DE102021212463A1

DE102021212463A1 - Optische Phasenarray-Antenne

Info

Publication number: DE102021212463A1
Application number: DE102021212463.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wichmann; Reinhold Fiess; Michael BAUS
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Phasenarray-Antenne, insbesondere eine optische Phasenarray-Antenne mit einer zweidimensionalen, 2-D, Richtungssteuerung einer optischen Strahlung (12).Eine erfindungsgemäße optische Phasenarray-Antenne umfasst ein Chip-basiertes eindimensionales, 1-D, optisches Phasenarray (10) zur phasengesteuerten ersten Ablenkung einer optischen Strahlung (12) durch Phasenverschiebung; einen als Volumenhologramm ausgebildeten Kollimator (22, 2232), dazu ausgebildet, ein asymmetrisches Strahlprofil der optischen Strahlung (12) zu symmetrisieren; und ein frequenzselektives Element (30, 32, 2232) zur wellenlängengesteuerten zweiten Ablenkung der optischen Strahlung (12) durch Wellenlängenveränderung, wobei die erste und zweite Ablenkung derart zueinander ausgerichtet sind, dass eine zweidimensionale, 2-D, Richtungssteuerung der optischen Strahlung (12) ermöglicht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Phasenarray-Antenne, insbesondere eine optische Phasenarray-Antenne mit einer zweidimensionalen, 2-D, Richtungssteuerung einer optischen Strahlung.
Stand der Technik
Ein LiDAR-Sensor (engl. „light detection and ranging“) kann auf verschiedenen Messverfahren beruhen. Ein vielversprechendes Messverfahren ist ein kohärenter Ansatz, welcher auf der Interferenz einer von einem Ziel zurückgestreuten optischen Strahlung mit einem sogenannten Lokaloszillator (LO) beruht. Hierzu wird zunächst eine hochkohärente CW-Laserquelle phasen- bzw. frequenzmoduliert. Der modulierte Laserstrahl wird anschließend in einen Referenzarm und in einen Signalarm aufgeteilt. Im Signalarm wird der Laserstrahl von einer Ablenkeinheit (z. B. Galvanometerscanner) in die anvisierte Richtung abgelenkt. Beim Empfang werden sowohl der LO als auch das zurückreflektierte bzw. zurückgestreute Signal überlagert, so dass diese miteinander interferieren. Für eine typische Rampenmodulation der Laserfrequenz erhält man nun folgendes Bild: das vom Ziel zurückkommende Signal ist zeitlich verzögert und besitzt mitunter auch eine Doppler-Verschiebung seiner Frequenz falls das Ziel sich mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt als der Sensor. Die Überlagerung aus LO und Signal (heterodyne Interferenz) führt nun zu einer Schwebung (engl.: „beating“), welche mit einem gewöhnlichen pin-Photodetektor registriert werden kann. Eine Fourier-Transformation liefert anschließend das Spektrum des Signals. Dieses Verfahren wird als FMCW-Verfahren (engl. „frequency modulated continuous wave“) bezeichnet.
Aus den Veröffentlichungen J. Sun et al., „Large-scale nanophotonics phased array“, Nature 493, 195 (2013) und J. C. Hulme et al., „Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner", Optics Express 23, 5861 (2015) sind erste Ansätze für eine Strahlablenkeinheit in der integrierten Optik bekannt. In einer solchen integrierten Optik ist eine größere Anzahl von Emittern zu einem Array angeordnet. Die Emitter können durch Gitterkoppler ausgebildet werden, welche über Wellenleiter mit Licht versorgt werden. Der Abstand zwischen den einzelnen Emittern bestimmt wie weit ein Strahl abgelenkt werden kann. Durch Kontrolle der Phase des Lichts an jedem Emitter und der Interferenz des Lichts im Fernfeld kann eine im adressierbaren Sichtfeld beliebige Abstrahlrichtung erzeugt werden. Eine solche Anordnung wird in Analogie zu elektronischen Phasenarrays beispielsweise für Radar-Anwendungen allgemein als optisches Phasenarray (engl. „optical phased array“, OPA) bezeichnet. Eine zugehörige Antenne wird entsprechend eine optische Phasenarray-Antenne bzw. Phased-Array-Antenne genannt.
Anstatt eines üblicherweise kollimierten Strahls kann auch ein enger Fokus erzeugt und im adressierbaren Sichtbereich bewegt werden. Neben der Strahlablenkung über die relativen Phaseneinstellungen in den Antennen lässt sich eine Strahlablenkung für eine Gitterantenne auch über Wellenlängenveränderungen erreichen. Diese beiden Ablenkmechanismen können auch zusammen eingesetzt werden.
Ein wesentlicher Zielparameter für die Entwicklung eines OPA ist unter anderem die Größe des darüber adressierbaren Sichtfeldes. Die maximalen Ablenkwinkel für zwei senkrecht zueinander stehende Achsenrichtungen bewegen sich für OPAs gemäß Stand der Technik typischerweise im Bereich von etwa 80° x 15°.
Insbesondere können auf CMOS-Technologie beruhende OPA-Systeme zum Ablenken von Strahlen in zwei Achsenrichtungen auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden:

(a) Eine 2-D Ablenkung der emittierten optischen Strahlung erfolgt durch unmittelbare Bereitstellung eines 2-D Phasenarrays. Durch Steuerung der Phase lässt sich die Ablenkung in beide Achsenrichtungen kontrollieren. Ein solches 2-D Phasenarray ist beispielsweise aus der Patentschrift US 9 476 981 B2 bekannt. Hierbei wird das OPA mit einem Laser, dessen Frequenz linear moduliert werden kann, auf einem gemeinsamen Chip integriert. Die Laserstrahlung wird in eine zu erfassende Umgebung ausgesendet und nach dem Einsammeln der aus der Umgebung zurückkommenden Laserstrahlung auf dem Chip mit einer Referenzstrahlung des Lasers überlagert. Nachteilig sind bei dieser Architektur die hohe Komplexität und der große Flächenverbrauch des Chips.
(b) Eine 2-D Ablenkung erfolgt durch Kombination eines eindimensionalen, 1-D, Phasenarrays mit diffraktiven Gitterkopplern, wobei durch Verändern der bereitgestellten Laserwellenlänge eine zweite 1-D Ablenkung über die Gitterkoppler ermöglicht wird. Solche Gitterantennen oder -koppler besitzen die Eigenschaft, die in ihnen propagierende Mode in einen Raumwinkel zu emittieren, der u. a. durch die Wellenlänge bestimmt ist. Ein Chip-basiertes optisches Phasenarray mit einer Steuerungsmöglichkeit durch Wellenlängenveränderung in einer Achsenrichtung ist beispielsweise aus der Druckschrift C.-S. Im et al., „Silicon nitride optical phased array based on a grating antenna enabling wavelength-tuned beam steering“, Optics Express 28 (3), pp. 3270 (2020) bekannt. Zur zweiten Ablenkung werden somit keine weiteren Phasenschieber benötigt. Der maximale Ablenkwinkel durch Wellenlängenveränderung ist jedoch typischerweise klein verglichen mit den maximalen Ablenkwinkeln durch die relative Einstellung der Phasen in den einzelnen Emittern über Phasenschieber. Das hierfür notwendige 1-D OPA kann jedoch wesentlich einfacher aufgebaut sein als eine volle 2-D Variante, da immer ganze Zeilen bzw. Spalten des Arrays das gleiche Ansteuersignal erhalten. Dies hat zur Konsequenz, dass der Strahl nur in einer Dimension durch Veränderung der Phasenlage abgelenkt werden kann.

Um mit einem 1-D Phasenarray eine 2D-Ablenkeinheit zu realisieren, können die beiden o. g. Ablenkmechanismen vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Dabei wird die Ablenkung auf einer ersten Achse durch die Einstellung der Phasenlage in dem 1-D Phasenarray und auf einer zweiten Achse durch Wellenlängenveränderung über Gitterkoppler erreicht. Für die Ablenkung in die zweite Richtung wird ein durchstimmbarer Laser eingesetzt, der vorzugsweise einen sehr breiten Wellenlängenbereich von beispielsweise 1450 nm bis 1640 nm abdecken kann. Auf dieser Achse lassen sich typischerweise Ablenkwinkel von etwa 15° realisieren.
Der Vorteil solcher OPA-Systeme ist, dass jeweils vollintegrierte Lösungen auf einem einzelnen Silizium-Chip möglich sind. Alle Komponenten einer sogenannten LiDAR Engine, d. h. OPAs, Wellenleiterstrukturen, frequenzselektive Elemente, Laser und Detektoren können auf einem einzelnen Chip integriert werden. Nachteilig ist jedoch die hohe Komplexität solcher integrierten Systeme.
Alternativ hierzu ist beispielsweise aus M. R. Kossey et al., „End-fire silicon optical phased array with half-wavelength spacing,“ APL Photonics 3, 011301 (2018) ein seitlich emittierender OPA bekannt. Aus Y. Kim et al., „Compact solidstate optical phased array beam scanners based on polymeric photonic integrated circuits," Sci. Rep. 11, 10576 (2021) ist auch die Kombination eines entsprechenden seitlich emittierenden 1-D OPAs mit einem externen Beugungsgitter bekannt. Bei diesen OPAs ist die Emissionsregion im Gegensatz zu den meisten integrierten Varianten nicht flächig, sondern linienförmig ausgebildet. Die optische Strahlung verlässt den 1-D OPA daher nicht senkrecht zur Oberfläche des Chips, sondern aus der Kante des Chips heraus. Der Chip ist nach den Phasenschiebern „abgeschnitten“ (keine Gitterkoppler oder ähnliches). Die optische Strahlung tritt dabei beispielsweise am Ende der jeweiligen Wellenleiter aus der Kante durch einen sogenannten Kantenkoppler (engl. „edge coupler“) aus.
Entlang der längeren Richtung (der Phasenablenkrichtung, als langsame Achse bezeichnet) ist der Strahl hierbei gut kollimiert, in der schmalen Richtung (vertikale Richtung, als schnelle Achse bezeichnet) weist der Strahl allerdings eine hohe Divergenz auf. Damit der Strahl auch in der zweiten Richtung gut parallelisiert ist, wird bei Kim et al. eine externe Zylinderlinse als Kollimator benutzt, die nur in der angesprochenen Richtung wirksam ist (vgl. H. Yoon et al., „Collimation of diverged beam using a cylindrical lens in a silicon-based end-fire optical phased array,“ Electron. Lett. 56, 337-339 (2020) / WO 2021/153828 A1 ). Somit ist der Strahl nach dem Kollimator in beiden Achsen gut kollimiert. Um die Ablenkung auch in der zweiten Dimension zu ermöglichen, kann ein externes Beugungsgitter in Reflektions- oder Transmissionsgeometrie benutzt werden.
Durch Durchstimmen der Laserwellenlänge können der Beugungswinkel und damit die Ablenkrichtung verändert werden.
Der obenstehend beschriebene Aufbau stellt eine Möglichkeit zur Vereinfachung der Komplexität und der Bereitstellungskosten gegenüber vollständig integrierten Lösungen dar. Allerdings ist ein erhöhter Platzbedarf für das externe frequenzselektive Element sowie den zusätzlich notwendigen Kollimator erforderlich. Insbesondere kann durch die Verwendung eines nur in einer einzigen Richtung ablenkenden 1-D Phasenarrays auch der notwendige Flächenbedarf auf einem zugehörigen Chip reduziert werden.
Offenbarung der Erfindung
In einem Aspekt der Erfindung wird eine optische Phasenarray-Antenne zur Verfügung gestellt, umfassend ein Chip-basiertes eindimensionales, 1-D, optisches Phasenarray zur phasengesteuerten ersten Ablenkung einer optischen Strahlung durch Phasenverschiebung, wobei die optische Strahlung vom 1-D optischen Phasenarray über einen Kantenkoppler (z. B. seitlich emittierendes bzw. kantenemittierendes 1-D optisches Phasenarray) mit einem asymmetrischen Strahlprofil mit einem ersten Divergenzwinkel γ_s in einer langsamen Achse und einem zweiten Divergenzwinkel γ_f in einer schnellen Achse senkrecht zur langsamen Achse emittiert wird, wobei die erste Ablenkung bei der Emission parallel zur langsamen Achse erfolgt; einen Kollimator, dazu ausgebildet, das asymmetrische Strahlprofil durch Anpassung des ersten Divergenzwinkels γ_s und/oder des zweiten Divergenzwinkels γ_f zu symmetrisieren, wobei der Kollimator als Volumenhologramm ausgebildet ist; und ein frequenzselektives Element zur wellenlängengesteuerten zweiten Ablenkung der optischen Strahlung durch Wellenlängenveränderung, wobei das frequenzselektive Element im Strahlengang hinter dem Kollimator angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ablenkung derart zueinander ausgerichtet sind, dass eine zweidimensionale, 2-D, Richtungssteuerung der optischen Strahlung ermöglicht wird.
Unter einer Antenne wird dabei allgemein eine technische Anordnung zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen verstanden. Bei einer optischen Phasenarray-Antenne bzw. Phased-Array-Antenne handelt es sich um eine einen OPA umfassende Vorrichtung, die zur gerichteten Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im optischen Spektralbereich, d. h. im sich vom fernen Infrarot (FIR) bis in den EUV-Bereich ersteckenden, mit optischen Methoden zugänglichen Teil des elektromagnetischen Spektrums bei Wellenlängen zwischen etwa 1 mm und 1 nm, eingerichtet ist. Für LiDAR-Anwendungen ist dabei insbesondere optische Strahlung aus dem sichtbaren (VIS) und dem nahen Infrarot (NIR) Spektralbereich (bevorzugt bei Wellenlängen zwischen etwa 600 nm und 2 µm) relevant. Neben dem OPA kann eine Phasenarray-Antenne noch weitere Komponenten (z. B. zur Strahlformung oder Strahlablenkung) umfassen.
Hinsichtlich der Parameter der optischen Strahlung entsprechen die verwendeten Begriffe denen bei kantenemittierenden Halbleiterlasern. Die schnelle und die langsame Achse ergeben sich analog durch die Beugungseigenschaften der emittierten optischen Strahlung an der asymmetrischen Kanten- bzw. Wellenleitergeometrien. Als Divergenzwinkel wird der halbe Öffnungswinkel einer vom Kantenkoppler ausgekoppelten optischen Strahlung bezeichnet. Hierbei kann der Kantenkoppler in grober Näherung als 1-D Struktur (Erstreckung im Wesentlichen nur in der tangentialen Achse, d. h. der langsamen Achse) angenommen werden. Durch die asymmetrischen Kanten- bzw. Wellenleitergeometrien ergibt sich entsprechend auch ein asymmetrisches Strahlprofil mit einem ersten Divergenzwinkel γ_s in der langsamen Achse und einem zweiten Divergenzwinkel γ_f in der schnellen Achse senkrecht zur langsamen Achse. Solche 1-D optischen Phasenarrays zur phasengesteuerten ersten Ablenkung einer optischen Strahlung durch Phasenverschiebung sind im Übrigen dem Fachmann bekannt. Diesbezüglich wird auf die einschlägige Literatur verwiesen.
Als Kantenkoppler wird allgemein eine zur Auskopplung der optischen Strahlung des optischen Phasenarrays eingerichtete Kante des optischen Phasenarrays (bzw. dessen Trägerstruktur) verstanden. Hierbei kann es sich um eine einzelne optische Komponente bzw. Bauteil (z. B. ein auf einem Substrat des optischen Phasenarrays angeordnetes und zur Auskopplung über eine Kante ausgebildetes Element) oder eine Vielzahl von Einzelkomponenten handeln, die zusammen eine gemeinsame Kantenkopplerstruktur (Kantenkopplerarray) ausbilden.
Insbesondere kann die Ausgangsseite des optischen Phasenarrays eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeordneten Wellenleitern umfassen, deren entsprechende Ende jeweils als kantenemittierende Flächen (z. B. mittels Cleaven oder durch entsprechende Strukturierung) zur Freistrahlauskopplung der optischen Strahlung des optischen Phasenarrays ausgebildet sind. Die Interferenz von allen Beiträgen der einzelnen Wellenleiterausgänge ergibt dann beispielsweise einen in der langsamen Achse (horizontale Richtung) kollimierten Strahl, und in schnellen Achse (vertikale Richtung) divergenten Strahl.
Unter einem Volumenhologramm (engl. „holographic optical element“, HOE) wird allgemein eine innerhalb eines Materials angeordnete holographische Beugungsstruktur verstanden. Hierbei kann es sich insbesondere um verallgemeinerte Volumengitter (auch als Volumen-Bragg-Gitter bzw. engl. „volume Bragg grating“, VBG, bezeichnet) mit entsprechend gekrümmten Gitterstrukturen handeln. Volumenhologramme werden zumeist durch eine Interferenz von geeignet überlagerten Schreibstrahlen in einem dazu passenden Schreibmaterial (z. B. Photopolymer) erzeugt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf holographisch erzeugte Volumenhologramme beschränkt. Die Erzeugung, Herstellung, Vervielfältigung und allgemeine Verwendung von HOE bzw. VBG ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Es wird hierzu ebenfalls auf die einschlägige Literatur verwiesen.
Bei Volumenhologrammen wird überwiegend die erste Ordnung (m = 1) benutzt. Die Bandbreite eines Volumenhologramms verhält sich zumeist annähernd invers zu dessen Dicke, d. h. größere Dicken führen üblicherweise zu schmaleren Bandbreiten. Dabei ist die Winkelbandbreite direkt mit der Wellenlängenbandbreite bei einem Bragg-Gitter miteinander gekoppelt, z. B. ergeben kleine Wellenlängenbandbreiten dann auch kleine Winkelbandbreiten. Für andere Wellenlängen und andere Winkel rekonstruiert ein Volumenhologramm nicht.
Typischerweise zur Herstellung von HOE verwendete holographische Materialien (z.B. Photopolymere) sind für unterschiedliche Wellenlängenbereiche unterschiedlich empfindlich. Übliche Photopolymere sind beispielsweise nur für eine Belichtung z. B. im sichtbaren Wellenlängenbereich empfindlich. Seit Kurzem stehen auch erste modifizierte Materialien zur Verfügung, die noch bis in den sehr nahen Infrarotbereich (z. B. bis ca. 850 nm) belichtet werden können. Trotzdem können in diesen Photopolymeren Volumenhologramme auch für größere Wellenlängen (z. B. für 1550 nm) realisiert werden. Durch entsprechende Winkelvorhalte unter Berücksichtigung der Bragg-Beziehung können Hologramme z. B. auch bei kleineren Wellenlängen (z. B. 640 nm oder 800 nm) belichtet werden. Damit können dann ein gewünschtes Interferenzmuster erzeugt und die zugehörigen Brechzahlverläufe in das Material so „eingeschrieben“ werden, dass dann beim Abspielen mit der größeren Zielwellenlänge (z .B. mit 1550 nm) eine gewünschte optische Zielfunktion realisiert wird. Bei Verwendung der neuartigen Photopolymere mit einer Belichtungsempfindlichkeit im nahem Infrarotbereich gestaltet sich ein Aufnahmeaufbau einfacher, da kleinere Winkelvorhalte zu berücksichtigen sind. Zur Erzeugung von Volumenhologrammen kann z. B. eine mit einem lichtempfindlichen Material beschichtete Folie genutzt werden. Es kann aber beispielsweise auch ein entsprechendes Material auf anderen Trägern (z. B. Dünnglas) beschichtet werden. Eine in das Material belichtete Interferenzstruktur führt typischerweise zu Brechzahlunterschieden (Bragg-Ebenen) im holografischen Material. Volumenhologramme sind eine Art von verallgemeinerten Bragg-Gitter, die damit ebenfalls wellenlängen- und winkelselektiv sind und eine sehr hohe Effizienz aufweisen können.
Bei der Aufnahme eines Volumenhologramms kann in einem entsprechenden holographischen Aufnahmeaufbau ein bestimmter Brechzahlverlauf in eine Photopolymerschicht belichtet werden. Beispielsweise kann eine Belichtung mit roter Wellenlänge (z. B. 670 nm) und einem Winkelvorhalt erfolgen, damit dann bei der Rekonstruktion im Betrieb mit einer optischen Strahlung mit einer Zentralwellenlänge von z. B. etwa 1550 nm die gewünschte Zielfunktion (d. h. eine Kollimation in einer Achse) durch den eingeschriebenen Brechzahlverlauf realisiert werden kann. Sind die Brechzahlunterschiede in das holografische Material eingeschrieben, können diese HOE für Wellenlängen bis ca. 1900 nm eingesetzt werden. Erst ab größeren Wellenlängen fängt dann z. B. das Photopolymer an, die optische Strahlung zu absorbieren. Steht ein so erzeugtes Volumenhologramm erst einmal als Masterhologramm zur Verfügung, kann eine Serienfertigung mit kostengünstiger Vervielfältigung der Hologramme durchgeführt werden (sog. Master-Copy-Prozess).
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein LiDAR-System, welches eine erfindungsgemäße optische Phasenarray-Antenne umfasst. Es handelt sich somit um ein OPA-basiertes LiDAR-System, insbesondere um ein LiDAR-System zur 2-D Richtungssteuerung mit einem kantenemittierenden 1-D OPA in Kombination mit mindestens einem Volumenhologramm. Die optische Phasenarray-Antenne kann dabei die Sendeeinheit eines kohärenten LiDAR-Systems ausbilden. Die nach einem Aussenden aus der Umgebung zurückkommende optische Strahlung kann mit einer entsprechenden Referenzstrahlung überlagert und anschließend detektiert werden. Die erfindungsgemäße Phasenarray-Antenne kann eine 2-D Richtungssteuerung der optischen Strahlung ohne bewegliche Komponenten rein auf elektronischem Wege bewirken. Neben einer deutlich erhöhten Abtastrate aufgrund fehlender mechanischer Stellwege und der Möglichkeit zu einer selektiven Überwachung auch diskontinuierlicher Umgebungsbereiche ohne zeitlichen Scanversatz kann dadurch auch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer solcher LiDAR-Systeme erhöht werden.
Ein noch weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes LiDAR-System umfasst. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, insbesondere ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen oder ein Zweirad.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße 2-D optische Phasenarray-Antenne hat den Vorteil, dass der benötigte Bauraum gegenüber vergleichbaren Antennensystemen gemäß Stand der Technik deutlich reduziert werden kann. Insbesondere erlaubt die vorliegende Erfindung den Bauraum für die oben in dieser Beschreibung genannte Kombination aus einem kantenemittierenden 1-D OPA, einer externen Zylinderlinse als Kollimator und einem Oberflächengitter als frequenzselektives Element erheblich zu reduzieren, in dem zumindest die Funktion der bisherigen Zylinderlinse in ein flaches Volumenhologramm (auch als verallgemeinertes Volumengitter bezeichnet) integriert wird.
Weiterhin kann die Effizienz eines Beugungsgitters bei einer Ausführung als Volumenhologramm deutlich höhere Effizienz für die optische Strahlung aufweisen als z. B. bei einer Ausführung als einfaches Oberflächengitter. Ein weiterer großer Vorteil bei der Verwendung von Volumenhologrammen ist auch die wählbare Winkelkonfiguration (z. B. wählbare Einstrahl- und Abstrahlwinkel) auf die optische Komponente. Daraus folgt eine sehr viel größere Freiheit bei der Anordnung der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem, wie z. B. bei einem System gemäß Stand der Technik mit einer Zylinderlinse und einem Oberflächengitter.
Die optische Strahlung kann nach dem Verlassen des 1-D OPA-Chips somit zunächst von einem Volumenhologramm kollimiert werden, bevor sie von einem frequenzselektiven Element gebeugt wird (diffraktive Funktion). Volumenhologramme können dabei sowohl in Transmissionsgeometrie als auch Reflexionsgeometrie realisiert werden. Insbesondere können Volumenhologramme mit hoher Effizienz realisiert werden, da für LiDAR-Anwendungen nur mit einer einzigen Hauptwellenlänge (Bandbreite zum Durchstimmen der Wellenlänge bevorzugt zwischen 100 nm und 200 nm) gearbeitet werden braucht (z. B. im Gegensatz zu RGB bei Displayanwendungen). Hierdurch können beim LIDAR-System sowohl der benötige Bauraum als auch die Kosten signifikant reduziert werden. Ebenfalls ist ein gemeinsames Volumenhologramm sowohl für die Kollimierung als auch für die Beugung möglich.
Die Erfindung kann im Produktbereich von LiDAR-Sensoren für das autonome Fahren eingesetzt werden. Darüber hinaus sind Anwendungen beispielsweise im Robotik-Bereich, im Bereich Industrie-LiDAR (z. B. in der Logistik), in der Consumer 3D-Umfelderkennung oder auch für Range-Finder-Produkte (z. B. Power Tools) möglich.
Vorzugsweise ist der Kollimator reflektiv oder transmitiv ausgebildet. Durch diese Wahlfreiheit können beispielsweise ein vorgegebener beschränkter Bauraum optimal ausgenutzt oder der realisierte Strahlgang bezüglich der benötigten Größe eines adressierbaren Sichtfeldes optimiert werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wellenlänge der emittierten optischen Strahlung unabhängig von der ersten Ablenkung veränderbar ist. Insbesondere kann die erfindungsgemäße optische Phasenarray-Antenne ein Mittel zur Korrektur einer solchen Wellenlängenabhängigkeit umfassen. Das Mittel zur Korrektur kann beispielsweise bei dem 1-D Phasenarray abhängig von der jeweiligen Wellenlänge der optischen Strahlung eine entsprechende Phasenkorrektur hinsichtlich einer Wellenlängenabhängigkeit des Kantenkopplers vornehmen. Dadurch kann die Richtungssteuerung verbessert werden.
Bevorzugt ist das frequenzselektive Element ein optisches Gitter, insbesondere ein Oberflächengitter. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das frequenzselektive Element ebenfalls als Volumenhologramm ausgebildet ist. Dabei kann das frequenzselektive Element zur Erhöhung der Flexibilität bei der Stahlführung ebenfalls sowohl reflektiv als auch transmitiv ausgebildet sein.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind der Kollimator und das frequenzselektive Element als ein gemeinsames Volumenhologramm (bzw. Volumengitterelement) ausgebildet. Hierbei kann der benötigte Bauraum durch eine besonders kompakte Anordnung der Komponenten und eine weitere deutliche Verkürzung des Strahlenganges minimiert werden. Dabei können in dem gemeinsamen Volumenhologramm der Kollimator und das frequenzselektive Element hintereinander als voneinander unabhängige holographische Strukturen oder als eine gemeinsame holographische (Hybrid-)Struktur ausgebildet sein. Bei letzterer Ausführungsform kann die Dicke des gemeinsamen Volumenhologramms im Gegensatz zu einer Anordnung hintereinander weiter reduziert werden.
Der Vorteil hierbei ist somit eine weitere Bauraumreduzierung. Die Komplexität des Aufnahmeaufbaus zur Erstellung eines Masterhologramms ist bei einer Ausbildung als eine gemeinsame Bragg-Struktur jedoch eventuell deutlich höher als bei einer aufeinanderfolgenden Ausbildung. Wenn jedoch ein entsprechender holographischer Master bereitgestellt werden kann, ist hierbei ebenfalls ein „einfacher“ Master-Copy-Prozess für eine Massenproduktion möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne, und
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne gezeigt. Die optische Phasenarray-Antenne umfasst ein Chip-basiertes 1-D optisches Phasenarray 10 zur phasengesteuerten ersten Ablenkung einer optischen Strahlung 12 durch Phasenverschiebung, wobei die optische Strahlung vom 1-D optischen Phasenarray 10 über einen Kantenkoppler 14 (bzw. ein Kantenkopplerarray) mit einem asymmetrischen Strahlprofil mit einem ersten Divergenzwinkel γ_s in einer langsamen Achse S und einem zweiten Divergenzwinkel γ_f in einer schnellen Achse F senkrecht zur langsamen Achse S emittiert wird, wobei die erste Ablenkung bei der Emission parallel zur langsamen Achse S erfolgt; einen Kollimator 22, dazu ausgebildet, das asymmetrische Strahlprofil durch Anpassung des ersten Divergenzwinkels γ_s und/oder des zweiten Divergenzwinkels γ_f zu symmetrisieren; und ein frequenzselektives Element 30 zur wellenlängengesteuerten zweiten Ablenkung der optischen Strahlung 12 durch Wellenlängenveränderung, wobei das frequenzselektive Element 30 im Strahlengang hinter dem Kollimator 22 angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ablenkung derart zueinander ausgerichtet sind, dass eine 2-D Richtungssteuerung der optischen Strahlung 12 ermöglicht wird, wobei der Kollimator 22 als Volumenhologramm ausgebildet ist.
Bei dem frequenzselektiven Element 30 kann es sich um ein Oberflächengitter handeln. Am Oberflächengitter kommt es abhängig von der Wellenlänge λ₁, λ₂, λ₃ der auftreffenden optischen Strahlung zu einer unterschiedlich starken Ablenkung bezüglich der jeweiligen Einfallachse (Gitterbeugung). Die räumliche Orientierung bzw. Ausrichtung der Ablenkungsrichtung kann derart gewählt werden, dass die erste und zweite Ablenkung so zueinander ausgerichtet sind, dass eine 2-D Richtungssteuerung der optischen Strahlung 12 ermöglicht wird. Vorzugsweise sind die sich einstellenden Ablenkungsachsen im Strahlengang zur Maximierung des adressierbaren Sichtfeldes (Zielparameter) nach dem frequenzselektiven Element 30 senkrecht zueinander ausgerichtet.
Das Volumenhologramm kann als flaches Element ausgebildet sein. Sowohl das Volumenhologramm als auch das Oberflächengitter können als reflektive optische Komponenten ausgebildet sein, eine transmittive Konfiguration ist jedoch für beide Komponenten sowohl jeweils einzeln als auch zusammen ebenfalls möglich.
In der 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne gezeigt. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der Darstellung in 1. Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Zusätzlich zur Ausbildung des Kollimators 22 als Volumenhologramm wird hierbei auch das Oberflächengitter durch ein entsprechendes Volumenhologramm als frequenzselektives Element 32 ersetzt. Insbesondere kann durch das Volumenhologramm die Funktionalität des Oberflächengitters platzsparend nachgebildet werden. Damit die optische Strahlung in der senkrecht zur Oberfläche des Chips liegenden Richtung gut parallelisiert ist, kann somit ein erstes Volumenhologramm als Kollimator 22 verwendet werden, welches z. B. nur in dieser einen Richtung wirksam ist. Um eine Ablenkung auch in einer zweiten Richtung zu ermöglichen, kann eine weiteres Volumengitter bzw. Volumenhologramm in Transmissionsgeometrie benutzt werden. Durch Durchstimmen der Laserwellenlänge können der Beugungswinkel und damit die Ablenkrichtung in der zweiten Richtung verändert werden.
Das Volumenhologramm des frequenzselektiven Elements 32 kann als flaches Element ausgebildet sein. Die beiden gezeigte Volumenhologramme können als reflektive optische Komponenten ausgebildet sein, eine transmittive Konfiguration ist jedoch für beide Komponenten sowohl einzeln als auch zusammen möglich.
In der 3 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 2-D Phasenarray-Antenne gezeigt. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der Darstellung in 2. Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur 2 sind bei dieser Ausführungsform jedoch das Volumenhologramm des Kollimators 22 und das Volumenhologramm des frequenzselektiven Elements 32 als ein gemeinsames Volumenhologrammelement 2232 ausgebildet. In einer Achse (welche auch keine Kollimierungsfunktionalität haben kann, d. h. Wirkung wie bei einer Zylinderlinse) kann dann die Strahlung z. B. wesentlich stärker als in der dazu orthogonalen Achse kollimiert werden. Je nach Ausführungsform kann das gemeinsame Volumenhologrammelement 2232 in Reflexions- oder Transmissionsgeometrie realisiert werden. Durch Durchstimmen der Laserwellenlänge können der Beugungswinkel und damit die Ablenkrichtung bei der zweiten Ablenkung verändert werden.
Dabei können die jeweiligen Strukturen im Volumenhologrammelement 2232 getrennt voneinander angeordnet sein, so dass die optische Strahlung im Strahlengang nacheinander mit diesen wechselwirkt, oder die jeweiligen Strukturen können räumlich und funktionell miteinander überlagert sein. Durch eine solche Superposition von funktionalen Gitterstrukturen kann der benötigte Bauraum auf ein Minimum reduziert werden, da die Dicke des gemeinsamen Volumenhologrammelements 2232 gegenüber einer nachgelagerten Anordnung erheblich verringert werden kann.
Das Volumenhologramm des Volumenhologrammelements 2232 kann als flaches transmittierendes Element ausgebildet sein. In einer solchen Ausführungsform stellen beide Komponenten des gemeinsamen Volumenhologrammelements 2232 optisch transmittive Bereiche dar. Eine reflektive Konfiguration ist jedoch für beide Komponenten sowohl einzeln als auch zusammen möglich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9476981 B2 [0006]
WO 2021/153828 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. C. Hulme et al., „Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner“, Optics Express 23, 5861 [0003]
Y. Kim et al., „Compact solidstate optical phased array beam scanners based on polymeric photonic integrated circuits,“ Sci. Rep. 11, 10576 [0009]

Claims

Optische Phasenarray-Antenne, umfassend: ein Chip-basiertes eindimensionales, 1-D, optisches Phasenarray (10) zur phasengesteuerten ersten Ablenkung einer optischen Strahlung (12) durch Phasenverschiebung, wobei die optische Strahlung vom 1-D optischen Phasenarray (10) über einen Kantenkoppler (14) mit einem asymmetrischen Strahlprofil mit einem ersten Divergenzwinkel γ_s in einer langsamen Achse (S) und einem zweiten Divergenzwinkel γ_f in einer schnellen Achse (F) senkrecht zur langsamen Achse (S) emittiert wird, wobei die erste Ablenkung bei der Emission parallel zur langsamen Achse (S) erfolgt; einen Kollimator (22, 2232), dazu ausgebildet, das asymmetrische Strahlprofil durch Anpassung des ersten Divergenzwinkels γ_s und/oder des zweiten Divergenzwinkels γ_f zu symmetrisieren; und ein frequenzselektives Element (30, 32, 2232) zur wellenlängengesteuerten zweiten Ablenkung der optischen Strahlung (12) durch Wellenlängenveränderung, wobei das frequenzselektive Element (30, 32, 2232) im Strahlengang hinter dem Kollimator (22, 2232) angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ablenkung derart zueinander ausgerichtet sind, dass eine zweidimensionale, 2-D, Richtungssteuerung der optischen Strahlung (12) ermöglicht wird; dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (22, 2232) als Volumenhologramm ausgebildet ist.
Optische Phasenarray-Antenne nach Anspruch 1, wobei der Kollimator (22, 2232) reflektiv oder transmitiv ausgebildet ist.
Optische Phasenarray-Antenne nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ₃) der emittierten optischen Strahlung (12) unabhängig von der ersten Ablenkung veränderbar ist.
Optische Phasenarray-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das frequenzselektive Element (30) ein optisches Gitter ist.
Optische Phasenarray Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das frequenzselektive Element (32, 2232) als Volumenhologramm ausgebildet ist.
Optische Phasenarray-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das frequenzselektive Element (30, 32, 2232) reflektiv oder transmitiv ausgebildet ist.
Optische Phasenarray-Antenne nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Kollimator (2232) und das frequenzselektive Element (2232) als ein gemeinsames Volumenhologramm ausgebildet sind.
Optische Phasenarray-Antenne nach Anspruch 7, wobei in dem gemeinsamen Volumenhologramm der Kollimator (2232) und das frequenzselektive Element (2232) hintereinander als voneinander unabhängige holographische Strukturen oder als eine gemeinsame holographische Struktur ausgebildet sind.
LiDAR-System, eine optische Phasenarray-Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend.
Fahrzeug, ein LiDAR-System nach Anspruch 9 umfassend.