Chip-Scale LiDAR: Kleiner, günstiger dank LiNbO3-Pockels-Laser

How Precision Lasers Power Modern LiDAR

Laser sind eine unterschätzte Grundlagentechnologie, die die moderne Welt unterstützt. Sie werden in der Halbleiterfertigung, der Glasfaser‑Telekommunikation, dem Gravieren und Drucken, optischen Datenträgern, der Chirurgie, Messungen, militärischen Systemen, der Luft‑ und Raumfahrt usw. eingesetzt.

Eine kürzlich stark nachgefragte Anwendung von Lasern ist LiDAR (Light Detection and Ranging) oder „Laser‑Radar“, ein Verfahren, das einen Laser nutzt, um den Abstand zu einem Objekt mit höchster Präzision zu bestimmen.

LiDARs werden von fast allen Unternehmen für autonomes Fahren eingesetzt, um ihre selbstfahrenden Fahrzeuge zu betreiben, wobei große Geräte auf den Fahrzeugen montiert werden.

Quelle: SFGate

Das Problem bei LiDAR ist, dass es recht sperrig und teuer ist, was eine Massenverbreitung unwirtschaftlich macht. Es ist zudem sehr empfindlich, was die langfristigen Kosten weiter erhöht.

Das könnte sich gerade jetzt geändert haben, dank eines neuen Laserkonzepts von Forschern der University of Rochester (USA) und der University of California (USA). Es verzichtet auf herkömmliche Silizium‑Photonik und verwendet stattdessen Lithiumniobat.

Sie veröffentlichten ihre Entdeckung in Light Science & Applications¹ unter dem Titel “Pockels laser directly driving ultrafast optical metrology”.

Understanding LiDAR: Principles & Techniques

LiDAR Distance-Measurement Basics

Das Grundprinzip eines LiDAR ist dem eines Radars ähnlich: Ein Signal wird ausgesendet und prallt von einem Objekt zurück zur Quelle. Die Zeit zwischen Aussendung und Rückkehr gibt Aufschluss über die Entfernung.

Der Unterschied besteht darin, dass LiDAR unsichtbare Strahlen im Infrarot‑ oder manchmal Ultraviolett‑Bereich verwendet, anstelle von Radiowellen (das “R” in RADAR – RAdio Detection And Ranging)

Quelle: Synopsis

Da Licht extrem schnell ist, benötigen LiDARs eine extrem präzise Laser‑Wellen‑Steuerung, was zu hoher Komplexität, Kosten und Fragilität des Systems führt.

Pockels Effect: Enabling Ultrafast Laser Tuning

Die Forscher haben versucht, die LiDAR‑Technologie zu verbessern, indem sie den Pockels‑Effekt nutzten. Dieses Phänomen ändert in manchen Materialien den Brechungsindex (wie das Material Licht bricht), wenn ein elektrisches Feld aktiv ist.

Der Pockels‑Effekt wird von speziellen Kristallen wie Monokaliumphosphat oder dem in dieser Studie verwendeten Lithiumniobat gezeigt, einem synthetischen Salz aus Lithium, Niob und Sauerstoff.

Quelle: Sumimoto

Er ermöglichte den Forschern, einen Laser zu erzeugen, der seine Farbe über ein breites Lichtspektrum hinweg sehr präzise und mit sehr schnellen Raten – etwa 10 Trillionen Mal pro Sekunde – ändern kann.

Eine häufige Anwendung von Lithiumniobat ist für Oberflächenakustikwellen (SAW) in Smartphones und anderen elektronischen Geräten, um Filter zur Unterdrückung von Rauschen und Störungen zu erzeugen, sodass diese Technologie eine bestehende Lieferkette nutzen kann.

Building a Chip-Scale Pockels LiDAR Laser

Thin-Film Lithium Niobate: Nanometer-Scale Engineering

Die Wissenschaftler verwendeten eine Dünnschicht aus Lithiumniobat, die auf einem Substrat aus Siliziumdioxid und Silizium abgeschieden und durch eine Schicht Siliziumoxid geschützt wurde.

Quelle: Light Science & Applications

Sie testeten anschließend verschiedene Varianten der Silizium‑Schutzschicht und fanden die optimale Dicke, die den am kontrollierbarsten Frequenzbereich erzeugen kann.

Quelle: Light Science & Applications

Das Ergebnis war ein miniaturisierter Laser, so groß wie ein Computerchip, mit extrem kontrollierbaren Parametern für LiDAR‑Anwendungen.

„Es ist ein sehr wichtiger Prozess, der für optische Uhren verwendet werden kann, die die Zeit mit extremer Präzision messen, aber dafür benötigt man viel Equipment. Ein typisches Setup könnte Geräte in der Größe eines Desktop‑Computers erfordern, wie einen intrinsischen Laser, einen Isolator, einen akusto‑optischen Modulator und einen Phasenmodulator.

Unser Laser kann all diese Komponenten in einen sehr kleinen Chip integrieren, der elektrisch einstellbar ist.

Shixin Xue – Shixin Xue, a PhD student at Rochester University 

Performance Metrics: Frequency Chirp & Velocimetry

Bei Messungen zeigte der Chip eine Leistung, die alle bestehenden Laser bei weitem übertraf.

Bemerkenswert erreichte er eine „Frequenz‑Chirprate“ von bis zu 20 EHz/s bei einer Modulationsbandbreite von über 10 GHz. Zum Vergleich sind diese Werte um Größenordnungen höher als bei bestehenden Lasern.

Der Laschip konnte eine Velocimetrie von 40 m/s über eine kurze Strecke von 0,4 m erreichen, und die visuelle Auflösung lag unter 2 cm. Es ist sogar möglich, dass die Geschwindigkeitsmessung höher als 40 m/s sein könnte, aber das experimentelle Setup erlaubte keine schnelleren Tests.

Diese Kurzstrecken‑Leistungen sind wichtig, da traditionelle LiDAR‑Systeme damit fast immer Schwierigkeiten haben, insbesondere bei schnell bewegten Objekten – ein großes Problem für die Technologie des autonomen Fahrens, die nahe und schnell bewegte Objekte klar erkennen muss.

Quelle: Light Science & Applications

Why Miniaturized LiDAR Matters: Benefits & Use Cases

Bisher blieb die Entwicklung der Laser‑Frequenzkontrolle relativ begrenzt. Das hat zu erheblichen Einschränkungen bei der praktischen Anwendung von Lasermessungen geführt, bedingt durch Größe, Gewicht und Stromverbrauch dieser Systeme.

Daher sind selbstfahrende Autos und andere autonome Fahrzeuge (wie Drohnen) sowie Geräte (Robotik) die offensichtlichsten Anwendungsbereiche für diese Technologie. Das Feld wurde durch zwei Probleme gehemmt: einer KI, die intelligent genug ist, die Autos sicher zu steuern, und den Kosten & der Größe von LiDARs, um der KI eine genaue Sicht auf ihre Umgebung zu geben. Lithiumniobat‑Photonik könnte das zweite Problem gerade rechtzeitig lösen, wenn KI‑Systeme ausreichend leistungsfähig werden.

Dies ist nicht die einzige Anwendung ultrapräziser Lasermessungen. Die fortgeschrittene Fertigung nutzt LiDAR ebenfalls für kontinuierliche Messungen und Kalibrierungen. Telekommunikation, Quantenkommunikation, die Erzeugung von Mikrowellen und Sensoren könnten ebenfalls von taschengroßen, kostengünstigen und energiearmen Lasermessungen profitieren.

Wissenschaftler nutzen Laser sogar zur Messung von Gravitationswellen, zur Beobachtung dunkler Materie und anderen fortgeschrittenen physikalischen Berechnungen. Ultrapräzise Velocimeter (Geschwindigkeitsmessungen) könnten ebenfalls wichtig für die Entwicklung besserer Inertialfusion sein, wodurch sie insgesamt zu wissenschaftlichen Fortschritten beitragen.

Investieren in Lasertechnologie

Laser sind in unzähligen Bereichen moderner Technologie präsent, von optischen Datenträgern über chirurgische Werkzeuge, 3D‑Druck, Halbleiter, Fertigung bis hin zu Genomsequenzierern, mit einem Marktvolumen von 17,8 Mrd. $, das bis 2030 voraussichtlich um 7,8 % CAGR wachsen wird.

Sie können in laserbezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch Technologie‑ETFs wie iShares U.S. Technology ETF (IYW) oder ProShares Nanotechnology ETF (TINY) in Betracht ziehen, obwohl es keinen reinen Laser‑ETF gibt; diese bieten eine diversifiziertere Exposure, um vom Wachstum im Nanotechnologie‑ und Technologiebereich zu profitieren.

Top Public Laser & Photonics Companies

Coherent (II-VI Marlow): A Leader in Laser Innovation

Coherent ist ein großer Industriekonzern mit über 26.000 Mitarbeitenden und ein führendes Unternehmen im Bereich Lasertechnologie. Das Unternehmen entstand durch die Fusion des fortschrittlichen Materials II‑VI Marlow mit dem Lasermacher Coherent.

Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnarsenid.

Es wuchs vor allem dank mehrerer Akquisitionen im letzten Jahrzehnt, von 600 Mio. $ Umsatz im Jahr 2013 auf 4,7 Mrd. $ im Jahr 2024.

Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Umsätze direkt aus Lasern, während der Rest mit zugehöriger Ausrüstung wie Glasfasern und Elektronik verbunden ist. Die Kategorie Instrumentierung umfasst hauptsächlich Anwendungen in den Lebenswissenschaften und der Medizintechnik.

Quelle: Coherent

Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (über die wir in einem früheren Artikel schon berichtet haben), Siliziumkarbid, Lasern und Elektronik ermöglicht es, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3D‑Druck), der Elektrifizierung und erneuerbarer Energien zu profitieren.

Das Unternehmen hat kürzlich sein Siliziumkarbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, wobei der Rest zu gleichen Teilen von den Partnern Mitsubishi Electric (die Siliziumkarbid‑Leistung‑IP einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter aktiv sind) gehalten wird.

Dies liegt daran, dass Siliziumkarbid zunehmend eine eigenständige Technologie ist, die hauptsächlich in Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeugen, Batterien und erneuerbaren Energien eingesetzt wird.

Coherent ist ein führendes Unternehmen im Bereich LIDAR und 3D‑digitales Sensing, einschließlich Anwendungen für autonomes Fahren, Biotechnologie Next‑Generation‑Sequencing (NGS) Flow‑Cells und Laser für die Halbleiterfertigung. Es erwartet, dass seine Hauptmärkte mit 8‑20 % wachsen.

Quelle: Coherent

Weitere potenzielle neue Anwendungen von Lasern, wie Direktenergie‑Waffen, photonisches Rechnen, Kernfusion und Raumfahrttechnologie, könnten ebenfalls das langfristige Wachstum des Unternehmens unterstützen.

Insgesamt ist Coherent das am nächsten an ein reines, börsennotiertes Laserunternehmen herankommende Unternehmen für Investoren, die an diesem Sektor interessiert sind, mit starker vertikaler Integration und über 3.100 Patenten, die seine Innovationen schützen.

Coherent produziert bereits Lithiumniobat‑Wafer in großem Maßstab

Latest Coherent (COHR) Stock News and Developments

Study Referenced

^{1. Xue, S., Li, M., Lopez‑rios, R., et al. Pockels‑Laser, der ultrahochschnelle optische Metrologie direkt antreibt. Light Sci Appl 14, 209 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01872-4}