, das Referenzlicht und das reflektierte Laserlicht zu empfangen und eine Phase zu wandeln und zu mischen.