CN109143200A - 一种激光雷达发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光雷达发射器，其光电子集成芯片上设置有入射单元和N个光学相控阵；其入射单元的出射端分别与各个光学相控阵的入射端相连，N个光学相控阵按照相同角度依次设置，且相邻光学相控阵之间的角度与光学相控阵的出射端的扫描范围相同，使各个光学相控阵的出射端的扫描范围构成预设角度扫描范围内的连续区间，进而使得输出的光束扫描范围得到成倍的增加，解决了现有技术中扫描角度小的问题。
Description
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发射器。
背景技术
激光雷达在大气探测、城市测绘、海洋探测、自动驾驶、机器人技术、激光电视、激光三维成像和工业机械人等都有广泛的应用。当前市场上大多数激光雷达所采用的还是由离散的自由空间光学元件构成，包括激光器、镜头和外部接收器等；其结构复杂、体积庞大笨重且价格昂贵。
为了实现低成本和小型化，现有技术中出现了采用硅基光电子集成技术实现的光控相控阵全固态激光雷达，其在芯片上集成光学功能器件，具有集成度高、体积小、性能稳定、可批量生产及成本低等优点；并且，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；另外，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。
但是，目前报道的光电子集成全固态激光雷达，存在一个很大的问题是其扫描角度小，很难像机械式激光雷达那样实现甚至360度的扫描范围。
发明内容
本发明提供一种激光雷达发射器，以解决现有技术中扫描角度小的问题。
为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种激光雷达发射器，包括：光电子集成芯片，和，设置于所述光电子集成芯片上的入射单元与N个光学相控阵，N为大于1的正整数；其中：
所述入射单元的出射端分别与各个所述光学相控阵的入射端相连；
N个所述光学相控阵按照相同角度依次设置，且相邻所述光学相控阵之间的角度与所述光学相控阵的出射端的扫描范围相同，使各个所述光学相控阵的出射端的扫描范围构成预设角度扫描范围内的连续区间。
优选的，所述入射单元包括：激光导入装置和激光分束装置；
所述激光导入装置的出射端与所述激光分束装置的入射端相连；
所述激光分束装置的N个出射端与N个所述光学相控阵的入射端一一对应相连。
优选的，所述激光导入装置为：光栅耦合器，模式匹配器，或者，设置于沟槽内的半导体激光器；
所述激光分束装置为：1×N的光开关或者1×N的光分束器。
优选的，所述入射单元包括：多个激光导入装置；
各个激光导入装置的出射端分别与各自对应的至少一个所述光学相控阵的入射端相连。
优选的，所述激光导入装置为：光栅耦合器，模式匹配器，或者，设置于沟槽内的半导体激光器。
优选的，所述光学相控阵包括：依次串联连接的分束器、大间隔波导阵列、过渡波导阵列及小间隔波导阵列；其中：
所述分束器的入射端为所述光学相控阵的入射端；
所述小间隔波导阵列的出射端为所述光学相控阵的出射端。
优选的，所述大间隔波导阵列包括：M路较大间隔的波导，且各路波导中均设置有相位调制器；M路较大间隔的波导的入射端与所述分束器的M个出射端一一对应相连；M为大于1的正整数；
所述小间隔波导阵列包括：M路较小间隔的波导；
所述过渡波导阵列包括：M路长度相同的过渡波导；且M路过渡波导的入射端与M路较大间隔的波导的出射端一一对应相连，M路过渡波导的出射端与M路较小间隔的波导的入射端一一对应相连。
优选的，还包括：柱透镜；
所述柱透镜设置于所述光电子集成芯片上、所述光学相控阵出射端处的沟槽内，所述柱透镜的轴向与所述光学相控阵的出射方向位于同一平面且相互垂直；
所述光电子集成芯片上还设置有N个出光窗口，分别位于相应柱透镜的激光出射侧。
优选的，所述光电子集成芯片上还设置有：位于所述柱透镜两端的凹槽，用于放置所述柱透镜的固定胶。
优选的，所述柱透镜为裸光纤。
本发明提供的激光雷达发射器，其光电子集成芯片上设置有入射单元和N个光学相控阵；其入射单元的出射端分别与各个光学相控阵的入射端相连，N个光学相控阵按照相同角度依次设置，且相邻光学相控阵之间的角度与光学相控阵的出射端的扫描范围相同，使各个光学相控阵的出射端的扫描范围构成预设角度扫描范围内的连续区间，进而使得输出的光束扫描范围得到成倍的增加，解决了现有技术中扫描角度小的问题。
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1a是现有技术提供的激光雷达发射器的一维扫描范围示意图；
图1b是现有技术提供的激光雷达发射器的远场光斑示意图；
图2是本发明实施例提供的激光雷达发射器的组成示意图；
图3a至图4b是本发明实施例提供的激光雷达发射器的具体结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的激光雷达发射器的剖面图；
图6a和图6b是本发明另一实施例提供的光学相控阵结构示意图；
图7是本发明另一实施例提供的激光雷达发射器的结构及远场光斑示意图。
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做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发射器，以解决现有技术中扫描角度小的问题。
请参见图2至图4b，该激光雷达发射器包括：光电子集成芯片10(图2中未示出)，和，设置于光电子集成芯片10上的入射单元与N个光学相控阵100(图2中记为OPA1…OPAi…OPAn，n＝N)，N为大于1的正整数；其中：
入射单元的出射端分别与各个光学相控阵100的入射端相连；
N个光学相控阵100按照相同角度依次设置，且相邻光学相控阵100之间的角度与光学相控阵100的出射端的扫描范围相同，使各个光学相控阵100的出射端的扫描范围构成预设角度扫描范围内的连续区间；具体的，N个光学相控阵100按照相同角度θ依次设置，相邻光学相控阵100放置的位置成角度θ，每个光学相控阵100的扫描范围也为角度θ，则得到的整体扫描角度为N×θ，即该预设角度扫描范围，进而使得输出的光束扫描范围得到成倍的增加。
对于该预设角度扫描范围，可以根据具体应用环境进行设置，比如可以为180度、270度或者360度，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。
以各个光学相控阵100的出射端的扫描范围θ＝90度为例，图3a、图4a及图4b中N＝4、能够实现360度的连续扫描范围，图3b中N＝3、能够实现270度的连续扫描范围，图3c中N＝2、能够实现180度的连续扫描范围。
实际应用中，对于入射单元的具体设置，可以为图3a至图3c所示一对多的入射形式，也可以是图4a和图4b所示多对多的入射形式；具体的：
参见图3a至图3c，该入射单元包括：激光导入装置300和激光分束装置200；
激光导入装置300的出射端与激光分束装置200的入射端相连；
激光分束装置200的N个出射端与N个光学相控阵100的入射端一一对应相连。
参见图4a和图4b，该入射单元包括：多个激光导入装置300；
每个激光导入装置300的出射端分别与各自对应的至少一个光学相控阵100的入射端相连；如图4a中，每个激光导入装置300的出射端分别与各自对应的一个光学相控阵100的入射端相连；如图4b中，每个激光导入装置300的出射端分别与各自对应的两个光学相控阵100的入射端相连。
可选的，图3a至图4b中的激光导入装置300可以为：光栅耦合器，模式匹配器，或者，设置于沟槽内的半导体激光器；
具体的，可以将光纤耦合出来的半导体激光器，或光纤激光器通过光栅耦合器将激光耦合进光学相控阵100中；或者，将半导体激光器，或激光器阵列放置在相应沟槽内，半导体激光器发出的激光直接进入光学相控阵100的波导中，该半导体激光器中有源区波导与芯层、上包层、下包层及衬底之间的位置关系如图5所示；并且一个半导体激光器可同时为两个光学相控阵100提供光源(如图4b所示)或为多个光学相控阵100提供光源。
可选的，图3a至图3c中的激光分束装置200为：1×N的光开关或者1×N的光分束器，此处不做具体限定，可以视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
综上所述，本实施例提供的该激光雷达发射器，克服了目前光学相控阵芯片扫描范围小的缺点，可以实现1维任意角度的光扫描，最大可以实现360度的光扫描。
值得说明的是，虽然理论上一个光学相控阵的扫描范围θ(如图1a所示)最大是180度，然而事实上由于工艺技术问题和集成光学的原理问题，目前一个光学相控阵能够实现的扫描角度只能做到80度。
因此，本发明另一实施例还提供了另外一种具体的激光雷达发射器，在上述实施例的基础之上，优选的，其光学相控阵100如图6a和图6b所示，包括：依次串联连接的分束器101、大间隔波导阵列102、过渡波导阵列104及小间隔波导阵列；其中：
分束器101的入射端为光学相控阵100的入射端；
小间隔波导阵列的出射端为光学相控阵100的出射端。
具体的，大间隔波导阵列102包括：M路较大间隔的波导，且各路波导中均设置有相位调制器103，防止相位调制分布相互干扰；M路较大间隔的波导的入射端与分束器101的M个出射端一一对应相连；M为大于1的正整数；
小间隔波导阵列包括：M路较小间隔的波导；小间隔波导阵列内各个波导之间的间隔，是相对于大间隔波导阵列102内波导间隔而言的较小间隔，可以是等间距的(如图6a所示的105)，也可也以非等间距的(如图6b所示的106)，均可以获得大的扫描角度、增加每个光学相控阵100的扫描角度范围，具体选用视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
过渡波导阵列104包括：M路长度相同的过渡波导，导使光学相控阵100具有激光波长不敏感性；且M路过渡波导的入射端与M路较大间隔的波导的出射端一一对应相连，M路过渡波导的出射端与M路较小间隔的波导的入射端一一对应相连。
具体的，该光学相控阵100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，其制作过程为：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，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300nm SiN，刻蚀出用于键合的窗口；最后刻蚀出沟槽结构(图3a中的400、500、600)，沟槽的深度使光波导位置恰好为光纤的直径位置。
其余结构和原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
另外，现有技术中从芯片上出来的远场光斑是一个椭圆，如图1b所示，其纵向很长(发散角可达40度)、横向比较窄；这不利于激光雷达的应用，为例将其远场光斑变成一个利于应用的小圆斑，本发明另一实施例还提供了另外一种激光雷达发射器，在上述实施例的基础之上，如图3a至图4b和图7所示，还包括：柱透镜700，用于实现光束整形、把上下长的椭圆压缩成一个小的圆形光斑，克服目前光学相控阵芯片纵向发散角大的缺点；具体的：
柱透镜700设置于光电子集成芯片10上、光学相控阵100出射端处的沟槽400内，柱透镜700的轴向与光学相控阵100的出射方向位于同一平面且相互垂直；
光电子集成芯片10上还设置有N个出光窗口600，分别位于相应柱透镜700的激光出射侧。
优选的，如图7所示，光电子集成芯片10上还设置有：位于柱透镜700两端的凹槽500，用于放置柱透镜700的固定胶。
优选的，以裸光纤作为柱透镜700，成本低。
如图7所示，每个光学相控阵100的出射端与横向放置的裸光纤相连，横向放置的裸光纤相当于横向的柱透镜700，可以克服目前光学相控阵芯片纵向发散角大的缺点，实现纵向的光压缩使光能量更集中，有利于激光雷达探测更远的距离。
并且，在光电子集成芯片10上刻槽放光纤，是混合集成，较普通的透镜组装方法，精度高、成本低，封装更容易。
其余结构和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)
1.一种激光雷达发射器，其特征在于，包括：光电子集成芯片，和，设置于所述光电子集成芯片上的入射单元与N个光学相控阵，N为大于1的正整数；其中：
所述入射单元的出射端分别与各个所述光学相控阵的入射端相连；
N个所述光学相控阵按照相同角度依次设置，且相邻所述光学相控阵之间的角度与所述光学相控阵的出射端的扫描范围相同，使各个所述光学相控阵的出射端的扫描范围构成预设角度扫描范围内的连续区间。
2.根据权利要求1所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述入射单元包括：激光导入装置和激光分束装置；
所述激光导入装置的出射端与所述激光分束装置的入射端相连；
所述激光分束装置的N个出射端与N个所述光学相控阵的入射端一一对应相连。
3.根据权利要求2所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述激光导入装置为：光栅耦合器，模式匹配器，或者，设置于沟槽内的半导体激光器；
所述激光分束装置为：1×N的光开关或者1×N的光分束器。
4.根据权利要求1所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述入射单元包括：多个激光导入装置；
各个激光导入装置的出射端分别与各自对应的至少一个所述光学相控阵的入射端相连。
5.根据权利要求4所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述激光导入装置为：光栅耦合器，模式匹配器，或者，设置于沟槽内的半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述光学相控阵包括：依次串联连接的分束器、大间隔波导阵列、过渡波导阵列及小间隔波导阵列；其中：
所述分束器的入射端为所述光学相控阵的入射端；
所述小间隔波导阵列的出射端为所述光学相控阵的出射端。
7.根据权利要求6所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述大间隔波导阵列包括：M路较大间隔的波导，且各路波导中均设置有相位调制器；M路较大间隔的波导的入射端与所述分束器的M个出射端一一对应相连；M为大于1的正整数；
所述小间隔波导阵列包括：M路较小间隔的波导；
所述过渡波导阵列包括：M路长度相同的过渡波导；且M路过渡波导的入射端与M路较大间隔的波导的出射端一一对应相连，M路过渡波导的出射端与M路较小间隔的波导的入射端一一对应相连。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光雷达发射器，其特征在于，还包括：柱透镜；
所述柱透镜设置于所述光电子集成芯片上、所述光学相控阵出射端处的沟槽内，所述柱透镜的轴向与所述光学相控阵的出射方向位于同一平面且相互垂直；
所述光电子集成芯片上还设置有N个出光窗口，分别位于相应柱透镜的激光出射侧。
9.根据权利要求8所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述光电子集成芯片上还设置有：位于所述柱透镜两端的凹槽，用于放置所述柱透镜的固定胶。
10.根据权利要求8所述的激光雷达发射器，其特征在于，所述柱透镜为裸光纤。
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| CN (1) | CN109143200A (zh) |
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