WO2024251484A1 - Lidar-system - Google Patents

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WO2024251484A1
WO2024251484A1 PCT/EP2024/063413 EP2024063413W WO2024251484A1 WO 2024251484 A1 WO2024251484 A1 WO 2024251484A1 EP 2024063413 W EP2024063413 W EP 2024063413W WO 2024251484 A1 WO2024251484 A1 WO 2024251484A1
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mode
radiation
lidar system
waveguide
reflected
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PCT/EP2024/063413
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Reiner Windisch
Dominik Peller
Simon Lankes
Christoph Schmid
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Ams Osram International GmbH
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Ams Osram International GmbH
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Definitions

  • LIDAR Light Detection and Ranging
  • FMCW Frequency-Modulated Continuous Wave
  • the measuring principle is based on the coherent superposition of emitted laser light and reflected light that has been reflected by an object.
  • FMCW LIDAR systems in particular are described.
  • the term "LIDAR system” also refers to coherent LIDAR measuring methods with other types of modulation, such as phase modulation or random modulation.
  • the reflecting object is an object with a light-scattering surface.
  • the light is coupled into a waveguide, there is a coherent superposition of the random phase fronts of the individual waves that were scattered by the various surface elements of the surface, each with a random phase.
  • the result is a random intensity of the coupled light, depending on the extent to which the superposition is constructive or destructive.
  • speckle The effect of the coherent superposition of random phase fronts is called speckle.
  • the resulting intensity distribution after coherent superposition follows a certain statistic, in particular a negative exponential one for fully developed speckles.
  • the probability distribution of the resulting intensity is a decreasing exponential function. This means that a very low intensity of approximately zero has a much higher probability than a high intensity .
  • the present invention is based on the object of providing an improved LIDAR system.
  • a LIDAR system has a tunable laser source that is suitable for emitting electromagnetic radiation, source radiation, which is reflected by an object.
  • the LIDAR system further comprises a multimode waveguide that is suitable for receiving radiation reflected from the object, as well as several single-mode waveguides and a coupling device that is suitable for coupling the modes of the reflected radiation guided by the multimode waveguide to one of the single-mode waveguides.
  • the LIDAR system further contains a plurality of detection devices, each of which is suitable for detecting a superposition signal of a partial beam of the source radiation with the reflected radiation which has been guided through an associated single-mode waveguide.
  • the coupling device may be a mode-specific multiplexer.
  • the mode-specific multiplexer may be an inverse design photonic coupler.
  • the single-mode waveguide, the coupling device and the multimode waveguide can be realized as a photonic integrated circuit (PIC).
  • PIC photonic integrated circuit
  • the LIDAR system may further comprise an evaluation device connected to the detection devices.
  • the source radiation can be guided to the object via the multimode waveguide.
  • the source radiation can be guided to the object via a fundamental mode of the multimode waveguide.
  • the source radiation can be guided separately outside the multimode waveguide to the object.
  • the LIDAR system may further comprise a grating coupler for coupling the radiation reflected from the object into the multimode waveguide.
  • the LIDAR system also contains an optical element for collimating the Source radiation, wherein the optical element is arranged between the multimode waveguide and the object.
  • a structure of the multimode waveguide can be chosen such that an extension of the modes in the waveguide is at least as large as a characteristic grain size of the speckle pattern.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a LIDAR system according to embodiments.
  • Figs. 2A and 2B show details of a coupling device.
  • Figs. 3A and 3B illustrate amplitudes of modes in superimposed radiation.
  • Fig. 4A shows an example of a coupling device.
  • Fig. 4B shows an example of a two-dimensional arrangement of waveguides.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a LIDAR system according to further embodiments.
  • directional terminology such as “top”, “bottom”, “front”, “back”, “over”, “on”, “in front of”, “behind”, “fore”, “backward”, etc., refers to the orientation of the figures just described. Since the components of the embodiments can be positioned in different orientations, the directional terminology is for purposes of explanation only and is not in any way limiting.
  • lateral and horizontal as used in this description 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, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when growing layers.
  • the term "vertical" as used in this description is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when growing layers.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a LIDAR system 10 according to embodiments.
  • the LIDAR system 10 comprises a tunable laser source 100 which is suitable for emitting electromagnetic radiation or source radiation 15. The source radiation is radiated onto an object 105 to be detected and reflected by it.
  • the LIDAR system also has a multimode waveguide 112 which is suitable for receiving radiation 16 reflected from the object 105.
  • the LIDAR system 10 also has a plurality of single-mode waveguides 115i, 1152, ... 115n and a coupling device 118.
  • the coupling device 118 is suitable for feeding the reflected radiation 16 guided through the multimode waveguide 112 to one of the single-mode waveguides 1151.
  • the reflected radiation 16 is distributed randomly between the individual modes 161, 162 (and possibly others).
  • the modes of the reflected radiation 16 guided through the multimode waveguide 112 are each fed to an associated individual waveguide by the coupling device 118.
  • the coupling device 118 determines the modes that can couple into the individual waveguides 1151.
  • the amplitudes in the waveguides 115i result depending on the proportion of these modes 161, 162 in the reflected radiation 16.
  • the LIDAR system 10 further comprises a plurality of detection devices 125, each of which is suitable for detecting a superposition signal of a partial beam 17 of the source radiation 15 with the respective reflected modes 161, 162, which has been guided through an associated single-mode waveguide 1151.
  • the electromagnetic radiation 16 reflected by the object 105 is coupled into a multi-mode, i.e. at least two-mode, waveguide 112.
  • the structure of the waveguide 112 is selected such that the extent of the modes within the waveguide is comparable to the typical grain size or granularity of the speckle pattern (or larger).
  • the grain size or granularity of the speckle pattern refers to a typical extent of a structure of the pattern. The exact size can depend, for example, on the wavelength of the source radiation, the design of the optical element 109. However, at the location of the coupling into the waveguide 112, it is typically in the order of magnitude of the light wavelength, which roughly corresponds to the extent of the modes.
  • the grain size can also depend on the distance to the object 105. In general, it may be sufficient in this context if the grain size of the speckle pattern for a critical distance from the object 105 matches the extent of the modes.
  • the optical element 109 may, for example, comprise a lens or a lens arrangement for collimating the electromagnetic radiation.
  • the LIDAR system comprises several, i.e. at least two individual waveguides 115i, 1152.
  • the coupling device 118 splits the reflected radiation 16 between the various individual waveguides 115i, 1152.
  • the splitting is not random, but mode-specific. In other words, each radiation mode of the multimode waveguide
  • the tunable laser source 100 can be, for example, any laser device, for example a laser diode, which emits electromagnetic radiation in the required wavelength range.
  • An emission wavelength of the laser source 100 can be modulated, for example by changing an impressed operating current.
  • the emission wavelength can be linearly modulated.
  • the emission wavelength can increase linearly and then decrease linearly.
  • the emission wavelength can increase monotonically and decrease monotonically.
  • the term "tunable laser source" also includes a combination of a laser device with a modulation device, for example a frequency shifter.
  • the electromagnetic radiation 15 or local oscillator radiation emitted by the laser source 100 is split, for example, by beam splitters 121, with a partial beam of the source radiation being split off in each case.
  • the number of partial beams 17 generated corresponds, for example, to the number n of single-mode waveguides 115i f 1152 , ...115 n .
  • each of the partial beams 17 is coherently superimposed with an associated reflected beam 16, which has been guided through an associated single-mode waveguide 1151.
  • the partial beams, which have been guided through different single-mode waveguides 1151, are separate from one another. They originate from the originally mixed partial excitations of different modes in the multi-mode waveguide 112, which are orthogonal to one another.
  • the resulting superposition or beat signal of the separated partial beams is detected by the detection devices 125.
  • one of the single-mode waveguides 115i provided for supplying the source radiation 15 is also used for returning the reflected beam 16.
  • a circulator 123 may be provided which separates the object beam 15 from the reflected beam 16.
  • the circulator 123 may comprise a polarization filter which splits the light according to the polarization direction.
  • the object beam 15 can be coupled via the coupling device 118 into the fundamental mode of the multimode waveguide 112 and collimated via an optical element 109.
  • the same optical element 109 is used to receive the electromagnetic radiation 16 reflected by the object 105 in the multimode waveguide 112.
  • the imaging on the coupling plane results in a random intensity and phase pattern, called speckle.
  • speckle a random intensity and phase pattern
  • the intensity coupled into a mode is calculated from the integral of the product of the electric field of the incident radiation with the mode profile. For example, the coupling efficiency is given as follows:
  • Ei is the incident electric field of the signal
  • E2 is the mode profile, i.e. the electric field of the mode in the waveguide.
  • A is the area of the entrance facet of the multimode waveguide 112 over which two-dimensional integration is performed.
  • a very low intensity in the fundamental mode is caused, among other things, by the fact that the fields incident on different parts of the waveguide surface superimpose destructively because they have opposite phases. In these cases, there may be an excessive probability that the superimposition occurs constructively when coupled into a higher mode.
  • Fig. 2A shows the transition from a single-mode waveguide 115i, which carries, for example, a fundamental mode, into the multimode waveguide 112 via the coupling device 118.
  • incident radiation 15 this is passed on unchanged to the multimode waveguide 112 and vice versa.
  • reflected radiation 16 of the next higher mode is fed via the coupling device 118 into the lower single-mode waveguide 1152.
  • the coupling device is designed such that each mode of the multimode waveguide is coupled to exactly one single-mode waveguide 1151.
  • Fig. 3A now shows as an example a predominantly destructive superposition of the amplitude of the radiation 15 reflected from the object with the fundamental mode 129 at the transition into the upper waveguide 115i shown in Fig. 2A.
  • Fig. 3B shows as an example a superposition of the amplitude of the reflected radiation 15 with the next higher or first waveguide mode at the transition into the lower waveguide 1152 shown in Fig. 2B.
  • the superposition with the next higher waveguide mode 130 is predominantly constructive. This results in a lower probability of a signal that is too low and therefore undetectable in both modes simultaneously, compared to completely random, independent couplings. When measuring both signals, this increases the probability that the signal can be detected in at least one measurement.
  • the electric field of the higher modes of the waveguide is favored to change on a similar scale to the field of the incident signal.
  • the method would also work with a smaller period of the speckle pattern.
  • the modes are separated by the coupling device 118 and in separate single-mode waveguides. conductors 115i. According to embodiments, the light guided in the fundamental mode waveguide 115i is branched off via the circulator 123.
  • the signals detected by the detection devices 125 are each digitized.
  • the beat frequency can be determined using a Fourier transformation. If the amplitude of a frequency in at least one of the measurements is sufficiently far from the background noise, it is assumed that an object has been detected at the distance corresponding to the frequency.
  • an evaluation device 127 can be connected to the detection devices 125 and evaluate the determined signals in the manner described.
  • a LIDAR system emits a coherent laser beam with a linearly variable frequency as a function of time, reflects it off a target object and then coherently superimposes it with a part of the laser light (local oscillator) that is decoupled before emission. This creates a beat due to the frequency changing during the light travel time to the target object and back. The frequency of this beat is detected. It corresponds, for example, to the frequency difference between the local oscillator and the received signal and is proportional to the distance to the target object due to the temporally linear frequency shift of the laser.
  • the evaluation device 127 can, for example, be connected to the tunable laser source 100 so that information about the modulation of the laser wavelength is available in the evaluation device 127.
  • each mode of the multimode waveguide 112 is coupled to exactly one associated single-mode waveguide.
  • the coupling device 118 can be a multiplexer, in particular a multiplexer or photonic coupler with an inverse design ("inverse-designed multi-dimensional photonic transmitter").
  • inverse-designed multi-dimensional photonic transmitter Such a device is known, for example, from Yang, KY, Shirpurkar, C., White, AD et al. Multi-dimensional data transmission using inverse-designed silicon photonics and microcombs. Nat Commun 13, 7862 (2022).
  • the coupling device 118 can also be a photonic lantern, as is known, for example, from Veläzquez-Benitez et al. "Scaling photonic lanterns for spacedivision multiplexing" Scientific Reports, June 11, 2018.
  • the photonic lantern can be used to specifically assign individual modes to specific modes in a multimode waveguide designed as an optical fiber.
  • the individual waveguides, the multimode waveguide and the single-mode waveguides 115i, 1152 ,... 115n as well as the coupling device 118 can be implemented as a photonic integrated circuit (PIC).
  • PIC photonic integrated circuit
  • the coupling device 118 can in particular be a mode division multiplexer. This splits the received signal into orthogonal individual modes, for example.
  • the individual waveguides can also be implemented as fiber optic elements.
  • the coupling device 118 can be realized as a photonic lantern. The described structure significantly reduces the probability that sufficient signal intensity for detecting the distance of the object 105 is not achieved due to destructive interference in the waveguide coupling by speckle.
  • the probability of non-detection i.e. a signal that is too low in all channels
  • the probability of non-detection can be lower than if the same number of measurements are carried out completely independently of each other. This is because in some cases a signal that is too low is generated due to destructive interference in the waveguide coupling.
  • destructive interference in the fundamental mode means a high probability of constructive interference in the next higher mode, which is asymmetric to the fundamental mode. This makes equally destructive interference in both modes very unlikely, and the coupling of a signal sufficient for the measurement into at least one of the two modes is very likely.
  • the energy of the incident signal is distributed across all modes. If this is almost zero in the fundamental mode, the probability of a higher energy in the higher mode increases. This is particularly the case if, with good imaging, the energy can only be distributed across a few modes.
  • Fig. 4A shows an example of a coupling device 118 that is suitable for distributing electromagnetic radiation that has been supplied through the multimode waveguide 112 into exactly one of several associated single-mode waveguides 115i, 1152, 115s, 1154.
  • the coupling device 118 can be a photonic coupler 132 with an inverse design.
  • the coupling device 118 can have regions with different refractive indices. The refractive indices can differ discretely or continuously in certain regions.
  • the coupling device 118 can also be implemented in an alternative manner, for example as a grating coupler or as a photonic lantern.
  • the LIDAR system can have more than two single-mode waveguides 115i.
  • the number of branched partial beams 17 or beam splitters 121 increases accordingly. As a result, even better statistics on the speckle pattern are possible.
  • the individual single-mode waveguides 115i can be arranged one-dimensionally, for example in a plane.
  • the single-mode waveguides 115i can be arranged in multiple planes to accommodate a plurality of optical modes. This is illustrated, for example, in Fig. 4B, in which the single-mode waveguides 115i are arranged in two planes. As shown in Fig. 4B, the single-mode waveguides 115i are provided, for example, in two planes arranged one above the other, i.e. along a vertical direction, for example the z-direction.
  • multimode waveguide 112 In an arrangement that includes the multimode waveguide 112, several single-mode waveguides 115i and the photonic coupler with inverse design 132 and is implemented as a photonic circuit, higher modes can only be implemented in one arrangement dimension.
  • a coupling of modes of the second dimension into further waveguides can be implemented via suitably designed grating couplers 133.
  • These further waveguides can each be multimode in themselves and can be used as described above.
  • the coupling device 118 can in turn be realized as a photonic lantern.
  • an average signal can be formed from the electrical signals after detection by the detection devices 125.
  • the average signal can be in a Evaluation device 127 (shown in Fig. 1).
  • the average signal can be formed both before and after the Fourier transformation. Overall, the detected frequencies are only searched for in one signal.
  • the electromagnetic radiation can be coupled into or out of the multimode waveguide via the waveguide facet (edge coupling).
  • the electromagnetic radiation can also be coupled into or out via a grating coupler 133. This is shown, for example, in the upper part of Fig. 4B, in which the coupling of the reflected radiation 16 takes place via a grating coupler 133.
  • the system i.e. in particular the waveguides and the coupling device
  • the material of the few- or single-mode transmit and receive waveguide 115i and the coupling device 118 can also be silicon nitride. Due to the lower refractive index, the wavelength in silicon nitride is longer, which increases the lateral extension of the modes. As a result, the adaptation of the mode geometry to the speckle geometry can be improved.
  • the electromagnetic radiation can be coupled into a silicon waveguide and the silicon detector, for example via an adiabatic coupler.
  • Fig. 5 shows another embodiment of the LIDAR system in which the transmit and receive channels are separated such that the same waveguide is not used for coupling and coupling in.
  • the object beam 15 can be transmitted via an optical path formed by the single-mode waveguides 115i and the multimode waveguide 112 is different, into the optical element 109 and onto the object 105.
  • the object beam 15 can be supplied via a separate waveguide.
  • the object beam 15 can be radiated onto the object 105 via the same optical element 109 via a different optical arrangement.
  • a circulator or polarization beam splitter can be dispensed with.
  • the coupling device 118 can be used exclusively for coupling the reflected radiation 16 into the single-mode waveguides 115i, 1152.
  • Grating coupler first mode of reflected radiation second mode of reflected radiation

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Abstract

Ein LIDAR System (10) weist eine durchstimmbare Laserquelle (100), die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung, Quellenstrahlung (15), zu emittieren, welche von einem Objekt (105) reflektiert wird, auf. Das LIDAR System (10) umfasst ferner einen mehrmodigen Wellenleiter (112), welcher geeignet ist, vom Objekt (105) reflektierte Strahlung (16) zu empfan- gen, sowie mehrere Einzelmodenwellenleitern (1151, 1152,…115n) und eine Kopplungsvorrichtung (118, 132), die geeignet ist, die durch den mehrmodigen Wellenleiter (112) geführten Moden (161, 162) der reflektierten Strahlung (16) jeweils einem der Einzelmodenwellenleiter (1151, 1152,…115n) zuzuführen. Das LIDAR System enthält darüber hinaus mehrere Nachweiseinrich- tungen (125), die jeweils geeignet sind, ein Überlagerungssignal eines Teilstrahls der Quellenstrahlung (15) mit der re- flektierten Strahlung (16), die durch einen zugehörigen Einzelmodenwellenleiter (1151, 1152,…115n) geleitet worden ist, nachzuweisen.

Description

LIDAR-SYSTEM
BESCHREIBUNG
LIDAR- ( „Light Detection and Ranging"- ) Systeme , insbesondere FMCW-LIDAR-Sys terne ( „Frequency-Modulated Continuous Wave"- , modulierte Dauer-LIDAR-Systeme ) werden in zunehmendem Maße in Fahrzeugen, beispielsweise zum autonomen Fahren, eingesetzt . Beispielsweise werden sie eingesetzt , um Abstände oder Geschwindigkeiten zu messen oder Gegenstände zu erkennen .
Generell basiert das Messprinzip auf der kohärenten Überlagerung von ausgestrahltem Laserlicht und reflektiertem Licht , das von einem Obj ekt reflektiert worden ist . Im Folgenden werden insbesondere FMCW-LIDAR-Systeme beschrieben . Der Begri f f „LIDAR-System" bezieht sich aber auch auf kohärente LIDAR- Messverf ahren mit anderen Modulationsarten wie z . B . der Phasenmodulation, oder Random modulation . In der Regel ist das reflektierende Obj ekt ein Obj ekt mit einer lichtstreuenden Oberfläche . Als Ergebnis erfolgt bei der Einkopplung des Lichts in einen Wellenleiter eine kohärente Überlagerung der zufälligen Phasenfronten der Einzelwellen, die von den verschiedenen Flächenelementen der Oberfläche mit j eweils zufälliger Phase gestreut wurden . Als Ergebnis ergibt sich eine zufällige Intensität des eingekoppelten Lichts , j e nachdem, inwieweit die Überlagerung konstruktiv oder destruktiv erfolgt . Den Ef fekt der kohärenten Überlagerung zufälliger Phasenfronten bezeichnet man als Speckle .
Die sich ergebende Intensitätsverteilung nach kohärenter Überlagerung folgt einer gewissen Statistik, insbesondere bei vollständig ausgeprägten Speckle einer negativ exponentiellen . Anders ausgedrückt , ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung der sich ergebenden Intensität eine fallende Exponential funktion . Das heißt , dass eine sehr geringe Intensität von ungefähr Null eine sehr viel größere Wahrscheinlichkeit aufweist als eine hohe Intensität .
Umgekehrt ist , um ein Obj ekt nachzuweisen, eine bestimmte Min- dest-Signalstärke , d . h . eine bestimmte Mindestintensität , erforderlich . Damit ergibt sich selbst bei einem hohen mittleren Erwartungswert der Signalstärke eine erhebliche Wahrscheinlichkeit , dass die empfangene Signalstärke nicht für einen Nachweis ausreicht , weil sich bei der Einkopplung in die Einzelmodenfaser die Phasenfronten zufälligerweise überwiegend destruktiv überlagern . Daher ist mit einer Einzelmessung eine nahezu hundertprozentige Detektionswahrscheinlichkeit praktisch nicht erreichbar .
Entsprechend wird nach Konzepten gesucht , mit denen sich die Auswirkungen von Speckles verringern oder vermeiden lassen .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , ein verbessertes LIDAR-System zur Verfügung zu stellen .
Gemäß Aus führungs formen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert .
Ein LIDAR System weist eine durchstimmbaren Laserquelle auf , die geeignet ist , elektromagnetische Strahlung, Quellenstrahlung, zu emittieren, welche von einem Obj ekt reflektiert wird . Das LIDAR System umfasst weiterhin einen mehrmodigen Wellenleiter, welcher geeignet ist , vom Obj ekt reflektierte Strahlung zu empfangen, sowie mehrere Einzelmodenwellenleiter und eine Kopplungsvorrichtung, die geeignet ist , die durch den mehrmodigen Wellenleiter geführten Moden der reflektierten Strahlung j eweils einem der Einzelmodenwellenleiter zuzuführen . Das LIDAR System enthält weiterhin mehrere Nachweiseinrichtungen, die j eweils geeignet sind, ein Überlagerungssignal eines Teilstrahls der Quellenstrahlung mit der reflektierten Strahlung, die durch einen zugehörigen Einzelmodenwellenleiter geleitet worden ist , nachzuweisen .
Beispielsweise kann die Kopplungsvorrichtung ein modenspezi fischer Multiplexer sein . Gemäß Aus führungs formen kann der modenspezi fische Multiplexer ein photonischer Koppler mit inversem Design sein .
Beispielsweise können die Einzelmodenwellenleiter, die Kopplungsvorrichtung und der mehrmodige Wellenleiter als photoni- sche integrierte Schaltung ( „Photonic Integrated Circuit" , PIC ) realisiert sein .
Das LIDAR System kann ferner eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die mit den Nachweiseinrichtungen verbunden ist .
Beispielsweise kann die Quellenstrahlung über den mehrmodigen Wellenleiter zu dem Obj ekt geleitet werden . Gemäß Aus führungsformen kann die Quellenstrahlung über eine Grundmode des mehrmodigen Wellenleiters zu dem Obj ekt geleitet werden .
Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Quellenstrahlung separat außerhalb des mehrmodigen Wellenleiters zu dem Obj ekt geleitet werden .
Das LIDAR System kann ferner einen Gitterkoppler zum Einkoppeln der von dem Obj ekt reflektierten Strahlung in den mehrmodigen Wellenleiter aufweisen .
Gemäß Aus führungs formen enthält das LIDAR System darüber hinaus ein optisches Element zum Kollimieren der Quellenstrahlung, wobei das optische Element zwischen der mehrmodigen Wellenleiter und dem Obj ekt angeordnet ist .
Beispielsweise kann eine Struktur des mehrmodigen Wellenleiters so gewählt sein, dass eine Ausdehnung der Moden in dem Wellenleiter mindestens so groß wie eine charakteristische Korngröße des Specklemusters ist .
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 . 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems gemäß Aus führungs formen .
Die Fig . 2A und 2B zeigen Details einer Kopplungsvorrichtung .
Die Fig . 3A und 3B veranschaulichen Amplituden von Moden bei überlagerter Strahlung .
Fig . 4A zeigt ein Beispiel einer Kopplungsvorrichtung .
Fig . 4B zeigt ein Beispiel einer zweidimensionalen Anordnung von Wellenleitern .
Fig . 5 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems gemäß weiteren Aus führungs formen . 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 Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele 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 Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
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 Begri f f "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 .
Fig . 1 zeigt eine schematische Darstellung eines LIDAR-Systems 10 gemäß Aus führungs formen . Wie in Fig . 1 dargestellt ist , umfasst das LIDAR-System 10 eine durchstimmbare Laserquelle 100 , die geeignet ist , elektromagnetische Strahlung oder Quellenstrahlung 15 zu emittieren . Die Quellenstrahlung wird auf ein nachzuweisendes Obj ekt 105 eingestrahlt und von diesem reflektiert . Das LIDAR-System weist ferner einen mehrmodigen Wellenleiter 112 auf , welcher geeignet ist , von dem Obj ekt 105 reflektierte Strahlung 16 zu empfangen . Das LIDAR-System 10 weist ferner mehrere Einzelmoden-Wellenleiter 115i, 1152 , ...115n sowie eine Kopplungsvorrichtung 118 auf . Die Kopplungsvorrichtung 118 ist geeignet , die durch den mehrmodigen Wellenleiter 112 geführte reflektierte Strahlung 16 j eweils einem der Einzelmoden-Wellenleiter 1151 zuzuführen . Dabei verteilt sich die reflektierte Strahlung 16 zufällig auf die einzelnen Moden 161 , 162 (und ggf . weitere ) . Die durch den mehrmodigen Wellenleiter 112 geführten Moden der reflektierten Strahlung 16 werden durch die Kopplungsvorrichtung 118 j eweils einem zugeordneten Einzelwellenleiter zugeführt . Die Kopplungsvorrichtung 118 legt dabei die Moden fest , die in die einzelnen Wellenleiter 1151 koppeln können . Je nach Anteil dieser Moden 161 , 162 in der reflektierten Strahlung 16 ergeben sich die Amplituden in den Wellenleitern 115i . Das LIDAR-System 10 umfasst weiterhin mehrere Nachweiseinrichtungen 125 , die j eweils geeignet sind, ein Überlagerungssignal eines Teilstrahls 17 der Quellenstrahlung 15 mit den j eweils reflektierten Moden 161 , 162 , die durch einen zugehörigen Einzelmoden-Wellenleiter 1151 geleitet worden ist , nachzuweisen .
Wie in Fig . 1 dargestellt ist , wird die vom Obj ekt 105 reflektierte elektromagnetische Strahlung 16 in einen mehrmodigen, d . h . mindestens zwei-modigen, Wellenleiter 112 eingekoppelt . Beispielsweise ist die Struktur des Wellenleiters 112 so gewählt , dass die Ausdehnung der Moden innerhalb des Wellenleiters mit der typischen Korngröße oder Granularität des Speckle-Musters ( oder größer ) vergleichbar ist . Die Korngröße oder Granularität des Speckle-Musters bezeichnet eine typische Ausdehnung einer Struktur des Musters . Die exakte Größe kann beispielsweise von der Wellenlänge der Quellenstrahlung, der Ausgestaltung des optischen Elements 109 abhängen . Sie liegt j edoch am Ort der Einkopplung in den Wellenleiter 112 typischerweise in der Größenordnung der Lichtwellenlänge , was ungefähr mit der Ausdehnung der Moden übereinstimmt . Die Korngröße kann weiterhin vom Abstand zum Obj ekt 105 abhängen . Generell kann in diesem Zusammenhang ausreichend sein, wenn die Korngröße des Speckle-Musters für einen kritischen Abstand vom Obj ekt 105 mit der Ausdehnung der Moden übereinstimmt . Das optische Element 109 kann beispielsweise eine Linse oder eine Linsenanordnung zum Kollimieren der elektromagnetischen Strahlung umfassen .
Das LIDAR-System umfasst mehrere , d . h . mindestens zwei Einzelwellenleiter 115i, 1152 . Durch die Kopplungsvorrichtung 118 wird die reflektierte Strahlung 16 auf die verschiedenen Einzelwellenleiter 115i, 1152 aufgeteilt . Die Aufteilung erfolgt dabei nicht zufällig, sondern modenspezi fisch . Anders ausge- drückt , wird j ede Strahlungsmode des mehrmodigen Wellenleiters
112 genau dem Einzelwellenleiter 1151 zugeordnet , dessen Mode der Strahlungsmode entspricht . Die durchstimmbare Laserquelle 100 kann beispielsweise eine beliebige Laservorrichtung, beispielsweise eine Laserdiode , sein, die elektromagnetische Strahlung in dem erforderlichen Wellenlängenbereich emittiert . Eine Emissionswellenlänge der Laserquelle 100 kann modulierbar sein, beispielsweise durch Veränderung einer eingeprägten Betriebsstromstärke . Beispielsweise kann die Emissionswellenlänge linear modulierbar sein . Zum Beispiel kann die Emissionswellenlänge linear ansteigen und anschließend linear abfallen . Weiterhin kann die Emissionswellenlänge monoton ansteigen und monoton abfallen . Der Begri f f „durchstimmbare Laserquelle" umfasst aber auch eine Kombination einer Laservorrichtung mit einer Modulationsvorrichtung, beispielsweise einem Frequenzschieber .
Die von der Laserquelle 100 emittierte elektromagnetische Strahlung 15 oder lokale Os zillatorstrahlung wird beispielsweise durch Strahlteiler 121 aufgeteilt , wobei j eweils ein Teilstrahl der Quellenstrahlung abgeteilt wird . Die Anzahl der erzeugten Teilstrahlen 17 entspricht beispielsweise der Anzahl n der einmodigen Wellenleiter 115if 1152 , ...115n .
In den einzelnen Nachweiseinrichtungen 125 wird j eder der Teilstrahlen 17 mit einem zugehörigen reflektierten Strahl 16 , der durch einen zugehörigen Einzelmoden-Wellenleiter 1151 geleitet worden ist , kohärent überlagert . Die Teilstrahlen, die durch verschiedene Einzelmoden-Wellenleiter 1151 geleitet worden sind, liegen getrennt voneinander vor . Sie entstammen den ursprünglich vermischten Teilanregungen j eweils unterschiedlicher Moden im mehrmodigen Wellenleiter 112 , welche zueinander orthogonal sind . Das entstehende Überlagerungs- oder Schwebungssignal der separierten Teilstrahlen wird j eweils durch die Nachweiseinrichtungen 125 nachgewiesen . Wie in Fig . 1 dargestellt ist , wird beispielsweise einer der Einzelmoden-Wellenleiter 115i, der für die Zufuhr der Quellenstrahlung 15 vorgesehen ist , auch für die Rückführung des reflektierten Strahls 16 verwendet . Entsprechend kann, wie in Fig . 1 dargestellt ist , ein Zirkulator 123 vorgesehen sein, der den Obj ektstrahl 15 von dem reflektierten Strahl 16 trennt . Beispielsweise kann der Zirkulator 123 einen Polarisations filter umfassen, der das Licht entsprechend der Polarisationsrichtung auf teilt .
Wie weiterhin dargestellt ist , kann, beispielsweise um einen möglichst kleinen Spot auf dem Obj ekt 105 zu erhalten, der Obj ektstrahl 15 über die Kopplungsvorrichtung 118 in die Grundmode des mehrmodigen Wellenleiters 112 gekoppelt und über ein optisches Element 109 kollimiert werden . Mit dem gleichen optischen Element 109 wird die vom Obj ekt 105 reflektierte elektromagnetische Strahlung 16 im mehrmodigen Wellenleiter 112 empfangen .
Aufgrund der Rauigkeit des Obj ekts 105 ergibt sich bei der Abbildung auf der Einkoppelebene ein zufälliges Intensitäts- und Phasenmuster, genannt Speckle . Als Ergebnis kann das Licht mit zufälliger Verteilung in alle Moden des mehrmodigen Wellenleiters eingekoppelt werden .
Bei der Einkopplung in den mehrmodigen Wellenleiter kann sich eine Anti-Korrelation zwischen den Intensitäten in der Grundmode und höheren Moden ergeben . Die in eine Mode gekoppelte Intensität berechnet sich aus dem Integral des Produkts des elektrischen Felds der einfallenden Strahlung mit dem Modenprofil . Beispielsweise ergibt sich die Einkoppelef fi zienz wie folgt :
Figure imgf000012_0001
, worin Ei das einfallende elektrische Feld des Signals und E2 das Modenprofil , d . h . das elektrische Feld der Mode im Wellenleiter bezeichnet . A bezeichnet die Fläche der Eintritts facette des mehrmodigen Wellenleiters 112 , über die zweidimensional integriert wird .
Eine sehr geringe Intensität in der Grundmode wird dabei unter anderem dadurch verursacht , dass sich die in verschiedenen Teilen der Wellenleiteroberfläche einfallenden Felder destruktiv überlagern, da sie gegensätzliche Phasen aufweisen . In diesen Fällen besteht möglicherweise eine überhöhte Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Überlagerung bei Einkopplung in eine höhere Mode konstruktiv erfolgt .
Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig . 3A und 3B näher erläutert werden .
Dadurch, dass alle Moden in einer gemeinsamen Apertur koaxial eingekoppelt werden, ist der Erwartungswert der Signalstärke in allen Moden bzw . in allen Einzelwellenleitern 115i miteinander vergleichbar .
Fig . 2A zeigt den Übergang von einem Einzelmoden-Wellenleiter 115i, der beispielsweise eine Grundmode trägt , in den mehrmodigen Wellenleiter 112 über die Kopplungsvorrichtung 118 . Bei einfallender Strahlung 15 , wird diese unverändert an den mehrmodigen Wellenleiter 112 weitergegeben und umgekehrt . Wie in Fig . 2B dargestellt ist , wird reflektierte Strahlung 16 der nächsthöheren Mode über die Kopplungsvorrichtung 118 in den unteren Einzelmoden-Wellenleiter 1152 zurückgegeben . Die Kopplungsvorrichtung ist so ausgelegt , dass j ede Mode des mehrmo- digen Wellenleiters mit genau einem Einzelmodenwellenleiter 1151 gekoppelt wird .
Fig . 3A zeigt nun als Beispiel eine überwiegend destruktive Überlagerung der Amplitude der vom Obj ekt reflektierten Strahlung 15 mit der Grundmode 129 bei dem in Fig . 2A dargestellten Übergang in den oberen Wellenleiter 115i .
Fig . 3B zeigt als Beispiel eine Überlagerung der Amplitude der reflektierten Strahlung 15 mit der nächsthöheren oder ersten Wellenleitermode bei dem in Fig . 2B dargestellten Übergang in den unteren Wellenleiter 1152 . Wie zu sehen ist , erfolgt in diesem Fall die Überlagerung mit der nächsthöheren Wellenleitermode 130 überwiegend konstruktiv . Damit ergibt sich gegenüber vollkommen zufälligen, voneinander unabhängigen Kopplungen eine geringere Wahrscheinlichkeit für ein zu niedriges und damit nicht detektierbares Signal in beiden Moden gleichzeitig . Dies erhöht bei einer Messung von beiden Signalen die Wahrscheinlichkeit , dass das Signal in mindestens einer Messung detektiert werden kann .
Insbesondere , wenn die Modengeometrie oder Geometrie der Mehr- moden-Wellenleiter passend zur charakteristischen Korngröße des Speckle-Musters gewählt ist , wird begünstigt , dass sich das elektrische Feld der insbesondere höheren Moden des Wellenleiters auf einer ähnlichen Skala verändert wie das Feld des einfallenden Signals . Auch bei einer kleineren Periode des Speckle-Musters würde die Methode funktionieren .
Wie in Fig . 1 dargestellt , werden nach Einkopplung in den mehrmodigen Wellenleiter 112 die Moden durch die Kopplungsvorrichtung 118 getrennt und in separaten Einzelmoden-Wellen- leitern 115i weitergeführt . Gemäß Aus führungs formen wird das in dem Grundmoden-Wellenleiter 115i geführte Licht über den Zirkulator 123 abgezweigt .
Die von den Nachweiseinrichtungen 125 erfassten Signale werden j eweils digitalisiert . Beispielsweise kann über eine Fourier- Trans formation die Schwebungs frequenz ermittelt werden . Weist die Amplitude einer Frequenz bei mindestens einer der Messungen einen ausreichenden Abstand zum Rauschuntergrund auf , so wird von der Detektion eines Obj ekts in der zu der Frequenz gehörenden Entfernung ausgegangen . Beispielsweise kann eine Auswerteeinrichtung 127 mit den Nachweisvorrichtungen 125 verbunden sein und j eweils die ermittelten Signale in der beschriebenen Weise auswerten .
Generell wird bei einem LIDAR-System ein kohärenter Laserstrahl mit linear variabler Frequenz in Abhängigkeit der Zeit ausgesendet , an einem Zielobj ekt reflektiert und sodann mit einem vor dem Aussenden abgekoppelten Teil des Laserlichts ( lokaler Os zillator ) kohärent überlagert . Dabei entsteht eine Schwebung aufgrund der während der Lichtlauf zeit zum Zielobj ekt und zurück veränderten Frequenz . Die Frequenz dieser Schwebung wird detektiert . Sie entspricht beispielsweise der Frequenzdi f ferenz zwischen dem lokalen Os zillator und dem empfangenen Signal und ist aufgrund der zeitlich linearen Frequenzverschiebung des Lasers proportional zur Entfernung zum Zielob j ekt .
Die Auswerteeinrichtung 127 kann beispielsweise mit der durchstimmbaren Laserquelle 100 verbunden sein, so dass Informationen über die Modulation der Laserwellenlänge in der Auswerteeinrichtung 127 verfügbar sind . Durch die Kopplungsvorrichtung 118 wird jede Mode des mehrmo- digen Wellenleiters 112 mit genau einem zugehörigen Einzelmo- den-Wellenleiter gekoppelt. Beispielsweise kann die Kopplungsvorrichtung 118 ein Multiplexer sein, insbesondere ein Multiplexer oder photonischer Koppler mit inversem Design („inverse-designed multi-dimensional photonic transmitter") . Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus Yang, K.Y., Shir- purkar, C., White, A.D. et al. Multi-dimensional data transmission using inverse-designed silicon photonics and microcombs. Nat Commun 13, 7862 (2022) . https://doi.org/10.1038/s41467-022-35446-4 bekannt. Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Kopplungsvorrichtung 118 auch eine photonische Laterne sein, wie sie beispielsweise aus Ve- läzquez-Benitez et al. „Scaling photonic lanterns for spacedivision multiplexing" Scientific Reports, 11. Juni 2018 bekannt ist . Beispielsweise kann mit der photonischen Laterne eine gezielte Zuordnung von Einzelmoden zu bestimmten Moden in einem Multimodenwellenleiter, der als optische Faser ausgebildet ist, möglich sein.
Beispielsweise können die einzelnen Wellenleiter, der Mehrmo- den-Wellenleiter und die Einzelmoden-Wellenleiter 115i, 1152,...115n sowie die Kopplungsvorrichtung 118 als photonische integrierte Schaltung (PIC, „Photonic Integrated Circuit") realisiert sein. Die Kopplungsvorrichtung 118 kann insbesondere ein Mode-Division-Multiplexer sein. Durch diesen wird beispielsweise das empfangene Signal in orthogonale Einzelmoden auf gespalten .
Gemäß weiteren Ausgestaltungen können die einzelnen Wellenleiter auch als faseroptische Elemente implementiert sein. Beispielsweise kann in diesem Fall die Kopplungsvorrichtung 118 als photonische Laterne realisiert sein. Durch den beschriebenen Aufbau wird die Wahrscheinlichkeit , dass aufgrund von destruktiver Interferenz bei der Wellenleiterkopplung durch Speckle keine ausreichende Signalintensität für die Detektion der Entfernung des Obj ekts 105 erreicht wird, erheblich reduziert .
Weiterhin kann durch eine geeignete Wahl der Modengeometrie in manchen Situationen eine geringere Wahrscheinlichkeit für einen Nicht-Nachweis ( also ein in allen Kanälen zu niedriges Signal ) erzielt werden, als wenn die gleiche Zahl an Messungen völlig unabhängig voneinander erfolgt . Das liegt daran, dass ein zu niedriges Signal in manchen Fällen aufgrund destruktiver Interferenz bei der Wellenleiterkopplung erzeugt wird . Hat die nächsthöhere Wellenleitermode ihre Bäuche in einem Abstand, der dem typischen Abstand zwischen Bereichen entgegengesetzten Phase eines Speckle-Musters in der Faserebene ähnlich ist , so bedeutet destruktive Interferenz in der Grundmode eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine konstruktive Interferenz in der nächsthöheren, zur Grundmode asymmetrischen Mode . Damit ist eine gleichermaßen destruktive Interferenz in beiden Moden sehr unwahrscheinlich, und die Einkopplung eines für die Messung ausreichenden Signals in mindestens eine der beiden Moden ist sehr wahrscheinlich .
Anders betrachtet , verteilt sich die Energie des einfallenden Signals auf alle Moden . I st diese in der Grundmode nahezu null , so erhöht sich dadurch die Wahrscheinlichkeit für eine höhere Energie in der höheren Mode . Dies ist insbesondere dann der Fall , wenn sich bei einer guten Abbildung die Energie insgesamt nur auf wenige Moden verteilen kann .
Weiterhin können vergleichbare Erwartungswerte der Signalstärke in allen Moden (bzw . Einzelmoden-Wellenleitern nach der Trennung) wegen des gleichen Orts der Einkopplung erzielt werden . Beispielsweise können alle Kanäle in einer gemeinsamen Apertur koaxial eingekoppelt werden .
Fig . 4A zeigt ein Beispiel einer Kopplungsvorrichtung 118 , die geeignet ist , eine Verteilung von elektromagnetischer Strahlung, die durch den Mehrmoden-Wellenleiter 112 zugeführt worden ist , in genau einen von mehreren zugehörigen Einzelmoden- Wellenleitern 115i, 1152 , 115s, 1154 zu bewirken . Wie vorstehend erläutert , kann die Kopplungsvorrichtung 118 ein photonischer Koppler 132 mit inversem Design sein . Beispielsweise kann die Kopplungsvorrichtung 118 Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindi zes aufweisen . Die Brechungsindi zes können sich dabei bereichsweise diskret oder kontinuierlich unterscheiden .
Durch eine gezielte Modenkopplung wird in j edem Kanal ein von den anderen Kanälen unabhängiges bzw . sogar anti-korreliertes Signal erzeugt . Als Ergebnis wird die Wahrscheinlichkeit , in keinem der Kanäle eine ausreichende Signalstärke zur Detektion zu erreichen, minimiert . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann die Kopplungsvorrichtung 118 auch in alternativer Weise realisiert sein, beispielsweise als Gitterkoppler oder als photoni- sche Laterne .
Verschiedene Modi fikationen der beschriebenen Anordnung sind denkbar .
Es ist selbstverständlich, dass das LIDAR-System mehr als zwei Einzelmoden-Wellenleiter 115i aufweisen kann . Entsprechend erhöht sich auch die Anzahl der abgezweigten Teilstrahlen 17 bzw . der Strahlteiler 121 . Als Ergebnis wird eine noch bessere Statistik über das Speckle-Muster ermöglicht .
Gemäß beschriebenen Aus führungs formen werden nur solche Moden verwendet , die entlang einer Linie ihre Schwingungsbäuche haben . Entsprechend können die einzelnen Einzelmodenwellenleiter 115i eindimensional , also beispielsweise in einer Ebene angeordnet sein .
Gemäß weiteren Aus führungs formen können die Einzelmoden-Wel- lenleiter 115i in mehreren Ebenen angeordnet sein, um eine Mehrzahl von optischen Moden auf zunehmen . Dies ist beispielsweise in Fig . 4B veranschaulicht , in der die Einzelmoden-Wel- lenleiter 115i in zwei Ebenen angeordnet sind . Wie in Fig . 4B gezeigt ist , sind die Einzelmoden-Wellenleiter 115i beispielsweise in zwei übereinander, d . h . entlang einer vertikalen- Richtung, beispielsweise der z-Richtung, angeordneten Ebenen vorgesehen .
Üblicherweise sind bei einer Anordnung, die den mehrmodigen Wellenleiter 112 , mehrere Einzelmodenwellenleiter 115i und den photonischen Koppler mit inversem Design 132 umfasst und als photonischer Schaltkreis realisiert ist , nur in einer Anordnungsdimension höhere Moden realisierbar . In diesem Fall kann beispielsweise über geeignet ausgelegte Gitterkoppler 133 eine Kopplung von Moden der zweiten Dimension in weitere Wellenleiter realisiert werden . Diese weiteren Wellenleiter können für sich j eweils mehrmodig sein und können wie vorstehend beschrieben verwendet werden .
I st die Anordnung, die den mehrmodigen Wellenleiter, mehrere Einzelmodenwellenleiter und die Kopplungsvorrichtung umfasst , in Faseroptik realisiert , so kann die Kopplungsvorrichtung 118 wiederum als photonische Laterne realisiert sein .
Anstelle der separaten Auswertung der Signale kann aus den elektrischen Signalen nach Erfassung durch die Nachweiseinrichtungen 125 ein Durchschnittssignal gebildet werden . Beispielsweise kann das Durchschnittssignal in einer Auswerteeinrichtung 127 ( in Fig . 1 dargestellt ) gebildet werden . Das Durchschnittssignal kann sowohl vor als auch nach der Fourier-Trans formation gebildet werden . Insgesamt wird lediglich in einem Signal nach den detektierten Frequenzen gesucht .
Die elektromagnetische Strahlung kann über die Wellenleiterf a- cette ( edge-coupling) in den mehrmodigen Wellenleiter ein- oder ausgekoppelt werden . Alternativ kann die elektromagnetische Strahlung auch über einen Gitterkoppler 133 ein- oder ausgekoppelt werden . Dies ist beispielsweise im oberen Teil der Fig . 4B gezeigt , in der die Einkopplung der reflektierten Strahlung 16 über einen Gitterkoppler 133 erfolgt .
Wie beschrieben worden ist , kann das System, also insbesondere die Wellenleiter sowie die Kopplungsvorrichtung, beispielsweise als photonischer integrierter Schaltkreis , beispielsweise in Sili zium, ausgebildet sein . Gemäß weiteren Aus führungs formen kann das Material der Wenig- oder Einzelmoden- Sende- und -Empfangswellenleiters 115i sowie der Kopplungsvorrichtung 118 auch Sili ziumnitrid sein . Aufgrund der kleineren Brechzahl ist die Wellenlänge in Sili ziumnitrid länger, wodurch die laterale Ausdehnung der Moden erhöht wird . Als Ergebnis kann die Anpassung der Modengeometrie an die Specklege- ometrie verbessert werden . In diesem Falle kann die elektromagnetische Strahlung beispielsweise über einen adiabatischen Koppler in einen Sili zium-Wellenleiter und den Sili zium-Detektor gekoppelt werden .
Fig . 5 zeigt eine weitere Aus führungs form des LIDAR-Systems , bei dem der Sende- und Empfangskanal derart getrennt ist , dass nicht der gleiche Wellenleiter für die Aus- und Einkopplung verwendet wird . Genauer gesagt , kann gemäß Aus führungs formen, die in Fig . 5 dargestellt sind, der Obj ektstrahl 15 über einen optischen Pfad, der von den Einzelmoden-Wellenleitern 115i und dem Mehrmoden-Wellenleiter 112 verschieden ist , in das optische Element 109 und auf das Obj ekt 105 eingestrahlt werden . Beispielsweise kann der Obj ektstrahl 15 über einen separaten Wellenleiter zugeführt werden . Der Obj ektstrahl 15 kann über dasselbe optische Element 109 über eine andere optische Anordnung auf das Obj ekt 105 eingestrahlt werden . Als Ergebnis kann auf einen Zirkulator oder Polarisationsstrahlteiler verzichtet werden . In diesem Fall kann beispielsweise die Kopplungsvorrichtung 118 ausschließlich für die Kopplung der reflektierten Strahlung 16 in die Einzelmoden-Wellenleiter 115i, 1152 verwendet werden .
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
LIDAR System
Quellenstrahlung reflektierte Strahlung
Teilstrahl der Quellenstrahlung
Laserquelle
Ob j ekt optisches Element mehrmodiger Wellenleiter !, 1152 , ...115n Einzelmoden-Wellenleiter
Kopplungsvorrichtung
Strahlteiler
Zirkulator
Nachweiseinrichtung
Auswerteeinrichtung
Grundmode nächsthöhere Mode photonischer Koppler mit inversem Design
Gitterkoppler erste Mode der reflektierten Strahlung zweite Mode der reflektierten Strahlung

Claims

ANSPRÜCHE
1. LIDAR System (10) mit einer durchstimmbaren Laserquelle (100) , die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung, Quellenstrahlung (15) , zu emittieren, welches von einem Objekt (105) reflektiert wird, einem mehrmodigen Wellenleiter (112) , welcher geeignet ist, vom Objekt (105) reflektierte Strahlung (16) zu empfangen, mehreren Einzelmodenwellenleitern (115i, 1152, ...115n) und einer Kopplungsvorrichtung (118, 132) , die geeignet ist, die durch den mehrmodigen Wellenleiter (112) geführten Moden (161, 162) der reflektierten Strahlung (16) jeweils einem der Einzelmodenwellenleiter (115i, 1152,...115n) zuzuführen, mehreren Nachweiseinrichtungen (125) , die jeweils geeignet sind, ein Überlagerungssignal eines Teilstrahls der Quellenstrahlung (15) mit der reflektierten Strahlung (16) , die durch einen zugehörigen Einzelmodenwellenleiter (115i, 1152, ...115n) geleitet worden ist, nachzuweisen, wobei einer der Einzelmodenwellenleiter (115i) eingerichtet ist, die Quellenstrahlung (15) zu empfangen und über die Kopplungsvorrichtung (118, 132) und den mehrmodigen Wellenleiter (112) zu dem Objekt (105) zu leiten.
2. LIDAR System (10) nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsvorrichtung (118) ein modenspezifischer Multiplexer (132) ist.
3. LIDAR System (10) nach Anspruch 2, wobei der modenspezifische Multiplexer (132) ein photonischer Koppler mit inversem Design ist.
4. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einzelmodenwellenleiter (115i, 1152, ...115n) , die
Kopplungsvorrichtung (118, 132) und der mehrmodige Wellenleiter (112) als photonische integrierte Schaltung realisiert sind.
5. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (127) , die mit den Nachweiseinrichtungen (125) verbunden ist.
6. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quellenstrahlung (105) über eine Grundmode des mehrmodigen Wellenleiters (112) zu dem Objekt (105) geleitet wird .
7. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Gitterkoppler (133) zum Einkoppeln der von dem Objekt (105) reflektierten Strahlung (16) in den mehr- modigen Wellenleiter (112) .
8. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem optischen Element (109) zum Kollimieren der Quellenstrahlung (15) , wobei das optische Element (109) zwischen der mehrmodigen Wellenleiter (112) und dem Objekt (105) angeordnet ist.
9. LIDAR System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Struktur des mehrmodigen Wellenleiters (112) so gewählt ist, dass eine Ausdehnung der Moden in dem mehrmo- digen Wellenleiter (112) mindestens so groß wie eine charakteristische Korngröße eines Specklemusters ist.
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