CN110907917B - 具有集成环形器的激光雷达系统 - 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目标的方法。该激光雷达系统包括具有孔径的光子芯片、一个或多个光电探测器和环形器。光子芯片内产生的发射光束经由孔径离开光子芯片，反射光束经由孔径进入光子芯片，反射光束是从目标反射的发射光束。一个或多个光电探测器至少从反射光束测量目标的参数。集成到光子芯片中的环形器朝向孔径引导发射光束，并将反射光束从孔径引导至一个或多个光电探测器。导航系统基于目标的参数相对于目标导航车辆。

Description

具有集成环形器的激光雷达系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年9月14日提交的第62/731,455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
本公开涉及激光雷达系统，尤其涉及一种用于在激光雷达系统中使用的发射和接收光束的系统和方法。
背景技术
车辆可以使用激光雷达系统来定位和确定车辆视野中目标的参数。激光雷达系统从第一位置发射光束，并在第二位置接收从目标反射的发射光束。使用第一位置发射光束并且使用第二位置接收反射光束需要使用自由空间光学器件来适当地引导光束。自由空间光学器件与第一和第二位置之间的对准问题会降低激光雷达系统的效率。因此，期望提供一种避免这些对准问题的光束发射和光束接收系统。
发明内容
在一个示例性实施例中，公开了一种检测目标的方法。该方法包括：经由光子芯片的环形器将激光器内产生的发射光束引导至光子芯片的孔径；在孔径处接收反射光束，该反射光束是发射光束从目标的反射；经由环形器将反射光束引导至一个或多个光电探测器；以及在一个或多个光电探测器处从反射光束检测目标的参数。
除了本文描述的一个或多个特征之外，该方法还包括经由光子芯片的激光器产生发射光束。该方法还包括使发射光束和反射光束通过自由空间中的单个透镜。该方法还包括经由微机电(MEMS)扫描器将发射光束从孔径朝选定方向引导，并将从选定方向接收的反射光束朝孔径引导。该方法还包括经由激光器和环形器之间的分束器从发射光束获得本地振荡器光束。该方法还包括在环形器和一个或多个光电探测器之间的位置将本地振荡器光束与反射光束组合。该方法还包括基于目标的参数相对于目标导航车辆。
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测量目标参数的光子芯片。光子芯片包括孔径，光子芯片内产生的发射光束经由孔径离开光子芯片，并且反射光束经由孔径进入光子芯片，反射光束是发射光束从目标的反射。光子芯片还包括一个或多个光电探测器，该一个或多个光电探测器配置成至少从反射光束测量目标的参数；以及环形器，其集成到光子芯片中，用于将发射光束朝孔径引导，并将反射光束从孔径引导至一个或多个光电探测器。
除了本文描述的一个或多个特征之外，激光器集成到光子芯片中，激光器产生发射光束。激光雷达系统还包括位于孔径前面的自由空间中的单个透镜，发射光束和反射光束穿过该透镜。激光雷达系统还包括微机电(MEMS)扫描器，其将发射光束从孔径朝选定方向引导，并将从选定方向接收的反射光束朝孔径引导。激光器和环形器之间的光子芯片的分束器从发射光束中获得本地振荡器光束。环形器和一个或多个光电探测器之间的光子芯片的合束器将本地振荡器光束和反射光束组合。在激光雷达系统与车辆相关联的实施例中，导航系统基于目标的参数相对于目标导航车辆。
在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括激光雷达系统和导航系统。激光雷达系统测量目标的参数。激光雷达系统包括具有孔径的光子芯片、一个或多个光电探测器和环形器。光子芯片内产生的发射光束经由孔径离开光子芯片，并且反射光束经由孔径进入光子芯片，反射光束是发射光束从目标的反射。该一个或多个光电探测器至少从反射光束测量目标的参数。环形器集成到光子芯片中，将发射光束朝孔径引导，并将反射光束从孔径引导至一个或多个光电探测器。导航系统基于目标的参数相对于目标导航车辆。
除了本文描述的一个或多个特征之外，激光雷达系统还包括集成到光子芯片中的激光器，该激光器产生发射光束。激光雷达系统还包括位于孔径前面的自由空间中的单个透镜，发射光束和反射光束穿过该透镜。激光雷达系统还包括微机电(MEMS)扫描器，其配置成将发射光束从孔径朝选定方向引导，并将从选定方向接收的反射光束朝孔径引导。光子芯片还包括位于激光器和环形器之间的分束器，用于从发射光束获得本地振荡器光束。光子芯片还包括位于环形器和一个或多个光电探测器之间的合束器，用于将本地振荡器光束和反射光束组合。
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；
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；以及
图12示出了可用于激光雷达系统中的替代光子芯片。
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产生朝向目标110发射的发射光束102。目标110可以是车辆100外部的任何目标，例如，另一车辆、行人、电线杆等。由于目标110和发射光束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接收与发射光束102和反射光束104之间的差异相关的数据，并根据该数据确定目标110的各种参数。各种参数可以包括目标110的距离或范围、方位位置、仰角、目标的多普勒(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目标110导航车辆100，以避免与目标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前方或预处理车辆。
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(发射孔径)发射到自由空间。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，影响与目标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的目标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、光环形器232和转向镜234。准直透镜228将发射光束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。光环形器232控制发射光束102和反射光束104的方向。光环形器232向前引导发射光束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，选定角度是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发射光束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发射光束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发射光束，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的目标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经由面向激光器的边缘耦合器406(其接收来自激光器210的光)耦合到发射器波导404。发射器波导404经由发射边缘耦合器420将来自激光器210的正面210a的光作为发射光束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和发射边缘耦合器420之间的定向耦合器/分束器或多模干涉(MMI)耦合器/分束器410光学耦合到发射器波导404。定向或MMI耦合器/分束器410将来自激光器210的光分成继续在发射器波导404中传播的发射光束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，发射光束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/合束器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/合束器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的光用作发射光束102，并且被引导到自由空间的视场上方，以便被视场内的目标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。
MOPA 700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MOPA 700的设计比DBR激光二极管600更复杂，但是MOPA 700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Mach-Zehnder调制器(MZM)904和高Q环形谐振器光学滤波器908。单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MZM 904中，其中，光在单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穿过光学滤波器908，以减少单MZM 904产生的谐波。在各种实施例中，经由光学滤波器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、光环形器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，其将发射光束102从光环形器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引导至光环形器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发射光束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，发射光束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90°。因此，发射光束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处沿与发射光束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的发射光束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1008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12示出了可用于激光雷达系统200中的替代光子芯片1200。在各种实施例中，光子芯片1200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1200包括相干光源，例如，激光器210，该相干光源是光子芯片1200的集成组件。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))。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。激光器210的正面210a经由面向激光的边缘耦合器(未示出，其接收来自激光器210的光)耦合到发射器波导1202。发射器波导1202将光从激光器210的正面210a引导至集成到光子芯片1200中的环形器1204。环形器1204经由输入/输出波导1208将光从激光器210的正面210a引导至孔径1206。光作为发射光束102离开孔径。
本地振荡器(LO)波导1210经由位于激光器210和环形器1204之间的定向耦合器/分束器或多模干涉(MMI)耦合器/分束器1212光学耦合到发射器波导1202。定向或MMI耦合器/分束器1212将来自激光器210的光分成继续在发射器波导1202中传播的发射光束102和在本地振荡器波导1210中传播的本地振荡器光束。在各种实施例中，发射光束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1210中的可变衰减器或者通过使用激光器210处的控制电压来控制本地振荡器波导1208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经由孔径1206和输入/输出波导1208进入光子芯片1200。输入/输出波导1208将反射光束104从孔径1206引导至环形器1204。环形器1204将反射光束引导至接收器波导1214。接收器波导1214在位于环形器1204和光电探测器216a、216b之间的定向或MMI耦合器/合束器1216处光学耦合到本地振荡器波导1210。本地振荡器光束和反射光束104在双平衡光电探测器216a、216b处被接收之前在定向或MMI耦合器/合束器1216处相互作用。在各种实施例中，发射器波导1202、本地振荡器波导1210和接收器波导1214是光纤。
图12进一步示出了可以供光子芯片1200使用的自由空间光学器件。自由空间光学器件包括单个透镜1230。发射光束102和反射光束都穿过透镜1230。透镜1230位于距孔径1206一定距离处，使得透镜1230是用于准直从孔径1206发出的发射光束102的准直透镜并且是将反射光束104聚焦到孔径1206上的聚焦透镜。
发射光束102穿过透镜1230并到达MEMS扫描器206的反射镜236上，该反射镜236沿着选定方向引导发射光束102。从选定方向接收的反射光束104被从MEMS扫描器206的反射镜236引导穿过透镜1230和孔径1206。使用光子芯片1200内的环形器1204使得能够在光子芯片1200和MEMS扫描器206之间使用单个透镜1230，而不是多个透镜和其他自由空间光学器件。使用单个透镜1230进一步减少了光子芯片1200和MEMS扫描器206之间的对准问题的数量。
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 (8)

1.一种检测目标的方法，包括：
将激光器内产生的发射光束引导至集成到光子芯片的环形器；
将所述发射光束从所述环形器引导至所述光子芯片的孔径；
在所述孔径处接收所述反射光束，所述反射光束是所述发射光束从目标的反射；
将所述反射光束从所述孔径引导至所述环形器，使所述发射光束和所述反射光束通过自由空间中的单个相同的透镜；
经由接收器波导将所述反射光束从所述环形器引导至一个或多个光电探测器；以及
在所述一个或多个光电探测器处从所述反射光束检测目标的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括经由所述光子芯片的激光器产生所述发射光束。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括经由微机电(MEMS)扫描器将所述发射光束从所述孔径朝选定方向引导，并将从所述选定方向接收的反射光束朝所述孔径引导。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括经由所述激光器和所述环形器之间的分束器从所述发射光束获得本地振荡器光束，并且在所述环形器和所述一个或多个光电探测器之间的位置将所述本地振荡器光束与所述反射光束组合。
5.一种激光雷达系统，包括：
光子芯片，用于测量目标的参数，所述光子芯片包括：
激光器，用于产生发射光束；
孔径，所述发射光束经由所述孔径离开所述光子芯片，并且反射光束经由所述孔径进入所述光子芯片，所述反射光束是所述发射光束从所述目标的反射；
一个或多个光电探测器，配置成至少从所述反射光束测量所述目标的参数；以及
环形器，集成到所述光子芯片中，所述环形器配置成将所述发射光束朝所述孔径引导，并将所述反射光束从所述孔径引导至所述一个或多个光电探测器；以及
接收器波导，用于将所述反射光束从所述环形器引导至所述一个或多个光电探测器；
所述激光雷达系统还包括在所述孔径前面的自由空间中的单个透镜，所述发射光束和所述反射光束穿过所述透镜。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，还包括集成到所述光子芯片中的激光器，所述激光器产生所述发射光束。
7.根据权利要求5所述的激光雷达系统，还包括微机电(MEMS)扫描器，其配置成将所述发射光束从所述孔径朝选定方向引导，并将从所述选定方向接收的反射光束朝所述孔径引导。
8.根据权利要求6所述的激光雷达系统，还包括：分束器，位于所述激光器和所述环形器之间，用于从所述发射光束获得本地振荡器光束；以及合束器，位于所述环形器和所述一个或多个光电探测器之间，用于将所述本地振荡器光束和所述反射光束组合。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11614543B2 (en) * 2018-10-09 2023-03-28 GM Global Technology Operations LLC Transimpedance amplifier for Lidar system
WO2021212390A1 (en) * 2020-04-22 2021-10-28 Suteng Innovation Technology Co., Ltd. Optical-electro system
US10942277B1 (en) * 2020-06-19 2021-03-09 Aurora Innovation, Inc. LIDAR system
CN116087913B (zh) * 2023-04-10 2023-06-30 深圳市速腾聚创科技有限公司 光芯片、激光雷达、自动驾驶系统及可移动设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5392308A (en) * 1993-01-07 1995-02-21 Sdl, Inc. Semiconductor laser with integral spatial mode filter
US9093822B1 (en) * 2010-12-20 2015-07-28 TeraDiode, Inc. Multi-band co-bore-sighted scalable output power laser system
WO2018067158A1 (en) * 2016-10-06 2018-04-12 Strobe, Inc. Lidar system

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8548334B2 (en) * 2006-12-06 2013-10-01 Mohammad Mazed Dynamic intelligent bidirectional optical access communication system with object/intelligent appliance-to-object/intelligent appliance interaction
JP5656853B2 (ja) * 2008-10-27 2015-01-21 ジェナリーテ， インコーポレイテッド 光学的な探査及び検知に基づくバイオセンサ
US20130083389A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Optical Air Data Systems, L.L.C. Laser Doppler Velocimeter Optical Electrical Integrated Circuits
US20150185246A1 (en) * 2011-12-23 2015-07-02 Optical Air Data Systems, Llc Laser Doppler Velocimeter With Intelligent Optical Device
US9683928B2 (en) * 2013-06-23 2017-06-20 Eric Swanson Integrated optical system and components utilizing tunable optical sources and coherent detection and phased array for imaging, ranging, sensing, communications and other applications
WO2015087564A1 (ja) 2013-12-10 2015-06-18 三菱電機株式会社 レーザレーダ装置
US9310471B2 (en) * 2014-06-27 2016-04-12 Hrl Laboratories, Llc Single chip scanning lidar and method of producing the same
WO2016154054A1 (en) 2015-03-20 2016-09-29 SMS Sensors Incorporated Systems and methods detecting gases, airborne compounds and other particulates
WO2017095817A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-08 Luminar Technologies, Inc. Lidar system with distributed laser and multiple sensor heads and pulsed laser for lidar system
CN113985427A (zh) * 2016-11-30 2022-01-28 布莱克莫尔传感器和分析有限责任公司 对光学啁啾距离检测进行多普勒检测和校正的方法和系统
AU2017377672C1 (en) * 2016-12-16 2021-11-11 Baraja Pty Ltd Estimation of spatial profile of environment
US11543232B2 (en) * 2017-01-05 2023-01-03 Dental Imaging Technologies Corporation 3D intraoral camera using frequency modulation
US10741910B2 (en) * 2017-06-28 2020-08-11 Eric Swanson Integrated photonic array fed by free-space optics
US10488266B2 (en) * 2017-08-10 2019-11-26 Honeywell International Inc. Large range, high resolution interferometer for wide range of sensing applications
US10908372B2 (en) * 2018-03-05 2021-02-02 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Systems and methods for isolating excitation and signal paths for chip-scale LIDAR
US10788582B2 (en) * 2018-05-11 2020-09-29 Silc Technologies, Inc. Optical sensor chip
US11796677B2 (en) * 2018-07-19 2023-10-24 Silc Technologies, Inc. Optical sensor system
US11105900B2 (en) * 2018-08-09 2021-08-31 GM Global Technology Operations LLC Single MEMS mirror chip scale LIDAR

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5392308A (en) * 1993-01-07 1995-02-21 Sdl, Inc. Semiconductor laser with integral spatial mode filter
US9093822B1 (en) * 2010-12-20 2015-07-28 TeraDiode, Inc. Multi-band co-bore-sighted scalable output power laser system
WO2018067158A1 (en) * 2016-10-06 2018-04-12 Strobe, Inc. Lidar system

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