CN113359107A - 激光雷达的激光发射与接收模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光雷达的激光发射与接收模块。该模块可以包括：激光光源、发射光学相控阵(optical phased array，OPA)装置、接收OPA装置、混频器、以及光探测器，所述发射光学相控阵(OPA)装置配置为将来自激光光源的激光发射到二维(2D)区域；所述接收OPA装置配置为接收由发射OPA装置发射之后的反射激光；所述混频器配置为将激光与由接收OPA装置接收的反射激光进行混频；所述光探测器配置为检测由混频器混频的光信号。

Description

激光雷达的激光发射与接收模块
技术领域
本发明的示例性实施方案涉及用于自动驾驶的激光雷达(light detection andranging，LiDAR)系统的激光发射与接收模块。
背景技术
术语“LiDAR”是light detection and ranging(激光雷达)的缩写，这是一种用于发射激光脉冲、接收从周围目标物体反射的激光脉冲，并且测量到目标物体的距离，以准确地再现车辆周围环境的装置。典型的LiDAR系统包括：控制器、发射模块、接收模块以及用于使光束转向(偏转)的光学模块。
用于使光束转向的光学模块采用了电机旋转镜光学系统，而机械光学系统的长期耐用性所需的质量可能对车辆的长期耐用性不具有鲁棒性。
为了改进这种电机旋转镜扫描方法，近来研发了光学相控阵(optical phasedarray，OPA)技术。
OPA技术是半导体类型的光学器件技术，该技术对硅材料(通过所述硅材料来引导光)的折射率(光的相位)进行电控制，以调节光的方向。也就是说，利用硅半导体工艺，形成光能够通过的多个小光路(波导)，并且所述多个小光路(波导)用作使光束转向的光学模块，该光学模块通过电并且单独地调制通过小光路的光的相位，以使光束根据光在输出部中的相位控制而具有方向性。
根据输入光的性质，OPA驱动方法包括诸如飞行时间(time of flight，ToF)方法、调频连续波(frequency modulated continuous wave，FMCW)方法等的各种方法，并且根据操作方法，需要不同的发射与接收模块结构。近来，引起关注的操作方法是FMCW方法。与ToF方法相比，FMCW方法具有更长的感测距离和优异的分辨率，但是存在需要复杂的发射与接收模块的缺点。
公开于背景技术部分的上述信息旨在帮助对本发明的背景技术的理解，而不应当被视为承认该信息构成现有技术的任何部分。
发明内容
本发明的示例性实施方式致力于提供一种用于下一代自动驾驶车辆的核心光学装置，其利用半导体工艺，以调频连续波(FMCW)方法，通过集成用于距离测量的光学相控阵(OPA)系统电路，能够实现激光雷达(LiDAR)组件的创新的小型化和性能改善(长距离物体的检测)。
本发明的其它目的和优点可以通过如下描述来理解，并且参考本发明的示例性实施方式而变得明显。此外，本发明所属技术领域的技术人员将明了，本发明的目的和优点可以通过所要求保护的装置和所述装置的组合来实现。
根据本发明的示例性实施方式，激光雷达(LiDAR)的激光发射与接收模块可以包括：激光光源、发射光学相控阵(OPA)装置、接收OPA装置、混频器以及光探测器，所述发射光学相控阵(OPA)装置配置为将来自激光光源的激光发射到二维(2D)区域；所述接收OPA装置配置为接收由发射OPA装置发射之后的反射光；所述混频器配置为将激光与由接收OPA装置接收的反射光进行混频；所述光探测器配置为检测由混频器混频的光信号。
此外，激光发射与接收模块可以进一步包括：可变光衰减器和定向耦合器，所述可变光衰减器布置在发射OPA装置的前级并且配置为均衡地调节光学功率；所述定向耦合器布置在可变光衰减器的前级并且配置为使得激光的一部分分支到混频器。
此外，定向耦合器可以使得传输到可变光衰减器的激光的一部分分支到混频器，作为参考光；混频器可以将参考光与反射光进行混频；光探测器可以检测经过降频变换并获得变换增益的光信号。
此外，定向耦合器、光探测器以及混频器可以用作调频连续波(FMCW)操作方法中所需的接收模块。
这里，光探测器可以包括具有硅p-n结结构的行波波导型(traveling-waveguidetype)光探测器(photo detector，PD)。
更具体地，发射OPA装置可以包括：功率分配器、移相器以及辐射器，所述功率分配器配置为使得激光分支到N个通道中，“N”是二或二以上的自然数；所述移相器配置为控制入射到N个通道的激光的每个相位；所述辐射器配置为将由移相器进行相位控制的具有特定方向性的激光辐射到自由空间。
此外，功率分配器可以包括多模干涉(multimode interference，MMI)功率分配器。
此外，移相器可以控制到达辐射器的激光的相位，以控制通过辐射器朝向特定方向辐射的激光。
这里，移相器可以通过电光方法(p-i-n或p-n结构)或热光方法(p-i-n或外部金属加热器结构)来控制相位。
此外，辐射器可以形成为布置成1×N的辐射器阵列。
此外，1×N的辐射器阵列的每个辐射可以形成为晶格结构、反射镜结构或纳米金属薄膜结构中的任何一种结构器。
此外，多个辐射器可以形成为在纵向方向上布置成1×N的辐射器阵列。
此外，发射OPA装置可以布置为并联的多个发射OPA装置，并且配置为顺序地操作多个发射OPA装置的开关可以布置在可变光衰减器的后级。
接下来，接收OPA装置可以包括：接收器、移相器以及功率组合器，所述接收器配置为通过N个通道接收反射激光；所述移相器配置为控制分支在到N个通道中的反射激光的每个相位；所述功率组合器配置为将通过N个通道进行相位控制和接收的反射激光组合。
此外，接收OPA装置的移相器可以以与发射OPA装置的相位控制相同的方式来控制通过N个通道接收的反射激光的相位。
这里，接收OPA装置可以布置为并联的多个接收OPA装置，并且配置为顺序地操作多个接收OPA装置的开关可以布置在功率组合器的后级。
根据本发明的另一个示例性实施方式，一种激光雷达(LiDAR)的激光发射与接收模块可以包括：发射光学相控阵(OPA)装置和接收OPA装置，所述发射光学相控阵(OPA)装置配置为将来自激光光源的激光发射到二维(2D)区域；所述接收OPA装置配置为接收由发射OPA装置发射之后的反射激光，其中发射OPA装置与接收OPA装置模块化为单个硅基半导体装置。
此外，发射OPA装置可以包括：功率分配器、移相器以及辐射器，所述功率分配器配置为使得激光分支到N个通道中，“N”是二或二以上的自然数；所述移相器配置为控制入射到N个通道的激光的每个相位；所述辐射器配置为辐射由移相器进行相位控制的具有特定方向性的激光。
此外，接收OPA装置可以包括：接收器、移相器以及功率组合器，所述接收器配置为通过N个通道接收反射激光；所述移相器配置为控制通过N个通道接收的反射激光的每个相位；所述功率组合器配置为将通过N个通道进行相位控制和接收的反射激光组合。
此外，激光发射与接收模块可以进一步包括：光探测器和混频器，所述光探测器配置为将激光与由接收OPA装置接收的反射激光进行比较；所述混频器布置在光探测器的前级并且配置为接收参考光和反射激光并变换相位和混频。
附图说明
图1是示出了根据本发明示例性实施方案的激光雷达(LiDAR)的激光发射与接收模块的示意图。
图2是示出了根据本发明示例性实施方案的LiDAR的激光发射与接收模块的光束处理的示意图。
图3是示出了由根据本发明示例性实施方案的接收光学相控阵(OPA)装置130接收光的示意图。
具体实施方式
应该参考示出本发明的实施方案的附图以及附图中的描述，以充分理解本发明、本发明的操作优点以及通过实践本发明达到的目标。
在本发明的示例性实施方案的描述中，会减少或省略不必要地模糊本发明的主旨的已知技术或重复描述。
图1是示出了根据本发明示例性实施方案的激光雷达(LiDAR)的激光发射与接收模块的示意图，图2是示出了根据本发明示例性实施方案的LiDAR的激光发射与接收模块的光束处理的示意图。在下文中，将参考图1和图2描述根据本发明的一个示例性实施方案的LiDAR的激光发射与接收模块。
本发明涉及LiDAR系统的激光发射与接收模块，该模块以调频连续波(FMCW)方法，通过发射光学相控阵(OPA)装置120和接收OPA装置130，利用来自激光光源110的光束来测量距离。
例如，激光光源110(混合激光二极管(LD)集成)用于发射波长为1550nm的激光，发射激光传输到可变光衰减器152。可变光衰减器152使入射到发射OPA装置120上的光学功率均衡。
在利用激光啁啾改变光频率的过程中，LD的光学功率输出可能发生意想不到的变化。由于意想不到的变化可能会影响发射OPA装置120的稳定运行，因此需要实时地均衡进入发射OPA装置120的光学功率的装置(利用可变光衰减器152)。
在本发明中，可变光衰减器152可以用作上述装置，以均衡光学功率，并且可以应用基于Mach-Zehnder干涉仪的可变光衰减器，Mach-Zehnder干涉仪具有例如硅p-n结、p-i-n结或金属加热器结构作为每个移相器的臂。由于应用了上述技术，使入射到发射OPA装置120的光学功率被均衡，从而使得发射OPA装置120稳定的运行。
此外，定向耦合器151布置在光路上，使得参考光传输到光探测器142(平衡光子辅助隧穿(balanced photon assisted tunneling，PAT)-PD)，与传输到可变光衰减器152的激光分离。
基于半导体的LD的混合集成可以通过各种方法来实现，包括利用各种材料的倒锥形结构的方法、利用光纤块阵列的方法、利用抛物线凹形的微反射镜的方法等。
通过LD发射的光的一部分经由可变光衰减器152传输到发射OPA装置120，通过LD发射的光的其余部分通过位于可变光衰减器152前级的定向耦合器151进行分离，以经由混频器141传输到光探测器142，并且根据定向耦合器151的设计参数来确定分光比。
此外，应该供应电流以驱动半导体LD。激光的中心波长根据电流的供应量的变化而发生变化，并且根据电流的供应量的变化而发生的中心波长和频率的变化称为啁啾。利用啁啾现象，可以将周期性变化的光供应至OPA，从而可以将用于FMCW操作的输入光供应至发射OPA装置120。
发射OPA装置120是用于将光束发射到二维(2D)空间的非机械(电子)光束扫描装置。
当从LD发射的激光通过可变光衰减器152传输到发射OPA装置120时，激光通过波导在发射OPA装置120中分为几个分支，对分开的激光的相位进行排布，然后再次组合分开的激光。因此，根据在发射OPA元件120的输出部中的相位控制而具有方向性的光束发射到大气并到达物体，然后再次由接收OPA装置130接收反射光。
发射OPA装置120可以配置为使得多个发射OPA装置120并联配置，以形成发射OPA装置组(T×OPA)。也就是说，虽然在示例中显示了一个发射OPA装置120的八个波导，但是对于较宽范围的竖直光束转向，可以将具有不同的竖直发射角的OPA布置在多级(T×OPA)中。为了顺序地操作OPA，可以在可变光衰减器152的后级布置1×n个开关153(n是二或二以上的自然数)。
发射OPA装置120包括：功率分配器121、移相器122(1×N的阵列)以及辐射器123(1×N的阵列)。
从单个光源入射的光通过功率分配器121分为N个通道(N是二或二以上的自然数)。在这种情况下，功率分配器121不限于多模干涉(multimode interference，MMI)功率分配器，并且可以由具有各种结构的功率分配器构成，例如Y型分支耦合器、定向耦合器以及星形耦合器。
此外，如图所示，可以使用将1×2的功率分配器布置在多级中的结构，或者可以使用将一个装置分成N个通道的结构。
如上所述，在分支到N个通道之后，连接至每个通道的移相器122还可以采用电光方法(例如，p-i-n或p-n结构)或热光方法(例如，p-i-n或外部金属加热器结构)，并且控制入射到每个通道的光的相位，以调节从辐射器123发射到大气(空气)中的光束的方向性。
也就是说，为了将具有相位差的光波以相等的间隔供应至每个辐射器123，移相器122用于控制光波的相位。
然后，将相位控制通道聚集至辐射器123，并且根据输入光的波长、由移相器122控制的相位的形状以及辐射器123的形状和布置，光波以具有特定方向性(角度)的状态辐射到自由空间和大气(空气)。
为此，辐射器123可以以晶格结构、反射镜结构、纳米金属薄膜结构等实现。例如，由于光波与晶格碰撞的散射，形成于光波导的端部的晶格结构可以将光波辐射到晶格上方的空间中。
因此，由于辐射器123形成并布置为1×N的辐射器阵列，输入到1×N的辐射器阵列中的光波的相位针对每个辐射器设置为特定相位，使得由于辐射的光波之间的干涉，在空间的特定方向上可以形成具有狭窄的发散角的相位匹配光束。
在这样的阵列中，不仅仅通过相位的改变来进行纬度方向(所述纬度方向是纵向方向)的扫描。为此，如图所示，在纵向方向上布置多个1×N的阵列，使得光束可以二维地辐射。或者，可以通过调节波长或辐射器123的折射率来实现纬度方向的扫描。
如上所述，接收OPA装置130是在辐射之后接收反射光的装置。
通常，单独的光电二极管等用作接收光的装置，但是，在本发明中，接收OPA装置130与发射OPA装置120通过一个半导体工艺被一起制造。
也就是说，以具有特定方向性的状态，通过发射OPA装置120发射到大气(空气)的光从物体反射，然后通过接收OPA装置130接收。
接收OPA装置130基本上配置为与发射OPA装置120相同的结构。当通过接收器133(1×N的阵列)接收光，并且以与发射OPA装置120相同的方式，通过移相器132执行接收OPA装置130的相位控制时，在通过发射OPA装置120以特定方向发射、然后从物体反射以被散射的光中，只有具有相同方向的反射光分量可以通过接收OPA装置130被接收，从而可以使噪声最小化。
也就是说，由于发射OPA装置120与接收OPA装置130的相位控制以相同的方式执行，在现有的LiDAR的相控阵天线的情况下，可以显著地改善信噪比(signal-to-noise，SNR)。因此，使用接收OPA装置130，使得可以在无需透镜的情况下提取具有高SNR的反射光的分量。
在相位调节之后，经过功率组合器131放大的光传输到光探测器142，并且将从定向耦合器151分支的参考光与从接收OPA装置130接收的光进行比较，以测量到反射物体的距离。
在功率组合器131的后级可以布置开关154，所述开关154配置为顺序地操作多个接收OPA装置130。
图3是示出了由接收OPA装置130接收的光的示意图。参考图3，将更详细地描述从物体反射的光的接收。
如图所示，在接收OPA装置130的天线布置结构中，由第n个天线接收的电场的大小如下。
[公式1]
Figure BDA0002559847570000081
Figure BDA0002559847570000082
输入到每个天线的电场具有Δl(n)的光程差，以引起相位差。此外，ΔΦ(n)是针对预定角度θ0和Φ0由接收OPA装置130的第n个天线产生的相位差。
因此，从接收OPA装置130接收的针对预定角度θ0和Φ0的总电场表示为下面的公式2，而由于每个天线的相位差而发生的干涉校正表示为公式3。
[公式2]
Figure BDA0002559847570000083
[公式3]
Figure BDA0002559847570000084
来自物体的光以半球形反射。然而，由于与接收OPA装置130的窗口的尺寸相比，到物体的距离非常长，入射光变成方向分量恒定的平行光。
此外，参考以上公式，仅接收与调谐和辐射的光束具有相同相位(方向)的光束，以便光探测器142比较具有相同相位的光束，以测量到反射物体的距离。
从概念上讲，接收OPA装置130通过过滤除了以预定角度入射的光以外的所有光，在降低噪声水平的方向上提高接收性能。
接下来，混频器141接收通过定向耦合器151从集成混合LD 110输入的参考光作为本地振荡，并且接收从发射OPA装置120发射并由接收OPA装置130输入的光，以通过90度混合耦合器对参考光和输入光进行混频和拍频。
当两种类型的光入射到混频器141的两个输入端口时，每个输出端口输出具有180度相位差的光，并且可以通过光探测器142提取由接收OPA装置130接收的光与本地振荡器的光之间的频率差(降频变换功能)。由于利用激光啁啾随时间以恒定速率来执行激光频率调制，从而可以利用所提取的光之间的频率差来获得到待测量物体的距离信息。此外，如上所述，可以进行降频变换，并且同时可以获得与参考光和接收光之间的比值相等的变换增益，从而可以在光接收方面实现很大的优势。
如上所述，通过光探测器142检测经过降频变换并获得变换增益的光信号。
光探测器142(平衡式PAT-PD)是具有将光信号转换为电信号并检测电信号的基本功能的装置。PAT-PD不采用诸如Ge或III-V族材料的异质结材料，而采用全硅材料作为行波波导型PD，并且利用相应的PAT-PD来配置平衡式PAT-PD。
通常，由于现有的LiDAR通过透镜来会聚反射光，通常使用表面接收型雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)或单光子探测器，而在本发明中，由于由接收OPA装置130接收的光会聚在单个波导中，难以与表面接收光探测器(PD)结合，从而利于连接至行波波导型PD而不是对应结构的PD。
例如，在具有硅p-n结结构的行波波导PD的情况下，由于硅固有地对波长为1.3μm的光透明，几乎不发生光子吸收。然而，可以通过对p-n结施加强的反向偏压，由光子辅助隧穿和碰撞电离来获得光电流。因此，当使用上述结构时，具有这样的优势：其利用全硅材料形成PD，而没有利用Ge或III-V族材料形成异质结PD的困难，从而在本发明中，应用了通过将接收OPA装置130连接至光探测器142来检测反射光的方法。
如上所述，根据本发明的一个示例性实施方案，发射OPA装置120、接收OPA装置130、混频器141以及光探测器142可以实施为单个硅基半导体模块并配置为电路，从而可以使自动驾驶车辆的LiDAR系统形成得非常小巧且具有鲁棒性。
根据本发明，接收器包括在光相控阵(OPA)电路的整体中，而在相关技术中，光电二极管(photodiode，PD)在辐射之后接收反射光束，是单独的装置。也就是说，由于R×OPA具有与T×OPA相同的结构，接收器接收反射光束。
因此，由于使用R×OPA代替在所有方向上接收光的PD，可以接收具有方向性的反射光，从而可以消除由于从太阳光发出的红外线或从相邻的LiDAR系统发出的红外线而引起的干扰。
此外，由于采用了利用半导体LD的电流注入的频率调制方法，排除了体积庞大的外部光源，并且半导体LD与发射OPA和接收OPA混合集成，使得自动驾驶车辆的LiDAR系统可以形成得非常小巧。
尽管参考所附附图对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将显而易见的是可以做各种改变和修改而不偏离所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围。因此，应当注意，这样的替换或修改落入本发明的权利要求之内，并且本发明的范围应基于所附权利要求来解释。

Claims (20)

1.一种激光雷达的激光发射与接收模块，其包括：
激光光源；
发射光学相控阵装置，其配置为将来自激光光源的激光发射到二维区域；
接收光学相控阵装置，其配置为接收由发射光学相控阵装置发射之后的反射激光；
混频器，其配置为将激光与由接收光学相控阵装置接收的反射激光进行混频；以及
光探测器，其配置为检测由混频器混频的光信号。
2.根据权利要求1所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其进一步包括：
可变光衰减器，其布置在所述发射光学相控阵装置的前级并且配置为均衡地调节光学功率；以及
定向耦合器，其布置在所述可变光衰减器的前级并且配置为使得发射激光的一部分分支到混频器。
3.根据权利要求2所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中：
所述定向耦合器使得传输到可变光衰减器的所述发射激光的一部分分支到混频器，作为参考光；
所述混频器将参考光与反射激光进行混频；
所述光探测器检测经过降频变换并获得变换增益的光信号。
4.根据权利要求3所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述定向耦合器、光探测器以及混频器用作调频连续波操作方法中所需的接收模块。
5.根据权利要求4所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述光探测器包括具有硅p-n结结构的行波波导型光探测器。
6.根据权利要求1所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述发射光学相控阵装置包括：
功率分配器，其配置为使得发射激光分支到N个通道中，其中“N”是二或二以上的自然数；
移相器，其配置为控制入射到N个通道的激光的每个相位；以及
辐射器，其配置为将由移相器进行相位控制的具有特定方向性的激光辐射到自由空间。
7.根据权利要求6所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述功率分配器包括多模干涉功率分配器。
8.根据权利要求6所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述移相器控制到达辐射器的激光的相位，以控制通过辐射器朝向特定方向辐射的激光。
9.根据权利要求8所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述移相器通过电光方法或热光方法来控制激光的相位，所述电光方法利用p-i-n或p-n结构，而所述热光方法利用p-i-n或外部金属加热器结构。
10.根据权利要求6所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述辐射器形成为布置成1×N的辐射器阵列。
11.根据权利要求10所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述1×N的辐射器阵列的每个辐射器形成为晶格结构、反射镜结构或纳米金属薄膜结构中的任何一种结构。
12.根据权利要求10所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，多个辐射器形成为在纵向方向上布置成1×N的辐射器阵列。
13.根据权利要求6所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中：
所述发射光学相控阵装置布置为并联的多个发射光学相控阵装置；
配置为顺序地操作多个发射光学相控阵装置的开关布置在可变光衰减器的后级。
14.根据权利要求6所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述接收光学相控阵装置包括：
接收器，其配置为通过N个通道接收反射激光；
移相器，其配置为控制分支到N个通道中的反射激光的每个相位；以及
功率组合器，其配置为将通过N个通道进行相位控制和接收的反射激光组合。
15.根据权利要求14所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述接收光学相控阵装置的移相器以与发射光学相控阵装置的相位控制相同的方式来控制通过N个通道接收的反射激光的相位。
16.根据权利要求14所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中：
所述接收光学相控阵装置布置为并联的多个接收光学相控阵装置；
配置为顺序地操作多个接收光学相控阵装置的开关布置在功率组合器的后级。
17.一种激光雷达的激光发射与接收模块，其包括：发射光学相控阵装置和接收光学相控阵装置，所述发射光学相控阵装置配置为将来自激光光源的激光发射到二维区域；所述接收光学相控阵装置配置为接收由发射光学相控阵装置发射之后的反射激光，其中所述发射光学相控阵装置与接收光学相控阵装置模块化为单个硅基半导体装置。
18.根据权利要求17所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述发射光学相控阵装置包括：
功率分配器，其配置为使得发射激光分支到N个通道中，其中“N”是二或二以上的自然数；
移相器，其配置为控制入射到N个通道的激光的每个相位；以及
辐射器，其配置为辐射由移相器进行相位控制的具有特定方向性的激光。
19.根据权利要求18所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其中，所述接收光学相控阵装置包括：
接收器，其配置为通过N个通道接收反射激光；
移相器，其配置为控制通过N个通道接收的反射激光的每个相位；以及
功率组合器，其配置为将通过N个通道进行相位控制和接收的反射激光组合。
20.根据权利要求19所述的激光雷达的激光发射与接收模块，其进一步包括：
光探测器，其配置为将发射激光与由接收光学相控阵装置接收的反射激光进行比较；以及
混频器，其布置在所述光探测器的前级并且配置为接收参考光和反射激光并变换相位和混频。
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