DE102021201488A1

DE102021201488A1 - Emissionseinheit und LiDAR-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102021201488A1
Application number: DE102021201488.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Niklas Caspers; Marc Schmid; Simon Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2022-08-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Emissionseinheit zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung, mit einer Strahlungsquelle, einem Wellenleiter zur Bereitstellung der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung, zumindest einem Strahlteiler zur Aufteilung der in den Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung auf eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern, zumindest einem Phasenschieber, der einem der Emissionswellenleiter zugeordnet ist und der eingerichtet ist, eine Phase einer im zugeordneten Emissionswellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung anhand eines Eingangssignals zu ändern und einer Auskoppelvorrichtung, die eingerichtet ist, die in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppeln. Die Emissionseinheit umfasst ferner mindestens eine Anpassungsstruktur, die einem der Emissionswellenleiter zugeordnet ist, wobei durch die Anpassungsstruktur eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt wird

Description

Die Erfindung betrifft eine Emissionseinheit, mit der elektromagnetische Strahlung gerichtet abgegeben werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine LiDAR-Vorrichtung mit einer solchen Emissionseinheit sowie ein Herstellungsverfahren einer solchen Emissionseinheit.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind LiDAR-Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Laserstrahl mittels Spiegeln in einem Ablenkbereich bewegt wird. Ferner sind LiDAR-Vorrichtungen bekannt, bei denen eine Richtung von emittierter elektromagnetischer Strahlung mittels phasengesteuertem Feld erfolgen kann. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im Infrarotbereich liegen. Dabei wird elektromagnetische Strahlung in mehreren, nebeneinander liegenden Wellenleitern geführt, wobei mittels Phasenschiebern ein Phasenversatz der elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Wellenleiter einstellbar ist. Die elektromagnetische Strahlung wird mittels Auskoppeleinheiten aus den Wellenleitern ausgekoppelt, wobei sich eine Richtung, in der sich im Fernfeld aufgrund konstruktiver Interferenz ein Strahlmaximum einstellt, mittels der Einstellung eines Phasenversatzes in den einzelnen Wellenleitern steuern lässt. Dieses Verfahren ist analog zu sehen zur phasengesteuerten Gruppenantenne für Radarsysteme, jedoch abgestimmt auf elektromagnetische Wellenlängen im optischen, also im sichtbaren, bzw. infraroten Wellenlängenbereich. Eine solche Emissionseinheit kann als optische phasengesteuerte Gruppenlichtquelle oder in englischer Sprache als Optical Phased Array (OPA) bezeichnet werden. Eine solche Ausgestaltung der Emissionseinheit ermöglicht es, auf bewegliche Teile innerhalb der LiDAR-Vorrichtung weitgehend zu verzichten und dadurch eine LiDAR-Vorrichtung zu ermöglichen, die deutlich resistenter gegenüber mechanischen Stößen ist und die ferner kompakter und kostengünstiger herstellbar sein kann.
Eine solche Emissionseinheit kann als integrierte Optik auf einem Wafer bereitgestellt werden, wobei dies einer weiteren Miniaturisierung der Emissionseinheit dienen kann. Es kann vorgesehen sein, dass innerhalb einer LiDAR-Vorrichtung ein zusätzlicher Detektor angeordnet ist, wobei eine Entfernungsmessung mittels des aus dem Stand der Technik bekannten Laufzeitmessverfahrens erfolgt. Alternativ können auf dem Wafer bereits optische Detektoren integriert sein, wobei das ausgesendete Licht in seiner Frequenz moduliert wird und im Detektor eine Überlagerung des ausgesendeten und des rückgestreuten Lichts erfolgt, wobei durch die Veränderung der Frequenz sich das vom Laser aktuell emittierte Licht etwas vom rückgestreuten Licht hinsichtlich der Frequenz unterscheidet und dieser Frequenzunterschied umso größer ist, je größer die Entfernung zum Objekt, das für die Rückstreuung verantwortlich ist, ist. Die Bestimmung der Entfernung kann dabei mittels Auswertung einer Schwebung zwischen dem emittierten und dem rückgestreuten Licht erfolgen.
Die genannte Emissionseinheit basiert also insbesondere darauf, dass eine Phase von in Wellenleitern geführtem Licht exakt kontrolliert wird, um die Richtung des abgestrahlten Lichts entsprechend steuern zu können. Wird nun eine solche Emissionseinheit hergestellt, so ist festzustellen, dass Fabrikationstoleranzen innerhalb der Emissionseinheit eine zufällige Phasenverschiebung bzw. einen zufälligen Phasenoffset erzeugen. Aus diesem Grund muss die Emissionseinheit entsprechend kalibriert werden und mit den einzelnen Phasenschiebern diese zufällige, auf den Fabrikationstoleranzen beruhende Phasenverschiebung kompensiert werden. Dies macht es erforderlich, jeden einzelnen Phasenschieber individuell ansteuern zu können, wodurch eine effiziente Ansteuerung der Emissionseinheit bzw. der Phasenschieber der Emissionseinheit erschwert wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Methode zur Kompensation der durch die Fabrikationstoleranzen verursachten Phasenverschiebung zu erzeugen und damit die Emissionseinheit derart auszugestalten, dass eine vereinfachte Ansteuerung der Phasenschieber möglich wird. Weitere Aufgaben der Erfindung sind, eine LiDAR-Vorrichtung mit einer solchen Emissionseinheit bereitzustellen sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Emissionseinheit bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit der Emissionseinheit, der LiDAR-Vorrichtung sowie dem Verfahren zum Herstellen einer Emissionseinheit der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine Emissionseinheit zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung umfasst eine Strahlungsquelle, einen Wellenleiter, zumindest einen Strahlteiler, zumindest einen Phasenschieber und eine Auskoppelvorrichtung. Die Strahlungsquelle ist eingerichtet, kohärente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, insbesondere im sichtbaren oder infraroten Wellenlängenbereich, also insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 2 µm. Der Wellenleiter dient der Bereitstellung der von der Strahlungsquelle erzeugten Strahlung in die Emissionseinheit. Der Strahlteiler dient der Aufteilung der in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlung auf eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern. Die Emissionswellenleiter sind dabei jeweils parallel angeordnet und erstrecken sich in eine erste Richtung. Die Emissionswellenleiter sind ferner in einer zweiten Richtung senkrecht zur ersten Richtung nebeneinander angeordnet. Die Anzahl der verwendeten Strahlteiler kann dabei von der Anzahl der Emissionswellenleiter abhängen. Die Strahlteiler und die Emissionswellenleiter können derart ausgestaltet sein, dass die durch den Wellenleiter eingekoppelte elektromagnetische Strahlung derart aufgeteilt wird, dass eine Intensität der in den Emissionswellenleitern geführten elektromagnetischen Strahlung für alle Emissionswellenleiter identisch oder zumindest nahezu identisch ist.
Der zumindest eine Phasenschieber der Emissionseinheit, ist einem der Emissionswellenleiter zugeordnet und eingerichtet, eine Phase einer im zugeordneten Emissionswellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung anhand eines Eingangssignals zu ändern. Durch den zumindest einen Phasenschieber kann der im Abschnitt Stand der Technik beschriebene Phasenversatz zwischen den Emissionswellenleitern eingestellt werden, um die Abstrahlrichtung entsprechend steuern zu können. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jedem Emissionswellenleiter oder allen Emissionswellenleitern bis auf einen Emissionswellenleiter ein entsprechender Phasenschieber zugeordnet ist. Die Auskoppelvorrichtung ist eingerichtet, die in den Emissionswellenleitern geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppeln. Die Auskoppelvorrichtung kann dabei im Bereich der Emissionswellenleiter angeordnete Auskoppelstrukturen umfassen. Alternativ kann die Auskoppelvorrichtung ein mit den Emissionswellenleitern gekoppeltes Kristallgitter umfassen. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass jedem Emissionswellenleiter ein eignes Kristallgitter zugeordnet ist.
Um die Fabrikationstoleranzen auszugleichen, umfasst die Emissionseinheit ferner zumindest eine Anpassungsstruktur, die einem der Emissionswellenleiter zugeordnet ist. Die Anpassungsstruktur ist derart ausgestaltet, dass durch die Anpassungsstruktur eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt wird. Die Anpassungsstruktur dient also dem Ausgleich der Fabrikationstoleranzen hinsichtlich einer Phasenlage einer elektromagnetischen Strahlung in den Emissionswellenleitern. Dadurch kann eine Ansteuerung der Phasenschieber deutlich vereinfacht werden und insgesamt eine verbesserte Emissionseinheit bereitgestellt werden.
In einem Verfahren zum Herstellen einer solchen Emissionseinheit werden die folgenden Schritte durchgeführt. Zunächst wird eine Emissionseinheit mit einer Strahlungsquelle, einem Wellenleiter, einer Mehrzahl von Emissionswellenleitern sowie dem zumindest einem Phasenschieber und gegebenenfalls mehreren Phasenschiebern wie bereits beschrieben bereitgestellt. Die Bereitstellung kann dabei insbesondere in Form einer integrierten Optik auf einem Wafer bzw. einem Chip erfolgen. In einem nächsten Verfahrensschritt wird die Strahlungsquelle in Betrieb genommen und eine Phasenlage von elektromagnetischer Strahlung in den Emissionswellenleitern bestimmt. Hierzu sind drei verschiedene Möglichkeiten grundsätzlich denkbar. Es kann eine innerhalb der Emissionseinheit bzw. der integrierten Optik angeordnete Kalibrationsstruktur mit Photodioden vorgesehen sein, mit denen die Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung in jedem einzelnen Emissionswellenleiter überprüft werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein Fernfeld nach der Herstellung zu vermessen und anhand der Vermessung des Fernfeldes die Phasenlage zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den oder die Phasenschieber elektrisch zu charakterisieren und somit Informationen über die Phasenlage innerhalb der Emissionswellenleiter zu erhalten.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun eine Anpassungsstruktur erzeugt, die einem der Emissionswellenleiter zugeordnet ist, wobei durch die Anpassungsstruktur eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt wird. Die Erzeugung der Anpassungsstruktur erfolgt also, nachdem eine Phasenlage der in den Emissionswellenleitern geführten elektromagnetischen Strahlung bestimmt wurde, sodass zunächst in dem Produktionsprozess der Emissionseinheiten nicht eingegriffen werden muss und mittels eines standardisierten Verfahrens die Emissionseinheiten hergestellt werden können, anschließend hinsichtlich der Phasenlage charakterisiert werden können und erst anschließend die Anpassungsstrukturen entsprechend erzeugt werden.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit ist jedem Emissionswellenleiter jeweils eine Anpassungsstruktur zugeordnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass jedem Emissionswellenleiter bis auf einen Emissionswellenleiter jeweils eine Anpassungsstruktur zugeordnet ist. Dies ermöglicht ein genaueres Abstimmen der Phasenlagen innerhalb der Emissionswellenleiter und damit eine weitere Verbesserung der Emissionseinheit.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit weisen die Emissionswellenleiter ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex auf. im Bereich der Anpassungsstruktur weist das erste Material einen veränderten ersten Brechungsindex auf. Durch den veränderten ersten Brechungsindex kann eine Phasenlage der elektromagnetischen Strahlung im zugeordneten Emissionswellenleiter verändert bzw. angepasst werden und so können Fabrikationstoleranzen ausgeglichen werden.
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird beim Erzeugen der Anpassungsstruktur der erste Brechungsindex eines ersten Materials der Emissionswellenleiter in einem Teilbereich verändert. Diese Veränderung des ersten Brechungsindexes des ersten Materials kann insbesondere nachträglich erfolgen. Die Veränderung des ersten Brechungsindex hat eine Veränderung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Strahlung im ersten Material zur Folge, so dass dieser Effekt dazu genutzt werden kann, eine Phasenlage im zugehörigen Emissionswellenleiter anzupassen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Brechungsindex durch eine Laser-induzierte Amorphisierung oder Ablation und/oder eine lokalisierte Rekristallation eines lonen-implantierten Emissionswellenleiterabschnitts und/oder durch UV-Belichtung eines amorphen, mit Wasserstoff versetzten Emissionswellenleiterabschnitts durchgeführt. Bei der Laser-induzierten Amorphisierung wird beispielsweise kristallines Silizium des Emissionswellenleiters durch die Einwirkung einer Laserstrahlung zu amorphem Silizium umgewandelt und dabei der erste Brechungsindex verändert. Bei der Ablation wird Material des Emissionswellenleiters abgetragen durch Einwirkung eines Lasers und dadurch ebenfalls der erste Brechungsindex verändert. In diesen beiden Fällen kann das erste Material beispielsweise Silizium oder Siliziumnitrid sein. Bei der lokalisierten Rekristallation eines lonen-implantierten Emissionswellenleiterabschnitts können bestimmte Abschnitte des Emissionswellenleiters mit einem Fremdatom wie zum Beispiel Germanium dotiert und gleichzeitig amorphisiert werden. Nach der Herstellung kann durch Einwirkung eines Lasers mit einer Wellenlänge von beispielsweise 488 nm eine Rekristallation erfolgen und dadurch der erste Brechungsindex verringert werden. Diese Methode eignet sich ebenfalls beispielsweise für Silizium oder Siliziumnitrid als erstes Material. Ferner kann amorphes Silizium als erstes Material bzw. Teil des ersten Materials verwendet werden und während des Abscheidens mit Wasserstoff versetzt werden. Nach Abschluss des Herstellungsprozesses kann über eine UV-Belichtung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 405 nm der erste Brechungsindex angepasst werden. Dies eignet sich insbesondere für Silizium als erstes Material.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit weisen die Emissionswellenleiter ein zweites Material mit einem zweiten Brechungsindex auf. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zweite Material das erste Material auf zumindest drei Seiten ummantelt und so eine für Wellenleiter typische Struktur der Emissionswellenleiter ausgebildet wird mit dem ersten Material als Kern und dem zweiten Material als Mantel. Soll der Brechungsindex des ersten Materials in diesem Fall verändert werden, so kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Anpassungsstruktur das zweite Material Öffnungen aufweist, damit das erste Material an diesen Stellen zugänglich ist, um eine entsprechende Änderung des Brechungsindex des ersten Materials zu erzeugen.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit weist das zweite Material im Bereich der Anpassungsstruktur einen veränderten zweiten Brechungsindex auf. Auch die Veränderung des zweiten Materials kann eine Anpassung der Phasenlage des entsprechenden Emissionswellenleiters zur Folge haben, sodass sich auch eine Veränderung des zweiten Brechungsindex zur Kompensation der durch die Fertigungstoleranzen unterschiedlichen Phasenlagen innerhalb der Emissionswellenleiter eignet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird dabei beim Erzeugen der Anpassungsstruktur der zweite Brechungsindex des zweiten Materials in einem Teilbereich verändert.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zweite Brechungsindex durch eine Strahlungs-induzierte Verdichtung des zweiten Materials verändert. Das zweite Material kann dabei beispielsweise Siliziumdioxid umfassen, welches durch äußere Einwirkung von Strahlung (Ionenstrahlung, Gammastrahlung, Elektronenstrahlung, UV-Strahlung) eine Veränderung des zweiten Brechungsindex zur Folge hat. Dies kann ferner zu einer resultierenden Verspannung im ersten Material und damit auch zu einer Änderung des ersten Brechungsindex führen. Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung des zweiten Brechungsindex ist Elektronenstrahl-induziertes Bleichen eines Polymers. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zweite Material Chromophormoleküle beinhaltet, die durch lokale Einwirkung von hochenergetischen Elektronen ausbleichen, und sich so der zweite Brechungsindex ändert. Eine weitere Möglichkeit zur Änderung des zweiten Brechungsindex ist die Bestrahlung von Chalkogenid-Gläsern durch sichtbares Licht. Im zweiten Material kann in einem Teilbereich Chalkogenid, wie zum Beispiel GeSbTe oder AS₂S₃ vorgesehen sein. Mittels sichtbaren Lichts lässt sich der Brechungsindex dieser Chalkogenid-Gläser anpassen.
Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des zweiten Brechungsindex ist eine selektive Ätzung des zweiten Materials. Dabei kann innerhalb des zweiten Materials eine zusätzliche Schicht bestehend beispielsweise aus Siliziumnitrid angeordnet werden, die zusätzlich zu einer Schicht aus Siliziumdioxid angeordnet ist. Diese Siliziumnitrid-Schicht lässt sich selektiv durch Ätzung entfernen und dadurch der zweite Brechungsindex verändern.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit ist eine Mehrzahl von Phasenschiebern vorgesehen, wobei mehrere Gruppen von Emissionswellenleitern vorgesehen sind, wobei jede Gruppe von Emissionswellenleitern einen ersten Phasenschieber und eine von der Anzahl der Emissionswellenleiter abhängige Anzahl von zweiten Phasenschiebern aufweist. Es ist ferner eine mit einem Digital-Analog-Wandler verbundene Ansteuerleitung vorgesehen, die jeweils mit einem zweiten Phasenschieber jeder Gruppe von Emissionswellenleitern verbunden ist. Die Anzahl der zweiten Phasenschieber kann dabei der Anzahl der Emissionswellenleiter entsprechen oder um 1 kleiner sein als die Anzahl der Emissionswellenleiter jeder Gruppe. Durch die Ansteuerleitung, mit der jeweils ein zweiter Phasenschieber jeder Gruppe miteinander verbunden ist, werden diese mit der Ansteuerleitung verbundenen zweiten Phasenschieber identisch angesteuert. Dies ist nur möglich, da durch die Anpassungsstruktur die fabrikationsbedingten Phasenunterschiede innerhalb der Emissionswellenleiter entsprechend ausgeglichen wurden. Zur Ansteuerung dieser zweiten Phasenschieber ist also nur noch eine Ansteuerleitung und ein Digital-Analog-Wandler notwendig und nicht jeweils ein Digital-Analog-Wandler für jeden dieser zweiten Phasenschieber. Ferner können mehrere Ansteuerleitungen vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Ansteuerleitungen der Anzahl der zweiten Phasenschieber in jeder Gruppe entspricht und jede Ansteuerleitung mit jeweils einem zweiten Phasenschieber jeder Gruppe verbunden ist. Jede der Ansteuerleitungen kann dann mit einem Digital-Analog-Wandler verbunden sein, wodurch die Anzahl der notwendigen Digital-Analog-Wandler weiter reduziert wird. Die ersten Phasenschieber können jeweils einen eigenen Digital-Analog-Wandler aufweisen.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit entspricht eine Anzahl der Gruppen von Emissionswellenleitern einer ersten Zweierpotenz. Zwischen dem Wellenleiter und den Gruppen von Emissionswellenleitern ist eine von der ersten Zweierpotenz abhängige Anzahl von ersten Strahlteilern angeordnet derart, dass in jeder Gruppe von Emissionswellenleitern eine identische Lichtintensität zur Verfügung steht. Eine Anzahl der Emissionswellenleiter jeder Gruppe entspricht einer zweiten Zweierpotenz. Eine von der zweiten Zweierpotenz abhängige Anzahl von zweiten Strahlteilern ist in jeder Gruppe derart angeordnet, dass in jedem Emissionswellenleiter eine identische Lichtintensität zur Verfügung steht. Eine von der Anzahl der zweiten Phasenschieber pro Gruppe anhängige Anzahl von Ansteuerleitungen ist jeweils mit einem zweiten Phasenschieber pro Gruppe verbunden.
Durch die Verwendung von Zweierpotenzen für die Anzahl der Gruppen von Emissionswellenleitern bzw. für die Anzahl der Emissionswellenleiter in jeder Gruppe kann eine einfache Struktur der Emissionseinheit bereitgestellt werden, bei der elektromagnetische Strahlung beispielsweise auf 32 Gruppen von jeweils 32 Emissionswellenleitern und damit auf insgesamt 1024 Emissionswellenleiter verteilt wird. Zur Ansteuerung sind hierbei jedoch nur 32 Analog-Digital-Wandler für die ersten Phasenschieber und 32 Analog-Digital-Wandler für die Ansteuerleitungen der zweiten Phasenschieber und somit insgesamt nur 64 Analog-Digital-Wandler notwendig, wodurch eine elektrische Ansteuerung deutlich vereinfacht wird. Allgemein kann vorgesehen sein, dass insgesamt 2^N Emissionswellenleiter in 2^M Gruppen mit jeweils 2^(N-M) Emissionswellenleitern vorgesehen sind. Dann werden 2^M erste Phasenschieber mit 2^M Digital-Analog-Wandlern und 2^(N-M) zweite Phasenschieber je Gruppe mit 2^(N-M) Ansteuerleitungen und 2^(N-M) Digital-Analog-Wandlern benötigt. Ist N das Doppelte von M, werden insgesamt 2^(M+1) Digital-Analog-Wandler benötigt.
Durch die Verwendung von Zweierpotenzen wird außerdem ermöglicht, als Strahlteiler jeweils Strahlteiler zu verwenden, bei denen die Lichtintensität gleichmäßig auf zwei Ausgänge verteilt wird. Es sind jedoch auch andere Geometrien denkbar, bei denen unterschiedliche Strahlteiler verwendet werden. Beispielsweise könnte vorgesehen sein, von der durch den Wellenleiter bereitgestellten Lichtintensität zunächst ein Viertel abzutrennen und zu einer Gruppe zu leiten, von den restlichen drei Vierteln im nächsten ersten Strahlteiler ein Drittel abzutrennen, was einer Gesamtintensität von wiederum einem Viertel entspricht und zu einer zweiten Gruppe zu leiten, von der verbleibenden Intensität von drei Viertel mal zwei Drittel, also der Hälfte, mit einem weiteren Strahlteiler, mit dem die Intensität gleichmäßig verteilt wird, vorzusehen und somit jeweils ein weiteres Viertel der Gesamtintensität den entsprechenden Gruppen zuzuleiten. Eine ähnliche Aufteilung kann auch für die zweiten Strahlteiler innerhalb der Gruppen jeweils vorgesehen werden.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit ist ein erster Digital-Analog-Wandler über einen ersten Spannungsteiler mit den ersten Phasenschiebern verbunden und/oder ein zweiter Digital-Analog-Wandler über einen zweiten Spannungsteiler mit den Ansteuerleitungen verbunden. Sind beide Varianten vorgesehen, so reduziert sich eine Anzahl der benötigten Digital-Analog-Wandler auf zwei, da sämtliche ersten Phasenschieber mit dem ersten Digital-Analog-Wandler und sämtliche zweiten Phasenschieber mit dem zweiten Digital-Analog-Wandler angesteuert werden können. Auch dies ist nur möglich, wenn durch die Anpassungsstrukturen eine entsprechende Kompensation der fabrikationsbedingten Phasenverschiebungen innerhalb der Emissionswellenleiter möglich gemacht wird.
In einer Ausführungsform der Emissionseinheit umfasst die Auskoppelvorrichtung ein Bragg-Gitter. Die Strahlungsquelle ist eingerichtet, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer veränderbaren Wellenlänge zu erzeugen. Durch die Anordnung der Emissionswellenleiter kann insbesondere eine Steuerung der ausgesandten elektromagnetischen Strahlung in der zweiten Richtung erfolgen. Ist als Auskoppelvorrichtung ein Bragg-Gitter vorgesehen, kann mit der veränderten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung eine Strahlablenkung in der ersten Richtung, also entlang der Emissionswellenleiter, erfolgen. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht also eine zweidimensionale Steuerung des abgestrahlten Lichts, wobei die Abstrahlung in einer Dimension über die Phasenschieber und in einer anderen Dimension über die Wellenlänge des Lasers gesteuert wird.
Die Erfindung umfasst ferner eine LIDAR-Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Emissionseinheit, einer Ansteuereinheit und einem Detektor. Die Ansteuereinheit ist eingerichtet, die für die Phasenschieber der Emissionseinheit anzuwendenden Phasen vorzugeben und dadurch einen von der Emissionseinheit emittierten Strahl in seiner Richtung zu beeinflussen. Zurückgeworfenes Licht kann vom Detektor detektiert und daraus eine Entfernungspunktwolke bestimmt werden. Kann die Wellenlänge der Strahlungsquelle verändert werden, so kann die Ansteuereinheit ferner eingerichtet sein, diese veränderte Wellenlänge der Strahlungsquelle ebenfalls zu beeinflussen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Emissionseinheit;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Emissionseinheit;
3 einen Emissionswellenleiterquerschnitt;
4 eine vergrößerte Darstellung eines Emissionswellenleiters mit einer Anpassungsstruktur;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Emissionseinheit;
6 eine weitere schematische Darstellung einer Emissionseinheit;
7 eine schematische Darstellung einer elektrischen Ansteuerung von ersten Phasenschiebern;
8 eine schematische Darstellung einer elektrischen Ansteuerung von zweiten Phasenschiebern;
9 eine schematische Darstellung einer weiteren Emissionseinheit;
10 eine LiDAR-Vorrichtung; und
11 ein Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens einer Emissionseinheit.

1 zeigt eine Emissionseinheit 100 zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung mit einer Strahlungsquelle 110, einem Wellenleiter 120, mehreren Strahlteilern 130, mehreren Emissionswellenleitern 150, mehreren Phasenschiebern 140, einer Auskoppelvorrichtung 160 sowie mehreren Anpassungsstrukturen 170. Die Strahlungsquelle 110 ist eingerichtet, kohärente Strahlung zu erzeugen. Dies bedeutet insbesondere, dass die Strahlungsquelle 110 einen Laser umfassen kann. Die Strahlungsquelle 110 kann dabei eine Emissionswellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im infraroten Wellenlängenbereich aufweisen. Eine Emissionswellenlänge kann also insbesondere zwischen 400 nm und 2 µm liegen.
Die von der Strahlungsquelle 110 erzeugte elektromagnetische Strahlung wird in den Wellenleiter 120 eingekoppelt. Die Strahlteiler 130 dienen dazu, die in den Wellenleiter 120 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung auf die Mehrzahl von Emissionswellenleitern 150 aufzuteilen. Dabei sind in 1 beispielhaft vier Emissionswellenleiter 150 gezeigt, wobei durchaus auch eine andere Anzahl von Emissionswellenleitern 150 vorgesehen sein kann. Dabei umfasst die Emissionseinheit 100 der 1 drei Strahlteiler 130, wobei durch Ziffern innerhalb der Symbole der Strahlteiler 130 eine Aufteilung der Lichtintensität auf zwei Ausgänge der Strahlteiler 130 symbolisiert ist. Die drei Strahlteiler 130 in 1 weisen jeweils ein Strahlteilungsverhältnis von 1:1 auf, wobei das Licht vom Wellenleiter 120 zunächst 1:1 aufgeteilt wird, diese beiden Lichtintensitäten jeweils einem weiteren Strahlteiler 130 zugeführt werden und diese weiteren Strahlteiler 130 die Lichtintensität jeweils im Verhältnis 1:1 auf jeweils zwei Emissionswellenleiter 150 aufteilen. Die Emissionswellenleiter 150 erstrecken sich dabei jeweils in eine erste Richtung 101 und sind in der ersten Richtung 101 parallel angeordnet. Ferner sind die Emissionswellenleiter 150 in einer zweiten Richtung 102, die senkrecht zur ersten Richtung 101 ist, nebeneinander angeordnet. Jedem der Emissionswellenleiter 150 ist ein Phasenschieber 140 zugeordnet. Die Phasenschieber 140 sind eingerichtet, eine Phase einer im zugeordneten Emissionswellenleiter 150 geführten elektromagnetischen Strahlung anhand eines Eingangssignals zu ändern. Insbesondere können die Phasenschieber 140 eingerichtet sein, jeweils einen definierten Phasenversatz zwischen den Emissionswellenleitern 150 zu erzeugen und dadurch zu erreichen, dass die kohärente elektromagnetische Strahlung durch die Emissionswellenleiter 150 mit einem definierten Phasenversatz bezogen auf die anderen Emissionswellenleiter 150 geführt wird. Die Auskoppelvorrichtung 160 ist eingerichtet, die in den Emissionswellenleitern 150 geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppeln. Das bedeutet, dass die Auskoppelvorrichtung 160 ein optisches Element umfassen kann, mit dem die in den Emissionswellenleitern 150 geführte Strahlung aus den Emissionswellenleitern 150 ausgekoppelt wird. Durch den definierten Phasenversatz in den Emissionswellenleitern 150, der durch die Phasenschieber 140 erzeugt wird, kann dabei mittels der Auskoppelvorrichtung 160 eine Richtung vorgegeben werden, in der die von den jeweiligen Emissionswellenleitern 150 ausgekoppelten elektromagnetischen Strahlen konstruktiv interferieren und so ein Abstrahlungsmaximum erzeugen. Abhängig vom Phasenversatz kann diese Richtung unterschiedlich sein, insbesondere in der zweiten Richtung 102, sodass mit dem durch die Phasenschieber 140 erzeugten Phasenversatz eine Richtung des emittierten Lichts in der zweiten Richtung 102 gesteuert werden kann.
In 1 sind ferner optionale Lichtdetektoren 103 dargestellt, wobei die Lichtdetektoren 103 jeweils den Emissionswellenleitern 150 zugeordnet sind. Die Lichtdetektoren 103 können eingerichtet sein, das in den Emissionswellenleitern 150 geführte Licht zu messen und insbesondere die Phase des in den Emissionswellenleitern 150 geführten Lichts zu ermitteln. Ferner ist in 1 dargestellt, dass die Emissionseinheit 100 auf einem optionalen Substrat 104 angeordnet ist. In diesem Fall kann die gesamte Emissionseinheit 100, und insbesondere die benannten Bauelemente der Emissionseinheit 100, also die Strahlungsquelle 110, der Wellenleiter 120, die Strahlteiler 130, die Phasenschieber 140 und die Emissionswellenleiter 150 auf dem Substrat 104 mittels der bekannten, für Halbleitermaterialien etablierten Methoden hergestellt sein.
Bei der Herstellung der Emissionseinheit 100 können Fabrikationsschwankungen dazu führen, dass in den Emissionswellenleitern 150 ein zusätzlicher Phasenversatz auftritt, der grundsätzlich durch die Phasenschieber 140 kompensiert werden kann. Dies hat jedoch eine komplizierte Ansteuerung der Emissionseinheit 100 zur Folge. Um die Ansteuerung der Emissionseinheit 100 zu erleichtern, ist ferner jedem der Emissionswellenleiter 150 jeweils eine Anpassungsstruktur 170 zugeordnet. Durch die Anpassungsstruktur 170 wird eine konstante Phasenänderung der im zugeordneten Emissionswellenleiter 150 geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt. Mit den Anpassungsstrukturen 170 können also die fabrikationsbedingten Schwankungen der Phasenlage innerhalb der Emissionswellenleiter 150 ausgeglichen werden, wodurch sich eine einfachere Ansteuerung der Emissionseinheit 100 ergibt.
Im Gegensatz zur Darstellung der 1 kann auch vorgesehen sein, dass nur einem Emissionswellenleiter 150 oder einer Mehrzahl von Emissionswellenleitern 150, nicht jedoch allen Emissionswellenleitern 150 eine Anpassungsstruktur 170 zugeordnet ist. Gleichermaßen kann vorgesehen, sein, dass nur einem der Emissionswellenleiter 150 oder einer Mehrzahl von, nicht jedoch allen Emissionswellenleitern 150 ein Phasenschieber 140 zugeordnet ist. Das bedeutet in anderen Worten, dass zumindest für einen Emissionswellenleiter 150 der 1 der Phasenschieber 140 bzw. die Anpassungsstruktur 170 in einem optionalen Ausführungsbeispiel auch weggelassen werden kann.
Die Auskoppelvorrichtung 160 ist in 1 als gemeinsame Auskoppelvorrichtung 160 für alle Emissionswellenleiter 150 dargestellt.
Um die Emissionseinheit 100 der 1 herzustellen, kann dabei vorgesehen sein, dass zunächst das Substrat 104 bereitgestellt wird und anschließend die Strahlungsquelle 110, der Wellenleiter 120, die Strahlteiler 130, die Phasenschieber 140 und die Emissionswellenleiter 150 erzeugt werden. Optional kann in diesem Schritt auch vorgesehen sein, die Lichtdetektoren 103 zu erzeugen. Anschließend wird die Auskoppelvorrichtung 160 auf die Emissionswellenleiter 150 aufgesetzt. In alternativen Ausgestaltungen kann die Auskoppelvorrichtung 160 auch Teil des auf dem Substrat 104 durchgeführten Prozesses sein. Nun kann in einem zweiten Verfahrensschritt, optional mit den Lichtdetektoren 103, eine Phasenlage der kohärenten elektromagnetischen Strahlung innerhalb der Emissionswellenleiter 150 bei Betrieb der Strahlungsquelle 110 bestimmt werden. Alternativ zur Bestimmung dieser Phasenlage über die Lichtdetektoren 103 kann auch vorgesehen sein, dass dies durch eine Vermessung eines Fernfeldes des mittels der Auskoppelvorrichtung 160 ausgekoppelten Lichts oder mittels einer elektrischen Charakterisierung der Phasenschieber 140 erfolgt. In einem dritten Schritt wird nun zumindest eine der Anpassungsstrukturen 170 ausgebildet, optional kann vorgesehen sein, dass sämtliche Anpassungsstrukturen 170 ausgebildet werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ein optischer Weg von der Strahlungsquelle 110 zu den Emissionswellenleitern 150 für jeden Emissionswellenleiter unterschiedlich, wodurch bereits ein gewisser Phasenversatz innerhalb der Emissionswellenleiter 150 erzeugt wird. Dies kann gegebenenfalls durch die Ansteuerung der Phasenschieber 140 bzw. durch die Anpassungsstrukturen 170 zumindest teilweise kompensiert werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Emissionseinheit 100, die der Emissionseinheit 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Anordnung von Strahlungsquelle 110, Wellenleiter 120, Strahlteiler 130, Phasenschieber 140 und Emissionswellenleiter 150 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart, dass eine Weglänge zwischen der Strahlungsquelle 110 und den Emissionswellenleitern 150 identisch ist. Ferner sind die optionalen Lichtdetektoren 103 in 2 nicht gezeigt, können jedoch ebenfalls vorgesehen sein. Ein weiterer Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 besteht darin, dass jedem Emissionswellenleiter 150 ein eigene Auskoppelvorrichtung 160 zugeordnet ist.
Die Auskoppelvorrichtungen 160 können dabei auch anders als in 2 angedeutet ausgestaltet sein und beispielsweise ebenfalls eine Struktur auf dem Substrat 104 umfassen.
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Phasenschieber 140 jeweils zwischen den Anpassungsstrukturen 170 und den Strahlteilern 130 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel der 2 sind die Anpassungsstrukturen 170 jeweils zwischen den Phasenschiebern 140 und den Strahlteilern 130 angeordnet. Beide Varianten können grundsätzlich verwendet werden. In weiteren, nicht gezeigten, Varianten kann die Anpassungsstruktur 170 auch im Bereich der Phasenschieber 140 angeordnet sein.
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Emissionswellenleiter 150, der auf dem Substrat 104 angeordnet ist. Der Emissionswellenleiter 150 kann dabei ein erstes Material 151 und ein zweites Material 152 aufweisen. Dabei bildet das erste Material 151 einen Kern des Emissionswellenleiters 150 und das zweite Material 152 einen Mantel des Emissionswellenleiters 150. Das erste Material 151 liegt dabei direkt auf dem Substrat 104 auf, während das zweite Material 152 das erste Material 151 an drei Seiten umschließt. Das erste Material 151 weist einen ersten Brechungsindex auf und das zweite Material 152 weist einen zweiten Brechungsindex auf. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Brechungsindex größer ist als der zweite Brechungsindex, um mittels Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen erstem Material 151 und zweitem Material 152 eine Strahlführung zu erreichen. Es sind ebenfalls Ausführungsbeispiele denkbar, in denen der Emissionswellenleiter 150 ausschließlich das erste Material 151 aufweist.
Im Bereich der Anpassungsstruktur 170 kann vorgesehen sein, dass der erste Brechungsindex des ersten Materials 151 verändert ist bezogen auf den Emissionswellenleiter 150 außerhalb der Anpassungsstruktur 170. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das zweite Material 152 im Bereich der Anpassungsstruktur 170 einen veränderten zweiten Brechungsindex aufweist, bezogen auf den Emissionswellenleiter 150 außerhalb der Anpassungsstruktur 170.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer Anpassungsstruktur 170 im Bereich eines Emissionswellenleiters 150, der aus einem ersten Material 151 und einem zweiten Material 152 aufgebaut ist. Das zweite Material 152 weist im Bereich der Anpassungsstruktur 170 eine Öffnung 171 auf, durch die das erste Material 151 zugänglich ist. Dies kann insbesondere für Anpassungsstrukturen 170 der Fall sein, bei denen der erste Brechungsindex des ersten Materials 151 im Bereich der Anpassungsstruktur 170 verändert werden soll, da durch die Öffnung 171 in diesem Bereich das erste Material 151 frei liegt und somit für eine Anpassung des ersten Brechungsindex zugänglich ist.
Während des Herstellungsverfahrens kann beim Erzeugen der Anpassungsstruktur 170 der erste Brechungsindex des ersten Materials 151 im Bereich der Anpassungsstruktur 170, also in einem Teilbereich des Emissionswellenleiters 150 verändert werden. Diese Veränderung kann beispielsweise durch eine Laser-induzierte Amorphisierung oder Ablation des ersten Materials 151 erfolgen, wobei das erste Material in diesem Fall Silizium oder Siliziumnitrid kein kann und induziert durch einen Laser eine Amorphisierung oder eine Ablation des Siliziums oder des Siliziumnitrids zu einer Änderung des ersten Brechungsindex führt. Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Material 151 den für die Anpassungsstruktur 170 vorgesehenen Bereich mit Fremdatomen wie beispielsweise Germanium dotiert und gleichzeitig amorphisiert ist. Nach der Herstellung kann durch Einwirkung eines Lasers mit einer Wellenlänge von beispielsweise 488 nm eine Rekristallation dieses Bereichs erreicht werden, wobei dabei der erste Brechungsindex kleiner ist als im restlichen Emissionswellenleiter 150. Auch diese Variante ist sowohl für Silizium als auch für Siliziumnitrid möglich. In einer weiteren Ausgestaltung besteht das erste Material 151 aus amorphem, mit Wasserstoff versetztem Silizium. Das amorphe Silizium wird dabei während der Abscheidung mit Wasserstoff versetzt. Über eine UV-Belichtung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 405 nm kann anschließend der erste Brechungsindex angepasst werden. Für alle diese genannten Verfahren kann die in 4 dargestellte Öffnung 171 des zweiten Materials 152 vorteilhaft sein.
Ferner kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass der zweite Brechungsindex des zweiten Materials 152 verändert wird. Das zweite Material 152 kann dabei beispielsweise Siliziumdioxid sein, wobei mittels Einwirkung von äußerer Strahlung (Ionenstrahlung, Gammastrahlung, Elektronenstrahlung, UV-Strahlung) sich jeweils chemische Bindungen im Siliziumdioxid bzw. allgemein in einem anderen zweiten Material 152 ändern und so das zweite Material 152 verdichtet und dadurch der zweite Brechungsindex verändert wird. Dies kann zusätzlich zu einer Verspannung des ersten Materials 151 und einer daraus resultierenden zusätzlichen Änderung des ersten Brechungsindex führen. Das zweite Material 152 kann ferner Chromophormoleküle beinhalten, welche durch lokale Einwirkung von hochenergetischen Elektronen gebleicht werden können, sodass sich der zweite Brechungsindex ändert. Das zweite Material 152 kann ferner Chalkogenid-Gläser umfassen, also beispielsweise GeSbTe oder AS₂S₃. Der zweite Brechungsindex kann in diesem Fall nach der Herstellung mit sichtbarem Licht angepasst werden. Eine weitere Variante zur Änderung des zweiten Brechungsindex ist, im zweiten Material 152 eine zusätzliche Schicht beispielsweise aus Siliziumnitrid vorzusehen, welche selektiv zu den übrigen Materialien mittels Ätzung zumindest teilweise entfernt werden kann, wobei dabei der zweite Brechungsindex ebenfalls geändert wird.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer Emissionseinheit 100, die der Emissionseinheit 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Die Strahlteiler 130 sind in diesem Fall keine 1:1-Strahlteiler, sondern vom Wellenleiter 120 wird das Licht zunächst in einen 1 :3-Strahlteiler geführt, so dass die Strahlenergie in diesem Strahlteiler 130 im Verhältnis 1:3 aufgeteilt wird. Der von der Intensität her kleinere Strahl wird dabei zu einem Emissionswellenleiter 150 geführt, der von der Intensität her größere Strahl wird zu einem weiteren Strahlteiler 130 mit einem Aufteilungsverhältnis von 1:2 geführt. Auch hier wird der Strahl mit der kleineren Intensität zu einem Emissionswellenleiter 150 und der Strahl mit einer größeren Intensität zu einem weiteren Strahlteiler 130 mit einem Aufteilungsverhältnis von 1:1 geführt. Von diesem Strahlteiler 130 werden zwei weitere Emissionswellenleiter 150 mit elektromagnetischer Strahlung beschickt. Auch eine solche Anordnung von Strahlteilern ist grundsätzlich denkbar, wobei auch hier Fertigungstoleranzen durch die Anpassungsstrukturen 170 ausgeglichen werden können.
Die bisher beschriebenen Beispiele umfassen jeweils vier Emissionswellenleiter 150 und eine entsprechende Anzahl von Anpassungsstrukturen 170, Phasenschiebern 140 und Strahlteilern 130. Für reale Emissionseinheiten 100 kann die Anzahl der Emissionswellenleiter 150 deutlich größer als bislang beschrieben sein bis hin zur Größenordnung von einigen 1000 Emissionswellenleitern 150.
Mit den bisher beschriebenen Emissionseinheiten 100 kann eine Ablenkung des emittierten Lichts in der zweiten Richtung 102 erreicht werden. Soll das emittierte Licht auch in der ersten Richtung 101 abgelenkt werden, so kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle 110 einen durchstimmbaren Laser 111 umfasst.
Ein durchstimmbarer Laser ist dabei ein Laser, der mit verschiedenen Emissionswellenlängen betrieben werden kann. Die Auskoppelvorrichtung 160 ist in diesem Fall als Kristallgitter ausgestaltet, wobei unterschiedliche Wellenlängen des durchstimmbaren Lasers 111 verschiedene Auskoppelrichtungen in Richtung der ersten Richtung 101 zur Folge haben, was sich aus der Bragg-Gleichung ergibt. Somit kann über die Phasenlage eine Ablenkung des ausgekoppelten Lichts in der zweiten Richtung 102 und über die Wellenlänge eine Ablenkung des ausgekoppelten Lichts in der ersten Richtung 101 erreicht werden. Diese Ausgestaltung ist prinzipiell auch in den anderen in dieser Patentanmeldung diskutierten Emissionseinheiten 100 denbar. In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann ferner vorgesehen sein, dass die in 5, aber auch die in den 1 und 2 gezeigte Struktur mit mehreren Emissionswellenleitern 150 in der ersten Richtung 101 mehrfach wiederholt wird und auch die Phasenlage dieser zusätzlichen Emissionswellenleiter entsprechend kontrolliert wird, um die durch die konstruktive Interferenz vorgegebene Emissionsrichtung zu steuern.
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Emissionseinheit 100, bei der Emissionswellenleiter 150 mit Anpassungsstrukturen 170 und Phasenschiebern 140 analog zu beispielsweise 2 aufgebaut sind. Jeweils vier Emissionswellenleiter 150 sind dabei zu einer Gruppe 155 von Emissionswellenleitern 150 zusammengefasst, wobei insgesamt in 6 vier Gruppen 155 von Emissionswellenleitern 150 vorgesehen sind. Das Licht von der Strahlungsquelle 110 wird über den Wellenleiter 120 zunächst über drei erste Strahlteiler 131 und drei erste Phasenschieber 141 geführt und erreicht dann erst die Gruppen 155, die jeweils drei zweite Strahlteiler 132 und drei zweite Phasenschieber 142 umfassen. Die ersten Strahlteiler 131 und zweiten Strahlteiler 132 können dabei identisch aufgebaut sein. Die ersten Phasenschieber 141 und die zweiten Phasenschieber 142 können dabei ebenfalls identisch aufgebaut sein. Die Anpassungsstrukturen 170 können wie im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert aufgebaut sein. Die Strahlteiler 130 in diesem Ausführungsbeispiel sind wiederum Strahlteiler mit einem Aufteilungsverhältnis von 1:1. Ebenso kann eine Anordnung analog zu 5 vorgesehen sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass innerhalb von jeder Gruppe 155 zumindest eine Anpassungsstruktur 170 und ein zweiter Phasenschieber 142 weggelassen werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass zumindest einer der ersten Phasenschieber 141 ebenfalls weggelassen ist.
In 6 sind ferner vier optionale Ansteuerleitungen 180 vorgesehen. Die Ansteuerleitungen 180 sind jeweils mit einem zweiten Phasenschieber 142 der Gruppen 155 von Emissionswellenleitern 150 verbunden. Die Ansteuerleitungen 180 sind ferner jeweils mit einem Digital-Analog-Wandler 190 verbunden. Somit kann über die Digital-Analog-Wandler 190 ein Signal vorgegeben werden, anhand dessen die zweiten Phasenschieber 142 betrieben werden. Dabei wird jeweils ein zweiter Phasenschieber 142 jeder Gruppe 155 identisch betrieben. Die ersten Phasenschieber 141 sind ebenfalls jeweils mit einem Digital-Analog-Wandler 190 verbunden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass über die ersten Phasenschieber 141 ein Phasenversatz der Gruppen 155 untereinander erzeugt wird, während über die zweiten Phasenschieber 142 eine kleinteiligere Anpassung der Phasenlagen für jeden einzelnen Emissionswellenleiter 150 innerhalb jeder Gruppe 155 erfolgt. Da dies für alle Gruppen 155 parallel erfolgen kann, kann jeweils ein zweiter Phasenschieber 142 jeder Gruppe 155 mit jeweils einer Ansteuerleitung 180 verbunden sein.
Jeder Phasenschieber 140, also insbesondere jeder erste Phasenschieber 141 und jeder zweite Phasenschieber 142, benötigt zum Funktionieren eine vorgegebene einzustellende Phasenlage, die mittels einer Spannung eingestellt werden kann. Grundsätzlich würde also jeder Phasenschieber 140 einen eigenen Digital-Analog-Wandler 190 benötigen. Durch die in 6 dargestellte Ausgestaltung kann die Anzahl der benötigen Digital-Analog-Wandler 190 deutlich reduziert werden, da nur noch für jede Gruppe 155 ein Digital-Analog-Wandler 190 zur Ansteuerung der ersten Phasenschieber 141 und ferner noch jeweils ein Digital-Analog-Wandler 190 entsprechend der Anzahl von Emissionswellenleitern 150 innerhalb der Gruppen 155 benötigt wird. Somit kann im Ausführungsbeispiel der 6 anstelle von 20 Digital-Analog-Wandlern 190 für jeden Phasenschieber 140 eine Reduzierung auf 8 Digital-Analog-Wandler 190 erfolgen. Dieser Unterschied wird insbesondere deutlich, wenn man sich vor Augen führt, dass gegebenenfalls beispielsweise 64 Gruppen 155 mit jeweils 64 Emissionswellenleitern 150 vorgesehen werden können. Dadurch würden bereits mehr als 4000 Digital-Analog-Wandler 190 nötig werden, wobei mit der in 6 gezeigten Ausgestaltung nur 128 Digital-Analog-Wandler 190 notwendig sind, wodurch eine deutliche Vereinfachung des Systems erreicht wird. Diese Vereinfachung lässt sich jedoch nur realisieren, wenn die Anpassungsstrukturen 170 vorgesehen sind, da fabrikationsbedingte Unterschiede in den Phasenlagen der einzelnen Emissionswellenleiter 150 nicht mehr durch die Phasenschieber 140, sondern nur noch über die Anpassungsstrukturen 170 ausgeglichen werden können.
Zumindest teilweise lässt sich der Vorteil des Ausführungsbeispiels der 6 bereits realisieren, wenn nur eine Ansteuerleitung 180, mit jeweils einem zweiten Phasenschieber 142 jeder Gruppe 155 verbunden ist.
Die Anzahl der Emissionswellenleiter 150 innerhalb jeder Gruppe 155 kann dabei eine erste Zweierpotenz sein. Die Anzahl der Gruppen 155 kann eine zweite Zweierpotenz sein. In diesem Fall ist die Anordnung der Strahlteiler 130 besonders einfach, da für da gesamte System Strahlteiler mit einer Strahlaufteilung von 1:1 verwendet werden können, um die über den Wellenleiter 120 eingekoppelte elektromagnetische Strahlung zunächst auf die Gruppen 155 und anschließend innerhalb der Gruppen 155 auf die Emissionswellenleiter 150 zu verteilen. In alternativen Ausgestaltungen kann analog zu 5 auch mittels Strahlteilern mit unterschiedlicher Strahlaufteilung eine Strahlaufteilung auf die Emissionswellenleiter 150 derart erfolgen, dass in den Emissionswellenleitern 150 jeweils eine identische Lichtintensität zur Verfügung steht.
Die Unterscheidung in erste Phasenschieber 141 und zweite Phasenschieber 142 soll dabei insbesondere die unterschiedliche Anordnung der Phasenschieber 140 darstellen, grundsätzlich können diese identisch aufgebaut sein.
7 zeigt eine elektrische Ansteuerung der ersten Phasenschieber 141, mit der weitere Digital-Analog-Wandler 190 eingespart werden können. Hierzu ist ein erster Digital-Analog-Wandler 191 über einen ersten Spannungsteiler 105 mit den ersten Phasenschiebern 141 verbunden. Der erste Spannungsteiler 105 besteht dabei aus Widerständen 106, die jeweils in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen den Widerständen 106 jeweils ein erster Phasenschieber 141 angeschlossen ist. Die Widerstände 106 sind schlussendlich mit einem Erdungsanschluss 109 verbunden, genauso wie sämtliche ersten Phasenschieber 141. Über den ersten Digital-Analog-Wandler 191 wird dabei eine Spannung vorgegeben, die mittels des ersten Spannungsteilers 105 auf die ersten Phasenschieber 141 verteilt wird und somit die Spannung am obersten der ersten Phasenschieber 141 größer und dann jeweils im Verhältnis der Widerstände 106 abnimmt. Die Widerstände 106 können dabei identisch sein, sodass der Spannungssprung für jeden ersten Phasenschieber 141 identisch ist und damit eine Gesamtphasenverschiebung der Gruppen 155 auch jeweils identisch zueinander.
8 zeigt eine analog zu 7 zu sehende Ansteuerung der zweiten Phasenschieber 142, wobei in diesem Fall ein zweiter Digital-Analog-Wandler 192 über einen zweiten Spannungsteiler 107 mit den Ansteuerleitungen 180 verbunden ist. Auch der zweite Spannungsteiler 107 weist entsprechend Widerstände 106 auf, wobei ferner noch nicht in 8 gezeigte Leitungen vom Erdungsanschluss 109 zu den zweiten Phasenschiebern 142 vorgesehen sein können.
Mit der in den 7 und 8 gezeigten Ausgestaltung kann die Anzahl der Digital-Analog-Wandler 190 für eine Emissionseinheit 100 sogar auf zwei reduziert werden, unabhängig von der Anzahl der Emissionswellenleiter 150 bzw. der Gruppen 155 von Emissionswellenleitern 150. Die ersten Digital-Analog-Wandler 191 und die zweiten Digital-Analog-Wandler 192 können dabei identisch aufgebaut sein.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Emissionseinheit 100, die der Ausgestaltung der 5 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Dabei weist die Emissionseinheit 100 fünf Emissionswellenleiter 150 auf, weswegen der mit dem Wellenleiter 120 verbundene Strahlteiler 130 ein Aufteilungsverhältnis von 1:4 aufweist und der Anschluss mit der größeren Intensität zu einem weiteren Strahlteiler 130, ebenfalls analog zu 5, geführt ist. Dies ermöglicht die Aufteilung der Strahlintensität auf fünf Emissionswellenleiter 150.
Ebenso sind andere Geometrien für die Strahlteiler 130 denkbar, bei denen die Strahlungsintensität in den Emissionswellenleitern 150 schlussendlich identisch ist. Auch diese Ausgestaltungen sollen vom Schutzumfang umfasst sein.
10 zeigt eine LiDAR-Vorrichtung 200 mit einer Emissionseinheit 100, die wie in Zusammenhang mit den 1 bis 9 beschrieben ausgestaltet sein kann. Die LiDAR-Vorrichtung 200 weist ferner einen Detektor 210 und eine Ansteuereinheit 220 auf. Die Ansteuereinheit 220 ist eingerichtet, für die Phasenschieber 140 der Emissionseinheit 100 eine anzuwendende Phase vorzugeben und dadurch einen von der Emissionseinheit 100 emittierten Strahl in seiner Richtung zu beeinflussen. Zurückgeworfenes Licht wird vom Detektor 210 detektiert und daraus eine Entfernungspunktwolke bestimmt. Umfasst die Emissionseinheit 100, wie in 5 gezeigt und im Übrigen auch auf die anderen Ausführungsbeispiele der Emissionseinheit 100 anwendbar, einen durchstimmbaren Laser 111, kann die Ansteuereinheit 220 ferner eingerichtet sein, den durchstimmbaren Laser 111 ebenfalls hinsichtlich der Wellenlänge anzusteuern. Das Messprinzip der LiDAR-Vorrichtung 200 kann dabei sein, dass über die Emissionseinheit 100 ein gerichteter Strahl abgegeben wird, wobei zurückgeworfenes Licht vom Detektor 210 ermittelt wird und mittels einer Laufzeitmessung aus der Lichtgeschwindigkeit und der Laufzeit eine Entfernung des Objekts berechnet werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das vom Detektor 210 gemessene, rückgestreute Licht mit dem Licht der Lichtdetektoren 103 der Emissionseinheit 100 überlagert wird, insbesondere wenn die Strahlungsquelle 110 mit einer Modulationsfrequenz betrieben wird, die linear ansteigt. Durch den linearen Anstieg ist ein Frequenzunterschied zwischen der von den Lichtdetektoren 103 der Emissionseinheit 100 und der vom Detektor 210 ermittelten Strahlung umso größer, je weiter das Objekt von der LiDAR-Vorrichtung 200 entfernt ist. Durch Auswertung eines kombinierten Signals der Lichtdetektoren 103 und des Detektors 210 kann dabei ein Rückschluss auf die Entfernung gezogen werden.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm 300 eines Verfahrens zum Herstellen der Emissionseinheit 100. Dabei wird in einem ersten Schritt 301 die Emissionseinheit 100 mit der Strahlungsquelle 110, dem Wellenleiter 120, zumindest einem Strahlteiler 130, einer Mehrzahl von Emissionswellenleitern 150 und zumindest einem Phasenschieber 140 bereitgestellt. Ferner wird die Auskoppelvorrichtung 160 bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 302 wird eine Phasenlage von elektromagnetischer Strahlung in den Emissionswellenleitern 150 bestimmt. In einem dritten Verfahrensschritt 303 wird zumindest eine Anpassungsstruktur 170, die einem der Emissionswellenleiter 150 zugeordnet ist, erzeugt. Durch die Anpassungsstruktur 170 wird eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter 150 geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt. Zur genauen Herstellung der Anpassungsstrukturen 170 wird hierzu ferner auf die im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläuterten Vorgehensweisen verwiesen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Emissionseinheit (100) zum Aussenden einer gerichteten elektromagnetischen Strahlung, mit: - einer Strahlungsquelle (110), wobei die Strahlungsquelle (110) eingerichtet ist, kohärente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen; - einem Wellenleiter (120) zur Bereitstellung der von der Strahlungsquelle (110) erzeugten elektromagnetischen Strahlung; - zumindest einem Strahlteiler (130) zur Aufteilung der in den Wellenleiter (120) eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung auf eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern (150), wobei die Emissionswellenleiter (150) sich jeweils parallel in eine erste Richtung (101) erstrecken, wobei die Emissionswellenleiter (150) in einer zweiten Richtung (102) senkrecht zur ersten Richtung (101) nebeneinander angeordnet sind; - zumindest einem Phasenschieber (140), der einem der Emissionswellenleiter (150) zugeordnet ist und der eingerichtet ist, eine Phase einer im zugeordneten Emissionswellenleiter (150) geführten elektromagnetischen Strahlung anhand eines Eingangssignals zu ändern; - einer Auskoppelvorrichtung (160), die eingerichtet ist, die in den Emissionswellenleitern (150) geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppein; - gekennzeichnet durch - mindestens eine Anpassungsstruktur (170), die mindestens einem der Emissionswellenleiter (150) zugeordnet ist, wobei durch die Anpassungsstruktur (170) eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter (150) geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt wird.
Emissionseinheit (100) nach Anspruch 1, wobei jedem Emissionswellenleiter (150) jeweils eine Anpassungsstruktur (170) zugeordnet ist.
Emissionseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Emissionswellenleiter (150) ein erstes Material (151) mit einem ersten Brechungsindex aufweisen, wobei das erste Material (151) im Bereich der Anpassungsstruktur (170) einen veränderten ersten Brechungsindex aufweist.
Emissionseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Emissionswellenleiter (150) ein zweites Material (152) mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei das zweite Material (152) im Bereich der Anpassungsstruktur (170) einen veränderten zweiten Brechungsindex aufweist.
Emissionseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Mehrzahl von Phasenschiebern (140) vorgesehen ist, wobei mehrere Gruppen (155) von Emissionswellenleitern (150) vorgesehen sind, wobei jede Gruppe (155) von Emissionswellenleitern (150) einen ersten Phasenschieber (141) aufweist, wobei jede Gruppe (155) von Emissionswellenleitern (150) eine Anzahl von zweiten Phasenschiebern (142) aufweist, wobei die Anzahl der zweiten Phasenschieber (142) jeder Gruppe (155) von der Anzahl der Emissionswellenleiter (150) der Gruppe (155) abhängt, und wobei zumindest eine mit einem Digital-Analog-Wandler (190) verbundene Ansteuerleitung (180) mit jeweils einem zweiten Phasenschieber (142) jeder Gruppe (155) von Emissionswellenleitern (150) verbunden ist.
Emissionseinheit (100) nach Anspruch 5, wobei eine Anzahl der Gruppen (155) einer ersten Zweierpotenz entspricht, wobei zwischen dem Wellenleiter (120) und den Gruppen (155) von Emissionswellenleitern (150) eine von der ersten Zweierpotenz abhängige Anzahl von ersten Strahlteilern (131) angeordnet ist derart, dass in jeder Gruppe (155) von Emissionswellenleitern (150) eine identische Lichtintensität zur Verfügung steht, wobei eine Anzahl der Emissionswellenleiter (150) jeder Gruppe (155) einer zweiten Zweierpotenz entspricht, wobei eine von der zweiten Zweierpotenz abhängige Anzahl von zweiten Strahlteilern (132) in jeder Gruppe (155) angeordnet ist derart, dass in jedem Emissionswellenleiter (150) eine identische Lichtintensität zur Verfügung steht, wobei eine von der Anzahl der zweiten Phasenschieber (142) pro Gruppe (155) anhängige Anzahl von Ansteuerleitungen (180) jeweils mit einem zweiten Phasenschieber (142) pro Gruppe (155) verbunden ist.
Emissionseinheit (100) nach Anspruch 6, wobei ein erster Digital-Analog-Wandler (191) über einen ersten Spannungsteiler (105) mit den ersten Phasenschiebern (141) verbunden ist und/oder wobei ein zweiter Digital-Analog-Wandler (192) über einen zweiten Spannungsteiler (107) mit den Ansteuerleitungen (180) verbunden ist.
Emissionseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auskoppelvorrichtung (160) ein Bragg-Gitter umfasst, wobei die Strahlungsquelle (110) eingerichtet ist, kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer veränderbaren Wellenlänge zu erzeugen.
LiDAR-Vorrichtung (200) mit einer Emissionseinheit (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, einer Ansteuereinheit (220) und einem Detektor (210), wobei die Ansteuereinheit (220) eingerichtet ist, für die Phasenschieber (140) der Emissionseinheit (100) eine anzuwendende Phase vorzugeben und dadurch einen von der Emissionseinheit (100) emittierten Strahl in seiner Richtung zu beeinflussen, wobei zurückgeworfenes Licht vom Detektor (210) detektiert und daraus eine Entfernungspunktwolke bestimmt werden kann.
Verfahren (300) zum Herstellen einer Emissionseinheit (100) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen (301) einer Emissionseinheit (100) mit einer Strahlungsquelle (110), wobei die Strahlungsquelle (110) eingerichtet ist, kohärente elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, mit einem Wellenleiter (120) zur Einkopplung der von der Strahlungsquelle (110) erzeugten elektromagnetische Strahlung, mit zumindest einem Strahlteiler (130) zur Aufteilung der in den Wellenleiter (120) eingekoppelten elektromagnetischen Strahlung auf eine Mehrzahl von Emissionswellenleitern (150), wobei die Emissionswellenleiter (150) sich jeweils parallel in eine erste Richtung (101) erstrecken, wobei die Emissionswellenleiter (150) in einer zweiten Richtung (102) senkrecht zur ersten Richtung (101) nebeneinander angeordnet sind, mit zumindest einem Phasenschieber (140), der einem der Emissionswellenleiter (150) zugeordnet ist und der eingerichtet ist, eine Phase einer im zugeordneten Emissionswellenleiter (150) geführten elektromagnetischen Strahlung anhand eines Eingangssignals zu ändern, mit einer Auskoppelvorrichtung (160), die eingerichtet ist, die in den Emissionswellenleitern (150) geführte elektromagnetische Strahlung auszukoppeln; - Bestimmen (302) der Phasenlage von elektromagnetischer Strahlung in den Emissionswellenleitern (150); - Erzeugung (303) von zumindest einer Anpassungsstruktur (170), die einem der Emissionswellenleiter (150) zugeordnet ist, wobei durch die Anpassungsstruktur (170) eine konstante Phasenänderung einer im zugeordneten Emissionswellenleiter (150) geführten elektromagnetischen Strahlung erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Emissionswellenleiter (150) ein erstes Material (151) mit einem ersten Brechungsindex aufweisen, wobei beim Erzeugen der Anpassungsstruktur (170) der erste Brechungsindex des ersten Materials (151) in einem Teilbereich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Brechungsindex durch eine Laser-induzierte Amorphisierung oder Ablation und/oder eine lokalisierte Rekristallation eines lonen-implantierten Emissionswellenleiterabschnitts und/oder durch UV-Belichtung eines amorphen, mit Wasserstoff versetzten Emissionswellenleiterabschnitts verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, wobei die Emissionswellenleiter (150) ein zweites Material (152) mit einem zweiten Brechungsindex aufweisen, wobei beim Erzeugen der Anpassungsstruktur (170) der zweite Brechungsindex des zweiten Materials (152) in einem Teilbereich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der zweite Brechungsindex durch eine Strahlungs-induzierte Verdichtung des zweiten Materials (152) und/oder Elektronenstrahl-induziertes Bleichen des zweiten Materials (152) und/oder durch Belichtung eines Chalkogenid-Glases und/oder mittels selektiver Ätzung des zweiten Materials (152) verändert wird.