WO2022089936A1 - Fmcw-lidar-system - Google Patents

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WO2022089936A1
WO2022089936A1 PCT/EP2021/078168 EP2021078168W WO2022089936A1 WO 2022089936 A1 WO2022089936 A1 WO 2022089936A1 EP 2021078168 W EP2021078168 W EP 2021078168W WO 2022089936 A1 WO2022089936 A1 WO 2022089936A1
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frequency comb
laser
fmcw lidar
grating
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Martin Behringer
Hubert Halbritter
Stephan Haneder
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Ams Osram International GmbH
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Ams Osram International GmbH
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    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • FMCW LIDAR systems frequency modulated continuous wave LIDAR systems
  • laser light sources with correspondingly high power are required.
  • the object of the present invention is to provide an improved FMCW LIDAR system.
  • an FMCW LIDAR system comprises a radiation source which has a frequency comb generator.
  • the radiation source can also have a semiconductor laser which is suitable for emitting a laser beam.
  • the frequency comb generator is suitable for generating a frequency comb from the emitted laser beam.
  • the FMCW LIDAR system can also have a first grating, which is suitable for components of the frequency comb with different wavelengths in different directions in space distract .
  • the first grid is arranged between the frequency comb generator and an object to be measured.
  • the FMCW LIDAR system can also have an array of detector elements.
  • the arrangement of detector elements is suitable for detecting a mixed signal which is generated on the basis of a reflection beam reflected by an object to be measured and a reference beam.
  • the FMCW-LIDAR system can also have a second grating, which is suitable for deflecting electromagnetic radiation incident on the second grating onto different detector elements depending on their wavelength.
  • the second grating can be suitable for deflecting a reflected beam associated with a reference beam and the reference beam onto a common detector element.
  • the second grating can be arranged at a position at which the beam reflected by the object to be measured is split and, after splitting, is overlaid with the reference beam.
  • the radiation source can also have a modulation device for modulating a wavelength emitted by the radiation source.
  • the modulation device can include a voltage source that is suitable for changing a current intensity that is impressed into the semiconductor laser.
  • the frequency comb generator can have a microresonator.
  • the frequency comb generator can be suitable for setting a mode spacing greater than 5 GHz between adjacent modes.
  • the radiation source can be implemented in a photonic chip.
  • the frequency comb generator can also be integrated into the photonic chip.
  • the semiconductor laser can be a surface-emitting semiconductor laser with a vertical cavity (VCSEL, "vertical cavity surface emitting laser”).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • a radiation source which has a semiconductor laser and a frequency comb generator.
  • the semiconductor laser is suitable for emitting a laser beam
  • the frequency comb generator is suitable for generating a frequency comb from the emitted laser beam.
  • the semiconductor laser can be a surface-emitting semiconductor laser with a vertical cavity (VCSEL, "vertical cavity surface emitting laser”).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • FIG. 1A shows a schematic representation of an FMCW LIDAR system according to embodiments.
  • Fig. 1B schematically illustrates a laser beam and a frequency comb generated from the laser beam.
  • Fig. 2A shows a schematic plan view of a radiation source of an FMCW LIDAR system.
  • Fig. 2B shows a schematic perspective view of a photonic chip in which components of the FMCW LIDAR system are implemented.
  • lateral and horizontal as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an FMCW LIDAR system 10 according to embodiments.
  • the FMCW LIDAR system shown in FIG. 1 has a radiation source 107 which includes a frequency comb generator 105 .
  • the radiation source 107 can also have a laser that emits a laser beam 120 .
  • the laser can be a half be ladder laser 100 .
  • the semiconductor laser 100 can be, for example, an edge-emitting laser or also a surface-emitting laser, for example a VCSEL (“Vertical Cavity Surface Emitting Laser”, surface-emitting laser with a vertical resonator).
  • the laser beam 120 emitted by the laser for example the semiconductor laser 100, is fed to a frequency comb generator 105, which generates a frequency comb 121 from the laser beam 120.
  • a bundle of rays which has a large number of laser beams each with different wavelengths Xi, X2, 3, . . . Xn or laser modes, is generated from a laser beam 120 with a wavelength X 0 . There is therefore a multiplication in the wavelength space.
  • the bundle of rays generated is fed, for example, to a beam splitter 110 which allows a portion of each of the individual laser beams to pass in the direction of the object 15 to be measured. Another part of each of the individual laser beams is let through as a reference beam 123 in the direction of an arrangement 130 of detector elements 131i.
  • the FMCW LIDAR system also has a first grating 115 which is suitable for deflecting the individual laser beams of the frequency comb 121 in different spatial directions according to the respective wavelength.
  • the frequency comb can have the wavelengths X 1 , X 2 , 3 .
  • the individual laser beams are deflected by the first grating 115 at different deflection angles in each case, so that an object 15 to be measured is irradiated with the individual beams of the frequency comb 121 .
  • Different laser beams, each with different wavelengths, are radiated onto different parts of the object. There is therefore a conversion of the multiplication in the wavelength space into a multiplication in the vector space.
  • the irradiated laser radiation is reflected on the object 15 .
  • the reflected beams 122 are in turn supplied to the beam splitter 110 via the first grating 115 and deflected in the direction of the detector arrangement 130 .
  • the FMCW LIDAR system 10 further comprises a demultiplexer or a second grating 125 which, in a manner similar to the first grating 115, is capable of deflecting the laser beams of different wavelengths at different deflection angles. As a result, laser beams of similar wavelengths are deflected into similar solid angle ranges and reach a corresponding detector element 131i of array 130 .
  • the second grating 125 can be arranged in a position such that both the beams 122 reflected by the object and the reference beams 123 are deflected according to their wavelength.
  • the individual detector elements 131i of the arrangement 130 are thus suitable from these beams a mixed or
  • the mixed signal can be represented as follows:
  • i sig denotes an intensity of the mixed signal
  • i a denotes an intensity of the signal reflected from the object 15
  • i L o denotes an intensity of the reference signal 123.
  • f a denotes a frequency of the signal reflected from the object 15, and f L o denotes a Frequency of the reference signal.
  • Pa - tPLO denotes a phase difference of the signal reflected from the object 15 and the reference signal.
  • the detector elements 1311 are adapted to detect a periodic signal whose frequency corresponds to the difference between f a and f L o.
  • the frequency f a of the reflected beam is due to the transit time difference that occurs when it is reflected from the object, compared to the frequency f L0 of the reference beam.
  • the difference between f a and f L o is therefore a measure of the movement and distance of the object 15.
  • the detector elements 1311 can form what is known as a “balanced receiver structure”.
  • the phase fronts between the photodetectors can be shifted by 180°.
  • DC components can be eliminated from equation (1) described above.
  • the (i a +i L o) term can be eliminated from equation (1).
  • a frequency of the laser beam 120 emitted by the laser source 100 is usually varied over time.
  • a frequency of the partial beams of the frequency comb 121 is also modulated over time in a corresponding manner.
  • the frequency-shifted reference beam and the laser beam reflected by the object 15 are superimposed on the individual detector elements.
  • a frequency of the mixed signal is a measure of the distance or the speed of the object 15. Since the reflected signal is mixed with the non-reflected signal only in the individual detector elements, it is possible to use the second grating 125 to split the individual laser beams according to wavelength. As a result, the matching laser beams are superimposed on each other.
  • the individual detector elements 131 can each be designed as semiconductor detectors, for example as photodetectors, for example photodiodes or photomixers. As a result, the signal from the different detector elements 131Q , . In this way it is possible to measure a one-dimensional object 15 with a single laser beam 120 .
  • the first grid 115 may be rotatable about an axis 116 .
  • the first grating 115 can be arranged on a mechanically rotatable element, for example a microsystem or MEMS (“microelectromechanical system”). In this way, a two-dimensional object can be measured.
  • an object can be measured areally using a single laser beam 120 and a frequency comb generator 105 .
  • a frequency comb generator 105 it is possible to realize the FMCW LIDAR system with low cost and compact size. Furthermore , a higher resolution is achieved than with conventional systems .
  • the laser can be embodied as a semiconductor laser.
  • a modulation device device 104 may be provided, which is suitable for changing a wavelength that is emitted by the semiconductor laser.
  • the modulation device 104 can have a voltage source 103 .
  • An emission wavelength can be changed by changing the voltage that is applied to the laser device 100 and thus the impressed current intensity.
  • a current is impressed into the semiconductor laser by the voltage source 103 .
  • a small change in the impressed current for example in the range of a few pA, can change the wavelength in such a way that the frequency differences of the emitted radiation are in the MHz to GHz range.
  • Due to the modulation of the applied current there is a modulation of the charge carrier density, which leads to a change in the refractive index in the optical resonator. As a result, the wavelength is shifted.
  • an increased charge carrier density causes an increase in temperature, which also leads to a change in the emission frequency. Accordingly, the emission frequency can be modulated in the MHz to GHz range.
  • the maximum change in the emission frequency can be smaller than the distance between adjacent modes on the frequency comb. This is for example in FIG. 1B illustrates.
  • Fig. 1B schematically shows a frequency comb with a plurality of modes, each of which is spaced at an equal distance from one another (Af ).
  • a maximum difference Afo -Afo of the emission frequency of the semiconductor laser due to the modulation of the emission frequency is smaller than the frequency difference Af between adjacent modes of the frequency comb 121 .
  • the mode spacing within the frequency comb can be significantly greater than 500 MHz.
  • the frequency comb generator can be selected in such a way that the individual modes are easily separated, for example via a multiplexer that is designed as an arrayed waveguide grating or line waveguide grating.
  • the mode spacing can be greater than 5 GHz, for example 50 to 100 GHz.
  • the second grating 125 can be arranged in a position such that only the reflected beams 122 are deflected by the second grating 125 and are superimposed with the reference signal 123 after splitting.
  • mixing can only take place with the components of the reference beam 123 that have a frequency spacing of less than 1 GHz. In this way, an unambiguous assignment of angles can take place, although the second grating 125 does not split the reference beam 123 .
  • the second grating 125 can be arranged at a position at which only the reference beam 123 but not the reflected signal is split. More specifically, after splitting, the reflected signal is superimposed on the reference beam 123 .
  • the second grating 125 can be dimensioned in such a way that--depending on the frequency difference within the frequency comb--the individual laser modes can be sufficiently separated from one another.
  • properties of the first and second grids 125 are tion of the mode spacing within the frequency comb 121 is determined.
  • the distances between the individual detector elements 131i can be determined as a function of a grating constant of the second grating 125 , the distance between the individual laser modes in the frequency comb and the distance between the detector arrangement 130 and the second grating 125 .
  • each partial beam of the frequency comb is directed onto a detector element with the associated beam reflected from the object 15 .
  • Fig. 2A shows an example of an implementation of a radiation source 107 .
  • the radiation source 107 can have a semiconductor laser 100 and a frequency comb generator 105 .
  • the frequency comb generator 105 can be implemented as a microresonator, for example.
  • the microresonator can be part of a Sia ⁇ waveguide or a waveguide made of another material, for example Si, ZnSe, ZnO, InSnO, SiO2 or a polymer.
  • the radiation source can also be connected to a waveguide 112, for example made of SisN4 or SiO2.
  • the beam splitter 110 can be implemented as a photonic component.
  • the components of the FMCW LIDAR system can be arranged on a suitable substrate 118, for example a silicon substrate.
  • a suitable substrate 118 for example a silicon substrate.
  • the part of the frequency comb that is directed to the object 15 can be routed via the first waveguide 112.
  • that part of the laser radiation which is supplied to the detector arrangement 130 can be guided via a second waveguide 113.
  • Fig. 2B shows a perspective view of the semiconductor laser 100 and the waveguide 112.
  • FIG. 2B shows a perspective view of the semiconductor laser 100 and the waveguide 112.
  • the The semiconductor laser 100 and the waveguide 112 can be formed as protruding structures above the substrate 118 .
  • the components of the FMCW LIDAR system can be a photonic chip.
  • the radiation source can be in the form of a photonic chip.
  • additional further components of the FMCW-LIDAR system can be designed as photonic chip components and can be integrated with the radiation source on a common chip.
  • the radiation source and the frequency comb generator can be integrated into a photonic chip.
  • the gratings can also be in the form of photonic chip components.
  • the FMCW LIDAR system can thus be manufactured in a compact size and at low cost.
  • the laser radiation emitted by the semiconductor laser 100 can alternatively be modulated by an external frequency modulator. According to further embodiments, it is also possible to shift the wavelength by means of amplitude modulation within the frequency comb generator 105 .
  • the microresonator can be designed, for example, in such a way that a change in intensity of the laser radiation passing through causes a shift in the individual laser modes in the microresonator.

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Abstract

Ein FMCW-LIDAR-System (10) weist einen Laser (100), der einen Laserstrahl (120) emittiert, und eine Strahlungsquelle (107) auf, die einen Frequenzkammgenerator (105) umfasst. Der Halbleiterlaser (100) ein VCSEL ("Vertical Cavity Surface Emitting Laser", oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator) sein. Der Frequenzkammgenerator (105) erzeugt aus dem Laserstrahl (120) einen Frequenzkamm (121). Aus dem Laserstrahl (120) mit einer Wellenlänge λ0 ein Strahlenbündel mit einer Vielzahl von Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3,... λn oder Lasermoden erzeugt. Das erzeugte Strahlenbündel wird einem Strahlteiler (110) zugeführt, der einen Teil jeweils der einzelnen Laserstrahlen in Richtung des zu vermessenden Objekts (15) durchlässt. Ein anderer Teil jeweils der einzelnen Laserstrahlen wird als Referenzstrahl (123) in Richtung einer Anordnung (130) von Detektorelementen (131i) durchgelassen. Das LIDAR-System weist ferner ein erstes Gitter (115) auf, das die einzelnen Laserstrahlen des Frequenzkamms (121) entsprechend der jeweiligen Wellenlänge in unterschiedliche Raumrichtungen ablenkt. Das LIDAR-System (10) umfasst weiterhin einen Demultiplexer oder ein zweites Gitter (125), das in ähnlicher Weise wie das erste Gitter (115) die Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen unter unterschiedlichen Ablenkwinkeln ablenkt. Auf diese Weise wird erreicht, dass ein von dem Objekt (15) reflektierter Strahl (122), der zu einer n-ten Mode des Frequenzkamms gehört, mit der n-ten Mode des Referenzstrahls (123) auf ein gemeinsames Detektorelement 131n abgelenkt wird. Die Komponenten des FMCW-LIDAR-Systems können als photonischer Chip ausgebildet sein.

Description

FMCW-LIDAR-SYSTEM
LIDAR- ( "Light Detection and Ranging" - ) Systeme , insbesondere FMCW-LIDAR-Sys terne ( „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 werden Anstrengungen unternommen, um eine groß flächige Strahlungsquelle für ein FMCW-LIDAR-System zur Verfügung zu stellen .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes FMCW-LIDAR-System 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 .
Gemäß Aus führungs formen umfasst ein FMCW-LIDAR-System eine Strahlungsquelle , welche einen Frequenzkammgenerator aufweist .
Die Strahlungsquelle kann ferner einen Halbleiterlaser aufweisen, welcher geeignet ist , einen Laserstrahl zu emittieren . Der Frequenzkammgenerator ist geeignet , aus dem emittierten Laserstrahl einen Frequenzkamm zu erzeugen .
Das FMCW-LIDAR-System kann ferner ein erstes Gitter aufweisen, welches geeignet ist , Komponenten des Frequenzkamms mit unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedliche Raumrichtungen abzulenken . Das erste Gitter ist zwischen Frequenzkammgenerator und einem zu vermessenden Obj ekt angeordnet .
Das FMCW-LIDAR-System kann ferner eine Anordnung von Detektorelementen aufweisen . Die Anordnung von Detektorelementen ist geeignet , ein Mischsignal nachzuweisen, welches auf Basis eines von einem zu vermessenden Obj ekt reflektierten Reflexionsstrahls und eines Referenzstrahls erzeugt ist .
Das FMCW-LIDAR-System kann ferner ein zweites Gitter aufweisen, welches geeignet ist , auf das zweite Gitter auftref fende elektromagnetische Strahlen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge auf verschiedene Detektorelemente abzulenken .
Gemäß Aus führungs formen kann das zweite Gitter geeignet sein, einen zu einem Referenzstrahl zugehörigen reflektierten Strahl sowie den Referenzstrahl auf ein gemeinsames Detektorelement abzulenken .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das zweite Gitter an einer Position angeordnet sein, an der der von dem zu vermessenden Obj ekt reflektierte Strahl aufgespalten wird und nach Aufspaltung mit dem Referenzstrahl überlagert wird .
Die Strahlungsquelle kann ferner eine Modulationseinrichtung zur Modulation einer von der Strahlungsquelle emittierten Wellenlänge aufweisen . Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung eine Spannungsquelle umfassen, die geeignet ist , eine in den Halbleiterlaser eingeprägte Stromstärke zu verändern .
Beispielsweise kann der Frequenzkammgenerator einen Mikroresonator aufweisen . Beispielsweise kann der Frequenzkammgenerator geeignet sein, einen Modenabstand größer als 5 GHz zwischen benachbarten Moden einzustellen .
Gemäß Aus führungs formen kann die Strahlungsquelle in einem photonischen Chip realisiert sein . Beispielsweise kann ferner der Frequenzkammgenerator in den photonischen Chip integriert sein .
Beispielsweise kann der Halbleiterlaser ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL, „vertical cavity surface emitting laser" ) sein .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird eine Strahlungsquelle , welche einen Halbleiterlaser und einen Frequenzkammgenerator aufweist , zur Verfügung gestellt . Der Halbleiterlaser ist geeignet , einen Laserstrahl zu emittieren, und der Frequenzkammgenerator ist geeignet , aus dem emittierten Laserstrahl einen Frequenzkamm zu erzeugen .
Beispielsweise kann der Halbleiterlaser ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL, „vertical cavity surface emitting laser" ) sein .
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 Bezugs zeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen . Fig . 1A zeigt eine schematische Darstellung eines FMCW-LIDAR- Systems gemäß Aus führungs formen .
Fig . 1B veranschaulicht schematisch einen Laserstrahl sowie einen aus dem Laserstrahl erzeugten Frequenzkamm .
Fig . 2A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Strahlungsquelle eines FMCW-LIDAR-Systems .
Fig . 2B zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines photonischen Chips , in dem Komponenten des FMCW-LIDAR-Systems realisiert sind .
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Of fenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungs zwecken spezi fische Aus führungsbeispiele 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 Aus führungsbeispiele 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 . 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.
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.
Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines FMCW-LIDAR- Systems 10 gemäß Aus führungs formen . Das in Fig. 1 dargestellte FMCW-LIDAR-System weist eine Strahlungsquelle 107 auf, die einen Frequenzkammgenerator 105 umfasst. Die Strahlungsquelle 107 kann weiterhin einen Laser aufweisen, der einen Laserstrahl 120 emittiert. Beispielsweise kann der Laser ein Halb- leiterlaser 100 sein . Der Halbleiterlaser 100 kann beispielsweise ein kantenemittierender Laser oder auch ein oberflächenemittierender Laser, beispielsweise ein VCSEL ( "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" , oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator ) sein .
Der von dem Laser, beispielsweise dem Halbleiterlaser 100 emittierte Laserstrahl 120 wird einem Frequenzkammgenerator 105 zugeführt , der aus dem Laserstrahl 120 einen Frequenzkamm 121 erzeugt . Genauer gesagt wird aus einem Laserstrahl 120 mit einer Wellenlänge Xo ein Strahlenbündel , welches eine Viel zahl von Laserstrahlen mit j eweils unterschiedlichen Wellenlängen Xi, X2 , 3, ... Xn oder Lasermoden aufweist , erzeugt . Es findet also eine Verviel fältigung im Wellenlängenraum statt . Das erzeugte Strahlenbündel wird beispielsweise einem Strahlteiler 110 zugeführt , der einen Teil j eweils der einzelnen Laserstrahlen in Richtung des zu vermessenden Obj ekts 15 durchlässt . Ein anderer Teil j eweils der einzelnen Laserstrahlen wird als Referenzstrahl 123 in Richtung einer Anordnung 130 von Detektorelementen 131i durchgelassen .
Das FMCW-LIDAR-System weist ferner ein erstes Gitter 115 auf , das geeignet ist , die einzelnen Laserstrahlen des Frequenzkamms 121 entsprechend der j eweiligen Wellenlänge in unterschiedliche Raumrichtungen abzulenken . Beispielsweise kann der Frequenzkamm die Wellenlängen Xi, X2 , 3 aufweisen . Die einzelnen Laserstrahlen werden durch das erste Gitter 115 unter j eweils unterschiedlichen Ablenkwinkeln abgelenkt , so dass ein zu vermessendes Obj ekt 15 mit den einzelnen Strahlen des Frequenzkamms 121 bestrahlt wird . Auf unterschiedliche Stellen des Obj ekts werden j eweils unerschiedliche Laserstrahlen mit j eweils verschiedener Wellenlänge eingestrahlt . Es findet also eine Umwandlung der Verviel fältigung im Wellenlängenraum in eine Verviel fältigung im Vektorraum statt . Die eingestrahlte Laserstrahlung wird an dem Obj ekt 15 reflektiert . Die reflektierten Strahlen 122 werden über das erste Gitter 115 wiederum dem Strahlteiler 110 zugeführt und in Richtung der Detektoranordnung 130 abgelenkt .
Das FMCW-LIDAR-System 10 umfasst weiterhin einen Demultiplexer oder ein zweites Gitter 125 , das in ähnlicher Weise wie das erste Gitter 115 geeignet ist , die Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen unter unterschiedlichen Ablenkwinkeln abzulenken . Als Ergebnis werden Laserstrahlen ähnlicher Wellenlänge in ähnliche Raumwinkelbereiche abgelenkt und erreichen ein entsprechendes Detektorelement 131i der Anordnung 130 .
Beispielsweise kann das zweite Gitter 125 an einer Position angeordnet sein, so dass sowohl die von dem Obj ekt reflektierten Strahlen 122 als auch die Referenzstrahlen 123 entsprechend ihrer Wellenlänge abgelenkt werden .
Auf diese Weise wird erreicht , dass ein von dem Obj ekt 15 reflektierter Strahl 122 , der zu einer n-ten Mode des Frequenzkamms gehört , mit der n-ten Mode des Referenzstrahls 123 auf ein gemeinsames Detektorelement 131n abgelenkt wird .
An dem j eweiligen Detektorelement 131n findet eine Mischung des Referenzstrahls 123 , welcher direkt von dem Strahlteiler 110 in Richtung des Detektors 130 gelenkt worden ist , und des Laserstrahls 122 , der von dem Obj ekt 15 reflektiert worden ist , statt . Die einzelnen Detektorelemente 131i der Anordnung 130 sind somit geeignet , aus diesen Strahlen ein Misch- oder
Schwebungssignal zu ermitteln .
Das Mischsignal kann wie folgt dargestellt werden : Hier bezeichnet isig eine Intensität des Mischsignals, ia eine Intensität des von dem Objekt 15 reflektierten Signals, und iLo eine Intensität des Referenzsignals 123. fa bezeichnet eine Frequenz des von dem Objekt 15 reflektierten Signals, und fLo bzeichnet eine Frequenz des Referenzsignals. (Pa — tPLO bezeichnet einen Phasenunterschied des von dem Objekt 15 reflektierten Signals und des Referenzsignals. Die Detektorelemente 1311 sind geeignet, ein periodisches Signal nachzuweisen, dessen Frequenz der Differenz aus fa und fLo entspricht. Die Frequenz fa des reflektierten Strahls ist aufgrund des Laufzeitunterschieds, der sich bei Reflexion an dem Objekt ergibt, gegenüber der Frequenz fL0 des Referenzstrahls verzögert. Die Differenz zwischen fa und fLo ist somit ein Maß für die Bewegung und die Entfernung des Objekts 15.
Gemäß Ausgestaltungen können die Detektorelemente 1311 eine sogenannte "Balanced Receiver Structure" ausbilden. Beispielsweise können in diesem Fall die Phasenfronten zwischen den Fotodetektoren um 180° verschoben sein. Auf diese Weise können beispielsweise Gleichstromanteile aus der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) eliminiert werden. Insbesondere kann der (ia + iLo) - Term aus Gleichung (1) eliminiert werden.
Üblicherweise wird eine Frequenz des von der Laserquelle 100 emittierten Laserstrahls 120 zeitlich variiert. In entsprechender Weise wird auch eine Frequenz der Teilstrahlen des Frequenzkamms 121 mit der Zeit moduliert. An den einzelnen Detektorelementen findet eine Überlagerung des frequenzverschobenen Referenzstrahls und des vom Objekt 15 reflektierten Laserstrahls statt. Dabei ist eine Frequenz des Mischsignal ein Maß für die Entfernung oder die Geschwindigkeit des Objekts 15. Dadurch, dass die Mischung des reflektierten Signals mit dem nicht reflektierten Signal erst in den einzelnen Detektorelementen stattfindet , ist es möglich, durch das zweite Gitter 125 eine Aufspaltung der einzelnen Laserstrahlen j e nach Wellenlänge zu erzielen . Als Ergebnis werden die zueinander passenden Laserstrahlen miteinander überlagert .
Die einzelnen Detektorelemente 131 können j eweils als Halbleiterdetektoren, beispielsweise als Photodetektoren, beispielsweise Photodioden oder Photomischer ausgeführt sein . Als Ergebnis liefert das Signal aus den unterschiedlichen Detektorelementen 131 Q , ..., 131n Informationen über Abstand und Geschwindigkeit von Obj ekten, die sich an den j eweiligen Raumwinkeln der ursprünglichen Vektoren befinden . Auf diese Weise ist es möglich, mit einzigem Laserstrahl 120 ein eindimensional ausgebildetes Obj ekt 15 zu vermessen .
Gemäß Aus führungs formen kann das erste Gitter 115 um eine Achse 116 drehbar sein . Beispielsweise kann das erste Gitter 115 auf einem mechanisch drehbaren Element , beispielsweise einem Mikrosystem oder MEMS ( „microelectromechanical system" ) angeordnet sein . Auf diese Weise kann ein zweidimensionales Obj ekt vermessen werden .
Entsprechend kann gemäß Aus führungs formen unter Verwendung eines einzelnen Laserstrahls 120 und eines Frequenzkammgenerators 105 ein Obj ekt flächig vermessen werden . Als Ergebnis ist es möglich, das FMCW-LIDAR-System kostengünstig und mit kompakter Größe zu realisieren . Weiterhin wird eine größere Auflösung als bei konventionellen Systemen erreicht .
Wie beschrieben worden ist , kann der Laser als Halbleiterlaser ausgeführt sein . Beispielsweise kann eine Modulationseinrich- tung 104 vorgesehen sein, die geeignet ist , eine Wellenlänge , die von dem Halbleiterlaser emittiert wird, zu verändern . Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung 104 eine Spannungsquelle 103 aufweisen . Durch Verändern der Spannung, die an die Laservorrichtung 100 angelegt wird, und damit der eingeprägten Stromstärke kann eine Emissionswellenlänge verändert werden .
Durch die Spannungsquelle 103 wird in den Halbleiterlaser ein Strom eingeprägt . 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 Emissions frequenz führt . Entsprechend kann die Emissions frequenz im MHz- bis GHz-Bereich moduliert werden .
Beispielsweise kann die maximale Veränderung der Emissions frequenz kleiner als der Abstand benachbarter Moden auf den Frequenzkamm sein . Dies ist beispielsweise in Fig . 1B veranschaulicht .
Fig . 1B zeigt schematisch einen Frequenzkamm mit einer Vielzahl von Moden, die j eweils mit einem gleichen Abstand zueinander (Af ) beabstandet sind . Ein maximaler Unterschied Afo -Afo der Emissions frequenz des Halbleiterlasers aufgrund der Modulation der Emissions frequenz ist kleiner als der Frequenzunterschied Af zwischen benachbarten Moden des Frequenzkamms 121 . Beispielsweise kann bei einer Modulationstief e der Frequenzmodulation des Halbleiterlasers 100 von etwa 500 MHz der Modenabstand innerhalb des Frequenzkamms deutlich größer als 500 MHz sein . Weiterhin kann der Frequenzkammgenerator derart ausgewählt sein, dass die einzelnen Moden beispielsweise über einen Multiplexer, der als Arrayed Waveguide Grating oder Zei- len-Wellenleitergitter ausgeführt ist , problemlos separiert werden . Beispielsweise kann der Modenabstand größer als 5 GHz , beispielsweise 50 bis 100 GHz sein .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das zweite Gitter 125 an einer Position angeordnet sein, so dass nur die reflektierten Strahlen 122 durch das zweite Gitter 125 abgelenkt werden und nach Aufspaltung mit dem Referenzsignal 123 überlagert werden . In diesem Fall kann beispielsweise bei einem Modenabstand größer als 5 GHz bei Verwendung eines bandbegrenzten Detektors eine Mischung nur mit den Komponenten des Referenzstrahls 123 stattfinden, die einen Frequenzabstand kleiner als 1 GHz haben . Auf diese Weise kann eine eindeutige Winkel zuordnung erfolgen, obwohl das zweite Gitter 125 den Referenzstrahl 123 nicht auf spaltet .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das zweite Gitter 125 an einer Position angeordnet sein, an der nur der Referenzstrahl 123 nicht aber das reflektierte Signal aufgespalten wird . Genauer gesagt , wird das reflektierte Signal nach der Aufspaltung mit dem Referenzstrahl 123 überlagert .
Generell kann das zweite Gitter 125 derart dimensioniert sein, dass - in Abhängigkeit von dem Frequenzunterschied innerhalb des Frequenzkamms - die einzelnen Lasermoden ausreichend von- einander getrennt werden können . Beispielsweise werden Eigenschaften des ersten und zweiten Gitters 125 unter Berücksich- tigung des Modenabstands innerhalb des Frequenzkamms 121 bestimmt . Weiterhin können die Abstände zwischen den einzelnen Detektorelementen 131i in Abhängigkeit von einer Gitterkonstanten des zweiten Gitters 125 , dem Abstand der einzelnen Lasermoden in dem Frequenzkamm und dem Abstand zwischen der Detektoranordnung 130 und dem zweiten Gitter 125 bestimmt werden . Als Ergebnis wird j eder Teilstrahl des Frequenzkamms mit dem zugehörigen, von dem Obj ekt 15 reflektierten Strahl auf ein Detektorelement gelenkt .
Fig . 2A zeigt ein Beispiel einer Realisierung einer Strahlungsquelle 107 . Die Strahlungsquelle 107 kann, wie beschrieben, einen Halbleiterlaser 100 sowie einen Frequenzkammgenerator 105 aufweisen . Wie in Fig . 2A dargestellt ist , kann der Frequenzkammgenerator 105 beispielsweise als Mikroresonator realisiert sein . Beispielsweise kann der Mikroresonator Teil eines Sia^-Wellenleiters oder eines Wellenleiters aus einem anderem Material , beispielsweise Si , ZnSe , ZnO, InSnO, SiO2 o- der einem Polymer sein . Beispielsweise kann die Strahlungsquelle weiterhin mit einem Wellenleiter 112 , beispielsweise aus SisN4 oder SiO2 , verbunden sein . Weiterhin kann beispielsweise der Strahlteiler 110 als photonische Komponente realisiert sein . Entsprechend können die Komponenten des FMCW- LIDAR-Systems auf einem geeigneten Substrat 118 , beispielsweise einem Sili ziumsubstrat angeordnet sein . Beispielsweise kann ausgehend von dem Strahlteiler 110 der Teil des Frequenzkamms , der zum Obj ekt 15 geleitet wird, über den ersten Wellenleiter 112 geführt werden . Weiterhin kann ausgehend vom Strahlteiler 110 der Teil der Laserstrahlung, der der Detektoranordnung 130 zugeführt wird, über einen zweiten Wellenleiter 113 geführt werden .
Fig . 2B zeigt eine perspektivische Ansicht des Halbleiterlasers 100 und des Wellenleiters 112 . Beispielsweise können der Halbleiterlaser 100 und der Wellenleiter 112 als hervorstehende Strukturen über dem Substrat 118 ausgebildet sein .
Entsprechend ist es möglich, die Komponenten des FMCW-LIDAR- Systems als photonischen Chip aus zubilden . Beispielsweise kann die Strahlungsquelle als photonischer Chip ausgebildet sein . Gemäß Aus führungs formen können zusätzliche weitere Komponenten des FMCW-LIDAR-Systems als photonische Chipkomponenten ausgebildet sein und mit der Strahlungsquelle auf einem gemeinsamen Chip integriert sein . Gemäß Aus führungs formen können die Strahlungsquelle und der Frequenzkammgenerator in einen photonischen Chip integriert sein . Beispielsweise können auch die Gitter als photonische Chipkomponenten ausgebildet sein . Das FMCW-LIDAR-System kann somit in kompakter Größe und kostengünstig hergestellt werden .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die von dem Halbleiterlaser 100 emittierte Laserstrahlung alternativ durch einen externen Frequenzmodulator moduliert werden . Gemäß weiteren Ausführungs formen ist es auch möglich, über eine Amplitudenmodulation innerhalb des Frequenzkammgenerators 105 eine Verschiebung der Wellenlänge zu bewirken . Gemäß Aus führungs formen kann der Mikroresonator beispielsweise so ausgestaltet sein, dass durch eine Intensitätsänderung der durchlaufenden Laserstrahlung in dem Mikroresonator eine Verschiebung der einzelnen Lasermoden bewirkt wird .
Obwohl hierin spezi fische Aus führungs formen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezi fischen Aus führungs formen durch eine Viel zahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen . Die Anmeldung soll j egliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezi fischen Aus führungs formen abdecken . Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt .
BEZUGSZEICHENLISTE
10 LIDAR-System
15 Ob j ekt
100 Laserquelle
103 Spannungsquelle
104 Modul at ions einrichtung
105 Frequenzkammgenerator
107 Strahlungsquelle
110 Strahlteiler
112 erster Lichtwellenleiter
113 zweiter Lichtwellenleiter
115 erstes Gitter
118 Substrat
120 emittierter Laserstrahl
121 Frequenz kämm
122 reflektierter Strahl
123 Referenz strahl
125 zweites Gitter
130 Anordnung von Detektorelementen
131o, ...131n Detektorelement
132 photonischer Chip

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. FMCW-LIDAR-System (10) mit einer Strahlungsquelle (107) , welche einen Frequenzkammgenerator (105) aufweist.
2. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 1, bei dem die Strahlungsquelle (107) ferner einen Halbleiterlaser (100) aufweist, welcher geeignet ist, einen Laserstrahl (120) zu emittieren, und der Frequenzkammgenerator (105) geeignet ist, aus dem emittierten Laserstrahl (120) einen Frequenzkamm (121) zu erzeugen .
3. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem ersten Gitter (115) , welches geeignet ist, Komponenten des Frequenzkamms (121) mit unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedliche Raumrichtungen abzulenken, wobei das erste Gitter (115) zwischen Frequenzkammgenerator (105) und einem zu vermessenden Objekt (15) angeordnet ist.
4. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Anordnung (130) von Detektorelementen (131i, 1312,...131n) , die geeignet ist, ein Mischsignal, welches auf Basis eines von einem zu vermessenden Objekt (15) reflektierten Reflexionsstrahls (122) und eines Referenzstrahls (123) erzeugt ist, nachzuweisen.
5. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 4, ferner mit einem zweiten Gitter (125) , welches geeignet ist, auf das zweite Gitter (125) auftreffende elektromagnetische Strahlen in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge auf verschiedene Detektorelemente (1311) abzulenken.
6. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 5, bei dem das zweite Gitter (125) geeignet ist, einen zu einem Referenz- strahl (123) zugehörigen reflektierten Strahl (122) sowie den Referenzstrahl (123) auf ein gemeinsames Detektorelement (131i) abzulenken .
7. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 5, bei dem das zweite Gitter (125) an einer Position angeordnet ist, an der der von dem zu vermessenden Objekt (15) reflektierte Strahl (122) auf gespalten wird und nach Aufspaltung mit dem Referenzstrahl (123) überlagert wird.
8. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strahlungsquelle (107) ferner eine Modulationseinrichtung (104) zur Modulation einer von der Strahlungsquelle (107) emittierten Wellenlänge aufweist.
9. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 8, bei dem die Modulationseinrichtung (104) eine Spannungsquelle (103) umfasst, die geeignet ist, eine in den Halbleiterlaser (100) eingeprägte Stromstärke zu verändern.
10. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Frequenzkammgenerator (105) einen Mikroresonator aufweist.
11. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Frequenzkammgenerator (105) geeignet ist, einen Modenabstand größer als 5 GHz zwischen benachbarten Moden einzustellen.
12. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlungsquelle (107) in einem photo- nischen Chip (132) realisiert ist. 18
WO 2022/089936 PCT/EP2021/078168
13. FMCW-LIDAR-System (10) nach Anspruch 12, bei dem ferner der Frequenzkammgenerator (105) in den photonischen Chip (132) integriert ist.
14. FMCW-LIDAR-System (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei der Halbleiterlaser ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL, „vertical cavity surface emitting laser") ist.
15. Strahlungsquelle (107) , welche einen Halbleiterlaser (100) und einen Frequenzkammgenerator (105) aufweist, wobei der Halbleiterlaser (100) geeignet ist, einen Laserstrahl (120) zu emittieren, und der Frequenzkammgenerator (105) geeignet ist, aus dem emittierten Laserstrahl (120) einen Frequenzkamm (121) zu erzeugen.
16. Strahlungsquelle (107) nach Anspruch 15, wobei der Halbleiterlaser ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL, „vertical cavity surface emitting laser") ist.
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