CN112740062A - 光学传感器芯片 - Google Patents

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B·J·拉夫
M·阿斯加里
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Silicon Optical Chip Technology Co
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Abstract

LIDAR芯片包括公用波导，该公用波导将输出LIDAR信号引导到小平面，输出LIDAR信号通过该小平面从芯片射出。该芯片还包括控制分支，其从公用波导移除输出LIDAR信号的一部分。控制分支包括接收光信号的控制光传感器，所述光信号包括来自输出LIDAR信号的移除部分的光。该芯片还包括数据分支，其从公用波导移除输出LIDAR信号的第二部分。该数据分支包括光组合组件，该光组合组件将包括来自输出LIDAR信号的第二部分的光的参考光信号与包括从位于芯片外的物体反射回来的光的比较光信号进行组合。

Description

光学传感器芯片
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年5月11日提交的美国专利申请序列号15/977,957的优先权，其公开内容通过引用合并在本文中。
技术领域
本发明涉及光学设备。特别地，本发明涉及LIDAR芯片。
背景技术
可以在诸如ADAS（高级驾驶员辅助系统）和AR（增强现实）之类的应用中经济部署的3D感测系统的商业需求日益增加。LIDAR（光检测和测距）传感器用于通过用激光照亮场景并测量返回的信号来构造目标场景的3D图像。
调频连续波（FMCW）是可以用于LIDAR应用的相干检测方法的示例。FMCW技术能够用单个测量来确定物体的距离和速度二者。此外，FMCW技术已经降低了对环境光和来自其它LIDAR系统的光的灵敏度。
集成的FMCW LIDAR芯片尚不可用。此外，生成具有LIDAR芯片组件的一部分的芯片的努力已经在它们可以传输而没有信号减削的光学功率量方面受到限制。该信号减削限制了到反射物体的传输激光功率量。对传输激光功率量的该限制限制了设备的总体灵敏度。出于这些原因，需要能够集成LIDAR芯片同时还提供实现期望的灵敏度水平所需的光学功率的平台。
发明内容
LIDAR芯片包括一个或多个脊波导，该脊波导具有远离光传输介质的平板区域延伸的光传输介质的脊。脊具有大于1μm且小于4μm的宽度，以及大于1μm且小于4μm的高度。平板区域具有大于0.0μm且小于3μm的厚度。在一些实例中，芯片是绝缘体上硅芯片。
LIDAR芯片的另一实施例包括将输出LIDAR信号引导到小平面的公用波导，输出LIDAR信号通过该小平面从芯片射出。该芯片还包括控制分支，该控制分支从公用波导移除输出LIDAR信号的一部分。控制分支包括接收光信号的控制光传感器，所述光信号包括来自输出LIDAR信号的移除部分的光。该芯片还包括数据分支，该数据分支从公用波导移除输出LIDAR信号的第二部分。数据分支包括光组合组件，该光组合组件将包括来自输出LIDAR信号的第二部分的光的参考光信号与包括从位于芯片外的物体反射回来的光的比较光信号进行组合。
芯片的另一实施例包括终止于小平面处的公用波导，输出LIDAR信号通过该小平面从芯片射出。公用波导还被配置为通过小平面接收LIDAR输入光信号。LIDAR输入光信号包括来自输出LIDAR信号的光。该芯片还包括数据分支，该数据分支包括被配置为接收包括来自LIDAR输入光信号的光的光信号的光传感器。
芯片的另一实施例包括终止于小平面处的公用波导，输出LIDAR信号的至少一部分通过该小平面从LIDAR芯片射出。该芯片还包括光学衰减器，该光学衰减器被配置为衰减公用波导上的输出LIDAR信号的强度。
芯片的另一实施例包括接收包括来自LIDAR输入光信号的光的比较光信号的波导。LIDAR输入光信号包括由位于芯片外的物体反射的光。该芯片还包括光学衰减器，该光学衰减器被配置为衰减波导上的比较光信号的强度。
附图说明
图1是LIDAR芯片的顶视图。
图2是根据图1由绝缘体上硅晶片构造的LIDAR芯片的截面。
图3图示了与片外扫描机构一起使用的图1的LIDAR芯片。
图4图示了与片外扫描机构的另一实施例一起使用的图1的LIDAR芯片。
图5是具有集成扫描机构的图1的LIDAR芯片的截面。
具体实施方式
公开了LIDAR芯片，其将全光学LIDAR功能集成到单个光学芯片上。该芯片还提供光学组件，以用于监视和控制芯片的光学功能。例如，芯片包括用于控制从芯片传输的输出LIDAR信号的频率和强度的光学组件。该芯片还包括光学组件，以用于控制芯片在被片外物体反射之后所接收的LIDAR输入光信号的强度。
该芯片适用于各种平台（诸如绝缘体上硅（SOI）平台）上的结构。芯片可以包括多个波导；然而，为了使这些芯片结构适用于LIDAR应用，波导尺寸增加到高于标准硅光子LIDAR方法的尺寸。LIDAR芯片传输输出光信号，该输出光信号被位于芯片外的物体反射。LIDAR芯片接收反射光信号的一部分。作为该机构的结果，实际上可用于LIDAR芯片以进行处理的反射光信号的功率可能不期望地低。
由SOI型平台构造的LIDAR芯片一般使用的波导尺寸通常是光学功率和相位损失的来源，这使得这些芯片难以或甚至不可能应用于LIDAR应用。然而，发明人已经发现，在保持单模配置的同时增加波导尺寸允许这些LIDAR芯片成功地应用于LIDAR应用。例如，芯片可以包括脊波导，每个脊波导包括从光传输介质的平板区域延伸的光传输介质（诸如硅）的脊。构造脊波导，使得脊具有大于1μm且小于4μm的宽度，大于1μm且小于4μm的高度，并且远离具有大于0.0μm且小于3μm的厚度的平板区域延伸允许芯片成功地用于LIDAR应用。
图1是包括激光腔的LIDAR芯片的顶视图。激光腔包括光源10，所述光源10可以包括用于激光器的增益介质（未示出）或由其组成。该芯片还包括从光源10接收光信号的腔波导12。光源可以定位在凹槽13中，使得光源的小平面与腔波导12的小平面光学对准，以允许光源和腔波导12交换光信号。腔波导12将光信号传送到部分返回设备14。所图示的部分返回设备14是光栅，诸如布拉格光栅。然而，可以使用其它部分返回设备14；例如，镜可以与中阶梯光栅和阵列波导光栅结合使用。
部分返回设备14将光信号的返回部分返回到腔波导12作为返回信号。例如，腔波导12将返回信号返回到光源10，使得光信号的返回部分传播通过增益介质。光源10被配置为使得返回信号的至少一部分被添加到在腔波导12处接收的光信号。例如，光源10可以包括高度、完全或部分反射的设备15，其将从增益介质接收的返回信号反射回增益介质中。结果，光可以在部分返回设备14和反射设备15之间共振，以便形成分布式布拉格反射器（DBR）激光腔。DBR激光腔具有固有的窄线宽和比DFB激光器更长的相干长度，并且当反射来自芯片的LIDAR输出信号的物体位于离芯片更远的位置时相应地提高性能。
部分返回设备14将从腔波导12接收的光信号的一部分传递到芯片上包括的公用波导16。公用波导16从部分返回设备14接收的光信号的部分用作激光腔的输出。激光腔的输出用作公用波导16上的输出LIDAR信号。公用波导16终止于小平面18处，并且将输出LIDAR信号传送到小平面18。小平面18可以被定位为使得传播通过小平面18的输出LIDAR信号射出芯片，并且用作LIDAR输出信号。例如，小平面18可以定位在芯片的边缘处，使得传播通过小平面18的输出LIDAR信号射出芯片，并且用作LIDAR输出信号。
LIDAR输出信号传播远离芯片，并且被LIDAR信号路径中的物体反射。反射信号传播远离物体。反射信号的至少一部分返回到公用波导16的小平面18。因此，反射信号的一部分可以通过小平面18进入公用波导16，并且用作由公用波导16引导的LIDAR输入信号。
公用波导16可以在小平面18之前包括锥体部分。例如，公用波导16可以包括终止于小平面18处的锥体20。锥体20可以放宽将公用波导16高效耦合到LIDAR输入光和输出LIDAR信号所需的对准公差。因此，锥体20可以增加成功返回到芯片以进行处理的LIDAR输入信号的百分比。在一些实例中，锥体20被构造为使得小平面18具有大于公用波导16的直部分的截面面积的两倍、五倍或十倍的面积。尽管图1将锥体20示出为水平锥体，但是锥体20可以是水平和/或垂直锥体。水平和/或垂直锥体可以是线性的和/或弯曲的。在一些实例中，锥体20是绝热锥体。
该芯片包括数据分支24，在该数据分支24中生成为LIDAR数据处理的光学信号。数据分支包括光学耦合器26，其将光信号的一部分从公用波导16移动到数据分支中。例如，光学耦合器26将来自公用波导16的输出LIDAR信号的一部分耦合到参考波导27上作为参考信号。参考波导27将参考信号传送到光组合组件28。
光学耦合器26还将来自公用波导16的LIDAR输入信号的一部分耦合到比较波导30上作为比较信号。比较信号包括来自LIDAR输入信号的光的至少一部分。比较信号可以排除来自参考光信号的光。比较波导30将比较信号传送到光组合组件28。
所图示的光学耦合器26是将公用波导16定位成充分接近参考波导27和比较波导30的结果，使得来自公用波导16的光耦合到参考波导27和比较波导30中；然而，可以使用其它信号分接组件来将来自公用波导16的光信号的一部分移动到参考波导27和比较波导30上。合适的信号分接组件的示例包括但不限于y型结、多模干涉耦合器（MMI）和集成光学环行器。
光组合组件28将比较信号和参考信号组合成复合信号。参考信号包括来自输出LIDAR信号的光。例如，参考信号可以用作输出LIDAR信号的样本。参考信号可以排除来自LIDAR输出信号和LIDAR输入信号的光。相反，比较信号光包括来自LIDAR输入信号的光。例如，比较信号可以用作LIDAR输入信号的样本。因此，比较信号已经被位于芯片外的物体反射，而LIDAR输出信号尚未被反射。当芯片和反射物体相对于彼此移动时，由于多普勒效应，比较信号和参考信号具有不同的频率。结果，在比较信号和参考信号之间出现跳动。
光组合组件28还将所得到的复合样本信号分裂到第一检测器波导36和第二检测器波导38上。第一检测器波导36将复合样本信号的第一部分传送到第一光传感器40，所述第一光传感器40将复合样本信号的第一部分转换成第一电信号。第二检测器波导38将复合样本信号的第二部分传送到第二光传感器42，所述第二光传感器42将复合样本信号的第二部分转换成第二电信号。合适的光传感器的示例包括锗光电二极管（PD）和雪崩光电二极管（APD）。
光组合组件28、第一光传感器40和第二光传感器42可以连接为输出电数据信号的平衡光电检测器。例如，可以连接光组合组件28、第一光传感器40和第二光传感器42，使得信号光电流的DC分量抵消，从而提高检测灵敏度。连接第一光传感器40和第二光传感器42作为平衡光电检测器的合适方法包括串联连接第一光传感器40和第二光传感器42。在一个示例中，第一光传感器40和第二光传感器42二者是串联连接的雪崩光电二极管。平衡光电检测对于小信号波动的检测是期望的。
合适的光组合组件28的示例是多模干涉（MMI）设备，诸如2x2 MMI设备。其它合适的光组合组件28包括但不限于绝热分裂器和定向耦合器。在一些实例中，所图示的光组合组件28的功能由多于一个光学组件或光学组件的组合来施行。
单个光传感器可以替换第一光传感器40和第二光传感器42，并且可以输出数据信号。当单个光传感器替换第一光传感器40和第二光传感器42时，光组合组件28不需要包括分光功能。结果，所图示的光光组合组件28可以是2×1光组合组件，而不是所图示的2×1光组合组件。例如，所图示的光光组合组件可以是2×1 MMI设备。在这些实例中，芯片包括单个检测器波导，所述单个检测器波导将复合样本信号传送到光传感器。
数据分支包括沿着比较波导30定位的数据光学衰减器44，使得数据光学衰减器44可以被操作以便衰减比较波导30上的比较信号。该芯片还包括沿着公用波导16定位的输出光学衰减器46，使得输出光学衰减器46可以被操作以便衰减公用波导16上的输出LIDAR信号。数据光学衰减器44和/或输出光学衰减器46的合适衰减器被配置为衰减光信号的强度。被配置为衰减光信号强度的合适衰减器的示例包括基于载流子注入的PIN二极管、电吸收调制器和马赫-曾德尔（MZ）调制器。
芯片还包括采样定向耦合器50，其将来自比较波导30的比较信号的一部分耦合到采样波导52上。比较信号的耦合部分用作采样信号。采样波导52将采样信号传送到采样光传感器54。尽管图1图示了采样定向耦合器50，其将比较信号的一部分移动到采样波导52上，但是可以使用其它信号分接组件来将比较信号的一部分从比较波导30移动到采样波导52上。合适的信号分接组件的示例包括但不限于y型结和MMI。
芯片包括用于控制激光腔的操作的控制分支55。控制分支包括定向耦合器56，所述定向耦合器56将输出LIDAR信号的一部分从公用波导16移动到控制波导57上。输出LIDAR信号的耦合部分用作分接信号。尽管图1图示了定向耦合器56，其将输出LIDAR信号的一部分移动到控制波导57上，但是可以使用其它信号分接组件来将输出LIDAR信号的一部分从公用波导16移动到控制波导57上。合适的信号分接组件的示例包括但不限于y型结和MMI。
控制波导57将分接信号传送到干涉仪58，所述干涉仪58分裂分接信号，并且然后将分接信号的不同部分与分接信号的部分之间的相位差重新组合。所图示的干涉仪58是马赫-曾德尔干涉仪；然而，可以使用其它干涉仪。
干涉仪58在干涉仪波导60上输出控制光信号。干涉仪波导60将控制光信号传送到控制光传感器61，所述控制光传感器61将控制光信号转换成用作电控制信号的电信号。干涉仪信号具有作为输出LIDAR信号的频率的函数的强度。例如，马赫-曾德尔干涉仪将输出具有条纹图案的正弦控制光信号。输出激光雷达信号的频率的改变将导致控制光信号的频率的改变。因此，从控制光传感器61输出的电控制信号的频率是输出激光雷达信号的频率的函数。可以使用其它检测机构来代替控制光传感器61。例如，控制光传感器61可以用被布置为光组合组件28、第一光传感器40和第二光传感器42的平衡光电检测器来替换。
电子器件62可以操作芯片上的一个或多个组件。例如，电子器件62可以与光源10、数据光学衰减器44、输出光学衰减器46、第一光传感器40、第二光传感器42、采样光传感器54和控制光传感器61电通信并控制其操作。尽管电子器件62被示出在芯片外，但是电子器件的全部或一部分可以被包括在芯片上。例如，芯片可以包括将第一光传感器40与第二光传感器42串联连接的电导体。
在芯片的操作期间，电子器件62操作光源10，使得激光腔输出输出LIDAR信号。电子器件62然后通过一系列循环操作芯片，其中每个循环至少生成距离数据点。在每个循环期间，数据信号被采样多次。在每次采样期间，电子器件调谐输出LIDAR信号的频率。如下面将更详细描述的，电子器件可以采用来自控制分支的输出，以便控制输出LIDAR信号的频率，使得输出LIDAR信号的频率作为时间的函数对于电子器件来说是已知的。在一些实例中，循环包括第一采样和第二采样。在第一采样期间，电子器件62可以增加输出LIDAR信号的频率，而在第二采样期间，电子器件62可以减小输出LIDAR信号的频率。例如，激光腔可以被配置为输出具有1550nm的波长的输出LIDAR信号（以及相应地LIDAR输出信号）。在第一采样期间，电子器件62可以增加输出LIDAR信号（以及相应地LIDAR输出信号）的频率，使得波长从1550nm减小到1459.98nm，随后减小输出LIDAR信号的频率，使得波长从1459.98nm增加到1550nm。
当输出LIDAR信号频率在第一采样期间增加时，LIDAR输出信号传播远离芯片，并且然后返回到芯片作为LIDAR输入信号。LIDAR输入信号的一部分成为比较信号。在LIDAR输出信号和LIDAR输入信号正在芯片和反射物体之间传播的时候期间，输出LIDAR信号的频率继续增加。由于输出LIDAR信号的一部分成为参考信号，因此参考信号的频率继续增加。结果，比较信号以比同时进入光组合组件的参考信号更低的频率进入光组合组件。此外，反射物体位于离芯片越远，在LIDAR输入信号返回到芯片之前，参考信号的频率增加得越多。因此，比较信号的频率和参考信号的频率之间的差越大，反射物体离芯片越远。结果，比较信号的频率和参考信号的频率之间的差是芯片和反射物体之间的距离的函数。
出于相同的原因，当在第二采样期间输出LIDAR信号频率减小时，比较信号以比同时进入光组合组件的参考信号更高的频率进入光组合组件，并且在第二采样期间比较信号的频率和参考信号的频率之间的差也是芯片和反射物体之间的距离的函数。
在一些实例中，比较信号的频率和参考信号的频率之间的差也可以是多普勒效应的函数，因为芯片和反射物体的相对移动也可以影响比较信号的频率。例如，当芯片正在朝向或远离反射物体移动和/或反射物体正在朝向或远离芯片移动时，多普勒效应可能影响比较信号的频率。由于比较信号的频率是反射物体正在朝向或远离芯片移动的速度和/或芯片正在朝向或远离反射物体移动的速度的函数，因此比较信号的频率和参考信号的频率之间的差也是反射物体正在朝向或远离芯片移动的速度和/或芯片正在朝向或远离反射物体移动的速度的函数。因此，比较信号的频率和参考信号的频率之间的差是芯片和反射物体之间距离的函数，并且也是多普勒效应的函数。
复合样本信号和数据信号均有效地将比较信号和参考信号进行比较。例如，由于光组合组件将比较信号和参考信号进行组合，并且这些信号具有不同的频率，因此在比较信号和参考信号之间存在跳动。因此，复合样本信号和数据信号具有与比较信号和参考信号之间的频率差相关的拍频，并且拍频可以用于确定比较信号和参考信号的频率的差。复合样本信号和/或数据信号的较高拍频指示比较信号和参考信号的频率之间的较高差异。结果，数据信号的拍频是芯片和反射物体之间距离的函数，并且也是多普勒效应的函数。
如上所述，拍频是两个未知数的函数；所述两个未知数为芯片和反射物体之间的距离以及芯片和反射物体的相对速度（即，多普勒效应的贡献）。比较信号和参考信号之间的频率差（△f）的改变由△f = 2△vf/c给出，其中f是LIDAR输出信号以及相应地参考信号的频率，△v是芯片和反射物体的相对速度，以及c是空气中的光速。多个不同样本的使用准许电子器件62解决两个未知问题。例如，为第一采样确定的拍频与未知距离和多普勒贡献相关，并且为第二采样确定的拍频也与未知距离和多普勒贡献相关。两种关系的可用性允许电子器件62解决两个未知问题。因此，可以确定芯片和反射物体之间的距离，而不受多普勒效应的影响。另外，在一些实例中，电子器件62结合多普勒效应使用该距离来确定朝向或远离芯片的反射物体的速度。
在其中目标和源的相对速度为零或非常小的实例中，多普勒效应对拍频的贡献基本为零。在这些实例中，多普勒效应对拍频没有做出实质性贡献，并且电子器件62可以仅取第一样本来确定芯片和反射物体之间的距离。
在操作期间，电子器件62可以响应于从控制光传感器61输出的电控制信号来调整输出LIDAR信号的频率。如上所述，从控制光传感器61输出的电控制信号的幅度是输出LIDAR信号的频率的函数。因此，电子器件62可以响应于控制的幅度来调整输出LIDAR信号的频率。例如，当在一个样本期间改变输出LIDAR信号的频率时，电子器件62可以具有作为时间的函数的电控制信号幅度的合适值的范围。在采样期间的多个不同时间，电子器件62可以将电控制信号幅度与关联于样本中当前时间的值的范围进行比较。如果电控制信号幅度指示输出LIDAR信号的频率在电控制信号幅度的相关联范围之外，则电子器件62可以操作光源10，以便改变输出LIDAR信号的频率，使得其落在相关联范围内。如果电控制信号幅度指示输出LIDAR信号的频率在电控制信号幅度的相关联范围内，则电子器件62不改变输出LIDAR信号的频率。
在操作期间，电子器件62可以响应于来自采样光传感器54的采样信号来调整由输出光学衰减器46提供的衰减水平。例如，电子器件62操作输出光学衰减器46，以便响应于采样信号的幅度高于第一信号阈值而增加衰减水平，和/或响应于采样信号的幅度低于第二信号阈值而减小功率下降的幅度。
在一些实例中，电子器件62调整由输出光学衰减器46提供的衰减水平，以防止或降低背反射对激光腔性能的影响。例如，可以可选地选择第一信号阈值和/或第二信号阈值，以防止或降低背反射对激光腔性能的影响。当LIDAR输入信号的一部分返回到激光腔作为返回LIDAR信号时，出现背反射。在一些实例中，穿过小平面18的大约50%的LIDAR输入信号返回到激光腔。当进入部分返回设备14的返回LIDAR信号的功率不减小到低于从部分返回设备14射出的输出LIDAR信号的功率（“功率下降”）大于最小功率下降阈值时，返回LIDAR信号可能影响激光腔的性能。在所图示的芯片中，最小功率下降阈值可以是大约35dB（0.03%）。因此，当进入部分返回设备14的返回LIDAR信号的功率低于从部分返回设备14射出的输出LIDAR信号的功率不大于35dB时，返回激光雷达信号可能影响激光腔的性能。
电子器件62可以操作输出光学衰减器46，以便降低低功率下降的影响，例如当目标物体非常接近或高度反射或二者时。如从图1明显的是，为了增加衰减水平的输出光学衰减器46的操作降低了进入部分返回设备14的返回LIDAR信号的功率，并且还降低了在远离部分返回设备14的位置处的返回输出LIDAR信号的功率。由于输出光学衰减器46位于远离部分返回设备14，因此从部分返回设备14射出的输出LIDAR信号的功率不受输出光学衰减器46的操作的直接影响。因此，为了增加衰减水平的输出光学衰减器46的操作增加了功率下降的水平。结果，电子器件可以采用光学衰减器46，以便调谐功率下降。
此外，采样信号的幅度与功率下降相关。例如，如从图1明显的是，采样信号的幅度与比较信号的功率相关。由于比较信号是激光雷达输入信号的一部分，因此采样信号的幅度与激光雷达输入信号的功率相关。该结果意味着采样信号的幅度也与返回LIDAR信号的功率相关，因为返回LIDAR信号是激光雷达输入信号的一部分。因此，采样信号的幅度与功率下降相关。
由于采样信号的幅度与功率下降相关，因此电子器件62可以使用采样信号的幅度来操作输出光学衰减器，以便将比较信号功率的幅度保持在目标范围内。例如，电子器件62可以操作输出光学衰减器46，以便响应于指示功率下降的幅度处于或低于第一阈值的采样信号来增加功率下降的幅度，和/或电子器件62可以操作输出光学衰减器46，以便响应于指示功率下降的幅度处于或高于第二阈值的采样信号来减小功率下降的幅度。在一些实例中，第一阈值大于或等于最小功率下降阈值。在一个示例中，电子器件62操作输出光学衰减器46，以便响应于采样信号的幅度高于第一信号阈值而增加功率下降的幅度，和/或响应于采样信号的幅度低于第二信号阈值而减小功率下降的幅度。从由第一阈值、第二阈值、第一信号阈值和第二信号阈值组成的组选择的一个、两个、三个或四个变量的（一个或多个）值的识别可以根据在LIDAR芯片系统的设立期间光学芯片的校准来确定。
当复合光信号的功率超过功率阈值时，光传感器可能变得饱和。当光传感器变得饱和时，数据信号的幅度达到最大值，该最大值不增加，尽管复合光信号的功率高于功率阈值而附加增加。因此，当复合光信号的功率超过功率阈值时，数据可能损失。在操作期间，电子器件62可以调整由数据光学衰减器44提供的衰减水平，使得复合光信号的功率保持低于功率阈值。
如从图1明显的是，采样信号的幅度与比较信号的功率相关。因此，电子器件62可以响应于来自采样信号的输出而操作数据光学衰减器44。例如，当采样信号的幅度指示比较信号的功率高于上限比较信号阈值时，电子器件62可以操作数据光学衰减器以便增加比较信号的衰减，和/或当采样信号的幅度指示比较信号的功率低于下限比较信号阈值时，电子器件62可以操作数据光学衰减器以便减小比较信号的衰减。例如，在一些实例中，当采样信号的幅度处于或高于上限比较阈值时，电子器件62可以增加比较信号的衰减，和/或当采样信号的幅度处于或低于上限比较信号阈值时，电子器件62减小比较信号的衰减。
如上所述，电子器件62可以响应于采样信号而调整由输出光学衰减器46提供的衰减水平。除了响应于采样信号而调整由输出光学衰减器46提供的衰减水平之外，或者作为响应于采样信号而调整由输出光学衰减器46提供的衰减水平的替代，电子器件62可以响应于采样信号而调整由数据光学衰减器44提供的衰减水平。
芯片的合适平台包括但不限于二氧化硅、磷化铟和绝缘体上硅晶片。图2是由绝缘体上硅晶片构造的芯片的部分的截面。绝缘体上硅（SOI）晶片包括衬底82和光传输介质84之间的掩埋层80。在绝缘体上硅晶片中，掩埋层是二氧化硅，而衬底和光传输介质是硅。诸如SOI晶片之类的光学平台的衬底可以用作整个芯片的基底。例如，图1中所示出的光学组件可以定位在衬底的顶部和/或侧面上或上方。
图2中所图示的芯片的部分包括波导结构，该波导结构适用于与由绝缘体上硅晶片构造的芯片一起使用。光传输介质的脊86远离光传输介质的平板区域88延伸。光信号被限制在脊的顶部和掩埋氧化物层之间。
脊波导的尺寸标记在图2中。例如，脊具有标记为w的宽度和标记为h的高度。平板区域的厚度标记为T。对于LTDAR应用，这些尺寸比其它应用更重要，因为需要使用比其它应用中使用的更高水平的光学功率。脊宽度（标记为w）大于1μm且小于4μm，脊高度（标记为h）大于1μm且小于4μm，平板区域厚度大于0.5μm且小于3μm。这些尺寸可以应用于波导的直的或大体上直的部分、波导的弯曲部分和（一个或多个）波导的锥体部分。因此，波导的这些部分将是单模的。然而，在一些实例中，这些尺寸适用于波导的直的或大体上直的部分，而波导的弯曲部分和/或波导的锥体部分具有这些范围之外的尺寸。例如，图1中所图示的公用波导16的锥体部分可以具有>4μm的宽度和/或高度，并且可以在4μm到12μm的范围内。附加地或替代地，波导的弯曲部分可以具有降低的平板厚度，以便降低波导的弯曲部分中的光学损失。例如，波导的弯曲部分可以具有远离厚度大于或等于0.0μm且小于0.5μm的平板区域延伸的脊。虽然上面的尺寸一般将为波导的直的或大体上直的部分提供单模结构，但是它们可以导致多模的（一个或多个）锥体部分和/或（一个或多个）弯曲部分。多模几何结构与单模几何结构之间的耦合可以使用大体上不激发较高阶模的锥体来完成。因此，波导可以被构造为使得波导中传送的信号以单模传送，甚至当在具有多模尺寸的波导部分中传送时。图2的波导结构适用于从由腔波导12、公用波导16、参考波导27、比较波导30、第一检测器波导36、第二检测器波导38、采样波导52、控制波导57和干涉仪波导60组成的组选择的波导的全部或一部分。
与公用波导16对接的光源10可以是增益元件，该增益元件是与芯片分离并且然后附着到芯片的组件。例如，光源10可以是使用倒装芯片布置附着到芯片的增益元件。
当光源10要与由绝缘体上硅晶片构造的芯片上的脊波导对接时，倒装芯片布置的使用是合适的。在2017年7月11日发布的美国专利号9,705,278和1999年11月23日发布的美国专利号5,991,484中可以找到倒装芯片增益元件和由绝缘体上硅晶片构造的芯片上的脊波导之间的合适接口的示例；所述中的每一个以其整体合并在本文中。所述结构适用于用作光源10。当光源10是增益元件时，电子器件62可以通过改变通过增益元件施加的电流水平来改变输出LIDAR信号的频率。
衰减器可以是与芯片分离并且然后附着到芯片的组件。例如，衰减器可以包括在衰减器芯片上，所述衰减器以倒装芯片布置附着到芯片。衰减器芯片的使用适用于从由数据衰减器和控制衰减器组成的组选择的衰减器的全部或一部分。
作为在单独组件上包括衰减器的替代，衰减器的全部或一部分可以与芯片集成。例如，在1999年6月1日发布的美国专利号5,908,305中可以找到与由绝缘体上硅晶片构造的芯片上的脊波导对接的衰减器的示例；所述中的每一个以其整体合并在本文中。与芯片集成的衰减器的使用适用于从由数据衰减器和控制衰减器组成的组选择的光传感器的全部或一部分。
与芯片上的波导对接的光传感器可以是与芯片分离并且然后附着到芯片的组件。例如，光传感器可以是光电二极管或雪崩光电二极管。合适的光传感器组件的示例包括但不限于由位于日本滨松市的滨松（Hamamatsu）制造的InGaAs PIN光电二极管，或者由位于日本滨松市的滨松制造的InGaAs APD（雪崩光电二极管）。这些光传感器可以位于芯片的中心，如图1中所图示的。替代地，终止于光传感器处的波导的全部或一部分可以终止于位于芯片边缘处的小平面18处，并且光传感器可以附着到小平面18上方的芯片的边缘，使得光传感器接收穿过小平面18的光。作为与芯片分离的组件的光传感器的使用适用于从由第一光传感器40、第二光传感器42、采样光传感器54和控制光传感器61组成的组选择的光传感器的全部或一部分。
作为是单独组件的光传感器的替代，光传感器的全部或一部分可以与芯片集成。例如，在《光学快报》（Optics Express）第15卷第21期13965-13971(2007)；2012年1月10日发布的美国专利号8,093,080；2012年8月14日发布的美国专利号8,242,432；以及2000年8月22日发布的美国专利号6,108,8472中可以找到与由绝缘体上硅晶片构造的芯片上的脊波导对接的光传感器的示例，所述中的每一个以其整体合并在本文中。与芯片集成的光传感器的使用适用于从由第一光传感器40、第二光传感器42、采样光传感器54和控制光传感器61组成的组选择的光传感器的全部或一部分。
可构造与各种光学设备平台集成的光栅。例如，通过在脊的顶部和/或脊的后面中形成槽，可以在脊波导中形成布拉格光栅。
在一些实例中，期望扫描LIDAR输出信号。上面的芯片结构适用于与LIDAR应用中使用的各种扫描机构一起使用。例如，输出LIDAR信号可以由一个或多个反射设备和/或一个或多个准直设备接收。一个或多个反射设备可以被配置为重定向和/或操纵LIDAR输出信号，以便提供LIDAR输出信号的扫描。合适的反射设备包括但不限于镜，诸如机械驱动镜和微机电系统（MEMS）镜。一个或多个准直设备提供LIDAR输出信号的准直，并且可以相应地增加在公用波导16中接收的LIDAR输入信号的部分。合适的准直设备包括但不限于单独透镜和复合透镜。
图3图示了与反射设备90和准直设备92一起使用的上面的芯片。例如，透镜用作接收LIDAR输出信号并提供LIDAR输出信号的准直的准直设备。镜用作反射设备90，其接收准直LIDAR输出信号，并且在期望的方向上反射准直LIDAR输出信号。如由标记为A的箭头所图示的，电子器件可以移动镜，以便操纵准直LIDAR输出信号和/或扫描准直LIDAR输出信号。镜的移动可以是在二维或三维上的。合适的镜包括但不限于机械驱动镜和微机电系统（MEMS）镜。
图4图示了与反射设备90和准直设备92一起使用的上面的芯片。例如，镜用作反射设备90，其接收LIDAR输出信号并在期望的方向上反射LIDAR输出信号。如由标记为A的箭头所图示的，电子器件可以移动镜，以便操纵LIDAR输出信号和/或扫描LIDAR输出信号。透镜用作准直设备92，其从镜接收LIDAR输出信号，并且提供LIDAR输出信号的准直。透镜可以被配置为随着镜的移动而移动，使得透镜在镜的不同位置处继续接收LIDAR输出信号。替代地，可以充分限制镜的移动，使得透镜在镜的不同位置处继续接收LIDAR输出信号。镜的移动可以是在二维或三维上的。合适的镜包括但不限于机械驱动镜和微机电系统（MEMS）镜。
可以使用诸如SOI MEMS（绝缘体上硅微机电系统）技术之类的技术将诸如MEMS镜之类的反射设备合并到芯片中。例如，图5是通过公用波导16的纵轴截取的芯片的一部分的截面。所图示的芯片构造在绝缘体上硅波导上。镜凹槽通过光传输介质延伸到基底。镜定位在镜凹槽中，使得镜接收来自公用波导的LIDAR输出信号。透镜用作准直设备92，其从镜接收LIDAR输出信号，并且提供LIDAR输出信号的准直。透镜可以被配置为随着镜的移动而移动，使得透镜在镜的不同位置处继续接收LIDAR输出信号。替代地，可以充分限制镜的移动，使得透镜在镜的不同位置处继续接收LIDAR输出信号。电子器件可以控制镜在二维或三维上的移动。
适合的电子器件可以包括但不限于控制器，该控制器包括模拟电路、数字电路、处理器、微处理器、数字信号处理器（DSP）、计算机、微计算机或适用于施行上面所描述的操作、监视和控制功能的组合，或者由所述组成。在一些实例中，控制器能够访问存储器，该存储器包括要由控制器在施行操作、控制和监视功能期间执行的指令。尽管电子器件被图示为单个位置中的单个组件，但是电子器件可以包括彼此独立和/或放置在不同位置中的多个不同组件。此外，如上所述，所公开的电子器件的全部或一部分可以包括在芯片上，包括与芯片集成的电子器件。
尽管激光腔示出为定位在芯片上，但是激光腔的全部或一部分可以位于芯片外。例如，公用波导16可以终止于第二小平面处，输出LIDAR信号可以通过该第二小平面从位于芯片外的激光腔进入公用波导16。
芯片可以包括除了所图示的组件之外的组件。作为一个示例，光学衰减器（未图示）可以沿着第一检测器波导36和第二检测器波导38定位。电子器件可以操作这些衰减器，使得到达第一光传感器40的复合样本信号的第一部分的功率与到达第二光传感器42的复合样本信号的第二部分的功率相同或大约相同。电子器件可以响应于来自指示复合样本信号的第一部分的功率水平的第一光传感器40和指示复合样本信号的第二部分的功率水平的第二光传感器42的输出来操作衰减器。
鉴于这些教导，本领域普通技术人员将容易想到本发明的其它实施例、组合和修改。因此，本发明仅要受以下权利要求的限制，当结合上面的说明书和附图来查看时，以下权利要求包括所有这样的实施例和修改。

Claims (20)

1.一种LIDAR芯片，包括：
一个或多个脊波导，其具有远离光传输介质的平板区域延伸的光传输介质的脊，
所述脊具有大于1μm且小于4μm的宽度，
所述脊具有大于1μm且小于4μm的高度，并且
所述平板区域具有大于0.0μm且小于3μm的厚度。
2.根据权利要求1所述的芯片，其中所述芯片是绝缘体上硅芯片。
3.根据权利要求1所述的芯片，其中所述一个或多个脊波导是单模波导。
4.根据权利要求1所述的芯片，其中所述一个或多个脊波导中的至少一个包括具有多模尺寸的一个或多个部分。
5.根据权利要求1所述的芯片，其中所述一个或多个脊波导中的至少一个包括锥体部分。
6.根据权利要求1所述的芯片，其中所述一个或多个脊波导中的至少一个包括弯曲部分，其中所述脊远离具有大于0.5μm的厚度的一个或多个平板区域延伸。
7.一种LIDAR芯片，包括：
公用波导，其将输出LIDAR信号传送到小平面，输出LIDAR信号通过所述小平面从芯片射出；
控制分支，其分接来自公用波导的输出LIDAR信号的一部分，
所述控制分支包括接收光信号的控制光传感器，所述光信号包括来自输出LIDAR信号的分接部分的光；
数据分支，其分接来自公用波导的输出LIDAR信号的第二部分，
所述数据分支包括光组合组件，所述光组合组件将包括来自输出LIDAR信号的第二分接部分的光的参考光信号与包括从位于芯片外的物体反射回来的光的比较光信号进行组合。
8.根据权利要求7所述的芯片，其中所述公用波导是脊波导，其具有宽度大于1μm且小于4μm的光传输介质的脊，
所述脊具有大于1μm且小于4μm的高度，并且
所述脊远离光传输介质的平板区域延伸，所述平板区域具有大于0.0μm且小于3μm的厚度。
9.根据权利要求7所述的芯片，所述芯片包括在系统中，所述系统包括：
电子器件，其被配置为响应于来自控制光传感器的输出而调谐输出LIDAR信号的频率。
10.根据权利要求7所述的芯片，其中所述数据分支包括采样光传感器，所述采样光传感器接收包括来自比较光信号的光的光信号。
11.根据权利要求10所述的芯片，所述芯片包括在系统中，所述系统包括：
电子器件，其响应于采样光传感器的输出而衰减比较光信号的强度。
12.根据权利要求10所述的芯片，所述芯片包括在系统中，所述系统包括：
电子器件，其响应于采样光传感器的输出而衰减输出LIDAR信号的强度。
13.根据权利要求7所述的芯片，其中所述比较光信号不包括来自参考光信号的光。
14.一种LIDAR芯片，包括：
公用波导，其终止于小平面处，输出LIDAR信号通过所述小平面从芯片射出，
公用波导还被配置为通过小平面接收LIDAR输入光信号，所述LIDAR输入光信号包括来自输出LIDAR信号的光；以及
包括光传感器的数据分支，所述光传感器接收包括来自LIDAR输入光信号的光的光信号。
15.根据权利要求14所述的芯片，其中所述公用波导是脊波导，其具有宽度大于1μm且小于4μm的光传输介质的脊，
所述脊具有大于1μm且小于4μm的高度，并且
所述脊远离光传输介质的平板区域延伸，所述平板区域具有大于0.5μm且小于3μm的厚度。
16.根据权利要求14所述的芯片，所述芯片包括在系统中，所述系统包括：
电子器件，其响应于光传感器的输出而衰减包括来自LIDAR输入光信号的光的光信号的强度。
17.一种LIDAR芯片，包括：
公用波导，其终止于小平面处，输出LIDAR信号通过所述小平面从LIDAR芯片射出；
光学衰减器，其被配置为衰减公用波导上的输出LIDAR信号的强度。
18.根据权利要求17所述的芯片，所述芯片包括在系统中，其中
采样光传感器，其接收包括来自输出LIDAR信号的光的光信号，并且所述系统包括：
电子器件，其响应于采样光传感器的输出而操作衰减器。
19.根据权利要求17所述的芯片，还包括：
波导，其接收包括来自LIDAR输入光信号的光的比较光信号，所述LIDAR输入光信号包括由位于芯片外的物体反射的光，
光学衰减器，其被配置为衰减波导上的比较光信号的强度。
20.根据权利要求19所述的芯片，所述芯片包括在系统中，其中
采样光传感器，其接收包括来自比较光信号的光的光信号，并且所述系统包括：
电子器件，其响应于采样光传感器的输出而操作衰减器。
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