Projekt

Time of Flight Excellence − Wie kurz können Impulse werden?

Sogar 300 Picosekunden (10⁻¹²) sind messbar

 
Time of Flight Excellence - Wie kurz können Impulse werden?

Die dreijährige, erfolgreiche Forschungskooperation zwischen dem Industriepartner ams AG und dem wissenschaftlichen Partner FH JOANNEUM ermöglicht einen weiteren wichtigen Schritt in der Anwendbarkeit der Lidar-Technologie. Die Entwicklungsfortschritte des Projekts LIDAR können sich sehen lassen und zeigen, was die Forscher:innen des Instituts Electronic Engineering geleistet haben.

Theoretische Vorarbeiten und praktische Umsetzung

Basierend auf den Forschungstätigkeiten in den ersten beiden Jahren wurden in einem nächsten Schritt die Leistungsbauteile hinsichtlich Hochfrequenzverhalten charakterisiert und der Aufbau des Leistungsteils optimiert. Die Loop Inductance wurde durch einen optimierten Aufbau (kürzeste Distanzen) auf der Platine reduziert. Durch die Messung der Inductance konnten die theoretischen Limits des Machbaren definiert und dadurch ein Beweis für die optimale Auslegung des Systems erbracht werden. Diese theoretischen Vorarbeiten bewirkten, dass die Forscher:innen die Zweiplatinenlösung zu einer Einplatinenlösung weiterentwickeln konnten, die auch „alone“, also ohne externe Hardware und externen Rechner funktioniert.

Demonstratoraufbau

Die Platine enthält zwei integrierte Lidar-Chips von ams, von denen jeweils einer als Infrarot-Empfänger ausgewählt werden kann, und ein leistungsstarkes VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser), das als Infrarot-Sender (Infrarot-Laser mit 940nm Wellenlänge) fungiert und die Reichweite der Lidar-Chips erhöht. Wegen der extrem kurzen Lichtimpulse von circa 300ps bis 10ns wurden alle Bauteile des Sender-Leistungsteils bezüglich ihrer Hochfrequenzeigenschaften im Frequenzbereich von 100 kHz bis 8 GHz vermessen und simuliert. Hintergrund war die Fragestellung, ob man mit den verfügbaren Bauteilen derartig kurze Schaltzeiten überhaupt erreichen kann, und falls ja, ob dann die abgestrahlte Lichtleistung und damit die erzielbare Reichweite nicht drastisch reduziert würde. Eine weitere Frage war der Einfluss von parasitären Bauteilen durch Leitungsstrukturen und Bauteilgeometrien auf der Leiterplatte.

Diese Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit den Silicon Austria Labs (SAL) Graz durchgeführt. SAL übernahm die Aufgabe der Hochfrequenzsimulation der Leiterplatte, insbesondere des Laser-Leistungsteils. Das Verhalten der Bauteile wurde mit zwei verschiedenen Messgeräten analysiert: einem Hochfrequenz-Impedanzanalysator von SAL und einem Netzwerkanalysator der FH JOANNEUM. Die Messungen lieferten identische Ergebnisse (Bild unten). Sie zeigten, dass das VCSEL und der Leistungsschalter (GaN-FET) sich wie ohmsch-induktive Lasten verhalten, die oberhalb von 10 MHz (GaN) beziehungsweise 60 MHz (VCSEL) Induktivitäten sind, die den Stromanstieg des Lasers, und somit seine Ausgangsleistung bei immer kürzeren Impulsen zunehmend begrenzen.

Foto: FH JOANNEUM
Histogramm Shortpulse
Foto: FH JOANNEUM
Histogramm Mediumpulse

Das Projekt bringt uns sehr wertvolle Erfahrung im Bereich extrem schnell schaltender Leistungskreise mit Wide-Bandgap-Transistoren und ermöglicht uns, diesen zukunftsträchtigen F&E-Schwerpunkt weiter auszubauen.

FH-Prof. DI Dr. Robert Okorn, Projektleiter