CN107976666A - 一种多线激光雷达及其光发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多线激光雷达的发射器，由激光器、光学相控阵和角度分束器构成；由激光器发出激光信号；通过光学相控阵对所述激光信号实现横向角度控制；再通过角度分束器对所述光学相控阵输出的激光信号实现纵向角度分束；实现了二维多线激光雷达扫描功能，而无需外加可调谐激光器，进而解决了现有技术中由于外加可调谐激光器带来的难于集成、体积大且成本高的问题；本发明还提供了一种多线激光雷达，包括该发射器，同样解决了现有技术中的发射器由于外加可调谐激光器带来的难于集成、体积大且成本高的问题。

Description

一种多线激光雷达及其光发射器

技术领域

本发明涉及激光光束扫描技术领域，特别涉及一种多线激光雷达及其发射器。

背景技术

在现代战争中，激光雷达已成为指挥通信、情报收集、武器跟踪、识别制导等的必备工具。在军事领域大发展的同时，激光雷达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。可以说在未来的人类所能涉足的世界里，将会到处布满含有激光雷达的产品。

小型化、安全化、网络化、智能化是未来激光雷达面临的挑战，因此，传统的机械式激光雷达，由于其结构复杂，体积庞大，扫描范围小，而且价格昂贵等缺点，将会逐渐被淘汰。而采用硅基光电子集成技术实现光学相控阵雷达，是解决激光雷达挑战的有效途径；其集成度高、体积小、性能稳定、可批量生产、成本低，可满足安全化、网络化及智能化的需求。

但是，现有技术中的芯片式机激光雷达光发射器，为了实现二维扫描，需要在光学相控阵和光栅的基础上外加可调谐激光器；其光学相控阵实现横向(ψ)方向的扫描，可调谐激光器和光栅实现纵向(θ)方向的扫描；而外加的可调谐激光器，非常难于集成，会增加整体的体积，同时增加成本。

发明内容

本发明提供一种多线激光雷达及其发射器，以解决现有技术中由于外加可调谐激光器带来的难于集成、体积大且成本高的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种多线激光雷达的发射器，包括：

激光器，用于发出激光信号；

光学相控阵，用于对所述激光信号实现横向角度控制；

角度分束器，用于对所述光学相控阵输出的激光信号实现纵向角度分束。

优选的，设置所述激光器的芯片和设置所述光学相控阵芯片对接耦合或者通过光纤连接，设置所述角度分束器与所述激光器的芯片和设置所述光学相控阵的芯片设置在同一底座上。

优选的，所述角度分束器包括：准直透镜，以及不同周期的反射式光栅分束器或多棱镜反射器。

优选的，所述准直透镜为横向放置的裸光纤。

优选的，所述反射式光栅分束器由介质光刻制作光栅并蒸镀金属而成，或者仅由金属制成。

优选的，所述角度分束器包括：微柱透镜阵列或达曼光栅。

优选的，所述角度分束器还包括：反射镜。

优选的，所述激光器为：单波长的激光器、多波长的激光器和可调谐激光器中的任意一种。

优选的，所述光学相控阵为波导阵列结构。

一种多线激光雷达，包括如上述任一所述的多线激光雷达的发射器。

本发明提供的所述多线激光雷达的发射器，由激光器、光学相控阵和角度分束器构成；由激光器发出激光信号；通过光学相控阵对所述激光信号实现横向角度控制；再通过角度分束器对所述光学相控阵输出的激光信号实现纵向角度分束；实现了二维多线激光雷达扫描功能，而无需外加可调谐激光器，进而解决了现有技术中由于外加可调谐激光器带来的难于集成、体积大且成本高的问题。

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是本发明实施例提供的多线激光雷达的发射器的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的多线激光雷达的发射器的部分结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的多线激光雷达的发射器的具体结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的多线激光雷达的发射器的另一具体结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的多线激光雷达的发射器的另一具体结构示意图；

图6是本发明另一实施例提供的多线激光雷达的发射器的另一具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供一种多线激光雷达的发射器，以解决现有技术中由于外加可调谐激光器带来的难于集成、体积大且成本高的问题。

具体的，该多线激光雷达的发射器，如图1所示，包括：

激光器100，用于发出激光信号；

光学相控阵200，用于对激光信号实现横向角度控制；

角度分束器300，用于对光学相控阵200输出的激光信号实现纵向角度分束。

优选的，设置激光器100的芯片和设置光学相控阵200的芯片对接耦合或者通过光纤连接，设置角度分束器300与激光器100的芯片和设置光学相控阵200的芯片设置在同一底座400上，如图2所示。

实际应用中，激光器100可以是半导体激光器、光纤激光器或其他固体、液体、气体激光器。以1550nm半导体激光器为例进行说明，其制作过程为：在N型InP衬底上生长缓冲层和InGaAsP/InGaAs多量子阱；。对多量子阱InP芯片清洗烘干，沉积300nm SiO₂薄膜做光刻的掩模；光刻并刻蚀SiO₂掩膜；进一步刻蚀InP激光器的波导图形结构；去除剩余SiO₂掩膜，再次利用光刻显影工艺制备电极窗口，用ICP刻蚀窗口并去掉剩余光刻胶；在P面制备Ti/Pt/Au电极；用物理化学减薄工艺，减薄抛光N面；用磁控溅射在N面制备Au/Ge/Ni电极；用合金炉在380℃下完成合金；解离及封装等后续工艺。

优选的，光学相控阵200为波导阵列结构。

光学相控阵200，采用波导阵列结构，其波导材料可以是Si、SiN、SiO₂、InP系列材料、聚合物材料等，以SOI(Silicon-on-Insulator)为例，其中顶上硅厚度220nm，SiO₂厚度2微米，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；沉积～1.5μm厚的SiO₂，做化学机械抛光，使表面平滑；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；刻蚀金属与微加热丝之间的连接孔，沉积50nm TaN/2μm Al；沉积300nm SiO₂和300nmSiN，刻蚀出用于键合的窗口；为了方便与角度分束器300进行对准封装，可以将光学相控阵200刻蚀成图2所示形式。

在实际应用中，激光器100提供光源，光学相控阵200实现激光光束在横向(ψ方向)的扫描，角度分束器300是把光束方向改成向上，即纵向(θ方向)方向，并且分成多束(即多个θ方向，如θ₁，θ₂，θ₃，...)，几个θ方向就对应几线激光雷达。

本发明提供的多线激光雷达的发射器，由激光器100、光学相控阵200和角度分束器300构成；由激光器100发出激光信号；通过光学相控阵200对激光信号实现横向角度控制；再通过角度分束器300对光学相控阵200输出的激光信号实现纵向角度分束；实现了二维扫描，而无需外加可调谐激光器100，进而解决了现有技术中由于外加可调谐激光器100带来的难于集成、体积大且成本高的问题。

现有技术中，还存在采用激光器阵列做光源的方式，通常要求十几个或几十个激光器精确控制光束方向，对封装精度的要求非常高，封装成品率低，并且，激光器阵列还存在价格昂贵及体积大的问题。

而本实施例，通过光学相控阵200实现ψ方向的扫描，通过角度分束器300实现θ方向的扫描，因此，仅采用一个激光器做光源即可，避免了采用激光器阵列或者可调谐激光器做光源所带来的价格昂贵、体积大且不易封装的问题。

可选的，激光器100为：单波长的激光器、多波长的激光器和可调谐激光器中的任意一种。

本实施例中，如果在纵向(θ方向)不需要进行连续扫描，则激光器100只需一个激光器即可实现；如果需要实现连续扫描，则采用一个调谐范围较小的可调谐激光器，即可实现大的θ方向的扫描范围。比如原来需要实现θ₁到θ_N(N为正整数)的扫描范围，而本实施例由于通过角度分束器300得到了多光束，则只需实现θ₁到θ₂的范围就够了，因为第一束激光扫描角度从θ₁扫到θ₂，第二束激光就从θ₂扫到θ₃，第N-1束激光就从θ_N-1扫到θ_N。

值得说明的是，现有技术中，由于实现大角度θ方向的扫描，需要大波长范围的可调谐激光器，一般十几度的θ角度，需要100nm的波长调节范围，而实现大波长范围的可调谐激光器是非常困难的。而本实施例提供的该多线激光雷达的发射器，在需要实现θ方向连续扫描的情况下，也只需要一个波长调节范围非常小的可调谐激光器即可，易于实现。

本发明另一实施例还提供了一种具体的多线激光雷达的发射器，在上述实施例及图1的基础之上，可选的，角度分束器300包括：准直透镜301，以及不同周期的反射式光栅分束器302(如图2和图3所示)或多棱镜反射器303(如图4所示)。

优选的，准直透镜301为横向放置的裸光纤。图2所示为外置的角度分束器300与光学相控阵200的整体封装示意图。将普通单模光纤剥去外皮，横放在图2所示的光纤槽500内，使其起到透镜的作用。

优选的，反射式光栅分束器302由介质光刻制作光栅并蒸镀金属而成，或者仅由金属制成。参见图3，外置的角度分束器300包括准直透镜301和反射式光栅分束器302。反射式光栅分束器302的表面是具有高反射率介质(如金属)的光栅。且不同光栅周期对应不同的光散射方向。

参见图4，用多棱镜表面镀上金属做反射镜，代替图3中的光栅反射器，可更容易实现。

或者，如图5所示，角度分束器300包括：微柱透镜阵列或达曼光栅304。

优选的，在图5的基础之上，如图6所示，角度分束器300还包括：反射镜305。

值得说明的是，现有技术中，通过光学相控阵实现ψ方向的扫描，通过可调谐激光器和集成光栅实现θ方向的扫描。而其集成光栅散射的光，一部分是向上辐射，另一部分向下辐射进入衬底；其向下辐射的激光完全浪费，造成很大的损耗。

而本实施例提供的该多线激光雷达的发射器，采用外置光栅的结构，且采用金属材料制备，反射率接近100％，有效避免了激光损耗。

本发明另一实施例还提供了一种多线激光雷达，包括上述实施例任一所述的发射器。

该多线激光雷达的发射器，如图1所示，包括：

激光器100，用于发出激光信号；

光学相控阵200，用于对激光信号实现横向角度控制；

角度分束器300，用于对光学相控阵200输出的激光信号实现纵向角度分束。

优选的，设置激光器100的芯片和设置光学相控阵200的芯片对接耦合或者通过光纤连接，设置角度分束器300与激光器100的芯片和设置光学相控阵200的芯片设置在同一底座400上，如图2所示。

优选的，光学相控阵200为波导阵列结构。

可选的，激光器100为：单波长的激光器、多波长的激光器和可调谐激光器中的任意一种。

可选的，角度分束器300包括：准直透镜301，以及不同周期的反射式光栅分束器302(如图3所示)或多棱镜反射器303(如图4所示)。

优选的，准直透镜301为横向放置的裸光纤。

优选的，反射式光栅分束器302由介质光刻制作光栅并蒸镀金属而成，或者仅由金属制成。

或者，如图5所示，角度分束器300包括：微柱透镜阵列或达曼光栅304。

优选的，在图5的基础之上，如图6所示，角度分束器300还包括：反射镜305。

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 (10)

1.一种多线激光雷达的发射器，其特征在于，包括：

激光器，用于发出激光信号；

光学相控阵，用于对所述激光信号实现横向角度控制；

角度分束器，用于对所述光学相控阵输出的激光信号实现纵向角度分束。

2.根据权利要求1所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，设置所述激光器的芯片和设置所述光学相控阵的芯片对接耦合或者通过光纤连接，设置所述角度分束器与所述激光器的芯片和设置所述光学相控阵的芯片设置在同一底座上。

3.根据权利要求2所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述角度分束器包括：准直透镜，以及不同周期的反射式光栅分束器或多棱镜反射器。

4.根据权利要求3所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述准直透镜为横向放置的裸光纤。

5.根据权利要求3所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述反射式光栅分束器由介质光刻制作光栅并蒸镀金属而成，或者仅由金属制成。

6.根据权利要求2所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述角度分束器包括：微柱透镜阵列或达曼光栅。

7.根据权利要求6所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述角度分束器还包括：反射镜。

8.根据权利要求1-7任一所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述激光器为：单波长的激光器、多波长的激光器和可调谐激光器中的任意一种。

9.根据权利要求1-7任一所述的多线激光雷达的发射器，其特征在于，所述光学相控阵为波导阵列结构。

10.一种多线激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的多线激光雷达的发射器。