WO2022053345A1

WO2022053345A1 - Laserquelle, lidar-system und verfahren zur regelung einer laserquelle

Info

Publication number: WO2022053345A1
Application number: PCT/EP2021/073894
Authority: WO
Inventors: Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2022-03-17
Anticipated expiration: 2023-03-09
Also published as: DE102020123560A1; US12470043B2; US20230327402A1; DE102020123560B4; CN116018732B; CN116018732A

Abstract

Eine Laserquelle (10), umfasst eine Laserdiode (103), eine Modulationseinrichtung (140) und eine Rückkopplungseinrichtung (109). Die Modulationseinrichtung (140) umfasst eine Stromquelle (149) und ist geeignet, eine in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wobei eine Emissionsfrequenz der Laserdiode (103) veränderbar ist. Die Rückkopplungseinrichtung (109) ist geeignet, eine durch die Stromquelle (149) in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode (103) emittierter elektromagnetischer Strahlung (15) zu verändern.

Description

LASERQUELLE , LIDAR-SYSTEM UND VERFAHREN ZUR REGELUNG EINER

LASERQUELLE

LIDAR- ( "Light Detection and Ranging" - ) Systeme , insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme ( „frequency modulated continous wave"- modulierte Dauerstrich-LIDAR-Systeme ) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt . Beispielsweise werden sie eingesetzt , um Abstände zu messen oder Gegenstände zu erkennen . Um Obj ekte in größerer Entfernung zuverlässig erkennen zu können, sind Laser- Lichtquellen mit entsprechend hoher Leistung erforderlich .

Generell wird versucht , bestehende LIDAR-Systeme zu verbessern .

Insbesondere werden Laserquellen erforscht , deren Frequenz auf einfache Weise modulierbar ist und die eine erhöhte Temperaturstabilität der Emissionswellenlänge aufweisen .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine verbesserte Laserquelle , ein verbessertes LIDAR-System sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Laserquelle zur Verfügung zu stellen .

Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert .

Eine Laserquelle umfasst eine Laserdiode , eine Modulationseinrichtung und eine Rückkopplungseinrichtung . Die Modulationseinrichtung umfasst eine Stromquelle und ist geeignet , eine in die Laserdiode eingeprägte Stromstärke zu verändern, wobei eine Emissions frequenz der Laserdiode veränderbar ist . Die Rück- kopplungseinrichtung ist geeignet , eine durch die Stromquelle in die Laserdiode eingeprägte Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode emittierter elektromagnetischer Strahlung zu verändern .

Beispielsweise umfasst die Rückkopplungseinrichtung ein Interferometer, welches geeignet ist , aus einem von der emittierten elektromagnetischen Strahlung abgezweigten Messstrahl ein Signal zu erzeugen, dessen Intensität sich periodisch in Abhängigkeit von einer Emissionswellenlänge verändert .

Gemäß Aus führungs formen ist die Rückkopplungseinrichtung geeignet , der Modulationseinrichtung ein von der Intensität in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich abhängendes Rückkopplungssignal zuzuführen .

Gemäß Aus führungs formen weist die Rückkopplungseinrichtung eine Viel zahl von Interferometern auf . Der Messstrahl wird in eine Viel zahl von Teilstrahlen aufgeteilt , die j eweils unterschiedlichen Interferometern zugeführt werden . Weiterhin umfasst die Rückkopplungseinrichtung ferner eine Auswahleinrichtung, die geeignet ist , das Signal desj enigen Interferometers mit linearer Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge aus zuwählen .

Beispielsweise kann das Interferometer ein Mach-Zehnder- Interferometer sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das Interferometer ein Fabry-Perot- Interferometer sein .

Beispielsweise können Komponenten der Rückkopplungseinrichtung in einen photonischen Chip integriert sein . Beispielsweise kann die Rückkopplungseinrichtung einen oder eine Viel zahl von Interferometern aufweisen . Komponenten der Interferometer, beispielsweise Strahlteilereinrichtungen oder Strahlkombinie- rer können als faseroptische Komponenten, beispielsweise optische Verzweiger oder optische Koppler, realisiert sein .

Beispielsweise kann die Laserdiode eine oberflächenemittierende Laserdiode sein .

Gemäß Aus führungs formen umfasst ein LIDAR-System die Laserquelle wie vorstehend beschrieben . Beispielsweise kann das LIDAR-System mindestens teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert sein .

Ein Verfahren zur Regelung einer Laserquelle umfasst das Einprägen einer Stromstärke in eine Laserdiode , das Verändern der in die Laserdiode eingeprägten Stromstärke , wodurch eine Emissions frequenz der Laserdiode verändert wird, und das Regeln der in die Laserdiode eingeprägten Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode emittierter elektromagnetischer Strahlung .

Beispielsweise kann das Regeln der Stromstärke das Erzeugen eines Signals , das von der Emissionswellenlänge abhängt , das Erzeugen eines Rückkopplungssignals aus dem Signal und das Regeln der Stromstärke unter Verwendung des Rückkopplungssignals umfassen .

Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung . Die Zeichnungen veranschaulichen Aus führungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung . Weitere Aus führungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung . Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

Fig. 1A zeigt eine schematische Ansicht einer Laserquelle gemäß Aus führungs formen .

Fig. 1B zeigt Elemente einer Laserquelle gemäß weiteren Ausführungsformen .

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Signalen in zwei Fotodetektoren .

Fig. 3A zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht einer Laserquelle gemäß Aus führungs formen .

Fig. 3B zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Laserquelle gemäß Aus führungs formen .

Fig. 4 veranschaulicht ein LIDAR-System gemäß Ausführungsformen .

Fig. 5 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorderseite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend .

Die Beschreibung der Aus führungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Aus führungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird . Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Aus führungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Aus führungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt .

Die Begri f fe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat" , die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können j egliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halb-ileiteroberf läche hat . Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage , und weitere Halbleiterstrukturen einschließen . Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial , beispielsweise einem GaAs-Substrat , einem GaN- Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material , beispielsweise auf einem Saphirsubstrat , gewachsen sein .

Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren . Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes , blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AIN, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispiels- weise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium- Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.

Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.

Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.

Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.

Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.

Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbin- dung zwischen den verbundenen Elementen . Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein . Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein .

Der Begri f f „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen .

Fig . 1A zeigt eine Ansicht einer Laserquelle 10 gemäß Aus führungs formen . Die Laserquelle 10 umfasst eine Laserdiode 103 sowie eine Modulationseinrichtung 140 . Die Modulationseinrichtung 140 weist eine Stromquelle 149 auf . Über die Stromquelle 149 wird ein Strom in die Laserdiode 103 eingeprägt . Die Modulationseinrichtung 140 ist geeignet , die Stromstärke , die in die Laserdiode 103 eingeprägt wird, zu verändern . Als Folge ist eine Emissions frequenz der Laserdiode 103 veränderbar . Die Laserquelle 10 weist darüber hinaus eine Rückkopplungseinrichtung 109 auf . Die Rückkopplungseinrichtung 109 ist geeignet , die Stromstärke , die in die Laserdiode eingeprägt wird, in Abhängigkeit von der elektromagnetischen Strahlung, die von der Laserdiode emittiert wird, zu verändern .

Beispielsweise kann die Laserdiode 103 eine oberflächenemittierende Laserdiode (VCSEL, "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" ) darstellen . Gemäß Aus führungs formen kann die Laserdiode 103 auch eine Laserdiode mit einem optischen Resonator sein, der sich in einer Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten der Laserdiode 103 erstreckt . Beispielsweise kann die Laserdiode mit einem derartigen horizontalen Resonator weitere Umlenkeinrichtungen, beispielsweise spiegelnde Flächen aufweisen, über die der emittierte Lichtstrahl 15 in beliebiger Weise umgelenkt werden kann . Die Stromquelle 149 prägt einen Strom in die Laserdiode 103 ein . Durch eine kleine Änderung des eingeprägten Stroms , beispielsweise im Bereich von einigen pA kann die Wellenlänge derart geändert werden, dass die Frequenzunterschiede der emittierten Strahlung im MHz- bis GHz-Bereich liegen . Aufgrund der Modulation der eingeprägten Stromstärke ergibt sich eine Modulation der Ladungsträgerdichte , was zu einer Veränderung des Brechungsindex im optischen Resonator führt . Als Folge wird die Wellenlänge verschoben . Weiterhin wird durch eine erhöhte Ladungsträgerdichte eine Temperaturerhöhung verursacht , welche ebenfalls zu einer Veränderung der Emissionswellenlänge führt . Entsprechend kann die Emissionswellenlänge im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden .

Von dem emittierten Strahl 15 kann ein Teil als Messstrahl 16 abgezweigt werden . Der verbleibende Anteil der emittierten elektromagnetischen Strahlung verbleibt als Obj ektstrahl 19 . Die Intensität des Messstrahls 16 kann weniger als 10 % der Intensität des emittierten elektromagnetischen Strahlung 15 betragen . Beispielsweise kann die Intensität des Messstrahls 16 mehr als 1 % der emittierten Strahlung 15 betragen . Der Messstrahl 16 wird einer Messeinrichtung 104 zugeführt . Durch die Messeinrichtung 104 wird aus dem Messstrahl ein Signal erzeugt , dessen Intensität sich periodisch in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge verändert . Beispielsweise kann die Rückkopplungseinrichtung 109 geeignet sein, der Modulationseinrichtung 140 ein einer Intensität in einem vorgegebenem Wellenlängenbereich entsprechendes Rückkopplungssignal zuzuführen .

Wie in Fig . 1A dargestellt ist , wird der Messstrahl 16 in Teilstrahlen 21 , 24 und gegebenenfalls in einen Referenz- Messstrahl 112 aufgeteilt . Jeder Teilstrahl wird j eweils einem unterschiedlichen Interferometer 118 zugeführt . Das Interferometer 118 kann beispielsweise als Mach-Zehnder- Interferometer ausgeführt sein, wie in Fig. 1A gezeigt ist. Beispielsweise wird der Teilstrahl 21, 24 unter Verwendung von ersten Strahlteilern 107 in je zwei Unterstrahlen 22, 23 aufgeteilt. Der erste und der zweite Unterstrahl 22, 23 werden über unterschiedliche optische Weglängen und zugehörige Umlenkspiegel 106 schließlich wieder über einen zweiten Strahlteiler 108 zusammengeführt.

Der erste Strahlteiler 107 kann beispielsweise ein teildurchlässiger Spiegel sein. Der zweite Strahlteiler 108 ist beispielsweise als Bragg-Spiegel realisiert, dessen eine Seite die Phase des reflektierten Strahls um 180° verschiebt, die andere Seite aber nicht. Das bewirkt an einem Ausgang konstruktive, am anderen destruktive Interferenz. Als Ergebnis wird einerseits ein Strahl I_{Cf i} sowie ein Strahl I_{Sf i} erzeugt. Der Strahl I_{Cf i} wird durch einen ersten Fotodetektor 105i nachgewiesen. Der zweite Strahl I_{Sf i} wird durch einen zweiten Fotodetektor 1052 nachgewiesen. Der erste Strahl I_{Cf i} ist ein Strahl mit einer Intensität, die proportional zu cos²Acp/2 des Phasenunterschieds ist, der sich durch den Unterschied der unterschiedlichen Weglängen ergibt. Der zweite Strahl I_{Sf i} hat eine Intensität, die proportional zu sin²Acp/2 des Phasenunterschieds ist. Der Phasenunterschied ergibt sich beispielsweise wie folgt:

, wobei r den Confinement Factor des Systems, also das Verhältnis aus Strahlungsanteil der Mode im Kern und im Mantelbereich des Wellenleiters (typischerweise < oder ungefähr gleich 1) und X die Emissionswellenlänge bezeichnet. Das heißt, der Phasenunterschied und damit das Argument der sinus- und cosi- nus-Funktion ist wellenlängenabhängig . Weiterhin hängt der Phasenunterschied über AL von dem Weglängenunterschied zwischen den beiden Pfaden ab . Mit steigender Temperatur verändert sich die Emissionswellenlänge und damit der Phasenunterschied .

Gemäß Aus führungs formen wird der Messstrahl 16 in mehrere Teilstrahlen 21 , 24 unterteilt , die j eweils durch unterschiedlicher Interferometer 118 analysiert werden . Beispielsweise teilen die Interferometer 118 die Teilstrahlen 21 , 24 j eweils in einen ersten und zweiten Unterstrahl mit j eweils unterschiedlicher optischer Weglänge auf . Die unterschiedlichen Interferometer 118 sind so bemessen, dass sich für j edes Interferometer j eweils eine unterschiedliche Phasendi f ferenz ergibt . Als Ergebnis wird für j eden der auf gespaltenen Teilstrahlen 21 , 24 mit zugehörigem Interferometer ein anderer Verlauf der Intensität in Abhängigkeit der Emissionswellenlänge X erhalten . Da sich der Verlauf der Abhängigkeit in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge für alle Interferometer in gleicher Weise mit der Temperatur ändert , ist eine exakte Wellnlängenstabilisierung für den Laser selbst nicht mehr notwendig .

Fig . 2 zeigt ein Beispiel von Signalen, die j eweils durch die Detektoren 105i, 1052 nachgewiesen werden . Die Rückkopplungseinrichtung 109 weist eine Auswahleinrichtung 110 bzw . einen Controller auf , die geeignet ist , das Signal desj enigen Fotodetektorenpaars 105i, ■■■, 1054 aus zuwählen, welches in einem linearen Bereich verläuft . Der Abstand zwischen zwei Maxima kann beispielsweise einer Frequenz von 5GHz entsprechen, während der Bereich, der der modulierten Wellenlänge entspricht , etwa 1 GHz beträgt . Dadurch, dass der Messstrahl 16 in verschiedene Teilstrahlen unterteilt wird, die j eweils unterschiedlichen Interferometern 118 mit unterschiedlichen Di f ferenzen der Weglänge zugeführt werden, gibt es zu j edem Zeitpunkt ein Interferometer oder ein Fotodetektordetektorenpaar 105i, 1054 , bei dem sich die Intensität linear mit der Wellenlänge ändert . Der Modulationseinrichtung 140 wird ein Stromsignal zugeführt , das der gemessenen Intensität im linearen Bereich entspricht . Als Ergebnis wird die durch die Stromquelle 149 eingeprägte Stromstärke entsprechend geregelt . Als Folge ist es möglich, auch bei steigenden Temperaturen eine stabile Emissionswellenlänge zu erzielen . Insbesondere liegt die Emissionswellenlänge in einem vorgegebenen Bereich .

Beispielsweise kann eine Weglänge des optischen Pfads in einem Bereich von 8 mm liegen .

Der optionale Referenz-Messstrahl 112 kann beispielsweise verwendet werden, um die Leistung des Signals zu messen . Da innerhalb des Referenz-Messstrahls 112 keine periodischen Veränderungen auftreten und der Referenz-Messstrahl auch unabhängig von der Wellenlänge ist , kann dieses Signal beispielsweise zur Kalibrierung oder als Monitor für die Leistung oder auch als Referenz zu den Signalen in Fig . 2 verwendet werden .

Dadurch, dass , wie beschrieben worden ist , durch das Interferometer 118 zwei periodische Signale erzeugt werden, ist es möglich, aus der Signal form den linearen Bereich zu ermitteln . Dies wird später näher erläutert werden . Als Ergebnis kann eine Frequenz-Amplituden-Demodulation erfolgen .

Fig . 1B zeigt eine alternative Ausgestaltung des Interferometers 118 . Ähnlich wie in Fig . 1A veranschaulicht , wird der Messstrahl 16 in mehrere Teilstrahlen 21 , 24 unterteilt . So- dann werden die Teilstrahlen j eweils einem Fabry-Perot- Interferometer zugeführt . Das Fabry-Perot- Interferometer umfasst j eweils einen optischen Resonator 131 sowie j eweils einen ersten Resonatorspiegel 132 und einen zweiten Resonatorspiegel 133 an gegenüberliegenden Seiten des optischen Resonators 131 . Die Fabry-Perot- Interferometer für die entsprechenden Teilstrahlen weisen j eweils eine unterschiedliche Resonatorlänge auf . Auch hier sind Fotodetektoren 105i, 105₃ j eweils am Austrittsende der Fabry-Perot- Interferometer angeordnet . Da sich j eweils eine stehende Welle in dem Resonator ausbildet , wenn die Resonatorlänge ein ganz zahliges Viel faches der halben Wellenlänge der eingestrahlten Laserleistung in dem entsprechenden Ausbreitungsmedium ist , bildet sich auch hier ein periodisch veränderndes Signal in dem entsprechenden Fotodetektor 105i, ■■■, 105₃ aus . Beispielsweise kann eine Länge eines Fabry-Perot-Resonators etwa 2 cm betragen . Beispielsweise kann gemäß Fig . 1B derj enige Teilstrahl ausgewählt werden, bei dem die gemessene Intensität einem vorbestimmten Prozentsatz des Referenz-Messstrahls 112 entspricht . In diesem Bereich kann eine lineare Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge angenommen werden .

Fig . 2 zeigt die Intensität , die j eweils durch zwei Detektoren an einem Mach-Zehnder- Interferometer nachgewiesen wird . Wie zuvor beschrieben, ist die Intensität , die durch den Fotode- tektor 105i nachgewiesen wird, proportional zu cos , während die Intensität durch den Fotodetektor 105₃ nachgewiesen wird, proportional zu sin² Acp/2 ist . Dabei entspricht Acp dem Phasenunterschied, der sich aus den unterschiedlichen Weglängen ergibt und ist damit proportional zur Wellenlänge der emittierten Strahlung . Gemäß Aus führungs formen wird ein Wellenlängenbereich, in dem die Intensität linear ist , j eweils dadurch ermittelt , dass die Intensität Ii an dem ersten Fotodetektor 105i und die Intensität I₃ an dem zweiten Fotodetektor 105₃ nachgewiesen wird . Stimmen beide Intensitäten Ii und I2 überein, so befindet man sich in einem Wellenlängenbereich mit linearem Anstieg oder Abfall der Intensität , wie beispielsweise an der Stelle „Ii" und „I2" in Fig . 2 dargestellt ist . Die Auswahleinrichtung 110 ist geeignet , die Signale sämtlicher Fotodetektoren aus zulesen und j eweils paarweise miteinander zu vergleichen . Stimmen die Intensitäten eines Detektorpaars überein, so wird davon ausgegangen, dass hier ein linearer In- tensitätsanstieg oder -abfall vorliegt . Das Signal der entsprechenden Fotodetektoren wird dann zur Regelung der Modulationseinrichtung 140 verwendet . Auf diese Weise findet eine aktive Feedback-Regelung für die Modulationseinrichtung 140 statt .

Entsprechend werden eine etwaige Wellenlängendri ft oder Herstellungstoleranzen des Laser-Bragg-Spiegels im Vergleich mit der Resonatorlänge des Mach-Zehnder- Interferometers über die Temperatur dadurch ausgeglichen, dass das Signal von mehreren Mach-Zehnder- Interferometern gemessen wird . Das Signal desj enigen Mach-Zehnder- Interferometers mit linearem Verlauf wird verwendet , um den Strom, der an die Laserdiode 103 angelegt wird, zu regeln .

Fig . 3A zeigt eine vertikale Querschnittsansicht der Laserlichtquelle 10 gemäß Aus führungs formen . Über einem beliebigem Substrat 115 , beispielsweise einem isolierenden Substrat ist eine Wellenleiteranordnung 111 angeordnet . Weiterhin ist über dem Substrat 115 eine Laserdiode 103 angeordnet . Von der Laserdiode 103 emittierte Strahlung wird beispielsweise über Umlenkspiegel 106 in die Wellenleiter 111 eingekoppelt . Das Material der Wellenleiter kann beispielsweise SiO oder SiN umfassen . Bei Emissionswellenlängen der Laserdiode 103 von >1000 nm kann auch Si als Material für die Wellenleiter 111 verwendet werden . Beispielsweise kann die Laserdiode 103 geeignet sein, elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge mehr als 850 nm, beispielsweise 905 nm zu emittieren . Beispielsweise kann auf einer Seite der Laserdiode eine hochreflektierende Beschichtung angeordnet sein, während an einer anderen Seite der Laserdiode eine reflexionsvermindernde Beschichtung vorgesehen ist . Auf diese Weise wird an dieser Stelle die erzeugte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt . Die ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise über die Umlenkspiegel 106 in den Wellenleiter 111 eingekoppelt werden . Beispielsweise kann der Umlenkspiegel 106 auch ein Prisma oder ein geeignetes Gitter sein . Wie zuvor beschrieben worden ist , wird ein Teil des emittierten Strahls 15 als Messstrahl 16 abgezweigt . Beispielsweise kann der Messstrahl ca . 1 bis 10% des emittierten Strahls 15 umfassen . Weiterhin kann der Messstrahl 16 in verschiedenen Teilstrahlen sowie einen Referenz-Messstrahl 112 aufgeteilt werden .

Fig . 3B zeigt eine Draufsicht auf die Laserquelle 10 gemäß Aus führungs formen . Wie zu sehen ist , weist die Laserquelle 10 eine Laserdiode 103 sowie eine Anordnung von Wellenleitern 111 auf . Die Wellenleiter 111 sind angeordnet , um einen Teil der emittierten elektromagnetischen Strahlung in einen Messstrahl 16 sowie einen Obj ektstrahl 19 auf zuteilen . Weiterhin werden Komponenten des Interferometers durch Wellenleiter 111 realisiert . Der Messstrahl 16 wird in entsprechender Weise wie vorstehend beschrieben auf geteilt . Beispielsweise können entsprechende integriert-optische Elemente verwendet werden, um die Strahlen zu teilen und später wieder zusammenzuführen . Beispielsweise können die Funktionalitäten durch Verzweiger, Koppler oder gekoppelte Wellenleiter realisiert sein . Beispielsweise können die verschiedenen Weglängen der Wellenleiter eines Mach-Zehnder- Interferometers oder eines Fabry- Perot- Interferometers platzsparend ausgeführt werden, indem die Wellenleiter mäanderf örmig ausgebildet oder aufgerollt werden .

Beispielsweise kann die in Fig . 3B dargestellte Wellenleiterstruktur durch ein fotolithografisches Strukturierungsverfahren, durch das beispielsweise das Wellenleitermaterial , beispielsweise Si , SiO oder SiN strukturiert wird, hergestellt werden .

Wie beschrieben worden ist , kann eine Laserdiode mit verschiedenen optischen Komponenten, die beispielsweise einen Interferometer darstellen, kombiniert werden . Die optischen Komponenten können beispielsweise in Form eines optischen oder photo- nischen Chips realisiert werden . Entsprechend können die optischen Komponenten eine integrierte optische Schaltung darstellen . Beispielsweise kann die Laserdiode mit der integrierten optischen Schaltung integriert werden . Als Ergebnis kann eine Laserquelle mit einer temperaturstabilen Charakteristik der Emissionswellenlänge bereitgestellt werden .

Wie beschrieben worden ist , liegt immer unabhängig von der Emissionswellenlänge der Laserdiode mindestens ein Interferometer in einem annähernd linearen Bereich der Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge vor, so dass er als FM-AM- Demodulator verwendet werden kann . Auf diese Weise können automatisch Temperaturschwankungen und Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden . Das Signal der Fotodetektoren wird dabei in ein Regelsignal für die Modulationseinrichtung 140 überführt .

Die beschriebene Laserquelle kann beispielsweise in einem

LIDAR-System verwendet werden . Fig . 4 zeigt eine schematische Ansicht eines LIDAR-Systems 20 . Das in Fig . 4 gezeigte LIDAR- System 20 ist ein FMCW ( " Frequency Modulated Continuous Wave" ) - LIDAR-System . Die von der Laserquelle 10 emittierte Laserstrahlung weist eine sich verändernde Wellenlänge auf . Die emittierte Strahlung wird durch einen Strahlteiler 121 in einen Referenzstrahl 18 und einen Obj ektstrahl 19 aufgeteilt . Der Obj ektstrahl 19 wird auf ein Obj ekt 25 eingestrahlt und von diesem reflektiert . Dabei entsteht der reflektierte Strahl 17 . Der reflektierte Strahl 17 wird durch eine Empfangsoptik 128 und einen Kollimator 127 in geeigneter Weise geformt und über Spiegel 123 und eine weitere Optik 125 einem Detektor 150 zugeführt . Der Referenzstrahl 18 wird über Spiegel 123 sowie die Optik 125 direkt dem Detektor 126 zugeführt . Bei einer Überlagerung des reflektierten Strahls 17 mit dem Referenzstrahl 18 , die zueinander kohärent sind, entsteht an dem Detektor 126 ein Mischsignal , aus dem sich beispielsweise Abstand und weitere Information über das nachgewiesene Obj ekt auswerten lassen .

An dem Detektor 126 wird ein Mischsignal der Form

nachgewiesen . Dabei entspricht f_Lo der Frequenz des Obj ektstrahls 19 bzw . des Referenzstrahls 18 und f_a entspricht der Frequenz des reflektierten Strahls 17 . Die Frequenz des reflektierten Strahls 17 ist aufgrund des Lauf zeitunterschieds , der sich bei Reflexion an dem Obj ekt 25 ergibt , verzögert . Die Di f ferenz zwischen f_a und f_Lo ist ein Maß für die Bewegung und die Entfernung des Obj ekts 25 . Durch den Fotodetektor 126 wird die Di f ferenz frequenz des Referenzstrahls 18 und des reflektierten Strahls 17 ermittelt . Gemäß Aus führungs formen kann das LIDAR-System oder Teile davon als integrierte optische Schaltung realisiert sein . Beispielsweise können Komponenten des LIDAR-Systems als entsprechende faseroptische Komponenten realisiert sein.

Fig. 5 fasst ein Verfahren gemäß Aus führungs formen zusammen. Ein Verfahren zur Regelung einer Laserquelle umfasst das Einprägen (S100) einer Stromstärke in eine Laserdiode und das Verändern (S110) einer in die Laserdiode eingeprägten Stromstärke, wodurch eine Emissionsfrequenz der Laserdiode verändert wird. Das Verfahren umfasst weiterhin das Regeln (S120) der in die Laserdiode eingeprägten Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode emittierter elektromagnetischer Strahlung .

Beispielsweise kann das Regeln (S120) der Stromstärke das Erzeugen eines Signals (S130) , das von der Emissionswellenlänge abhängt und das Erzeugen (S140) eines Rückkopplungssignals aus dem Signal umfassen. Die Stromstärke wird dann unter Verwendung des Rückkopplungssignals geregelt. Die Regelung wird fortlaufend durchgeführt.

Obwohl hierin spezifische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Aus führungs formen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Aus führungs formen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt. BEZUGSZEICHENLISTE

Laserquelle emittierter Strahl

Messstrahl reflektierter Strahl

Referenz strahl

Ob j ektstrahl

LIDAR-System erster Teilstrahl erster Unterstrahl zweiter Unterstrahl zweiter Teilstrahl

Ob j ekt

Laserdiode

Messeinrichtung 52 , ...1054 Photodetektor

Umlenkspiegel erster Strahlteiler zweiter Strahlteier

Rückkopp lungs einr ich tung

Auswahleinr ich tung

Wellenleiter

Referenz-Messstrahl

Substrat

Interferometer

Strahlteiler

Spiegel

Optisches Element

Detektor

Kollimator

Empfangs optik optischer Resonator erster Resonatorspiegel zweiter Resonatorspiegel Modulationseinrichtung Stromquelle Einprägen einer Stromstärke Verändern der Stromstärke Regeln der Stromstärke Erzeugen eines Signals Erzeugen eines Rückkopplungssignals

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Laserquelle (10) , umfassend: eine Laserdiode (103) , eine Modulationseinrichtung (140) , die eine Stromquelle (149) umfasst und geeignet ist, eine in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wobei eine Emissionsfrequenz der Laserdiode (103) veränderbar ist, und eine Rückkopplungseinrichtung (109) , die geeignet ist, eine durch die Stromquelle (149) in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode (103) emittierter elektromagnetischer Strahlung (15) zu verändern, wobei die Rückkopplungseinrichtung (109) ein Interferometer (118) umfasst, welches geeignet ist, aus einem von der emittierten elektromagnetischen Strahlung (15) abgezweigten Messstrahl (16) ein Signal zu erzeugen, dessen Intensität sich periodisch in Abhängigkeit von einer Emissionswellenlänge verändert, die Rückkopplungseinrichtung (109) geeignet ist, der Modulationseinrichtung (140) ein von der Intensität in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich abhängendes Rückkopplungssignal zuzuführen, und die Rückkopplungseinrichtung (109) eine Vielzahl von Interferometern (118) aufweist und der Messstrahl (16) in eine Vielzahl von Teilstrahlen (21, 24) aufgeteilt wird, die jeweils unterschiedlichen Interferometern (118) zugeführt werden, und die Rückkopplungseinrichtung (109) ferner eine Auswahleinrichtung (110) umfasst, die geeignet ist, das Signal desjenigen Interferometers (118) mit linearer Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge auszuwählen.

2. Laserquelle (10) nach Anspruch 1, bei der das Interferometer (118) ein Mach-Zehnder-Interferometer ist.

3. Laserquelle (10) nach Anspruch 1, bei der das Interferometer (118) ein Fabry-Perot-Interferometer ist.

4. Laserquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Komponenten der Rückkopplungseinrichtung (109) in einen photonischen Chip integriert sind.

5. Laserquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Laserdiode (103) eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) ist.

6. LIDAR-System (20) , umfassend: die Laserquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .

7. LIDAR-System (20) nach Anspruch 6, welches zumindest teilweise als integrierte optische Schaltung realisiert ist.

8. Verfahren zur Regelung einer Laserquelle (10) , umfassend :

Einprägen einer Stromstärke in eine Laserdiode (103) ;

Verändern der in die Laserdiode (103) eingeprägten Stromstärke, wodurch eine Emissionsfrequenz der Laserdiode (103) verändert wird; und

Regeln der in die Laserdiode (103) eingeprägten Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode (103) emittierter elektromagnetischer Strahlung (15) , wobei das Regeln der Stromstärke folgendes umfasst:

Erzeugen eines Signals aus einem von der emittierten elektromagnetischen Strahlung abgezweigten Messstrahl, wobei das Signal von der Emissionswellenlänge abhängt und seine In- tensität sich periodisch in Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge ändert,

Erzeugen eines Rückkopplungssignals aus dem Signal und Regeln der Stromstärke unter Verwendung des Rückkopplungssignals , wobei das Rückkopplungssignal von der Intensität in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich abhängt, wobei der Messstrahl (16) in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird, die jeweils unterschiedlichen Interferometern zugeführt werden, und das Signal desjenigen Interferometers mit linearer Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge ausgewählt wird .

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Laserdiode (103) eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) ist.

10. Laserquelle (10) , umfassend: eine oberflächenemittierende Laserdiode (103) , eine Modulationseinrichtung (140) , die eine Stromquelle (149) umfasst und geeignet ist, eine in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke zu verändern, wobei eine Emissionsfrequenz der Laserdiode (103) veränderbar ist, und eine Rückkopplungseinrichtung (109) , die geeignet ist, eine durch die Stromquelle (149) in die Laserdiode (103) eingeprägte Stromstärke in Abhängigkeit von von der Laserdiode (103) emittierter elektromagnetischer Strahlung (15) zu verändern .