Schneller ist nicht immer besser, besonders wenn es sich um einen 3D-Lidar-Sensor in fortschrittlicher Technologie handelt. Mit Anwendungen in autonomen Fahrzeugen, Robotern und Drohnen, Sicherheitssystemen und mehr streben die Forscher nach einem 3D-Sensor, der kompakt und einfach zu bedienen ist. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im Paper „Wide beam steering by slow-light waveguide gratings and a prism lens“ am 20. Januar 2020 in Optica, einer von der Optical Society herausgegebenen Zeitschrift.

Lidar-Sensoren können die Entfernung zwischen weit entfernten Objekten mit Hilfe von Laserlicht abbilden. Bei aktuellen Lidar-Sensoren bestehen viele der Systeme aus einer Laserquelle, einem Fotodetektor, der Licht in Strom umwandelt, und einer optischen Strahlsteuerung, die das Licht an die richtige Stelle lenkt.

Der nur wenige Quadratmillimeter große photonische Chip ist Grundlage des Lidar-Sensorsystems auf Festkörperbasis, das eine kontinuierliche Strahlsteuerung über ein 40 × 4,4° großes Sichtfeld ermöglicht.

Der nur wenige Quadratmillimeter große photonische Chip ist Grundlage des Lidar-Sensorsystems auf Festkörperbasis, das eine kontinuierliche Strahlsteuerung über ein 40 × 4,4° großes Sichtfeld ermöglicht. Yokohama National University

„Die derzeit existierenden optischen Vorrichtungen zur Strahlführung bei Lidar-Sensoren verwenden alle eine Art von Mechanik, wie zum Beispiel rotierende Spiegel“, sagt Toshihiko Baba, einer der Autoren der Veröffentlichung und Professor für Elektro- und Computertechnik an der Yokohama National University. Dies macht das Lidar-System groß und schwer, mit begrenzter Geschwindigkeit und hohen Kosten – einer der größten Stolpersteine zum großflächigen Einsatz von Lidar-Sensoren.

Photonische Kristalle

In den letzten Jahren, so Baba, haben sich immer mehr Ingenieure auf optische Phased Arrays konzentriert, die den optischen Strahl ohne mechanische Teile lenken. Aber, so warnt Baba, ein solcher Ansatz kann aufgrund der schieren Anzahl der erforderlichen optischen Antennen sowie der Zeit und Präzision, die für die Kalibrierung jedes einzelnen Bestandteils der Systeme erforderlich sind, kompliziert ausfallen.

In ihrer Studie verwendeten die Forscher einen anderen Ansatz – langsames Licht. Zum Einsatz kam ein gitterverschobener photonischer Kristallwellenleiter (LSPCW) auf Siliziumbasis, also ein photonischer Kristall, bei dem Licht durch ein in Silizium geätztes Medium gelenkt wird. Das Licht wird verlangsamt und in den freien Raum emittiert, wenn es gezwungen wird, mit dem photonischen Kristall zu interagieren. Die Forscher setzten eine Prismenlinse ein, um den Strahl dann in die gewünschte Richtung zu lenken.

Klein und mit viel Potenzial nach oben

Der nur wenige Quadratmillimeter große photonische Chip wurde in CMOS-Technologie hergestellt. In Kombination mit einem festen Prisma konnte der 3D-Sensor eine kontinuierliche Strahlsteuerung über ein 40 × 4,4º großes Sichtfeld erreichen. Die Forscher um Baba gehen davon aus, dass sich das Sensor-System noch weiter miniaturisieren lässt, wodurch sich auch die Anzahl der aufgelösten Punkte von 4256 für den im Labor getesteten Prototypen auf 345.600 erhöhen ließe. Gleichzeitig würde damit das Sichtfeld des Lidar-Sensors bei gleichem Platzbedarf größer ausfallen. Für Baba und seine Kollegen ist der nächste Schritt die umfassendere Demonstration des Potenzials des Festkörper-Lidar und seine Kommerzialisierung.