CN113196088A - 具有差拍分量的光谱分析系统 - Google Patents

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Abstract

一种光测距和检测系统通过使用架构来有效地组合不同的波长、时间和频率编码以及空间选择性而实现可再配置的非常宽的视野、每秒对空间点的高采样和高光学功率处理。传输器能够生成多个窄波束，将不同的波束编码并且在不同的空间方向上进行传输。接收器可区分并提取所反射的波束的距离和反射率信息。通过扫描所述传输器的视野来实现对环境的三维成像。在芯片中制造的控制和信号处理电子电路与包含测距系统的光子部件的芯片封装在一起。所述光测距和检测系统除了光学波束之外还生成太赫兹波束，并且所组合的两个波束允许可再配置的光谱分析。

Description

具有差拍分量的光谱分析系统
技术领域
本公开涉及LiDAR(光检测和测距)或三维成像和光谱分析系统。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图说明本公开的一个或多个实施方案，并且连同对示例性实施方案的描述一起用以解释本公开的原理和实现方式。
图1绘示了根据本公开的示例性传输器。
图2绘示了示例性编码方案。
图3绘示了示例性2D扫描仪。
图4绘示了用以增加LiDAR系统的功率处理的一些技术。
图5绘示了扫描仪的示例性集群架构。
图6绘示了发射器的示例性光栅几何形状。
图7绘示了示例性发射器的俯视图。
图8绘示了示例性光栅波束发射器。
图9绘示了用以增加LiDAR系统的视野的2D扫描仪的示例性布局。
图10绘示了不同发射器的示例性布局。
图11至图12绘示了示例性接收器架构。
图13绘示了示例性接收器信令流程图。
图14绘示了从传输器生成多个波束以用于多接收器架构的示例性方法。
图15绘示了LiDAR系统的示例性封装。
图16绘示了LiDAR配置的其他实施方案。
图17绘示了多接收器架构。
图18绘示了示例性阵列波导光栅。
图19绘示了用于相干检测的时变的频率调制信号。
图20绘示了示例性光电子-太赫兹光谱分析系统，其中传输器发射使用非线性材料生成为两个足够近的波长的拍音的光学辐射以及太赫兹辐射两者。
图21绘示了在多个波长处工作的示例性光谱分析系统，每个波长被单独地锁定和编码。
发明内容
在本公开的第一方面，描述了一种装置，所述装置包括成像和光谱分析系统。
在本公开的第二方面，描述了一种方法，所述方法包括在光学辐射体制和太赫兹辐射体制中操作的可再配置的光谱分析系统。
在本公开的第三方面，描述了一种系统，所述系统包括本公开的第一方面的装置和本公开的第二方面的方法。
具体实施方式
本公开描述了一种光学太赫兹光谱分析系统。具体地，本文公开的系统可有利地通过以下方式跨样品的表面来扫描所述样品：在样品的特定点或区域处跨多个波长发射电磁辐射波束；以及在样品的不同点或区域处扫描所述波束。在一些实施方案中，跨整个波长范围来扫描样品的每个区域。换句话说，在一些实施方案中，所述波束在改变波长的同时保持瞄准样品的同一区域；随后，使所述波束移动到不同位置并且再次改变波长。在一些实施方案中，针对扫描的每个点或区域所扫描的面积相当于波束的横向大小。在一些实施方案中，波束的电磁辐射处于光学波长范围、太赫兹波长范围或以上两者中。太赫兹系统可与LiDAR系统组合以执行光学和太赫兹光谱。在下文，首先描述LiDAR系统，紧接着描述太赫兹系统。所述两个系统经过组合以形成本公开的可再配置的光谱分析系统。
本公开描述了包括光学相控阵架构的可缩放LiDAR(光检测和测距)系统。所述系统可包括：一个或多个激光器；开关或多路复用器(MUX)，其用以选择激光器；分路器，其用以将激光器分割为多个波导；一个或多个编码器，其用以编码激光信号；以及一个或多个扫描仪，所述一个或多个扫描仪在不同方向上发射波束并且自适应地将波束塑型；以及相关联的控制电路，其用以操作光子部件。
LiDAR系统可用于多种应用中，诸如民用应用和军事应用中的无人驾驶车辆、辅助驾驶车辆、地图绘制、传感器、摄像机、无人机和飞行器，以及诸如智能电话或平板计算机等消费者装置。可根据特定应用依据分辨率、功率使用要求、空间检测要求和其他参数来修改所述系统。例如，在无人驾驶车辆中，LiDAR系统可提供三维地图并且实时地将车辆周围的环境成像，从而允许驱动系统安全地引导和控制车辆。例如，无人驾驶汽车可检测其他汽车、障碍物、行人和其他交通，从而允许汽车的安全操作。在一些实施方案中，消费者装置可使用LiDAR来提供多达数米距离(例如，小于10米或小于20米)的环境的三维(3D)地图。三维成像装置，诸如智能电话或平板计算机，通常需要比车辆更受限的范围。这些消费者装置与车辆LiDAR相比通常使用更小的功率并且包括更少数目个部件。例如，车辆的成像装置可能消耗数十瓦，而诸如智能电话等消费者电子器件的成像装置可发出毫瓦级的光学功率。消费者电子器件的成像装置可将装置周围的环境绘制地图，并且产生3D图像。这些图像可用于(例如)视频游戏、虚拟现实和面部辨识，例如，以便增强装置的安全性。
本公开的LiDAR系统可包括传输器、接收器或传输器和接收器两者。所述系统可调制若干参数，诸如激光波长、空间坐标(诸如发射或接收角度)，并且在时域中通过激光信号形状和持续时间进行编码。在一些实施方案中，传输器可包括在不同方向上定向的扫描仪的阵列，以便提供对所发射的激光波束的空间选择性；相关联的接收器可以是具有宽视野的宽带以收集所有信号。随后可通过将用于编码信号的不同参数解码来识别所接收的信号。接收器处的解码允许确定测距信息。
在其他实施方案中，传输器可以是具有宽视野的宽带，而接收器包括光学相控阵以允许对测距信息的复杂检测。在其他实施方案中，传输器和接收器两者都可包括对以上列出的若干参数的编码和操纵。如本领域技术人员已知的，相控阵包括若干辐射元件，每个辐射元件以不同的相位和/或振幅进行操作。可由于以下操作而形成波束：改变从每个辐射元件发射的信号的相对相位和/或振幅；和/或通过提供相长干涉或相消干涉而在期望的方向上引导所述波束。另外，独立地改变每个发射器的振幅可改变远场中的波束形状，例如增加波束的方向性或在不同方向上生成多个波束。例如，波束可包括主瓣和处于较低强度的若干旁瓣。在一些实施方案中，可将波束塑型以便具有类似强度的两个或更多个主瓣。在此情况下，主瓣将具有相同的波长，并且在接收器例如通过包括至少两个接收器而具有空间选择性的情况下可在接收器处区分所述主瓣，所述至少两个接收器将接收来自两个主瓣的环境反射的不同的信号。可替代地，在其他实施方案中，可同时将两个波束塑型，每个波束处于不同的波长。在此情况下，例如，接收器可由于来自每个波束的反射的不同的波长而区分所述反射。如果对于特定申请有利，还可在更复杂的配置中组合此类方法。
在一些实施方案中，光学相控阵在1500nm与1600nm之间的波长处进行操作，但可使用任何波长。例如，1550nm的波长是有利的，因为这对于人眼是安全的。由于用于无人驾驶车辆的LiDAR系统可与人类交通一起操作，所以让LiDAR系统在对于人类是安全的波长处有效地操作可比较重要。例如，一些现有的系统在904nm的波长处操作。与904nm相比，1550nm的波长允许功率方面的约40×增加，同时保持眼睛安全，以及在相同量的容许的眼睛安全功率下在测距距离方面的约2×增加。另外，使用1550nm的波长允许利用在光纤通信领域中开发出的大量技术研究和专业知识。在一些实施方案中，在本公开中公开的LiDAR系统在以下意义上是波长不可知的：它们在特定波长处不需要操作但可在多个波长处工作，这取决于为制造选择的材料。换句话说，本文描述的系统可受限于用于制造相关芯片的材料(诸如Si或SiN)的所支持的波长范围。如本领域技术人员已知的，例如，绝缘体上Si(SOI)支持特定波长范围(从～1200nm到3000nm以上)。因此，如果在SOI中制造LiDAR系统，则其可支持在那个材料的波长范围中工作。然而，本文描述的LiDAR系统和方法不依赖于特定波长而起作用。而是，根据用于制造的材料来选择操作波长。较小的波长需要制造过程的更严格的规范，因为当发射器的间距是操作波长的约一半时，光学相控阵的操作是最佳的。
一般来讲，现有的LiDAR系统包括两种不同的操作方式。在一些系统中，使用闪光LiDAR方法，其中传输器填满环境并且接收器具有空间选择性。这些系统可由于多次反射、反射之间的可能的干扰以及由于接收器的物理大小所引起的分辨率限制而可引发分辨率损失。在其他系统中，传输器具有空间选择性，并且接收器是具有宽视野的宽带以最大化所接收的信号。常规上，已经使用旋转反射镜或液晶来引导波束并且产生空间选择性。
在本公开中，使用相控阵系统在非常宽的可缩放视野内提供空间选择性，并且最大化成像系统每秒可测量的点的数目的吞吐量。使用波长调谐在一个方向上引导波束。在当前激光技术下，在单个激光中可难以具有宽可调谐性，因此可使用多个激光器来允许使用不同的波长。因此可与其他参数一起控制波长参数。可使用开关在具有不同波长的激光器之间进行切换，以便选择在任何一次传输的一个或多个波长。例如，所述系统可接通一个激光器并且关断剩余的激光器，从而允许来自那个激光器的波束朝向相控阵扫描仪进入波导。在指定时间量之后，开关可切断波束并且启动另一波束。在一些实施方案中，一个以上激光器可开启，波束同时指向不同方向，因此允许同时发射不同的波长或波长带。可使用分路器来将开启的激光波束分割到若干编码器，从而允许使用子频带进行调谐。例如，所使用的波长可变化50nm至100nm。
在一些实施方案中，将不同的波长用于在不同的空间方向上发射的不同的波束。在这些实施方案中，可通过波长来调谐发射器的辐射方向；可将此能力设计到所述系统中。例如，空间方向上的20°的变化可对应于100nm波长的变化。在一些实施方案中，可将“扫描仪”或“光学扫描仪”限定为生成一个或多个光学波束并且能够自适应地扫描和/或波束成形的装置。
在一些实施方案中，每个编码器连接到扫描仪，诸如2D扫描仪，所述扫描仪可将波束定向成不同的方向。在一些实施方案中，在单块芯片上制造2D扫描仪。对于给定的设置和/或波长，每个2D扫描仪可使波束在空间中的特定方向上定向，并且通过改变其设置和/或波长而将波束引导特定量。因此，每个扫描仪可使波束以特定θ和
Figure BDA0003033683350000061
定向。如本领域技术人员所理解，θ和
Figure BDA0003033683350000062
是球面坐标角度。例如，可将θ限定为在所发射的波束与垂直于在其上制造扫描仪的光子芯片的平面的轴线之间的角度，而可将
Figure BDA0003033683350000063
限定为在所发射的波束与和垂直于光子芯片的所述平面的轴线(例如，芯片的纵轴线)垂直的轴线之间的角度。可通过简单的坐标变换而使用不同的参照系。不同的LiDAR系统可覆盖空间中的不同的角度。可一起使用多个系统以覆盖更大的一组角度。例如，如果系统可水平地覆盖120°，则三个此类系统可覆盖360°。可使用两个发射角θ和
Figure BDA0003033683350000071
来用参数表示发射空间。在一些实施方案中，可使用1D扫描仪来代替2D扫描仪以在一个方向上引导波束(例如，
Figure BDA0003033683350000072
))，并且可使用多个1D扫描仪使波束在另一方向(例如，θ)，)上定向以覆盖特定角度范围。可在1D扫描仪中使用的发射器的示例是蚀刻端面Si波导、光栅耦合器或等离子辐射器。
在一些实施方案中，可通过对相控阵中的发射器(例如，光栅)进行工程设计来控制发射波束所处的θ角度，并且可通过改变输入到相控阵的波长来扫掠所述角度。可通过相控阵的定向来控制发射波束所处的
Figure BDA0003033683350000073
角度，并且可通过(例如，由CMOS电子电路)控制发射器的相位或振幅来扫掠所述角度。不同的相控阵还可以彼此不同的定向来布置。通过工程设计和电子控制，LiDAR的扫描弧因此在设计方面是可配置的，并且在使用中是可定制的。
编码有利地增加LiDAR系统的容量(每秒在空间中的处理的点的数目)，因为不是发送单个激光脉冲，可在短时段内发射多个脉冲，每个脉冲具有不同的代码。所述代码可被设计成使得接收器能够重建并解码所接收的激光脉冲。
LiDAR系统的不同的应用可在覆盖角度内具有不同的要求。可通过不同的方式满足此类要求。在一些实施方案中，可使用1D扫描仪在水平面中产生多个波束。在其他实施方案中，2D扫描仪可通过改变θ和
Figure BDA0003033683350000074
而使用多个波束，因此允许在水平方向和垂直方向上的覆盖。在一些实施方案中，接收器可使用多个正交接收器来检测由多个扫描仪发射的多个波束。因此，在一些实施方案中，可仅在传输器处实施相控阵，仅在接收器处实施相控阵或在传输器和接收器两者处实施相控阵。
在光学相控阵中，多个发射器通常以均匀或非均匀的间隔紧密地放置在一起。通过独立地改变每个发射器的相位和振幅，可引导所生成的远场波束，并且可在不物理地移动任何部分的情况下任意地以电子方式形成所生成的远场波束的形状。可例如通过使用光电效应(诸如Si PIN二极管内的载流子注入/耗尽)、热光效应和诸如SiGe或Ge等材料内的电吸收效应(例如，Franz-Keldysh效应)来执行光学相位或振幅的调谐机制。可例如通过互补金属氧化物半导体(CMOS)电路来提供调谐的电信号。本公开中的光学相控阵因此可通过电子控制而不是机械地移动发射器来实现波束引导、波束成形和空间选择性。在相控阵中，预期天线间距是子波长以允许宽引导范围，否则在远场中产生相同的图像(光栅瓣)，从而在限制可引导的波束的范围的同时导致功率效率降低。可在制造期间控制发射器之间的距离。减小发射器之间的间隔可能会降低阵列的辐射效率，或导致从一个发射器到相邻发射器的功率泄漏。例如，在同一基板上的以小于1.5μm至2μm的中心至中心的间隔放置的具有亚微米厚度的Si波导可导致相邻发射器之间的功率泄漏。由于这些当前技术约束条件，引导范围可受限于50°左右。在本公开中，引导范围可高于50°，因为可使用较厚的Si制造发射器，并且波导内的高度限定的光学模式允许在不导致至相邻发射器的功率泄漏的情况下缩小发射器间距。
在一些实施方案中，光子部件全部整体制造在单个芯片中，而控制电路(例如，CMOS电路)制造在单独的芯片中。芯片之间的间隔允许优化定制硅光子过程(例如，Si)上的光子学以及对CMOS芯片中的电子电路的单独的独立的优化。将两个部分整体制造在单个芯片中是可能的，但可能会导致对性能的损害，这可限制LiDAR系统的整体性能。例如，整体过程不支持厚(微米级)Si波导，而微米大小的波导可导引和辐射高光学功率(例如，在无人驾驶汽车应用中约200米的测距所需的瓦特水平)。在未来，随着CMOS和光子制造技术变得更先进，可整体制造整个系统。
在一些实施方案中，不同的部件制造在具有不同厚度的Si芯片上。例如，在激光器输入端和开关侧处厚度可较大，并且朝向分路器、编码器和扫描仪逐渐或突然减小。例如，3微米或更大的厚度可用于垂直地限制系统的早期级中(例如，在激光器输入侧上)的波导中的光学模式，从而增加系统的光学功率处理。在一些实施方案中，扫描仪内的发射器的数目可以是数百或数千。因此，输入的光学功率比每个发射器的功率高一个或数个数量级。扫描仪侧上的Si的厚度通常是数微米。微米级厚度允许较强的垂直约束。换句话说，大多数光学功率被限定在波导中间，并且泄漏到包层(通常是SiO2)中的功率的量比Si波导厚度是亚微米的情况要小得多。厚度梯度有助于在不导致性能降低的情况下减小发射器间距，同时允许引导范围的增加。使用微米级波导的另一优势是所发射的波束的光学相位对以下各项的低灵敏度：制造过程公差、波导侧壁粗糙度、宽度公差和从波导光学电路的一个点至另一点的厚度变化。光子电路的大小通常是毫米数量级，因此保持不想要的光学相位变化尽可能低是有利的。Si的折射率由于亚微米硅光子过程中的制造过程的变化而引起的变化的数量级是10-4，而在微米级制造过程中，其可低两个数量级(例如，10-6)。对于等于1.55μm的波长，发射器之间的子波长水平间距(例如，低于1微米(例如，0.7微米至0.8微米))允许宽引导范围(例如，超过140°)，其显著大于现有技术值50°。
如本文描述的不同的LiDAR系统可具有不同数目的扫描仪或天线，这取决于应用。还可实施不同的扫描速度。示例性扫描速度可以是每秒106点。例如，无人驾驶车辆可需要高扫描速度，而其他应用可需要高分辨率，但能够容忍较低的扫描速度。LiDAR系统还可被配置为自动或手动地切换至低功率操作状态，其中一些扫描仪被关闭或激光功率受到控制。例如，系统可正常操作多(M)个扫描仪，但在特定情形中，可将扫描仪的部分关闭或甚至简单地仅使用一个扫描仪操作。系统随后可在需要时开启附加的扫描仪。
不同的应用可具有对相控阵的不同的要求。由相控阵生成的波束常常包括旁瓣和主瓣。对于一些应用，诸如无人驾驶汽车，可需要主瓣与旁瓣的峰至峰比率是40dB至50dB。此要求可起因于来自亮表面(诸如交通标志)的反射。在这些情况下，与旁瓣峰值功率相比，反射可导致主瓣信号的饱和。另一方面，与亮物体相比，暗物体具有低得多的反射率。通常在驾驶环境中出现的物体的反射率的变化可要求接收器能够处置在100dB左右的动态范围。可通过接收器处的有效波束成形与高动态范围的组合来满足此要求。
本公开的光学相控阵允许独立地控制每个扫描仪内部的每个发射器的相位和振幅，因此允许波束成形。独立地控制每个元件处的光学场的相移和振幅使得能够产生任意的辐射方向图。所使用的电磁波的波长带(例如，1500nm至1600nm)允许实施每个单元元件的小的大小并且减小远场辐射方向图中的不想要的光栅瓣。如本领域技术人员已知的，可使用包括光栅耦合器、蚀刻端面波导或有反射镜的端面波导的辐射元件来实施在本公开中描述的相控阵。光学相控阵在实施于传输器系统中时可辐射具有期望图案的光。光学相控阵还可在实施为接收器系统时接收以期望的方向入射至阵列的光。
本公开的3D成像系统可根据它们的应用在它们的规格方面有所不同。例如，对于自主车辆，成像系统可具有数百米的范围、数十瓦的功耗，辐射的峰值功率可以是数十瓦，系统的大小可以是约10x10cm2，角分辨率可以小于0.1°，水平或竖直视野(FOV)可以是100°x20°。例如，对于消费者电子器件，所述范围可受限于不到5米，功耗可小于2W，辐射的峰值功率可小于10mW，系统的大小可具有高约束条件，例如小于1cm2(例如，单级激光器可以是足够的)，角分辨率可小于0.2°，水平或竖直视野可以是80°x80°或更大，例如100°x100°。在一些实施方案中，消费者装置的FOV是正方形的。
图1绘示了根据本公开的实施方案的示例性传输器。通过电子电路(例如，CMOS芯片(105))驱动具有可调谐波长的从1编号至K的一定数目个激光器(110)。每个激光器的波长范围被指示为λ1-λ2直到λm-λn。激光器后面紧跟着K×1光学开关，所述光学开关可基于(例如)也由电子电路(例如，CMOS芯片)(125)控制的具有有效相位调谐器的级联的MZI干涉仪(115)。激光波束随后进入1×m分路器(120)，其中m是扫描仪的数目。每个扫描仪(150)包括相控阵架构。所有光学部件(例如，不包括所述电子电路)可制造在具有或不具有激光器的单个管芯上，而电路的其余部分可单独地制造并且随后结合或附接到光学部件管芯。可使用例如由Si制成的波导来导引光。在一些实施方案中，Si波导具有朝向输出方向(即，扫描仪的方向)减小的厚度梯度。从制造出发点来看，厚度梯度是可能的并且是重要的，因为系统的早先级(即，在分路器之前)可需要高光学功率，而每个扫描仪内的每个发射器辐射总输入功率的分数，并且因此不需要高光学功率处理。另一方面，在系统的扫描仪侧上使用较小的波导减小了调谐每个扫描仪所需的有效功耗，并且还使得能够设计具有较高的辐射效率的发射器。因此，在一些实施方案中，波导具有厚度梯度，在分路器之前具有较厚厚度，并且在分路器之后具有较低厚度。在其他实施方案中，替代地，如果特定应用需要，则可增加Si的厚度。在一些实施方案中，厚度减小可用于在高功率元件与低功率元件之间转变，因为具有减小的厚度的波导可传输较低的功率。在一些实施方案中，Si厚度虽然不同但维持在1微米或更高处。例如，至少3微米厚的波导的相位误差比具有亚微米厚度的波导的相位误差低2个数量级。特定应用可受益于亚微米或高于微米的厚度。在一些实施方案中，通过使厚度保持在一微米或更高，可有利地简化在单个芯片中制造和集成大量部件，并且导致高产率和更好的性能。
随后，m个编码器(135、140)可编码激光信号以实现空间选择性。例如，可在时域或频域中编码信号以支持飞行时间或频率调制的连续波成像架构。激光光学路径随后继续经过编码器进入扫描仪中。在图1的示例中，扫描仪是2D扫描仪(150、155)，其可各自在由两个参数确定的不同的空间方向上编码。对于给定波长和扫描仪内的有效部件的振幅和/或相位的设置，每个2D扫描仪制造在同一芯片上以在固定方向上发射。可通过调谐每个扫描仪内的发射器的相位和/或振幅以及波长而在不同方向上引导由每个扫描仪生成的输出波束。在图1的示例中，由2D扫描仪控制的两个参数是角度θ和
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(145)。图1的系统还可改变如上文所论述的其他参数，诸如波长、每个激光器的波长带、在任何给定时间接通或关断什么激光器以及针对每个2D扫描仪编码不同的信号图案。通过控制不同的参数，LiDAR系统的操作能力得到极大提高。在图1中，绘示了三个示例性扫描仪的调制波束(160)，但任何数目个扫描仪可并入阵列中。在一些实施方案中，开关、分路器、编码器和2D扫描仪全部整体制造在一个Si芯片中，而CMOS电路(125)制造在不同的芯片上，并且所述两个芯片被封装在一起。CMOS电路(125)还控制编码器(135、140)、开关(115)并且还可控制2D扫描仪(155)。CMOS电路还可使用电子控制信号与接收器(130)同步以增强信号收集。
激光器(110)可包括多个可调谐激光器。LiDAR系统的一些参数包括波束的波长、时域、编码和空间定向。控制不同的参数允许LiDAR系统最小化来自其他LiDAR系统的干扰(不想要的干扰)。例如，如在诸如无人驾驶汽车等特定应用中所预期的，在其他LiDAR系统在相同的环境中同时操作的情况下，编码可减少操作期间的干扰。
在一些实施方案中，可使用固定波长和一个扫描仪通过控制
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在一个方向上引导波束。在这些实施方案中，可使用制造在不同的芯片中的多个1D扫描仪通过控制θ来引导波束；这些1D扫描仪被设计成在同一封装内以不同的θ定向。
在一些实施方案中，可使用光学多路复用器(MUX)替代K×1光学开关(115)。如本领域技术人员所理解的，光学开关作为有源部件消耗电力进行操作，而光学多路复用器作为无源部件不消耗电力。另一方面，使用有源开关给予在需要时选择不同的波长的灵活性，以自适应地控制每秒采样的数目。例如，有源开关可在处于不同的波长下的不同的激光器的波束之间快速地切换，因此使用多个波长照射同一点。
图2绘示了图1的一些编码器的示例性编码方案。例如，绘示了三个不同的扫描仪的三种不同的编码方案(205、210、215)。在y轴上相对于x轴上的时间绘制光强度。在一些实施方案中，可使用具有高状态和低状态的数字代码。所述代码可以是伪随机的，以产生代码之间的正交性，并且最小化接收器处的干扰。每个扫描仪可使用具有不同的脉冲方案的代码进行操作。例如，可调制脉冲的数目、序列和持续时间。在图2的示例中，每个脉冲具有小的上下坡，其形状类似于方波。在一些实施方案中，所使用的代码是数字的，其中每个二进制数字是相等持续时间的方波脉冲，例如每个1是相等持续时间和振幅的正方形脉冲。在示例(205)中，4位码字[1 0 0 1]是由时域波形实施并且包括具有高值、低值、低值和高值的四个脉冲，每个脉冲具有持续时间Tb。在示例(210)中，4位码字是[1 1 0 1]，并且在示例(215)中，其为[0 1 0 0]。码字可以T为周期重复。本领域技术人员将理解，可应用不同的数字编码方案。一旦传输了被编码的信号，便可通过测量在接收器处检测到脉冲所要花费的时间(在传输器处的传输与在从环境反射之后在接收器处的接收之间的时间)来确定至物体的距离。
图3绘示了示例性2D扫描仪。在一些实施方案中，图1的系统可包括多个扫描仪(150)。在一些实施方案中，每个扫描仪(150)可包括图3的部件。在一些实施方案中，发射器之间的间隔是均匀的，然而，在其他实施方案中，非均匀的间隔可使远场波束显得更聚焦。在这些实施方案中，发射器之间的非均匀的间隔缩窄了波束宽度并且增加了波束方向性。
在本公开架构中覆盖的角范围是可再配置的，并且按照设计可通常覆盖水平120°以上以及竖直80°以上。对于需要非常宽的角度范围的应用，诸如无人驾驶汽车中的360°水平范围，可使用多个LiDAR系统。
图3绘示了示例性扫描仪。可在单个系统中使用多个扫描仪。因此，每个扫描仪可包括功率分配器以跨多个发射器分割光学模式。功率分配器处的分流比可以是非均匀的，以节省功耗并且执行被动波束成形。在图3中，波导(305)具有允许高光学功率处理的厚度。例如，横截面的大小可以被相应地设计和/或PIN结可用于横扫由于高光学功率而释放的自由载流子，以将传播损耗保持尽可能低，因此增加光学功率处理。如本领域技术人员已知的，PIN结包括夹在p掺杂区域与n掺杂区域之间的本征层或未掺杂层。在一些实施方案中，数十W可通过波导。例如，在大于200m的距离下的测距可需要60W至80W，这对于汽车来说可以是可接受的，并且诸如直升机或无人机等其他交通工具可需要更长的范围。在一些实施方案中，可使用3微米或更高的厚度，诸如10微米至20微米。例如，波导的3微米的Si厚度对于30W至50W的辐射峰值功率来说可为足够的，而km测距可需要更高的厚度。
分路器(310)将激光器光学功率分发至不同的通道，连续地通过振幅调制器(315)、相位调制器(320)并且分发至发射器(325)。振幅调制器和相位调制器可包括PIN结、环谐振器、热光装置、基于Franz-Keldysh的电吸收调制器或量子限制Stark效应(QCSE)等。发射器制造参数可包括单独的长度Le、宽度We和发射器之间的间隔d。所述间隔可以是均匀的或在发射器之间变化。在一些实施方案中，出于校准目的，可经过每个发射器连接校准光电二极管。在一些实施方案中，每个发射器按照设计在其端部处具有剩余功率，可将所述剩余功率馈送至芯片上或芯片外的光电检测器。光电检测器可由(例如)Ge制成并且在相同的制造过程中集成，或者是异质集成的III-V半导体。在一些实施方案中，至发射器的输入功率的1％至5％留在发射器的端部处以由光电二极管检测，以校准每个发射器的振幅响应以及从激光器至每个发射器的传输中的损耗。因此，在一些实施方案中，所述系统可连续地监测和校准每个发射器的振幅响应。
在一些实施方案中，由LiDAR系统输出的信号可具有旁瓣，在系统环境中的物体中的一者具有振幅在所述旁瓣中的一者的相同范围内下降的被反射的信号的情况下，所述旁瓣可在3D成像中产生模糊。解决此问题的一种方式是通过进行波束成形来增加主瓣峰和旁瓣峰的峰值-峰值比率。可使用相控阵的振幅控制器(诸如图5中的AM模块(520))来执行波束成形。例如，通过实施高斯振幅分布，与均匀振幅分布相比，有可能实现主瓣峰与旁瓣峰的峰值至峰值比率的20dB-25dB的提高。在高斯分布下，一些发射器将接收比其他发射器更低的振幅，其中振幅变化由Gauss函数确定。例如，中央发射器将接收比非中央发射器更高的振幅。通过控制通过每个发射器传输的光的振幅分布(例如，均匀、高斯等)，有可能控制由LiDAR系统发射的光点大小。
振幅调制器和相位调制器以及发射器可统称为相控阵。Si厚度可按照竖直锥形从分路器至发射器逐渐减小。例如，如果Si厚度在分路器侧处是3微米，则发射器可具有约1微米的Si厚度，其中间隔d也是约亚1微米。由于激光器功率在发射器之间分割，所以经过发射器的波导可具有减小的厚度，因为在终端元件中不需要高功率处理。在一些实施方案中，将发射器之间的间隔和/或每个发射器的宽度选择为具有子波长值。由于多个波束可能会使接收器处的接收混乱，所以相控阵可应用波束成形，如本领域技术人员已知的。在一些实施方案中，可针对每个相控阵制造100个发射器或更多以产生达到0.1°级别的精细的角分辨率。
在一些应用中，来自200m距离处的环境中的物体的10％的反射率被视为可接受，并且LiDAR系统可被配置为允许检测在200m处具有10％的反射率的被反射的信号。
图4绘示了用以增加LiDAR系统的功率处理的一些技术。示出了yz平面(405)中的横截面和yx平面(410)中的横截面。还绘示了PIN二极管(410)中的光学模式(415)。可通过增加硅波导厚度和/或跨波导使用PIN二极管来扫掠自由载流子而增加功率处理。在一些实施方案中，图4中的ha(430)尺寸在2μm至10μm的范围内，而hb(435)的范围可以是0.5μm至2μm。在图4中，区段(420)表示在分路器之后的输入波导，其中功率水平比输入功率小至少一个数量级，而区段(425)表示更低功率的光子电路，诸如发射器和相关联的振幅和相位控制器。在一些实施方案中，二极管可包括n++区域(440)和p++区域(445)，其中对波导(450)的中央区域或侧壁没有掺杂要求，这些可保留为本征的。此实施方案可具有更好的功率效率，因为n区域和p区域不需要延伸到中央区域(450)上。图3的调制器(320)使波束指向期望的方向。在一些实施方案中，图1使用调制器来替代图1的编码器，从而将操作改变为连续波模式而不是脉冲模式。在一些实施方案中，振幅可保持恒定，并且仅随时间调制频率。例如，可执行线性调频，并且一次一个地开启激光器。在一些实施方案中，可使用单个调制器，并且所述单个调制器由所有激光器共享。在其他实施方案中，用来代替编码器的调制器的数目可等于扫描仪或光学相控阵的数目。如果使用多个调制器，则每个调制器可通过不同的方式调制不同的波束，这可为有利的。然而，折衷是需要更高数目个部件，因此增加了功耗。
图5绘示了扫描仪的示例性集群架构。在图5中，每个子阵列(505、510、515)由在(例如)图3中描述的扫描仪组成。振幅(520)和相位(525)调制器可调整和控制子阵列之间的相对失配。不同的间隔d可分离不同的子阵列。发射器的数目和间隔可在子阵列之间不同，以优化远场图案的波束宽度和形状。
上文描述的扫描仪的发射器可通过不同的方式来制造。例如，可使用光栅耦合器。如本领域技术人员已知的，光栅耦合器通常包括位于波导上方或下方的光栅。依据在波导与光栅之间的谐振，可在所述两个结构之间耦合特定光学模式。在其他实施方案中，可使用其他类型的发射器，诸如蚀刻端面Si波导、金属镜等。在一些实施方案中，在本公开中使用的发射器具有波长相依分散，从而导致在一个方向上引导波束，在第一方向上加宽远场波束宽度，并且在垂直于所述第一方向的第二方向上缩窄波束宽度。
图6绘示了发射器的示例性光栅几何形状的侧视图。激光器的光位于图的平面中(从左到右)(625)。可指定若干几何和材料参数，诸如高度h1用于材料厚度(630)，h2用于使光栅(655)波束成形的厚度，以及h3用于发射器(650)的最终端部处的材料厚度。在图6中，结构的不同部分的折射率指示为n1(620)、n2(610)和n3(605)。在一些实施方案中，(610)和(605)是由Si或SiN制成，而包层(620)和腔(615)是由SiO2制成。腔(615)可最小化背反射并且提高向上辐射效率。腔(615)的高度和长度指示为e(635)和(640)。其他几何参数包括齿(构成光栅的波束)之间的间隔、g1(665)、光栅的周期Λ1(660)以及光栅Le1的总长度(645)。
按照设计，可针对每个2D扫描仪调谐光栅几何形状，使得对于给定波长，扫描仪以不同的辐射角度θ进行辐射。可调谐发射器几何形状和设计以优化在不同的θ下的向上辐射效率。在图6中，示出了辐射的光的示例性方向(680)。
图7绘示了发射器的俯视图。例如，图7表示图6的部分的俯视图。激光器的光(705)进入如图6中的结构。在图6中限定参数(715、710、720)。在图7中示出了光栅的宽度We(725)。光栅宽度可被设计成通常是子波长大小，以缩小光学相控阵中的天线间距大小。例如，光栅的宽度可以是亚微米，例如0.5μm宽度将生成约150°的远场波束宽度。在图7中，示例性辐射方向是从图纸向外。
图8绘示了由光栅发射的示例性波束。在图8中，激光器的光在方向(805)上被导引到光栅中。与先前的图中一样，仅示出了光栅(810)的部分，因为光栅可包括比本申请的图中示出的波束显著更大数目个波束，如本领域技术人员所理解。在一些实施方案中，不同的发射器按照设计可具有不同的辐射角度。示出了以角度θ1(825)发射的示例性远场辐射波束(815)。可将波束大小描述为角度α(820)，并且所述波束可被设计成窄的，这取决于特定发射器设计。在一些实施方案中，对于具有数百微米的长度Le1(720)的发射器，α通常小于0.1°，因为这可为诸如无人驾驶汽车等一些应用所需的。此波束大小具有弱波长相依性。例如，针对相对于1500nm至1600nm的100nm波长变化，波束宽度可变化6％左右。如本领域技术人员已知的，沿着发射器阵容在角度方向上的相控阵的远场波束的波束宽度大致与天线的数目成反比。在一些实施方案中，可需要数百根天线以实现0.1°的分辨率，例如可需要至少100根天线。类似于α，对沿着相控阵的波束宽度大小也存在弱波长相依性。针对相对于1500nm至1600nm的100nm的波长变化，波束宽度可变化6％左右。
θ中的绝对波束角度方向的公差随波长中的误差以及发射器制造上的工艺公差而变。对于典型的装置参数，公差是波束大小的约0.1％(因此是可忽略的)。在
Figure BDA0003033683350000181
方向(相控阵)上，其随相位以及振幅设置和工艺公差而变。分析表明其为波束大小的1％左右。可使用相位和振幅设置的查找表来校准此公差。可基于应用通过调整所公开的架构中的参数来校准和设置视野内的不同的点的波束分布的特性由于工艺变化、波长漂移等而引起的不想要的变化以满足LiDAR系统的所需的性能参数，比如角分辨率。换句话说，连续校准允许检测和调整发射中的不想要的变化。
图9绘示了用以增加LiDAR系统的视野的2D扫描仪的示例性布局。在此示例中，四个激光器耦合到四个Si波导(905、910、915、920)中并且在四个不同的波长带处操作。波导将激光器连接至两个2x1开关。每个2x1开关包括2x 2功率分配器(925)，诸如多模式干涉仪，后面紧跟着两个平衡波导，其中的一者或两者具有电光相位调制器，诸如PIN二极管或热光装置，以切换至输出波导的输入中的一者。在一些实施方案中，依据跨每个相位调制器的电压，仅一个输入同时连接到输出。2x1开关因此可包括2x2分路器、相位调制器和2x1分路器。在一些实施方案中，可依据开关的臂之间的相对相位差而使用不同的电压设置将两个输入的一部分传输至输出端。绘示了若干波导(935)，如本领域技术人员所理解。在一些实施方案中，Si的厚度在结构上逐渐缩减，从激光器和开关朝向发射器减小。在一些实施方案中，保持厚度不低于一微米以使波导之间的相位误差处于控制之下并且能够增加小芯片中的部件的数目，从而提高性能参数，诸如LiDAR系统的角分辨率。
在图9中绘示了若干开关和分路器，如本领域技术人员所理解。例如，1x3分路器(940)跨通常一致设计的三个波导分发光学功率，每个波导具有其自身的编码器(945)。编码器和开关连接(950)(例如)到与光子芯片封装在一起的不同芯片上的CMOS控制电路。在一些实施方案中，电光振幅调制器可用作编码器(945)，例如PIN二极管。波导随后将每个编码器连接到其自身的光学相控阵，例如(950)。每个光学相控阵可包括1x N分路器(955)，其中N是(例如)根据期望的波束宽度而确定并且可等于100-200。
在一些实施方案中，对于相控阵中的每个光学路径，仅在区段(960)的下游(向右)执行逐渐变细。换句话说，在一些实施方案中，Si材料的厚度在图9的系统中是相同的，或者所述厚度可从激光器到发射器逐渐缩减，或者所述厚度可在相控阵的终端部分中逐渐缩减，所述终端部分包括区段(960)和在竖直胶带区段(960)的下游的区段。可对发射器(965)进行定制，以在针对相控阵中的每个发射器指定的给定波长和相控阵设置下以特定辐射角度θ和
Figure BDA0003033683350000191
进行发射。例如，相控阵中的每个发射器可以相同的θ进行发射，其中不同的相控阵以不同的θ进行发射，或同一相控阵中的发射器也可以不同的θ进行发射。例如，一个相控阵可在固定波长处以θ1，进行发射，而系统中的另一相控阵可在固定波长处以θ2进行发射，并且第三相控阵可在固定波长处以θ3进行发射。另外，可将每个相控阵以不同的定向放置在芯片布局上，以改变辐射角度
Figure BDA0003033683350000196
例如，图9中的相控阵中的每一者可以不同的
Figure BDA0003033683350000192
角度进行辐射，或一些阵列可以相同的
Figure BDA0003033683350000193
但不同的θ角度进行发射。例如，角度
Figure BDA0003033683350000194
大于零。因此，有可能根据波长来改变每个扫描仪的辐射角度θ和
Figure BDA0003033683350000195
以增加LiDAR系统的角度覆盖范围，即，视野。
在图9的示例中，使用四个激光器和三个光学相控阵。然而，可使用不同数目个激光器或相控阵。可在纳秒级的时间响应下使用编码器，在一些实施方案中是快速振幅调制器。
图10与图9类似地但是从不同的角度绘示了不同发射器类型的示例性布局。在图10中，未示出光子电路的若干元件，但所述元件可存在于(1005)中。绘示了三个示例性波束(1010、1015、1020)。每个波束是从2D扫描仪在如上文参考图9所描述的特定波长处和以θ和
Figure BDA0003033683350000201
进行辐射。
图11绘示了示例性接收器架构。例如，信号处理可包括：数字信号处理单元(1105)，其可与传输器处的电路同步；n位模拟-数字转换器(ADC，1110)；多个解码器(1120)；时钟(1130)；以及模拟接收器(1125)。如(1145)中所绘示，例如由具有宽视野的光学接收器接收在由传输器发射之后从环境反射的光，以最大化所捕获的功率(1140)。接收器可包括具有大光圈的单个光电二极管，诸如雪崩光电二极管(APD)；或检测器阵列，其用以增加所接收的信噪比(SNR)；或相控阵。在一些实施方案中，可使用可调谐滤光器(1135)，以抑制噪声并且增加所接收的SNR。所处理的范围和反射率数据(1115)被发送到处理单元(1105)。
图12绘示了示例性接收器架构，前端具有雪崩光电二极管(APD)阵列以增加增益。在此实施方案中，可通过控制偏置电压来调整每个光电二极管的增益以最大化所接收的SNR。绘示了所接收的光(1220)。接收器包括雪崩光电二极管(1215)的阵列以及模拟接收器(1205)，所述模拟接收器包括(例如)具有可调整增益的跨阻抗放大器(TIA)。跨阻抗放大器是通常与运算放大器一起实施的电流-电压转换器。可使用与图11中说明的块类似的块(1130)来处理所接收的电信号。
图13绘示了示例性接收器信令流程图，其包括多个步骤，例如：按照波长对所接收的光进行过滤以提高SNR(1305)；使用光电检测器转换为电信号(1310)；将信号解码以确定所述信号源自哪个扫描仪(1315)；测量信号的延迟和反射率(1320)；将所测得的数据数字化(1325)；以及处理数字信号(1330)。
图14绘示了一种通过在传输器处生成多个波束并且使用多接收器架构来增加视野的方式。例如，具有与图1的架构类似的架构的相控阵传输器(1405)可在不同方向上同时发射多个波束，例如两个波束(1420)和(1425)。绘示了两个接收器(1410、1415)。多个接收器可彼此相对正交地定位，以产生对接收路径的空间选择性，从而增加有效视野。例如，可如图11至图12中实现所述接收器架构。在一些实施方案中，每个波束(1420、1425)具有不同的波长。如果所使用的波长相同，则可使波束在不同方向上定向。可替代地，还可使用例如具有通带滤波器的单个接收器。在一些实施方案中，来自同一扫描仪的每个波束可具有不同的代码而不是共享相同的代码。在一些实施方案中，接收器可包括与图1中的扫描仪(150、155)类似的一定数目个装置，以从环境接收光。在这些实施方案中，所述扫描仪还可由于相互性而接收功率。通过使用多个波束和多个接收器，可增加LiDAR系统的视野，因此还增加每秒的扫描点的数目。例如，由于使用了两个同时的波束，所以每秒的扫描点的数目在图14的示例中加倍。
在一些实施方案中，本文描述的LiDAR扫描仪的操作波长在1微米与10微米之间。本文公开的光学三维成像系统可通过混合波长、时间和频率编码以及空间选择性而提供非常快速的扫描(每秒的采样点的数目)，例如每秒多106点。使用CMOS兼容的硅处理与现有的系统相比可提供便宜得多的制造。目前公开的LiDAR系统可处置大光学功率，从而实现远距离(数百米或一公里)的测距。本文描述的LiDAR系统的其他优势是：使用载流子注入调制器对光学波束扫描仪的快速调谐；使用光检测器对波束扫描仪的芯片上校准方案；用于成像的高采样速率；波长、时间与频率编码的组合以增加吞吐量；全部基于半导体的光学成像系统(廉价且高度可制造的解决方案)；通过从传输器发送多个波束并且使用多个接收器在空间上扫描正交区域而增加视野；2D扫描仪的发射器设计可不同以优化辐射效率。
图15绘示了LiDAR系统的示例性封装。例如，所述系统包括：接收器电子器件，例如集成CMOS芯片(1505)；用以最大化由接收器接收的功率的透镜(1535)；载体板，例如印刷电路板(1525)，其用以供应电子芯片、解耦电容器，并且提供同步时钟和电路；例如通过使用穿硅通孔(TSV)连接(1515)而线接合或结合到光子芯片的从CMOS芯片到光子芯片的电连接；用以调整传输器波束宽度的透镜(1520)；传输器电子器件，例如集成CMOS芯片(1510)；光子传输器(1530)和光子接收器(1540)。
图16绘示了LiDAR配置的其他实施方案。例如，传输器(1605)可在单波长或多波长配置中以全向方式而不是使用空间定向的波束来闪光。所传输的光(1615)被物体(1620)反射，并且由基于具有空间反射率的光学相控阵的接收器(1610)来接收(1620)。换句话说，接收器确定哪些光来自哪一方向。在此实施方案中，当传输器至少在接收器的视野内在所有方向上传输光时，可在接收器处使用光学相控阵来产生空间选择性。在其他实施方案中，接收器和传输器两者都可使用如图1中绘示的光学相控阵架构而具有空间选择性。
在一些实施方案中，传输器可包括多个扫描仪，每个扫描仪以不同的几何定向进行制造。以此方式，每个扫描仪覆盖特定波长或波长范围下的一定角度范围。通过改变激光波长，还有可能改变由扫描仪覆盖的角度，因此允许调谐LiDAR系统的空间方向和整体覆盖。在一些实施方案中，每个2D扫描仪中的发射器与相邻的2D扫描仪相比将以相同的方式被编码，但将具有不同的代码。
图17绘示了关于如何通过生成多个波束并且使用多个接收器来增加视野的示例。在一些实施方案中，可通过在同一扫描仪中使用两种不同的波长(例如，通过两个激光器在不同的波长处进行操作)来发射多个波束。在其他实施方案中，可通过使用两个扫描仪来发射多个波束，每个扫描仪在不同的波长处进行发射(例如，通过两个激光器在不同的波长处进行操作)。在其他实施方案中，可通过控制相控阵并且将其波束塑型成具有两个主瓣而不是单个主瓣而使用单个波长在两个不同方向上发射两个同时的波束。
在图17的示例中，传输器(1720)以两个不同的角度发射两个波束(1760、1765)。所发射的波束被位于距传输器不同的距离(1750、1755)处的两个物体(1735、1740)反射。所述两个波束中的每一者具有扫描范围(1745、1750)，可通过控制传输器中的光学相控阵中的发射器的振幅和相位在所述扫描范围上扫描波束。被物体(1735)反射的光(1730)和被物体(1740)反射的光(1725)由在不同方向上定向的两个接收器(1715、1710)接收。例如，在接收器的纵轴线之间的角度可被称为β(1705)。接收器芯片的定向角度(1705)经过优化，以最大化每个接收器处的从指定的扫描区域接收的SNR。
在一些实施方案中，可使用可与阵列波导光栅一起实施的一个或多个光学多路复用器来替代图1的开关(115)。图18绘示了可用于将多个波长多路复用的示例性阵列波导光栅(AWG)。阵列波导光栅是基于对被延迟的光学信号的波长相依相长干涉。效应将在特定位置处产生不同波长的相长干涉，因此在不同位置将不同波长多路复用(多路分用)。来自多个激光器的不同波长(1815)被输入到AWG并且进入自由空间传播区域(1813)，紧接着进入光栅波导(1810)。在一些实施方案中，光栅是由具有恒定长度增量(ΔL)的大量波导组成。耦合到光栅波导(1810)的每种波长的光由于光栅波导中的恒定长度增量而经历相位的波长相依变化。从光栅(1810)的每个波导衍射到第二自由空间传播(1807)中的光相长地干涉(1817)并且在输出波导(1805)处重新聚焦。AWG可充当MUX，其中在通道之间具有可忽略的串扰。因此，可用AWG替代图1的K x 1开关(115)，其中K个波长(λ1，λk)被输入到所述AWG并且输出为单个波长。不再主动地控制K x 1开关以选择通过LiDAR系统的其余部分耦合哪个激光器，于是可使用MUX将来自单个激光器的光被动地传输到LiDAR系统的其余部分。激光器可以是(例如)受电流控制的，以选择哪一激光器正在通过MUX传输其波长。图18的AWG在以相反的定向使用的情况下还可用作多路分用器。
在一些实施方案中，可在MUX之后使用约1％至2％的功率插入波长锁定器，以稳定激光并且精确地控制激光的波长。否则，激光的波长可能不精确。在一些实施方案中，波长锁定器可放宽校准要求。
在一些实施方案中，参考图1的编码器(135)，有可能添加相位和振幅调制(PM和AM)，从而实现连续波(CW)操作。脉冲操作需要较高的峰值功率，因此，在一些实施方案中，CW操作可为有利的。在一些实施方案中，由LiDAR系统传输到周围物体上的信号的频率可例如在三角波调制之后随时间移位，如图19中绘示。图19绘示了随x轴中的时间而变的y轴中的信号的频率。由LiDAR系统发射的信号被绘示为(1905)，而所反射的信号被绘示为(1910)。从物体反射的光移位了量τ(1915)。在一些实施方案中，可将处于第一发射频率的光和处于第二反射频率的光进行混合以获得拍(两个频率之间的差)。例如，可使用两个正弦信号来获得拍。所述两个频率(1905、1910)之间的差将与τ成比例。
在一些实施方案中，LiDAR系统可执行自适应跟踪。例如，系统可锁定到可见物体上并且对其跟踪。例如，物体可具有可使其能够容易识别的特定反射。系统还可锁定到移动物体上，例如跟随在可见帧内移动的儿童或跟踪呼吸胸部的起伏，以跟踪人类的健康状况。
在一些实施方案中，由系统发射的光还可具有数mm或小于一mm的穿透深度。这将实现健康状况监测，例如捕获心跳以及呼吸。
在一些实施方案中，每个激光器的波长范围可以是(例如)1500nm至1520nm、1520nm至1540nm等，以20nm的增量直到1580nm至1600nm。在一些实施方案中，扫描仪可以是2D或1D。在一些实施方案中，1D扫描仪通过控制由相控阵的发射器发射的光的相位来控制由扫描仪的光学相控阵在特定波长处发射的角度θ。在其他实施方案中，2D光学相控阵可控制特定波长处的θ和
Figure BDA0003033683350000241
发射角两者。可通过切换来自系统的激光器中的一者的光来控制波长。如果使用1D扫描仪，则有可能具有发射器之间的亚微米间隔。在此实施方案中，波长可用于扫掠。在一些实施方案中，如果使用2D扫描仪，则可通过控制相控阵(通过改变相位和振幅)而不是改变波长来改变两个角度。在一些实施方案中，θ可被限定为图10中的角度θ，即，沿着垂直于装置的水平面的平面(如图9至图10中所见)；
Figure BDA0003033683350000251
可被限定于垂直于θ的平面的平面中，并且包括扫描仪的纵轴线(诸如图8中的右边方向)。
在一些实施方案中，所发射的波束的主瓣的角度宽度可被限定为从远场图案的峰值下降3dB强度处的宽度值。本公开描述了一种具有可再配置的视野的系统。所述视野可根据特定应用而定制。可通过选择波长来执行扫描，因为相控阵的发射器将根据输入波长以不同的角度进行发射。可在视野的特定区域中增加扫描分辨率和速率，从而增加系统的灵活性，因为可应用更多的资源来扫描特定区域。在一些实施方案中，可同时应用多个输入波长作为系统中的一个或多个相控阵的输入。在一些实施方案中，在不同的波长范围中操作的不同激光器存在于系统中，并且开关允许通过改变输入波长(选择激光器)来控制发射角θ。在一些实施方案中，
Figure BDA0003033683350000252
可由光学相控阵的电子输入控制。在一些实施方案中，包括校准二极管以允许通过检测发射光的一部分(例如，1％至5％)进行芯片上校准。此部分光由二极管捕获。如本领域技术人员已知的，校准当前的LiDAR测距系统是艰难的任务。集成在系统中的芯片上校准可为有利的。在一些实施方案中，可用Si或诸如III-V半导体等其他材料制造光子芯片。在一些实施方案中，用于数字处理的控制电路可基于CMOS或其他工艺，诸如BiCMOS(双极与CMOS技术的组合)或现场可编程门阵列(FPGA)或其他。
在一些实施方案中，光栅耦合器可用作发射器。所述系统还可计算环境中的物体的距离和反射率、速度和多普勒频移。在一些实施方案中，有可能控制进行传输的发射器的数目以改变间距。例如，可关闭一半的发射器以改变间距，因为所述间距是由有效发射器之间的距离来确定的。因此，本文描述的LiDAR系统是可再配置的。
在一些实施方案中，有可能改变光学传输材料的厚度。例如，如果使用Si，则可改变其在波导和其他光学部件中的厚度。随着光学信号朝向发射器移动，激光器侧处的功率在多个通道之间被逐渐分割。例如，一个激光器的光最终在大量发射器之间被分割。因此，在激光器侧处安全地载运那个功率所需的厚度更大，并且可朝向发射器侧移动而逐渐减小。例如，Si可在激光器侧处具有3微米的厚度，并且逐渐减小到发射器侧处的1微米，因为光在更大数目个部件之间被分割。可在接收器侧处实施类似的特征。
在一些实施方案中，传输器实现空间选择性，因为光学相控阵可在空间上引导平均波束。接收器也可具有空间选择性以确定波束是从哪一位置反射，例如，从而实现视线应用。在一些实施方案中，可使用大批传输器，同时接收器具有空间选择性。在一些实施方案中，接收器和传输器两者都可具有空间选择性。本文描述的LiDAR系统可在不同的波长处工作，包括可见范围。
在一些实施方案中，传输器可发射光学辐射。可通过非线性材料传输光学辐射的部分作为两种不同的波长，从而产生两种波长的拍并且获得太赫兹范围内的频率(例如，数太赫兹)。两种不同波长的值彼此接近，以便生成拍。在一些实施方案中，频率可处于低于太赫兹的范围内)。如本领域技术人员已知的，拍是两种频率略微不同的波之间的干涉模式，其被感知为强度的周期性变化，所述周期性变化的速率是两种频率的差。例如，如果两个正弦波处于193太赫兹和194太赫兹，则可获得处于等于两个原始波的频率的差的频率(例如，在此示例中是1太赫兹)的正弦波。例如，可使用1550nm和1558nm的波长，所述波长具有8nm的差，这实现1太赫兹的拍。作为另一示例，0.8nm的差将给予100GHz的频率。因此，在一些实施方案中，为了生成处于太赫兹范围内的波束，波长之间的差是8nm或更多。
在一些实施方案中，所述系统可包括用以产生太赫兹波束的部件以及在本公开中在上文描述的LiDAR系统，以发射光学波束。因此，本公开的系统可发射太赫兹波束和光学波束两者。
在光学波束和太赫兹波束经过传输和/或被物体反射之后，可在光学接收器和太赫兹接收器处收集光学辐射和太赫兹辐射。随后可使用自适应后处理来处理信号。在一些实施方案中，光学系统是在本公开中所描述的LiDAR系统。LiDAR系统通过还包括用于太赫兹波束操作的部件而得到增强。光学辐射和太赫兹辐射一起用于光谱分析应用。例如，光学LiDAR可执行通过太赫兹光谱分析而增强的3D成像。
可使用多个可调谐激光器，每个可调谐激光器在不同的子频带波长范围内操作。所述系统的后续级可包括多个波长锁定器。波长锁定器使得能够消除激光器输出中的相位噪声，并且可通过不同的方式实施。例如，可使用前馈方法或反馈方法。可通过相关联的电路来控制激光器和波长锁定器，所述电路例如为同一芯片或不同芯片上的CMOS电路。
在位于波长锁定器之后的级中，编码器可实现对光学信号的振幅和/或相位的编码。在一些实施方案中，每个波长锁定器在不同的波长处传输信号。进入编码器的波长将由于移除了相位噪声而是干净的。每个波长因此可被多个编码器编码。例如，可使用数字代码，其中每个波长具有相关联的方波脉冲。在一些实施方案中，波长锁定器输出以相应的波长为中心的光学信号，其中窄波长带以所述相应的波长为中心。在一些实施方案中，编码器作为一个整体可提供一系列连续方波，每个方波以相应的波长为中心。在一些实施方案中，可通过如本公开中描述的振幅和相位调制器来取代编码器。
在位于编码器之后的级中，宽带组合器可使得能够将不同波长组合成单个光学信号。此光学信号包括多个干净的波长，所述多个干净的波长可作为波束发射到物体上。例如，所述波束可包括多个同时发射的波长，或在时间上连续发射的多个波长，每个波长或较窄范围的波长在时间上是连续发射的。可将所述多个波长作为波束引导向样品的特定点，其中所述波束跨所述样品的表面进行扫描。可替代地，所述波束可足够宽以覆盖样品的整个表面，在那种情况下扫描不是必需的。在一些实施方案中，可仅照射样品的受关注的部分。
在接收器处，收集由样品传输或反射的光，波长可经过分隔，并且可将每个波长发送到子频带检测器。在后续级中，不同的子频带检测器可将它们的信号输入到解码器和频谱数据处理模块，紧接着是数字信号处理模块，例如从而实施自适应学习。
在跨样品的表面扫描波束的实施方案中，可通过不同的方式实施扫描仪。在一些实施方案中，使用光学相控阵来实施扫描仪。光学相控阵可(例如)以电子方式在期望的方向上引导波束。在一些实施方案中，光学相控阵可通过修改所发射的瓣的数目和强度而同时发射两个或更多个波束。例如，两个波束可照射样品的不同区域，或甚至不同的样品。在一些实施方案中，光学相控阵的发射器被配置为针对不同的波长在相同的空间方向(即，相同的发射角)上发射波束。
接收器随后被配置为依据波长来解译反射率数据，并且能够区分源自不同物体的信号。例如，如果发射了两个波束，每个波束位于不同物体处，则接收器可由于使用不同的被编码的波束而区分从每个物体反射的信号。
在一些实施方案中，通过光学相控阵系统执行对样品的3D成像，并且另外，在样品的每个点处照射多个波长。可在样品的同一点上同时传输或在时间上连续地传输(例如，以非常短的时间间隔)不同的波长。除了如在本公开中在上文所描述测量所反射的辐射之外，可依据光学波长和太赫兹频率以及反射或接收的角度来测量样品的反射率。例如，可如在本公开中参考光学相控阵所论述依据θ和
Figure BDA0003033683350000281
来测量反射率。
通过使用太赫兹辐射与LiDAR系统，可制造光电子-太赫兹光谱分析系统。太赫兹波束可以是用以照射样品的附加的波束。可如上文描述通过产生拍音而生成太赫兹波束。用于生拍的波长可由于激光器或系统的其他部件中的正常波动而随时间变化。这些变化可不利地影响拍，因为一个波长可背离另一波长，从而增加或减小它们的差。因此，拍可变化并且退出太赫兹范围。因此，波长锁定器可用于跟踪和锁定用于生成太赫兹拍的两个波长。
图20绘示了示例性光电子-太赫兹光谱分析系统，其中所传输的组合波长通过非线性材料作为光学辐射和由波长拍生成的太赫兹辐射一起进行发射，以给两个波长打拍并且生成太赫兹波束。图20绘示了传输器(2005)，所述传输器发射通过非线性材料(2020)生成的光学波束(2010)和太赫兹波束(2015)。两个波束都照射物体(2025)。被所述物体反射的辐射在光学接收器(2035)和太赫兹接收器(2030)处被收集，以便进行自适应后处理(2040)。
图21绘示了在多个波长处工作的示例性光谱分析系统，每个波长被单独地锁定和编码。多个可调谐激光器(2105)生成多个波长，所述多个波长被输入到波长锁定器(2110)并且随后输入到编码器(2115)、宽带组合器(2120)和发射器(2125)。以上部件是传输器(2130)的一部分。在接收器(2135)处接收从物体(2140)反射(2142)的光(2141)，所述接收器为不同的子频带检测器(2150)分离波长(2145)，紧接着进行解码和其他数字信号处理(2160)。
在包括基于LiDAR的光谱分析系统和太赫兹光谱分析系统的一些实施方案中，光谱波束是可扫描的，进而给出除了反射率(反射强度)之外的随波长/频率而变的深度(空间)信息。其他实施方案可包括通过目标物体而不是反射离开的用于光谱分析的所透射的强度和所透射的波长。在一些实施方案中，非线性材料被配置为从两个波长产生拍波，所述拍波具有在1太赫兹与100太赫兹之间的频率。
如本文使用，1太赫兹到100太赫兹的范围将是涉及拍频的“太赫兹频带”，并且101太赫兹至1000太赫兹的范围将是涉及光学和近光学激光器频率的“光学频带”。在一个实施方案中，激光器频率将处于从430太赫兹至770太赫兹的“可见频带”中。
在一些实施方案中，接收器能够分离不同波长带中的传入信号。接收器还包括太赫兹检测器以接收拍音的太赫兹部分。
已经描述了本公开的若干实施方案。然而，将理解，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种修改。因此，其他实施方案在所附权利要求书的范围内。
向本领域技术人员提供上文陈述的示例作为如何制作和使用本公开的实施方案的完全公开和描述，并且无意限制发明人视为他们的公开内容的范围。
对本领域技术人员来说是明显的对用于执行本文公开的方法和系统的上述模式的修改期望在所附权利要求书的范围内。在说明书中提及的所有专利和公布案指示本公开所属领域的技术人员的技术水平。在本公开中叙述的所有参考文献以引用的方式并入，就好像每个参考文献已经单独地以全文引用的方式并入一样。
将理解，本公开不限于特定方法或系统，所述方法或系统当然可变化。还将理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方案，并且无意具限制性。除非内容另外明确指明，否则如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一个/种”和“所述”包括多个参照物。除非内容另外明确指明，否则术语“多个”包括两个或更多个参照物。除非另外界定，否则本文所使用的所有技术和科技术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。
本申请中的在以下参考列表中示出的参考文献以全文引用的方式并入本文。
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Claims (10)

1.一种装置，所述装置包括：
多个可调谐激光器，所述多个可调谐激光器生成多个波长；
多个波长锁定器，所述多个波长锁定器用以减少来自所述多个波长的波长噪声；
多个编码器，每个编码器被配置为将所述多个波长锁定器中的波长锁定器的光编码；
至少一个宽带组合器，所述至少一个宽带组合器用以组合所述多个编码器的输出；
多个发射器，所述多个发射器连接到所述至少一个宽带组合器；以及
非线性材料，所述非线性材料被配置为从两个波长产生拍波，所述拍波具有在1太赫兹与100太赫兹之间的频率。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述多个发射器中的每个发射器包括光栅耦合器。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述多个编码器被配置为将所述光的振幅、所述光的相位或所述光的振幅和相位两者编码。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述多个激光器以脉冲模式操作。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述多个激光器以频率调制连续波模式操作。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括Si，并且Si的厚度从所述装置的包括所述多个激光器的第一侧到所述装置的包括所述多个发射器的第二侧逐步减小。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述第一侧处的Si的所述厚度是3微米，并且所述第二侧处的Si的所述厚度是1微米。
8.一种方法，所述方法包括：
由多个可调谐激光器生成多个波长；
由多个波长锁定器减少来自所述多个波长的噪声；
由多个编码器以某一模式将所述多个波长编码；
由非线性材料从两个波长产生拍波，所述拍波具有在1太赫兹与100太赫兹之间的频率；
由包括多个发射器的光学相控阵在空间方向上将所述多个波长传输到样品上以执行光谱分析，其中每个发射器通过对应的波导连接到所述多个编码器中的对应的编码器；以及
将所述拍波传输到所述样品上。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述模式包括方波脉冲的振幅、相位、数量、持续时间和周期。
10.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括：
由接收器接收从所述样品反射的多个波长；
由所述接收器按波长带分离所述多个波长，所述波长带包括至少一个太赫兹带和一个光学带；以及
由所述接收器在所述太赫兹带中检测被所述样品反射的所述拍波。
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