In dem durch den FWF geförderten Projekt „Interferometrische Abstandsmessung mit APDs und SPADs“ es ist unser Ziel ausgezeichnete Abstandspräzision mit weitem Messbereich zu kombinieren. Während interferometrische Abstandsmessung es erlaubt Distanzen mit einer Präzision von einigen Mikrometern oder sogar darunter zu messen, ist die geringe optische Leistung die man bei längeren Distanzen üblicherweise empfängt ein stark limitierender Faktor für die Reichweite als auch die Präzision solcher Systeme.

In diesem Projekt entwickeln und untersuchen wir Sensorchips welche Korrelatoren und Einzelphotonen beinhalten. Diese Einzelphotonendetektoren erlauben es die Empfindlichkeit solcher Sensoren um 3-4 Größenordnungen zu verbessern [1]. Das ermöglicht es entweder die optische Leistung der Lichtquelle um 3-4 Größenordnungen zu reduzieren, oder, falls die Lichtleistung gleich belassen wird, den Messbereich aus dem noch ausreichend Licht für den Sensor empfangen wird um den Faktor 30-100 zu vergrößern.

Außerdem entwickeln und untersuchen wie Laserquellen für interferometrische Abstandsmessprinzipien sowie für Messprinzipien die auf der Messung der Laufzeit des Lichtes beruhen. Unter den Laserquellen für interferometrische Messungen ist auch eine Quelle bei der die Frequenz bzw. Wellenlänge kontinuierlich moduliert wird, die eine Präzision im Bereich einiger Micrometer erreicht, während der Messbereich sogar mehr als 30 m sein kann. Durch Nutzung innovativer Echtzeitregelung, können für so ein Setup leistbare Laserdioden genutzt werden und der Aufbau kann kompakt und robust gehalten werden [3].

Die folgende Abbildung zeigt einen der Testchips die im Rahmen dieses Projektes entwickelt wurden. Dieser Chip enthält einen Einzelphotonendetektor, eine aktive Schaltung zur Ansteuerung dieses Detektors, sowie zwei Korrelatoren. Dieser Chip kann sowohl für interferometrische Systeme als auch für Systeme die auf der Laufzeitmessung von Licht beruhen genutzt werden.

Chipfoto

Digitaler Abstandsmesschip mit integriertem Einzelphotonendetektor, der entsprechenden Ansteuerschaltung sowie zweier Korrelatoren

Referenzen

  1. Alexander Kuttner, Michael Hauser, Horst Zimmermann, and Michael Hofbauer, “Highly sensitive indirect time-of-flight distance sensor with integrated single-photon avalanche diode in 0.35 µm CMOS,” IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 4, (2022), pp. 1–6, doi: 10.1109/JPHOT.2022.3182153.
  2. Michael Hofbauer, “Precise distance measurement with thick SPADs,” In proceedings of International SPAD Sensor Workshop, invited talk, 2022, p. 30.
  3. Michael Hauser and Michael Hofbauer, “FPGA-based EO-PLL with repetitive control for highly linear laser frequency tuning in FMCW LIDAR applications,” IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 1, (2021), pp. 1–8, doi: 10.1109/JPHOT.2021.3139053.
  4. Alexander Kuttner, Michael Hauser, Alija Dervic, Horst Zimmermann, and Michael Hofbauer, “SPAD based digital photon counting optical distance sensor in 150 nm CMOS using indirect multiphase time-of-flight,” 2021 44th International Convention on Information, Communication and Electronic Technology (MIPRO), 2021, pp. 1765–1770, doi: 10.23919/MIPRO52101.2021.9597003.
  5. Michael Hauser, Alija Dervic, Alex Kuttner, Horst Zimmermann, and Michael Hofbauer, “Time of flight analog correlator for distance measurement with SPADs,” 2021 44th International Convention on Information, Communication and Electronic Technology (MIPRO), 2021, pp. 1771–1776, doi: 10.23919/MIPRO52101.2021.9597003.

Danksagung

Dieses Projekt wurde gefördert durch den FWF unter Grant Nummer P30927-N30.