CN107765363A - 光学相控阵列（opa） - Google Patents

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Abstract

光学相控阵列(OPA)可包含在光检测和测距(LiDAR)系统中并可以被配置为执行波束操控。所述OPA可包含：分离器的级联结构，其被配置为能使分支操作被执行M次。每个分离器可以以1:1的比率将输入光信号分离并输出所分离的输入光信号。所述OPA可包含多组第一移相器(PS)，每组第一PS只位于分开的分离器的一个输出端，每组第一PS基于分开的分离器所在的分支位置包含特定数量的第一PS。所述OPA可包含在LiDAR系统中，该系统还包含在车辆中，被配置为能使车辆导航(包含自主导航)通过一环境。

Description

光学相控阵列(OPA)
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月17日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0104499号的权益，其公开整体整合到本文中作参考。
背景技术
发明构思涉及光检测和测距(LiDAR)系统，并且更具体而言，涉及可包含在LiDAR系统中的配置用于波束操控的光学相控阵列(OPA)。
光检测和测距(LiDAR)是通过使用激光在环境中测量对象(例如固体对象、蒸汽、粉尘、气体、气溶胶、或者云粒子)的存在和移动的方法，并且也被称为激光雷达。例如，LiDAR可涉及发射激光，诸如可见光或者红外线，并通过使用反射或散射的光来测量到对象的距离或者大气现象，该光由对象基于发射的激光反射和/或散射。LiDAR系统的示例可包含：多普勒雷达，其通过使用激光比微波产生更大的多普勒效应这一事实来测量低速移动的精细目标的速率；以及拉曼雷达，其通过使用拉曼位移来分析目标对象的组件。
最近，LiDAR已被应用于智能车辆和智能车(例如自主车辆、被配置为参与自主导航的车辆、被配置为自主驾驶的车辆等)的传感器或者扫描器，以在车辆可导航通过的环境中检测一个或多个各种对象(例如障碍物)。在这样的情况下，LiDAR系统通常可包含：多个天线和波束操控设备，其被配置为向目标点发射激光。
发明内容
发明构思可提供用于波束操控的光学相控阵列(OPA)、包含该OPA的光检测和测距(LiDAR)系统，其可提供改善的可靠性、减小的尺寸和降低的成本。
根据发明构思的一些示例实施例，一种光学相控阵列(OPA)可包含：一组分离器、多组第一移相器(PS)和一组天线。每个分离器可被配置为以1:1的比率将输入光信号分离并输出所分离的输入光信号。每个分离器可包含输入端和一组2个输出端。每组2个输出端可包含第一输出端和第二输出端。一组分离器可具有包含M个分支位置的全二叉树结构，M是等于或大于1的整数，使得全二叉树结构被配置为能使分支操作执行M次。每个分离器可位于全二叉树结构的分支位置处。每组第一PS可分别只位于每个分离器的一组2个输出端的该分离器的第一输出端。每个给定组的第一PS可基于给定组的第一PS所位于的第一输出端的分支位置而包含特定数量的第一PS。一组天线可分别连接至位于第M分支位置的分离器的分开的各输出端。天线可对应于N个信道，N等于2M。
根据发明构思的一些示例实施例，一种光学相控阵列(OPA)可包含一组1x2分离器、多组第一移相器(PS)、一组N个天线和一组第二PS。每个1x2分离器可被配置为将输入光信号等分为2个输出信号并输出2个输出信号。一组1x2分离器可具有包含M个分支位置的级联结构，M是等于或大于1的整数，使得级联结构被配置为能使分支操作执行M次。2i-1个1x2分离器可位于第i分支位置，i在1和M之间的闭区间。每组第一PS可分别只位于每个1x2分离器的一组2个输出端的该1x2分离器的第一输出端。2M-i个第一PS可位于第i分支位置处的1x2分离器的第一输出端上。一组N个天线可连接至位于第M分支位置的1x2分离器的分开的各输出端，N等于2M。一组第二PS可位于一组N个天线中的全部或者一组N个天线中的N-1个天线中的一者的分开的各天线的前端处。
根据发明构思的一些示例实施例，一种光集成电路可包含波长可调激光二极管(LD)、光学相控阵列(OPA)和接收器。OPA可被配置为基于执行分支操作M次，将来自波长可调LD的光信号等分为N(N＝2M)个信道，并通过对应于N个信道的一组天线在一个或多个的特定方向上输出分离的光信号，M是等于或大于1的整数。接收器可被配置为接收基于输出的分离的光信号从对象反射的光信号。波长可调LD、OPA和接收器可集成在体硅衬底中。
根据发明构思的一些示例实施例，一种光检测和测距(LiDAR)系统可包含波长可调激光二极管(LD)、光学相控阵列(OPA)、接收器和控制器。OPA可被配置为基于执行分支操作M次，将来自波长可调LD的光信号等分为N(N＝2M)个信道，并通过对应于N个信道的一组天线在一个或多个特定方向上输出分离的光信号，M是等于或大于1的整数。接收器可被配置为接收基于输出的分离的光信号从对象反射的光信号。控制器可被配置为控制波长可调LD、OPA和接收器。
根据发明构思的一些示例实施例，一种光学相控阵列(OPA)可包含：分离器的级联结构，被配置为能使分支操作执行M次；和多组第一移相器(PS)。级联结构可具有M个分支位置。级联结构还可在第i分支位置包含2i-1个分离器。每个分离器可被配置为以1:1的比率将输入光信号分离并输出所分离的输入光信号。每个分离器可包含输入端和一组2个输出端，每组2个输出端包含第一输出端和第二输出端。M可以是等于或大于1的整数，并且i可在1与M之间的闭区间。每组第一PS可分别只位于分开的分离器的一组2个输出端的该分开的分离器的一个输出端上，每组第一PS基于分开的分离器所位于的分支位置，包含特定数量的第一PS。
附图说明
从结合附图的下面的详细描述将更清楚理解发明构思的示例实施例，其中：
图1是示出根据一些示例实施例的光学相控阵列(OPA)的配置的图；
图2是示出图1的OPA中使用的移相器(PS)的数量、和用于波束操控的现有技术的OPA中使用的PS的数量的曲线图；
图3A是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA的配置的图；
图3B是图3A的OPA中使用的多模干扰(MMI)分离器的俯视图；
图4A是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA的图；
图4B和图4C的每个都是图4A的OPA中使用的Y分支分离器的俯视图；
图5A和图5B是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA的配置的图；
图6是根据一些示例实施例的包含OPA的光集成电路的透视图；
图7是根据一些示例实施例的在光集成电路中体硅衬底上形成的激光二极管(LD)或者PS的横截面视图；
图8是图7的LD的详细横截面视图；
图9和图10是图7的PS的详细横截面视图；
图11是根据一些示例实施例的光集成电路中体硅衬底上形成的天线的横截面视图；
图12是示出根据一些示例实施例的包含OPA的光检测和测距(LiDAR)系统的配置的图；以及
图13A和图13B是图12的LiDAR系统的透视图。
具体实施方式
现在将参考附图更完整地描述发明构思，附图中示出了发明构思的示例实施例。附图中的相同要素由相同的参考标记标注，因此，将不给出重复的说明。
图1是示出根据一些示例实施例的光学相控阵列(OPA)100的配置的图。
参考图1，根据一些示例实施例的OPA 100可包含分离器110；一组或多组一个或多个第一移相器(PS)120；一组一个或多个第二PS 130；和一组天线160。
分离器110可以是1x2光分离器，其被配置为以1:1的比率将接收的输入光或者接收的输入光信号等分，并输出分离后的输入光或者光信号。分离器110可包含输入端和一组2个输出端，每组2个输出端包含第一输出端和第二输出端，使得分离器110可经由输入端接收输入光信号，并经由一组2个输出端输出分离后的光信号。分离器110可形成于体硅衬底上。分离器110的示例可包含形成于体硅衬底上的多模干扰(MMI)分离器、Y分支分离器和定向耦合器(DC)。下文将参考图3B详细说明MMI分离器，并且下文将参考图4B和4C详细说明Y分支分离器。
如图1中所示，一组分离器110可包含具有级联结构的分离器110的配置(“布置”)，其中从激光二极管(LD)200输出的光信号通过级联结构分支M(M是等于或大于1的整数)次。因此，级联结构可包含：一组分离器110，其包含可位于第i(1≤i≤M，即，i在1到M之间的闭区间，i是整数)分支位置的2i-1个分离器110，并且2i-1个分离器110的2i个输出端可存在于第i分支位置。例如，如图1中所示的示例实施例中所示，如果M为4和/或当M为4时，则可以定位一个分离器110-1且2个输出端可存在于第一(i＝1)分支位置；可以定位2个分离器110-2且4个输出端可存在于第二(i＝2)分支位置；可以定位4个分离器110-3且8个输出端可存在于第三(i＝3)分支位置；并且最终，可以定位8个分离器110-4且16个输出端可存在于第四(i＝4)分支位置。在对应于i＝M＝4的作为最后(“最终”、第M等)分支位置的第四分支位置处，分离器110-4的输出端可分别连接至代表(“对应于”)N个信道的天线160。在N与M之间可建立N＝2M的关系。其中通过由1x2分离器110执行了M次的分支操作而形成2M个输出端的结构可以是全二叉树结构。另外，为了提供这样的全二叉树结构，2M-1个1x2分离器110可包含在OPA 100中。
作为参考，对应于N个信道的输出端可通过使用除全二叉树结构外的分支结构形成。例如，OPA可包含与基于包含具有不等分特性的DC的OPA的N个信道对应的输出端。例如，如果N为4和/或当N为4时，OPA的第一DC可以1:3的比率将输入光信号分离，并可将分离的输入光信号输出至第一DC的第一输出端和第二输出端，并且第一DC的第一输出端可直接连接至天线，并且第一DC的第二输出端可连接至第二DC。第二DC可以1:2的比率将输入光信号分离，并可将分离的输入光信号输出，并且第二DC的第一输出端可连接至天线，并且第二DC的第二输出端可连接至第三DC。第三DC可以1:1的比率将输入光信号分离，并可将分离的输入光信号输出，并且第三DC的第一输出端和第二输出端可连接至天线。甚至在形成与使用具有不等分特性的DC的N个信道对应的输出端时，OPA中包含的DC的数量也可为N-1，即2M-1。还可通过使用如下的全二叉树结构来形成与N个信道对应的输出端：该全二叉树结构使用具有1:1的等分特性的DC。
一组第一PS 120中包含的第一PS 121可将输入光或者光信号的相位移位(shift)，并可输出相移的输入光或者光信号，使得天线160每个都被配置为输出具有不同相位的光信号。即，第一PS 121可通过对波导施加热、光、电流、电压和压力中的至少一个，将流过波导的光信号的相位移位。第一PS121可形成于体硅衬底上。第一PS 121的示例可包含金属加热器、PIN PS、PN PS和硅绝缘体硅电容(silicon-insulator-siliconcapacitive，SISCAP)PS。金属加热器可位于波导附近，并可通过对波导施加热来将光信号的相位移位。PIN PS可通过通过PIN二极管结构向波导中水平施加电流，将光信号的相位移位。PN PS可通过通过PN二极管结构向波导垂直施加电压，将光信号的相位移位。SISCAP PS可通过通过SISCAP波导结构向波导垂直施加电压，将光信号的相位移位。下文将参考图9详细说明使用金属加热器的PS，并且下文将参考图10详细说明PN PS。
在包含图1中所示的示例实施例的根据一些示例实施例的OPA 100中，多组第一PS120可使从天线160输出的光信号具有不同的相位。光信号的相位会变化，从天线160输出的光信号的方向可变化。相应地，通过使用多组第一PS 120来适当调节光信号的相位，从天线160输出(“发射”)的光信号的方向可被调节至期望的方向。相应地，在根据一些示例实施例的OPA 100中，通过使用多组第一PS 120来调节光信号的相位，天线160的光信号可以期望的辐射模式输出。
为了使天线160的光信号的相位彼此不同，具有相同或者基本上相同特性(例如，在制造公差和/或材料公差内相同的特性)的不同数量的第一PS 121可与天线160对应地定位。换言之，具有基本上相同特性的不同数量的第一PS 121可通过多个分离器110的级联结构位于与从LD 200引导至天线160的不同路径。例如，如图1中所示，在对应于第一天线A1的路径中，位于第一分支位置的一组第一PS 120-1可包含8个第一PS 121，位于第二分支位置的一组第一PS 120-2可包含4个第一PS 121，位于第三分支位置的一组第一PS 120-3可包含2个第一PS 121，并且位于第四分支位置的一组第一PS120-4可包含一个第一PS 121。相应地，总共15个第一PS 121可包含在对应于第一天线A1的路径中。在一些示例实施例中，在对应于第八天线A8的路径中，由于8个第一PS 121位于第一分支位置并且没有第一PS 121位于第二至第四分支位置，因此可包含总共8个第一PS 121。在对应于第十六天线A16的路径中，由于没有第一PS 121位于第一至第四分支位置，因此可不包含第一PS 121。
当具有相同或者基本上相同的特性的第一PS 121包含在OPA 100中时，所有的第一PS 121(例如，第一PS 121的“全部”)可具有相同的(例如，“共同”)或者基本上相同的类型和相同的尺寸。由于第一PS 120形成为具有相同的类型和相同的尺寸或者基本上相同的类型和基本上相同的尺寸，因此，第一PS 121可具有基本上相同的相移特性(例如，在制造公差和/或材料公差内相同的相移特性)。相应地，一旦确定了一个第一PS 121的相移，所有的第一PS 121的所有相移就可根据天线160、根据第一PS 121的数量(“数目”)而自动计算。
在根据一些示例实施例的OPA 100中，每组第一PS 120可位于每个分离器110的2个输出端中的仅一个输出端(例如，只位于该组分离器110的2个输出端的、每个分离器110的一个输出端)。如果和/或当分离器110的2个输出端中的该组第一PS 120位于的输出端是第一输出端，那么根据每个分支位置，2M-i个第一PS 121可位于每个分离器110的第一输出端。例如，当M为4时，8个第一PS 121可包含在该组第一PS 120-1中，其位于分离器110-1的第一输出端、在第一(i＝1)分支位置。4个第一PS 121可包含在该组第一PS 120-2中，其位于2个分离器110-2中每个的第一输出端、在第二(i＝2)分支位置。2个第一PS 121可包含在该组第一PS 120-3中，其位于4个分离器110-3中每个的第一输出端、在第三(i＝3)分支位置。最终，1个第一PS121可包含在该组第一PS 120-4中，其位于4个分离器110-4中每个的第一输出端、在第四(i＝4)分支位置。
由于8个第一PS 121位于每个分支位置，因此第一PS 121的总数(“数目”)可以是8*4＝32。当第一PS 121的总数等于N个信道的数量时，由于总共N/2个第一PS 121位于每个分支位置并且分支操作被执行M次，因此第一PS 121的总数可以是N/2*M。由于有关系N＝2M，因此第一PS 121的总数可以是N/2*log2N。
根据一些示例实施例的包含在OPA 100中的第一PS 121的数量(“数目”)可远少于包含在配置用于使用1x2分离器进行波束操控的现有技术的OPA中的PS的数量(“数目”)。由于图1中所示的示例实施例的OPA 100包含比现有技术的OPA中的PS的数量更少的第一PS121，因此，分别与在现有技术的OPA和现有技术的包含OPA的LiDAR系统方面相比，OPA 100可被制造得紧凑，并且LiDAR系统可被制造得紧凑。下文将参考图2详细说明现有技术的OPA的PS的数量(数目)。
一组第二PS可包含共同位于最终第M分支位置处的分离器110-4的每个输出端上的第二PS 130。然而，由于该组第一PS 120-4位于最终分支位置处的每个分离器110-4的2个输出端中的任何一个输出端，因此，每个第二PS 130可位于与该组第一PS 120-4所位于的分离器110-4的输出端相对应的该组第一PS 120-4的输出端上。第二PS 130的结构和操作可以与第一PS 121的基本上相同(例如，在制造公差和/或材料公差内相同)。例如，每个第二PS 130可以被配置为将输入光信号的相位移位，使得天线160每个配置为输出具有不同相位的光信号，并且每个第二PS 130可输出相移的输入光信号。第二PS 130的示例可包含金属加热器、PIN PS、PN PS和SISCAP PS。然而，第二PS 130的功能可不同于第一PS 121的功能。即，每个第二PS 130可被配置为校正一组天线160的分开的天线160的分开的信道的光信号的变化。例如，尽管天线160的光信号之间的相位差要保持均一，但在最终分支位置处的分离器110-4的输出端处的光信号之间的相位差可能没有保持均一，因为可能发生各种因素和错误。第二PS 130可被配置为补偿这些错误。
第二PS 130相对于彼此可具有相同或者基本上相同的类型和相同或者基本上相同的尺寸。在一些示例实施例中，第二PS 130可具有不同的类型和/或不同的尺寸。这是因为第一PS 121可以一起通过公共焊盘(pad)140控制，而第二PS 130可单独通过焊盘150控制，如图1中所示。
更具体而言，在图1中所示的示例实施例的OPA 100中，假定每个第一PS 121被配置为通过使用操控信号SS(例如用于操控的电流)将相位移位。第一PS 121可具有相同的类型和相同的尺寸，如上所述。另外，如图1中所示，第一PS 121可在公共输入焊盘140in(入)与公共输出焊盘140out(出)之间串联连接。相应地，第一PS 121的相移可基于通过公共输入焊盘140in施加公共操控信号SS而同时(例如“并行”)调节。另外，根据天线的光信号的相移可根据第一PS 121的数量而同时调节。相比之下，由于第二PS 130必须对每个信道补偿光信号的相位变化，因此，分开的输入焊盘150in和分开的输出焊盘150out可连接至每个第二PS 130，并且微调信号TS可单独通过输入焊盘150in输入。相应地，微调信号TS可根据第二PS 130而不同。在图1中，粗线可以对应于电流在其中流动的线路102，并且细线可以对应于光信号所穿过的波导101。线路102和波导101可形成在体硅衬底上。
作为参考，在图1中为了说明方便，焊盘150仅连接至第一天线A1和第十六天线A16中的每一个的前端上的第二PS 130，但是焊盘150实际上可连接至每个第二PS 130。
尽管操控信号或者微调信号可以是电流(例如电流、具有特定大小的电流等)，如上所述，但操控信号或者微调信号不限于是电流。例如，各种物理量中的任一种，包含电压、压力、热量或者光可被用作操控信号或者微调信号。PS的类型可根据施加的物理量的类型而变化，并且通过PS连接的线路或者焊盘的结构也可以变化。
在一些示例实施例中，可省略在第十六天线A16的前端上的第二PS 130。这是因为，基于第十六天线A16的光信号的相位，当校正了另一个天线160的相位时，第十六天线A16的光信号的相位不需要被补偿。相应地，根据是否省略在第十六天线的前端A16上的第二PS 130，第二PS 130的数量可以是16或者15。另外，当信道的数量是N时，第二PS 130的数量可以是N或者N-1。由于如上所述，第一PS 121的数量是N/2*log2N，并且第二PS 130的数量是N或者N-1，因此，根据一些示例实施例的包含在OPA 100中的所有PS的数量，即，第一PS121的数量与第二PS 130的数量的总和可以是N/2*log2N+N或者N/2*log2N+(N-1)。
天线160可分别对应于信道，并且可连接至在最终第M分支位置处的分离器110-4的分开的各输出端。更具体而言，每个天线160可分别连接至位于分离器110-4的输出端上的每个第二PS 130。天线160可形成在体硅衬底上，并且可具有其中光栅形成在波导中的结构。下文将参考图11详细说明每个天线160的结构。
尽管图1未示出，但为了放大从LD 200输出的光信号和/或放大通过天线160辐射的光信号，根据一些示例实施例的OPA 100可包含半导体光放大器(SOA)，其位于LD 200的输出端和/或每个天线160的输入端上。下文将参考图3A和3B详细说明SOA。
作为参考，由于现有技术的LiDAR系统通过机械旋转来改变天线的光信号的方向，因此波束操控的可靠性低，并且难以减小现有LiDAR系统的尺寸。另外，在现有技术的LiDAR系统中，由于光源、光操控设备和接收器被组装为模块，可能非常难以降低成本。然而，由于根据一些示例实施例的OPA 100通过使用PS来改变天线的光信号的方向，因此，可以改善波束操控的可靠性。另外，由于根据一些示例实施例的OPA 100可通过使用相对少的PS来执行波束操控，因此可以减小OPA 100的尺寸。此外，当根据一些示例实施例的OPA 100应用于LiDAR系统时，可以改善LiDAR系统的可靠性，并且LiDAR系统可具有紧凑的设计和低成本。
图2是示出图1的OPA 100中使用的PS的数量、和用于波束操控的现有技术的OPA中使用的PS的数量的曲线图。x轴代表信道的数量，并且y轴以对数标度代表PS的数量。OPA 1可以是通过使用全二叉树结构形成的、包含N个信道的用于波束操控的现有技术的OPA，OPA2可以是通过使用具有不等分特性的DC形成的、包含N个信道的用于波束操控的现有技术的OPA，并且OPA 3可以是根据一些示例实施例的OPA 100。
参考图2，在OPA 1中，不同数量的PS可仅位于最终分支位置处的分离器的输出端上。术语“PS”可覆盖第一PS和第二PS。例如，当信道的数量是N时，由于包含一个PS至N个PS，因此，PS的总数可以是N/2*(N+1)。当没有PS位于成为参考信道的信道时，PS的总数可以是N/2*(N+1)-1。
接下来，在OPA 2中，一个PS可以位于DC的2个输出端中的每一个上。例如，一个PS(1-1)可位于第一分支位置处的第一DC的第一输出端上，并且一个PS(1-2)可位于该第一DC的第二输出端上。第一天线可连接至PS(1-1)，并且在第二分支位置处的第二DC可连接至PS(1-2)；以及一个PS(2-1)可位于第二DC的第一输出端上，并且一个PS(2-2)可位于第二DC的第二输出端上。第二天线可连接至PS(2-1)，并且在第三分支位置处的第三DC可连接至PS(2-2)；以及一个PS(3-1)可定位到第三DC的第一输出端，并且一个PS(3-2)可定位到第三DC的第二输出端。以该方式，一个PS((N-1)-1)可位于在第(N-1)分支位置处的第(N-1)DC的第一输出端上，并且一个PS((N-1)-2)可位于在第(N-1)分支位置处的第(N-1)DC的第二输出端上，第(N-1)天线可连接至PS((N-1)-1)，一个PS(N-1)可位于PS((N-1)-2)，并且第N天线可连接至PS(N-1)。
除了仅一个PS连接到的第一天线外，2个PS位于每个天线上，因此，PS的总数可以是2*(N-1)+1。另外，当没有PS位于成为参考信道的信道(例如第一天线)时，PS的总数可以是2*(N-1)。
在根据一些示例实施例的对应于OPA 100的OPA 3中，PS的总数可以是N/2*log2N+N或者N/2*log2N+(N-1)，如上所述。
在OPA 3中，PS的数量少于OPA 1的，并且随着信道的数量增加，PS的数量的差异显著增大。相应地，当信道的数量多时，OPA 3的结构与OPA 1的相比可更容易减小用于波束操控的OPA的尺寸和成本。尽管OPA 2的PS的数量少于OPA 3的，但OPA 2与OPA 3之间可以仅有微小差异。OPA 2使用DC来分离光，如上所述；这些DC对于过程变化非常敏感，并且对于DC而言非常难以根据波长以期望的比率将光分离。因此，可靠性降低，并且成本增加。
结论是对应于OPA 3的根据一些示例实施例的OPA 100可具有用于实现紧凑设计、低成本和高可靠性的最佳结构。
图3A是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA 100a的配置的图。图3B是图3A的OPA 100a中使用的MMI分离器110a的俯视图。
参考图3A和3B，根据一些示例实施例的OPA 100a可类似于图1的OPA100，除了OPA100a还包含输入SOA 170和输出SOA 180。另外，OPA 100a可以采用MMI分离器110a作为1x2光分离器。
输入SOA 170可位于LD 200的输出端上，并可放大从LD 200输出的光。输入SOA170可形成为体硅衬底上的法布里珀罗放大器(Fabry-Perotamplifier，FPA)、或者行波放大器(TWA)。现有技术的SOA可被制造得紧凑，可在1310nm与1550nm之间的波长下操作，并可在两个方向上传输光。输入SOA 170可具有这样的特性。在第一分支位置处的MMI分离器110a-1可以位于输入SOA170的输出端上。当使用的光的波长是1550nm时，可使用掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)来代替输入SOA170。
输出SOA 180可分别位于对应于N个信道的天线160的前端上。例如，输出SOA 180可位于天线160之间，并且第二PS 130位于在最终分支位置处的MMI分离器110a-4的输出端上。输出SOA 180可放大来自第二PS 130的光信号，并可分别将放大的光信号施加至天线160。输出SOA 180还可以形成为在体硅基底上的FPA或者TWA。每个输出SOA 180的结构或者特性与输入SOA 170的相同。
如图3B中所示，MMI分离器110a可包含输入波导区域20、多模波导区域25以及输出波导区域22和24。输入波导区域20可沿着多模波导区域25的中心线CL定位，并且输出波导区域22和24可在多模波导区域25的中心线CL的任一侧上彼此隔开。多模波导区域25可具有第一长度l和第一宽度W。为了在多模波导区域25上提供通过多模干扰的波束分割，第一长度l和第一宽度W可具有l＝W/2λ的关系。λ可对应于光的波长。作为参考，当MMI分离器通常将输入光分离为N个部分时，可以建立l＝W/Nλ的关系。
MMI分离器110a可形成为在体硅衬底上的中心核心结构。中心核心结构可以是其中上下包层围绕外延层的核心形成的结构。空气层可位于核心旁边，或者分开的侧包层可位于核心旁边。MMI分离器110a可形成为中空核心结构，而非中心核心结构。在中空核心结构中，光穿过的核心可以是空的空气层。然而，金属涂料可以施加到核心的外周表面，以形成于体硅衬底上的中空核心结构。
在根据一些示例实施例的OPA 100a中，由于输入SOA 170位于LD 200的输出端上，输出SOA 180位于天线160的前端上，并且MMI分离器110a被用作1x2光分离器，因此，OPA100a可具有紧凑设计、低成本和高可靠性。
图4A是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA 100b的图。图4B和4C是图4A的OPA 100b中使用的Y分支分离器110b和110b'的俯视图。
参考图4A至4C，根据一些示例实施例的OPA 100b可以在如下方面不同于图3A的OPA 100a：Y分支分离器110b被用作1x2光分离器。相应地，根据一些示例实施例的OPA 100b还可包含位于LD 200的输出端的输入SOA170、和位于天线160的前端上的输出SOA 180。
图4B的第一Y分支分离器110b可包含输入波导区域30、锥形波导区域40和输出波导区域50和60。第一Y分支分离器110b是平面光波电路(planar lightwave circuit，PLC)，并可包含：具有高折射率的核心；以及在核心周围具有低折射率的包层，它们形成于体硅衬底上。光信号可以向核心行进。
输入波导区域30可具有线性形状，并且锥形波导区域40可在光信号行进的方向上变宽。输出波导区域50和60可以延伸，使得在输出波导区域50和60中的每一者与锥形波导区域40的中心线CL之间具有预定角度，并且输出波导区域50和60在锥形波导区域40的中心线CL的任一侧上对称地布置。
光信号可输入到输入波导区域30的第一横截面32，可以穿过输入波导区域30，并可输入到锥形波导区域40的第二横截面42。接下来，光信号可在锥形波导区域40的第三横截面52和62处分支为2个光信号，并可输入到输出波导区域50和60。2个光信号中的每个可分别穿过输出波导区域50和60，并可分别通过第四横截面54和64输出。
图4C的第二Y分支分离器110b'可包含输入锥形波导区域70以及输出锥形波导区域80和90。第二Y分支分离器110b'是PLC，并可包含：具有高折射率的核心；以及在核心周围具有低折射率的包层，它们形成于体硅衬底上。
输入锥形波导区域70的宽度可在光信号行进的方向上增加。输出锥形波导区域80和90可分别从输入波导区域70的第二横截面82和92延伸，并可以预定曲率弯曲以具有弧形。另外，输出锥形波导区域80和90可以延伸，以便输出锥形波导区域80和90中的每一个的宽度在光信号行进的方向上增加，并且输出锥形波导区域80和90可在中心线CL的任一侧上对称地布置。输出锥形波导区域80和90的内表面88和98可由在第二横截面82和92处的第一间隔G1彼此隔开。另外，输出锥形波导区域80和90的外表面87和97中的每一个、以及输入锥形波导70的外表面78可由在第二横截面82和92处的第二间隔G2彼此隔开。
光信号可输入到输入锥形波导区域70的第一横截面72，可在第二横截面82和92处分支为2个光信号，并可输入到输出锥形波导区域80和90。2个光信号中的每个可分别穿过输出锥形波导区域80和90，然后可分别通过第三横截面84和94输出。
图5A和图5B是示出根据一些示例实施例的用于波束操控的OPA 100c和100d的配置的图。
参考图5A，根据一些示例实施例的OPA 100c可具有与图1的OPA 100的第一PS不同的数量的第一PS 121。详细而言，在根据一些示例实施例的OPA 100c中，5个第一PS 121可包含在一组第一PS 120-2中，其位于在第二分支位置处的2个分离器110-2中的上分离器的上输出端。在这种情况下，13个第一PS 121可位于第四天线A4的路径中，并且11个第一PS121可位于第五天线A5的路径中，因此，相邻天线之间的第一PS 121的数量的差异可以是2。然而，由于不同数量的PS 121和130位于所有天线160的路径中，因此，天线160的光信号的相位可彼此不同。
在根据一些示例实施例的OPA 100c中，尽管包含在第二分支位置处的上分离器110-2的上输出端的一组第一PS 120-2中的第一PS 121的数量增加，但本示例实施例不限于此。例如，包含在组120-1、120-3和120-4中的第一PS 121的数量可在如下中的至少一者上增加：第一分支位置处的分离器110-1的上输出端、在第三分支位置处的最高分离器110-3的上输出端、以及在第四分支位置处的最高分离器110-4的上输出端中的至少一个。另外，增加的数量不限于一个，并且可以增加两个或更多。
参考图5B，根据一些示例实施例的OPA 100d可以在第一PS 121的位置方面不同于图1的OPA 100。详细而言，在根据一些示例实施例的OPA100d中，4个第一PS 121可包含在一组第一PS 120-2中，其位于在第二分支位置处的2个分离器110-2中的上分离器110-2的下输出端(例如第二输出端)上。在这种情况下，尽管图5B的OPA100d与图1的OPA100之间在如下方面存在差异：在第一至第四天线A1、A2、A3和A4的路径中第一PS 121的数量、与第五至第八天线A5、A6、A7和A8的路径中第一PS 121的数量彼此交换，但图5B的OPA100d与图1的OPA100在如下方面是相同的：不同数量的PS121和130位于所有天线160的路径中。相应地，天线160的光信号的相位可通过使用不同数量的PS 121和130而彼此不同。
结论是，发明构思可以应用于任何用于波束操控的OPA结构，在所述OPA结构中，第一PS 121仅位于在每个分支位置处的每个分离器110的2个输出端中的任何一个输出端，并且不同数量的第一PS 121位于N个天线160的路径中。
图6是根据一些示例实施例的包含OPA 100的光集成电路1000的透视图。
参考图6，根据一些示例实施例的光集成电路1000可包含体硅衬底1中集成的OPA100、LD 200和接收器300。体硅衬底1中的OPA 100、LD 200和接收器300的布置可以以各种方式修改，而不限于图6的布置。
已参考图1说明了OPA 100。图3A、4A、5A和5B的OPA 100a、100b、100c和100d中的任何一者而非图1的OPA 100可以被用于光集成电路1000中。
LD 200可以是基于体硅衬底1的半导体激光器设备。LD 200可被制造为具有数百μm的小尺寸。另外，LD 200具有低驱动力，因此，激光可以通过施加电流被直接调制。LD 200可通过选择性组合半导体材料，获得范围从可见光到红外线的激光波长。例如，LD 200可以是波长可调的LD，其可根据预定范围来改变激光波长。LD 200可将激光输出为脉冲波(PW)或者连续波(CW)。
接收器300可以是传感器，其接收通过天线160辐射并从对象反射的光信号。例如，接收器300可包含基于体硅衬底1的光电二极管。接收器300可被形成为在体硅衬底1中以阵列形式包含多个光电二极管。可替换地，接收器300可包含一个光电二极管。
作为参考，基于硅基底来形成光设备的技术被称作硅光子技术。在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，OPA 100、LD 200和接收器300可通过使用硅光子技术一起集成到体硅衬底1中。相应地，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，由于各种光设备在体硅衬底1中集成在一起，因此，可以实现具有低成本、紧凑设计和高可靠性的光设备系统。例如，根据一些示例实施例的光集成电路1000可构成LiDAR系统以及用于控制OPA100、LD 200和接收器300的控制器，并且LiDAR系统可具有低成本、紧凑设计和高可靠性。下文将参考图12至13B详细说明LiDAR系统。
图7是根据一些示例实施例的光集成电路1000中体硅衬底1上形成的LD 200或者PS 121的横截面视图。
参考图7，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，LD 200或者PS 121可形成在体硅衬底1上。PS 121可以是图1的OPA 100中的第一PS 121或者第二PS 130。掩埋绝缘层箱(BOX)3可以形成在体硅衬底1的上部中。掩埋绝缘层3例如可由氧化膜(诸如氧化硅(SiOx))形成。然而，用于形成掩埋绝缘层3的材料不限于氧化膜。
外延层5可形成在体硅衬底1和掩埋绝缘层3上。外延层5可通过使用外延生长来形成。外延生长可以指具有相同晶体结构的单晶薄膜在硅基底的表面上沿着基底晶轴的生长。外延层5可通过例如使用固相外延(solid phase epitaxial，SPE)生长来形成在体硅衬底1和掩埋绝缘层3上。
LD 200或者PS 121的材料层可形成在外延层5上。在图7中为了说明方便起见，外延层5上的方块表明LD 200或者PS 121，但各种材料层可包含在LD 200或者PS 121中。另外，LD 200或者PS 121可包含体硅衬底1、掩埋绝缘层3和外延层5的部件作为要素。
在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，LD 200或者PS 121可基于体硅衬底1形成。体硅衬底1廉价并具有非常高的导热性。相应地，LD 200或者PS 121中产生的热量可容易通过体硅衬底1向下消散。体硅衬底1的高散热效率可帮助改善LD 200或者PS 121的可靠性。作为参考，可基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)基底来形成LD 200或者PS 121。然而，在这种情况下，由于中间绝缘层的存在，SOI基底可能非常昂贵并可具有低散热效率。
图8是图7的LD 200的详细的横截面视图。
参考图8，LD 200可包含体硅衬底1上的掩埋绝缘层3、外延层5、侧包层210、下接触层220、有源区230、量子注入层(quantum implant layer)240、上接触层250以及金属层260和270。
侧包层210可包围与由点划线标记的椭圆形部分对应的核心Co.的侧面。侧包层210例如可形成在外延层5的上部中，并可由具有低折射率的绝缘层(诸如氧化硅膜)形成。如果需要，则侧包层210可穿过外延层5，以使得侧包层210的底面可接触掩埋绝缘层3。
下接触层220和上接触层250中的每个可由导电材料形成。例如，下接触层220可以是N型材料层，并且上接触层250可以是P型材料层。下接触层220和上接触层250可将有源区230电连接至金属层260和270。
有源区230是生成激光的区域，并可包含第III族/第V族增益材料。例如，有源区230可包含中心有源层和上下载流子捕获层。载流子捕获层可以是分别限制异质(separateconfinement hetero，SCH)层。有源层例如可由p型或者n型GaAS形成，p型SCH层的上载流子捕获层可由p型AlxGa1-xAs形成，并且n型SCH层的下载流子捕获层可由n型AlxGa1-xAs形成。然而，有源层和载流子捕获层的材料不限于此。
量子注入层240可位于有源区230的两个侧面上，并可以是约束电流的电流约束层。如果需要，则电流约束层可通过使用选择性横向氧化或者台面蚀刻而不是量子注入层240来形成。金属层260和270可分别形成在下接触层220和上接触层250上。金属层260和270可以是用于将电流施加至有源区230的电极。p型包层可位于上接触层250与有源区230之间。
LD 200的结构不限于图8中的。例如，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，LD 200可形成为具有基于体硅衬底1的各种结构中的任一种。
在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，LD 200可基于体硅衬底1形成。相应地，LD 200可被制造得紧凑并具有低成本。另外，LD 200的可靠性可由于体硅衬底1的高散热效率而改善。
图9和10是图7的PS 121的详细的横截面视图。
参考图9，在使用热光效应的PS 121a中，金属加热器126可位于波导附近(例如接近它)。PS 121a可例如包含体硅衬底1上的掩埋绝缘层3、外延层5、侧包层122、上包层124和金属加热器126。像图8的LD 200中那样，由点划线圈标记的部分可对应于光信号所穿过的核心Co.。侧包层122和上包层124可分别包围核心Co.的侧面和顶部表面。侧包层122和上包层124中的每个可由具有小于核心Co.的折射率的折射率的绝缘层形成。例如，侧包层122和上包层124中的每个可由氧化膜(诸如氧化硅膜)形成。侧包层122和上包层124可由相同的材料形成，或者可由不同的材料形成。
金属加热器126可以位于核心Co.上，并可由铬(Cr)、镍(Ni)、镍铬合金、钨(W)、或者硅化钨(WSix)形成。热量可通过将电流施加至金属加热器126而产生，并可局部增加位于金属加热器126下的波导即核心Co.的温度，因而，将流过波导的光的相位移位。更具体而言，波导即核心Co.的折射率根据增加的温度变化ΔT与波导材料的热膨胀系数(CTE)成比率地改变。当温度变化ΔT是给定值时，由于CTE的折射率变化Δn可以通过使用式1定义。
Δn＝CTE×ΔT……………(1)
当核心Co.的折射率改变时，光的相位被移位。下文将参考式2来说明根据折射率变化的光的相移。体硅衬底1的温度可通过使用热电冷却(TEC)设备或者散热板保持恒定，使得温度不会根据时间而变化。
参考图10，使用PN二极管的PS 121b可通过将电压垂直施加至光所穿过的波导，将光信号的相位移位。例如，PS 121b可包含体硅衬底1上的掩埋绝缘层3、外延层5、侧包层122、以及第一和第二电极128和129。如图10中所示，波导125可具有垂直PN二极管结构。在PN二极管结构中，上层124可以是P型层，并且下层127可以是N型层，或者反之亦然。第一电极128可位于上层124，并且第二电极129可位于外延层5，以便反向电压施加到PN二极管结构。随着施加反向电压，传输的光信号的相位移位。
现在将简要说明通过施加电压将光信号的相位移位的过程。当施加电压时，波导的载流子密度改变，因此，波导的折射率被改变。折射率变化Δn和相变具有通过使用式2定义的关系。
Lπ＝λ/Δn……………(2)
在式2中，Lπ是光穿过以具有π的相变的波导的长度，并且λ是光信号的波长。参考式2，随着折射率变化增加，Lπ减小。如果波导的长度被固定，则随着折射率变化增加，整个波导上的相变增大。
尽管图9的PS 121a或者图10的PS 121b分别使用金属加热器或者PN二极管结构，但PS的结构不限于此。例如，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，PS可以具有PIN二极管结构、MOS晶体管结构、或者SISCAP结构。此外，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，，PS可形成为具有基于体硅衬底1的上述结构之外的各种结构中的任一种。
在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，PS 121a或者121b可基于体硅衬底1形成。相应地，PS 121a或者121b可被制造得紧凑，并具有低成本。另外，由于体硅衬底1的高散热效率，PS 121a或者121b的可靠性可能已经得到改善。
图11是根据一些示例实施例的光集成电路1000中体硅衬底1上形成的天线160a的横截面视图。
参考图11，天线160a可包含形成在体硅衬底1上的天线层162。光栅G可形成在天线层162的顶部表面。天线层162例如可以是外延层5(参见图7)。天线层162可以与位于天线层162的前端上的波导一体形成。波导可被形成为使得包层包围外延层的核心，并且核心可以耦接至天线层162。由于光信号通过天线层162行进，因此天线层162可以对应于波导。相应地，天线160a可具有其中光栅G形成在波导上的结构。
光信号Li可从核心入射到天线层162。当光栅G的部分周期性地布置在天线层162中时，由于在光栅G的部分的折射率不均一，因此，入射光信号Li被转换为辐射波Le，并且以预定角度θ向外辐射。光信号入射到天线层162的模式可通过调节天线层162的折射率，并通过调节光栅G的间距P和厚度D来选择。例如，仅最低基本模式的输入光信号Li可以行进到天线层162。
天线160a的结构不限于图11中的。例如，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，天线可包含：其中形成倾斜布拉格光栅或者长周期光栅的核心；以及其中形成了至少一个V槽的包层，其中包层包围该核心。此外，在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，天线可形成为具有基于体硅衬底1的上述结构之外的各种结构中的任一种。
在根据一些示例实施例的光集成电路1000中，天线160a可基于体硅衬底1形成。相应地，天线160a可被制造得紧凑，并具有低成本。另外，天线160a可形成为使得具有相同间隔和相同尺寸的单元天线以阵列形式布置在体硅衬底1上。因此，输出光信号的辐射方向可在天线160a中被均一地控制。
图12是示出根据一些示例实施例的包含OPA 100的LiDAR系统2000的配置的图。
参考图12，根据一些示例实施例的LiDAR系统2000可包含OPA 100、LD 200、接收器300和控制器500。如图12中所示，在一些示例实施例中，一个或多个LiDAR系统2000可包含在车辆3000的一个或多个部分中，车辆3000包含汽车。车辆3000可包含：被配置为手动(例如，基于由至少一个车辆3000的乘员与车辆3000的一个或多个驾驶设备手动交互)驾驶(“导航”)的车辆；被配置为自主驾驶(“导航”)的车辆(例如，自主车辆配置为基于车辆3000的至少部分计算机系统控件、利用或者不利用来自(一个或多个)车辆3000乘员的输入来驾驶)；它们的某种组合等。例如，在一些示例实施例中，车辆3000可被配置为基于包含在车辆3000中的一个或多个LiDAR系统2000的数据生成来驾驶(“导航”)经过一环境。这样的导航可包含车辆3000被配置为基于LiDAR系统由于LiDAR系统向环境中发射激光束并检测环境中的对象而生成的数据，来相对于位于环境的对象地导航经过一环境，其中LiDAR系统可基于检测到发射的激光束从对象的反射和/或散射来检测对象。
在一些示例实施例中，基于OPA提供改善的可靠性、改善的紧凑性和降低的成本，OPA可使车辆3000能够被配置为经由如下方式实现环境的自主导航：经由在车辆3000内整合包含具有改善的可靠性、降低的成本和减小的空间要求的OPA的LiDAR系统，以整合可以实现环境监控以进一步实现自主导航经过一环境的LiDAR系统。
已参考图1描述了OPA 100。然而，光信号从其输出的天线160与图12中的其他要素分开。相应地，OPA 100'可包含OPA 100的要素中的天线160之外的要素，例如分离器110、一组第一PS 120、第二PS 130、输入SOA 170和输出SOA 180。
接收器300可包含基于体硅衬底1的光电二极管，如参考图6描述的那样。在根据一些示例实施例的LiDAR系统2000中，接收器300可形成为以便包含布置为阵列结构的多个光电二极管。为了强调接收器300的阵列结构，“Rx阵列”被用于表明图12中的接收器300。天线160还可基于体硅衬底1形成，使得多个单元天线以阵列布置。相应地，“Tx天线阵列”被用于表明图12中的天线160。
控制器500可包含LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和主控制器510。LD控制器520控制从LD 200输出的光。例如，LD控制器520可以控制到LD 200的电源、LD 200的导通/截止、以及LD 200的脉冲波(PW)或者连续波(CW)的生成。
垂直角度控制器530可通过调节从LD 200输出的光的波长或者频率，控制从天线160输出的光信号的垂直角度。水平角度控制器540可通过调节OPA 100'，控制从天线160输出的光信号的水平角度。当OPA 100'被调节时，其可意味着通过调节施加到OPA 100'的第一PS 121或者第二PS 130的物理量(例如电流量)来调节光信号的相位。当光信号的相位被移位时，其中光信号从天线160输出的方向、例如光信号的水平角度可能改变。
主控制器510可控制LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和接收器300的总体操作。另外，主控制器510可接收有关从接收器300反射的光信号的信息，并可计算到对象的距离。例如，主控制器510可通过使用飞行时间(TOF)技术，计算到对象的距离。
TOF技术是通过使用诸如近红外线、超声波、或者激光的信号来测量到对象的距离的技术。详细而言，TOF技术通过测量当信号被发射到对象时与当信号从对象反射时之间的时间差异来计算距离。在TOF技术中，由于发射器施加信号并且接收器接收从对象反射的信号来测量信号的行进时间，因此，发射器和接收器可在一个设备中彼此略微隔开。另外，由于来自发射器的信号可能影响接收器，因此，屏蔽膜可位于发射器与接收器之间。
发射器发送以特定频率f调制的光信号，并且接收器检测从对象反射的光信号。可检测到由于光信号去往和来自对象而行进所花费的时间导致的相变，并且到对象的距离可如式3中所示地计算。
D＝c/(2f)*(n+θ/(2π))……………(3)
在式3中，D可以是测量的距离，c可以是光速，f可以是光信号的频率，n可以是当相位周期重复时的常数，并且θ可以是接收的光信号的相位。
当确定了测量距离D的最大值，并且常数假定为是0时，测量距离D可以使用式4来定义。
D＝cθ/(4πf)……………(4)
在根据一些示例实施例的LiDAR系统2000中，OPA 100、LD 200和接收器300可在体硅衬底1中集成到一起。在图12中，OPA 100、LD 200和接收器300一起被虚线包围，以表明OPA 100、LD 200和接收器300集成在体硅衬底1中。OPA 100、LD 200和接收器300在体硅衬底1中集成在一起的布置可对应于图6的光集成电路1000。
在控制器500中，LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和主控制器510可以每个形成为一个芯片，或者可一起集成为一个芯片。相应地，标记控制器500的虚线可能不表明LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和主控制器510集成到一起，但是可表明LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和主控制器510作为要素包含在控制器500中。如果需要，则控制器500可集成在光集成电路1000的体硅衬底1中。
图13A、和13B是图12的LiDAR系统2000的透视图。
参考图13A，根据一些示例实施例的LiDAR系统2000可包含光集成电路1000和控制器500。光集成电路1000可具有其中OPA 100、LD 200和接收器300在体硅衬底1中集成到一起的结构。例如，光集成电路1000可以是图6的光集成电路1000。
如图13A中所示，控制器500可被提供为一个芯片。例如，构成控制器500的LD控制器520、垂直角度控制器530、水平角度控制器540和主控制器510可一起集成到一个芯片中。另外，控制器500可通过使用附着剂等附接到光集成电路1000，并可通过引线接合电连接至光集成电路1000。在引线接合的使用中，多个第一焊盘501可形成于控制器500上，并且多个第二焊盘1001可形成于光集成电路1000上。第一焊盘501可通过引线550连接至第二焊盘1001。
尽管图13A中未图示，但为了防止对光集成电路1000和控制器500的物理或者化学损伤，根据一些示例实施例的LiDAR系统2000可具有封装结构，其中光集成电路1000和控制器500被密封构件密封。
参考图13B，根据一些示例实施例的LiDAR系统2000a可在LiDAR系统2000a包含光集成电路1000和控制器500方面类似于图13A的系统LiDAR2000。然而，在根据一些示例实施例的LiDAR系统2000a中，光集成电路1000和控制器500可一起集成在体硅衬底1中。相应地，LiDAR系统2000a可具有减小的尺寸和改善的可靠性。根据一些示例实施例的LiDAR系统2000a还可具有封装结构。
根据发明构思的用于波束操控的OPA可通过使用PS来改变来自天线的光信号的方向，改善波束操控的可靠性。另外，OPA可具有紧凑设计和低成本，因为波束操控是通过使用相对少的PS来执行的。
另外，在根据发明构思的光集成电路中，用于波束操控的OPA、LD和接收器可通过使用硅光子技术一起集成在体硅衬底中。相应地，可提供具有低成本、紧凑设计和高可靠性的光设备系统。
例如，由于根据发明构思的光集成电路构成LiDAR系统、以及用于控制用于波束操控的OPA、LD和接收器的控制器，因此，LiDAR系统可具有改善的可靠性、紧凑设计和低成本。
尽管已具体参考发明构思的示例实施例示出并描述了发明构思，但将会理解，在不脱离所附的权利要求的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。相应地，发明构思的真正技术范围由所附的权利要求定义。

Claims (25)

1.一种光学相控阵列(OPA)，包括：
一组分离器，每个分离器被配置为以1:1的比率将输入光信号分离并输出所分离的输入光信号，每个分离器包含输入端和一组2个输出端，每组2个输出端包含第一输出端和第二输出端，该组分离器具有包含M个分支位置的全二叉树结构，M是等于或大于1的整数，使得所述全二叉树结构被配置为能使分支操作执行M次，每个分离器位于所述全二叉树结构的分支位置；
多组第一移相器(PS)，每组第一PS分别只位于每个分离器的一组2个输出端的该分离器的第一输出端处，每个给定组的第一PS基于该给定组的第一PS所位于的第一输出端的分支位置而包含特定数量的第一PS；以及
一组天线，分别连接至位于第M分支位置的分离器的分开的各个输出端，所述天线对应于N个信道，N等于2M。
2.如权利要求1所述的OPA，其中，
位于第i分支位置处的分离器的第一输出端的一组第一PS中包括的第一PS的数量是2M -i，i是具有1与M之间的闭区间的值的整数；以及
位于第一分支位置与第(M-1)分支位置之间的闭区间的分支位置的每组第一PS包含串联连接的多个第一PS。
3.如权利要求1所述的OPA，还包括：
一组N个第二PS，共同位于第M分离器的所有输出端；或者
一组N-1个第二PS，位于第M分离器的除了一个之外的所有输出端。
4.如权利要求3所述的OPA，其中，包含在所述OPA中的第一PS和第二PS的总数是如下之一：
N/2*log2N+N，基于第二PS包含在共同位于第M分离器的所有输出端处的一组N个第二PS中；以及
N/2*log2N+(N-1)，基于第二PS包含在位于所述第M分离器的除了一个之外的所有输出端处的一组N-1个第二PS中。
5.如权利要求3所述的OPA，其中，
每个第一PS被配置为将输入光信号的相位移位，使得一组天线每个都被配置为输出具有不同相位的光信号，并且
每个第二PS被配置为校正一组天线中的分开的天线的光信号的变化。
6.如权利要求1所述的OPA，其中，每个第一PS被配置为基于向所述第一PS的波导施加如下各项中的至少一个将输入光信号的相位移位：
热量，
光，
电流，
电压，以及
压力。
7.如权利要求1所述的OPA，其中，每个第一PS包括如下各项中的至少一个：
金属加热器，位于所述第一PS的波导附近；
PIN PS，被配置为向所述波导水平施加电流；
PN PS，被配置为向所述波导水平施加电压；以及
硅绝缘体硅电容(SISCAP)PS，被配置为向所述波导垂直施加电压。
8.如权利要求1所述的OPA，其中，每个分离器是如下各项中的至少一个：
多模干扰(MMI)分离器；
Y分支分离器；以及
方向耦合器(DC)。
9.如权利要求1所述的OPA，还包括：
一组第二PS，位于所述第M分离器的分开的各个输出端，
其中，所述第一PS被配置为根据操控信号被控制，
其中，所述第二PS被配置为根据微调信号被控制。
10.如权利要求9所述的OPA，其中，
第一PS串联连接在公共输入焊盘与公共输出焊盘之间，使得所述OPA被配置为通过所述公共输入焊盘和所述公共输出焊盘向所述第一PS中的全部施加公共操控信号；并且
每个第二PS连接至分开的输出焊盘和分开的输入焊盘，使得所述OPA被配置为通过分开的各输出焊盘和输入焊盘向每个第二PS单独施加微调信号。
11.如权利要求1所述的OPA，还包括：
输入半导体光放大器(SOA)，被配置为将从激光二极管(LD)输出的光信号放大，并将所放大的光信号输入至位于所述第一分支位置的分离器；以及
一组输出SOA，被配置为将从位于第M分支位置的分离器输出的光信号放大，并将所放大的光信号输入至一组天线。
12.一种光学相控阵列(OPA)，包括：
一组1x2分离器，每个1x2分离器被配置为将输入光信号等分为2个输出信号并输出2个输出信号，该组1x2分离器具有包含M个分支位置的级联结构，M是等于或大于1的整数，使得级联结构被配置为能使分支操作执行M次，并且2i-1个1x2分离器位于第i分支位置，i在1与M之间的闭区间；
多组第一移相器(PS)，每组第一PS分别只位于每个1x2分离器的一组2个输出端的该1x2分离器的第一输出端处，其中，2M-i个第一PS位于第i分支位置处的1x2分离器的第一输出端；
一组N个天线，连接至位于第M分支位置的1x2分离器的分开的各个输出端，N等于2M；以及
一组第二PS，位于如下天线中的分开的各天线的前端处：
该组N个天线中的全部；或者
该组N个天线中的N-1个天线。
13.如权利要求12所述的OPA，其中，
所述一组1x2分离器包含2M-1个1x2分离器，
位于第一分支位置与第(M-1)分支位置的闭区间的分支位置的多组第一PS每组包含串联连接的多个第一PS，并且
包含在所述OPA中的第一PS和第二PS的总数是如下之一：
N/2*log2N+N，基于第二PS包含在共同位于第M 1x2分离器的所有输出端处的一组N个第二PS中；以及
N/2*log2N+(N-1)，基于第二PS包含在位于所述第M 1x2分离器的除了一个输出端之外的所有输出端处的一组N-1个第二PS中。
14.一种光集成电路，包括：
波长可调激光二极管(LD)；
光学相控阵列(OPA)，被配置为基于执行分支操作M次，将来自波长可调LD的光信号等分为N个信道，并且通过对应于N个信道的一组天线在一个或多个特定方向上输出分离的光信号，M是等于或大于1的整数，N等于2M；以及
接收器，被配置为接收基于输出的分离的光信号从对象反射的光信号，
其中，所述波长可调LD、所述OPA和所述接收器集成在体硅衬底中。
15.如权利要求14所述的光集成电路，其中，所述OPA包含：
一组1x2分离器，每个1x2分离器被配置为将输入光信号等分为2个输出信号并输出2个输出信号，该组1x2分离器具有包含M个分支位置的级联结构，使得级联结构被配置为能使分支操作执行M次；
多组第一移相器(PS)，每组第一PS分别只位于每个1x2分离器的一组2个输出端的该1x2分离器的第一输出端上，每个给定组的第一PS基于该给定组的第一PS所位于的所述第一输出端的分支位置而包含特定数量的第一PS；
一组天线，分别连接至位于第M分支位置的1x2分离器的分开的各输出端；以及
一组第二PS，位于一组天线中的分开的各天线的前端处。
16.如权利要求15所述的光集成电路，其中，
2i-1个1x2分离器位于第i分支位置处，i在1与M之间的闭区间，使得所述OPA中的1x2分离器的总数是2M-1，
2M-i个第一PS位于第i分支位置处的1x2分离器的第一输出端处，使得所述OPA中的第一PS的总数是N/2*log2N，并且
包含在所述OPA中的第二PS的总数是如下之一：
N，基于第二PS包含在共同位于第M分支位置处的全部N/2个1x2分离器的输出端处的一组N个第二PS；以及
N-1，基于第二PS包含在共同位于第M分支位置处的N/2个1x2分离器中的N/2-1个1x2分离器的输出端处的一组N-1个第二PS中。
17.如权利要求14所述的光集成电路，其中，
所述OPA还包含：
掩埋绝缘层，位于体硅衬底的上部；以及
外延层，在体硅衬底和掩埋绝缘层之上，并且
所述波长可调LD和所述OPA包含所述掩埋绝缘层和所述外延层中的至少一部分。
18.一种光检测和测距(LiDAR)系统，包括：
波长可调激光二极管(LD)；
光学相控阵列(OPA)，被配置为基于执行分支操作M次，将来自波长可调LD的光信号等分为N个信道，并且通过对应于N个信道的一组天线在一个或多个特定方向上输出分离的光信号，M是等于或大于1的整数，N等于2M；
接收器，被配置为接收基于输出的分离的光信号从对象反射的光信号；以及
控制器，被配置为控制所述波长可调LD、所述OPA和所述接收器。
19.如权利要求18所述的LiDAR系统，其中，所述OPA包含：
一组1x2分离器，每个1x2分离器被配置为将输入光信号等分为2个输出信号并输出2个输出信号，该组1x2分离器具有包含M个分支位置的级联结构，使得级联结构被配置为能使分支操作执行M次；
多组第一移相器(PS)，每组第一PS分别只位于每个1x2分离器的一组2个输出端的该1x2分离器的第一输出端上，每个给定组的第一PS基于该给定组的第一PS所位于的第一输出端的分支位置而包含特定数量的第一PS；以及
一组天线，分别连接至位于第M分支位置的1x2分离器的分开的各输出端；以及
一组第二PS，位于一组天线中的分开的各天线的前端处。
20.如权利要求19所述的LiDAR系统，其中，
2M-i个第一PS位于第i分支位置处的1x2分离器的第一输出端处，并且
第一PS和第二PS的总数是如下之一：
N/2*log2N+N，基于第二PS包含在共同位于第M分支位置处的全部N/2个1x2分离器的输出端处的一组N个第二PS；并且
N/2*log2N+(N-1)，基于第二PS包含在共同位于第M分支位置处的N/2个1x2分离器中的N/2-1个1x2分离器的输出端处的一组N-1个第二PS中。
21.一种光学相控阵列(OPA)，包括：
分离器的级联结构，被配置为能使分支操作执行M次，所述级联结构具有M个分支位置，所述级联结构还在第i分支位置处包含2i-1个分离器，每个分离器被配置为以1:1的比率将输入光信号分离并输出所分离的输入光信号，每个分离器包含输入端和一组2个输出端，每组2个输出端包含第一输出端和第二输出端，M是等于或大于1的整数，i在1与M之间的闭区间；以及
多组第一移相器(PS)，每组第一PS只分别位于分开的分离器的一组2个输出端的该分开的分离器的一个输出端处，每组第一PS基于所述分开的分离器所位于的分支位置而包含特定数量的第一PS。
22.如权利要求21所述的OPA，还包括：
一组天线，分别连接至位于第M分支位置的分离器的分开的各输出端。
23.如权利要求22所述的OPA，还包括：
一组第二PS，位于如下天线中的分开的各天线的前端处：
一组N个天线中的全部；或者
该组N个天线中的N-1个天线。
24.如权利要求23所述的OPA，其中，
每个第一PS被配置为将输入光信号的相位移位，使得一组天线每个都被配置为输出具有不同相位的光信号，并且
每个第二PS被配置为校正一组天线中的分开的天线的光信号的变化。
25.如权利要求21所述的OPA，其中，所述OPA被配置为包含在光检测和测距(LiDAR)系统中，所述LiDAR系统还包含：
波长可调激光二极管(LD)，被配置为发射光束，其中，所述OPA被配置为接收所发射的光束作为对位于第一分支位置的分离器的输入光信号；
接收器，被配置为接收从所述OPA输出并从对象反射的光信号；以及
控制器，被配置为控制所述波长可调LD、所述OPA和所述接收器。
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