CN110907915B - 距离性能增强的芯片级激光雷达 - Google Patents

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Abstract

公开了一种车辆、一种激光雷达系统以及一种检测物体的方法。该激光雷达系统包括光子芯片和集成到光子芯片中的激光器。激光器具有位于光子芯片的第一孔径处的正面，以将透射光束引导至自由空间中。在光子芯片处接收作为透射光束的反射的反射光束，并且根据透射光束和反射光束的比较来确定物体的参数。导航系统基于物体的参数相对于物体操作车辆。

Description

距离性能增强的芯片级激光雷达
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年9月14日提交的第62/731,427号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及用于检测物体的系统和方法，具体地涉及激光雷达系统及其在检测物体中的用途。
背景技术
用于车辆的激光雷达系统可以使用带有激光器的光子芯片。激光从光子芯片透射并从物体反射出去。透射光和反射光之间的差异用于确定物体的各种参数，例如，其距离、方位角、仰角和速度。在一些光子芯片中，来自激光器的光在离开光子芯片之前穿过内部波导和边缘耦合器。内部波导和边缘耦合器处的功率损耗影响激光雷达系统的可探测范围。因此，期望提供一种产生光束而没有显著功率损耗的激光雷达系统。
发明内容
在一个示例性实施例中，公开了一种检测物体的方法。该方法包括：经由光子芯片处的激光器在光子芯片处产生透射光束，激光器具有位于光子芯片的第一孔径处的正面，以将透射光束引导至自由空间和包含有该物体的区域中；在光子芯片处接收反射光束，该反射光束是透射光束的反射；并且根据透射光束和反射光束的比较来确定物体的参数。
除了本文描述的一个或多个特征之外，该方法还包括在光子芯片的第二孔径处接收反射光束。该方法还包括经由微机电(MEMS)扫描器在选定方向上引导透射光束，并且经由MEMS扫描器从选定方向接收反射光束。该方法还包括经由自由空间循环器将透射光束从第一孔径引导至MEMS扫描器，并且经由自由空间循环器将反射光束从MEMS扫描器引导至第二孔径。该方法还包括从激光器接收泄漏能量，作为光子芯片中的本地振荡器光束。反射光束和本地振荡器光束在光子芯片中彼此干涉。该方法还包括基于物体的参数相对于物体导航车辆。
在另一示例性实施例中，公开了一种激光雷达系统。该激光雷达系统包括光子芯片和集成到光子芯片中的激光器。激光器具有位于光子芯片的第一孔径处的正面，以将透射光束引导至自由空间中。
除了本文描述的一个或多个特征之外，光子芯片还包括用于接收反射光束的第二孔径，反射光束是来自自由空间中的物体的透射光束的反射。激光雷达系统还包括处理器，该处理器配置成根据透射光束和反射光束的比较来确定物体的参数。激光雷达系统还包括微机电(MEMS)扫描器，用于在选定方向上引导透射光束并从选定方向接收反射光束。激光雷达系统还包括自由空间循环器，该自由空间循环器配置成将透射光束从第一孔径引导至MEMS扫描器的反射镜，并将反射光束从MEMS扫描器的反射镜引导至第二孔径。来自激光器的泄漏能量被作为光子芯片中的本地振荡器光束。
在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括用于确定物体的参数的激光雷达系统和导航系统。激光雷达系统包括光子芯片和集成到光子芯片中的激光器。激光器具有位于光子芯片的第一孔径处的正面，以将透射光束引导至包括物体的自由空间中。导航系统配置成基于根据透射光束确定的物体的参数来相对于物体操作车辆。
除了本文描述的一个或多个特征之外，光子芯片还包括用于接收反射光束的第二孔径，反射光束是来自自由空间中的物体的透射光束的反射。处理器根据透射光束和反射光束之间的比较来确定物体的参数。激光雷达系统还包括微机电(MEMS)扫描器，用于在选定方向上引导透射光束并从选定方向接收反射光束。自由空间循环器将透射光束从第一孔径引导至MEMS扫描器的反射镜，并将反射光束从MEMS扫描器的反射镜引导至第二孔径。来自激光器的泄漏能量被作为光子芯片中的本地振荡器光束。
通过以下结合附图进行的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，其中：
图1示出了适合使用激光雷达系统的车辆的平面图；
图2示出了适用于图1的车辆的示例性激光雷达系统的详图；
图3示出了图2的激光雷达系统的侧视图；
图4示出了可以代替图2的光子芯片供激光雷达系统使用的替代光子芯片；
图5示出了可以代替图2的光子芯片使用的另一替代光子芯片；
图6示出了锥形分布式布拉格反射(DBR)激光二极管；
图7示出了实施例中的主振荡器功率放大器(MOPA)的细节；
图8示出了使用集成双I&Q Mach-Zehnder调制器(MZM)的光学移频器；
图9示出了替代实施例中的光学移频器；
图10示出了供图2的激光雷达系统使用的自由空间光学器件和MEMS扫描器的替代配置；以及
图11示出了供图2的激光雷达系统使用的自由空间光学器件和MEMS扫描器的替代配置。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。
根据示例性实施例，图1示出了适合使用图2的激光雷达系统200的车辆100的平面图。激光雷达系统200产生朝向物体110透射的透射光束102。物体110可以是车辆100外部的任何物体，例如，另一车辆、行人、电线杆等。由于物体110和透射光束102的相互作用而产生的反射光束104在激光雷达系统200处被接收回。处理器106控制激光雷达系统200的各种操作，例如，控制激光雷达系统200的光源等。处理器106还从激光雷达系统200接收与透射光束102和反射光束104之间的差异相关的数据，并根据该数据确定物体110的各种参数。各种参数可以包括物体110的距离或范围、方位位置、仰角、物体的多普勒(速度)等。车辆100还可以包括导航系统108，导航系统108使用这些参数来相对于物体110导航车辆100，以避免与物体110接触。虽然关于车辆100进行了讨论，但是在各种实施例中，激光雷达系统200可以供其他装置使用，包括底盘控制系统和用于崎岖道路的预警或预处理车辆。
图2示出了适用于图1的车辆的示例性激光雷达系统200的详细图示。激光雷达系统200包括集成平台240和各种附加组件，集成平台240可以是硅平台。光子芯片202、自由空间光学器件204和微机电(MEMS)扫描器206设置在集成平台240上。
在各种实施例中，光子芯片202是扫描调频连续波(FMCW)激光雷达的一部分。在各种实施例中，光子芯片202可以是硅光子芯片。光子芯片202可以包括光源、波导和至少一个光电探测器。在一个实施例中，光子芯片202包括光源，例如，激光器210、第一波导212(本文也称为本地振荡器波导)、第二波导214(本文也称为返回信号波导)和一组光电探测器216a和216b。光子芯片202还包括一个或多个边缘耦合器218、220，用于控制光输入到相关波导中。边缘耦合器可以是模斑转换器、光栅或用于在自由空间传播和波导内传播之间转换光的任何其他合适的装置。在选定位置，第一波导212和第二波导214彼此靠近，以形成多模干涉(MMI)耦合器226。
激光器210是光子芯片202的集成组件。激光器210可以是任何单频激光器，其可以调频并且可以产生选定波长的光，例如，被认为对人眼安全的波长(例如，1550纳米(nm))。激光器210包括正面210a和背面210b。来自激光器210的大部分能量经由光子芯片202的正面210a和第一孔径222(透射孔径)透射到自由空间。来自激光器的相对较小百分比的能量(也称为泄漏能量)经由背面210b离开激光器210，并被引导至第一波导212中。
用作本地振荡器光束的泄漏能量可以变化，因此，影响与物体110的参数相关的测量。为了控制本地振荡器光束的功率，可以在本地振荡器波导的光路中使用可变衰减器。当本地振荡器波束的功率超过选定的功率阈值时，可以激活衰减器，以限制本地振荡器波束的功率。或者，可以在激光器210处使用控制电压，以便控制激光器210在激光器背面210b处的增益。控制电压可用于增加或减少背面210b处的辐射或泄漏能量。
第一波导212在激光器210的背面210b和光电探测器216a、216b之间提供光路。第一波导212的一端经由第一边缘耦合器218耦合到激光器210的背面210b。来自背面210b的泄漏能量经由第一边缘耦合器218被引导至第一波导212。
第二波导214在光子芯片202的第二孔径224(也称为接收器孔径)和光电探测器216a、216b之间提供光路。第二孔径224处的第二边缘耦合器220将入射的反射光束104聚焦到第二波导214中。
第一波导212和第二波导214在其相应的孔径(222、224)和光电探测器(216a、216b)之间的位置形成多模干涉(MMI)耦合器226。第一波导212中的光和第二波导214中的光在MMI耦合器226处彼此干涉，并且干涉结果在光电探测器216a和216b处检测到。光电探测器216a和216b处的测量结果被提供给图1的处理器106，处理器106确定反射光束104的各种特性，从而确定图1的物体110的各种参数。光电探测器216a和216b将光信号(即，光子)转换成电信号(即，电子)。电信号通常需要额外的信号处理，例如，放大、从电流信号转换到电压信号、以及在提供给处理器106之前从模拟信号转换到离散数字信号。
自由空间光学器件204包括准直透镜228、聚焦透镜230、光学循环器232和转向镜234。准直透镜228将透射光束102的曲率从发散光束(在离开激光器210b的正面210a时)变为准直或平行光束。光学循环器232控制透射光束102和反射光束104的方向。光学循环器232向前引导透射光束102，而没有任何角度偏差，并以选定角度引导入射或反射光束104。在各种实施例中，选择的角度是90°角，但是可以实现任何合适的角度。反射光束104在转向镜234处被导向聚焦透镜230。聚焦透镜230将反射光束104的曲线从大致平行的光束变为会聚光束。聚焦透镜230放置在离第二孔径224一定距离处，该距离允许反射光束104在第二孔径224处集中到第二边缘耦合器220上。
MEMS扫描器206包括反射镜236，用于在多个角度上扫描透射光束102。在各种实施例中，反射镜236能够沿着两个轴旋转，从而在选定区域上扫描透射光束102。在各种实施例中，镜轴包括扫描角度约为50°的快轴和扫描角度约为20°的准静态慢轴。MEMS扫描器206可以在选定方向引导透射光束，并接收来自选定方向的反射光束104。
图3示出了图2的激光雷达系统200的侧视图。集成平台240包括设置在集成平台240表面上的光子芯片202。集成平台240包括袋状物242，光学底座244可以设置在袋状物242中。自由空间光学器件204和MEMS扫描器206可以安装在光学底座244上，并且光学底座可以在袋状物242内对准，以便将准直透镜228与光子芯片202的第一孔径222对准，并且将聚焦透镜230与光子芯片的第二孔径224对准。光学底座244可以由热膨胀系数与集成平台240的热膨胀系数匹配或大致匹配的材料制成，以便保持自由空间光学器件204和光子芯片202之间的对准。集成平台240可以耦合到印刷电路板246。印刷电路板246包括各种电子器件，用于操作激光雷达系统200的组件，包括控制光子芯片202的图2的激光器210的操作，控制反射镜236的振荡，从光电探测器216a和216b接收信号并处理信号，以便确定反射光束104的各种特性，从而确定与反射光束相关联的图1的物体110的各种参数。
使用光学底座244是集成平台240的实施例的一种可能的实施方式。在另一实施例中，不使用光学底座244，自由空间光学器件204和MEMS反射镜236直接设置在集成平台240上。
图4示出了可以代替图2的光子芯片202供激光雷达系统200使用的替代光子芯片400。在各种实施例中，光子芯片400是扫描调频连续波(FMCW)激光雷达的一部分，并且可以是硅光子芯片。光子芯片400包括相干光源，例如，激光器210，该相干光源是光子芯片400的集成组件。激光器210可以是可以调频的任何单频激光器。在各种实施例中，激光器210产生选定波长的光，例如，被认为对人眼安全的波长(例如，1550纳米(nm))。激光器包括正面210a和背面210b，大部分激光能量从激光器210的正面210a发射，泄漏能量从背面210b发射。从背面210b泄漏的能量可以耦合到光电探测器(未示出)，用于监控激光器210的性能。激光器210的正面210a经由接收来自激光器210的光的面向激光器的边缘耦合器406耦合到发射器波导404。发射器波导404经由透射边缘耦合器420将来自激光器210的正面210a的光作为透射光束102引导出光子芯片400。
本地振荡器(LO)波导408经由位于激光器210和透射边缘耦合器420之间的定向耦合器/分路器或多模干涉(MMI)耦合器/分路器410光学耦合到发射器波导404。定向或MMI耦合器/分离器410将来自激光器210的光分成继续在发射器波导404中传播的透射光束102和在本地振荡器波导408中传播的本地振荡器光束。在各种实施例中，透射光束102的分光比可以是90％，本地振荡器光束的分光比可以是10％。可以通过使用在LO波导408中的可变衰减器或者通过使用在激光器210处的控制电压来控制本地振荡器波导408中的本地振荡器光束的功率。本地振荡器光束被导向双平衡光电探测器216a、216b，双平衡光电探测器执行光束测量并将光信号转换成电信号以进行处理。
入射或反射光束104经由接收器边缘耦合器422并经由接收器波导414进入光子芯片400。接收器波导414将反射光束104从接收器边缘耦合器422引导至双平衡光电探测器216a、216b。接收器波导414在位于接收器边缘耦合器422和光电探测器216a、216b之间的定向或MMI耦合器/组合器412处光学耦合到本地振荡器波导408。本地振荡器光束和反射光束104在被双平衡光电探测器216a、216b接收之前在定向或MMI耦合器/组合器412处相互作用。在各种实施例中，发射器波导404、本地振荡器波导408和接收器波导414是光纤。
图5示出了可以用来代替图2的光子芯片202的另一替代光子芯片500。替代光子芯片500具有激光器210未集成到光子芯片500上的设计。光子芯片500包括用于在光子芯片500内传播本地振荡器光束的第一波导502和用于在光子芯片500内传播反射光束104的第二波导504。第一波导502的一端耦合到位于光子芯片500的第一孔径508处的第一边缘耦合器506，并且第一波导502朝向光电探测器216a和216b引导信号。第二波导504的一端耦合到位于第二孔径512的第二边缘耦合器510，第二波导504朝向光电探测器216a、216b引导信号。第一波导502和第二波导504在其相应的边缘耦合器506、510和光电探测器216a、216b之间的位置彼此接近，以形成MMI耦合器514，在MMI耦合器514中本地振荡器光束和反射光束104彼此干涉。
激光器210是片外的(即，没有集成到光子芯片500中)，并且其背面210b指向第一边缘耦合器506。激光器210可以是可调频的任何单频激光器。在各种实施例中，激光器210产生选定波长的光，例如，被认为对人眼安全的波长(例如，1550纳米(nm))。聚焦透镜520设置在背面210b和第一孔径508之间，并将来自背面210b的泄漏光束聚焦到第一边缘耦合器506上，使得泄漏光束进入第一波导502，以用作本地振荡器光束。可以通过使用在第一波导502中的可变衰减器或者通过使用在激光器210处的控制电压来控制第一波导502中的本地振荡器光束的功率。经由正面210a离开激光器210的光用作透射光束102，并且被引导到自由空间的视场上方，以便被视场内的物体110(图1)反射。反射光束104经由合适的自由空间光学器件(未示出)在第二边缘耦合器510处被接收。
图6示出了锥形分布式布拉格反射(DBR)激光二极管600。DBR激光二极管600可以用作激光雷达系统200的光子芯片202、400和500的激光器210。DBR激光二极管600包括位于DBR激光二极管背面610b的高反射DBR后镜602、位于DBR激光二极管正面610a的低反射前镜606以及位于DBR后镜602和前镜606之间的锥形增益部分604。DBR后镜602包括具有不同折射率的交替材料区域。可以在锥形增益部分604施加电流或能量，以产生选定波长的光。
图7示出了实施例中的主振荡器功率放大器(MOPA)700的细节。MOPA 700可以用作激光雷达系统200的光子芯片202、400和500的激光器210。
MOPA700包括位于背面710b的高反射DBR后镜702和靠近正面710a的低反射DBR前镜708。相位部分704和增益部分706位于后镜702和前镜708之间。相位部分704调节激光器的模式，增益部分706包括用于产生选定波长的光的增益介质。离开前镜708的光穿过增大光强度的放大器部分710。
在各种实施例中，激光器具有300毫瓦(mW)的正面输出功率和大约3mW的背面输出功率，同时保持小于大约100千赫(kHz)的线宽。虽然MOPA700的设计比DBR激光二极管600更复杂，但是MOPA700在保持单频操作和单空间模式操作的同时，在正面产生所需的光功率时通常更可靠。
图8示出了使用集成双I&Q Mach-Zehnder调制器(MZM)804的光学移频器800。光学移频器800可用于改变本地振荡器光束的频率或波长，以减少测量反射光束104时的模糊性。光学移频器800包括输入波导802，其向MZM 804提供第一波长/频率(本文也称为二极管波长/频率(λD/fD))的光。光学移频器800还包括输出波导806，其接收来自MZM 804的偏移波长/频率(λD-λm/fD+fm)的光。λm和fm分别是由MZM 804提供给光的波长偏移和频率偏移。
在MZM 804处，来自输入波导802的光分成几个分支。在各种实施例中，MZM 804有四个分支。每个分支包括光路移位器808，该光路移位器808可用于增大或减小光路长度，并因此改变沿着选定分支的相位延迟。选定的光路移位器808可以是加热元件，该加热元件加热分支，以便因热膨胀或收缩而增大或减小分支的长度。可以施加电压来控制光路移位器808，从而控制增大或减小光路长度。因此，操作者或处理器可以控制输出波导806中波长/频率(λm/fm)的变化值，从而控制偏移波长/频率(λD-λm/fD+fm)。
图9示出了替代实施例中的光学移频器900。光学移频器900包括单个Mach-Zehnder调制器(MZM)904和高Q环形谐振器光学滤波器908。单个MZM 904具有两个波导分支，每个分支具有光路移位器910。输入波导902以工作波长/频率(λD/fD)将光引导至单个MZM904中，其中，光在单个MZM 904的分支中被分离。激活光路移位器910，以使光的频率/波长(λm/fm)发生变化。来自MZM 904的光经由输出波导906穿过滤光器908，以减少单个MZM904产生的谐波。在各种实施例中，经由滤光器908出射的光具有波长/频率(λD-λm/fD+fm)。
在各种实施例中，光学移频器(800、900)将本地振荡器光束的光学频率移位高达大约115兆赫(Mhz)。集成双I&Q MZM 804能够实现宽范围的光学偏移，例如偏移大于1千兆赫(GHz)的量，同时仅产生低水平的谐波(即，<-20dB)。通常，虽然集成双I&Q MZM 804的设计更为复杂，但是相对于集成单MZM和高Q环形谐振器光学滤波器908，优选集成双I&Q MZM804。
图10示出了供图2的激光雷达系统200使用的自由空间光学器件204和MEMS扫描器206的替代配置1000。自由空间光学器件包括准直透镜228、聚焦透镜230、光学循环器232和转向镜234，如图2所示。自由空间光学器件还包括转向镜1002，其将透射光束102从光学循环器232引导至MEMS扫描器206的反射镜236上，并将反射光束104从MEMS扫描器206的反射镜236引导至光学循环器232。在各种实施例中，转向镜可以将光偏转出自由空间光学器件的平面，并且可以包括多个转向镜。
图11示出了供图2的激光雷达系统200使用的自由空间光学器件204和MEMS扫描器206的替代配置1100。自由空间光学器件包括单个准直和聚焦透镜1102、双折射楔1104、法拉第旋转器1106和转向镜1108。准直和聚焦透镜1102准直沿一个方向行进的透射光束102，并聚焦沿相反方向行进的反射光束104。双折射楔1104根据光束的偏振方向改变光束的路径。法拉第旋转器1106影响光束的偏振方向。由于双折射楔1104和法拉第旋转器1106的配置，透射光束102以第一偏振方向入射到双折射楔1104上，而反射光束104以不同于第一偏振方向的第二偏振方向入射到双折射楔1104上，第二偏振方向通常是从第一偏振方向旋转90o。因此，透射光束102可以在第一孔径1110处离开光子芯片，并且在MEMS扫描器206的反射镜236处偏离，以沿着选定的方向行进。同时，在MEMS扫描器206处沿与透射光束102相反的方向行进的反射光束104偏离到指向光子芯片的第二孔径1112的另一方向。
转向镜1108将来自法拉第旋转器1106的透射光束102引导至MEMS扫描器206的反射镜236上，并将反射光束104从MEMS扫描器206的反射镜236引导至法拉第旋转器1106。在各种实施例中，转向镜1108可以将光偏转出自由空间光学器件的平面，并且可以包括多个转向镜。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等同物来替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开旨在不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (7)

1.一种检测物体的方法，包括：
经由光子芯片处的激光器在所述光子芯片处产生透射光束，所述激光器具有位于所述光子芯片的第一孔径处的正面，以将所述透射光束引导至自由空间和包含有所述物体的区域中；
经由微机电MEMS扫描器在选定方向上引导所述透射光束；
在所述MEMS扫描器处从所述选定方向接收反射光束，其中，所述反射光束是所述透射光束的反射；
在所述光子芯片的第二孔径处接收来自所述MEMS扫描器的所述反射光束；以及
根据所述透射光束和所述反射光束的比较来确定所述物体的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括经由自由空间循环器将所述透射光束从所述第一孔径引导至所述MEMS扫描器，并且经由所述自由空间循环器将所述反射光束从所述MEMS扫描器引导至所述第二孔径。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述激光器接收泄漏能量，作为所述光子芯片中的本地振荡器光束，其中，所述反射光束和所述本地振荡器光束在所述光子芯片中彼此干涉。
4.一种激光雷达系统，包括：
光子芯片，具有第一孔径和第二孔径；
激光器，集成到所述光子芯片中，所述激光器具有位于所述光子芯片的第一孔径处的正面，以将透射光束引导至自由空间中；以及
微机电MEMS扫描器，用于在选定方向上引导来自所述第一孔径的所述透射光束，从所述选定方向接收反射光束并将所述反射光束引导至所述第二孔径，其中，所述反射光束是来自所述自由空间中的物体的对所述透射光束的反射。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，还包括处理器，其配置成根据所述透射光束和所述反射光束的比较来确定所述物体的参数。
6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，还包括：自由空间循环器，其配置成将所述透射光束从所述第一孔径引导至所述MEMS扫描器的反射镜，并将所述反射光束从所述MEMS扫描器的所述反射镜引导至第二孔径。
7.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，来自所述激光器的泄漏能量被用作所述光子芯片中的本地振荡器光束。
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