DE112021003714T5

DE112021003714T5 - Emitter-Array

Info

Publication number: DE112021003714T5
Application number: DE112021003714.5T
Authority: DE
Inventors: Sajan Shrestha; T. Phare Christopher; Lawrence Dah Ching TZUANG
Original assignee: Voyant Photonics Inc
Current assignee: Voyant Photonics Inc New York Us
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-05-04
Also published as: WO2022039851A2; US20220011406A1; CN115803655A; US11947042B2; WO2022039851A3

Abstract

Wenn in einer optischen Emitter-Vorrichtung Punktemitter auf der Brennebene eines Linsensystems platziert sind, zeigt jeder einzelne Punktemitter in Abhängigkeit von der Position des Punktemitters relativ zu der Längsmittelachse des Linsensystems in einen spezifischen Freiraumwinkel. Punktemitter umfassend Endfire-Verjüngungen in Kombination mit einem Drehspiegel und einer Mikrolinse bieten eine verbesserte Leistung, da Endfire-Verjüngungen im Gegensatz zu Gitterkopplern einen gleichmäßigen Breitbandbetrieb mit allen möglichen Polarisationszuständen ermöglichen. Ein Drehspiegel kann hinzugefügt werden, um die Lichtemission von den Endfire-Verjüngungen vertikal nach oben zu leiten, was sowohl ein zweidimensionales Punktemitter-Array als auch einen effizienteren Montageprozess ermöglicht.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Emitter-Array und insbesondere ein Emitter-Array für ein LIDAR-System.
Hintergrund
Herkömmliche integrierte optische phasengesteuerte Arrays senden und empfangen Lichtstrahlen in einer Vielzahl von steuerbaren Winkeln für verschiedene Anwendungen, einschließlich Freiraumkommunikation, Holographie und Lichterfassung und Entfernungsmessung (LIDAR). Ein LIDAR-Sensor ist ein optischer Fernsensor, der die Entfernung zu einem Ziel misst, indem er das Ziel mit Licht bestrahlt, Impulse oder ein moduliertes Signal von einem Laser verwendet und die Zeit misst, die das Licht benötigt, um zu dem Ziel und von dem Ziel zu einem Empfänger im LIDAR-Sensor zu gelangen. Sobald die reflektierten Impulse oder modulierten Signale erfasst werden, entspricht die Laufzeit der Impulse oder modulierten Signale der Entfernung zu dem erfassten Ziel. LIDAR-Sensoren sind wichtige Komponenten in autonomen Fahrzeugen, Drohnen-Navigationssystemen und der Roboterinteraktion, sind aber derzeit kostspielig und relativ groß.
Herkömmliche Verfahren zum Erzielen einer nichtmechanischen Strahllenkung auf dem Chip mit großer Apertur, wie z. B. phasengesteuerte Arrays, können eines oder mehrere der folgenden Probleme aufweisen: 1) hohen Stromverbrauch, 2) auf eindimensionale Lenkung beschränkt, 3) komplexe Strahlformungsalgorithmen und 4) strenge Anforderungen an die Einheitlichkeit des Herstellungsprozesses.
Um einige der vorgenannten Probleme zu überwinden, wird ein eindimensionales oder ein zweidimensionales Array von Punktemittern auf einem Chip angeordnet. Wenn Punktemitter auf der Brennebene eines Linsensystems platziert sind, zeigt jeder einzelne Punktemitter in Abhängigkeit von der Position des Punktemitters relativ zu der Längsmittelachse des Linsensystems auf einen spezifischen Freiraumwinkel, wie in der WO 2020/0506307 mit dem Titel Beam Steering and Receiving Method Based on an Optical Switch Array, veröffentlicht am 19. März 2020, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Jedoch sind die Punktemitter, die in handelsüblichen Silizium-Photonik-Gießereien hergestellt werden können, typischerweise Gitterkoppler, die eines oder mehrere der folgenden Probleme aufweisen können: 1) ineffiziente Emission, 2) Uneinheitlichkeit des Herstellungsprozesses, 3) starke Wellenlängenabhängigkeit und 4) Unfähigkeit, ein monostatisches System mit geringem Verlust zu implementieren, das die Polarisation von Licht ausnutzt.
Zusammenfassung
Dementsprechend betrifft die vorliegende Offenbarung eine optische Emitter-Vorrichtung, umfassend:

eine Vielzahl von in einem Array angeordneten Punktemittern, das eine Vielzahl von Reihen von Punktemittern und eine Vielzahl von Spalten von Punktemittern umfasst, jeder der Vielzahl von Punktemittern umfassend: eine Vielzahl von Endfire-Verjüngungen, die so konfiguriert sind, dass sie einen jeweiligen Lichtstrahl in einer jeweiligen Übertragungsrichtung emittieren;
eine Vielzahl von Reflektoren zum Umlenken der jeweiligen Lichtstrahlen im Wesentlichen senkrecht zu der jeweiligen Übertragungsrichtung.

Figurenliste
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen davon darstellen und in denen:

1 eine Seitenansicht einer optischen Emitter-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
2 eine Draufsicht auf ein Emitter-Array der Vorrichtung aus der 1 ist, wobei das Drehsubstrat entfernt ist;
3A eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Emitter-Arrays aus der 2 ist, wobei das Drehsubstrat entfernt ist;
3B eine Endansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 3A einschließlich des Drehsubstats ist;
3C eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 3A einschließlich des Drehsubstats ist;
3D eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 3A mit einem alternativen beispielhaften Drehreflektor und einschließlich des Drehsubstats ist;
4A eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer alternativen Ausführungsform des Emitter-Arrays aus der 2 ist, wobei das Drehsubstrat entfernt ist;
4B eine Endansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 4A einschließlich des Drehsubstats ist;
4C eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 4A einschließlich des Drehsubstats ist;
4D eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays aus der 4A mit einem alternativen beispielhaften Drehreflektor und einschließlich des Drehsubstats ist;
5 eine Querschnittsansicht eines Punktemitters des Emitter-Arrays aus der 2 mit dem Drehsubstrat ist;
6 eine Draufsicht auf den Punktemitter aus der 5 ist;
7 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Punktemitters des Emitter-Arrays aus der 2 ist;
8 eine Draufsicht auf den Punktemitter aus der 7 ist;
9A eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Drehsubstrats für die optische Emitter-Vorrichtung aus der 1 ist;
9B eine Draufsicht auf das Drehsubstrat aus der 9A ist; und
9C eine untere Ansicht des Drehsubstrat aus der 9A ist.

Ausführliche Beschreibung
Obwohl die vorliegenden Lehren in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass die vorliegenden Lehren auf solche Ausführungsformen beschränkt sind. Im Gegenteil, die vorliegenden Lehren umfassen verschiedene Alternativen und Äquivalente, wie Fachleute erkennen werden.
LIDAR-Systeme mit großer Reichweite beruhen auf dem effizienten Übertragen und Empfangen eines stark fokussierten oder kollimierten Strahls in und aus verschiedenen Winkelrichtungen. Obwohl Linsen typischerweise mit der Bildgebung in Verbindung gebracht werden, können Linsen sowohl für die Strahlformung als auch für die Strahllenkung verwendet werden. Unter Bezugnahme auf die 1 weist eine optische Emitter-Vorrichtung 1 ein Emitter-Array 2 und ein Strahllenkungs-Linsensystem 3 auf. Zur Strahlformung kann ein stark kollimierter Ausgangsstrahl 4_o übertragen werden, wenn ein Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm von dem Emitter-Array 2 auf der Brennebene F des Linsensystems 3 platziert ist (unendliche Konjugation). Die Rückwärtsausbreitung ist auch wahr basierend auf dem Reziprozitätstheorem, wonach ein auf das Linsensystem 3 scheinender paralleler Eingangsstrahl 4_i auf einen Punkt fokussiert wird, der von einem der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm erfasst wird, wobei eine leichte Streuung durch Linsen-Aberration und Beugung begrenzt ist. Zur Strahllenkung hängt der Fernfeldstrahlwinkel α des geformten, z.B. im Wesentlichen kollimierten oder fokussierten, Ausgangsstrahls 4_o von der Position des Punktemitters 5₁₁ bis 5_nm auf der Brennebene F relativ zu der optischen Längsmittelachse OA des Linsensystems 3 ab. Der Strahlwinkel α wird durch die Gleichung α = arctan(d/f) bestimmt: wobei d der Abstand von der Mitte der Brennebene ist, d. h. der Punkt, an dem die optische Achse OA mit der Brennebene F zusammenfällt, und f die Brennweite des Linsensystems 3 ist. Daher kann ein vollständiges LIDAR-System implementiert werden, indem ein Emitter-Array 2 von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm auf die oder nahe der Brennebene F des Linsensystems 3 platziert wird, dann jeder Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm selektiv ein- und ausgeschaltet wird, um den einen oder die mehreren Ausgangsstrahlen 4_o in die gewünschten Richtungen mit den gewünschten Strahlwinkeln α zu lenken. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundlegend von optischen phasengesteuerten Arrays, da die relative optische Phase zwischen den Emittern nicht gesteuert werden muss und nur ein Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm zu einem Zeitpunkt eingeschaltet werden muss. Darüber hinaus können mehrere Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm gleichzeitig aktiviert werden, um mehrere Ausgangsstrahlen 4_o zu übertragen, die in unterschiedliche Richtungen zeigen, d. h. mit unterschiedlichen Strahlwinkeln α₁₁ bis α_nm.
Das Emitter-Array 2 kann: ein Hauptsubstrat 7 zum Tragen einer Lichtwellenleiterstruktur 8 einschließlich des Punktemitters 5₁₁ bis 5_nm; und ein oberes Drehsubstrat 9 zum Tragen von Strahlleitungs- und/oder Strahlformungselementen, wie nachstehend beschrieben, aufweisen. Idealerweise sind die Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm in einem Array von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm angeordnet, das eine Vielzahl (n) von Reihen von Punktemittern 511 bis 5nm und eine Vielzahl (m) von Spalten von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm umfasst. Typischerweise sind die Punktemitter in den Reihen von Punktemittern ausgerichtet und die Punktemitter in den Spalten von Punktemittern sind ausgerichtet, aber die Reihen und/oder Spalten von Punktemittern können versetzt sein. Es gibt viele Möglichkeiten, wie die Punktemitter 5₁ bis 5_n realisiert werden können, einschließlich Endfire-Verjüngungen, Endfire-Verjüngungen mit einem Drehspiegel, Einzelschicht-Gitterkoppler und Doppelschicht-Gitterkoppler.
Die Ausgestaltung des Linsensystems 3 kann für die Leistung des Systems entscheidend sein. Das Linsensystem 3 kann bei Bedarf eine Vielzahl von Linsenelementen umfassen. Der größte Teil der Ausgestaltung des Linsensystems 3 ist ein Kompromiss zwischen der Blendenzahl, dem Sichtfeld und der Blendengröße. Es kann jedoch einige Ausgestaltungsprioritäten geben: z.B. a) eine Bildebenen-telezentrische Ausgestaltung aufzuweisen, bei dem die Hauptstrahlen von den Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm alle parallel zur optischen Achse OA im Bildraum sind, b) die Beugungsgrenze über das Sichtfeld zu erreichen, und c ) die numerische Apertur (NA) des Bildraums des Linsensystems 3 entspricht im Wesentlichen der NA der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm. Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse OA ermöglichen es, die Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm vollständig vertikal zu gestalten. Das Minimieren des Effekts von Linsenkrümmungs-Aberrationen ermöglicht die kleinste Streuung in den Ausgangsstrahlen 4_o und die bestmögliche Fokussierung für die empfangenen Eingangsstrahlen 4_i. Die Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm emittieren vorzugsweise Ausgangsstrahlen 4_o in einem Strahlwinkel α, der durch das Linsensystem 3 vollständig eingefangen werden kann. Wenn zum Beispiel die NA von einem oder mehreren der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm größer als der Bildraum NA des Linsensystems 3 ist, dann wird ein Teil des von den Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm emittierten Lichts nicht durch das Linsensystem 3 übertragen und wird daher als Verlust wiedergegeben.
Unter Bezugnahme auf die 2 kann die optische Emitter-Vorrichtung 1 auch mindestens eine Lichtquelle, vorzugsweise ein Array von Lichtquellen, und mindestens einen Fotodetektor, vorzugsweise ein Array von Fotodetektoren umfassen, die optisch mit entsprechenden Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm in dem Emitter-Array 2 gekoppelt sind. Vorzugsweise umfassen das Array von Lichtquellen und das Array von Lichtdetektoren ein Array von Sendeempfängern 11₁ bis 11_n. Jeder Sendeempfänger 11₁ bis 11_n kann einen Laser umfassen, der mindestens einen der Ausgangsstrahlen 4_o erzeugt, und einen Fotodetektor, der mindestens einen der Eingangsstrahlen 4_i erfasst. Das selektive Senden und Empfangen von Licht zu und von den Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm kann durch eine Schaltmatrix 12 zwischen den Sendeempfängern 11₁ bis 11_nund dem Emitter-Array 2 bereitgestellt werden. Um dementsprechend einen gewünschten Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm entsprechend einem gewünschten Strahlwinkel α auszuwählen, kann eine Steuerung 13 eine der Lichtquellen in einem der Sendeempfänger 11₁ bis 11_n entsprechend einer der Reihen, z.B. 1 bis n, von Punktemittern 511 bis 5nm auswählen, dann einen der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm in dieser Reihe auswählen, indem verschiedene Schalter 14 in der Schaltmatrix 12 ein- und/oder ausgeschaltet werden. Mit vier Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm in jeder Reihe, m = 4, kann die Schaltmatrix 12 beispielsweise einen einzigen Eingangsanschluss aufweisen, der optisch mit einem Schalterbaum gekoppelt ist, der (m - 1 = 3) Schalter 14, z.B. 2x2 Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) auf dem Chip umfasst, die selektiv aktiviert werden können, um den Ausgangsstrahl 4_o an einen gewünschten Ausgangsanschluss auszugeben. Eine Vielzahl von Lichtwellenleiterkernen 15 verläuft parallel zueinander zwischen den Ausgangsanschlüssen der Schaltmatrix 12 zu den Punktemittern 51 bis 5n. Jeder der Lichtwellenleiterkerne 15 kann an einem Ende davon einen gekrümmten Abschnitt aufweisen, z.B. einen 90°-Bogen, wobei jeder gekrümmte Abschnitt mit einem unterschiedlichen Krümmungsradius konfiguriert ist, um jeden der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm in einer Reihe auszurichten. Jede Reihe von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm kann mit den anderen Reihen ausgerichtet sein, wodurch Spalten von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm in einem n × m-Emitter-Array 2 von Punktemittern 5₁₁ bis 5_nm gebildet werden. Idealerweise beträgt der Abstand der Punktemitter 511 bis 5nm im Emitter-Array 2 5 µm bis 1000 µm oder basierend auf der Brennweite f, der Größe L des Emitter-Arrays 2 und der vom LIDAR-System geforderten Winkelauflösung: $Abstand = Aufl \ddot{o} sung / (2 * arctan (L / 2 f)) * L$
Wenn auf ähnliche Weise einer der einfallenden Strahlen 4_i am selben Punktemitter 5₁ bis 5_n empfangen wird, wird der einfallende Strahl 4_i in ähnlicher Weise umgekehrt über den entsprechenden Lichtwellenleiterkern 15 zur Schaltmatrix 12 zurück zu dem entsprechenden Photodetektor in dem entsprechenden Sendeempfänger 11₁ bis 11_n übertragen.
Unter Bezugnahme auf die 3A-4D können die Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm jeweils eine Endfire-Verjüngung 21 kombiniert mit einem Drehreflektor 22, z.B. Spiegel, umfassen und eine optionale Mikrolinse 23 (siehe die 5 und 6 für weitere Einzelheiten) umfassen. Anders als Gitterkoppler ermöglichen Endfire-Verjüngungen 21 eine gleichmäßige Breitbandübertragung von Licht mit allen möglichen Polarisationszuständen. Der Drehreflektor 22 kann in einem Hohlraum oder Graben 24 angeordnet sein, der in der Lichtwellenleiterstruktur 8 vorgesehen ist, um die Lichtemission von den Endfire-Verjüngungen 21 parallel zu der optischen Achse OA des Linsensystems 3 zu leiten, z.B. vertikal nach oben von und senkrecht zu einer oberen Oberfläche des Emitter-Arrays 2, was sowohl ein zweidimensionales Punktemitter-Array 2 als auch einen effizienteren Montageprozess ermöglicht.
Für eine Vielzahl von Punktemittern kann ein einziger Graben 24 vorgesehen sein, in den die Enden einer Vielzahl von dazu benachbart positionierter Endfire-Verjüngungen 21 geleitet sind. Idealerweise ist ein Graben 24 für eine ganze Reihe, z.B. 5₁₁ bis 5₁₄ von Punktemittern bereitgestellt; ein Graben 24 für jeden Punktemitter, z.B. Punktemitter 534 oder ein Graben 24 für eine Gruppe von z.B. 2 oder 3 Punktemittern, z. B. Punktemitter 5₂₃ und 5₂₄, ist jedoch ebenfalls möglich. Jeder Graben 24 ist dazu konfiguriert, den einen oder die mehreren entsprechenden Drehreflektoren 22 aufzunehmen, die mit den Enden der Endfire-Verjüngungen 21 ausgerichtet sind, und kann zwischen 2 µm und 150 µm tief sein, z. B. sich über die Endfire-Verjüngung hinaus oder vorzugsweise bis zum Boden der Lichtwellenleiterstruktur 8 zum Hauptsubstrat 7 und/oder noch bevorzugter in das Hauptsubstrat 7 (in gestrichelten Linien gezeigt) hinein erstrecken.
Außerdem kann ein einziger Drehreflektor 22 für eine Reihe von Punktemittern, z.B. 5₁₁ bis 5₁₄, vorgesehen sein, auf die die Ausgangsstrahlen 4_o (und Eingangsstrahlen 4_i) einer Vielzahl von Endfire-Verjüngungen 21 gerichtet sind. Idealerweise ist ein Drehreflektor 22 für eine ganze Reihe, z.B. 5₁₁ bis 5₁₄ von Punktemittern bereitgestellt; ein Drehreflektor 22 für jeden Punktemitter, z.B. Punktemitter 5₃₄ oder ein Drehreflektor 22 für eine Gruppe von z.B. 2 oder 3 Punktemittern, z.B. Punktemitter 5₂₃ und 5₂₄, ist ebenfalls möglich. Einige oder alle Drehreflektoren 22 können auf dem Drehsubstrat 9 (3C und 4C) oder in dem Graben 24 (3D und 4D) angebracht z.B. abgeschieden oder geätzt, sein, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C beschrieben. Die Breite und Höhe des Drehreflektors 22 betragen etwa 5 µm bis 100 µm, d. h. größer als die Nahfeld-Modegröße der Endfire-Verjüngung 21 dividiert durch cos(45°).
Die 3A stellt eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Punktemitter-Arrays 2 dar, wobei das Drehsubstrat 9 entfernt ist, d. h. eine Reihe von Punktemittern 5₁₁ bis 5₁₄ wird dargestellt. Vier Punktemitter sind dargestellt; jedoch liegen auch zusätzliche Punktemitter innerhalb des Umfangs der Erfindung. Die 3B stellt eine Querschnittsansicht des Abschnitts des Emitter-Arrays 2 entlang der Schnittline B-B dar. Die 3C und 3D sind Querschnittsansichten des Emitter-Arrays 2 mit alternativen Drehreflektoren 22 entlang der Schnittlinie C-C, d. h. der äußere Lichtwellenleiterkern 15 bis zum vierten Punktemitter 5₁₄. Das Emitter-Array 2 kann die Lichtwellenleiterstruktur 8 aufweisen, die aus einem oder mehreren Lichtwellenleiterschichten gebildet ist, die so konfiguriert sind, dass sie die Lichtwellenleiterkerne 15 und die Endfire-Verjüngungen 21 bilden, die von einer Ummantelung umgeben sind, d. h. einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex. Die Lichtwellenleiterkerne 15 und die Endfire-Verjüngungen 21 können aus Silizium (Si) oder Siliziumnitrid (SiN) oder sowohl Si als auch SiN oder jedem anderen geeigneten Material für Lichtwellenleiterkerne gebildet sein. Die Lichtwellenleiterstruktur 8 kann auf dem Hauptsubstrat 7 angebracht, z.B. darauf gezüchtet sein, wobei obere und untere Ummantelungen 32 und 33 die Lichtwellenleiterkerne 15 und die Endfire-Verjüngungen 21 umgeben. Die obere und untere Ummantelungen 32 und 33 können aus einem Oxidmaterial, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂) gebildet sein, z.B. 2-5 µm dick sein, und das Hauptsubstrat 7 kann aus Silizium, Quarz oder irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. Wenigstens einige der Endfire-Verjüngungen 21 können eine Länge von 100 µm bis 400 µm aufweisen und sich nach unten verjüngen, z.B. um 25 % bis 75 %, vorzugsweise um etwa 50 %, von der ursprünglichen Breite des Lichtwellenleiterkerns 15, z.B. 400 nm bis 500 nm breit mal 200 nm bis 250 nm dick, bis zu einer Spitze mit einer Breite von zwischen 50 nm bis 300 nm und der ursprünglichen Dicke, z.B. 200 nm bis 250 nm, obwohl die Dicke bei Bedarf auch auf weniger als den Lichtwellenleiterkern 15 verjüngt werden kann. Vorzugsweise kann das Ende der Endfire-Verjüngungen 21 symmetrisch sein, z.B. quadratisch (200 nm x 200 nm). Wenigstens einige der Endfire-Verjüngungen 21, z.B. Punktemitter 5₁₁, können umgekehrte Verjüngungen umfassen, die sich zumindest in der Breite von den ursprünglichen Abmessungen ausdehnen, z.B. Breite, des Lichtwellenleiterkerns 15 auf eine größere Breite, z.B. 2x bis 10x breiter oder bis 1 µm bis 4 µm breit. Die Dicke kann sich bei Bedarf auch ausdehnen. Einige der Endfire-Verjüngungen 21 können sich in der Breite verengen und einige der Endfire-Verjüngungen 21 können sich in der Breite verbreitern. Einige der Endfire-Verjüngungen 21 können mehr oder weniger verengt sein als andere Endfire-Verjüngungen 21, und einige der Endfire-Verjüngungen können mehr oder weniger verbreitert sein als die anderen Endfire-Verjüngungen 21.
Mit Übertragung vom Ende der Endfire-Verjüngung 21 dehnt sich der geleitete Lichtmode aus, der sich in dem zuführenden Lichtwellenleiterkern 15 fortbewegt. Die minimal erreichbare NA für Endfire-Verjüngungen aus reinem Silizium in z.B. die Luft um das Linsensystem 3 herum beträgt etwa 0,38, was für die Konstruktion des Linsensystems 3 schwierig ist, weil Teile des Ausgangsstrahls 4_i sich über die NA des Linsensystems 3 hinaus ausdehnen und verloren gehen können. Selbst wenn das Linsensystem 3 eine ausreichend hohe NA hat, können alternativ optische Aberrationen, die häufig in Linsen mit hoher NA vorhanden sind, die Leistung des LIDAR-Systems verringern. Systeme mit hoher NA ohne Aberration sind oft teuer in der Herstellung und empfindlich gegenüber Fehlausrichtung und Umgebungseinflüssen, wie Erschütterungen und Temperaturen.
Die 4A stellt eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer alternativen Ausführungsform des Punktemitter-Arrays 2 dar, wobei das Drehsubstrat 9 entfernt ist, d. h. eine Reihe von Punktemittern 5₁₁ bis 5₁₄ wird dargestellt. Die 4C und 4D sind Querschnittsansichten des Emitter-Arrays 2 mit alternativen Drehreflektoren 22 entlang der Schnittlinie C-C, d. h. des zweischichtigen äußeren Lichtwellenleiterkerns 15' bis zum vierten Punktemitter 5₁₄. Das Emitter-Array 2 kann die Lichtwellenleiterstruktur 8 aufweisen, die aus einem oder mehreren Lichtwellenleiterschichten gebildet ist, die so konfiguriert sind, dass sie die zweischichtigen Lichtwellenleiterkerne 15' und die zweischichtigen Endfire-Verjüngungen 21' bilden. Das Einbeziehen einer zweiten Schicht eines Lichtwellenleiters ermöglicht eine Mode-Profilgestaltung, die auch eine Modifikation der NA des Emitter-Arrays 2 ermöglichen kann, d. h. das Einkoppeln von Licht in einen gekoppelten Mode, der eine breitere Mode-Streuung hat, führt zu einer kleineren NA. Die zweischichtigen Lichtwellenleiterkerne 15' und die zweischichtigen Endfire-Verjüngungen 21' können aus zwei ähnlichen Lichtwellenleitermaterialien mit ähnlichen Brechungsindizes gebildet sein, z.B. beide aus Silizium (Si) oder beide aus Siliziumnitrid (SiN), oder aus zwei unterschiedlichen Lichtwellenleitermaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wie z.B. einen ersten Brechungsindex, z.B. Si, größer als ein zweiter Brechungsindex, z.B. SiN, oder aus irgendeinem anderen geeigneten Kernmaterial für Lichtwellenleiter. Die Wellenleiterschichten können auf dem Hauptsubstrat 7 angebracht, z.B. darauf gezüchtet sein, wobei obere und untere Ummantelungen 32 und 33 die doppelten Lichtwellenleiterkerne 15' und die Endfire-Verjüngungen 21' umgeben. Die obere und untere Ummantelungen 32 und 33 können aus einem Oxidmaterial, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO2) gebildet sein, z.B. 2 µm dick sein, und das Hauptsubstrat 7 kann aus Silizium, Quarz oder irgendein geeignetes Material gebildet sein.
Die 5 und 6 stellen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht des Drehreflektors 22 und der optionalen Mikrolinse 23 dar, falls erforderlich, kombiniert mit der Endfire-Verjüngung 21 oder der doppelten Endfire-Verjüngung 21'. Der Drehreflektor 22 kann aus einem separaten Drehsubstrat 9 z.B. z.B. Silizium oder Quarz, gebildet, z.B. geätzt, sein, mit einem schrägem Wandwinkel, z.B. von 45° zu der Längsachse der Endfire-Verjüngung 21, die die Übertragungsrichtung definiert, und kann mit einer reflektierenden Schicht oder Beschichtung 42, z.B. Silber, Kupfer, Aluminium, Gold oder einem Bragg-Gitter, beschichtet oder daraus konfiguriert sein. Wenn der Drehreflektor 22 einen ausreichend hohen Brechungsindex n_reflector aufweist, z.B. Silizium, und der Graben 24 einen ausreichend niedrigen Brechungsindex n_reflecotr, z. Luft, aufweist, so dass der Hauptteil des Strahls 4_o auf die schräge Wand unter einem größeren als dem kritischen Winkel arcsin(n_reflector/n_trench) trifft, kann die Beschichtung 42 weggelassen werden und der Strahl 4_o kann durch innere Reflexion reflektiert werden. Eine flache vertikale Seitenwand des Drehreflektors 22, die der Endfire-Verjüngung 21 oder 21' zugewandt ist, kann mit einer Antireflexions(AR)-Beschichtung 43 beschichtet sein, um die Fresnel-Reflexion davon zu minimieren. In ähnlicher Weise kann die obere Oberfläche der Mikrolinse 23 oder des Drehsubstrats 9 mit einer AR-Beschichtung beschichtet sein. Der aus den Endfire-Verjüngungen 21 oder 21' neben dem Graben 24 herauskommende Ausgangsstrahl 4_o expandiert, überquert einen Luftspalt, z.B. 1 µm bis 10 µm, und wird durch die vertikale Seitenwand übertragen, d. h. die durch AR-Beschichtung 43 hindurch, trifft dann auf die schräge reflektierende Schicht oder Beschichtung 42 auf und wird von dieser reflektiert, die den Lichtpfad im Wesentlichen senkrecht zur ursprünglichen Übertragungsrichtung in der Endfire-Verjüngung 21 und der oberen Oberfläche des Punktemitter-Arrays 2 nach oben umlenkt. Das Emissionsmuster jedes Ausgangsstrahls 4_o (und Eingangsstrahls 4_i) kann dann durch die entsprechende Mikrolinse 23 umgeformt, z.B. kollimiert oder fokussiert, werden. Das Ziel der Mikrolinse 23 besteht darin, die NA des Punktemitters für ein praktischeres Linsendesign in einen kleineren Wert umzuwandeln, z.B. weniger als 0,2, vorzugsweise weniger als 0,15. Jede Mikrolinse 23 kann einen Durchmesser von 25 µm bis 200 µm aufweisen. Jeder Drehreflektor 22 kann Kanten mit Längen zwischen 6 µm und 90 µm aufweisen. Der Spalt und/oder der Graben 24 können ein Indexanpassungsmaterial zwischen den Endfire-Verjüngungen 21 und den Drehreflektoren 22 umfassen, d. h. ein Material mit einem Brechungsindex zwischen dem effektiven Brechungsindex des Modes in den Endfire-Verjüngungen 21 und dem Brechungsindex des Drehreflektors 22, um zumindest Rückreflexionen an der Grenzfläche zwischen der Endfire-Verjüngung 21 und dem Spalt und/oder der Grenzfläche zwischen dem Spalt und dem Drehreflektor 22 zu verringern.
Unter Bezugnahme auf die 7 und 8 kann zur weiteren Verringerung der NA der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm eine aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 bereitgestellt werden, die optisch mit dem Ende einiger oder jeder der Endfire-Verjüngungen 21 oder 21' gekoppelt ist. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann aus dem Mantelmaterial gebildet sein z.B. SiO2, das nun den Lichtwellenleiterkern bildet, von einer die Ummantelung bildenden Tasche aus Material mit niedrigerem Brechungsindex, z.B. Luft, umgeben sein. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann über dem Hauptsubstrat 7 hängen, indem eines oder mehrere des Substratmaterials von dem Hauptsubstrat 7 und/oder dem Drehsubstrat 9 und/oder dem Mantelmaterial von dem oberen und unteren Mantel 32 und 33 unterhalb und/oder um die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 entfernt, z.B. geätzt ist, wodurch eine Tasche oder Kammer 51 um die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 gebildet wird. Idealerweise kann jeder Graben 24 vergrößert werden, um sich unter und/um die aufgehängten Lichtwellenleiterstrukturen 50 zu erstrecken, um die Tasche oder Kammer 51 zu bilden. Das Drehsubstrat 9, wie in der 8, kann auch in ausgewählten Bereichen oberhalb der aufgehängten Wellenleiterstruktur 50 geätzt werden, wodurch Kanäle 52 (9C) gebildet werden, so dass der Lichtmode in der aufgehängten Lichtwellenleiterstruktur 50 weder in das Hauptsubstrat 7 noch in das Drehsubstrat 9 streut. Dementsprechend kann die NA für die aufgehängte Wellenleiterstruktur 50/Endfire-Verjüngungen 21 oder 21' auf weniger als etwa 0,25, vorzugsweise weniger als 0,2, reduziert werden, wodurch es der Mikrolinse 23 ermöglicht wird, die NA des Punktemitters in weniger als 0,20, vorzugsweise weniger als 0,15 umzuwandeln. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann sich 2 µm bis 50 µm in die Kammer 51 oder den Graben 24 hinein erstrecken, wohingegen die Endfire-Verjüngung 21 oder 21' sich etwas in die Kammer 51 oder den Graben 24 hinein erstrecken kann, jedoch weniger als die volle Länge der aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann eine Dicke, z. B. von 6 µm bis dass 8 µm, ebenso wir die gesamte Lichtwellenleiterstruktur 8 aufweisen, oder kann durch lokales Entfernen eines Teils der oberen Umhüllung 32 dünner hergestellt werden als die Lichtwellenleiterstruktur 8. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann eine konstante Breite haben, ungefähr gleich der Dicke, z.B. 6 µm bis 8 µm. Die aufgehängte Lichtwellenleiterstruktur 50 kann sich verjüngen, d. h. eine sich verjüngende Breite und/oder Höhe in Richtung ihres äußeren freien Endes (gestrichelte Linien), oder kann sich umgekehrt verjüngen, d. h. eine sich erweiternde Breite und/oder Höhe in Richtung ihres äußeren freien Endes. Idealerweise ist die Endfire-Verjüngung 21 sowohl vertikal als auch horizontal in der Mitte der Wellenleiterstruktur 50 positioniert.
Darüber hinaus kann der Drehreflektor 22 in einigen oder allen der zuvor erwähnten Ausführungsformen einen integrierten gekrümmten Reflektor 53 auf der schrägen Oberfläche aufweisen oder diese bilden, um die NA der Punktemitter 5₁₁ bis 5_nm weiter zu reduzieren. Beispielsweise kann eine sphärische, konische oder asphärische Oberfläche auf der schrägen Oberfläche des Drehreflektors 22, z.B. mit einem Krümmungsradius von 0,1 mm bis 1,0 mm, bereitgestellt, z.B. geätzt oder abgeschieden werden. In Ausführungsformen mit oder ohne den gekrümmten Reflektor 53 ist die Mikrolinse 23 möglicherweise nicht erforderlich und kann weggelassen werden.
Unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C können die Drehreflektoren 22 und die Mikrolinsen 23 auf demselben Drehsubstrat 9 hergestellt werden, wodurch die Vielzahl von Drehreflektoren 22 und die Vielzahl von Mikrolinsen 23 auf demselben Drehsubstrat 9 konfiguriert werden können, das dann oben auf den das Emitter-Array 2 umfassenden Photonikchip gebondet sein kann.
Dementsprechend können die reflektierenden Schichten oder Beschichtungen 42, die AR-Beschichtungen 43 und eine AR-Beschichtung über jeder der Mikrolinsen 23 in einem von der Herstellung der Lichtwellenleiterstruktur 8 getrennten Herstellungsprozess bereitgestellt, z. B., auf die entsprechenden Merkmale des Drehsubstrats 9 beschichtet werden. Ferner kann eine Vielzahl der Drehreflektoren 22 eine einzige monolithische Struktur umfassen, die sich über die Länge des Drehsubstats 9 zum Reflektieren einer Vielzahl von Ausgangsstrahlen 4_o und Eingangsstrahlen 4₁ von und zu den Punktemittern, z.B. 5₁₄, 5₂₄, 5₃₄, 5₄₄, und 5_n4, in einer Spalte des Emitter-Arrays 2 erstreckt.
Die vorstehende Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränken. Im Lichte der obigen Lehre sind viele Modifikationen und Variationen möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung nicht durch diese detaillierte Beschreibung beschränkt wird, sondern vielmehr durch die beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020/0506307 [0004]

Claims

Eine optische Emitter-Vorrichtung, umfassend: eine Vielzahl von in einem Array angeordneten Punktemittern, das eine Vielzahl von Reihen von Punktemittern und eine Vielzahl von Spalten von Punktemittern umfasst, jeder der Vielzahl von Punktemittern umfassend: eine Vielzahl von Endfire-Verjüngungen, die so konfiguriert sind, dass sie einen jeweiligen Lichtstrahl in einer jeweiligen Übertragungsrichtung emittieren; und eine Vielzahl von Reflektoren zum Umlenken der jeweiligen Lichtstrahlen im Wesentlichen senkrecht zu der jeweiligen Übertragungsrichtung.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einige der Vielzahl von Punktemittern ferner eine Mikrolinse zum Formen des jeweiligen Lichtstrahls umfassen.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einige der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen eine zweischichtige Endfire-Verjüngung umfassen.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei jede der zweischichtigen Endfire-Verjüngungen eine erste Schicht aus Silizium und eine zweite Schicht aus Siliziumnitrid umfasst.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einige der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen sich auf eine Breite zwischen 50 nm und 400 nm verengen.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest einige der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen sich auf eine Breite zwischen 1µm und 4µm erweitem.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Hauptsubstrat zum Tragen der Vielzahl von Punktemittern; und eine Lichtwellenleiterstruktur, umfassend: eine Vielzahl von Lichtwellenleiterkernen, wobei sich jeder der Vielzahl von Lichtwellenleiterkernen zu einer entsprechenden Endfire-Verjüngung der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen erstreckt; und eine Ummantelung, die die Vielzahl von Lichtwellenleiterkernen umgibt.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei mindestens einer der Vielzahl von Lichtwellenleiterkernen einen zweischichtigen Lichtellenleiterkern umfasst.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jeder zweischichtige Lichtwellenleiterkern eine erste Schicht aus Silizium und eine zweite Schicht aus Siliziumnitrid umfasst.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Lichtwellenleiterstruktur eine Vielzahl von Gräben aufweist, wobei jeder der Vielzahl von Gräben zum Empfangen jeder der entsprechende Lichtstrahlen benachbart zu einem Ende mindestens einer der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen ist; und wobei jeder Reflektor der Vielzahl von Reflektoren in einem der Vielzahl von Gräben angebracht ist und jeder Reflektor eine reflektierende Oberfläche in einem schiefen Winkel zu der jeweiligen Übertragungsrichtung aufweist.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die reflektierende Oberfläche eine gekrümmte Oberfläche zum Formen des jeweiligen Lichtstrahls umfasst.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend ein Drehsubstrat, das auf einer oberen Oberfläche der Lichtwellenleiterstruktur angebracht ist; wobei sich jeder der Vielzahl von Reflektoren von dem Drehsubstrat in einen der Vielzahl von Gräben erstreckt.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so konfiguriert sind, dass sie jeden der jeweiligen Lichtstrahlen formen; und wobei die Vielzahl von Mikrolinsen auf dem Drehsubstrat angebracht ist.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine erste Gruppe der Vielzahl von Wellenleiterkernen dazu konfiguriert ist, eine entsprechende erste Gruppe der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen zu einem ersten Graben der Vielzahl von Gräben hin zu leiten; und wobei jede der ersten Gruppe der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen an einem ersten Reflektor der Vielzahl von Reflektoren geleitet ist, der in dem ersten Graben angeordnet ist.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen einen aufgehängten Lichtwellenleiter aufweist, der sich davon benachbart zu einer der Vielzahl von Gräben erstreckt; wobei der aufgehängte Lichtwellenleiter einen aufgehängten Wellenleiterkern umfasst, der dasselbe Material wie die Umhüllung umfasst, von einer in der Lichtwellenleiterstruktur bereitgestellten Tasche umgeben ist, und wobei das Hauptsubstrat Umhüllungsmaterial mit einem niedrigeren Brechungsindex als der aufgehängte Wellenleiterkern umfasst.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei jeder aufgehängte Lichtwellenleiter sich verjüngende Seitenwände aufweist, die sich entlang der Übertragungsrichtung verbreitern oder verschmälern.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Ansprüche 10, wobei mindestens einer der Vielzahl von Reflektoren auf dem Hauptsubstrat in einem der Vielzahl von Gräben angebracht ist.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 17, ferner umfassend: ein Drehsubstrat, das auf einer oberen Oberfläche der Lichtwellenleiterstruktur angebracht ist; und eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so konfiguriert sind, dass sie jeden der jeweiligen Lichtstrahlen formen, die auf dem Drehsubstrat angebracht sind.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Linsensystem mit einer Brennweite und einer optischen Achse zum Umlenken der jeweiligen Lichtstrahlen in einem jeweiligen Strahlwinkel in Abhängigkeit von einer Position eines jeweiligen Punktemitters der Vielzahl von Punktemittern relativ zur optischen Achse.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: mindestens eine Lichtquelle zum Erzeugen der jeweiligen Lichtstrahlen; und eine Schaltmatrix zum selektiven Leiten des entsprechenden Lichtstrahls zu einem der Vielzahl von Punktemittern.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 20, ferner umfassend mindestens einen Photodetektor zum Erfassen von einfallenden Lichtstrahlen, die von der Vielzahl von Punktemittern empfangen werden.
Die optische Emitter-Vorrichtung nach Anspruch 10, ferner umfassend ein Indexanpassungsmaterial in den Gräben zwischen der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen und der Vielzahl von Reflektoren, wobei das Indexanpassungsmaterial einen Brechungsindex zwischen einem effektiven Brechungsindex der Vielzahl von Endfire-Verjüngungen und einen Brechungsindex der Vielzahl von Reflektoren hat.