Für SAE Level 3 und darüber hinaus werden LiDAR-Systeme in Zukunft unverzichtbar für Fahrzeuge sein. Zusammen mit Radar- und CMOS-Bildsensoren ermöglichen sie fortschrittliche und autonome Fahrfunktionen. Zu den Herausforderungen für zukünftige LiDAR-Systeme zählen große Sichtbereiche in Kombination mit einer hohen Auflösung und einer zuverlässigen Zielerfassung für Reichweiten bis zu 250 m und weiter. Dabei müssen auch kleine Objekte mit geringem Reflexionsvermögen auf große Entfernungen erkannt werden, selbst bei hellem Sonnenlicht.

Einer der Schlüssel zur Erfüllung dieser Anforderung ist eine hohe Photonendetektionseffizienz (PDE) und ein hoher Dynamikbereich. Angesichts der Tatsache, dass Automotive-Applikationen zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden müssen, hat sich Broadcom für Siliziumdetektoren entschieden, die für eine Wellenlänge von 905 nm gut geeignet sind.

Dazu hat die Broadcom Industrial Fiber Products Division (IFPD) ihr Portfolio an optischen Sensoren erweitert und um neue Silizium-Photomultiplier (SiPM) für Automobil- und industrielle LiDAR-Anwendungen ergänzt. Silizium-Photomultiplier erkennen Licht, sogar bis auf die Ebene einzelner Photonen. Diese Silizium-Arrays von Avalanche-Photodioden werden im Geiger-Modus betrieben und sind zu einem SiPM parallel geschaltet. Je nach Lichtquelle und Anwendung können mehrere hundert bis tausende von SPADs (Sensitive Single Photon Avalanche Dioden) kombiniert werden. Jede SPAD enthält einen integrierten Reihenwiderstand, der die Avalanche löscht und die Diode für das nächste eintreffende Photon zurücksetzt. Der Signalausgang des SiPM besteht aus einem elektrischen Strom, der proportional zur Anzahl der auf den Sensor treffenden Photonen ist, und zeichnet sich durch eine sehr hohe Verstärkung und eine schnelle Reaktionszeit aus. Der SiPM eignet sich ideal für Bereiche, in denen die Detektion von schwachem Licht und präzise Zeitinformationen erforderlich sind, wie z. B. Szintillator-basierte Detektoren und Time-of-Flight-Systeme.

Nahes Ultraviolett

NUV-MT SiPM mit hoher Empfindlichkeit vom NUV (nahes UV) bis zu den roten Wellenlängen des Lichtspektrums mit einer beispiellosen PDE von 63 % bei 420 nm. Das MT für metallgefüllte Gräben kombiniert maximale PDE mit reduziertem korreliertem Rauschen (Übersprechen). Alle NUV-MT-Produkte werden in einem neu entwickelten, vergossenen PCB-Gehäuse mit höchster Transparenz von 250 nm bis 900 nm und darüber hinaus geliefert. Das sorgt für eine ausgezeichnete Robustheit, ohne die Empfindlichkeit zu beeinträchtigen. Zu den Anwendungsbereichen gehören Medizin, Biowissenschaften, Sicherheit und HEP-Experimente, vor allem wenn Szintillatoren eingesetzt werden. Die NUV-MT bieten die beste PDE- und Timing-Leistung ihrer Klasse für TOF-PET-Anwendungen.

Blau-empfindliche SiPM

Die blau-empfindlichen SiPM-Produkte von Broadcom arbeiten im Bereich von 250 nm bis 900 nm und haben eine Spitzenempfindlichkeit von 420 nm. Mit der TSV-Technologie (Through Silicon Via) und einem CSP (Chip-Scale Package) wird eine hohe Strukturdichte erreicht. Eine Glasschicht, die bis in den UV-Bereich hochtransparent ist, schützt die NUV-HD SIPMs. Die blau-empfindlichen Bauelemente bieten eine erstklassige PDE- und Timing-Leistung für TOF-PET-Anwendungen. Zu den Anwendungsbereichen gehören Medizin, Biowissenschaften, Sicherheit und HEP-Experimente, vor allem wenn Szintillatoren eingesetzt werden.

Nahinfrarot

Die neuesten Nahinfrarot (NIR)-SiPM-Lösungen von Broadcom bewältigen verschiedene Herausforderungen, wie z. B. Reichweitenbeschränkungen und die Auflösung mehrerer Ziele. Durch die Kombination einer hohen Photonen-Detektionseffizienz (PDE) von 18 Prozent bei 905 nm mit einer Wiederaufladezeit von 10 ns bietet die verwendete NIR-SiPM-Technologie eine zuverlässige Leistung. Bei kleinster Zellengröße wird ein hoher Dynamikbereich erreicht. Eine Dunkelzählrate (DCR) von 600 kHz/mm², ein Übersprechen von < 20 % und eine Nachimpulswahrscheinlichkeit machen diesen NIR-SiPM zu einem geeigneten Sensor für hochleistungsfähige LiDAR-Anwendungen. Die Einzelphotonen-Zeitauflösung beträgt 500 ps.

Künftige Entwicklungen

Die neuen, hochmodernen NIR-Lösungen sind für LiDAR-Anwendungen konzipiert. Eine sehr hohe PDE, eine kleine Zellengröße und eine kurze Aufladezeit sind entscheidend für die Einführung von LiDAR auf dem Massenmarkt. Mit seiner langjährigen Erfahrung in der Entwicklung und Bereitstellung von faseroptischen Lösungen für den Automobilsektor und die Industrie ist Broadcom hervorragend positioniert, um die wachsende Nachfrage nach leistungsstarken LiDAR-Sensoren zu bedienen.