Optischer Beamformer von Imec Lidar und LiFi neu gedacht

Der Strahl kann mithilfe optischer Phasen-Arrays emittiert werden, die mit Halbleiterherstellungstechnologien hergestellt werden.

Das Forschungsinstitut Imec entwickelt an neuen Methoden, um optische Signale gerichtet auszusenden. Das kommt zunächst Lidar zugute.

Bislang wird die Strahllenkung auf mechanischem Weg realisiert; eine nichtmechanische Strahllenkung galt als schwierig, weil die bestehende Silizium-Photonik, die ursprünglich für Glasfaser-Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurde, nicht flexibel genug war. Laut Philippe Soussan, Principal Member of the Technical Staff im Bereich Semiconductors & MEMS Process Technology beim Imec, ist es dem Forschungsinstitut jetzt aber gelungen, durch die Kombination von Photonik mit neuen Materialien Strahlen mit einer Leistung von bis zu drei Größenordnungen über den Milliwattstrahlen von herkömmlichen Silizium-Photonik-Chips zu emittieren. »Wir entwickeln eine vielseitige optische Strahlformungsplattform auf großen Wafern, auf Basis derer Chips realisiert werden können, die den Spezifikationen verschiedener Anwendungen entsprechen. Dazu zählt beispielsweise Lidar, das einen Beam-Scanner benötigt«, so Soussan weiter.

Der Strahl kann beispielsweise mithilfe optischer Phasen-Arrays emittiert werden, die mit Halbleiterherstellungstechnologien hergestellt werden, wobei beim Imec aber SiN und spezifische Phasenschieber genutzt werden anstelle herkömmlicher Silizium-Photonik. Die beim Imec entwickelte Plattform ist sowohl mit der direkten als auch mit der indirekten Laufzeitmessung kompatibel, bei der die Frequenzen zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen Echo verglichen werden. Damit kann der Abstand zu einem Ziel und in einigen Fällen auch die Geschwindigkeit bestimmt werden. Konkret wird beim Imec anstelle einer Vollbildbeleuchtung eine Einzelstrahlabtastung verwendet. Da der optische Strahlformer eine einzige Laserquelle nutzt, um einen Strahl auszusenden, benötigt er weniger Energie als alternative Ansätze, die auf mehreren Lichtquellen basieren. In bestehenden Ansätzen setzen die Hersteller typischerweise auf gepulstes Licht auf eine große Szene, das mechanisch gesteuert wird und dadurch nicht nur deutlich mehr Energie benötigt, sondern auch ein Risiko für die Augen darstellen kann, sodass der bei Imec entwickelte Ansatz auch diesbezüglich Vorteile hat.

Über den optischen Strahlformer wird der erzeugte Strahl, ähnlich wie bei Kathodenstrahlfernsehern, sehr schnell über die Szene bewegt und das Echo von Detektoren erfasst. Dies bedeutet, dass die Technologie auch den Vorteil hat, einfachere Detektortechnologien verwenden zu können, während alternative Systeme oft teure Infrarottechnologien nutzen müssen, um sehr schnell ganze Bilder erkennen zu können. Soussan: »Mit unserer Technologie besteht beim Sensorsystem das Potenzial, dass es einfacher und schneller wird.« Die Entwickler beim Imec glauben jedoch, dass kurzfristig ein zweiter Chip benötigt wird, um eine korrekte Erkennung in Abhängigkeit von der Reichweite zu realisieren. »Unsere Expertise liegt bei photonischen und nanoelektronischen Komponenten, weshalb sich unsere Forschungsgruppe derzeit auf den optischen Strahlformer-Chip konzentriert. Um komplette Systeme zu entwickeln, wie beispielsweise ein vollständiges Lidar-System, das alle anderen Komponenten wie Linsen, Datenverarbeitungschip und Verpackung beinhaltet, verlassen wir uns auf unsere Partner, die das Beste aus unserer Technologie herausholen können«, so Soussan weiter.

Was sind die Vorteile und Besonderheiten des vom Imec entwickelten optischen Beamformers?

  • Es handelt sich um einen Solid-State-Photonic-Chip ohne mechanische Teile, weshalb er viel robuster und zuverlässiger ist.
  • Es wird ein Strahl mit hoher Leistung und geringer Divergenz erzeugt – die optischen Strahlformungstechnologien vom Imec ermöglichen eine hohe optische Leistung (30 W) bei geringer Strahldivergenz (<0,02°), sodass sich die Technik auch für Messungen über große Entfernungen eignet.
  • Hochgradig integrierbar: Durch den Einsatz von Halbleitertechnologien kann das System mit der gesamten Elektronik vollständig in ein System-on-Chip und/oder ein System-in-a-Package integriert werden.
  • Erschwinglich: Durch den Einsatz der Halbleitertechnologie werden die Kosten drastisch reduziert.

Soussan ist überzeugt, dass die vom Imec entwickelte optische Engine in der nächsten Generation von Lidar eingesetzt wird. Soussan abschließend: »Letztendlich wollen wir alles auf einem einzigen Chip realisieren, von der Lichterzeugung über die Strahlsteuerung bis hin zur Detektion und Gesamtsteuerung. Dadurch können die Kosten deutlich gesenkt werden, und das System verfügt über einen höheren Freiheitsgrad, wohin der Strahl gerichtet werden soll.«