DE102021130773A1

DE102021130773A1 - Optoelektronisches bauelement, lidar-modul und verfahren zum betrieb eines lidar-moduls

Info

Publication number: DE102021130773A1
Application number: DE102021130773.2A
Authority: DE
Inventors: Simon Lankes; Hubert Halbritter; Reiner Windisch
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2023-05-25
Also published as: WO2023094378A1; CN118176434A; DE112022003403A5

Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement (1) für ein LiDAR Modul (2), umfasst einen Träger (12), eine Laserlichtquelle (10) und ein Detektorelement (11). Die Laserlichtquelle (10) ist zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet. Das Detektorelement (11) ist zur kohärenten Detektion eingehender elektromagnetischer Strahlung mit der Wellenlänge L1 in Abhängigkeit eines lokalen Oszillatorsignals eingerichtet. Die Laserlichtquelle und das Detektorelement sind auf unterschiedlichen Seiten des Trägers so einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass im Betrieb von Laserlichtquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung über eine erste Hauptfläche durch den Träger als das lokale Oszillatorsignal in das Detektorelement eingekoppelt wird und über eine zweite Hauptfläche ausgekoppelt wird.

Description

Die folgende Beschreibung betrifft ein optoelektronisches Bauelement für ein LiDAR-Modul, ein LiDAR-System und ein Verfahren zum Betrieb eines LiDAR- Moduls.
Einleitung
Optische Bauelemente und optische Sensoren finden eine Vielzahl von Anwendungen im Consumerbereich oder auch Automotivebereich. Light Detection and Ranging (kurz LiDAR) ist beispielsweise eine Schlüsseltechnologie für mobile Endgeräte, wie Mobiltelefone, Computer, Tablets, und findet zudem vermehrt Einsatz in Robotern und Fahrzeugen, wie etwa autonome Fahrzeuge. Heutige LiDAR-Systeme senden typischerweise kurze Lichtimpulse mit einer festen Frequenz aus. Die Position von Objekten können aus einer Messung bestimmt werden, die bestimmt, wie lange es dauert, bis diese Laserpulse von Oberflächen reflektiert oder gestreut werden und zum Sensor zurückkehren. Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto länger dauert es, bis das Licht zurückkehrt.
Moderne LiDAR-Systeme können auch einen konstanten Lichtstrom aus („Dauerstrich“, englisch: continuous wave, cw) verwenden und die Frequenz dieses Lichts in regelmäßigen Abständen ändern („frequenzmoduliert“, englisch frequency modulated, fm). Solche FMCW LiDAR-Systeme (englisch: Frequency Modulated Continuous Wave LiDAR) können sowohl den Standort von Objekten bestimmen und als auch durch den Doppler - Effekt die Geschwindigkeit messen.
FMCW LiDAR-Systeme verwenden in konventioneller Konfiguration eine gleichläufige Überlagerung von einem lokalen Oszillator mit einem Empfangssignal. Dadurch sind ein komplexer Aufbau, entweder zwei Optiken für Sender und Empfänger nötig, oder ein optischer Zirkulator erforderlich. Alternativ können lokaler Oszillator (bzw. lokales Oszillaorsignal) und Empfangssignal gegenläufig überlagert werden. Das ermöglicht eine einfachere Geometrie und damit eventuell die Realisierung von FMCW-Arrays.
Generell bedarf die kohärente Überlagerung von lokalem Oszillator und Empfangssignal auf einen Detektor genauer Justage. Zudem muss die Mischung des zurückgestreuten Empfangssignal mit dem lokalen Oszillator mit ausreichendem Überlapp der Wellenfronten geschehen. Dies kann heute bislang nur durch komplexe Wellenleiterstrukturen gewährleistet werden. Dies geht einher mit Koppelverlusten und es werden ein Zirkulator und Isolator benötigt. Anordnungen als Array (wie beispielsweise in Flash-LiDAR Systemen) leiden bei FMCW häufig unter cross-talk zwischen den Pixeln.
Es ist Aufgabe der vorgelegten Beschreibung, ein optoelektronisches Bauelement für ein LiDAR-System und ein LiDAR-System vorzuschlagen, das eine kompaktere Bauweise ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche erreicht. Weitere Entwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Zusammenfassung
Dem Folgenden wird zugrunde gelegt, dass jedes in Bezug auf eine beliebige Ausführungsform beschriebene Merkmal allein oder in Kombination mit anderen im Weiteren beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und auch in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen einer beliebigen anderen Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination einer anderen Ausführungsform verwendet werden kann, sofern dies nicht als Alternative beschrieben ist. Darüber hinaus können auch Äquivalente und Modifikationen, die nachstehend nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich des vorgeschlagenen optoelektronischen Bauelements, LiDAR-Systems und Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR- Moduls abzuweichen, die in den begleitenden Ansprüchen definiert sind.
Im Folgenden wird ein verbessertes Konzept auf dem Gebiet optischer Bauelemente für LiDAR-Systeme vorgestellt. Das vorgeschlagene Konzept basiert auf einer Laserlichtquelle und einem Detektorelement, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägers, beispielsweise eines Substrats, angeordnet sind. Als Laserlichtquelle kann ein beispielsweise ein schmalbandiger single-mode VCSEL (von englisch vertical-cavity surface-emitting laser) oder PCSEL (von englisch photonic crystal surface emitting laser) verwendet werden. Ein lokaler Oszillator kann über einen teilweise transparenten Spiegel der Laserlichtquelle durch den Träger in das Detektorelement eingekoppelt werden. So kann beispielsweise eine kohärente Überlagerung gegenläufigen wellen von Empfangssignal und lokalem Oszillator im Detektor realisiert werden. Eine solche 1:1 Beziehung aus Laserlichtquelle und Detektorelement ermöglich in einer Array-anordnung Maßnahmen zur Reduktion von optischem Übersprechen (englisch crosstalk).
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere für ein LiDAR-Modul, einen Träger, eine Laserlichtquelle und ein Detektorelement. Die Laserlichtquelle ist eingerichtet kohärente elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge L1 zu erzeugen. Ferner ist das Detektorelement eingerichtet, eingehende elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge L1 in Abhängigkeit eines lokalen Oszillatorsignals kohärent zu detektieren.
Die Laserlichtquelle und das Detektorelement sind auf unterschiedlichen Seiten des Trägers so zueinander und gegenüberliegend angeordnet, dass im Betrieb von der Laserlichtquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung über eine erste Hauptfläche der Laserlichtquelle durch den Träger in das Detektorelement eingekoppelt wird und über eine zweite Hauptfläche ausgekoppelt wird. Das über die erste Hauptfläche emittierte Licht dient als das lokale Oszillatorsignal. Das über die zweite Hauptfläche emittierte Licht dient als Sendesignal.
Die von der Laserlichtquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung, oder Laserlicht, entsteht durch stimulierte Emission und weist im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission erzeugt wird, in der Regel eine sehr hohe Kohärenzlänge, eine sehr schmale spektrale Linienbreite und/oder einen hohen Polarisationsgrad auf. Bevorzugt ist die Kohärenzlänge der Laserlichtquelle größer als ein doppelter maximaler Abstand zwischen dem optoelektronischen Bauelement, beispielsweise verbaut in einem LiDAR-Modul, und einem externen Objekt, der noch detektierbar sein soll. Die Laserlichtquelle umfasst beispielsweise einen Halbleiterlaser, insbesondere eine oberflächenemittierende Laserdiode, eine kantenemittierende Laserdiode, einen Faserlaser, einen faserverstärkten Laser, einen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser), oder beliebige Varianten davon.
Die Laserlichtquelle und das Detektorelement sind auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers, beispielsweise eines Substrats, in Bezug auf eine Flächennormale des Trägers angeordnet oder in den Träger integriert. Die Laserlichtquelle und das Detektorelement sind beispielsweise mit einer Achse, die parallel zur Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge verläuft, senkrecht auf dem Träger angeordnet.
Beispielsweise sind eine oder mehrere aktive Bereiche des Detektorelements auf die erste Hauptfläche der Laserlichtquelle ausgerichtet.
Der Träger kann beispielsweise ein Wachstumssubstrat umfassen oder aus einem Wachstumssubstrat gebildet sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen ist. Alternativ ist der Träger kein Wachstumssubstrat. Zum Beispiel umfasst der Träger Galliumarsenid, Silizium, oder Saphir oder besteht aus Galliumarsenid, Silizium, oder Saphir. Insbesondere ist der Träger transparent für elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge L1, die von den zumindest zwei aktiven Schichten, beispielsweise einer Halbleiterschichtenfolge, zumindest teilweise absorbiert wird. Transparent bedeutet hier und im Folgenden, dass zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, der auf den Träger einfallenden elektromagnetischen Strahlung mit der Wellenlänge L1 durch den Träger transmittiert wird.
Ein hier beschriebenes optoelektronische Bauelement kann in einem LiDAR-Modul verwendet werden. Insbesondere ist das optoelektronische Bauelement zur differentiellen Detektion von FMCW-LiDAR Signalen geeignet. Dabei werden ein Sendesignal, das insbesondere frequenzmoduliertes Laserlicht mit der Wellenlänge L1 im infraroten Spektralbereich umfasst, und ein Empfangssignal kohärent im Detektorelement überlagert. Das Empfangssignal, oder Reflexionssignal, umfasst dabei das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal. Kohärent überlagert bedeutet hier und im Folgenden, dass das Sendesignal über eine erste Seite, beispielsweise mittels der ersten Hauptfläche der Laserlichtquelle, in das Detektorelement eingekoppelt wird, während das Empfangssignal über eine die zweite Seite nach Emission mittels der zweiten Hauptfläche der Laserlichtquelle und Reflexion bzw. Streuung an einem externen Objekt, in das Detektorelement eingekoppelt wird, oder umgekehrt. Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Element sind Detektorelement und Laserlichtquelle auf dem Träger zu einander ausgerichtet. So kann eine Strahlführungsoptik für das Sendesignal und das Empfangssignal verwendet werden. Insbesondere ist das Detektorelement mit gegenläufiger Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals eingerichtet, so dass die Strahlführungsoptik mit je einer einzelnen Optik für den Sender und den Empfänger verwendet werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist das Detektorelement eingerichtet, die eingehende elektromagnetische Strahlung als Empfangssignal und das lokale Oszillatorsignal gegenläufig in einen aktiven Bereich einzukoppeln und kohärent zu überlagern. Der aktive Bereich kann eine oder mehrere aktive Schichten einer Halbleiterschichtenfolge umfassen. Ein aktiver Bereich kann mehrere Halbleiterschichten, auch mehrere Quantentopfstrukturen umfassen.
Durch die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals bildet sich im Detektorelement zum Beispiel eine stehende elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge L1/n aus, wobei n einen mittleren Brechungsindex des Detektorelements, beispielsweise eines Halbleitermaterials einer Halbleiterschichtenfolge im Detektorelement, bezeichnet. Beispielsweise ist bei gegenläufiger Überlagerung von zwei linear polarisierten, ebenen elektromagnetischen Wellen des Sendesignals und des Empfangssignals mit elektrischen Feldstärken der Form E_1,2 = E_1,2 e^{i(k1,2x-ω1,2t)}, wobei E_1,2 Amplituden, ω_1,2 Frequenzen, x eine Ausbreitungsrichtung und t eine Zeit bezeichnet, und für die Wellenzahlen k_1,2 der gegenläufigen Wellen $k_{1} = - k_{2} = k = \frac{2 π n}{L1}$
gilt, eine Intensität eines elektrischen Feldes im Detektorelement gegeben durch: ${| E_{1} + E_{2} |}^{2} = E_{1}^{2} + E_{2}^{2} + 2 E_{1} E_{2} cos (2 kx - (ω_{1} - ω_{2}) t) .$
Insbesondere ist eine Phase der stehenden Welle proportional zu einer Differenzfrequenz ω₁ - ω₂.
Bei einer Abstandsmessung mittels FMCW-LiDAR wird eine Frequenz ω₁ des Sendesignals linear als Funktion der Zeit erhöht oder erniedrigt. Die Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals im Detektorelement führt zu einer Schwebung, wobei die Differenzfrequenz ω₁ - ω₂ zwischen der Frequenz ω₁ des Sendesignals und der Frequenz ω₂ des Empfangssignals proportional zu einem Abstand zum externen Objekt ist. Das Detektorelement ist dazu eingerichtet, die Differenzfrequenz ω₁ - ω₂ zwischen Sendesignal und Empfangssignal zu messen. Besonders vorteilhaft erfolgt die Detektion differentiell, wobei ein störender, zeitlich unabhängiger Anteil $E_{1}^{2} + E_{2}^{2}$
der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert wird.
LiDAR-Detektoren mit gleichläufiger Überlagerung des Sendesignals und des Empfangssignals benötigen insbesondere einen optischen Zirkulator oder getrennte Optiken für einen Sender und einen Empfänger. Ein optischer Zirkulator ist für das vorgeschlagene optoelektronische Bauelement nicht notwendig. Dadurch vereinfacht sich ein Aufbau eines LiDAR-Moduls.
Des Weiteren verbessert die differentielle Detektion der Differenzfrequenz ein Signal-zu-Rausch Verhältnis. Insbesondere werden störende Intensitätsschwankungen eliminiert, die bei der Frequenzmodulation des Sendesignals entstehen können. Mit dem hier beschriebenen optoelektronischen Element ist insbesondere eine differenzielle Detektion mit einem einzelnen Halbleiterbauteil möglich. Somit müssen nicht zwei separate Photodetektoren und eine Laserlichtquelle angeordnet und justiert werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektorelement eine Photodiode und/oder eine symmetrische Photodiode (englisch balanced photodiode).
Beispielsweise kann ohne differentielle Detektion eine Photodiode verwendet werden, wobei die Dicke der absorbierenden Schicht nicht genau einem Vielfachen der halben Lichtwellenlänge im Detektormaterial entsprechen sollten, da das Signal in diesem Fall von der Phasenlage unabhängig wäre und nicht zeitlich variieren würde. Alternativ kann ein Paar an differentiellen Detektoren verwendet werden, die so gestaltet sein können, dass der eine Detektor in der quasi-stehenden Welle möglichst genau gegenphasig zum anderen Detektor ausgerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Detektorelement eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest zwei aktiven Schichten auf.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform sind die zumindest zwei aktiven Schichten zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit der Wellenlänge L1 eingerichtet. Bevorzugt liegt die Wellenlänge L1 der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im infraroten Spektralbereich, beispielsweise zwischen einschließlich 800 Nanometer und einschließlich 1800 Nanometer.
Differentielle Detektion kann beispielsweise in einer Photodiode und in einer symmetrischen Photodiode durch Bestimmung der Intensität des elektrischen Feldes im Detektorelement erfolgen. Insbesondere kann an zwei unterschiedlichen Orten, die beispielsweise in einem Abstand von einem Viertel der Wellenlänge, also L1/(4*n), jeweils ein Detektorelement angeordnet sein. Insbesondere sind von den aktiven Schichten erzeugte Photoströme proportional zur Intensität des elektrischen Feldes. Durch Subtraktion der Photoströme der beiden aktiven Schichten im Abstand L1/(4*n), wobei der Abstand auch um Vielfache der halben Wellenlänge L1/(2*n) größer sein kann, wird der zeitlich unabhängige Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert, während der mit der Differenzfrequenz zeitlich oszillierende Anteil addiert wird. Ein Messsignal, welches durch Subtraktion der beiden Photoströme der zwei aktiven Schichten entsteht, weist somit eine zeitliche Oszillation mit der Differenzfrequenz ω₁ - ω₂ auf.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche auf, die jeweils zur Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung und zur Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere mit der Wellenlänge L1, eingerichtet sind.
Die erste Hauptfläche oder die zweite Hauptfläche der symmetrischen Photodiode liegen der ersten oder der zweiten Hauptfläche der Laserlichtquelle so gegenüber, dass von der Laserlichtquelle erzeugte elektromagnetische Strahlung, insbesondere mit der Wellenlänge L1, in die symmetrische Photodiode eingekoppelt werden kann.
Hier und im Folgenden sind Hauptflächen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge normal zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Mit anderen Worten sind Hauptflächen der Halbleiterschichtenfolge parallel zur Haupterstreckungsebene von Halbleiterschichten der Halbleiterschichtenfolge ausgerichtet. Die Hauptflächen begrenzen die Halbleiterschichtenfolge. Epitaktische Halbleiterschichten sind insbesondere zwischen den beiden Hauptflächen angeordnet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform ist die epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf dem Träger angeordnet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist das Detektorelement zumindest drei elektrische Anschlusskontakte auf, die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt zwischen zwei aktiven Schichten angeordnet ist.
Beispielsweise umfasst die epitaktische Halbleiterschichtenfolge genau zwei aktive Schichten und genau drei elektrische Anschlusskontakte, wobei jeweils ein elektrischer Anschlusskontakt auf einer der beiden Hauptflächen der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge angeordnet ist, während ein dritter elektrischer Anschlusskontakt zwischen den zwei aktiven Schichten angeordnet ist. Somit können die zwei aktiven Schichten unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Detektorelement:

- eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge mit zumindest zwei aktiven Schichten, die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche aufweist, die jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, und
- zumindest drei elektrische Anschlusskontakte, die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt zwischen zwei aktiven Schichten angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist jede aktive Schicht zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und zumindest ein n-dotierte Halbleiterschicht auf, die eine Photodiode bilden. Die Photodiode ist insbesondere zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in einen elektrischen Photostrom eingerichtet.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements weist zumindest eine aktive Schicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur auf.
Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst hier und im Folgenden insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss („confinement“) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit u.a. Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements sind zwei aktive Schichten, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, als Photodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung ausgebildet.
Die beiden Photodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung des Detektorelements sind beispielsweise Teil einer Differenzverstärkerschaltung, die nur den räumlich oszillierenden Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle innerhalb des Detektorelements misst. Dadurch kann insbesondere der störende Gleichanteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert werden. Dadurch verringert sich beispielsweise ein Rauschen in der Intensität bei der Überlagerung des Sendesignals mit dem Empfangssignal, wodurch ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erzielt werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Detektorelements sind die zwei aktiven Schichten, zwischen denen ein elektrischer Anschlusskontakt angeordnet ist, als Photodioden mit gleicher Durchlassrichtung ausgebildet, wobei zwischen den aktiven Schichten eine Tunneldiode angeordnet ist.
Die zwei Photodioden mit gleicher Durchlassrichtung des Detektorelements sind beispielsweise Teil einer elektrischen Schaltung eines symmetrischen Photodetektors. Damit können kleine Unterschiede in den Photoströmen der beiden Photodioden mit Hilfe eines Transimpedanzverstärkers genau gemessen werden. Insbesondere ist ein Ausgangssignal eines symmetrischen Photodetektors proportional zur Differenz der Photoströme der beiden Photodioden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle eine oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge.
Beispielsweise umfasst die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge zwei dielektrische Spiegel, zwischen denen eine aktive Schicht zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung angeordnet ist. Die dielektrischen Spiegel umfassen beispielsweise eine Folge von dielektrischen Schichten, die einen Bragg-Spiegel bilden. Die Spiegel können beispielsweise zumindest teilweise für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig sein. Das von der aktiven Schicht erzeugte Sendesignal kann über die erste Hauptfläche der Laserlichtquelle in das Detektorelement eingekoppelt und über die zweite Hauptfläche der Laserlichtquelle ausgekoppelt werden. Zumindest einer der Spiegel kann ein externer Spiegel sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge als VCSEL (von englisch vertical-cavity surface-emitting laser) und/oder als PCSEL (von englisch photonic crystal surface emitting laser) ausgestaltet. Diese Ausführungen eignen sich besonders für die Anordnung auf dem Träger, weil ihre Halbleiterschichtenfolgen geeignete Abstrahlrichtungen zum Träger bzw. dem Detektorelement hin erlauben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das optoelektronische Bauelement eine Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen auf dem Träger in Paaren einander gegenüberliegend auf dem Träger angeordnet sind. Beispielsweise sind die Paare entlang des Trägers angeordnet, d.h. paarweise gegenüber. Ferner können die Paare untereinander und/oder mit weiteren Komponenten des optoelektronischen Bauelement elektrisch durch den Träger verbunden sein. Beispielsweise können weitere Komponenten auf dem Träger angeordnet oder in diesen integriert sein. Solche Komponenten sind beispielsweise Treiberschaltungen, die die Laserlichtquellen betreiben, beispielsweise, um eine frequenzmodulierte Erzeugung elektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen. Weitere Komponenten sind beispielsweise Mikrokontroller und analoge oder digitale Schaltkreise.
Sämtliche für das Detektorelement und die Laserlichtquelle offenbarten Merkmale sind auch für die Paare der Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen offenbart, und umgekehrt.
Durch die Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen auf dem Träger können diese in einem LiDAR-Modul mit einer gemeinsamen Strahlführungsoptik versehen und so besonders kompakt angeordnet werden. Die paarweise Beziehung aus Laserlichtquellen und Detektorelementen ermöglicht eine Array-Anordnung und Maßnahmen zur Reduktion von Crosstalk.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform sind Laserlichtquellen und Detektorelementen der Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen jeweils paarweise für die Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge eingerichtet. Wenigstens ein anderes Paar für die Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Strahlung mit einer anderen Wellenlänge eingerichtet ist. Mit anderen Worten können Paare gegenüber anderen Paare in der Wellenlänge verstimmt werden. Strahlung anderer Wellenlänge kann nicht kohärent detektiert werden, so dass ein optisches Übersprechen weiter reduziert werden kann.
Es wird weiterhin ein LiDAR Modul angegeben. Sämtliche für das Detektorelement offenbarten Merkmale sind auch für das LiDAR Modul offenbart, und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein LiDAR-Modul zumindest ein optoelektronisches Element gemäß einem oder mehrerer der oben diskutierten Aspekte. Eine Strahlführungsoptik ist eingerichtet zum Lenken eines Sendesignals zu einem externen Objekt und zum Lenken eines Empfangssignals zu einem Detektorelement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist bei dem LiDAR Modul eine Vielzahl von Detektorelementen und Lichtquellen auf dem Träger, insbesondere transparenten Träger, angeordnet, die ein eindimensionales oder zweidimensionales Detektorarray bilden.
Durch Anordnung einer Vielzahl von Detektorelementen in einem ein- oder zweidimensionalen Detektorarray, kann in Verbindung mit der Strahlführungsoptik insbesondere eine Richtung des Empfangssignals bestimmt werden. Somit eignet sich ein hier beschriebenes LiDAR Modul mit einem Detektorarray zur gleichzeitigen Entfernungsbestimmung und Richtungsbestimmung eines externen Objekts. Des Weiteren kann eine radiale Geschwindigkeit des externen Objekts über eine Dopplerverschiebung der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal bestimmt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist wenigstens eine Laserlichtquelle einen Auskoppelkeil auf. Zusätzlich, oder alternativ weist wenigstens ein Detektorelement einen Einkoppelkeil auf. Mit den Keilen kann eine odere mehrere der Hauptflächen der Laserlichtquelle und/oder des Detektorelements geneigt werden, beispielsweise gegenüber einer Achse parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten. Die Keile haben optische Eigenschaften und können durch Refraktion das Sendesignal und/oder Empfangssignal lenken. In diesem Sinne können die Keile die Strahlführungsoptik unterstützen. Die Strahlführungsoptik kann beispielsweise kleiner und das LiDAR-Modul so kompakter gestaltet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Strahlführungsoptik einen Spiegel, ein Prisma und/oder eine Linse auf.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines LiDAR Moduls angegeben. Alle Merkmale des LiDAR Moduls sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines LiDAR Moduls offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betrieb eines LiDAR Moduls das Aussenden eines Sendesignals, wobei das Sendesignal eine von der Laserlichtquelle erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst, die zum einen den Träger durchläuft und als lokaler Oszillator in das Detektorelement eingekoppelt wird. Zum anderen wird das Sendesignal aus der Laserlichtquelle ausgekoppelt und auf ein externes Objekt gelenkt, wo es anschließend von dem externen Objekt zumindest teilweise reflektiert wird. Das reflektierte Sendesignal kann als Empfangssignal vom LiDAR Modul umgelenkt und in das Detektorelement eingekoppelt werden. Im Detektorelement kann das Empfangssignal als eingehende elektromagnetische Strahlung kohärent in Abhängigkeit des lokalen Oszillatorsignals detektiert werden.
Insbesondere entspricht das LiDAR Modul zumindest einer der hier beschriebenen Ausführungsformen.
Das von der Laserlichtquelle erzeugte Sendesignal wird somit bevorzugt über die erste Hauptfläche in das Detektorelement des LiDAR Moduls eingekoppelt und über die zweite Hauptfläche der Laserlichtquelle ausgekoppelt. Ein Teil des Sendesignals durchläuft das Detektorelement als lokaler Oszillator.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR Moduls wird ein Empfangssignal empfangen, welches das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal umfasst. Dabei wird das Empfangssignal über die zweite Hauptfläche in das Detektorelement eingekoppelt und dort mit dem gegenläufigen Sendesignal als lokaler Oszillator überlagert, wobei sich eine stehende elektromagnetische Welle bildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR Moduls erfolgt eine differenzielle Messung einer Schwebungsfrequenz der stehenden Welle durch Messung der Photoströme der aktiven Schichten mit einem Differenzverstärker.
Ein Differenzverstärker eignet sich insbesondere zur differentiellen Messung der Photoströme eines Detektorelements, in welchem die aktiven Schichten zwei Photodioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung bilden. Bei einem Differenzverstärker ist die Verstärkung der Photoströme der beiden Photodioden separat einstellbar. Dadurch kann insbesondere ein systematischer Intensitätsunterschied des elektromagnetischen Feldes in den zwei Photodioden ausgeglichen werden.
Alternativ kann ein Transimpedanzverstärker zur symmetrischen Photodetektion mit einem Detektorelement verwendet werden, in dem die aktiven Schichten zwei Photodioden mit gleicher Durchlassrichtung bilden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR Moduls erfolgt eine Bestimmung eines Abstandes zum externen Objekt aus der gemessenen Schwebungsfrequenz.
Bei Dauerstrich-LiDAR Systemen wird eine Frequenz des Sendesignals beispielsweise periodisch linear als Funktion der Zeit erhöht und/oder verringert. Die Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal zum Zeitpunkt der Detektion des Empfangssignals ist somit proportional zu einer Laufzeit des Sendesignals zwischen dem Aussenden und dem Empfang des zumindest teilweise von einem externen Objekt reflektierten Sendesignals. Aus der Laufzeit kann der Abstand zum externen Objekt ermittelt werden. Die Differenzfrequenz kann beispielsweise über eine schnelle Fourier-Transformation des Ausgangssignals des Differenzverstärkers bestimmt werden. Des Weiteren kann eine Dopplerverschiebung der Frequenz des Empfangssignals zur Bestimmung einer radialen Geschwindigkeit des externen Objekts verwendet werden.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines LiDAR Moduls wird ein systematischer Intensitätsunterschied der elektromagnetischen Strahlungen in den aktiven Schichten durch einen dynamischen Schaltkreis kompensiert.
Sowohl das Sendesignal als auch das Empfangssignal wird beim Durchlaufen des Detektorelements zumindest teilweise absorbiert. Eine Gesamtintensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb des Detektorelements wird dabei insbesondere durch das stärkere Sendesignal dominiert. Somit nimmt die Gesamtintensität des elektromagnetischen Feldes im Detektorelement in Durchlaufrichtung des Sendesignals ab. Bei gleicher Dicke der aktiven Schichten im Detektorelement ergibt sich dadurch ein systematischer Unterschied in den von den aktiven Schichten erzeugten Photoströmen. Dieser systematische Unterschied kann insbesondere durch einen dynamischen Schaltkreis kompensiert werden. Beispielsweise kann die Verstärkung der einzelnen Photoströme in einer Differenzverstärkerschaltung separat eingestellt werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sowie Weiterbildungen der vorgestellten Beschreibung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit Figuren beschriebenen Ausführungsformen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1 bis 5 beispielhafte Ausführungsformen von LiDAR-Modulen mit optoelektronischen Bauelementen.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines LiDAR-Moduls mit einem optoelektronischen Bauelement. Das LiDAR-Modul 2 umfasst ein optoelektronisches Bauelement 1 und eine Strahlführungsoptik 3.
Das optoelektronische Bauelement 1 umfasst ferner eine Laserlichtquelle 10 und ein Detektorelement 11. Die Laserlichtquelle und das Detektorelement sind auf einem gemeinsamen Träger 12 einander gegenüber und auf gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet oder in diesen integriert. Der Träger 12 ist insbesondere ein Wachstumssubstrat, das beispielsweise aus InP oder GaAs besteht. Die Laserlichtquelle umfasst in diesem Beispiel eine oberflächenemittierende Laserdiode, etwa einen VCSEL oder einen PCSEL. Das Detektorelement kann beispielsweise als eine Photodiode oder als eine symmetrische Photodiode ausgeführt sein.
Die Laserlichtquelle 10 weist eine oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge 13 auf. Die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge umfasst eine aktive Schicht 14 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge L1, beispielsweise von 1550 Nanometer oder 900 Nanometer. Diese aktive Schicht 14 ist zwischen zwei dielektrischen Spiegeln 15, 16 angeordnet, die einen optischen Resonator bilden. Die dielektrischen Spiegel 15 weisen eine Vielzahl dielektrischer Schichten mit alternierenden Brechungsindizes auf, die einen Bragg Reflektor bilden. Dabei ist ein erster dielektrischer Spiegel 15 auf dem Träger 12 angeordnet und zumindest teilweise für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig. Der erste dielektrische Spiegel 15 umfasst eine erste Hauptfläche 17 der Laserlichtquelle. Der zweite dielektrische Spiegel 16 ist nicht auf dem Träger 12 angeordnet bzw. von diesem beabstandet. Der zweite dielektrische Spiegel 16 ist zumindest teilweise für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung durchlässig. Der zweite dielektrische Spiegel 16 umfasst eine zweite Hauptfläche 18 der Laserlichtquelle.
Alternativ kann der zweite dielektrische Spiegel 16 als externer Spiegel ausgeführt sein, der nicht in die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge integriert ist. Mit dem externen Spiegel kann beispielsweise die spektrale Linienbreite der Laserlichtquelle reduziert und/oder die Kohärenzlänge der Laserlichtquelle vergrößert werden.
Das Detektorelement 11 umfasst eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge 19, die epitaktisch auf dem Träger 12 aufgewachsen ist. Dabei liegt die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 19 der oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge 13 gegenüber. Das Detektorelement 11 und die Laserlichtquelle 10 können mit dem Träger und den Halbleiterschichtenfolgen 13, 19 einen monolithischen Halbleiterschichtenstapel bilden. Alternativ können das Detektorelement 11 und/oder die Laserlichtquelle 10 auf dem Träger montiert sein.
Das Detektorelement 11 weist eine erste und eine zweite Hauptfläche 20, 21 auf. Das Detektorelement 11 ist mit der ersten Hauptfläche 20 auf dem Träger 12 angeordnet. Die zweite Hauptfläche 21 ist nicht auf dem Träger 12 angeordnet bzw. von diesem beabstandet. Die ersten Hauptflächen 17, 20 sind in Bezug auf den Träger 12 einander direkt gegenüberliegend.
Die Strahlführungsoptik 3 umfasst eine Auskoppeloptik 30 und eine Einkoppeloptik 31. Die Strahlführungsoptik ist beispielsweise in ein Gehäuse eingebaut oder ein Teil von einem Gehäuse, etwa eine Gehäusewand. Die Strahlführungsoptik umfasst beispielsweise Spiegel, Linsen und/oder Prismen oder eine Kombination aus diesen Elementen, um elektromagnetische Strahlung, beispielsweise ein Sendesignal SS und ein Empfangssignal ES optisch zu lenken. Die Auskoppeloptik 30 koppelt das Sendesignal aus, indem das Sendesignal in Richtung auf ein externes Objekt gelenkt wird. Die Einkoppeloptik 31 koppelt das Empfangssignal ein, indem das Empfangssignal in auf das Detektorelement gelenkt wird.
In diesem Beispiel ist die Strahlführungsoptik 3 bzw. sind die Auskoppeloptik 30 und eine Einkoppeloptik 31 als Spiegel implementiert, die gegenüber dem Träger 12 jeweils einen Winkel von im Wesentlichen 45 Grad bilden. Auf diese Weise wird das Sendesignal im Wesentlichen mit einem Winkel von 90 Grad gegenüber der Laserlichtquelle 10 (beispielsweise definiert durch eine Achse, die parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge der Laserlichtquelle verläuft) ausgekoppelt. Ferner kann das Empfangssignal mit einem Winkel von 90 Grad gegenüber dem Detektorelement 11 (beispielsweise definiert durch eine Achse, die parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge des Detektorelements verläuft) eingekoppelt werden. Andere Winkel können ebenfalls implementiert werden.
Im Betrieb des LiDAR-Moduls wird durch die Laserlichtquelle das Sendesignal SS erzeugt, das insbesondere frequenzmoduliertes Laserlicht mit der Wellenlänge L1 im infraroten Spektralbereich umfasst. Das Sendesignal wird von der aktiven Schicht 14 erzeugt und beispielsweise durch eine Treiberschaltung mit einer Frequenzmodulation versehen. Das so erzeugte Sendesignal wird über zwei Pfade ausgekoppelt.
Zum einen wird das Sendesignal durch den ersten dielektrischen Spiegel 15 bzw. die erste Hauptfläche 17 der Laserlichtquelle zunächst in den Träger 12 eingekoppelt. Das Sendesignal durchquert den Träger und wird so durch die erste Hauptfläche des Detektorelements 11 in dieses eingekoppelt. Dort steht das Sendesignal als lokaler Oszillator LO bereit.
Zum anderen wird das Sendesignal SS durch den zweiten dielektrischen Spiegel 16 bzw. die zweite Hauptfläche 18 aus der Laserlichtquelle 10 ausgekoppelt. Die Auskoppeloptik 30 lenkt das Sendesignal in Richtung eines externen Objekts (nicht gezeigt). Das Sendesignal wird dann am externen Objekt reflektiert oder gestreut und kann als Reflexionssignal zum LiDAR-Modul 2 zurückkehren. Dort sammelt die Einkoppeloptik 31 das Reflexionssignal ein und lenkt es als Empfangssignal ES in Richtung des Detektorelements 10, wo das Empfangssignal über die zweite Hauptfläche 21 des Detektorelements eingekoppelt wird. Im Detektorelement bzw. der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 19 wird das Empfangssignal mit dem Sendesignal als lokaler Oszillator LO gegenläufig überlagert. Die Detektion erfolgt beispielsweise differentiell mit einer Schwebungsfrequenz, die ein Maß für den Abstand des LiDAR-Moduls zum externen Objekt darstellt.
2 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines LiDAR-Moduls mit einem optoelektronischen Bauelement. Dieses Beispiel entspricht im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Aufbau. Angedeutet sind zwei alternative Implementierungen des Detektorelements. Zum einen kann eine reguläre Photodiode verwendet werden, was einen hohen DC Anteil erlaubt. Dazu ist beispielsweise die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 19 als Photodiode ausgestaltet.
Als Alternative ist eine symmetrische Photodiode dargestellt (siehe Ausschnitt rechts), die eine Halbleiterschichtenfolge mit zwei aktiven Schichten 22, 23 umfasst, die einen mittleren Abstand A1 aufweisen und zur Absorption elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge L1 eingerichtet sind. Der mittlere Abstand A1 beträgt Ll/(4*n), wobei n der mittlere Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge für elektromagnetische Strahlung der Wellenlänge L1 ist. Mit anderen Worten beträgt der mittlere Abstand A1 ein Viertel der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements. Alternativ kann der Abstand A1 auch um ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge im Medium L1/(2*n) größer sein, also beispielsweise 3/4, 5/4, 7/4 der Wellenlänge der zu absorbierenden elektromagnetischen Strahlung im Medium des Detektorelements betragen.
Die Halbleiterschichtenfolge ist so strukturiert, dass auch ein Bereich zwischen den beiden aktiven Schichten 22, 23 elektrisch kontaktiert ist. Insbesondere weist das Detektorelement drei elektrische Anschlusskontakte auf, wobei ein Anschlusskontakt zwischen den beiden aktiven Schichten angeordnet ist (nicht gezeigt).
Elektromagnetische Strahlung des Sendesignals SS wird über die erste Hauptfläche 17 durch den Träger 12 in die epitaktische Halbleiterschichtenfolge 19 als lokaler Oszillator LO eingekoppelt. Das Empfangssignal ES, welches das zumindest teilweise von einem externen Objekt reflektierte Sendesignal SS umfasst, wird über die zweite Hauptfläche 21 der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge 19 in das Detektorelement 11 eingekoppelt.
Durch die gegenläufige Überlagerung des Sendesignals SS (als lokaler Oszillator) und des Empfangssignals ES im Detektorelement bildet sich eine stehende elektromagnetische Welle, deren Schwebungsfrequenz der Differenzfrequenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal entspricht. Durch die oben beschriebene Wahl des Abstandes A1 befindet sich die erste aktive Schicht 22 zu einem gegebenen Zeitpunkt beispielsweise an einem Knoten, also an einem Punkt verschwindender Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle, während sich die zweite aktive Schicht 23 an einem Bauch, also an einem Punkt maximaler Intensität der stehenden elektromagnetischen Welle befindet. Durch eine differentielle Messung, bei der die Photoströme der beiden aktiven Schichten 22, 23 subtrahiert werden, kann somit ein störender, zeitunabhängiger Anteil der stehenden elektromagnetischen Welle eliminiert werden.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines LiDAR-Moduls mit einem optoelektronischen Bauelement. Eine Vielzahl von Laserlichtquellen 10 und Detektorelementen 11 gemäß den Ausführungsbeispielen der 1 und/oder 2 kann auch als eindimensionales Array oder als zweidimensionales Array angeordnet sein. Beispielsweise sind die Paare entlang des Trägers 12 angeordnet, d.h. paarweise gegenüber. Für ein zweidimensionales Array können die Paare auch senkrecht zu der gezeigten eindimensionalen Anordnung angeordnet sein.
Ferner können die Paare untereinander und/oder mit weiteren Komponenten des optoelektronischen Bauelement elektrisch durch den Träger verbunden sein. Beispielsweise können weitere Komponenten auf dem Träger 12 angeordnet oder in diesen integriert sein. Solche Komponenten sind beispielsweise Treiberschaltungen, die die Laserlichtquellen betreiben, beispielsweise, um eine frequenzmodulierte Erzeugung elektromagnetischer Strahlung zu ermöglichen. Weitere Komponenten sind beispielsweise Mikrokontroller und analoge oder digitale Schaltkreise.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines LiDAR-Moduls mit einem optoelektronischen Bauelement. Die Möglichkeit, eine Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen zu Arrays anzuordnen und zu betreiben, kann durch eine gezielte Verstimmung der Wellenlängen der erzeugten Sendesignale ergänzt werden. Beispielhaft sind fünf Paare mit Laserlichtquellen und Detektorelementen dargestellt, die entlang des Trägers angeordnet sind. Jede Laserlichtquelle 10 ist eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge L1, ..., L5 zu erzeugen, die jeweils verstimmt, d.h. verschieden von den Wellenlängen der übrigen Laserlichtquellen ist. Dieses Konzept kann auf eine beliebige Zahl von Laserlichtquellen erweitert werden.
Auf diese Weise werden verstimmte Sendesignale mit den Wellenlängen L1, ..., L5 erzeugt und durch die Auskoppeloptik 30 ausgekoppelt. Die Auskoppeloptik umfasst zudem eine Streulinse, um die Sendesignale gleichmäßig auf das externe Objekt zu lenken. Die Einkoppeloptik 31 ist durch eine Sammellinse ergänzt, um die reflektierten Sendesignal SS zu sammeln und den Detektorelement 11 zuzuführen.
Die Laserlichtquellen 10 und Detektorelemente 11 sind beispielsweise durch ihre jeweiligen Halbleiterschichtenfolgen für die Erzeugung bzw. Detektion von elektromagnetischer Strahlung der Wellenlängen L1, ..., L5 eingerichtet.
Diese Verstimmung der Laserlichtquellen hat den Effekt, dass die Sendesignale bzw. die Empfangssignale untereinander nicht kohärent sind. Kohärente Detektion ist demnach nur für Sendesignale und Empfangssignale möglich, die mit einem gemeinsamen Paar aus Laserlichtquelle und Detektorelement verbunden sind. Dies reduziert optisches Übersprechen.
5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines LiDAR-Moduls mit einem optoelektronischen Bauelement. Dieses Beispiel ist eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel der 4. Hier haben einige oder alle Laserlichtquellen und Detektorelemente einen Auskoppel- bzw. Einkoppelkeil 24, 25. Die Auskoppel- bzw. Einkoppelkeil haben den Effekt, dass sie die Hauptflächen der Laserlichtquellen und Detektorelemente bzw. der Halbleiterschichten sie die Hauptflächen der Laserlichtquellen und/oder Detektorelemente modifizieren. So kann elektromagnetische Strahlung mit einer Richtung abgestrahlt bzw. detektiert werden, die eine Ausbreitungsrichtung mit einem durch den Keil eingestellten Winkel aufweist. Der Winkel ist beispielsweise durch eine Achse parallel zur Wachstumsrichtung definiert.
Durch Auskoppel- bzw. Einkoppelkeile ist eine größere Freiheit im optischen Design der Strahlführungsoptik möglich. Beispielsweise können die Auskoppelkeile 24 so eingestellt werden, dass sich die Sendesignale SS der unterschiedlichen Wellenlängen L1, ..., L5 in einem Fokuspunkt treffen. So kann auf eine zusätzliche Streulinse wie im Beispiel der 4 verzichtet werden. Die Einkoppelkeile können beispielsweise so eingestellt werden, dass sie Einkoppeloptik 31 ergänzen. Die Einkoppeloptik 31 kann beispielsweise kleiner gehalten werden und nur eine kleine Fläche mit dem Empfangssignal der unterschiedlichen Wellenlängen L1, ..., L5 beleuchtet werden.
Die vorstehende Beschreibung erläutert viele Merkmale in konkreten Einzelheiten. Diese sollen nicht als Beschränkungen des Umfangs des verbesserten Konzepts oder dessen, was beansprucht werden kann, ausgelegt werden, sondern vielmehr als beispielhafte Beschreibungen von Merkmalen, die lediglich für bestimmte Ausführungsformen des verbesserten Konzepts spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Beschreibung im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, können auch in Kombination in einer einzigen Ausführungsform realisiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden. Darüber hinaus können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen als zusammen wirkend beschrieben und sogar ursprünglich als solche beansprucht werden, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination herausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
Auch wenn in den Zeichnungen Vorgänge in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, ist dies nicht so zu verstehen, dass diese Vorgänge in der gezeigten Reihenfolge oder in sequenzieller Reihenfolge ausgeführt werden müssen, oder dass alle dargestellten Vorgänge ausgeführt werden müssen, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können abweichende Reihenfolgen oder eine Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.
Es wurde eine Reihe von Implementierungen beschrieben. Nichtsdestotrotz können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne von Geist und Umfang des verbesserten Konzepts abzuweichen. Dementsprechend fallen auch andere Implementierungen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Bauelement
2: LiDAR-Modul
3: Strahlführungsoptik
10: Laserlichtquelle
11: Detektorelement
12: Träger
13: oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge
14: aktive Schicht
15: dielektrischer Spiegel
16: dielektrischer Spiegel
17: Hauptfläche
18: Hauptfläche
19: epitaktische Halbleiterschichtenfolge
20: Hauptfläche
21: Hauptfläche
22: aktive Schicht
23: aktive Schicht
24: Auskoppelkeil
25: Einkoppelkeil
30: Auskoppeloptik
31: Einkoppeloptik
ES: Empfangssignal
LO: lokaler Oszillator
SS: Sendesignal

Claims

Ein optoelektronisches Bauelement (1) für ein LiDAR Modul (2), umfassend einen Träger (12), eine Laserlichtquelle (10) und ein Detektorelement (11), wobei: - die Laserlichtquelle (10) zur Erzeugung kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1 eingerichtet ist, - das Detektorelement (11) zur kohärenten Detektion eingehender elektromagnetischer Strahlung mit der Wellenlänge L1 in Abhängigkeit eines lokalen Oszillatorsignals (LO), - die Laserlichtquelle (10) und das Detektorelement (11) auf unterschiedlichen Seiten des Trägers (12) so einander gegenüberliegend angeordnet sind, dass im Betrieb von Laserlichtquelle (10) erzeugte elektromagnetische Strahlung über eine erste Hauptfläche (17) durch den Träger (12) als das lokale Oszillatorsignal (LO) in das Detektorelement (11) eingekoppelt wird und über eine zweite Hauptfläche (18) ausgekoppelt wird.
Das optoelektronische Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Detektorelement eingerichtet ist, die eingehende elektromagnetische Strahlung als Empfangssignal (LO) und das lokale Oszillatorsignal (LO) gegenläufig in einen aktiven Bereich einzukoppeln und kohärent zu überlagern.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Detektorelement (11) eine Photodiode und/oder eine symmetrische Photodiode, englisch balanced photodiode, umfasst.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die symmetrische Photodiode umfasst: - eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge (19) mit zumindest zwei aktiven Schichten (22, 23), die zur Absorption elektromagnetischer Strahlung mit der Wellenlänge L1 eingerichtet sind, wobei die epitaktische Halbleiterschichtenfolge (19) eine erste Hauptfläche (20) und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche (21) aufweist, die jeweils zur Einkopplung und zur Auskopplung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet sind, und - zumindest drei elektrische Anschlusskontakte, die zur elektrischen Kontaktierung der aktiven Schichten (22, 23) eingerichtet sind, wobei ein elektrischer Anschlusskontakt zwischen zwei aktiven Schichten (22, 23) angeordnet ist.
Das optoelektronische Bauelement, bei dem jede aktive Schicht (22, 23) zumindest eine p-dotierte Halbleiterschicht und zumindest ein n-dotierte Halbleiterschicht aufweist, die eine Photodiode bilden, und/oder bei dem zumindest eine aktive Schicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur aufweist.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Laserlichtquelle (10) eine oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge (13) umfasst.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die oberflächenemittierende Halbleiterschichtenfolge (13) als VCSEL, von englisch vertical-cavity surface-emitting laser, und/oder als PCSEL, von englisch photonic crystal surface emitting laser, ausgestaltet ist.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen (10, 11) auf dem Träger (12) in Paaren einander gegenüberliegend auf dem Träger (12) angeordnet sind.
Das optoelektronische Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Laserlichtquellen (10) und Detektorelementen (11) der Vielzahl von Laserlichtquellen und Detektorelementen jeweils paarweise für die Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge L1, ..., L5 eingerichtet sind, während wenigstens ein anderes Paar für die Erzeugung und Detektion elektromagnetischer Strahlung mit einer anderen Wellenlänge eingerichtet ist.
Ein LiDAR Modul, umfassend - zumindest optoelektronisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, und - eine Strahlführungsoptik (3) eingerichtet zum Lenken eines Sendesignals zu einem externen Objekt und zum Lenken eines Empfangssignals zu einem Detektorelement.
Das LiDAR Modul nach dem vorherigen Anspruch, wobei - wenigstens eine Laserlichtquelle (10) einen Auskoppelkeil (24) aufweist, und/oder - wenigstens ein Detektorelement (11) einen Einkoppelkeil (25) aufweist.
Das LiDAR Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlführungsoptik (3) einen Spiegel, ein Prisma und/oder eine Linse aufweist.
Das LiDAR Modul nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Paare Laserlichtquellen (10) und Detektorelementen (11) auf dem Träger (12) als eindimensionales oder zweidimensionales Array angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb eines LiDAR Moduls, nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit den folgenden Schritten: - Aussenden eines Sendesignals (SS), wobei das Sendesignal (SS) eine von der Laserlichtquelle (10) erzeugte, frequenzmodulierte elektromagnetische Welle umfasst, die zum einen den Träger (12) durchläuft und als lokaler Oszillator in das Detektorelement (11) eingekoppelt wird und zum anderen aus der Laserlichtquelle (10) ausgekoppelt wird und auf ein externes Objekt gelenkt wird, sowie anschließend von dem externen Objekt zumindest teilweise reflektiert wird, - Empfangen eines Empfangssignals (ES), welches das von einem externen Objekt zumindest teilweise reflektierte Sendesignal (SS) umfasst, wobei das Empfangssignal in das Detektorelement (11) gelenkt und dort eingekoppelt wird und im Detektorelement (11) mit dem gegenläufigen Sendesignal (11) als lokaler Oszillator (LO) überlagert wird, wobei sich eine stehende elektromagnetische Welle bildet, - Differentielle Messung einer Schwebungsfrequenz der stehenden elektromagnetischen Welle durch Messung von Fotoströmen mit einem Differenzverstärker, - Bestimmung eines Abstandes zum externen Objekt aus der Schwebungsfrequenz.