This paper gives an overview of the CARMENES instrument and of the survey that will be carried out with it during the first years of operation. CARMENES (Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs) is a next-generation radial-velocity instrument under construction for the 3.5m telescope at the Calar Alto Observatory by a consortium of eleven Spanish and German institutions. The scientific goal of the project is conducting a 600-night exoplanet survey targeting ~ 300 M dwarfs with the completed instrument. The CARMENES instrument consists of two separate echelle spectrographs covering the wavelength range from 0.55 to 1.7 μm at a spectral resolution of R = 82,000, fed by fibers from the Cassegrain focus of the telescope. The spectrographs are housed in vacuum tanks providing the temperature-stabilized environments necessary to enable a 1 m/s radial velocity precision employing a simultaneous calibration with an emission-line lamp or with a Fabry-Perot etalon. For mid-M to late-M spectral types, the wavelength range around 1.0 μm (Y band) is the most important wavelength region for radial velocity work. Therefore, the efficiency of CARMENES has been optimized in this range. The CARMENES instrument consists of two spectrographs, one equipped with a 4k x 4k pixel CCD for the range 0.55 - 1.05 μm, and one with two 2k x 2k pixel HgCdTe detectors for the range from 0.95 - 1.7μm. Each spectrograph will be coupled to the 3.5m telescope with two optical fibers, one for the target, and one for calibration light. The front end contains a dichroic beam splitter and an atmospheric dispersion corrector, to feed the light into the fibers leading to the spectrographs. Guiding is performed with a separate camera; on-axis as well as off-axis guiding modes are implemented. Fibers with octagonal cross-section are employed to ensure good stability of the output in the presence of residual guiding errors. The fibers are continually actuated to reduce modal noise. The spectrographs are mounted on benches inside vacuum tanks located in the coud´e laboratory of the 3.5m dome. Each vacuum tank is equipped with a temperature stabilization system capable of keeping the temperature constant to within ±0.01°C over 24 hours. The visible-light spectrograph will be operated near room temperature, while the near-IR spectrograph will be cooled to ~ 140 K. The CARMENES instrument passed its final design review in February 2013. The MAIV phase is currently ongoing. First tests at the telescope are scheduled for early 2015. Completion of the full instrument is planned for the fall of 2015. At least 600 useable nights have been allocated at the Calar Alto 3.5m Telescope for the CARMENES survey in the time frame until 2018. A data base of M stars (dubbed CARMENCITA) has been compiled from which the CARMENES sample can be selected. CARMENCITA contains information on all relevant properties of the potential targets. Dedicated imaging, photometric, and spectroscopic observations are underway to provide crucial data on these stars that are not available in the literature.

The CARMENES radial velocity (RV) survey is observing 324 M dwarfs to search for any orbiting planets. In this paper, we present the survey sample by publishing one CARMENES spectrum for each M dwarf. These spectra cover the wavelength range 520--1710nm at a resolution of at least $R > 80,000$, and we measure its RV, H$\alpha$ emission, and projected rotation velocity. We present an atlas of high-resolution M-dwarf spectra and compare the spectra to atmospheric models. To quantify the RV precision that can be achieved in low-mass stars over the CARMENES wavelength range, we analyze our empirical information on the RV precision from more than 6500 observations. We compare our high-resolution M-dwarf spectra to atmospheric models where we determine the spectroscopic RV information content, $Q$, and signal-to-noise ratio. We find that for all M-type dwarfs, the highest RV precision can be reached in the wavelength range 700--900nm. Observations at longer wavelengths are equally precise only at the very latest spectral types (M8 and M9). We demonstrate that in this spectroscopic range, the large amount of absorption features compensates for the intrinsic faintness of an M7 star. To reach an RV precision of 1ms$^{-1}$ in very low mass M dwarfs at longer wavelengths likely requires the use of a 10m class telescope. For spectral types M6 and earlier, the combination of a red visual and a near-infrared spectrograph is ideal to search for low-mass planets and to distinguish between planets and stellar variability. At a 4m class telescope, an instrument like CARMENES has the potential to push the RV precision well below the typical jitter level of 3-4ms$^{-1}$.