CN107144847B - 一种激光雷达收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达收发系统，通过可调谐激光器发出激光信号；通过光控相控阵向外发射所述激光信号，并接收外部返回的激光信号；由相干光探测器接收所述激光信号和所述外部返回的激光信号；通过至少一个光开关控制激光信号的传输路径；并由控制电路控制所述可调谐激光器、所述光控相控阵、所述相干光探测器及所述光开关工作。其中的相干光探测器可以探测到非常弱的光信号，进而使所述激光雷达收发系统的探测距离相比现有技术大大加长，提高了整个系统的探测灵敏度。

Description

一种激光雷达收发系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种激光雷达收发系统。

背景技术

激光雷达在方向性、稳定性、分辨率和探测距离等诸多方面都有了巨大的进步，其在军事领域内大发展的同时，也广泛地进入民生领域，如大气探测、城市测绘、海洋探测、自主驾驶、机器人技术、激光电视、激光三维成像、工业机械人、GPS定位等等。

当前市场上大多数激光雷达均采用由离散的自由空间光学元件构成，但是其结构复杂、体积庞大、扫描范围小且价格昂贵，正面临小型化、安全化、网络化、智能化等多项挑战。

采用硅基光电子集成技术实现光控相控阵雷达，是解决激光雷达面临上述多项挑战的有效途径。图1所示为目前芯片式激光雷达结构示意图，包括两个光控相控阵，分别做发射(TX)和接收(RX)。但是图1所示的芯片式激光雷达，其结构中光损耗比较大，因此其探测距离比较近。

发明内容

本发明提供一种激光雷达收发系统，以解决现有技术中探测距离近的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种激光雷达收发系统，包括：

可调谐激光器，用于发出激光信号；

光控相控阵，用于向外发射所述激光信号，并接收外部返回的激光信号；

相干光探测器，用于接收所述激光信号和所述外部返回的激光信号；

至少一个光开关，用于控制激光信号的传输路径；

控制电路，用于控制所述可调谐激光器、所述光控相控阵、所述相干光探测器及所述光开关工作。

优选的，所述光开关为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

所述光开关第一端的两个端口分别与所述可调谐激光器和所述相干光探测器的一个端口相连；

所述光开关第二端的两个端口分别与所述光控相控阵和所述相干光探测器的另一个端口相连。

优选的，所述光开关的两端分别与所述可调谐激光器和所述光控相控阵相连；

所述可调谐激光器与所述光控相控阵分别与所述相干光探测器的两个端口相连。

优选的，所述光开关的个数为两个，两个光开关均为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

一个光开关第一端的一个端口与所述可调谐激光器相连，第二端的两个端口分别与另一个光开关第一端一个端口和所述相干光探测器的一个端口相连；

另一个光开关第一端的另一个端口与所述相干光探测器的另一个端口相连，第二端的一个端口与所述光控相控阵相连。

优选的，所述可调谐激光器包括：半导体光放大器和可调谐波长反射器；

所述半导体光放大器与所述可调谐波长反射器的一端相连；

所述可调谐波长反射器的另一端通过所述光开关与所述光控相控阵相连；

所述半导体光放大器和所述可调谐波长反射器均与所述控制电路相连。

优选的，所述可调谐波长反射器包括相位控制器和多个微环谐振器。

优选的，所述可调谐波长反射器、所述光开关、所述光控相控阵及所述相干光探测器集成于光电子芯片上；

所述半导体光放大器、所述控制电路及所述光电子芯片均设置于PCB上。

优选的，还包括：另一个光控相控阵与另一个控制电路；

所述可调谐激光器通过所述光开关与一个光控相控阵相连，均受控于一个控制电路；

所述相干光探测器的一个端口与另一个光控相控阵相连，均受控于另一个控制电路；且所述相干光探测器的另一个端口与所述可调谐激光器相连。

本发明提供的所述激光雷达收发系统，通过可调谐激光器发出激光信号；通过光控相控阵向外发射所述激光信号，并接收外部返回的激光信号；由相干光探测器接收所述激光信号和所述外部返回的激光信号；通过至少一个光开关控制激光信号的传输路径；并由控制电路控制所述可调谐激光器、所述光控相控阵、所述相干光探测器及所述光开关工作。其中的相干光探测器可以探测到非常弱的光信号，进而使所述激光雷达收发系统的探测距离相比现有技术大大加长，提高了整个系统的探测灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的激光雷达收发系统的结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的激光雷达收发系统的结构示意图；

图2b是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图2c是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图3a是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图3b是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图4a是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图4b是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图4c是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图4d是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图4e是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的另一结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的激光雷达收发系统的整体结构示意图；

图6a是本发明另一实施例提供的可调谐波长反射器的结构示意图；

图6b是本发明另一实施例提供的可调谐波长反射器的另一结构示意图；

图6c是本发明另一实施例提供的可调谐波长反射器的另一结构示意图；

图7a是本发明另一实施例提供的光开关的结构示意图；

图7b是本发明另一实施例提供的光开关的另一结构示意图；

图7c是本发明另一实施例提供的光开关的另一结构示意图；

图8a是本发明另一实施例提供的相干光探测器的结构示意图；

图8b是本发明另一实施例提供的相干光探测器的另一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种激光雷达收发系统，以解决现有技术中探测距离近的问题。

具体的，该激光雷达收发系统，参见图2，包括：可调谐激光器101、光控相控阵102、相干光探测器103、控制电路及至少一个光开关104；其中：

可调谐激光器101用于发出激光信号；

光控相控阵102用于向外发射激光信号，并接收外部返回的激光信号；

相干光探测器103用于接收激光信号和外部返回的激光信号；

光开关104用于控制激光信号的传输路径；

控制电路用于控制可调谐激光器101、光控相控阵102、相干光探测器103及光开关104工作。

根据光开关104的个数与连接关系的不同，该激光雷达收发系统可以包括多种不同的具体实现形式，如图2a、图2b及图2c所示；其中：

图2a所示，该激光雷达收发系统中光开关104的个数为1，且为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

光开关104第一端的两个端口分别与可调谐激光器101和相干光探测器103的一个端口相连；

光开关104第二端的两个端口分别与光控相控阵102和相干光探测器103的另一个端口相连。

直通状态如图3a所示，此时可调谐激光器101与光控相控阵102直接相连，系统处于激光信号的发射状态。交叉状态如图3b所示，此时可调谐激光器101与光控相控阵102均直接连接到相干光探测器103上，此时系统处于外部返回的激光信号的接收状态。

图2b所示，该激光雷达收发系统中光开关104的个数为1，且两端分别与可调谐激光器101和光控相控阵102相连；

可调谐激光器101与光控相控阵102分别与相干光探测器的两个端口相连。

图2c所示，该激光雷达收发系统中光开关104的个数为2，且两个光开关104均为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

一个光开关104第一端的一个端口与可调谐激光器101相连，第二端的两个端口分别与另一个光开关104第一端一个端口和相干光探测器103的一个端口相连；

另一个光开关104第一端的另一个端口与相干光探测器103的另一个端口相连，第二端的一个端口与光控相控阵102相连。

本实施例提供的该激光雷达收发系统，无论采用上述何种具体实现形式，均可以通过可调谐激光器101发出激光信号；通过光控相控阵102向外发射激光信号，并接收外部返回的激光信号；由相干光探测器103接收激光信号和外部返回的激光信号；通过至少一个光开关104控制激光信号的传输路径；并由控制电路控制可调谐激光器101、光控相控阵102、相干光探测器103及光开关104工作。其中的相干光探测器103可以探测到非常弱的光信号，进而使该激光雷达收发系统的探测距离相比现有技术大大加长，提高了整个系统的探测灵敏度。

值得说明的是，图1所示的现有技术中包括两个光控相控阵，分别做发射(TX)和接收(RX)。而本实施例提供的该激光雷达收发系统，通过光开关104控制激光信号的传输路径，使得光控相控阵102既能够接收可调谐激光器101的激光信号向外发射，还能够接收外部返回的激光信号发送给相干光探测器103，进而使得该激光雷达收发系统的激光发射部分和接收部分相比现有技术成本降低、结构更紧凑。

本发明另一实施例还提供了一种具体的激光雷达收发系统，在上述实施例及图2和图3的基础之上，参见图4a，可调谐激光器101包括：半导体光放大器111和可调谐波长反射器112；

半导体光放大器111与可调谐波长反射器112的一端相连；

可调谐波长反射器112的另一端通过光开关104与光控相控阵102相连；

半导体光放大器111和可调谐波长反射器112均与控制电路相连。

优选的，参见图5，可调谐波长反射器112、光开关104、光控相控阵102及相干光探测器103集成于光电子芯片上；

半导体光放大器111、控制电路及该光电子芯片均设置于PCB(Printed CircuitBoard，印刷电路板)上。

优选的，可调谐波长反射器112包括相位控制器和多个微环谐振器。具体可以采用图6a、图6b及图6c所示的实现形式。

如图6a所示，可调谐波长反射器112由两个可调谐微环201、202，两个光栅耦合器203、204，光全反射环205以及光电探测器206组成；半导体光放大器111与可调谐波长反射器112的入射波导(图6a箭头所示)直接耦合或通过光纤耦合，光经过第一个可调谐微环201后，直通波导将作为下一级器件的入射光波导，下载波导经过第二个可调谐微环202，直通波导与光栅耦合器203相连，该光栅耦合器203用于监测可调谐激光器101的光谱。第二个可调谐微环202的下载波导直接与光全反射环205相连，将该波导中的光原路反射回去。反射的光在经过可调谐微环202后，直通波导进入光电探测器206，用以监测可调谐激光器101的功率。反射光在经过可调谐微环202的下载波导后，经过第一个可调谐微环201，直通波导进入光栅耦合器204，用以监测反射光谱，下载波导经过可调谐波长反射器112的入射波导返回光放大器111。其中可调谐微环201和202由波导和波导的相位控制部分组成，相位的控制部分可以是热光控制或电光控制，或载流子色散控制，此处不做限定，可以视其具体应用环境而定。

或者，参见图6b及图6c，半导体光放大器111与可调谐波长反射器112的入射波导(图6b和6c箭头所示)直接耦合或通过光纤耦合，光波导的光通过两个微环谐振器201与202的耦合，一部分反射回入射波导，另一部分进入下一级器件。

可调谐波长反射器112的具体实现形式可以视其应用环境而定，此处不做限定，均在本申请的保护范围内。

另外，光开关104的具体实现形式可以为图7a所示的两个定向耦合器组成的MZI结构，也可以为图7b及图7c所示的微环结构，此处不做具体限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

相干光探测器103的具体实现形式可以为图8a所示的90°混合型相干光探测器，也可以为图8b所示的定向耦合器型相干光探测器构成，此处也不做具体限定，视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

在具体的实际应用中，可以应用CMOS工艺将可调谐波长反射器112、光开关104、光控相控阵102及相干光探测器103集成于硅基芯片上；以顶层硅为220nm的SOI晶片，热光效应做相位控制器，锗作为光电探测器为例进行说明，其具体的制作过程为：

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出光栅结构的光刻胶掩模，并在SOI的顶硅上刻蚀70nm深的硅。

在SOI上沉积30nm的SiO₂作为光刻的掩模层，利用光刻技术或电子束曝光技术，在掩模层上制作出波导结构的图案，该波导结构包括所需要的微环结构、MZI结构、定向耦合器结构、星型耦合器等等。并在SOI的顶硅上刻蚀100nm深的硅。

利用光刻技术或电子束曝光技术，制作出脊型波导的光刻胶掩模，在SOI的顶硅上刻蚀120nm深到SiO₂介质层。此时除弯曲波导为矩形波导以外，其他波导部分为脊型波导结构。

在P型硅和N型硅的区域分别做离子掺杂，退火活化掺杂离子。

沉积～100nm厚的SiO₂，在需要做锗外延生长的区域刻蚀出生长窗口，清洗后做锗的外延生长。

在P型锗和N型锗的区域分别做离子掺杂，退火活化掺杂离子。清洗晶片表面，去除硅和锗上面的SiO₂。

沉积～600nm厚的SiO₂，刻蚀出金属与硅、锗连接的连接孔。

沉积25nm TaN/750nm Al/25nm TaN，并刻蚀，制作出第一层金属电极。

沉积～1.5μm厚的SiO₂，做化学机械抛光，使表面平滑。

沉积100nm厚的Al作为微加热器的扩展层。刻蚀出微加热器的扩展层结构，沉积200nm的SiO₂。

沉积120～150nm厚的TiN作为微加热器的材料，再沉积30nm的SiN，并刻蚀出条形结构，使TiN成为微加热丝。沉积500nm厚的SiO₂。

刻蚀第二层金属与微加热丝，第二层金属与第一层金属电极的连接孔，沉积50nmTaN/2μm Al。沉积300nm SiO₂和300nm SiN，刻蚀出用于键合的窗口。

本实施例提供的该激光雷达收发系统，除了半导体光放大器111和控制电路部分以外，其他部分都可以用CMOS工艺加工集成于光电子芯片上，因此芯片的耦合封装更容易，集成度高、体积小、性能稳定、可批量生产、成本低；满足小型化和低成本的要求。另外，利用硅基光电子集成技术开发的工作在～1.55μm波长附近的大量光通信器件，可以方便地与光纤网络连接，实现网络化，而且这个波段也正是人眼的安全波段，安全性能好。再者，硅基光电子集成技术与集成电路技术完全兼容，可以在集成光电子器件的同时，完成电子控制电路和逻辑电路的制作，容易实现与智能化控制电路的集成，为在芯片上实现智能化控制提供方便条件。

在上述实施例的基础之上，可以得到该激光雷达收发系统的整体结构可以如图4a、图4b及图4c所示。

本发明另一实施例还提供了另外一种激光雷达收发系统，在上述实施例的基础之上，参见图4d，该激光雷达收发系统还包括：另一个光控相控阵与另一个控制电路；

可调谐激光器通过光开关与一个光控相控阵相连，均受控于一个控制电路；

相干光探测器的一个端口与另一个光控相控阵相连，均受控于另一个控制电路；且相干光探测器的另一个端口与可调谐激光器相连。

在具体的实际应用中，可以根据应用环境对该激光雷达收发系统的整体结构进行设置，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种激光雷达收发系统，其特征在于，包括：

可调谐激光器，用于发出激光信号；

光控相控阵，用于向外发射所述激光信号，并接收外部返回的激光信号；

相干光探测器，用于接收所述激光信号和所述外部返回的激光信号；

至少一个光开关，用于控制激光信号的传输路径；

控制电路，用于控制所述可调谐激光器、所述光控相控阵、所述相干光探测器及所述光开关工作；

其中，所述可调谐激光器包括：半导体光放大器和可调谐波长反射器；

所述半导体光放大器与所述可调谐波长反射器的一端相连；

所述可调谐波长反射器的另一端通过所述光开关与所述光控相控阵相连；

所述半导体光放大器和所述可调谐波长反射器均与所述控制电路相连。

2.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，所述光开关为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

所述光开关第一端的两个端口分别与所述可调谐激光器和所述相干光探测器的一个端口相连；

所述光开关第二端的两个端口分别与所述光控相控阵和所述相干光探测器的另一个端口相连。

3.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，所述光开关的两端分别与所述可调谐激光器和所述光控相控阵相连；

所述可调谐激光器与所述光控相控阵分别与所述相干光探测器的两个端口相连。

4.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，所述光开关的个数为两个，两个光开关均为2×2的电光开关，在直通和交叉两种状态之间切换；

一个光开关第一端的一个端口与所述可调谐激光器相连，第二端的两个端口分别与另一个光开关第一端一个端口和所述相干光探测器的一个端口相连；

另一个光开关第一端的另一个端口与所述相干光探测器的另一个端口相连，第二端的一个端口与所述光控相控阵相连。

5.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，所述可调谐波长反射器包括相位控制器和多个微环谐振器。

6.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，所述可调谐波长反射器、所述光开关、所述光控相控阵及所述相干光探测器集成于光电子芯片上；

所述半导体光放大器、所述控制电路及所述光电子芯片均设置于印刷电路板PCB上。

7.根据权利要求1所述的激光雷达收发系统，其特征在于，还包括：另一个光控相控阵与另一个控制电路；

所述可调谐激光器通过所述光开关与一个光控相控阵相连，均受控于一个控制电路；

所述相干光探测器的一个端口与另一个光控相控阵相连，均受控于另一个控制电路；且所述相干光探测器的另一个端口与所述可调谐激光器相连。

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