Lidar auf einem Chip setzt sich selbst

Kommerzielle Sensoren werden zuverlässig, klein und erschwinglich sein

Autounfälle sind dafür verantwortlich Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind dies jährlich 1,3 Millionen Todesfälle. Das ist, als würde man jedes Jahr die Stadt Prag verlieren. Eine Umstellung auf selbstfahrende Autos und Lastwagen mit verschiedenen Arten elektronischer Sensoren und hochentwickelten Computern am Steuer könnte unzählige Leben retten. Trotz massiver Forschungsinvestitionen und beträchtlicher technischer Fortschritte war es jedoch schwierig, diese vielversprechende Technologie in die Hände der Menschen zu bringen.

Wann werden selbstfahrende Autos wirklich auf eine Einfahrt in Ihrer Nähe kommen? Die Antwort hängt zum Teil davon ab, ob solche Autos einen Sensortyp namens Lidar benötigen, kurz für „Light Detection and Ranging“. Die meisten Gruppen, die autonome Fahrzeuge entwickeln, sehen Lidar als einen entscheidenden Teil der Sensorik an, die für einen sicheren Betrieb erforderlich ist, da es die Erstellung einer detaillierten 3D-Karte der Fahrzeugumgebung mit viel größerer Genauigkeit ermöglicht, als dies mit Kameras möglich ist.

Elon Musk hat Tesla jedoch dazu gedrängt, beim autonomen Fahren einen umstrittenen, nur auf Kameras basierenden Ansatz zu verfolgen. „Menschen fahren mit Augen und biologischen neuronalen Netzen, daher macht es Sinn, dass Kameras und neuronale Siliziumnetze nur eine Möglichkeit sind, eine allgemeine Lösung für das Selbstfahren zu finden“, twitterte Musk im Jahr 2021. Die mechanische Komplexität und die hohen Kosten der meisten Lidar-Sensoren – was nicht der Fall ist vor langer Zeit hätte den Preis jedes Fahrzeugs um Zehntausende Dollar erhöht – zweifellos hat Musks Ansichten mitgeprägt. Bereits 2016 erklärte er, dass „alle Tesla-Fahrzeuge, die das Werk verlassen, über die Hardware verfügen, die für Autonomie der Stufe 5 erforderlich ist“ – was bedeutet, dass nur Autos mit Kameras und Computern alles haben, was für völlig autonomes Fahren erforderlich ist.

Der neueste Prototyp eines Lidar-Systems von Analog Photonics stellt seine Fähigkeiten an einer belebten Kreuzung in Boston unter Beweis. Analoge Photonik

Sieben Jahre und viele Unfälle später ist Tesla nicht über Level 2 Autonomy hinausgekommen, und Verkehrssicherheitsexperten stellen Musks Ablehnung von Lidar in Frage. Der Bedarf an teuren Sensoren würde jedoch die weitverbreitete Einführung sowohl fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme als auch des vollständig autonomen Fahrens verlangsamen. Doch die Reduzierung der Kosten dieser Sensoren auf ein Niveau, das die Anforderungen der Autohersteller erfüllen würde, ist für Lidar-Hersteller nach wie vor ein schwer erreichbares Ziel, das auch darüber nachdenken muss, wie sie ihre Geräte in Autos integrieren können, ohne die Fahrzeugästhetik zu beeinträchtigen.

Wir und andere in unserem Unternehmen Analog Photonics, das 2016 aus dem MIT hervorgegangen ist, hoffen, diese Sackgasse zu überwinden. Wir entwickeln einen winzigen Phased-Array-Lidar im Chip-Maßstab, der eine Kostensenkung und eine einfachere Integration verspricht. Hier möchten wir einige der technischen Herausforderungen erläutern, auf die wir gestoßen sind, und wie nah wir der Kommerzialisierung stehen.

Heute sind mehr als die Hälfte aller Neuwagen mit einem oder mehreren Radarsensoren ausgestattet. Diese Sensoren sind Festkörpersensoren, kosten Hersteller weniger als 100 US-Dollar pro Stück und sind klein genug, um unauffällig am Fahrzeug angebracht zu werden. Sie werden für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt, darunter automatische Notbremsung und adaptive Geschwindigkeitsregelung sowie Spurhaltung und andere erweiterte Fahrerassistenzfunktionen.

Dies war jedoch nicht immer der Fall. Frühe Automobilradare waren groß, mechanisch gesteuert, sendeten kurze Funkwellenimpulse aus und hatten eine begrenzte Leistung. Doch die Umstellung auf elektronische Abtastung und Dauerstrichemissionen in Automobilradaren brachte Leistungssteigerungen und Kostensenkungen mit sich, was wiederum zu ihrer weiten Verbreitung führte.

Lidar durchläuft nun dieselbe Entwicklung. Die Technologie begann etwa im Jahr 2016 für Schlagzeilen zu sorgen, als eine Reihe von Unternehmen, angespornt durch den Erfolg von Lidar-Sensoren an Fahrzeugen, die ein Jahrzehnt zuvor an der DARPA Grand Challenge teilnahmen, mit der Entwicklung maßgeschneiderter Systeme für autonome Fahrzeuge begannen. Diese Systeme wurden in der Regel aus handelsüblichen Komponenten zusammengesetzt.

Diese Animation zeigt, wie die Verzögerung des von einer Reihe von Emittern gesendeten Signals genutzt werden kann, um die Übertragung in verschiedene Richtungen zu lenken. Solche Phased Arrays von Strahlern werden häufig für Radare eingesetzt, können aber auch zur Steuerung des Lichtstrahls in einem Lidar-System eingesetzt werden. Sandeep Sharma

Diese Lidars der ersten Generation reichten nur bis zu einem gewissen Grad. Rotierende oder scannende Spiegel trugen zu ihren hohen Kosten bei und erschwerten ihre Integration in Fahrzeuge. Außerdem litten sie unter Zuverlässigkeitsproblemen, und ihr gepulster Betrieb führte zu Problemen bei direkter Sonneneinstrahlung und führte zu einer inhärenten Anfälligkeit für Störungen durch benachbarte Lidars. Infolgedessen erfüllen die verfügbaren Lidar-Sensoren nicht die strengen Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Kostenziele der Automobilindustrie.

Automobilhersteller sind auf der Suche nach leistungsstarken Lidar-Sensoren mit großer Reichweite, die weniger als 500 US-Dollar pro Stück kosten. Während Lidar-Hersteller Fortschritte gemacht haben, ist die Branche noch nicht so weit.

Unser Unternehmen hat beschlossen, diese Probleme direkt anzugehen, indem es Lidar-Sensoren entwickelt hat, die vollständig auf einem Chip aufgebaut sind – einem photonischen integrierten Schaltkreis aus gewöhnlichem Silizium. Es hat keine beweglichen Teile und erzeugt, sendet und empfängt Licht ohne externe Hardware. Und dank seiner geringen Größe lässt es sich leicht in die Karosserie selbst der elegantesten Autos auf der Straße integrieren.

Lidar ähnelt stark dem Radar, arbeitet jedoch im Infrarotbereich des Spektrums mit Wellenlängen, die typischerweise zwischen 905 und 1.550 Nanometern liegen (im Vergleich zu einigen Millimetern bei Automobilradar). Dieser Wellenlängenunterschied führt zu einer wesentlich besseren räumlichen Auflösung des Lidar-Systems, da die vom Sensor ausgesendeten Wellen stärker fokussiert werden können.

Da wir erkannten, dass die Physik eines Phased Array für alle Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums gilt, haben wir uns entschieden, diesen Ansatz in unserem Festkörper-Lidar zu verwenden.

Die meisten frühen Automobil-Lidargeräte nutzten, wie auch die meisten frühen Radargeräte, die sogenannte Flugzeiterkennung (Time-of-Flight, ToF). Ein kurzer Impuls elektromagnetischer Energie wird ausgesendet, trifft auf ein Objekt und wird dann zum Sensor zurückgeworfen, der die Zeit misst, die der Impuls für diesen Umlauf benötigt. Anschließend berechnet das Gerät die Entfernung zum Objekt anhand der bekannten Lichtgeschwindigkeit in der Luft. Diese Systeme weisen alle einige inhärente Einschränkungen auf. Insbesondere nach diesem Prinzip aufgebaute Lidars sind anfällig für Störungen durch Sonnenlicht und durch Lichtimpulse anderer Lidars.

Die meisten modernen Radarsysteme funktionieren anders. Anstatt Impulse auszusenden, senden sie kontinuierlich Radiowellen aus. Die Häufigkeit dieser Emissionen ist nicht festgelegt. Stattdessen werden sie über einen Frequenzbereich hin und her bewegt.

Um den Grund dafür zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, was passiert, wenn Signale zweier unterschiedlicher Frequenzen nicht rein additiv kombiniert werden. Dadurch werden zwei neue Frequenzen erzeugt: die Summe und die Differenz der beiden Frequenzen, die Sie ursprünglich gemischt haben. Dieser als Überlagerung bezeichnete Prozess wurde erstmals 1901 demonstriert und wird seitdem in großem Umfang in Funkgeräten eingesetzt.

Frequenzmodulierte Dauerstrichradare (FMCW) machen sich die Tatsache zunutze, dass Signale zweier unterschiedlicher Frequenzen, wenn sie auf diese Weise gemischt werden, ein Signal ergeben, dessen Frequenz der Differenz der ersten beiden entspricht. Bei diesen Radargeräten erfolgt die Mischung zwischen dem ausgehenden Signal (oder tatsächlich einer gedämpften Version davon, oft als lokaler Oszillator bezeichnet) und dem reflektierten Signal, die sich in der Frequenz unterscheiden, da das ausgehende Signal, wie bereits erwähnt, schwingend ist über einen Bereich von Frequenzen gefegt. Wenn das reflektierte Signal also zum Sensor zurückkehrt, wird das ausgehende Signal eine andere Frequenz haben als zu dem Zeitpunkt, als die nun reflektierten Wellen die Radarantenne zum ersten Mal verließen.

Wenn das reflektierte Signal für den Hin- und Rückweg lange braucht, ist der Frequenzunterschied groß. Wenn das reflektierte Signal nur kurze Zeit braucht, um zurückzuprallen, ist der Frequenzunterschied gering. Der Frequenzunterschied zwischen ausgehenden und reflektierten Signalen liefert also ein Maß dafür, wie weit das Ziel entfernt ist.

Das Lidar der Autoren besteht aus zwei Teilen: einem photonischen Siliziumchip und einem Halbleiterchip [elektronenmikroskopische Aufnahme links]. Letzteres enthält die Elektronik, die die vielen photonischen Elemente steuert. Eine stärker vergrößerte Mikroaufnahme zeigt die winzigen Kupferhöcker, die zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen diesen beiden Chips verwendet werden [rechts]. ANALOGE PHOTONIK

Obwohl sie komplexer sind als ToF-basierte Systeme, sind FMCW-Systeme empfindlicher, im Wesentlichen immun gegen Störungen und können zusätzlich zur Entfernung auch zur Messung der Geschwindigkeit eines Ziels verwendet werden.

Automotive Lidar verfolgt nun einen ähnlichen Ansatz. Beim FMCW-Lidar wird die Frequenz und damit die Wellenlänge des übertragenen Lichts leicht verändert und dann das rückgestreute Licht mit einem lokalen Oszillator bei der Frequenz des übertragenen Lichts kombiniert. Durch Messung der Frequenzdifferenz zwischen dem empfangenen Licht und dem lokalen Oszillator kann das System die Entfernung zum Ziel bestimmen. Darüber hinaus können auch alle Doppler-Verschiebungen eines sich bewegenden Ziels extrahiert werden, wodurch die Geschwindigkeit des Ziels auf den Sensor zu oder von ihm weg sichtbar wird.

Diese Funktion ist nützlich, um sich bewegende Ziele schnell zu identifizieren und zwischen nahe beieinander liegenden Objekten zu unterscheiden, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Die Geschwindigkeitsmessung kann auch zur Vorhersage anderer Fahrzeugbewegungen genutzt werden und kann sogar die Gesten eines Fußgängers erfassen. Diese zusätzliche Dimension der Daten, die von ToF-Systemen nicht verfügbar ist, ist der Grund, warum FMCW-Systeme manchmal als 4D-Lidar bezeichnet werden.

Wie Sie sich vorstellen können, verwenden FMCW-Lidar-Systeme eine ganz andere Laserquelle als ToF-Systeme. FMCW-Lidars senden kontinuierlich Licht aus, und dieses Licht hat eine vergleichsweise geringe Spitzenleistung. Die Laserleistungen ähneln denen, die in vielen Kommunikationsanwendungen verwendet werden, was bedeutet, dass das Licht durch photonische integrierte Schaltkreise erzeugt und verarbeitet werden kann. Dieses winzige Lasersystem ist einer der Schlüsselfaktoren, die chipbasierte Lidars ermöglicht haben.

Die von uns entwickelten photonischen integrierten Schaltkreise können wie die meisten integrierten Schaltkreise mithilfe von Fotolithographie auf Standard-Siliziumwafern mit einem Durchmesser von 300 Millimetern hergestellt werden. So können wir die Reife der CMOS-Halbleiterfertigungsindustrie nutzen, um alle verschiedenen optischen On-Chip-Komponenten zu kombinieren, die für ein vollständiges Lidar-System erforderlich sind: Laser, optische Verstärker, Wellenleiter, Splitter, Modulatoren, Fotodetektoren und in unserem Fall Fall, optische Phased Arrays.

Die Wirtschaftlichkeit der Halbleiterfertigung senkt die Kosten für jede dieser Komponenten. Auch die Integration aller auf einem einzigen Chip hilft. Denn alle Lidar-Systeme senden Licht und empfangen Licht, und die Sende- und Empfangsoptiken müssen gut aufeinander abgestimmt sein. Bei Systemen, die aus diskreten optischen Komponenten bestehen, erhöht die Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung die Komplexität, die Herstellungszeit und die Kosten. Wenn Dinge aus der Ausrichtung geraten, kann das Lidar ausfallen. Bei der integrierten Photonik ist die präzise Ausrichtung selbstverständlich, da die das Licht transportierenden Wellenleiter lithographisch definiert sind.

Diese Renderings zeigen, wie die derzeit in der Entwicklung befindlichen Lidar-Modelle voraussichtlich aussehen werden. Der linke ist für große Entfernungen mit schmalem Sichtfeld konzipiert, während der rechte für den Nahbereich mit großem Sichtfeld ausgelegt ist. ANALOGE PHOTONIK

Während eine Handvoll Unternehmen an der Entwicklung photonischer IC-basierter Lidar-Geräte arbeiten, hat nur Analog Photonics herausgefunden, wie die Notwendigkeit des mechanischen Scannens der Szene mit seinem Einzelchip-Lidar überflüssig gemacht werden kann. Anstelle der mechanischen Abtastung nutzen wir sogenannte Phased-Array-Systeme, die eine elektronische Strahllenkung ermöglichen.

Das Scannen ist ein wesentlicher Aspekt von Lidar und eine der größten Herausforderungen der Technologie. Das System erstellt ein Bild seiner Umgebung, indem es die Szene mit einem oder mehreren Laserstrahlen abtastet. Um Ziele schnell zu erkennen und zu identifizieren, muss das Lidar sein gesamtes Sichtfeld schnell scannen und dies mit einer ausreichend hohen Auflösung, um verschiedene Objekte unterscheiden zu können.

Ursprünglich scannten Lidar-Sensoren, indem sie entweder den Sensor selbst drehten oder rotierende Spiegel in den Strahlengang einführten. Die daraus resultierende Hardware war umständlich, teuer und oft unzuverlässig.

Obwohl einige Radargeräte ihre Antennen auch mechanisch ausrichten – wie Sie zweifellos an Flughäfen und Yachthäfen bemerkt haben – steuern andere den Radarstrahl elektronisch mithilfe von phasengesteuerten Antennenarrays. Diese Technik passt die Phase der Signale, die jede der mehreren Antennen verlassen, so an, dass Funkwellen in einer Richtung konstruktiv und in anderen Richtungen destruktiv interferieren. Durch Anpassen der Signalphasen an jeder Antenne kann das Radar die Richtung variieren, in der diese Signale konstruktiv zu einem Strahl kombiniert werden.

Elektronisch phasengesteuerte Arrays sind die Strahllenkungstechnologie der Wahl für Automobilradare. Da wir erkannten, dass die Physik eines Phased-Arrays für alle Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums, einschließlich optischer Frequenzen, gilt, haben wir uns entschieden, diesen Ansatz in unserem Festkörper-Lidar zu verwenden. Mit Unterstützung der Defense Advanced Research Projects Agency im Rahmen ihres Modular Optical Aperture Building Blocks-Programms und mit Hilfe mehrerer Automobilpartner (deren Namen wir noch nicht preisgeben können) hat Analog Photonics optische On-Chip-Phased-Arrays entwickelt.

Bei diesen Arrays dient die Oberseite des Chips sowohl als Sende- als auch als Empfangsöffnung – dort verlässt die Energie den Chip und kehrt zum Chip zurück. Die optischen Phasenschieber und Emitter auf dem Chip werden individuell mit spezieller Elektronik gesteuert, um äußerst enge optische Strahlen zu steuern, die nur wenige Millimeter breit sind.

Um einen Lenkbereich zu erreichen, der groß genug ist, um nützlich zu sein, sind Tausende von eng beieinander liegenden Phasenschiebern erforderlich. Beispielsweise müssen bei einem Lidar, der bei einer Wellenlänge von 1.550 nm arbeitet, die Phasenschieber nur 1,5 Mikrometer voneinander entfernt platziert werden, um einen Lenkbereich von 60 Grad zu ermöglichen.

Sie fragen sich vielleicht, wie all diese optische Phasenverschiebung erfolgt. Dazu müssen die optischen Eigenschaften des transparenten Materials in den vielen mikrometergroßen optischen Wellenleitern des Chips verändert werden, die das Licht vom Laser, wo es erzeugt wird, zur Öffnung leiten, wo es emittiert wird. Wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit in diesem Material ändern können, ändern Sie die Phase der Lichtwelle, die den Wellenleiter verlässt.

Das Material ist hier lediglich Silizium, das für Licht im infraroten Wellenlängenbereich transparent ist. Eine Möglichkeit, die Lichtgeschwindigkeit in Silizium zu ändern, besteht darin, Schallwellen hindurchzuleiten, eine Technik, die von Forschern der University of Washington für den Einsatz in Lidar verfolgt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Temperatur zu verändern: Je heißer das Silizium, desto stärker wird der Lichtdurchgang gebremst. Dies ist das Prinzip der sogenannten thermooptischen Phasenschieber.

Bei Tausenden von Phasenschiebern auf einem Chip ist es wichtig, dass jeder von ihnen nur sehr wenig Strom, nämlich nur Mikrowatt, verbraucht. Und das ist schwierig, wenn man die Dinge aufheizen muss. Wir haben die Notwendigkeit einer Erwärmung umgangen, indem wir elektrooptische statt thermooptische Phasenschieber verwendet haben. Dieser Ansatz ermöglichte es uns auch, den Strahl schneller zu steuern, sodass er das Sichtfeld mit Geschwindigkeiten von mehr als einer Million Scanlinien pro Sekunde durchqueren konnte.

Es blieb jedoch die Herausforderung, die vielen eng beieinander liegenden optischen Wellenleiter mit der Elektronik zu verbinden, die zur Einstellung der Lichtgeschwindigkeit in ihnen erforderlich ist. Wir haben dieses Problem mithilfe der Flip-Chip-Technologie gelöst: Auf einem CMOS-Chip befinden sich Tausende von mit Lötmittel beschichteten Kupferhöckern, die etwa 75 Mikrometer voneinander entfernt sind, was etwa der halben Breite eines menschlichen Haares entspricht. Dieses Schema ermöglicht die dauerhafte Verbindung unseres Silizium-Photonik-Chips mit einem elektronischen Halbleiterchip, der die erforderliche digitale Logik und einen passenden Satz Kupfer-Bumps enthält. Einfache Befehle an den elektronischen Chip steuern dann Tausende von photonischen Komponenten auf die entsprechende Weise an, um den Strahl zu bewegen.

Dieser funktionierende Prototyp für das Langstrecken-Lidar der Autoren ist viel größer, als das fertige Produkt sein wird. Analoge Photonik

Analog Photonics hat nun Prototypen des weltweit ersten strahlschwenkenden Lidars auf Festkörperbasis gebaut und an seine Industriepartner geliefert, bei denen es sich um Unternehmen handelt, die Automobilausrüstung direkt an Automobilhersteller liefern. Wir haben die meisten grundlegenden und technischen Herausforderungen gelöst und konzentrieren uns nun darauf, die Leistung des Lidar zu steigern, um die Produktionsspezifikationen zu erfüllen. Wir gehen davon aus, dass wir im Jahr 2025 unsere Kreationen in tatsächliche Produkte umsetzen und eine große Anzahl von Mustern für die Automobilindustrie produzieren können.

Wir arbeiten derzeit an zwei verschiedenen Versionen unseres Lidars: einer Langstreckenversion, die für den Einsatz bei Autobahngeschwindigkeiten vorne am Auto montiert werden soll, und einer Kurzstreckenversion mit einem größeren Sichtfeld, um eine vollständige Rundumabdeckung zu gewährleisten das Fahrzeug. Die beiden Sensoren verfügen über unterschiedliche optische Phased-Arrays in ihren photonischen ICs und teilen sich gleichzeitig die gleiche Back-End-Signalverarbeitung.

Wir gehen davon aus, dass bereits im nächsten Jahr relativ kostengünstige Lidar-Sensoren einiger unserer Konkurrenten wie Cepton und Luminar in einigen Spitzenautos zum Einsatz kommen werden. Und aufgrund der Verfügbarkeit kostengünstiger Festkörpersensoren wie denen, an denen wir arbeiten, wird Lidar bis zum Ende des Jahrzehnts in Neuwagen weit verbreitet sein.

Aber die Zukunft von Lidar wird damit noch nicht enden. Marktforscher gehen davon aus, dass Lidar für viele andere Anwendungen eingesetzt wird, darunter industrielle Automatisierung und Roboter, Anwendungen für mobile Geräte, Präzisionslandwirtschaft, Vermessung und Spiele. Und die Art von Arbeit, die wir und andere mit siliziumphotonischen ICs leisten, sollte dazu beitragen, dass diese strahlende, Lidar-reiche Zukunft umso früher eintritt.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom September 2023 mit dem Titel „Lidar on a Chip Enters the Fast Lane“.