DE102021203113A1 - Optical wavelength mixer, optical system and lidar sensor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenlängenmischer sowie ein optisches System. Der optische Wellenlängenmischer weist auf: ein Netzwerk aus durchstimmbaren Interferometern (MZI), die als Mach-Zehnder-Interferometern ausgebildet sind und eine Auswerteeinheit (10), jedes Interferometer (MZI) zwei Eingangsports (20) und einen Ausgangsport (30) aufweist und eingerichtet ist, in die jeweiligen Eingangsports (20, 25) eingekoppeltes Licht zu mischen und das gemischte Licht über den jeweiligen Ausgangsport (30) auszugeben und mittels wenigstens eines ansteuerbaren phasenwirksamen Elementes (40) durchgestimmt zu werden, der logische Aufbau des optischen Wellenlängenmischers einer Baumstruktur entspricht, welche einen Wurzelknoten (60) und wenigstens einen äußeren Knoten (64) aufweist, wobei jeder Knoten der Baumstruktur durch ein Interferometer (MZI) ausgebildet ist, der optische Wellenlängenmischer auf Basis der Baumstruktur eingerichtet ist, durch jeweilige Lichtquellen (LQ) erzeugtes Licht derart stufenweise mittels der Interferometer (MZI) zu mischen, dass am Ausgangsport (30) des Wurzelknotens (60) ein Lichtgemisch sämtlicher zu mischender Lichtquellen (LQ) ausgebeben wird und wobei die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, die jeweiligen ansteuerbaren phasenwirksamen Elemente (40) der jeweiligen Interferometer (MZI) in Abhängigkeit der Wellenlänge des an die Eingangsports (20, 25) der jeweiligen Interferometer (MZI) eingekoppelten Lichtes anzupassen.The present invention relates to an optical wavelength mixer and an optical system. The optical wavelength mixer has: a network of tunable interferometers (MZI), which are designed as Mach-Zehnder interferometers and an evaluation unit (10), each interferometer (MZI) has two input ports (20) and one output port (30) and is set up is to mix light coupled into the respective input ports (20, 25) and to output the mixed light via the respective output port (30) and to be tuned by means of at least one controllable phase-effective element (40), the logical structure of the optical wavelength mixer corresponds to a tree structure , which has a root node (60) and at least one outer node (64), each node of the tree structure being formed by an interferometer (MZI), the optical wavelength mixer being set up on the basis of the tree structure, light generated by respective light sources (LQ) in such a way gradually using the interferometer (MZI) to mix that at the output port (30) of the root node (60) a light mixture of all light sources (LQ) to be mixed is emitted and the evaluation unit (10) is set up to control the respective controllable phase-effective elements (40) of the respective interferometer (MZI) depending on the wavelength of the to adjust the input ports (20, 25) of the respective interferometer (MZI) coupled light.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Wellenlängenmischer, ein optisches System mit einem solchen optischen Wellenlängenmischer und einen Lidar-Sensor mit einem solchen optischen Wellenlängenmischer oder einem solchen optischen System.The present invention relates to an optical wavelength mixer, an optical system with such an optical wavelength mixer and a lidar sensor with such an optical wavelength mixer or such an optical system.

Im Stand der Technik sind integrierte optische Komponenten bekannt, welche in der Lage sind, üblicherweise großdimensionierte optische Systeme auf ein Chip-Format zu verkleinern. Zudem erlaubt der Einsatz von Prozessschritten aus der Halbleiterfertigung eine Produktion hoher Stückzahlen solcher integrierten optischen Komponenten.Integrated optical components are known in the prior art which are able to reduce the size of optical systems that are usually large in size to a chip format. In addition, the use of process steps from semiconductor production allows large quantities of such integrated optical components to be produced.

Ferner sind optische Wellenlängenmischer bzw. (De-) Multiplexer bekannt, welche eingerichtet sind, Licht unterschiedlicher Wellenlängen mittels integrierter optischer Schaltungen zu mischen. Solche optischen Wellenlängenmischer sind i. d. R. durchstimmbar (z.B. thermisch oder elektrooptisch) ausgelegt und für eine verlustarme Übertragung hoher optischer Leistungen unterschiedlich geeignet.Furthermore, optical wavelength mixers or (de)multiplexers are known which are set up to mix light of different wavelengths by means of integrated optical circuits. Such optical wavelength mixers are i. i.e. R. designed to be tunable (e.g. thermal or electro-optical) and variously suitable for low-loss transmission of high optical power.

Darüber hinaus sind optische Phasen-Arrays bekannt, welche u. a. in Lidar-Sensoren einsetzbar sind, um eine Strahlablenkeinheit solche Lidar-Sensoren auf Basis unbeweglicher Teile zu realisieren. Es ist in diesem Zusammenhang beispielsweise bekannt, Emitter in Form von Gitterkopplern einzusetzen, die über Wellenleiter mit Licht versorgt werden. Ein Abstand zwischen den jeweiligen Emittern bestimmt dabei, wie stark ein Strahl abgelenkt werden kann. Durch eine Kontrolle der Phase des Lichts an jedem Emitter und durch die Interferenz des Lichts im Fernfeld, kann auf diese Weise ein beliebiges Muster bzw. ein enger Fokus in einem großen Winkelbereich erzeugt und bewegt werden.In addition, optical phase arrays are known which i.a. can be used in lidar sensors in order to implement a beam deflection unit such lidar sensors on the basis of immovable parts. In this connection it is known, for example, to use emitters in the form of grating couplers which are supplied with light via waveguides. A distance between the respective emitters determines how strongly a beam can be deflected. By controlling the phase of the light at each emitter and by the interference of the light in the far field, an arbitrary pattern or a narrow focus can be created and moved in a large angular range in this way.

DE 112018002172 T5 offenbart einen Lidar-Sensor, der eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen nutzt, wodurch eine Gitterstruktur genutzt werden kann, um die unterschiedlichen Wellenlängen in unterschiedliche Raumrichtung bezüglich des Lidar-Sensors auszusenden und um dadurch parallel mehrere Bereiche erfassen zu können. DE 112018002172 T5 discloses a lidar sensor that uses a large number of different wavelengths, as a result of which a grating structure can be used in order to emit the different wavelengths in different spatial directions with respect to the lidar sensor and in this way to be able to detect a plurality of areas in parallel.

US 9476981 B2 offenbart eine Realisierung eines Lidar-Sensors mit einem optischen Phasen-Array, wobei das optische Phasen-Array mit einem Laser kombiniert wird, dessen Frequenz linear moduliert wird. Dieses Licht wird ausgesendet und wieder empfangen und auf dem Chip mit Licht aus dem Laser überlagert. US9476981B2 discloses an implementation of a lidar sensor with an optical phased array, wherein the optical phased array is combined with a laser whose frequency is linearly modulated. This light is emitted and received again and superimposed on the chip with light from the laser.

T. Fujisawa et al. „Low-Loss Cascaded Mach-Zehnder Multiplexer Integrated 25-Gbit/s x 4-Lane EADFB Laser Array for Future CFP4 100 GbE Transmitter“, IEEE J. of Quantum Electronics 49(12), 2013, beschreibt eine Verringerung von Leistungsverlusten für einen 4 x 25 Gbit/s Transmitter. Hierfür ist ein optischer Multiplexer als eine Kaskade von Mach-Zehnder Interferometern realisiert.T.Fujisawa et al. "Low-Loss Cascaded Mach-Zehnder Multiplexer Integrated 25-Gbit/s x 4-Lane EADFB Laser Array for Future CFP4 100 GbE Transmitter", IEEE J. of Quantum Electronics 49(12), 2013 describes a reduction in power losses for a 4 x 25Gbps transmitters. For this purpose, an optical multiplexer is implemented as a cascade of Mach-Zehnder interferometers.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Wellenlängenmischer vorgeschlagen, welcher ein Netzwerk aus durchstimmbaren Interferometern, die als Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet sind (nachfolgend vereinfacht als „Interferometer“ bezeichnet) und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei der optische Wellenlängenmischer ein integrierter optischer Wellenlängenwischer ist. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, oder als eine davon abweichende Schaltung ausgebildet.According to a first aspect of the present invention, an optical wavelength mixer is proposed, which has a network of tunable interferometers designed as Mach-Zehnder interferometers (hereinafter simply referred to as "interferometers") and an evaluation unit, the optical wavelength mixer having an integrated optical wavelength wiper is. The evaluation unit is designed, for example, as an ASIC, FPGA, processor, digital signal processor, microcontroller, or as a different circuit.

Zudem weist jedes Interferometer jeweils zwei Eingangsports und wenigstens einen Ausgangsort auf und ist eingerichtet, in die jeweiligen Eingangsports eingekoppelt des Lichts zu mischen und das gemischte Licht über den jeweiligen Ausgangsport auszugeben, wobei die optischen Übertragungseigenschaften des jeweiligen Interferometers, welche insbesondere eine Dämpfung eines zu übertragenden Lichtes umfassen, an die Wellenlängen des an die Eingangsports eingekoppelten Lichtes angepasst sind. Ferner ist jedes Interferometer eingerichtet, mittels wenigstens eines ansteuerbaren phasenwirksamen Elementes, das beispielsweise als Phasenschieber ausgebildet ist und in wenigstens einem der beiden optischen Arme des jeweiligen Interferometers angeordnet ist, durchgestimmt zu werden. Darüber hinaus sind die jeweiligen Mach-Zehnder-Interferometer vorzugsweise derart aufgebaut, dass durch die beiden Eingangsports empfangenes Licht mittels eines ersten optischen Kopplers, bevorzugt eines 50:50-Kopplers (z. B. ein Multi-Mode-Interferometer) zusammengeführt und auf zwei Pfade aufgeteilt wird, welche jeweils den ersten Arm und den zweiten Arm des Interferometers repräsentieren. Die beiden Arme weisen ferner einen vordefinierten optischen Pfadlängenunterschied ΔL auf. Mittels eines zweiten optischen Kopplers, welcher vorzugsweise identisch zum ersten optischen Koppler ausgebildet ist, wird durch die beiden Arme des Interferometers übertragenes Licht wieder zusammengeführt. Je nach vorliegender Phasendifferenz zwischen den beiden Armen, koppelt ein entsprechend großer Anteil des in die Eingangsports eingekoppelt Lichtes in den Ausgangsport des Interferometers.In addition, each interferometer has two input ports and at least one output location and is set up to mix the light coupled into the respective input ports and to output the mixed light via the respective output port, with the optical transmission properties of the respective interferometer, which in particular an attenuation of a Include light, are adapted to the wavelengths of the coupled to the input ports light. Furthermore, each interferometer is set up to be tuned by means of at least one controllable phase-effective element, which is designed, for example, as a phase shifter and is arranged in at least one of the two optical arms of the respective interferometer. In addition, the respective Mach-Zehnder interferometers are preferably constructed in such a way that light received through the two input ports is combined by means of a first optical coupler, preferably a 50:50 coupler (e.g. a multi-mode interferometer) and to two Paths are divided, each representing the first arm and the second arm of the interferometer. The two arms also have a predefined optical path length difference ΔL. Light transmitted through the two arms of the interferometer is recombined by means of a second optical coupler, which is preferably configured identically to the first optical coupler. Depending on the phase difference between the two arms, a correspondingly large proportion of the light coupled into the input ports couples into the output port of the interferometer.

Der logische Aufbau des optischen Wellenlängenmischers entspricht einer Baumstruktur, welche ein Wurzelknoten und wenigstens einen äußeren Knoten aufweist, wobei jeder Knoten der Baumstruktur durch ein Interferometer ausgebildet ist. In Abhängigkeit einer Anzahl erforderlicher Eingangsports (abhängig von einer Anzahl zu mischender Lichtquellen) des optischen Wellenlängenmischers, verfügt der optische Wellenlängenmischer darüber hinaus über eine entsprechende Anzahl innerer Knoten der Baumstruktur. Es sei darauf hingewiesen, dass die Baumstruktur einem vollständigen oder einem unvollständigen (Binär-) Baum entsprechen kann. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass eine Gesamtzahl von Eingangsports, welche mit jeweiligen Lichtquellen koppelbar sind, grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Anzahl beschränkt ist. Eine vorteilhafte Anzahl, welche im Zuge der Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben wird, kann aber beispielsweise eine vereinfachte Herstellung des integrierten optischen Wellenlängenmischers ermöglichen. Ferner ist es denkbar, dass der optische Wellenlängenmischer eine höhere Anzahl von Eingangsports an den äußere Knoten bildenden Interferometern aufweist, als Lichtquellen gekoppelt werden.The logical structure of the optical wavelength mixer corresponds to a tree structure which has a root node and at least one outer node, each node of the tree structure being formed by an interferometer. Depending on a number of required input ports (depending on a number of light sources to be mixed) of the optical wavelength mixer, the optical wavelength mixer also has a corresponding number of inner nodes of the tree structure. It should be noted that the tree structure can correspond to a complete or an incomplete (binary) tree. It should also be pointed out that a total number of input ports that can be coupled to the respective light sources is not limited to a specific number. However, an advantageous number, which will be described in more detail in the course of the description of preferred configurations of the present invention, can, for example, enable simplified production of the integrated optical wavelength mixer. Furthermore, it is conceivable that the optical wavelength mixer has a higher number of input ports at the interferometers forming the outer nodes than light sources are coupled.

Darüber hinaus ist jeder Eingangsport jedes Interferometers mit einem Ausgangsport eines innerhalb der Baumstruktur tiefergelegenen Interferometers optisch gekoppelt oder mit jeweils einer Lichtquelle aus einer Vielzahl zu mischender Lichtquellen koppelbar. Unter den tiefergelegenen Interferometern sollen jene Interferometer verstanden werden, die bezüglich eines jeweils betrachten Interferometers innerhalb der Baumstruktur jeweilige Kindknoten dieses Interferometers bilden.In addition, each input port of each interferometer is optically coupled to an output port of an interferometer located deeper within the tree structure or can be coupled to one light source from a plurality of light sources to be mixed. The lower-lying interferometers should be understood to mean those interferometers which form child nodes of this interferometer within the tree structure in relation to a respectively considered interferometer.

Des Weiteren ist der optische Wellenlängenmischer auf Basis der Baumstruktur eingerichtet ist, durch jeweilige koppelbare Lichtquellen erzeugtes Licht derart stufenweise mittels der Interferometer zu mischen, dass am Ausgangsport des Wurzelknotens ein Lichtgemisch sämtlicher zu mischender Lichtquellen ausgebeben wird. Das den Wurzelknoten bildende Interferometer ist über den Ausgangsport grundsätzlich mit beliebigen optischen Komponenten koppelbar. Nicht einschränkende Beispiele für solche dem optischen Interferometer nachgelagerte Komponenten sind u. a. optischen Phasen-Arrays oder Lichtwellenleiter.Furthermore, the optical wavelength mixer based on the tree structure is set up to mix light generated by respective coupleable light sources step by step using the interferometer such that a light mixture of all light sources to be mixed is emitted at the output port of the root node. The interferometer forming the root node can in principle be coupled to any optical components via the output port. Non-limiting examples of such components downstream of the optical interferometer include: optical phase arrays or fiber optics.

Die Auswerteeinheit ist schließlich eingerichtet, die jeweiligen ansteuerbaren phasenwirksamen Elemente der jeweiligen Interferometer in Abhängigkeit der Wellenlänge des an die Eingangsports der jeweiligen Interferometer eingekoppelten Lichtes anzupassen. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die an einer jeweiligen Lichtmischung beteiligten Interferometer (d. h., sämtliche beteiligten kaskadierten Stufen des Mischernetzwerks) jeweils optimal an Veränderungen der Wellenlängen des eingekoppelten Lichtes anpassbar sind, um dadurch eine Dämpfung durch die jeweiligen Interferometer zu minimieren. Veränderungen der Wellenlängen des eingekoppelten Lichtes können beispielsweise ungewollte Schwankungen der Wellenlängen sein, welche zum Beispiel durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden. Besonders vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße optische Wellenlängenmischer für eine Mischung von frequenzmoduliertem Licht einsetzen, indem wenigstens die an einer jeweiligen Mischung beteiligten Interferometer in Übereinstimmung mit der Modulation gemeinsam durchgestimmt werden, so dass über jeweilige Zweige des optischen Wellenlängenmischers eine optimale Lichtleistungsübertragung erreichbar ist.Finally, the evaluation unit is set up to adapt the respective controllable phase-effective elements of the respective interferometer as a function of the wavelength of the light coupled into the input ports of the respective interferometer. This offers the particular advantage that the interferometers involved in a respective light mixing (i.e. all cascaded stages of the mixer network involved) can be optimally adapted to changes in the wavelengths of the coupled light in order to minimize attenuation by the respective interferometer. Changes in the wavelengths of the coupled-in light can be, for example, undesired fluctuations in the wavelengths, which are caused, for example, by temperature influences. The optical wavelength mixer according to the invention can be used particularly advantageously for mixing frequency-modulated light, in that at least the interferometers involved in a respective mixing are jointly tuned in accordance with the modulation, so that optimum light power transmission can be achieved via the respective branches of the optical wavelength mixer.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Ausgangsport der jeweiligen Interferometer ein erster Ausgangsport und jedes Interferometer weist darüber hinaus einen zweiten Ausgangsport auf, wobei der zweite Ausgangsport, entsprechend dem ersten Ausgangsport, mit dem Ausgang des zweiten optischen Kopplers optisch verbunden ist, so dass beide Ausgangsports eingerichtet sind, das durch das jeweilige Interferometer gemischte Licht auszugeben. Darüber hinaus ist der zweite Ausgangsport der jeweiligen Interferometer optisch mit einer Monitorphotodiode gekoppelt und die Auswerteeinheit ist eingerichtet, das ansteuerbare phasenwirksame Element der jeweiligen Interferometer derart anzusteuern, dass eine am zweiten Ausgangsport vorliegende Lichtintensität minimiert oder an einen vordefinierten Wert angenähert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass kein oder nur ein möglichst geringer Anteil des in die Eingangsports der jeweiligen Interferometer eingekoppelten Lichtes am zweiten Ausgangsport der jeweiligen Interferometer anliegt, was in einer optimierten Lichtleistungsübertragung von den Eingangsports zum ersten Ausgangsport der jeweiligen Interferometer resultiert. Eine Minimierung kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die zu erzielenden optischen Eigenschaften der Interferometer, insbesondere im Hinblick auf die beiden Arme der Interferometer, nur geringe (Fertigungs-) Toleranzen aufweisen. Hingegen kann eine Annäherung und insbesondere auch ein vollständiges Erreichen des vordefinierten Wertes vorteilhaft eingesetzt werden, wenn eine Minimierung der Lichtintensität am zweiten Ausgangsport, z. B. aufgrund höherer Toleranzen der optischen Eigenschaften, nicht zwangsläufig zu einer maximal erzielbaren Lichtintensität am ersten Ausgangsport führt, welche erfindungsgemäß angestrebt wird. In einem solchen Fall ist es beispielsweise mittels eines Kalibrierungsvorgangs möglich, für jedes Interferometer einen jeweiligen vordefinierten Wert zu ermitteln, durch welchen eine maximale Lichtintensität am jeweiligen ersten Ausgangsport erzielt wird. Eine solche Kalibrierung erfolgt beispielsweise durch eine Messung einer Gesamtlichtleistung am ersten Ausgangsport des den Wurzelknoten bildenden Interferometers, während die jeweiligen Interferometer individuell durchgestimmt werden, um jeweils optimale vordefinierte Werte für die jeweiligen Interferometer zu ermitteln, welche zu einer maximal erzielbaren Gesamtlichtleistung beitragen. Durch die Verwendung des zweiten Ausgangsports und der mit dem zweiten Ausgangsport optisch gekoppelten Monitorphotodiode ist es auf Basis einer geeigneten Regelung möglich, jeweilige Wellenlängenänderungen des in die Eingangsports eingekoppelten Lichts automatisch zu kompensieren.In an advantageous embodiment of the present invention, the output port of the respective interferometer is a first output port and each interferometer also has a second output port, the second output port, corresponding to the first output port, being optically connected to the output of the second optical coupler, so that both output ports are arranged to output the light mixed by the respective interferometer. In addition, the second output port of the respective interferometer is optically coupled to a monitor photodiode and the evaluation unit is set up to control the controllable phase-effective element of the respective interferometer in such a way that a light intensity present at the second output port is minimized or approximated to a predefined value. This ensures that no or only the smallest possible proportion of the light coupled into the input ports of the respective interferometer is present at the second output port of the respective interferometer, which results in an optimized light power transmission from the input ports to the first output port of the respective interferometer. A minimization can be used advantageously in particular when the optical properties of the interferometer to be achieved, in particular with regard to the two arms of the interferometer, have only small (manufacturing) tolerances. On the other hand, an approximation and in particular also a complete attainment of the predefined value can be advantageously used if a minimization of the light intensity at the second output port, e.g. B. due to higher tolerances of the optical properties, does not necessarily lead to a maximum achievable light intensity at the first output port, which is sought according to the invention. In such a case it is possible, for example by means of a calibration process, to determine a respective predefined value for each interferometer, by means of which a maximum light intensity is achieved at the respective first output port. Such a calibration is carried out, for example, by measuring a total light power at the first output port of the interferometer forming the root node, while the respective interferometers are individually tuned in order to determine optimal predefined values for the respective interferometers, which contribute to a maximum achievable total light power. By using the second output port and the monitor photodiode optically coupled to the second output port, it is possible on the basis of a suitable regulation to automatically compensate for respective changes in wavelength of the light coupled into the input ports.

Vorzugsweise ist eine Tiefe der Baumstruktur von jedem äußeren Knoten zum Wurzelknoten der Baumstruktur identisch. Alternativ oder zusätzlich entspricht die Anzahl äußerer Knoten der Baustruktur einer Zweierpotenz. Beide Merkmale können zu einem vereinfachten Design und/oder einer vereinfachten Fertigung des erfindungsgemäßen optischen Wellenlängenmischers beitragen. Wie oben bereits erwähnt, schließt dies explizit nicht aus, dass ein oder mehrere Eingangsports der Interferometer, welche die äußeren Knoten bilden, nicht mit einer jeweiligen Lichtquelle gekoppelt werden, mit anderen Worten also ungenutzt bleiben.Preferably, a depth of the tree structure is identical from each outer node to the root node of the tree structure. Alternatively or additionally, the number of outer nodes of the building structure corresponds to a power of two. Both features can contribute to a simplified design and/or simplified manufacture of the optical wavelength mixer according to the invention. As already mentioned above, this explicitly does not rule out that one or more input ports of the interferometers, which form the outer nodes, are not coupled to a respective light source, in other words remain unused.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in jedem der beiden optischen Arme der jeweiligen Interferometer jeweils ein ansteuerbares phasenwirksames Element angeordnet ist und die beiden ansteuerbaren phasenwirksamen Elemente sind eingerichtet sind, eine relative Phasenverschiebung des jeweils eingekoppelten Lichtes zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, dass eine durch die Verwendung der phasenwirksamen Elemente unvermeidliche Grundabsorption von Licht durch diese Elemente in beiden Armen möglichst identisch ausgebildet wird, so dass eine optimale Mischung des Lichtes der beiden Arme ermöglicht wird. Hierbei ist es zum einen denkbar, dass nur eines der beiden phasenwirksamen Elemente zur Erzeugung der gewünschten Phasenverschiebung angesteuert wird. Zum anderen ist es denkbar, dass beide phasenwirksamen Elemente mittels einer vordefinierten Grundansteuerung jeweils eine identische, von null abweichende Phasenverschiebung aufweisen, z. B. jeweils 45°, 90°, 180° oder einen davon abweichenden Wert und die relative Phasenverschiebung derart erfolgt, dass ausgehend von dieser Grundansteuerung, welche einem einheitlichen Phasen-Offset entspricht, die phasenwirksamen Elemente gegenläufig (d. h., mit umgekehrten Vorzeichen und bevorzugt aber nicht zwangsläufig mit gleichen Beträgen) angesteuert werden.In a further embodiment of the present invention, a controllable phase-acting element is arranged in each of the two optical arms of the respective interferometer, and the two controllable phase-acting elements are set up to generate a relative phase shift of the respectively injected light. This offers the advantage that a basic absorption of light that is unavoidable due to the use of the phase-acting elements is formed as identically as possible by these elements in both arms, so that an optimal mixing of the light from the two arms is made possible. On the one hand, it is conceivable that only one of the two phase-effective elements is driven to generate the desired phase shift. On the other hand, it is conceivable that both phase-effective elements each have an identical phase shift deviating from zero by means of a predefined basic control, e.g. B. in each case 45°, 90°, 180° or a value deviating from this and the relative phase shift takes place in such a way that, starting from this basic control, which corresponds to a uniform phase offset, the phase-effective elements run in opposite directions (i.e., with opposite signs and preferably not necessarily with the same amounts) are controlled.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System vorgeschlagen, welches einen optischen Wellenlängenmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist. Das optische System weist darüber hinaus ein optisches Phasen-Array (engl. „optical phase array“) und/oder mehrere Lichtquellen auf, die jeweils mit den Eingangsports der äußere Knoten bildenden Interferometer optisch gekoppelt sind. Das optische Phasen-Array ist optisch mit dem Ausgangsport desjenigen Interferometers gekoppelt, welches den Wurzelknoten der Baumstruktur bildet und ist eingerichtet, durch den Ausgangsport dieses Interferometers empfangenes Licht in ein Umfeld des optischen Wellenlängenmischers abzustrahlen (z. B. mittels einer Gitterantenne). Die mehreren Lichtquellen sind jeweils mit den Eingangsports der äußere Knoten bildenden Interferometer optisch gekoppelt, wobei vorteilhafterweise vorgesehen ist, dass die Lichtquellen und der integrierte optische Wellenlängenmischer, sowie insbesondere das optische Phasen-Array, gemeinsam integrierte Komponenten sind.According to a second aspect of the present invention, an optical system is proposed which has an optical wavelength mixer according to any one of the preceding claims. The optical system also has an optical phase array and/or a plurality of light sources which are each optically coupled to the input ports of the interferometers forming the outer nodes. The optical phased array is optically coupled to the output port of that interferometer which forms the root node of the tree structure and is set up to emit light received through the output port of this interferometer into a vicinity of the optical wavelength mixer (e.g. by means of a grating antenna). The plurality of light sources are each optically coupled to the input ports of the interferometers forming the outer nodes, it being advantageously provided that the light sources and the integrated optical wavelength mixer, and in particular the optical phase array, are jointly integrated components.

Weiter vorteilhaft ist eine jeweilige Wellenlänge λ des durch die jeweiligen Lichtquellen erzeugten Lichtes gemäß λi = λ0 + iΔλ festgelegt, wobei i einen eindeutigen Index für jede Lichtquelle (d. h., nicht negative natürliche Zahlen beginnend bei 0), λ0 eine Basiswellenlänge des optischen Systems und Δλ einen vordefinierten Wellenlängenabstand repräsentieren. Es sei darauf hingewiesen, dass der Index i kein fortlaufender Index sein muss, falls bestimmte Wellenlängen gemäß obiger Formel nicht zur Anwendung kommen.Further advantageously, a respective wavelength λ of the light generated by the respective light sources is defined according to λ i =λ 0 +iΔλ, where i is a unique index for each light source (ie, non-negative natural numbers starting at 0), λ 0 is a base wavelength of the optical Systems and Δλ represent a predefined wavelength spacing. It should be noted that the index i does not have to be a continuous index if certain wavelengths according to the above formula are not used.

Besonders vorteilhaft weist das optische System eine vordefinierte Zuordnung jeweiliger Lichtquellen zu jeweiligen Eingangsports derjenigen Interferometer auf, welche die äußeren Knoten der Baumstruktur bilden. Diese Zuordnung wird mittels nachfolgend beschriebener Schritte ermittelt. Zunächst wird ein bei null beginnender fortlaufender Eingangsportindex /für diejenigen Interferometer, welche die äußeren Knoten der Baumstruktur repräsentieren verwendet, wobei der jeweilige Eingangsportindex / in Übereinstimmung mit einer aus der Baumstruktur resultierenden logischen Abfolge dieser Interferometer vergeben wird. Mit anderen Worten werden sämtliche Eingangsports der äußere Knoten bildenden Interferometer der Baumstruktur (welche für die hier vorgesehene logische Betrachtung keine sich kreuzenden Verbindungen, d. h. Kanten aufweist) der Reihe nach durchnummeriert. Es versteht sich, dass in einer realen Umsetzung des erfindungsgemäßen optischen Systems bzw. des zugrundeliegenden optischen Wellenlängenmischers, durchaus sich kreuzende optische Verbindungen zwischen jeweiligen Interferometern vorliegen können, solange die jeweiligen Zuordnungen die logische Baumstruktur abbilden. In einem nächsten Schritt wird eine Anzahl erforderlicher Stellen S von Binärzahlen gemäß S = log2(N) ermittelt, wobei N dem höchsten für die Lichtquellen vergebenen Index entspricht. Anschließend wird eine Binärzahl aus dem die aktuell betrachtete Lichtquelle repräsentierenden Index ermittelt, wobei die Binärzahl eine Anzahl von Stellen aufweist, welche der ermittelten Anzahl von Stellen S entspricht. Im Anschluss daran wird die Reihenfolge der Stellen der Binärzahl umgekehrt und die daraus resultierende Binärzahl in eine Dezimalzahl umgewandelt. Im letzten Schritt wird die aktuell betrachtete Lichtquelle demjenigen Eingangsportindex / zugeordnet, welcher der zuvor ermittelten Dezimalzahl entspricht.The optical system particularly advantageously has a predefined assignment of respective light sources to respective input ports of those interferometers which form the outer nodes of the tree structure. This assignment is determined using the steps described below. First, a consecutive input port index /starting at zero is used for those interferometers that represent the outer nodes of the tree structure, with the respective input port index / being assigned in accordance with a logical sequence of these interferometers resulting from the tree structure. In other words, all the input ports of the interferometers forming the outer nodes of the tree structure (which for the logical consideration provided here does not have any crossing connections, ie edges) are numbered consecutively. It goes without saying that in a real implementation of the optical system according to the invention or the optical wavelength mixer on which it is based, it is quite possible for optical connections that cross one another There can be connections between respective interferometers as long as the respective assignments map the logical tree structure. In a next step, a number of required digits S of binary numbers is determined according to S=log 2 (N), where N corresponds to the highest index assigned to the light sources. A binary number is then determined from the index representing the light source currently under consideration, the binary number having a number of digits which corresponds to the number of digits S determined. The order of the digits in the binary number is then reversed and the resulting binary number is converted into a decimal number. In the last step, the light source currently being considered is assigned to the input port index / which corresponds to the previously determined decimal number.

Weiter vorteilhaft umfassen die optischen Eigenschaften der jeweiligen Interferometer einen jeweiligen vordefinierten freien Spektralbereich FSR und einen jeweiligen vordefinierten optischen Pfadlängenunterschied ΔL (welcher auch als feste Offset-Wellenlänge zwischen den beiden Armen der Interferometer betrachtet werden kann) zwischen den beiden optischen Armen der jeweiligen Interferometer, wobei der jeweilige freier Spektralbereich FSR für die jeweiligen Interferometer gemäß F S R = Δ λ 2 ( k + 1 ) 1 ( 2 p − 1 )

Figure DE102021203113A1_0001
festgelegt ist, wobei p eine jeweilige Modenzahl repräsentiert, k einen Tiefenindex des jeweiligen Interferometers innerhalb der Baumstruktur repräsentiert, wobei der Wurzelknoten einen Tiefenindex von null aufweist und der Tiefenindex ausgehend vom Wurzelknoten in Richtung der jeweiligen äußeren Knoten jeweils inkrementiert wird. Zudem ist der der jeweilige optische Pfadlängenunterschied ΔL gemäß Δ L = λ 2 F S R ⋅ n g
Figure DE102021203113A1_0002
festgelegt, wobei ng den Gruppenindex repräsentiert.Further advantageously, the optical properties of the respective interferometer include a respective predefined free spectral range FSR and a respective predefined optical path length difference ΔL (which can also be considered as a fixed offset wavelength between the two arms of the interferometer) between the two optical arms of the respective interferometer, where the respective free spectral range FSR for the respective interferometer according to f S R = Δ λ 2 ( k + 1 ) 1 ( 2 p − 1 )
Figure DE102021203113A1_0001
 is defined, where p represents a respective mode number, k represents a depth index of the respective interferometer within the tree structure, the root node having a depth index of zero and the depth index starting from the root node in the direction of the respective outer nodes is incremented. In addition, the respective optical path length difference ΔL according to Δ L = λ 2 f S R ⋅ n G
Figure DE102021203113A1_0002
 set, where n g represents the group index.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Lichtquellen des optischen Systems eingerichtet, frequenzmoduliertes Licht zu erzeugen. Beispielsweise entspricht diese Modulation einer FMCW- (engl. „frequency modulated continuous wave“) Modulation und/oder einer Modulation mit einem im Vergleich zur FMCW-Modulation deutlich größerem Frequenzhub, welche insbesondere für eine Strahlablenkung in ein Umfeld des optischen Systems mittels des optisches Phasen-Arrays sinnvoll einsetzbar ist. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit eingerichtet, sämtliche Interferometer, welche für eine Mischung aktuell zu mischender Lichtquellen erforderlich sind, in Übereinstimmung mit einer jeweiligen Frequenzmodulation des eingekoppelten Lichtes gleichzeitig durchzustimmen.In a further advantageous embodiment of the present invention, the light sources of the optical system are set up to generate frequency-modulated light. For example, this modulation corresponds to an FMCW (frequency modulated continuous wave) modulation and/or a modulation with a significantly larger frequency deviation compared to FMCW modulation, which is used in particular for beam deflection into an area surrounding the optical system by means of the optical phase arrays can be used sensibly. In addition, the evaluation unit is set up to simultaneously tune all interferometers, which are required for a mixture of light sources that are currently to be mixed, in accordance with a respective frequency modulation of the coupled-in light.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lidar-System (insbesondere für ein Fortbewegungsmittel) vorgeschlagen, welches einen optischen Wellenlängenmischer oder ein optisches System nach vorstehender Beschreibung aufweist. Ein solches Lidar-System bietet den Vorteil, dass keine mechanischen Komponenten (z. B. Makrospiegel, Mikrospiegel, usw,) erforderlich sind, um eine Ablenkung eines Abtaststrahls durchzuführen. Die Merkmale, Merkmalskombinationen sowie die sich aus diesen ergebenden Vorteile entsprechen den in Verbindung mit dem erst- und zweitgenannten Erfindungsaspekt ausgeführten derart ersichtlich, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.According to a third aspect of the present invention, a lidar system (in particular for a means of transportation) is proposed which has an optical wavelength mixer or an optical system as described above. Such a lidar system offers the advantage that no mechanical components (e.g. macro-mirrors, micro-mirrors, etc.) are required to deflect a scanning beam. The features, combinations of features and the resulting advantages correspond to those explained in connection with the first and second mentioned aspects of the invention in such a way that, to avoid repetition, reference is made to the above explanations.

Figurenlistecharacter list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Mach-Zehnder-Interferometers in Verbindung mit einer Monitorphotodiode und einer Auswerteeinheit; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems.
Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a Mach-Zehnder interferometer in connection with a monitor photodiode and an evaluation unit; and
  • 2 a schematic representation of an embodiment of an optical system according to the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mach-Zehnder-Interferometers MZI (nachfolgend abgekürzt als „Interferometer“ bezeichnet) in Verbindung mit einer Monitorphotodiode 70 und einer Auswerteeinheit 10, wobei die Auswerteeinheit 10 hier als Mikrocontroller ausgebildet ist. Das Interferometer MZI weist einen ersten Eingangsport 20 und einen zweiten Eingangsport 25 auf und ist mittels der Eingangsports 20, 25 eingerichtet, mit jeweiligen Ausgangsports weiterer Interferometer MZI und/oder mit jeweiligen Lichtquellen LQ optisch gekoppelt zu werden. In die beiden Eingangsports 20, 25 eingekoppeltes Licht wird mittels eines ersten 50:50-Kopplers 80 zusammengeführt und auf einen ersten Arm 50 und einen zweiten Arm 55 des Interferometers MZI aufgeteilt. Beide Arme 50, 55 weisen jeweils einen ansteuerbaren Phasenschieber 40 auf, welche jeweils elektrisch mit jeweiligen Ausgängen der Auswerteeinheit 10 verbunden sind. 1 shows a schematic representation of a Mach-Zehnder interferometer MZI (abbreviated to “interferometer” below) in connection with a monitor photodiode 70 and an evaluation unit 10, the evaluation unit 10 being embodied here as a microcontroller. The interferometer MZI has a first input port 20 and a second input port 25 and is set up by means of the input ports 20, 25 to be optically coupled to respective output ports of further interferometers MZI and/or to respective light sources LQ. Light coupled into the two input ports 20, 25 is combined by means of a first 50:50 coupler 80 and divided between a first arm 50 and a second arm 55 of the interferometer MZI. Both arms 50, 55 each have a controllable phase shifter 40, which are each electrically connected to the respective outputs of the evaluation unit 10.

Mittels dieser Verbindungen zur Auswerteeinheit 10 ist die Auswerteinheit 10 in der Lage, eine jeweilige Phasenverschiebung des durch die Phasenschieber 40 übertragenen Lichtes unabhängig voneinander anzupassen. Vorzugsweise werden beide Phasenschieber 40 derart angesteuert, dass sie in einer Grundstellung jeweils einen identischen Phasenversatz von 180° erzeugen und in davon abweichenden Stellungen jeweils mit betragsmäßig identischen Werten aber umgekehrten Vorzeichen gegenläufig angesteuert werden, so dass sich eine Gesamtphasenverschiebung zwischen den beiden Armen 50, 55 ergibt.By means of these connections to the evaluation unit 10, the evaluation unit 10 is able to adjust a respective phase shift of the light transmitted through the phase shifters 40 independently of one another. Both phase shifters 40 are preferably controlled in such a way that in a basic position they each produce an identical phase shift of 180° and in positions deviating from this they are controlled in opposite directions with values that are identical in terms of amount but with opposite signs, so that there is an overall phase shift between the two arms 50, 55 results.

Des Weiteren weist der zweite Arm 55 einen fest vorgegebenen Pfadlängenunterschied ΔL auf, welcher gemäß obiger Beschreibung in Abhängigkeit der Wellenlängen des in die Eingangsports 20, 25 eingekoppelten Lichtes festgelegt ist.Furthermore, the second arm 55 has a fixed path length difference ΔL, which is defined as a function of the wavelengths of the light coupled into the input ports 20, 25 according to the above description.

Den oben beschriebenen phasenwirksamen Elementen 40, ΔL ist ein zweiter 50:50-Koppler nachgelagert, welcher eingerichtet ist, das durch die beiden Arme 50, 55 übertragene Licht zusammenzuführen und über einen ersten Ausgangsport 30 und einen zweiten Ausgangsport 35 auszugeben.A second 50:50 coupler is arranged downstream of the phase-effective elements 40, ΔL described above and is set up to combine the light transmitted by the two arms 50, 55 and to output it via a first output port 30 and a second output port 35.

Der erste Ausgangsport 30 ist beispielsweise optisch mit einer nachgelagerten Mischstufe oder einer davon abweichenden optischen Komponente (z. B. einem optischen Phasenarray) gekoppelt.The first output port 30 is, for example, optically coupled to a downstream mixer stage or a different optical component (e.g. an optical phased array).

Der zweite Ausgangsport 35 ist hier optisch mit einer Monitorphotodiode 70 gekoppelt, welche elektrisch mit einem Eingang der Auswerteeinheit 10 verbunden ist. Auf diese Weise ist die Auswerteeinheit 10 eingerichtet, eine Intensität eines am zweiten Ausgangsport 35 ausgegeben Lichtes zu erfassen und die Phasenschieber 40 im Ansprechen darauf derart anzusteuern, dass die Intensität des am zweiten Ausgangsport 35 ausgegeben Lichtes minimiert wird und ein möglichst hoher Anteil des gemischten Lichtes über den ersten Ausgangsport 30 ausgekoppelt wird.The second output port 35 is optically coupled here to a monitor photodiode 70 which is electrically connected to an input of the evaluation unit 10 . In this way, the evaluation unit 10 is set up to detect an intensity of a light output at the second output port 35 and to control the phase shifter 40 in response thereto in such a way that the intensity of the light output at the second output port 35 is minimized and the highest possible proportion of the mixed light is coupled out via the first output port 30.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems, welches auf Basis des in 1 beschriebenen Interferometers MZI aufgebaut ist, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich des Aufbaus der Interferometer MZI auf die Beschreibung in 1 verwiesen wird. Das erfindungsgemäße optische System ist hier ein Bestandteil eines Lidar-Sensors und wird zur Ablenkung von Laserstrahlen in ein Umfeld des Lidar-Sensors eingesetzt. 2 shows a schematic representation of an embodiment of an optical system according to the invention, which is based on in 1 described interferometer MZI, which is why, to avoid repetitions regarding the structure of the interferometer MZI, refer to the description in 1 is referenced. The optical system according to the invention is a component of a lidar sensor and is used to deflect laser beams into the surroundings of the lidar sensor.

Das optische System weist einen optischen Wellenlängenmischer auf, welcher aus einer Vielzahl von Interferometern MZIk,l ausgebildet ist, die logisch in einer Baumstruktur angeordnet sind und jeweils Knoten der Baumstruktur bilden. Der Index k der jeweiligen Interferometer MZIk,l repräsentiert die Tiefe der Interferometer MZIk,l innerhalb der Baumstruktur, ausgehend vom Wurzelknoten 60 zu den äußeren Knoten 64. Der Index I der jeweiligen Interferometer MZIk,l repräsentiert jeweils eine fortlaufende logische Nummerierung unter den Interferometern MZIk,l, welche jeweils derselben Tiefe der Baustruktur zugeordnet sind. Das den Wurzelknoten 60 der Baumstruktur bildende Interferometer MZI0,0 ist hier mittels eines ersten Ausgangsports 30 mit einem optischen Phasen-Array OPA verbunden, welches eingerichtet ist, durch den optischen Wellenlängenmischer gemischtes Licht zu empfangen und in ein Umfeld es optischen Phasen-Arrays OPA abzustrahlen.The optical system has an optical wavelength mixer, which is formed from a large number of interferometers MZI k,l , which are logically arranged in a tree structure and each form nodes of the tree structure. The index k of the respective interferometer MZI k,l represents the depth of the interferometer MZI k,l within the tree structure, starting from the root node 60 to the outer nodes 64. The index I of the respective interferometer MZI k,l represents a consecutive logical numbering below the interferometers MZI k,l , which are each assigned to the same depth of the building structure. The interferometer MZI 0,0 forming the root node 60 of the tree structure is connected here by means of a first output port 30 to an optical phase array OPA, which is set up to receive light mixed by the optical wavelength mixer and into an environment of the optical phase array OPA to radiate.

Der optische Wellenlängenmischer des optischen Systems weist in dieser Ausführungsform ferner vier Interferometer MZI2,0, MZI2,1, MZI2,2 und MZI2,3 auf, welche jeweils äußere Knoten 64 der Baumstruktur bilden, wobei hier sämtliche äußeren Knoten 64 dieselbe Tiefe innerhalb der Baumstruktur aufweisen. Darüber hinaus verfügt der optische Wellenlängenmischer über zwei innere Knoten 62 bildende Interferometer MZI1,0 und MZI1,1.In this embodiment, the optical wavelength mixer of the optical system also has four interferometers MZI 2.0 , MZI 2.1 , MZI 2.2 and MZI 2.3 , which each form outer nodes 64 of the tree structure, with all outer nodes 64 being the same here Have depth within the tree structure. In addition, the optical wavelength mixer has two internal nodes 62 forming interferometers MZI 1,0 and MZI 1,1 .

Jedes Interferometer MZIk,l weist einen ersten Eingangsport 20, einen zweiten Eingangsport 25, einen ersten Ausgangsport 30 und einen zweiten Ausgangsport 35 auf, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit stellvertretend nur für das Interferometer MZI2,0 mittels jeweiliger Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Durch die in 2 gezeigte optische Kopplung der jeweiligen Eingangsports 20, 25 und Ausgangsports 30, 35 der jeweiligen Interferometer MZIk,l, ist der optische Wellenlängenmischer in der Lage, in die äußere Knoten 64 bildende Interferometer MZI2,0, MZI2,1, MZI2,2 und MZI2,3 eingekoppeltes Licht stufenweise zu mischen und über den ersten Ausgangsport 30 des Interferometers MZI0,0, welches den Wurzelknoten 60 bildet, als gemischtes Licht auszugeben.Each interferometer MZI k,l has a first input port 20, a second input port 25, a first output port 30 and a second output port 35 which, for reasons of clarity, are identified by respective reference symbols only as representative of the interferometer MZI 2,0 . through the in 2 shown optical coupling of the respective input ports 20, 25 and output ports 30, 35 of the respective interferometers MZI k,l , the optical wavelength mixer is capable of interferometers MZI 2,0 , MZI 2,1 , MZI 2 , forming the outer nodes 64 2 and MZI 2.3 to gradually mix the light coupled in and to output it as mixed light via the first output port 30 of the interferometer MZI 0.0 , which forms the root node 60 .

Am zweiten Ausgangsport 35 jedes Interferometers MZIk,l ist jeweils eine Monitorphotodiode 70 vorgesehen, welche eingerichtet ist, am zweiten Ausgangsport 35 ausgekoppeltes Licht zu erfassen. Die Auswerteeinheit 10 ist elektrisch mit jeder Monitorphotodiode 70 und mit jeweiligen ansteuerbaren Phasenschiebern 40 der jeweiligen Interferometer MZIk,l verbunden. Die jeweiligen Verbindungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Auswerteinheit 10 eingerichtet, die Lichtintensitäten an den jeweiligen zweiten Ausgangsports 35 zu ermitteln und die jeweiligen Phasenschieber 40 der mit diesen korrespondierenden Interferometer MZIk,l im Ansprechen darauf derart anzusteuern, dass eine Lichtintensität an den jeweiligen zweiten Ausgangsports 35 minimiert wird.A monitor photodiode 70 is provided at the second output port 35 of each interferometer MZI k,l and is set up to detect light coupled out at the second output port 35 . The evaluation unit 10 is electrically connected to each monitor photodiode 70 and to the respective controllable phase shifters 40 of the respective interferometer MZI k,l . The respective connections are not shown for reasons of clarity. The evaluation unit 10 is set up to determine the light intensities at the respective second output ports 35 and to control the respective phase shifters 40 of the interferometers MZI k,l corresponding thereto in response thereto in such a way that a light intensity at the respective second output ports 35 is minimized.

Die Lichtquellen LQi erzeugen jeweils Wellenlängen, die λi = λ0 + iΔλ entsprechen. Eine Zuordnung der jeweiligen Lichtquellen LQi zu jeweiligen Eingangsportindizes der die äußeren Knoten 64 bildenden Interferometer MZI2,0, MZI2,1, MZI2,2 und MZI2,3 erfolgt gemäß Anspruch 7. Die Festlegung der optischen Eigenschaften der jeweiligen Interferometer MZIk,l erfolgt gemäß Anspruch 8.The light sources LQ i each generate wavelengths that correspond to λ i =λ 0 +iΔλ. The respective light sources LQ i are assigned to the respective input port indices of the interferometers MZI 2.0 , MZI 2.1 , MZI 2.2 and MZI 2.3 forming the outer nodes 64. The optical properties of the respective interferometers MZI are defined k,l takes place according to claim 8.

Die Lichtquellen LQi sind jeweils eingerichtet, frequenzmoduliertes Licht zu erzeugen, welches durch eine FMCW-Modulation und eine Modulation mit großem Frequenzhub zur Ablenkung des Lichtes mittels des optischen Phasen-Arrays moduliert wird. Zudem ist die Auswerteeinheit 10 eingerichtet, nur diejenigen Interferometer MZIk,l anzusteuern, welche für eine Mischung aktuell verwendeter Lichtquellen LQi erforderlich sind.The light sources LQ i are each set up to generate frequency-modulated light, which is modulated by FMCW modulation and modulation with a large frequency deviation for deflecting the light using the optical phase array. In addition, the evaluation unit 10 is set up to control only those interferometers MZI k,l which are required for a mixture of light sources LQ i currently in use.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 112018002172 T5 [0005]DE 112018002172 T5 [0005]
  • US 9476981 B2 [0006]US9476981B2 [0006]

Claims (10)

Optischer Wellenlängenmischer aufweisend: • ein Netzwerk aus durchstimmbaren Interferometern (MZI), die als Mach-Zehnder-Interferometern ausgebildet sind, und • eine Auswerteeinheit (10), wobei • der optische Wellenlängenmischer ein integrierter optischer Wellenlängenmischer ist, • jedes Interferometer (MZI) zwei Eingangsports (20) und wenigstens einen Ausgangsport (30) aufweist und eingerichtet ist, ◯ in die jeweiligen Eingangsports (20, 25) eingekoppeltes Licht zu mischen und das gemischte Licht über den jeweiligen Ausgangsport (30) auszugeben, wobei die optischen Übertragungseigenschaften des jeweiligen Interferometers (MZI) an die Wellenlängen des an die Eingangsports (20, 25) eingekoppelten Lichtes angepasst sind, und ◯ mittels wenigstens eines ansteuerbaren phasenwirksamen Elementes (40), welches in einem der beiden optischen Arme (50, 55) des jeweiligen Interferometers (MZI) angeordnet ist, durchgestimmt zu werden, • der logische Aufbau des optischen Wellenlängenmischers einer Baumstruktur entspricht, welche einen Wurzelknoten (60) und wenigstens einen äußeren Knoten (64) aufweist, wobei jeder Knoten der Baumstruktur durch ein Interferometer (MZI) ausgebildet ist, • jeder Eingangsport (20, 25) jedes Interferometers (MZI) mit einem Ausgangsport (30) eines innerhalb der Baumstruktur tiefergelegenen Interferometers (MZI) optisch gekoppelt ist oder mit jeweils einer Lichtquelle (LQ) aus einer Vielzahl zu mischender Lichtquellen (LQ) koppelbar ist, • der optische Wellenlängenmischer auf Basis der Baumstruktur eingerichtet ist, durch jeweilige koppelbare Lichtquellen (LQ) erzeugtes Licht derart stufenweise mittels der Interferometer (MZI) zu mischen, dass am Ausgangsport (30) des Wurzelknotens (60) ein Lichtgemisch sämtlicher zu mischender Lichtquellen (LQ) ausgebeben wird, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, die jeweiligen ansteuerbaren phasenwirksamen Elemente (40) der jeweiligen Interferometer (MZI) in Abhängigkeit der Wellenlänge des an die Eingangsports (20, 25) der jeweiligen Interferometer (MZI) eingekoppelten Lichtes anzupassen.Optical wavelength mixer comprising: • a network of tunable interferometers (MZI) designed as Mach-Zehnder interferometers, and • an evaluation unit (10), wherein • the optical wavelength mixer is an integrated optical wavelength mixer, • each interferometer (MZI) has two input ports (20) and at least one output port (30) and is set up, ◯ to mix light coupled into the respective input ports (20, 25) and to output the mixed light via the respective output port (30), the optical transmission properties of the respective interferometer (MZI) being coupled to the wavelengths of the input ports (20, 25). Lights are adjusted, and ◯ to be tuned by means of at least one controllable phase-effective element (40), which is arranged in one of the two optical arms (50, 55) of the respective interferometer (MZI), • the logical structure of the optical wavelength mixer corresponds to a tree structure which has a root node (60) and at least one outer node (64), each node of the tree structure being formed by an interferometer (MZI), • each input port (20, 25) of each interferometer (MZI) is optically coupled to an output port (30) of an interferometer (MZI) located lower within the tree structure or can be coupled to a light source (LQ) from a plurality of light sources (LQ) to be mixed , • the optical wavelength mixer based on the tree structure is set up to mix light generated by respective coupleable light sources (LQ) step by step using the interferometer (MZI) in such a way that at the output port (30) of the root node (60) a light mixture of all light sources to be mixed (LQ ) is issued, and • the evaluation unit (10) is set up to adjust the respective controllable phase-effective elements (40) of the respective interferometer (MZI) depending on the wavelength of the input ports (20, 25) of the respective interferometer (MZI) coupled light. Optischer Wellenlängenmischer nach Anspruch 1, wobei • der Ausgangsport der jeweiligen Interferometer ein erster Ausgangsport (30) ist und jedes Interferometer (MZI) darüber hinaus einen zweiten Ausgangsport (35) aufweist, • die beiden Ausgangsports (30, 35) jeweils eingerichtet sind, das durch das Interferometer (MZI) gemischte Licht ausgeben, • der zweite Ausgangsport (35) der jeweiligen Interferometer (MZI) jeweils optisch mit einer Monitorphotodiode (70) gekoppelt ist, und • die Auswerteinheit (10) eingerichtet ist, das ansteuerbare phasenwirksame Element (40) der jeweiligen Interferometer (MZI) derart anzusteuern, dass jeweils eine am zweiten Ausgangsport (35) vorliegende Lichtintensität minimiert wird oder an einen vordefinierten Wert angenähert wird.Optical wavelength mixer claim 1 , where • the output port of the respective interferometer is a first output port (30) and each interferometer (MZI) also has a second output port (35), • the two output ports (30, 35) are each set up, which is controlled by the interferometer (MZI ) emit mixed light, • the second output port (35) of the respective interferometer (MZI) is each optically coupled to a monitor photodiode (70), and • the evaluation unit (10) is set up, the controllable phase-effective element (40) of the respective interferometer ( MZI) to be controlled in such a way that in each case a light intensity present at the second output port (35) is minimized or is approximated to a predefined value. Optischer Wellenlängenmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • eine Tiefe der Baumstruktur von jedem äußeren Knoten (64) zum Wurzelknoten (60) der Baumstruktur identisch ist, und/oder • die Anzahl äußerer Knoten (64) der Baustruktur einer Zweierpotenz entspricht.Optical wavelength mixer according to one of the preceding claims, wherein • a depth of the tree structure from each outer node (64) to the root node (60) of the tree structure is identical, and/or • the number of outer nodes (64) of the tree corresponds to a power of two. Optischer Wellenlängenmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • in jedem der beiden optischen Arme (50, 55) der jeweiligen Interferometer (MZI) jeweils ein ansteuerbares phasenwirksames Element (40) angeordnet ist, und • die beiden ansteuerbaren phasenwirksamen Elemente (40) eingerichtet sind, eine relative Phasenverschiebung des jeweils eingekoppelten Lichtes zu erzeugen.Optical wavelength mixer according to one of the preceding claims, wherein • a controllable phase-effective element (40) is arranged in each of the two optical arms (50, 55) of the respective interferometer (MZI), and • the two controllable phase-effective elements (40) are set up to produce a relative phase shift of the respectively coupled-in light. Optisches System aufweisend einen optischen Wellenlängenmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche und weiter aufweisend: • ein optisches Phasen-Array (OPA), wobei das optische Phasen-Array (OPA) optisch mit dem Ausgangsport (30) desjenigen Interferometers (MZI) gekoppelt ist, welches den Wurzelknoten (60) der Baumstruktur bildet und eingerichtet ist, durch den Ausgangsport (30) dieses Interferometers (MZI) empfangenes Licht in ein Umfeld des optischen Wellenlängenmischers abzustrahlen, und/oder • mehrere Lichtquellen (LQ), die jeweils mit den Eingangsports (20, 25) der äußere Knoten (64) bildenden Interferometer (MZI) optisch gekoppelt sind, wobei vorteilhafterweise vorgesehen ist, dass die Lichtquellen (LQ) und der integrierte optische Wellenlängenmischer, sowie insbesondere das optische Phasen-Array (OPA), gemeinsam integrierte Komponenten sind.Optical system comprising an optical wavelength mixer according to one of the preceding claims and further comprising: • an optical phased array (OPA), wherein the optical phased array (OPA) is optically coupled to the output port (30) of that interferometer (MZI) which forms the root node (60) of the tree structure and is established through the output port (30) to emit light received from this interferometer (MZI) into an area surrounding the optical wavelength mixer, and/or • several light sources (LQ), each with the input ports (20, 25) of the outer node (64) forming interferometer (MZI) are optically coupled, it being advantageously provided that the light sources (LQ) and the integrated optical wavelength mixer, and in particular the optical phased array (OPA), are commonly integrated components. Optisches System nach Anspruch 5, wobei eine jeweilige Wellenlänge λ des durch die jeweiligen Lichtquellen (LQ) erzeugten Lichtes gemäß λ i = λ 0 + i Δ λ
Figure DE102021203113A1_0003
festgelegt ist, wobei i einen eindeutigen Index für jede Lichtquelle (LQ), λ0 eine Basiswellenlänge des optischen Systems, und Δλ einen vordefinierten Wellenlängenabstand repräsentieren.Optical system after claim 5 , wherein a respective wavelength λ of the light generated by the respective light sources (LQ) according to λ i = λ 0 + i Δ λ
Figure DE102021203113A1_0003
 is fixed, where i represents a unique index for each light source (LQ), λ 0 represents a base wavelength of the optical system, and Δλ represents a predefined wavelength spacing. Optisches System nach Anspruch 6, wobei das optische System eine vordefinierte Zuordnung jeweiliger Lichtquellen (LQ) zu jeweiligen Eingangsports (20, 25) derjenigen Interferometer (MZI) aufweist, welche die äußeren Knoten (64) der Baumstruktur bilden, wobei diese Zuordnung wie folgt ermittelt wird: • Verwenden eines bei null beginnenden fortlaufenden Eingangsportindex /für diejenigen Interferometer (MZI), welche die äußeren Knoten (64) der Baumstruktur repräsentieren, wobei der jeweilige Eingangsportindex / in Übereinstimmung mit einer aus der Baumstruktur resultierenden logischen Abfolge dieser Interferometer (MZI) vergeben wird, • Ermitteln einer Anzahl erforderlicher Stellen S von Binärzahlen gemäß S = log2(N), wobei N dem höchsten für die Lichtquellen (LQ) vergebenen Index entspricht, • Ermitteln einer Binärzahl aus dem die aktuell betrachtete Lichtquelle (LQ) repräsentierenden Index, wobei die Binärzahl eine Anzahl von Stellen aufweist, welche der ermittelten Anzahl von Stellen S entspricht, • Umkehren der Reihenfolge der Stellen der Binärzahl und umwandeln der resultierenden Binärzahl in eine Dezimalzahl, und • Zuordnen der aktuell betrachteten Lichtquelle (LQ) zu demjenigen Eingangsportindex 1, welcher der ermittelten Dezimalzahl entspricht.Optical system after claim 6 , wherein the optical system has a predefined assignment of respective light sources (LQ) to respective input ports (20, 25) of those interferometers (MZI) which form the outer nodes (64) of the tree structure, this assignment being determined as follows: • Using a starting at zero continuous input port index / for those interferometers (MZI) which represent the outer nodes (64) of the tree structure, the respective input port index / being assigned in accordance with a logical sequence of these interferometers (MZI) resulting from the tree structure, • determining a Number of required digits S of binary numbers according to S = log 2 (N), where N corresponds to the highest index assigned for the light sources (LQ), • determining a binary number from the index representing the currently observed light source (LQ), the binary number being a number of places which corresponds to the determined number of places S, • reversing the re order of the digits of the binary number and convert the resulting binary number into a decimal number, and • assigning the light source (LQ) currently being considered to that input port index 1 which corresponds to the determined decimal number. Optisches System nach Anspruch 7, wobei die optischen Eigenschaften der jeweiligen Interferometer (MZI) einen jeweiligen vordefinierten freien Spektralbereich FSR und einen jeweiligen vordefinierten optischen Pfadlängenunterschied ΔL zwischen den beiden optischen Armen der jeweiligen Interferometer (MZI) umfassen, wobei • der jeweilige freier Spektralbereich FSR für die jeweiligen Interferometer (MZI) gemäß F S R = Δ λ 2 ( k + 1 ) 1 ( 2 p − 1 )
Figure DE102021203113A1_0004
festgelegt ist, wobei p eine jeweilige Modenzahl repräsentiert, k einen Tiefenindex des jeweiligen Interferometers (MZI) innerhalb der Baumstruktur repräsentiert, wobei der Wurzelknoten (60) einen Tiefenindex von null aufweist und der Tiefenindex ausgehend vom Wurzelknoten (60) in Richtung der jeweiligen äußeren Knoten (64) jeweils inkrementiert wird, und • der jeweilige optische Pfadlängenunterschied ΔL gemäß Δ L = λ 2 F S R ⋅ n g
Figure DE102021203113A1_0005
festgelegt ist, wobei ng den Gruppenindex repräsentiert.Optical system after claim 7 , wherein the optical properties of the respective interferometer (MZI) include a respective predefined free spectral range FSR and a respective predefined optical path length difference ΔL between the two optical arms of the respective interferometer (MZI), where • the respective free spectral range FSR for the respective interferometer (MZI ) according to f S R = Δ λ 2 ( k + 1 ) 1 ( 2 p − 1 )
Figure DE102021203113A1_0004
 is defined, where p represents a respective mode number, k represents a depth index of the respective interferometer (MZI) within the tree structure, the root node (60) having a depth index of zero and the depth index starting from the root node (60) in the direction of the respective outer nodes (64) is incremented in each case, and • the respective optical path length difference ΔL according to Δ L = λ 2 f S R ⋅ n G
Figure DE102021203113A1_0005
 is fixed, where n g represents the group index. Optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei • die Lichtquellen (LQ) eingerichtet sind, frequenzmoduliertes Licht zu erzeugen, und • die Auswerteeinheit (10) eingerichtet ist, sämtliche Interferometer (MZI), welche für eine Mischung aktuell zu mischender Lichtquellen (LQ) erforderlich sind, in Übereinstimmung mit einer jeweiligen Frequenzmodulation des eingekoppelten Lichtes gleichzeitig durchzustimmen.Optical system according to one of Claims 5 until 8th , wherein • the light sources (LQ) are set up to generate frequency-modulated light, and • the evaluation unit (10) is set up, all interferometers (MZI) which are required for a mixture of light sources (LQ) currently to be mixed, in accordance with one to tune through the respective frequency modulation of the coupled light at the same time. Lidar-System aufweisend einen optischen Wellenlängenmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder ein optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 9.Lidar system comprising an optical wavelength mixer according to one of Claims 1 until 4 or an optical system according to any one of Claims 5 until 9 .
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