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Lidar-on-a-Chip

Im Bereich des autonomen Fahrens und der mobilen Robotik ist Lidar (Light Detection and Ranging) eine wichtige Methode zur räumlichen Erfassung der Umgebung. Hierfür werden heute üblicherweise Lidar-Systeme in Form von Laserscannern verwendet, die auf einer mechanischen Strahlschwenkung mit beweglichen optischen Komponenten beruhen. Aktuell gibt es starke Entwicklungsbemühungen um Lidar-Systeme mit nicht-mechanischer Strahlschwenkung, bei denen sämtliche Komponenten in einem einzelnen photonischen Chip integriert sind – einem „Lidar-on-a-Chip“. Dazu werden seit einigen Jahren verschiedene Ansätze basierend auf sogenannten optischen Phased-Arrays (OPA) untersucht, mit denen in Zukunft ultrakompakte, kostengünstig massenfertigungstaugliche und mechanisch extrem robuste Lidar-Systeme realisierbar erscheinen.

Die Methode der Strahlschwenkung spielt bei Lidar-Systemen eine besonders wichtige Rolle, weil sie maßgeblich mitentscheidend für deren Größe, Gewicht, Stromverbrauch, Robustheit, Scangeschwindigkeit und abgedeckten Winkelbereich ist. Bei einem Phased-Array nutzt man eine Anordnung aus vielen einzelnen Strahlungsemittern, deren Phasen relativ zueinander eingestellt werden können, wodurch man den ausgesendeten Strahl formen und seine Richtung verändern kann. Die Emitter sollten dabei idealerweise in Abständen geringer als die halbe Wellenlänge der verwendeten Strahlung angeordnet sein. Die Entwicklung von Phased-Arrays für optische Strahlung (Licht) ist sehr anspruchsvoll, da hierfür komplexe Strukturen im Submikrometerbereich erzeugt werden müssen. Zwar enthalten bisher demonstrierte optische Phased-Arrays bereits tausende von Komponenten, wie Laser, Wellenleiter, Strahlteiler, Beugungsgitter, Phasenschieber, Amplitudenregler etc., und können mit gängigen Chipfertigungsverfahren hergestellt werden. Es bestehen jedoch noch einige technische Herausforderungen im Hinblick auf die Herstellung praktisch nutzbarer Lidar-Chips.

So wird beispielsweise das Erreichen derart geringer Emitter-Abstände dadurch erschwert, dass in einem dichtgepackten hochintegrierten photonischen Schaltkreis Licht aus einem Wellenleiter in benachbarte Wellenleiter einkoppeln und sich dadurch störend auswirken kann (optisches Übersprechen). Ähnliches gilt für die verbreitet eingesetzten Phasenschieber in Form mikroskopischer elektrischer Heizelemente, mit denen man den Brechungsindex der Wellenleiter verändern und somit Phasenverschiebungen zwischen unterschiedlichen Emittern bewirken kann. Hier kann es in den dichtgepackten photonischen Schaltkreisen zusätzlich zu einem thermischen Übersprechen kommen.

Um auch in größerer Entfernung eine ausreichende Auflösung erzielen zu können, muss der ausgesendete Laserstrahl eines OPA-basierten Lidar-Chips entsprechend gebündelt sein. Dies kann prinzipbedingt nur durch eine ausreichend große Anzahl an Emittern erreicht werden. So sollte beispielsweise für eine Anwendung im Bereich des autonomen Fahrens die Strahlöffnung weniger als 0,1 Grad betragen, um Objekte noch in 200 m Entfernung identifizieren zu können, wofür Arrays mit mehr als 700 Emittern benötigt werden. Eine Skalierung der demonstrierten Ansätze hin zu derart großen Arrays wird durch unterschiedliche Aspekte erschwert. So steigt mit der Anzahl an Emittern entsprechend auch die Anzahl an Phasenschiebern und weiteren Komponenten, die wiederum mit elektrischen Leiterbahnen kontaktiert werden müssen und komplexere Steuerungselektroniken benötigen.

Prinzipiell erscheinen die Herausforderungen bei der Entwicklung von OPA-basierten Lidar-Chips Fachleuten als lösbar. Bis zu einem marktreifen entsprechenden Lidar-System, das die Anforderungen für autonome Fahrzeuge voll erfüllt, sind jedoch noch Entwicklungsarbeiten in größerem Umfang erforderlich, die schätzungsweise noch 5 bis 15 Jahre in Anspruch nehmen könnten.

Dr. David Offenberg

 

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