CN112219162A - 具有到多个表面或边缘耦合器的光交换路径的光扫描器 - Google Patents

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Abstract

LIDAR或其他光束转向装置包括具有第一端口和多个第二端口的光开关。该开关用于在第一端口和第二端口中的一个第二端口之间建立光路。第一端口连接到光源或光探测器。不同的第二端口连接到不同的表面/边缘耦合器。上述表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器在不同的相应方向上耦合来自该装置的光或将光耦合到该装置。表面/边缘耦合器可以是光栅耦合器。根据表面/边缘耦合器的方向及其光栅周期(在适当情况下)配置光耦合的方向。表面/边缘耦合器可以以圆形图案或同心环图案布置。光栅耦合器可以是细长形的。

Description

具有到多个表面或边缘耦合器的光交换路径的光扫描器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年6月8日提交的申请号为16/003,602、发明名称为“具有到多个表面或边缘耦合器的光交换路径的光扫描器”的美国专利申请的优先权，其内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及光束转向设备的领域，尤其涉及使用光交换的LIDAR装置。
背景技术
低成本、高分辨率的光束转向(optical beam-steering)具有潜在应用，例如用于光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR，或称为激光雷达)、自动驾驶车辆、模式识别、面部扫描、测量、制造过程中的物体扫描、制造过程中的物体识别、以及光通信交换设备。具有较少活动部件或没有活动部件的LIDAR设备由于其操作可靠性而具有优势。在许多应用中，LIDAR需要通过将不同光束引导在不同方向上并检测来自目标区域的对应不同部分中的物体的反射来扫描较宽的目标区域。这种扫描可以称为光扫描或光束转向。将一个或多个光束可控地引导在这些不同方向上将增加LIDAR的成本和复杂度。高分辨率LIDAR在每个单位视场需要更多的光束方向。
光开关广泛用于光网络，以将在开关输入端口处接收到的光通信信号可控地路由到所需输出端口。例如通过电子控制信号设置开关，从而建立从选定输入端口到选定输出端口的光路。这些开关的一些版本使用1×2或2×2开关单元(switching cell)网络，每个开关单元基于Mach-Zehnder干涉仪进行操作。
公开号为2017/0371227的美国专利申请公开了一种用于LIDAR的光束转向设备，该设备使用开关矩阵将输入光路由到单个输出耦合器，例如光栅或光子晶体。在开关矩阵和输出耦合器之间插置消球差透镜。然而在一些应用中，透镜和单个输出耦合器的使用的结合可能会带来设计或操作缺陷，特别是在高分辨率应用中限制了这种技术的可扩展性和分辨率。
因此，需要一种消除或减轻现有技术的一个或多个限制的LIDAR扫描器和相应方法。
提供该背景信息以揭示申请人认为与本发明可能相关的信息。无意也不应解释为承认任何前述信息构成相对于本发明的现有技术。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种光束转向(例如LIDAR)方法和装置。对于光束发射，光开关结构(optical switching fabric，或称为光交换结构)可控地将输入光路由到多个光耦合器中的一个或多个选定光耦合器。耦合器可以是例如设置在集成光子器件表面上的光栅耦合器，或者是沿集成光子器件边缘设置的边缘耦合器。这些耦合器直接或间接地(例如经由透镜、平面镜、曲面镜)暴露于装置周围的空间区域，从而设备可以经由这些耦合器发射光。可以经由光开关结构在不同时间将输入光路由到不同耦合器，例如以实现LIDAR扫描。每个耦合器可以用于在不同方向上发射光。这种配置可以通过耦合器的空间定向、在光栅耦合器的情况下对光栅周期的配置、为每个耦合器添加光束偏转器(例如静态棱镜)、或其组合实现。来自耦合器的光束可以由分光元件(例如静态衍射光学元件)分成多个光束。上述光束偏转器和分光元件可以设置在耦合器的光输出处，或者可以位于来自耦合器的光由光学成像系统(例如经由透镜、平面镜、曲面镜)引导至的二次成像平面上。
光束(例如LIDAR)的接收可以以互补方式实现，其中在多个耦合器中的一个耦合器处接收的光(例如反射的LIDAR光)被引导至光开关结构中。开关网络可以用于监测在不同时间在不同耦合器入射的光。虽然本文主要针对光发射描述装置的操作，但是应容易理解，通过反转光的传播方向，相同的装置和原理可以用于光接收。还应注意，如本文所述，也可以与LIDAR发射器配合使用不同的LIDAR接收器。
根据本发明的实施例，提供了一种光束转向(例如LIDAR)装置，该装置包括光开关结构和多个表面/边缘耦合器。光开关结构包括第一端口和多个第二端口并且用于在第一端口和上述多个第二端口中的选定第二端口之间可控地建立光路。上述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器光耦合到上述多个第二端口中的不同的相应第二端口。上述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器用于在不同的相应方向上耦合来自该装置的光或将光耦合到该装置。表面/边缘耦合器可以包括表面光栅耦合器。不同方向上的光耦合可以通过不同表面/边缘耦合器的不同定向、不同光栅周期(在表面光栅耦合器的情况下)、或其组合实现。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于操作光束转向(例如LIDAR)设备的方法，该方法包括接收在第一时间从该设备发射光或接收到该设备的光的第一方向的指示。该方法包括操作光开关以在第一时间在光开关的第一端口和光开关的多个第二端口中的选定第二端口之间路由光。第一端口耦合到光源或光探测器。上述多个第二端口中的每个第二端口耦合到多个表面/边缘耦合器中的不同的相应表面/边缘耦合器。上述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器用于在不同的相应方向上耦合来自该设备的光或将光耦合到该设备。多个第二端口中的选定第二端口耦合到上述多个表面/边缘耦合器中用于在第一方向上耦合光的相应表面/边缘耦合器。
虽然主要针对LIDAR方法和装置描述本发明，但是应理解，本发明不限于LIDAR。因此，更一般地，本发明涉及一种光束转向装置及其相关装置，这种装置允许使用光开关结构和多个表面/边缘耦合器的组合将源光作为输出光束转向到所需方向。光束转向装置还可以用于光束接收。
附图说明
通过以下结合附图的具体实施方式，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附
图中：
图1A示出了根据本发明实施例的包括光开关和多个表面/边缘耦合器的LIDAR装置。
图1B示出了图1A的LIDAR装置的示例操作。
图1C示出了图1A的LIDAR装置的另一示例操作。
图2A示出了根据本发明实施例的用于LIDAR装置的1×N光开关。
图2B示出了根据本发明另一实施例的用于LIDAR装置的M×N光开关。
图3示出了根据本发明实施例的具有径向结构并且耦合到多个表面/边缘耦合器的光开关。
图4示出了根据现有技术的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)开关单元。
图5示出了具有根据本发明实施例配置的光栅结构的表面耦合器。
图6示出了根据本发明实施例的细长表面耦合器的俯视图和侧视图。
图7示出了根据本发明实施例的装置的基本平面的结构，该装置在其顶面上设置有表面耦合器阵列并且在其边缘表面上设置有边缘耦合器。
图8以截面图示出了根据本发明实施例的设置在多个表面/边缘耦合器上方的多个棱镜。
图9A以截面图示出了根据本发明实施例的设置在多个表面/边缘耦合器上方的衍射光学元件。
图9B以截面图示出了根据本发明实施例的设置在多个棱镜和表面/边缘耦合器上方的衍射光学元件。
图10示出了根据本发明实施例的用于操作LIDAR装置的控制器。
图11示出了根据本发明实施例提供的具有线性布置的表面耦合器的平面LIDAR装置。
图12示出了根据本发明另一实施例提供的具有圆形布置的表面耦合器的LIDAR装置。
图13A示出了根据本发明实施例的布置成环形的多个光栅耦合器的俯视图。
图13B示出了图13A的光栅耦合器中的一个光栅耦合器的侧视图。
图14示出了根据本发明实施例的围绕一对同心环的圆周布置的多个光栅耦合器的俯视图。
图15示出了根据本发明实施例的表面/边缘耦合器发射器和透镜的示例。
图16示出了根据本发明实施例的多个表面/边缘耦合器发射器和透镜的示例。
图17示出了根据本发明实施例的以规则的矩形网格图案布置在公共基板上的多个表面/边缘耦合器发射器的示例。
图18示出了根据本发明实施例的布置在圆柱形弯曲基板的表面上的多个表面/边缘耦合器发射器的示例。
图19示出了根据本发明实施例的操作LIDAR设备的方法。
应注意，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种光束转向(例如LIDAR)装置，该装置使用光开关将光(例如LIDAR光)路由到不同的定向发射器和/或从不同的定向接收器路由。定向发射器或接收器可以是表面/边缘耦合器，用于主要朝向特定角方向发射光或从特定角方向接收光。参考图1A，根据本发明实施例提供的装置100包括光开关结构110(也称为光开关)，光开关结构110具有第一端口112和多个第二端口114。光开关结构110用于在某一时间在第一端口112和多个第二端口114中的一个(或多个)选定第二端口之间可控地建立光路。控制器120可以用于生成并提供用于操作光开关结构110的控制信号。该装置还包括多个表面/边缘耦合器130、132，表面/边缘耦合器130、132中的每个表面/边缘耦合器光耦合到多个第二端口114中的不同的相应第二端口。多个表面/边缘耦合器130、132中的每个表面/边缘耦合器用于将光从LIDAR装置耦合到周围介质中，或者从周围介质耦合到LIDAR装置中。例如，耦合器130示为具有光栅结构的表面耦合器，而耦合器132是边缘耦合器。然而，该装置可以可选地只使用表面耦合器、只使用边缘耦合器、或使用表面耦合器和边缘耦合器的组合。此外，不同的表面/边缘耦合器130、132可以在相对于LIDAR装置的不同的相应三维方向上耦合来自LIDAR装置的光或将光耦合到LIDAR装置。例如，设置在LIDAR装置的平面表面上的第一表面耦合器可以以相对于平面表面的第一角度发射光，设置在该平面表面上的第二表面耦合器可以以相对于平面表面的第二不同角度发射光。装置100可以与一个或多个其他部件集成，例如集成在包括装置100和可选地其他光学部件和/或电子部件的光子集成电路器件或其他平面层合结构中。
图1B示出了图1A的装置的操作，其中光开关结构110已由控制器120操作以在第一端口112和特定第二端口114a之间建立光路140。第二端口114a耦合到特定表面/边缘耦合器130a。光131a示为以特定于表面/边缘耦合器130a的构造的角度发射出表面/边缘耦合器130a。或者，光可以由表面/边缘耦合器130a接收并沿光路140路由。表面/边缘耦合器130a主要对在与光131a相反的方向上传播的入射光敏感。
图1C示出了图1A的装置，其中光开关结构110已由控制器120操作以在不同时间在第一端口112和不同的特定第二端口114b之间建立光路145。第二端口114b耦合到特定表面/边缘耦合器130b。光131b示为以特定于表面/边缘耦合器130b的构造的角度发射出表面/边缘耦合器130b。或者，光可以由表面/边缘耦合器130b接收并沿光路145路由。
光开关
本发明实施例使用光开关来控制LIDAR光的方向性。例如，光开关可以基于类似于数据中心中使用的交换技术。这种光开关能够在第一端口和可控选择的第二端口之间建立光路。使用控制信号选择第二端口。可以通过控制开关以随时间改变光路实现LIDAR装置的离散扫描动作。
在各种实施例中，光开关结构包括具有一个第一端口和N>1个第二端口的树形结构。可以可控地建立第一端口与第二端口中的一个或多个选定端口之间的光路。该开关可以包括将第一端口连接到第二端口的log2(N)级联级的1×2开关单元。每个1×2开关单元响应控制信号将单元一侧的输入/输出端口与单元另一侧的两个输出/输入端口之一光连接。第1级包括一个开关单元。第n>1级包括2n-1个开关单元，每个开关单元的输入/输出端口连接到上一级中的开关单元的不同输出/输入端口。在一些实施例中，光开关结构可以包括约10级，但更多或更少的级也是可能的。
图2A示意性示出了根据本发明实施例的光开关结构200的一部分。光开关结构包括级联树结构中的第一端口212、多个第二端口214、以及多个1×2开关单元220。1×2开关单元光耦合在一起并且响应于控制信号在第一端口212和一个或多个选定第二端口214之间建立光路。树结构的某些级、树结构的末级的某些部分、以及一些第二端口214未在图2A中示出。开关单元220经由光波导彼此耦合并耦合到端口212、214，上述光波导可以是直的，或者其中可以包括一个或多个弯曲部分或弯折部分。
在其他实施例中，光开关结构包括M>1个第一端口和N>1个第二端口。可以在一个或多个选定第一端口和一个或多个选定第二端口之间可控地建立光路。这允许LIDAR光从多个光源同时输出或同时输入到多个光探测器。本领域技术人员将容易理解例如由多个光耦合的可控2×2开关单元形成的M×N光开关的示例。
图2B示出了根据本发明实施例的光开关结构250的一部分。光开关结构包括多个第一端口262、多个第二端口264、以及多个2×2开关单元270，开关单元270用于可控地将第一端口中的选定第一端口可操作地耦合到第二端口中的选定第二端口。2×2开关单元光耦合在一起并且响应于控制信号在第一端口262和第二端口264之间建立光路。开关250的某些部分未在图2B中示出。开关单元270经由波导彼此耦合并耦合到端口262、264，上述波导可以是直的，或者其中可以包括一个或多个弯曲部分或弯折部分。一个、两个、或两个以上的第一端口262可以耦合到其他部件，例如光源和光探测器。未使用的端口可能会被端接。
在一个实施例中，多个第一端口中的第一个第一端口可以耦合到光源，多个第一端口中的第二个第一端口可以耦合到光探测器。当LIDAR发射光时，可以在第一端口中的第一个第一端口和第二端口中的选定第二端口之间创建光路。当LIDAR接收光时，可以在第二端口中的选定第二端口和第一端口中的第二个第一端口之间建立返回光路。
在包括如图2B所示的具有多个第一端口的开关结构的各种实施例中，光开关结构可以用于在第一端口中的选定第一端口和多个第二端口中的选定第二端口之间可控地建立光路。这种实施例可能有用，例如用于当存在多个光源时可以在光源故障的情况下提供冗余。这样，多个第一端口中的至少两个第一端口可以耦合到不同的相应冗余光源。或者，该实施例的光开关结构可以用于可控地依次或基本在同一时间(同时)建立多个光路，每个光路在第一端口中的选定第一端口和多个第二端口中的选定第二端口之间。这可以用于生成多个输出光束，这可以以可能更复杂的装置和信号处理为代价加速LIDAR成像系统。如本领域技术人员将容易理解的，可以在一定程度上(可以取决于开关结构架构)通过开关同时建立多个光路。
鉴于以上内容，应理解，光开关结构的选作建立的光路的第一端点的第一端口可以是多个第一端口中选定的第一端口。多个第一端口中的每个第一端口可以经由光开关结构光连接到多个第二端口中的至少一个第二端口。此外，光开关结构可以用于同时或在不同时间在多个第一端口中的第二个选定第一端口(通常不同于上述第一端口)和多个第二端口中的第二个选定第二端口(通常不同于上述第二端口)之间可控地建立第二光路。
虽然第一端口和第二端口在图2A和图2B中示为全部在同一方向上对齐，但是在各种实施例中，不同端口可以朝向不同方向。端口的方向对应于端口位置处的波导的方向。
在一些实施例中，开关的部件可以以径向方式物理地布置。第一端口可以位于或耦合到物理布置的中心，第二端口可以从中心向外定位并且在包括该开关的平面区域内朝向不同方向。这允许更容易地在平面内以不同的物理角度提供不同的第二端口。通过以径向方式在平面结构内物理地布置开关的部件，输出端口可以与其连接的表面/边缘耦合器的所需平面方向对齐(或更紧密地对齐)。这减轻了对具有逐渐弯曲部分的长中间波导的需求，并且可以允许减小装置的尺寸。
图3示出了具有径向结构的光开关结构300。具体地，不同的第二端口314朝向不同的角度并且基本上位于围绕圆的周长(圆周)的不同点处。在其他实施例中，第二端口可以围绕诸如多边形或椭圆形的不同的规则形状或不规则形状的周长放置。表面耦合器330示为耦合到第二端口并且同样朝向不同的角度。边缘耦合器可以附加地或替代地耦合到一个或多个第二端口。光开关结构300和表面耦合器330可以是基本平面的装置的一部分。还示出了第一端口312。光开关结构300包括多个(例如1×2)开关单元320，开关单元320经由波导彼此耦合并耦合到端口312、314。为了实现径向结构，开关单元320和/或波导可以在光开关结构300的平面内朝向不同的角度。为了清楚起见，只示出了八个第二端口，但是光开关结构实际上可以具有更多端口。
光开关结构可以包括连接在一起并单独控制的多个1×2或2×2开关单元。示例开关单元可以是Mach-Zehnder干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)开关单元，也可以是另一类开关单元，例如基于微机电系统(micro electromechanical system，MEMS)、微环谐振器结构等的开关单元。1×2开关单元可以由其中一个输入端口被端接的2×2开关单元构成。
例如，图4示出了具有第一和第二(光)输入端405、410以及第一和第二(光)输出端415、420的现有技术的MZI开关单元。为了形成1×2开关单元，第二输入端410可以被端接。MZI开关单元还包括一对2×2光耦合器430、435和一对可控光移相器440、445。通过控制移相器赋予的相位，可以将存在于第一输入端405处的光可控地转向第一输出端415和第二输出端420中的一个，如果需要，可以将存在于第二输入端410处的光可控地转向第一输出端415和第二输出端420中的另一个。
表面/边缘耦合器
光开关结构的每个第二端口直接或经由波导的一部分耦合到表面/边缘耦合器。表面/边缘耦合器可以集成在波导中，该波导标称地建立端口并直接耦合到开关结构的光开关单元。不同的端口通常耦合到不同的表面/边缘耦合器。对于LIDAR发射，表面/边缘耦合器从开关接收光并将光发射到周围环境中。表面/边缘耦合器可以是将提供给该耦合器的光进行重定向的无源设备。每个表面/边缘耦合器用于主要在三维空间中的特定方向上耦合(例如发射)光。不同表面/边缘耦合器可以配置为在不同方向上耦合(例如发射)光。这种配置可以通过表面/边缘耦合器的物理定向、表面/边缘耦合器的配置(例如其光栅结构的配置)、或其组合实现。
表面/边缘耦合器在其他应用中也是已知的，例如用于将光耦合到光纤或其他外部波导或从光纤或其他外部波导耦合。然而，在本发明的情况下，表面/边缘耦合器用于(例如直接)耦合装置和周围介质(例如空气)之间的光。
表面/边缘耦合器可以是暴露于LIDAR装置的光子集成电路的(例如平面)表面的光栅耦合器。当设备的波导设置在具有上表面和下表面的平面区域中时，上表面是暴露的并且光栅结构被蚀刻在上表面中。在各种实施例中，表面耦合器包括硅波导和图案化氮化硅覆盖层。用具有所需光栅周期的光栅结构对覆盖层进行图案化或蚀刻。
通过配置光栅结构的峰之间的周期性间隔，可以相应地配置给定频率的光耦合进或耦合出光栅耦合器的主方向。通常在制造时或在LIDAR操作之前的其他时间执行这种配置。
本发明实施例包括调整每个表面耦合器的光栅结构，使得该表面耦合器主要以相对于表面耦合器的纵轴的所需发射角发射光。表面耦合器视为漏泄波导，该漏泄波导设置为与基板表面相邻并朝向该纵轴的方向，该纵轴与光通过波导传播的主方向平行。可以例如基于波导的有效折射率或其他相关特性以根据光栅结构的光栅周期来调整光栅结构。以下光栅方程适用于本发明的各种实施例：
Figure BDA0002794262720000061
在例如庄顺连的第二版《光子器件物理》，第8.1.3节，Wiley 2009中详细说明了式(1)。在式(1)中，θ是光在轴向上的发射角，
Figure BDA0002794262720000062
是表面耦合器的平均有效折射率，m是光栅阶数，λ是LIDAR的工作波长，Λ是表面耦合器的光栅周期。在各种实施例中，可以假设m等于1。给定其他参数的值，可以设置Λ以实现所需发射角θ。可以针对具有不同所需发射角的不同表面耦合器不同地配置Λ。虽然上面的讨论是根据LIDAR发射给出的，但是光栅耦合器可以类似地通过式(1)配置为选择性地耦合光，使得角为θ的入射光主要耦合到相关的波导中。
图5示出了具有根据本发明实施例配置的光栅结构502的表面耦合器500。表面耦合器可以主要由波导形成，例如包括在上硅层和下硅层之间的二氧化硅层，或者由另一对材料形成。例如，在其中创建光栅结构的表面耦合器的顶层可以是氮化硅(siliconnitride，SiN)覆盖层。在表面耦合器的顶部形成光栅结构，以创建周期性的一系列脊和谷。为了清楚起见，光栅周期Λ515示为连续的脊的左边缘之间的距离。还示出了表面耦合器的纵轴510以及垂直于表面耦合器的平面的轴512。还示出了角θ505，θ与光栅周期的关系如式(1)。主要以该角从服务耦合器发射光。例如，可以根据峰对应于发射角θ的高斯分布来发射光。
注意，在式(1)中，角θ取决于LIDAR工作波长λ。这样，在本发明的一些实施例中，可以随时间调节LIDAR光的波长，以便调节表面耦合器的发射(或接收)角θ。例如，这可以通过控制耦合到光开关结构的第一端口的输入激光器的工作频率来执行。因此，输入激光光源可以是可调谐激光光源，并且可以通过调节工作频率来部分执行LIDAR光束转向。或者，可以提供具有不同工作波长的多个输入光源以例如耦合到不同的第一端口。然后，调节工作波长可以包括操作光开关以将输入光源中的选定输入光源光耦合到选定第二端口。
例如，对于工作波长为905nm，m＝1，并且光栅周期为550nm，根据式(1)的发射角θ约为8.9度，而对于工作波长为925nm，根据式(1)的发射角θ约为6.8度。这样，光源的工作波长每调节1nm就会有0.1度的LIDAR光束转向能力。对于1550nm范围内的工作波长，可以使用约630nm的光栅周期来实现类似的光束转向。
可以通过配置波导的方向来设置纵轴方向。可以通过协同设置纵轴方向和光栅周期来设置光发射的三维方向。
根据本发明的实施例，可以配置表面(光栅)耦合器在其纵向上的长度以提供所需光束形状。例如，通过使用更长的表面耦合器，发射(或接收)的光束可以相应地发散在更大的区域上。光束可以视为具有近似椭圆形的横截面，其中椭圆形的偏心率通常随表面耦合器长度的增加而增加。即，可以通过增加表面耦合器的长度来增加椭圆的半长轴的长度。在一些实施例中，表面耦合器的长宽比为10：1或更大。
在各种实施例中，需要将LIDAR目标区域划分成多个部分，其中每个部分(或其一部分)可以由从不同表面/边缘耦合器发射的LIDAR光基本独立地照射。这对应于将不同表面/边缘耦合器配置为在不同方向上发射光的设计目标。鉴于其他设计约束，控制发射光束的形状可以有利于这种划分。
在各种实施例中，为了伸长从表面耦合器发射的光束，可以对光栅结构进行配置，从而限制从表面耦合器的每单位长度耦合出的光量，以增加光从表面耦合器耦合出的总长度。例如，可以通过在氮化物覆盖层或氮化硅覆盖层中使用弱光栅来实现具有较弱的耦合强度的表面光栅耦合器。可以通过对光栅的强度和栅距中的至少一个进行变迹(apodizing)，来进一步提高在伸长光束的长度上的光强的均匀性。
在各种实施例中，发射光束的伸长允许使用较窄的表面耦合器，同时仍允许足够大的光束横截面积。例如，可能需要足够的光束横截面积，以便在一个方向上提供光束发散度足够低的LIDAR光束，同时保持每个表面耦合器的总表面积较小。
图6示出了根据本发明实施例的细长表面耦合器600的俯视图和侧视图。该表面耦合器可以包括覆盖层内的弱光栅结构(例如使用浅蚀刻深度来限定光栅来实现)。光栅结构覆盖区域610，该区域例如宽度约为20微米并且长度约为1mm。还示出了以配置的角θ发射的细长形状的发射光束620。
在一些实施例中，代替表面耦合器或除表面耦合器之外，该装置可以包括可操作地耦合到光开关的一个或多个边缘耦合器。例如，该装置的部分或全部可以提供在诸如硅光子结构的层合结构内。该结构的形式可以是具有平面上表面和平面下表面以及(可能)较薄的边缘表面的直角棱镜。光开关和相关波导部件可以设置在该结构内。为了提供边缘耦合器，波导延伸到该结构的边缘并且暴露于边缘表面之一。波导可以随其接近边缘表面而呈锥形或倒锥形。通过调节波导、锥形、以及边缘表面中的至少一个的物理方向，可以由边缘耦合器在相应的所需方向上耦合(例如发射)耦合光。边缘耦合器的发射表面可能垂直于相关波导内的光传播方向。这样，可能不需要光栅结构或其他光学重定向器件。因此，可以通过对相关波导纵轴进行定向以使其平行于所需的光发射方向来配置边缘耦合器的光发射方向。在一些实施例中，反射表面可以设置为靠近边缘耦合器，使得由反射表面将边缘耦合器发射的光重定向至所需方向上。可以对反射表面进行定向以实现该所需方向。
图7示出了该装置的基本平面的结构700，该装置在其顶面上设置有表面耦合器715阵列并且在其边缘表面上设置有边缘耦合器710。在其他实施例中，可以将边缘表面做得更大，并且可以以例如二维阵列布置的形式提供多排边缘耦合器。
在一些实施例中，还可以提供用于重定向由表面/边缘耦合器发射的光的无源光学部件。例如，多个棱镜可以与表面/边缘耦合器(例如光栅耦合器)对齐。多个棱镜可以集成在公共棱镜微阵列内，该公共棱镜微阵列设置在表面/边缘耦合器上方。每个棱镜可以用于重定向与表面/边缘耦合器中的单个不同耦合器相关的光。不同的棱镜可以(例如通过棱镜角配置)配置为使光在不同方向上重定向到周围介质中。这支持以下配置：多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器在不同的相应方向上耦合来自LIDAR装置的光或将光耦合到LIDAR装置。也就是说，一些或所有的表面/边缘耦合器的设计(例如包括光栅周期和方向)可以相同。多个棱镜光耦合到多个表面/边缘耦合器中的一些或所有，并且每个棱镜的棱镜角不同，以使从多个表面/边缘耦合器中的每个发射的光在不同的相应方向上传播。通过每个棱镜选择性地将以不同角度入射的光耦合到其对应的表面/边缘耦合器上，这些棱镜可以类似地以互补方式将光耦合到表面/边缘耦合器上。
在一些实施例中，一些或所有的表面/边缘耦合器具有相同的纵轴方向和/或相同的光栅周期(在光栅耦合器的情况下)。在这种情况下，每个表面/边缘耦合器与具有不同配置的不同棱镜相关，并且将光重定向在基本唯一的方向上。
在一些实施例中，不同的表面/边缘耦合器的纵轴方向和/或光栅周期可以不同，并且与这种不同的表面/边缘耦合器相关的棱镜可以将光重定向在不同方向上。这样，表面/边缘耦合器和相关棱镜配置的组合使得多个表面/边缘耦合器(以及相关棱镜)中的每个在不同的相应方向上耦合来自LIDAR装置的光或将光耦合到LIDAR装置。
图8以截面图示出了根据本发明实施例800的多个棱镜810，这些棱镜810例如设置在棱镜微阵列815中，设置在诸如光栅耦合器的多个表面/边缘耦合器820上方。表面/边缘耦合器可以(但不是必须)基本相同，从而每个表面/边缘耦合器在相同方向上朝棱镜发射光。这些棱镜配置各不相同，以将光重定向在不同方向上。图8示出了表面/边缘耦合器和棱镜的潜在二维阵列的截面图。虽然只示出了二维视图，但是每个棱镜可以用于将光重定向在三维空间中的不同方向上。
在一些实施例中，LIDAR装置还可以包括光耦合到上述多个表面/边缘耦合器中的一些或所有的衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)。DOE从多个表面/边缘耦合器接收光，并将从每个表面/边缘耦合器接收的光发散成多个光束。本领域技术人员将容易理解由各种材料制成并且用于光束成形和分离的DOE。这些DOE可以包括衍射微浮雕图案用于操控入射激光光束的相位，以便在远场中创建所需强度分布。
图9A以截面图示出了根据本发明实施例900的设置在诸如光栅耦合器的多个表面/边缘耦合器920上方的衍射光学元件(DOE)930。DOE 930增加LIDAR的发射光束的数量。每个表面/边缘耦合器发射的光925由DOE接收，DOE将光分成多个分散光束935。每个表面/边缘耦合器可以依次操作，可以使用包括与分离光束的数量相等的数量的探测器的LIDAR接收器来检测多个光束，如国际专利申请PCT/CA2017/050566所述。还可以将LIDAR接收器配置为具有用于接收来自每个光束的漫射光的成像透镜系统。此操作可以用于每个LIDAR发射器。如图所示，不同的表面/边缘耦合器例如通过不同的纵轴方向、不同的光栅周期(在适当情况下)、或使用设置在其上方的不同的棱镜、或其组合在不同的方向上发射光。
图9B以截面图示出了根据本发明实施例950的设置在(例如棱镜微阵列中的)多个棱镜970上方的衍射光学元件(DOE)960，这些棱镜设置在诸如光栅耦合器的多个表面/边缘耦合器980上方。表面/边缘耦合器980在方向和光栅周期(在适当情况下)上可以(但不是必须)彼此相似，从而每个表面/边缘耦合器980在基本相同的方向上发射光。棱镜970如关于图8所述操作，以将来自不同表面/边缘耦合器的光重定向为朝向不同方向。每个棱镜可以重定向来自与其相关的单个表面/边缘耦合器的光。由每个表面/边缘耦合器发射并由棱镜970重定向的光由DOE 960接收，DOE 960将光分成多个分散光束，如关于图9A所述。因此，图9B表示图8和图9A的组合。由于本实施例中所需的方向调整较小，所以所示棱镜970不如图8的棱镜810明显。
控制器
本发明的实施例包括电子控制器，该电子控制器用于控制光开关的操作，并且还可选地控制可操作地耦合到其上的光源和/或光探测器的操作。控制器操作光开关以在不同时间在其第一端口和第二端口之间建立光路。对于LIDAR发射，不同的光路可以使源光在不同时间被路由到不同表面/边缘耦合器以及由不同表面/边缘耦合器发射。对于LIDAR接收，不同的光路可以使在不同表面/边缘耦合器处接收到的光在不同时间被路由到光探测器。通过以这种方式(例如周期性地)操作光开关，可以执行离散的LIDAR扫描操作。
在一些实施例中，控制器还操作光源，例如以随时间调整其波长。如上所述，调节波长可以引起对光栅耦合器发射(或接收)的光的方向的响应性调节。因此，这种调节也可以用于实现LIDAR扫描。
在一些实施例中，控制器可以通过控制光开关结构的每个1×2或2×2开关单元的一个或多个移相器中的每个移相器来控制光开关。本领域技术人员将容易理解控制1×2或2×2MZI开关单元的移相器以将光路由到其选定输出端口。本领域技术人员还将容易理解控制多个开关单元以建立所需光路。
图10示出了根据本发明实施例提供的控制器1000。控制器1000包括计算机处理器1010，计算机处理器1010可操作地耦合到存储器1015并且用于执行存储在存储器中的计算机程序指令。附加地或替代地，控制器1000可以包括用于指导控制器操作的其他逻辑电路1017，例如专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)。控制器还包括一个或多个数字输入端口1020、一个或多个数字输出端口1022、一个或多个模拟输入端口1030、一个或多个模拟输出端口1032、或其组合。可以使用模数或数模转换电路实现模拟输入端和输出端。如上所述，可以使用适当信号驱动数字或模拟输出端以控制光开关。也可以使用信号驱动数字或模拟输出端以控制光源或光探测器。数字或模拟输入端可以接收外部命令或控制信号、光探测器读数、控制器操作中使用的反馈、或其组合。
在一些实施例中，控制器接收指示将发射(或接收)LIDAR光的所需光方向的输入，确定在所需方向上发射(接收)光的表面/边缘耦合器，并操作光开关以将光路由到(或路由自)确定的表面/边缘耦合器。控制器可以操作光源，例如以打开或关闭光源或调节其工作波长。可以操作光探测器，例如以触发从其获取读数。控制器可以通过根据扫描时间表重复地在选定第一端口和选定第二端口之间建立光路来实现LIDAR扫描操作。
其他特征
图11示出了根据本发明实施例提供的LIDAR装置1100。该装置包括基板1105，在基板1105内部或上方设置有光开关1110。激光光源1115可操作地耦合到光开关1110的第一端口。该装置还包括多个表面/边缘耦合器1120，每个表面/边缘耦合器1120可操作地耦合到光开关1110的不同的第二端口。不同的表面/边缘耦合器1120用于在不同方向上从LIDAR装置发射光，例如如光束1122和1123所示。
图12示出了根据本发明另一实施例提供的LIDAR装置1200。该装置也包括基板1205，在基板1205内设置有光开关。该设备还包括多个表面/边缘耦合器，每个表面/边缘耦合器可操作地耦合到光开关的不同的第二端口。不同的表面/边缘耦合器用于在不同方向上从LIDAR装置发射光。与图11相比，表面/边缘耦合器布置在多个同心环1230中。每个环1230包括布置在其上的多个表面/边缘耦合器(例如光栅耦合器)，类似于图14。耦合器可以彼此间隔预定量或基本相邻。每个表面/边缘耦合器的纵轴可以朝向不同方向，从而主要在相应的不同方向上发射光。因此，在各种实施例中，表面/边缘耦合器可以以圆形图案设置。因此，在各种实施例中，表面/边缘耦合器可以以包括多个同心圆或同心环的图案设置。
注意，除了沿环的整个圆周布置表面/边缘耦合器，也可以沿环的部分圆周布置表面/边缘耦合器。例如，以半圆形图案布置表面/边缘耦合器。
在一些实施例中，同一环1230内所有光栅耦合器的光栅周期基本相等。此外，对于不同的环1230，光栅耦合器的光栅周期不同。此外，每个光栅耦合器可以布置为使其纵轴从中心轴1235径向向外延伸，中心轴1235位于多个同心环的中心并且从基板表面垂直延伸。示出了选定光栅耦合器的示例发射路径1240。
光栅周期可以配置为使得，对于第一环中的每个光栅耦合器和围绕第一环(即从第一环向外)的第二环中的每个光栅耦合器，第一环中的光栅耦合器的发射角θ小于第二环中的光栅耦合器的发射角θ。因此，给定环1230中所有的光栅耦合器发射的光基本位于以中心轴1235为中心的锥面上并且特定的张角为角θ。不同环的不同锥面的张角将不同。因此，通过操作相对内部的环内的光栅耦合器来执行靠近中心轴1235的目标区域的LIDAR扫描，而通过操作相对外部的环内的光栅耦合器来执行远离中心轴1235的目标区域的LIDAR扫描。
图13A示出了根据本发明实施例的多个光栅耦合器(包括以环形布置的说明性耦合器1320)的俯视图。该环可以是较大光栅耦合器阵列的几个同心环之一。如图所示，每个光栅耦合器的纵轴从环形中心径向向外延伸。多个光栅耦合器经由光开关网络1310耦合到第一端口或馈点1312。图13B示出了图13A的光栅耦合器1320的侧视图(包括从光栅耦合器发射光的方向，该方向由发射角θ给出)。图13A和图13B共同示出了从环的中心轴向外且从光栅耦合器所设置在的装置的表面向上的光1330的发射。发射角取决于光栅耦合器纵轴的方向和光栅耦合器的光栅周期。
在各种实施例中，发射的光束的发散度取决于发射光束的光栅耦合器的尺寸。
在遵循图13A和图13B的布局的示例实施例中，可以提供总共具有2880个发射器的16环发射器。每个发射器的宽度可以约为369微米，束腰约为132微米(对于905nm的工作波长)。这可能使得光束发散度约为0.13度。平均环直径约为23毫米。
下表1示出了使用具有椭圆形光束的多个离散发射器的几个示例实施例的参数。假设工作波长为905nm，最大晶粒尺寸约为25mm×32mm。指定LIDAR分辨率和光束参数。即使方位分辨率受限，也可以在保持合理的晶粒面积的同时提高这些实施例中的径向分辨率。这视为实现可扩展LIDAR。注意，在径向分辨率为0.1度的情况下，需要减小方位视场，以使发射器总面积不超过典型的发射器芯片尺寸。
径向分辨率(度) 1 0.5 0.25 0.2 0.1
发射光束半径(半长轴，径向)(μm) 33 66 132 165 330
发射器尺寸(半长轴，径向)(μm) 99 198 396 495 990
方位分辨率(度) 2 2 2 2 2
发射光束半径(半长轴，方位方向)(μm) 17 17 17 17 17
发射器尺寸(半长轴，方位方向)(μm) 50 50 50 50 50
#每个方位角的发射器 360 720 1440 1800 3600
360°径向、90°方位覆盖的发射器总面积(mm<sup>2</sup>) 45 90 405 675 2655
表1
图14示出了根据本发明实施例1400的围绕一对同心环1405、1410的圆周布置的多个光栅耦合器1420的俯视图。还可以包括围绕每个同心环的圆周布置的附加光栅耦合器(未示出)。
在各种实施例中，诸如微透镜的透镜可以位于表面/边缘耦合器发射(或引导至表面/边缘耦合器)的光的光路上。为了明确起见，表面/边缘耦合器在光学上位于透镜和光开关之间。透镜可以用于引导或聚焦相应表面/边缘耦合器发射(或引导至相应表面/边缘耦合器)的光。这种透镜可以用于限制或减小发射光的光束发散度。这在表面/边缘耦合器尺寸例如由于物理布局要求而受限时可能重要。可能需要限制光束发散度以提供足够的LIDAR分辨率水平。
图15示出了根据本发明实施例1500的表面/边缘耦合器发射器1520和透镜1525的示例。透镜1525减小了发射器1520发射到周围介质中之后的光的光束发散度。例如，发射器处的光束半径可以为33微米，透镜1525可以与发射器1520间隔30mm的距离(等于透镜的大约一个焦距)，透镜处的光束直径约为264微米，透镜的宽度约为0.79mm至1mm。透镜1525的作用之后的光束发散度可以约为0.13度。该装置可以包括布置在四个同心环中的约2880个发射器。每个发射器可以与不同的相应透镜相关。透镜可以例如布置在从发射器向外设置的透明三维表面上。
图16示出了根据本发明实施例1600的多个表面/边缘耦合器发射器1620和透镜1625的示例。发射器1620围绕一对同心环的圆周布置。只示出了所有发射器和透镜的子集。透镜1625接收并聚焦来自其对应发射器1620的光。透镜可以围绕与该对环同心的圆的圆周布置。
图17示出了根据本发明实施例1700的以规则的矩形网格图案布置在公共基板1705上的多个表面/边缘耦合器发射器1720的示例。每个不同的表面/边缘耦合器发射器1720可以用于以不同的角度发射光。这可以通过发射器(例如纵轴)的角定向以及可选地及其光栅周期(如果适用)来实现。
图18示出了根据本发明实施例1800的布置在圆柱形弯曲基板1805的表面上的多个表面/边缘耦合器发射器1820的示例。
图19示出了根据本发明实施例的操作LIDAR设备的方法1900。该方法包括接收1910在第一时间从LIDAR设备发射光或接收到LIDAR设备的光的第一方向的指示。该方法包括操作1920光开关以在第一时间在光开关的第一端口和光开关的多个第二端口中的选定第二端口之间路由光。第一端口耦合到光源或光探测器。上述多个第二端口中的每个第二端口耦合到多个表面/边缘耦合器中的不同的相应表面/边缘耦合器。上述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器用于在不同的相应方向上耦合来自LIDAR设备的光或将光耦合到LIDAR设备。多个第二端口中的选定第二端口耦合到上述多个表面/边缘耦合器中用于在第一方向上耦合光的相应表面/边缘耦合器。该方法可以在连续时间重复执行，从而通过改变光所路由到或路由自的第二端口以在不同方向上发射光或在不同方向上接收光。
根据本发明的各种实施例，一个或多个光开关可以与可操作地耦合到这些光开关的表面/边缘耦合器共同部署在同一公共基板上。在一些实施例中，可以例如使用二维、21/2维、或三维中介层提供多级或多层开关。
本发明的实施例可以实现为光子集成电路、硅光子器件、平面层合结构，绝缘体上硅结构或可配置为在其中提供诸如开关单元、波导、以及表面/边缘耦合器的光学部件的其他类型的结构。例如，可以以使用光刻制造技术构建的多层层合结构来提供光学部件。可以制造其中集成有光开关结构和表面/边缘耦合器的光子晶粒。
在可以在对应的适当尺寸的表面上提供潜在大量的表面/边缘耦合器的意义上，本发明的实施例是可扩展的。这提供了LIDAR分辨率、视场、或其组合的可扩展性。制造具有基本上任意数量的第二端口的光开关的能力促进了可扩展性。
鉴于以上内容，将容易理解，本发明的实施例提供了一种光学集成电路，该光学集成电路包括光入口(第一端口)、多个表面发射光栅耦合器、以及光开关电路。多个表面光栅耦合器被布置和配置成使从每个表面光栅耦合器发射的光束被引导至远场中的不同角坐标。光开关电路是可控制的，以将入射在光入口上的光信号引导至表面光栅耦合器中选定的一个。
在一些实施例中，LIDAR视场(远场)可以分为多个径向切片，每个径向切片表示使用单独的表面耦合器单独扫描的基本楔形的区域。在一些实施例中，当径向切片的数量超过可以在设备上给定区域内围绕同一圆的周长设置的表面耦合器的数量时，表面耦合器(发射器)以两个或两个以上的同心圆环图案设置。在这种情况下，可以通过以规则交替的环形图案放置的连续表面发射器来处理远场的每个连续径向切片。例如，可以使用设置在第一环的周长上的表面耦合器扫描第一径向切片，并且可以使用设置在第二(不同)环的周长上的表面耦合器扫描与第一径向切片相邻的第二径向切片。
本发明的实施例可以使用所有的光交换技术(optical switching technology)来实现，这些技术例如包括微机电系统(MEMS)器件、硅上液晶(liquid crystal onsilicon，LCOS)器件、或硅光子器件、或其组合。根据本发明的实施例，LIDAR可以以各种扫描速度操作，该扫描速度例如是从低于1Hz的频率到大约1MHz、10MHz、或100MHz的频率。
在一个实施例中，各自面积为250微米×250微米的4096个表面发射器(表面光栅耦合器)可以设置在具有12级光开关结构的单个芯片上。每个表面发射器被布置和配置成通过结合方向和光栅周期(例如在表面光栅耦合器的情况下)在不同方向上发射光。所得的LIDAR发射器可以具有110度×30度的视场，分辨率各为2度×0.4度。每个表面发射器的表面积足以发射发散度约为0.4度且波长为905nm的光束。
对于与以上实施例和其他实施例有关的更多细节，假设高斯光束发散度和工作波长λ0，已知(对于给定折射率n)束腰(横截面半径)ω0与远离腰部的光束的总角展Θ关系如下：
Figure BDA0002794262720000131
光束的分辨率视为约等于其发散度。为了避免削波，可以将表面发射器的尺寸设计为在每个方向上约为3ω0。因此，一方面需要较大的表面发射器以降低光束发散度并提高分辨率，另一方面当表面发射器较大时，可以封装到有限空间中的表面发射器较少。以上准则可以用于特定实施例的设计和布局。
本发明实施例可以用于各种应用，例如但不限于LIDAR、自动驾驶车辆、模式识别、面部扫描、测量、制造过程中的物体扫描、制造过程中的物体识别、以及光通信交换设备。
虽然已参考特定特征及其实施例描述本发明，但是显然可以在不脱离本发明的情况下对本发明进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应仅视为对所附权利要求书限定的本发明的说明，并且可以预期涵盖落入本发明范围内的任何和所有修改、变型、组合、或等同物。

Claims (27)

1.一种光束转向装置，包括：
光开关结构，包括第一端口和多个第二端口，并且用于在所述第一端口和所述多个第二端口中的选定第二端口之间可控地建立光路；
多个表面/边缘耦合器，所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器光耦合到所述多个第二端口中的不同的相应第二端口，所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器用于在不同的相应方向上耦合来自所述装置的光或将光耦合到所述装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置是LIDAR装置。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的装置，还包括控制器，所述控制器用于操作所述光开关以建立所述光路。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括可操作地耦合到所述第一端口和所述控制器的可调谐激光光源，其中，所述控制器用于调节所述可调谐激光光源的工作波长。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述第一端口是多个第一端口中的选定第一端口，所述多个第一端口中的每个第一端口可经由所述光开关结构光连接到所述多个第二端口中的至少一个第二端口。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光开关结构还用于在所述多个第一端口中的第二选定第一端口和所述多个第二端口中的第二选定第二端口之间同时或在不同时间可控地建立第二光路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器直接或经由光波导光耦合到所述多个第二端口中的所述不同的相应第二端口。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述表面/边缘耦合器中的至少一个表面/边缘耦合器是光栅耦合器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述表面/边缘耦合器中的第一表面/边缘耦合器是具有第一光栅周期的光栅耦合器，所述表面/边缘耦合器中的第二表面/边缘耦合器是具有不同于所述第一光栅周期的第二光栅周期的光栅耦合器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述表面/边缘耦合器中的至少一个表面/边缘耦合器是光学边缘耦合器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，所述表面/边缘耦合器中的第一表面/边缘耦合器具有朝向第一方向的纵轴，所述表面/边缘耦合器中的第二表面/边缘耦合器具有朝向不同于所述第一方向的第二方向的纵轴。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一方向和所述第二方向位于所述装置的平面中并且形成锐角。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，其中，所述多个第二端口中的至少一些第二端口围绕圆的周长布置。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器以环形图案或多个同心环图案布置在平面表面上。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器以矩形网格图案布置。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器是以多个同心环布置在平面表面上的光栅耦合器，并且其中，属于所述多个同心环中的第一同心环的光栅耦合器具有第一光栅周期，属于所述多个同心环中的第二同心环的光栅耦合器具有不同于所述第一光栅周期的第二光栅周期。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的装置，还包括多个透镜，所述多个透镜中的每个透镜光耦合到所述多个表面/边缘耦合器中的不同的相应表面/边缘耦合器。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器中的至少一个表面/边缘耦合器是长度等于宽度的至少10倍的光栅耦合器。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器中的至少一个表面/边缘耦合器是包括硅波导和图案化氮化硅覆盖层的光栅耦合器。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的装置，还包括多个棱镜，所述多个棱镜中的每个棱镜光耦合到所述多个表面/边缘耦合器中的不同表面/边缘耦合器或所述多个表面/边缘耦合器的子集，所述多个棱镜与所述多个表面/边缘耦合器配合以使所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器在不同的相应方向上耦合来自所述装置的光或将光耦合到所述装置。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述多个表面/边缘耦合器中的一些或所有表面/边缘耦合器的设计相同，光耦合到所述多个表面/边缘耦合器中的所述一些或所有表面/边缘耦合器的所述多个棱镜中的每个棱镜的棱镜角不同。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的装置，还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述多个表面/边缘耦合器上方并且用于将所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器接收的光发散成多个光束。
23.一种用于操作光束转向设备的方法，所述方法包括：
接收在第一时间从所述设备发射光或接收到所述设备的光的第一方向的指示；以及
操作光开关以在所述第一时间在所述光开关的第一端口和所述光开关的多个第二端口中的选定第二端口之间路由光，所述第一端口耦合到光源或光探测器，所述多个第二端口中的每个第二端口耦合到多个表面/边缘耦合器中的不同的相应表面/边缘耦合器，所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器用于在不同的相应方向上耦合来自所述设备的光或将光耦合到所述设备；
其中，多个第二端口中的所述选定第二端口耦合到所述多个表面/边缘耦合器中用于在所述第一方向上耦合光的相应表面/边缘耦合器。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括调节可调谐激光光源的工作波长。
25.根据权利要求23和24中任一项所述的方法，其中，所述多个表面/边缘耦合器中的每个表面/边缘耦合器直接或经由光波导光耦合到所述多个第二端口中的所述不同的相应第二端口。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中，所述表面/边缘耦合器中的第一表面/边缘耦合器是具有第一光栅周期的光栅耦合器，所述表面/边缘耦合器中的第二表面/边缘耦合器是具有不同于所述第一光栅周期的第二光栅周期的光栅耦合器。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中，所述表面/边缘耦合器中的第一表面/边缘耦合器具有朝向第一方向的纵轴，所述表面/边缘耦合器中的第二表面/边缘耦合器具有朝向不同于所述第一方向的第二方向的纵轴。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117289398A (zh) * 2023-11-24 2023-12-26 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10698086B1 (en) * 2018-05-09 2020-06-30 Facebook Technologies, Llc Photonic integrated circuit illuminator
WO2021019971A1 (ja) * 2019-08-01 2021-02-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光出射デバイス
US11881678B1 (en) 2019-09-09 2024-01-23 Apple Inc. Photonics assembly with a photonics die stack
DE102020110142A1 (de) 2020-04-14 2021-10-14 Scantinel Photonics GmbH Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt
EP3916423A1 (de) 2020-05-25 2021-12-01 Scantinel Photonics GmbH Vorrichtung und verfahren zur scannenden messung des abstands zu einem objekt
EP3916424A1 (de) 2020-05-25 2021-12-01 Scantinel Photonics GmbH Vorrichtung und verfahren zur scannenden messung des abstands zu einem objekt
DE102020207742A1 (de) 2020-06-23 2021-12-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung LIDAR-Vorrichtung mit einem diffraktiven Gitterkoppler und Spiegelelement
US11340399B2 (en) 2020-07-02 2022-05-24 Robert Bosch Gmbh In-plane MEMS optical switch
US11307483B2 (en) * 2020-07-02 2022-04-19 Robert Bosch Gmbh MEMS optical switch with dual cantilever couplers
US11360270B2 (en) 2020-07-02 2022-06-14 Robert Bosch Gmbh MEMS optical switch with stop control
US11300852B2 (en) * 2020-07-02 2022-04-12 Robert Bosch Gmbh MEMS optical switch with a cantilever coupler
DE102020208625A1 (de) 2020-07-09 2022-01-13 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optikanordnung zum Reduzieren optischen Rauschens eines entfernungsmessenden Systems und entfernungsmessendes System
US11988774B2 (en) * 2020-10-26 2024-05-21 Honeywell International Inc. Integrated photonics air data system
EP4075192B1 (en) 2021-04-16 2024-05-22 Scantinel Photonics GmbH Device and method for scanning fmcw-lidar range measurement
DE102021111949A1 (de) 2021-05-07 2022-11-10 Scantinel Photonics GmbH Vorrichtung zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt
EP4124882A1 (en) 2021-07-27 2023-02-01 Scantinel Photonics GmbH Lidar device for scanning measurement of a distance to an object
CN118056140A (zh) * 2021-10-13 2024-05-17 索尼半导体解决方案公司 测距装置
JP2023070546A (ja) * 2021-11-09 2023-05-19 株式会社東芝 投光装置、測距装置、及びレーザ光の投光制御方法
DE102021130611A1 (de) 2021-11-23 2023-05-25 Scantinel Photonics GmbH Vorrichtung und Verfahren zur scannenden Messung des Abstands zu einem Objekt
EP4231045A1 (de) * 2022-02-16 2023-08-23 Sick Ag Optoelektronischer sensor
US20230324286A1 (en) * 2022-03-25 2023-10-12 Apple Inc. Optical Measurement System with Multiple Launch Sites
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

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110122895A1 (en) * 2009-11-23 2011-05-26 Lockheed Martin Corporation Q-switched oscillator seed-source for mopa laser illuminator method and apparatus
CN105474657A (zh) * 2013-06-20 2016-04-06 国立研究开发法人科学技术振兴机构 光交叉连接装置
CN106154281A (zh) * 2016-09-08 2016-11-23 齐龙舟 一种光纤激光雷达系统
CN106486729A (zh) * 2016-09-29 2017-03-08 东南大学 基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器
CN206479637U (zh) * 2017-01-13 2017-09-08 深圳乐行天下科技有限公司 激光三角测距雷达
CN107516752A (zh) * 2017-07-18 2017-12-26 北京大学 毫米波‑太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及实现方法
CN107710042A (zh) * 2015-07-07 2018-02-16 华为技术有限公司 具有表面光栅耦合器和边缘耦合器的光开关

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6936810B2 (en) * 2003-07-21 2005-08-30 Thomas Hiramatsu-Tie Method and apparatus for scanning an optical beam using an optical conduit
US9026278B2 (en) 2011-12-23 2015-05-05 Optical Air Data Systems, Llc LDV system for measuring wind at high altitude
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
US10261389B2 (en) * 2016-06-22 2019-04-16 Massachusetts Institute Of Technology Methods and systems for optical beam steering

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110122895A1 (en) * 2009-11-23 2011-05-26 Lockheed Martin Corporation Q-switched oscillator seed-source for mopa laser illuminator method and apparatus
CN105474657A (zh) * 2013-06-20 2016-04-06 国立研究开发法人科学技术振兴机构 光交叉连接装置
CN107710042A (zh) * 2015-07-07 2018-02-16 华为技术有限公司 具有表面光栅耦合器和边缘耦合器的光开关
CN106154281A (zh) * 2016-09-08 2016-11-23 齐龙舟 一种光纤激光雷达系统
CN106486729A (zh) * 2016-09-29 2017-03-08 东南大学 基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器
CN206479637U (zh) * 2017-01-13 2017-09-08 深圳乐行天下科技有限公司 激光三角测距雷达
CN107516752A (zh) * 2017-07-18 2017-12-26 北京大学 毫米波‑太赫兹频段的超高阶波导模式激励器及实现方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117289398A (zh) * 2023-11-24 2023-12-26 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统
CN117289398B (zh) * 2023-11-24 2024-01-30 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于微环谐振器开关的焦平面开关阵列光束扫描系统

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