CN111830486B - 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法 - Google Patents

一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111830486B
CN111830486B CN202010732706.2A CN202010732706A CN111830486B CN 111830486 B CN111830486 B CN 111830486B CN 202010732706 A CN202010732706 A CN 202010732706A CN 111830486 B CN111830486 B CN 111830486B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
array waveguide
array
radius
grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010732706.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111830486A (zh
Inventor
彭波
李月
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202010732706.2A priority Critical patent/CN111830486B/zh
Publication of CN111830486A publication Critical patent/CN111830486A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111830486B publication Critical patent/CN111830486B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1086—Beam splitting or combining systems operating by diffraction only
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本申请涉及一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法。所述集成芯片主要由预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅构成，所述阵列波导光栅用于将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。本申请实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现从0‑180°扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.1°。同时，本申请完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，实现了片上集成工艺，具有小型化、多功能的特点。

Description

一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法
技术领域
本申请涉及激光雷达扫描领域，尤其涉及一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法。
背景技术
随着汽车智能化、电子化的推进，无人驾驶已经是未来的发展方向。无人平台、智能驾驶技术的迅速发展使环境感知传感器成为重要的核心器件。激光雷达由于其分辨率高、抗干扰强、探测范围广、近全天候工作的优异特性，被认为是通往无人/智能驾驶的必需产品。激光雷达的最大优势是可实时绘制出车辆周边的三维环境地图；同时，测量出周边其他车辆在三个方向上的距离、速度、加速度、角速度等信息。
激光雷达技术主要分为三种：机械转动激光雷达、混合式激光雷达和全固态激光雷达。机械转动式激光雷达是通过步进电机的持续旋转驱动机械旋转实现激光扫描，其成本高、寿命短，更严重的是，其内部含有大量可动部件，易受车辆振动影响而产生漂移、靠性差、易磨损。混合式激光雷达利用微机电系统(MEMS)构建振镜阵列，通过驱动电路驱动MEMS振镜旋转实现激光扫描，其微振镜受到震动的影响会降低精度和可靠性,产生漂移、影响寿命。全固态激光雷达摒弃机械装置、利用电路驱动实现三维激光扫描，相对于机械转动激光雷达、混合式激光雷达提高了可靠性、降低了体积。
目前全固态激光雷达仍存在体积大、不能集成化、小型化以及扫描速度慢(10-30赫兹)、扫描角度小(100-120°)、角分辨率低(>0.1°)等缺点和不足，基于此，迫切需求一种全新的片上集成芯片的全固态高速大角度扫描激光雷达技术。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法。
第一方面，本申请提供了一种全固态激光雷达片上集成芯片，所述集成芯片主要由预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅构成，所述阵列波导光栅用于将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
可选的，所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器构成；所述激光光束通过所述输入波导和所述输入星型耦合器进入所述阵列波导，被所述阵列波导分光聚焦形成等间距等频率差的光源阵列；所述光源阵列中各频率点的光源被所述输出星型耦合器以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
可选的，所述阵列波导的间距和半径用于控制所述各频率点的频率梯度。
可选的，所述阵列波导构成等效的凹面光栅；所述阵列波导的半径为2r，所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上，所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。
可选的，所述输入波导位于所述星型耦合器的中心位置；所述阵列波导的长度差为10-100微米，数目为30-500。
第二方面，本申请提供了一种全固态激光雷达片上集成芯片的设计方法，所述设计方法包括：
通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；
将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
可选的，所述设计方法还包括：
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度。
可选的，所述设计方法还包括：
根据所述阵列波导光栅的间距和半径，控制所述频率梯度。
可选的，所述设计方法还包括：
根据所述阵列波导光栅的间距和半径，按照下式控制所述频率梯度：
Figure BDA0002603780870000021
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
Figure BDA0002603780870000031
其中，
Figure BDA0002603780870000032
为频率梯度，Δω为相邻频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，ns为输入/输出星型耦合器的折射率，da为阵列波导光栅的间距，ω0为中心频率，c为m为衍射级数，R为阵列波导光栅的半径，θ为转动扫描的角度，k0为波矢，r为探测点与中心原点的距离。
可选的，所述通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列之前，包括：
将所述阵列波导光栅设计成等效的凹面光栅；所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器构成；
将所述阵列波导的半径设置为2r；所述阵列波导的半径构成所述阵列波导光栅的半径；
将所述阵列波导中各波导之间设置为等间距；所述阵列波导中各波导之间的间距构成所述阵列波导光栅的间距；
将所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上；所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请各实施例，利用阵列波导光栅对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成频率间隔等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现从0-180°扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.1°。同时，本申请各实施例提供的集成芯片完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，而且实现了片上集成工艺，具有小型化、多功能的特点。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请各个实施例提供的全固态激光雷达片上集成芯片的一种示意图；
图2为本申请各个实施例提供的凹面光栅的实现原理示意图；
图3为本申请各个实施例的阵列波导光栅的等效原理示意图；
图4为本申请各个实施例的等间距等频差光源的远场干涉示意图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
实施例一
本发明实施例提供一种全固态激光雷达片上集成芯片，所述集成芯片主要由预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)构成，所述阵列波导光栅用于将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
本发明实施例提供的集成芯片利用阵列波导光栅对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成频率间隔等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现从0-180°扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.1°。同时，本发明实施例提供的集成芯片完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，而且实现了片上集成工艺，具有小型化、多功能的特点。
在一些实施方式中，如图1所示，所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导1、输入星型耦合器2、阵列波导3和输出星型耦合器4构成；所述激光光束通过所述输入波导1和所述输入星型耦合器进2入所述阵列波导3，被所述阵列波导3分光聚焦形成等间距等频率差的光源阵列；所述光源阵列中各频率点的光源被所述输出星型耦合器4以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
可选的，所述输入波导1位于输入星型耦合器的中心位置，从而保证了阵列波导光栅的中心频率位置。所述输入波导1、阵列波导3支持单模波导传输。所述阵列波导3的长度差为10-100微米，数目为30-500。适用的激光光束的波长为0.4-20微米。
以下简述本发明实施例提供的集成芯片的工作原理：
本发明实施例基于阵列波导光栅进行频率调控，主要由四部分组成：输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器。
在一些实施方式中，所述阵列波导构成等效的凹面光栅；也就是说，阵列波导光栅的原理可以用凹面光栅的原理来分析。如图2所示。凹面光栅又称罗兰光栅。半径为r的圆称为罗兰圆，凹面光栅的槽面分布在半径为R＝2r的圆上。从罗兰圆上面任意一点P1发出的光经过凹面光栅衍射之后，必定聚焦在罗兰圆的另一点P2上面，其关系是：
dg(sinβ-sinα)＝mλ
其中，dg为光栅常数，α为入射角，β为衍射角，m为衍射级数，λ为入射波长。从上述公式可以看出来，衍射角β与波长相关。当衍射级数确定时，罗兰圆上任何一点位置上，不同频率的光经过凹面光栅衍射之后，将会聚焦到罗兰圆上的不同位置。阵列波导光栅的作用与凹面光栅的类似，具有光栅分光和透镜聚焦两种功能。阵列波导是由一组具有相等长度差的波导阵列组成，相邻阵列波导间的长度差为ΔL。如图3所示，所述阵列波导的半径为2r，所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上，所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。也就是说，阵列波导光栅的输出端口位于半径为R＝2r的大圆上，等效于一个凹面光栅，每相邻波导之间的光程差为nΔL，等效于凹面光栅上产生的光程差dsinα。所述阵列波导的间距和半径用于控制所述各频率点的频率梯度。具体说，激光光束经阵列波导传输，经过输出星型耦合器衍射之后，不同频率的光衍射角不同，公式为：
naΔL-nsdasinβ＝mλ
其中，na为阵列波导折射率，ΔL为相邻阵列波导间长度差，ns输入/输出星型耦合器的折射率，da为输出星型耦合器端相邻阵列波导端口的距离，β为衍射角，m为衍射级数，λ为入射波长。
假设中心频率为ω0(波矢k0，入射波长λ0，ω0定义为中心原点)光经过阵列波导光栅：
naΔL-nsda sinβ＝mλ0
得到：
Figure BDA0002603780870000061
则，当频率为ωn＝ω0+nΔω(波矢kn＝k0+nΔk，波长λn＝2π/(k0+nΔk)，n∈[-N,N]表示有2N个频率点)光入射时:
Figure BDA0002603780870000062
当β很小的时候，
Figure BDA0002603780870000063
其中，dω0+nΔω为频点ω0+nΔω到中心频点ω0的距离。
得到相邻两个频率点之间的间距为：
Figure BDA0002603780870000064
当Δk＜＜k0时候，
Figure BDA0002603780870000065
频率梯度为：
Figure BDA0002603780870000066
从上面公式可以看出来，在阵列波导光栅的输出端可以形成一系列近似等间距的光源阵列。频率梯度Δω/d可以通过设计阵列波导光栅的间距da和半径R来控制。
把在输出星型耦合器端口形成的一系列等间距的频率点看做点光源，如图4所示。通过计算远场的时空干涉，每个光源的光场分布表达式为：
Figure BDA0002603780870000067
其中，bn为复振幅，En为电场振幅，r＝(x,y)＝(rcosθ,-rsinθ)，r为探测点与原点的距离,θ表示与x轴坐标的顺时针夹角，rn＝(0,nd)为频率点位置，|r-rn|为传播距离。ωn＝ω0+nΔω为频率，kn＝k0+nΔk为波矢，n∈[-N,N]。
Figure BDA0002603780870000071
当r＞＞d时,
Figure BDA0002603780870000072
远场中某一点的光场强度为：
Figure BDA0002603780870000073
则有，
Figure BDA0002603780870000074
对于理想的激光光束，能量与频率满足高斯分布，有En＝E-n：
Figure BDA0002603780870000075
要发生相长干涉，则同时满足振幅最大值：
cos[l(k0d sinθ+Δkr-Δωt)]＝1
得到：
Figure BDA0002603780870000081
可以看出，当频率梯度确定时，干涉激光光束随时间变化而实现从0-180°扫描。
本发明各实施例提出了一种全新的基于频率调控的全固态激光雷达片上集成芯片，其光束扫描速度快可高达太赫兹、扫描角度可达180°、角分辨率优于0.1°。该集成芯片利用阵列波导光栅对超快激光进行分光和聚焦。将激光光束分成频率间隔非常小的等间距等频率差的光源阵列，将分好的每个频率的光视为点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描。该集成芯片不仅完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，而且实现了片上集成工艺，具有小型化、多功能的特点。
实施例二
本发明实施例提供一种全固态激光雷达片上集成芯片的设计方法，所述设计方法包括：
通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；
将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描。
基于本发明实施例设计方法设计的集成芯片，可以利用阵列波导光栅对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成频率间隔等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现从0-180°扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.1°。同时，设计出的集成芯片完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，而且实现了片上集成工艺，具有小型化，多功能的特点。
在一些实施方式中，所述设计方法还可以包括：在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度。其中，可以根据所述阵列波导光栅的间距和半径，控制所述频率梯度。
详细的，可以根据所述阵列波导光栅的间距和半径，按照下式控制所述频率梯度：
Figure BDA0002603780870000091
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
Figure BDA0002603780870000092
其中，
Figure BDA0002603780870000093
为频率梯度，Δω为相邻频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，ns为输入/输出星型耦合器的折射率，da为阵列波导光栅的间距，ω0为中心频率，c为m为衍射级数，R为阵列波导光栅的半径，θ为转动扫描的角度，k0为波矢，r为探测点与中心原点的距离。
在一些实施方式中，所述通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列之前，可以包括：
将所述阵列波导光栅设计成等效的凹面光栅；所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器构成；
将所述阵列波导的半径设置为2r；所述阵列波导的半径构成所述阵列波导光栅的半径；
将所述阵列波导中各波导之间设置为等间距；所述阵列波导中各波导之间的间距构成所述阵列波导光栅的间距；
将所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上；所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。
在此需要说明的是，本发明实施例中设计方法的实现原理与实施例一提供的集成芯片的工作原理相同，因此在具体实现过程中，可以参与实施例一，并且具有相应的技术效果。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种全固态激光雷达片上集成芯片，其特征在于，所述集成芯片主要由预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅构成，所述阵列波导构成等效的凹面光栅；所述阵列波导光栅用于将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；
所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器构成；所述激光光束通过所述输入波导和所述输入星型耦合器进入所述阵列波导，被所述阵列波导分光聚焦形成等间距等频率差的光源阵列；所述光源阵列中各频率点的光源被所述输出星型耦合器以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；
所述阵列波导的间距和半径用于按照下式控制所述各频率点的频率梯度；
Figure FDA0004107297020000011
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
Figure FDA0004107297020000012
其中，
Figure FDA0004107297020000013
为频率梯度，△ω为相邻两个频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，ns为输入/输出星型耦合器的折射率，da为阵列波导光栅的间距，ω0为中心频率，c为m为衍射级数，R为阵列波导光栅的半径，θ为转动扫描的角度，k0为波矢，r为探测点与中心原点的距离。
2.根据权利要求1所述的集成芯片，其特征在于，所述阵列波导的半径为2r，所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上，所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的集成芯片，其特征在于，所述输入波导位于所述星型耦合器的中心位置；所述阵列波导的长度差为10-100微米，数目为30-500。
4.一种全固态激光雷达片上集成芯片的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：
通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；
将所述阵列波导光栅设计成等效的凹面光栅；
将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度；
根据所述阵列波导光栅的间距和半径，按照下式控制所述频率梯度：
Figure FDA0004107297020000021
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
Figure FDA0004107297020000022
其中，
Figure FDA0004107297020000023
为频率梯度，△ω为相邻两个频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，ns为输入/输出星型耦合器的折射率，da为阵列波导光栅的间距，ω0为中心频率，c为m为衍射级数，R为阵列波导光栅的半径，θ为转动扫描的角度，k0为波矢，r为探测点与中心原点的距离。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述通过预先生长在基片衬底上的阵列波导光栅将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列之前，包括：
所述阵列波导光栅主要由依次排列的输入波导、输入星型耦合器、阵列波导和输出星型耦合器构成；
将所述阵列波导的半径设置为2r；所述阵列波导的半径构成所述阵列波导光栅的半径；
将所述阵列波导中各波导之间设置为等间距；所述阵列波导中各波导之间的间距构成所述阵列波导光栅的间距；
将所述输出星型耦合器设置在半径为2r的圆上；所述r为所述凹面光栅的罗兰圆的半径。
CN202010732706.2A 2020-07-27 2020-07-27 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法 Active CN111830486B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010732706.2A CN111830486B (zh) 2020-07-27 2020-07-27 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010732706.2A CN111830486B (zh) 2020-07-27 2020-07-27 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111830486A CN111830486A (zh) 2020-10-27
CN111830486B true CN111830486B (zh) 2023-04-28

Family

ID=72925029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010732706.2A Active CN111830486B (zh) 2020-07-27 2020-07-27 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111830486B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113376616B (zh) * 2021-06-01 2023-09-22 杭州视光半导体科技有限公司 一种基于awg的激光雷达扫描系统
CN113608305B (zh) * 2021-07-15 2022-06-21 苏州旭创科技有限公司 波束控制器及波束控制方法
CN114415194B (zh) * 2022-04-01 2022-06-14 长沙思木锐信息技术有限公司 基于飞行时间探测的片上激光雷达系统
CN116106862B (zh) * 2023-04-10 2023-08-04 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
CN117170032A (zh) * 2023-09-05 2023-12-05 上海铭锟半导体有限公司 一种降低awg串扰的方法及其波分复用器件

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102623884A (zh) * 2012-03-29 2012-08-01 北京工商大学 用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器
CN109141287A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3214545B2 (ja) * 1996-09-10 2001-10-02 日本電信電話株式会社 アレイ導波路格子
TW496975B (en) * 2001-03-02 2002-08-01 Ind Tech Res Inst Planar lightwave circuit interleaver
US7715671B2 (en) * 2006-05-19 2010-05-11 Jds Uniphase Corporation Asymmetric Mach-Zehnder interferometer having a reduced drive voltage coupled to a compact low-loss arrayed waveguide grating
JP4748524B2 (ja) * 2006-08-31 2011-08-17 古河電気工業株式会社 アレイ導波路格子型合分波器
CN104238008B (zh) * 2014-09-10 2017-05-03 浙江大学 缩小频率偏差的n×n阵列波导光栅光波长路由器
CN107171182A (zh) * 2017-06-20 2017-09-15 深圳新飞通光电子技术有限公司 基于plc的多波长集成可调激光器组件
DE102017115710A1 (de) * 2017-07-12 2019-02-07 Airbus Defence and Space GmbH LIDAR-Anordnung und LIDAR-Verfahren
CN110082906B (zh) * 2018-01-26 2020-10-30 中国科学院半导体研究所 基于不完整非对称awg的光学相控阵
CN110658585B (zh) * 2018-06-29 2022-01-11 华为技术有限公司 光波导装置
CN110596679B (zh) * 2019-10-28 2021-10-01 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种固态激光雷达系统
CN111158173B (zh) * 2020-01-07 2023-04-28 浙江西湖高等研究院 一种基于阵列波导光栅和声光调制光栅的集成激光扫描器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102623884A (zh) * 2012-03-29 2012-08-01 北京工商大学 用于激光加工的高功率全固态轴对称偏振激光器
CN109141287A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周健等.固态激光雷达探测器技术发展.《红外》.2020,第第41卷卷(第第05期期),第1-12页. *
王鹏飞等.硅基集成激光雷达技术.2020,第第26卷卷(第第2期期),第43-50页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111830486A (zh) 2020-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111830486B (zh) 一种全固态激光雷达片上集成芯片及其设计方法
CN110226103B (zh) 环境空间轮廓估计
CN108226899B (zh) 激光雷达及其工作方法
EP3811106B1 (en) Optical switching for tuning direction of lidar output signals
JP7322037B2 (ja) レーザレーダ及びその作動方法
CN103582830B (zh) 光学部件的制造方法以及光学部件
CN112484648B (zh) 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法
CN116300058A (zh) 光束扫描器
CN209055652U (zh) 一种激光雷达扫描系统和激光雷达
US11255953B2 (en) Optical element for a lidar system
Florjańczyk et al. Development of a Fourier-transform waveguide spectrometer for space applications
US11703598B2 (en) Steering of LIDAR output signals
CN105333816A (zh) 一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统
JP6828062B2 (ja) ライダー装置
Liu et al. Scale-adaptive three-dimensional imaging using Risley-prism-based coherent lidar
US20230273373A1 (en) Waveguide antenna
CN112285724B (zh) 一种全固态激光雷达及其设计方法
JP2002071982A (ja) 光素子、光偏向素子、光合波素子及び走査装置
CN110082906A (zh) 基于不完整非对称awg的光学相控阵
US11681021B2 (en) Optical sensor system
US11714330B2 (en) Phase-combining waveguide doubler for optical phased array in solid-state lidar applications
CN106017362B (zh) 一种便携式高动态精度大工作距自准直装置与方法
US11579305B2 (en) LIDAR output steering systems having optical gratings
JPH10267624A (ja) 三次元形状測定装置
CN106017363B (zh) 一种高动态精度大工作距自准直装置与方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant