CN113534167A - 可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达，该芯片包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；输入耦合器，用于将输入光耦合到芯片上；分束器，用于对耦合到芯片上的光波进行分束；调相器，用于调节分束后每束光波的相位；光开关，用于切换各组的光学天线；光学天线，用于对通过调相器改变相位的光波发射至空间中。使得芯片的视场范围大，而且减小整个激光雷达系统的复杂度。

Description

可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达

技术领域

本申请实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达。

背景技术

相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展。虽然目前的相控阵激光雷达中的基本模块也均已成熟，如激光雷达芯片上的光源模块、分束模块、调相模块等，光源模块中包含单组光学天线，但是通常激光雷达芯片中的单组光学天线的视场范围并不是很大，这极大地限制了激光雷达的应用场景，因而需要大视场范围的激光雷达就需要多个芯片的共同使用。

目前的相控阵激光雷达为了实现大视场范围，可以通过光开关与多个芯片连接，利用光开关来切换不同光学天线，进而解决视场范围小的问题，但是光开关往往放置在多个芯片中的前端，这样后端的器件的数量都需要加倍，比如，设置在光开关的后端的光源模块、分束模块、调相模块以及控制光开关使得对应芯片工作的控制电路的控制通道也需要加倍，这与多芯片的集成封装并没有本质区别，并没有减小整个激光雷达系统的复杂度。

因此，现有技术无法解决整个激光雷达系统的复杂度问题。

发明内容

本申请实施例提供一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达，能够减小整个激光雷达系统的复杂度。

第一方面，本申请实施例提供一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片，包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；

所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；

所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；

所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；

所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位；

所述光开关，用于切换各组的光学天线；

所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，还包括：SOI衬底，所述输入耦合器、分束器和光学天线是在SOI衬底的顶部硅层形成的，所述芯片中的波导为TE模的单模波导，所述TE模的单模波导的形状为脊形波导或者条形波导。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，所述输入耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器；

所述分束器为定向耦合器或者多模干涉耦合器；

所述光学天线为光栅型光学天线；

其中，各组的光学天线的结构不同，各组的光学天线的结构不同为各组的光学天线的光栅周期、占空比、天线间距中至少一项不同。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，所述调相器为热光调相器或电光调相器；

所述热光调相器，用于为所述波导加热，通过热光效应改变所述波导的折射率来改变波导中光波的相位；

所述电光调相器，用于向所述波导注入电流，通过电光效应改变波导的折射率来改变波导中光波的相位。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，所述光开关的后端的波导交叉结构是由十字交叉波导结构或者双层波导结构形成的；

其中，所述双层波导结构中不同层的波导之间的光波通过消逝波互相耦合。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，所述光开关的组数量为N，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N；

其中，每组光开关的内部串联，各组光开关均独立控制。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，还包括：保护层；

所述保护层位于所述顶部硅层的上方并完全覆盖，所述保护层的材料为与CMOS工艺相兼容的材料，且所述保护层的折射率低于硅的折射率。

在一种可能的设计中，如上所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，所述光开关为马赫增德尔干涉型光开关或者微环型光开关。

第二方面，本申请实施例提供一种相控阵激光雷达，包括如上述第一方面任一项所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片。

第三方面，本申请实施例提供一种使用如上述第一方面任一项所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片的工作方法，若所述光开关为N组，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N；所述方法包括：

当光源打开时，调节第一组光开关，使得由所述第一组光开关控制的第一组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第一组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第一电压/电流列表，并对应所述第一组光学天线的视场范围；

调节所述第一组光开关和调节控制第二组光学天线的其他组光开关，使得第二组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第二组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第二电压/电流列表，并对应所述第二组光学天线的视场范围；

继续调节控制与上一组光学天线相邻的当前待通光的光学天线的光开关以及其他所有调节过的光开关，直到调节到第N组光开关，使得由第N组光开关控制的第L组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压/电流，并记录通过第L组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第L电压/电流列表，并对应第L组光学天线的视场范围。

本申请实施例提供一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片、使用方法及激光雷达，该可切换天线的相控阵激光雷达芯片，包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位；所述光开关，用于切换各组的光学天线；所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中，由于通过光开关来切换不同组的光学天线，且该片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器的后端，调相器的前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

应当理解，上述发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本申请实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片的结构示意图；

图2为本申请又一实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片的结构示意图；

图3为本申请再一实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达中含保护层的SOI衬底结构示意图；

图4为本申请实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方法的流程示意图；

图5为本申请再一实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达中光学天线的结构俯视图；

图6为本申请另一实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方法的流程示意图；

图7为本申请再一实施例提供的相控阵激光雷达中光学天线的结构截面图；

图8为本申请又一实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方法的流程示意图。

附图标记：

101-输入耦合器 102-分束器 201-调相器 2021-光开关一 1031-光学天线一1032-光学天线二 2022-光开关二 103-光学天线 202-光开关 104-埋氧化层 105-顶部硅层 106-保护层

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请的实施例。虽然附图中显示了本申请的某些实施例，然而应当理解的是，本申请可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本申请。应当理解的是，本申请的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本申请的保护范围。

本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

图1为本申请实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片包括：输入耦合器101、分束器102、光学天线103、调相器201和光开关202。

其中，所述光学天线为多组。所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间。其中，所述光开关位于所述调相器的后端，且位于多组光学天线的前端。

具体地，所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上。所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束。所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位。所述光开关，用于切换各组的光学天线。所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中。

在实际应用中，可切换天线的相控阵激光雷达芯片可以集成在一片与CMOS工艺相兼容的标准衬底即SOI衬底上。该SOI衬底由下至上包括：衬底硅层，埋氧化层104和顶部硅层105。其中，输入耦合器、分束器和光学天线在SOI衬底的顶部硅层形成的。本实施例中对SOI衬底的每一层的材料和厚度不作限制。如可根据不同的需求进行每一层材料和厚度的定制，也可以采用常规标准CMOS工艺的SOI衬底产品，如衬底硅层的材料为硅，其厚度为400～800μm；埋氧化层的材料为二氧化硅，其厚度为2μm；顶部硅层的材料为硅，其厚度为220nm。

由于通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够，往往采用多个芯片集成的方式或是利用光开关来切换不同光学天线，但是后者将光开关放置在前端，进而导致光开关后端的器件数量需要加倍，同时控制电路的控制通道也需要加倍，增加了整个激光雷达系统的复杂度。

为了解决以上问题，本实施例中采用多组光学天线，且将光开关设置在调相器的后端，使得光开关的前端的器件可以共用，减少了整个激光雷达系统的复杂度。同时，由于光开关用于切换各组的光学天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用，解决了通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题。

具体地，输入耦合器、分束器和光学天线依次通过导波连接。光开关位于调相器的后端，即调相器的前端与分束器通过波导连接，调相器的后端与光开关的前端连接，光开关的后端分别与相邻两组的光学天线连接，可以参见图2所示的芯片中包含一组光开关和两组光学天线的结构示意图。若光开关为多组时，参见图1所示，除最后一组光开关以外的其他组光开关中的每组光开关的后端分别与当前可切换的光学天线和该组光开关下一个相邻的光开关级联，最后一组光开关与图2中对应的光开关的设置相同，即光开关的后端分别与最后一组光学天线和最后一组光学天线的上一组光学天线连接。

其中，输入耦合器，用于将光波耦合到芯片上，其能够将大功率输入光耦合进来，然后通过分束器对耦合到该芯片上的光波进行分束，所以耦合进输入耦合器的光波经过分束器后被分为若干份光波，再通过调相器调节分束后每束或每份光波的相位，即改变波导中的光波的相位。波导中的光波通过调相器调好相位后通过波导传输到与当前光开关匹配的光学天线中发射至空间中。

本实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位；所述光开关，用于切换各组的光学天线；所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中，由于通过光开关来切换不同组的光学天线，且该片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器的后端，调相器的前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

在一种可能的设计中，为了实现各个器件之间的光路连接，在上述实施例的基础上，本实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片中的波导为TE模的单模波导，该TE模的单模波导的形状为脊形波导或者条形波导。采用TE模的单模波导，能够定向引导该波导中的光波的结构。

在一种可能的设计中，本实施例在上述实施例的基础上，例如，在图1所示的实施例的基础上，对芯片进行了详细说明。所述输入耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器；所述分束器为定向耦合器或者多模干涉耦合器；所述光学天线为光栅型光学天线。

其中光栅为二级衍射光栅。

具体地，本实施例中，各波导中的光波通过调相器调好相位后，由波导传输到通过光开关切换到的光学天线发射至空间中。本实施例中光学天线为在硅阵列波导上刻二级衍射光栅，即光栅型光学天线。其中光栅的具体参数，如光栅周期、占空比、刻蚀深度等，都与工作波长相关。在波导上进行光栅刻蚀时，需要先根据刻蚀深度计算光栅周期。为了获得小的沿波导方向的远场发散角，及高的纵向雷达扫描分辨率，设计光学天线的二级衍射光栅刻蚀深度较浅，为20～100nm。由于光波波段为1.5～1.6μm，波导阵列对于此波段的有效折射率约为2.38，根据二级衍射光栅公式得到二级衍射光栅周期为600～680nm，即在硅波导上均匀地在每个光栅周期的距离上进行光栅刻蚀。而光栅的宽度则由占空比来决定，也就是光栅宽度与光栅周期的比值。通过计算可知，在光波波段1.5～1.6μm，二级衍射光栅占空比为0.4～0.6时，向外辐射效率最高。

其中，各组的光学天线的结构不同，各组的光学天线的结构不同为各组的光学天线的光栅周期、占空比、天线间距中至少一项不同。

具体地，各组的光学天线的结构的设置可以依据具体的应用场景，因此，可以是各组的光学天线的光栅周期不同，也可以是各组的光学天线的占空比不同，还可以使设置的各组的光学天线之间的天线间距不同，进而使得不同组光学天线结构不同，增加一维扫描点密度，提高扫描分辨率，还具有不同的扫描视场，增加二维扫描角度。

由于该可切换天线的相控阵激光雷达芯片具有多组光学天线，不同组光学天线可以具有不同的结构，增加一维扫描点密度，提高扫描分辨率，还分别对应不同的扫描视场，增加二维扫描角度。通过光开关来切换不同组光学天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用，解决了通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题，而且该片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器的后端，调相器的前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。因此，能够在解决通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题同时，减小整个激光雷达系统的复杂度。其中，为了保证整个芯片可以正常工作，各组的光学天线的光栅周期及占空比均与工作波长相匹配。

本实施例中，可以选择输入耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器，然后端面耦合器或光栅耦合器将光波耦合到芯片后，光波通过TE模的单模波导传输到多模干涉耦合器、星型耦合器或者定向耦合器任一种分束器对应的波导中，光波被分为足够多份，通过光开关切换各组的光学天线，使得光学天线对通过该调相器改变相位的光波发射至空间中，实现了根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用，解决了通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题，同时，通过上述的该芯片中各个器件之间的位置关系的设置，简化了整个激光雷达系统的结构。

在一种可能的设计中，本实施例在上述实施例的基础上，例如，在图1所示的实施例的基础上，对芯片进行了详细说明。如上述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片中的调相器为热光调相器或电光调相器。

其中，该热光调相器，用于为所述波导加热，通过热光效应改变所述波导的折射率来改变波导中光波的相位；所述电光调相器，用于向所述波导注入电流，通过电光效应改变波导的折射率来改变波导中光波的相位。

具体地，热光调相器可选用顶部加热型或者两侧加热型，即把加热电极设置在波导的顶部或者两侧，通过加电流或者电压偏制，加热电极产生的热传递到波导(可以为硅波导)中，由于硅是一种热光系数很高的材料，所以很容易改变波导中折射率，而改变各波导中的光波的相位。需要注意的是，为了避免加热电极离波导太近，会吸收波导中的光，从而造成较大的损耗，加热电极需要离波导一定距离，一般大于2um。本实施例中对加热电极和金属引线的材料不做限定，但一般加热电极的电阻率要比金属引线大接近一个量级。电光调相器向所述波导注入电流，当有电流通过时，可以调控硅的折射率，从而改变各波导中的光波的相位。

在一种可能的设计中，本实施例在上述实施例的基础上，例如，在图1所示的实施例的基础上，对光开关的后端的波导结构进行了详细说明。所述光开关的后端的波导交叉结构是由十字交叉波导结构或者双层波导结构形成的。

其中，所述双层波导结构中不同层的波导之间的光波通过消逝波互相耦合。具体地，本实施例中，可以通过波导交叉结构来减少对波导中光波的限制，从而通过消逝波耦合原理，将光波耦合到波导中。

在一种可能的设计中，为了实现大视场范围，本实施例在上述实施例的基础上，例如，在图1所示的实施例的基础上，对光开关的设置进行了详细说明。所述光开关的组数量为N，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N。所述光开关为马赫增德尔干涉型光开关或者微环型光开关。

其中，每组光开关的内部串联，各组光开关均独立控制。

具体地，参见图1所示，光开关是串在光波导中间的，各组的光开关之间是通过波导级联的，且光开关数量与光学天线的组数有关，比如，光开关的组数量为N，所述光学天线的组数量为L，L大于N，且N大于或等于1。

比如，在一种可能的设计中，一组光开关可以控制相邻两组光学天线，即若光开关具有N组，则光学天线具有L＝N+1组，N大于等于1；其中第一组光开关放置于调相器之后，各组光开关的内部串联，第N组光开关与第N-1组光开关连接。比如，第一组光开关与第二组光开关连接，第一组光开关还与第一组光学天线连接；第二组光开关与第三组光开关连接，第二组光开关还与第二组光学天线连接；以此类推，直到第N-1组光开关，第N-1组光开关与第N组光开关连接，第N-1组光开关还与第N-1组光学天线连接，第N组光开关分别与第N组光学天线和第N+1组光学天线连接。

在一种可能的设计中，一组光开关可以控制相邻三组及以上光学天线，假设一组光开关可以控制K组光学天线，则光学天线具有L＝(K-1)*N+1，K大于或等于3。其中，光学天线与光开关所在芯片上的位置和各组光开关之间的连接方式与上述一组光开关控制相邻两组光学天线描述的一致，不同的是一组光开关控制光学天线的组数不同以及调节控制光学天线通光或不通光的光开关方式不同。

因此，通过光开关来切换不同组光学天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用，解决了激光雷达视场范围不大的问题。同时，上述各组光开关与其前端以及后端的结构关系，大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

在一种可能的设计中，本实施例在上述任一实施例的基础上，对可切换天线的相控阵激光雷达芯片进行了详细说明。如上述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片还包括：保护层106。该保护层位于所述顶部硅层的上方并完全覆盖，所述保护层的材料为与CMOS工艺相兼容的材料，且所述保护层的折射率低于硅的折射率。

本实施例中，保护层覆盖在整个可切换天线的相控阵激光雷达芯片上，该保护层为低折射率保护层。该低折射率保护层的材料可选为二氧化硅，厚度可为2～5um。其中，该保护层厚度与工作波长相匹配。

本申请实施例提供了一种相控阵激光雷达，该相控阵激光雷达包括上述任一个实施例所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片。

本实施例中，该相控阵激光雷达包括可切换天线的相控阵激光雷达芯片，由于该芯片，包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位；所述光开关，用于切换各组的光学天线；所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中，由于通过光开关来切换不同组的光学天线，且该片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器的后端，调相器的前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

可选的，由于该可切换天线的相控阵激光雷达芯片具有多组光学天线，不同组光学天线可以具有不同的结构，增加一维扫描点密度，提高扫描分辨率，且其分别对应不同的扫描视场，增加二维扫描角度。通过光开关来切换不同组光学天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用，解决了通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题，而且该片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器的后端，调相器的前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。因此，该相控阵激光雷达能够解决现有技术中通常单个光学天线的相控阵激光雷达芯片视场范围不够的问题，而且还减小整个激光雷达系统的复杂度。

具体地，结合图3所示，图3为本申请再一实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达中含保护层的SOI衬底结构示意图。该相控阵激光雷达可以包括：SOI衬底、输入耦合器、分束器、光学天线、调相器、光开关及保护层；SOI衬底包括：衬底硅层、埋氧化层及顶部硅层；输入耦合器、分束器和多组光学天线在SOI衬底的顶部硅层形成，不同器件通过波导相连接；调相器的工作方式为热光调节或电光调节。由于所述相控阵激光雷达具有多组光学天线，不同组光学天线具有不同的结构，例如光栅周期、占空比、天线间距等，增加一维扫描点密度，提高扫描分辨率，还具有不同的扫描视场，增加二维扫描角度。通过光开关来切换不同组天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用。由于所述基于芯片上可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器后端，其前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

本申请提供了一种使用如上实施例所述的相控阵激光雷达的工作方法，参见图4所示，图4为本申请实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方法的流程示意图。结合图1和图2，本实施例对使用相控阵激光雷达的工作方法进行了详细说明。若所述光开关为N组，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N；所述方法包括：

步骤S101、当光源打开时，调节第一组光开关，使得由所述第一组光开关控制的第一组光学天线通光；

步骤S102、调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第一组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第一电压/电流列表，并对应所述第一组光学天线的视场范围；

步骤S103、调节所述第一组光开关和调节控制第二组光学天线的其他组光开关，使得第二组光学天线通光；

步骤S104、调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第二组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第二电压/电流列表，并对应所述第二组光学天线的视场范围；

步骤S105、继续调节控制与上一组光学天线相邻的当前待通光的光学天线的光开关以及其他所有调节过的光开关，直到调节到第N组光开关，使得由第N组光开关控制的第L组光学天线通光；

步骤S106、调节所述调相器中各通道电压/电流，并记录通过第L组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第L电压/电流列表，并对应第L组光学天线的视场范围。

具体地，为了方便理解可切换天线的相控阵激光雷达芯片的结构以及具体如何工作进而实现大视场范围和降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度，可以通过以下方式说明，需要注意的，以下方式中，若只有一个光开关时，光开关可以视为光开关一2021，以下不再赘述。并且本申请对可切换天线的相控阵激光雷达芯片适用的场景以及实现方式不做限定。

方式一：以两组光学天线为例，参见图2，图2为本发明另一实施例提供的可切换天线的相控阵激光雷达芯片的结构示意图，如图2所示，当有两组光学天线，即光学天线一1031和光学天线二1032，两组光学天线的前端只有一组光开关，通过该组光开关来切换不同组的光学天线来工作。

其中，该方式一提供的两组不同的光学天线，可以结合图5所示的可切换天线的相控阵激光雷达中光学天线的结构俯视图，如图5所示，所述光学天线为阵列波导光栅型光学天线，其中光学天线一和光学天线二具有不同的天线间距，光学天线一的天线间距比较小，对应的扫描范围比较大，扫描范围为φ1，而角分辨率比较低；光学天线二的天线间距比较大，对应的扫描范围则比较小，扫描范围为φ2，而角分辨率比较高。需要注意的，本申请对光学天线的结构不做限定，可以为阵列波导型光栅也可以为其他形式。

具体地，结合方式一中芯片的结构，本申请另一实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方式，如图6所示，包括：

步骤1001：当光源打开时，调节光开关，使光学天线一通光，光学天线二不通光。

具体地，本实施例中，打开光源，并将光源发出的激光通过输入耦合器耦合到可切换天线的相控阵激光雷达芯片上，耦合到芯片上的光经过分束器、调相器和光开关传送到光学天线一和光学天线二，此时，调节光开关的电压或电流，使得激光全部从光学天线一发射，而光学天线二不通光。

步骤1002：调节调相器电压或电流，通过优化光斑的算法，使得光斑完成扫描，扫描范围为φ1，记录扫描电压/电流列表，并记为第一电压/电流列表。

具体地，本实施例中，调节调相器电压或电流，其中当调相器为热光调相器时，是电压驱动，当调相器为电光调相器时，是电流驱动。采用优化光斑的算法，根据发射光斑形态或强度提供的反馈，调节调相器的驱动电压或电流，直到光斑完成一个一维扫描，扫描范围为φ1，并记录扫描过程中不同角度对应调相器的电压/电流值，该扫描过程对应的调相器电压/电流列表记为第一电压/电流列表。

其中，该优化光斑的算法可以为穷举法、梯度下降法、随机梯度下降法或其他优化算法，只要能得到一个收敛的最优结果就可以，本实施例在此不做限定。

步骤1003：调节光开关，使光学天线二通光，光学天线一不通光。

具体地，本实施例中，调节光开关的电压或电流，使得激光全部从光学天线二发射，而光学天线一不通光。

步骤1004：调节调相器电压或电流，通过优化算法，光斑完成扫描，扫描范围为φ2，记录扫描电压/电流列表，并记为第二电压/电流列表。

具体地，本实施例中，采用上述优化光斑的算法，根据发射光斑形态或强度提供的反馈，调节调相器的驱动电压或电流，直到光斑完成一个一维扫描，扫描范围为φ2，并记录扫描过程中不同角度对应调相器的电压/电流值，该扫描过程对应的调相器电压/电流列表记为第二电压/电流列表。

步骤1005：根据不同场景，分别切换光学天线一和光学天线二，并分别调用第一电压/电流列表和第二电压/电流列表，完成对不同场景中目标物的扫描。

具体地，本实施例中，根据不同场景，例如，场景1是一个近距离的场景，要求激光雷达扫描角大，此时需要光学天线一工作，则通过光开关将激光切换到光学天线一，并调用第一电压/电流列表对此场景中的物体进行扫描。而场景2是一个远距离场景，例如道路上200米外的物体，则要求激光雷达的角分辨率高，而扫描范围不需要很大，此时则需要光学天线二工作，则通过光开关将激光切换到光学天线二，并调用第二电压/电流列表对此场景中的物体进行扫描。

方式二：除了上述方式一对应的实施例所述的不同场景切换光学天线外，本申请还提供一种通过将不同组的光学天线的视场拼接，完成一个大扫描范围的相控阵激光雷达芯片以及激光雷达。图7为本申请再一实施例提供的相控阵激光雷达中光学天线的结构截面图，如图7所示，本实施例中，光学天线一和光学天线二具有不同结构，即光学天线一和光学天线二具有不同的光栅周期，而不同的光栅周期对于同一工作波长的发射角度是不同的，如果将不同的光学天线联用，则所述相控阵激光雷达可以实现一个更大的二维扫描范围。

具体地，结合图7所示，以两组光学天线为例，本申请又一实施例提供的使用相控阵激光雷达的工作方式，如图8所示，包括：

步骤2001：当光源打开时，调节光开关，使光学天线一通光，光学天线二不通光。

具体地，在本发明实施例中，打开光源，并将光源发出的激光通过输入耦合器耦合到相控阵激光雷达芯片上，耦合到芯片上的光经过分束器、调相器和光开关传送到光学天线一和光学天线二，此时，调节光开关的电压或电流，使得激光全部从光学天线一发射，而光学天线二不通光。

步骤2002：调节调相器电压或电流，通过优化光斑的算法，光斑完成一维扫描，并调节光源的波长，实现二维扫描，其中调波长扫描范围为θ1。

具体地，本实施例中，调节调相器电压或电流，其中当调相器为热光调相器时，是电压驱动，当调相器为电光调相器时，是电流驱动。采用优化光斑的算法，光斑完成一个一维扫描。而当调节光源波长后，光斑在沿波导方向的发射角度会有所改变，此时再通过调节调相器的电压或电流，完成该方向上的一维扫描。当调相和调波长结合时，可实现一个二维扫描，而此时调波长扫描的范围为θ1。

其中，该优化光斑的算法可以为穷举法、梯度下降法、随机梯度下降法或其他优化算法，只要能得到一个收敛的最优结果就可以，本实施例对优化光斑的算法不做限定。

步骤2003：调节光开关，使光学天线二通光，光学天线一不通光。

具体地，本实施例中，调节光开光的电压或电流，使得激光全部从光学天线二发射，而光学天线一不通光。

步骤2004：调节调相器电压或电流，通过优化算法，光斑完成一维扫描，并调节光源的波长，实现二维扫描，其中调波长扫描范围为θ2。

具体地，本实施例中，采用优化光斑的算法调节调相器的电压或电流，光斑完成一个一维扫描。而当调节光源波长后，光斑在沿波导方向的发射角度会有所改变，此时再通过调节调相器的电压或电流，完成该方向上的一维扫描。当调相和调波长结合时，可实现一个二维扫描，而此时调波长扫描的范围为θ2。

步骤2005：通过光开关的切换，光学天线一和光学天线二分时使用，并结合相位调节和波长调节，实现一个二维扫描，其中调波长实现了扫描范围为θ1加θ2的视场拼接。

具体地，本实施例中，通光调相器、光开关、光学天线一和光学天线二的联合使用，分别实现两个二维扫描范围，而实际扫描范围是该两个光学天线单独工作时视场之和。

由于，以上两种方式所述的实施例所描述的光学天线为两组光学天线，光开关可以控制两个光学天线的通光或不同光，同样，如果光学天线为两组以上时，光开关可以控制两组以上光学天线，以上工作方式同样适用。本申请不限定光学天线的组数，通常大于或等于2组。

当光学天线有L组(大于或等于2)，光开关为L-1组，该场景下光开关可以控制两组光学天线。本实施例提供一种相控阵激光雷达的工作方式，可以具体为：

打开光源，调节第一组光开关(即光开关一2021)，使第一组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，并记录通过第一组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第一电压/电流列表，对应第一组光学天线的视场范围。调节第一组光开关和第二组光开关(即光开关二2022)，使第二组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，记录通过第二组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，并记为为第二电压/电流列表，对应第二组光学天线二的视场范围。

以此类推，直到调节第L-1组光开关，使第L组光学天线通光；调节调相器中各通道电压/电流，并记录通过第L组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第L电压/电流列表，对于第L组光学天线的视场范围。

当光开关为N组，光学天线有L组，N大于或等于1，假如光开关可以控制两组以上光学天线即可以控制K组光学天线，K大于或等于3，则L大于或等于2，即L＝(K-1)*N+1。本实施例提供一种相控阵激光雷达的工作方式，可以具体为：

打开光源，调节第一组光开关，使第一组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，并记录通过第一组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第一电压/电流列表，对应第一组光学天线的视场范围。

调节第一组光开关，使第二组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，并记录通过第二组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第二电压/电流列表，对应第二组光学天线的视场范围。

继续调节第一组光开关，直到使第K-1组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，并记录通过第K-1组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第K-1电压/电流列表，对应第K-1组光学天线的视场范围。

调节第一组光开关和第二组光开关，使第K组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，记录通过第K组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，并记为为第K电压/电流列表，对应第K组光学天线的视场范围。

继续调节第一组光开关和第二组光开关，直到使第2(K-1)组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，记录通过第2(K-1)组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，并记为为第2(K-1)电压/电流列表，对应第2(K-1)组光学天线的视场范围。

调节第一组光开关、第二组光开关和第三组光开关，直到使第2K+1组光学天线通光。调节调相器中各通道电压或电流，记录通过第2K+1组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，并记为为第2K+1电压/电流列表，对应第2K+1组光学天线的视场范围。

以此类推，继续调节控制与上一组光学天线相邻的当前待通光的光学天线的光开关以及其他所有调节过的光开关，直到调节到第N组光开关，且直到使得第L(即(K-1)*N+1)组光学天线通光；调节调相器中各通道电压/电流，并记录通过第L组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，则记为第L电压/电流列表，对于第L组光学天线的视场范围。

因此，上述所有电压/电流列表的集合则对应所述可切换天线的相控阵激光雷达的所有视场范围。实现了根据需求切换不同组的光学天线，并调节对应的电压/电流，完成光斑扫描的电压/电流列表，可以在不同的应用场景使用不同组的光学天线，或不同组天线在一个场景联合使用，实现视场拼接得到一个较大的二维扫描范围。

本申请中，通过设置相控阵激光雷达具有多组光学天线，不同组光学天线具有不同的结构，例如光栅周期、占空比、天线间距等，增加一维扫描点密度，提高扫描分辨率，且分别对应不同的扫描视场，增加二维扫描角度。通过光开关来切换不同天线，从而可以根据不同的应用场景使用不同的光学天线，或不同天线在一个场景联合使用。其中，由于所述可切换天线的相控阵激光雷达的光开关放置于调相器后端，前端所有器件都是共用的，这大大降低了芯片的复杂度及驱动电路的控制难度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，包括：输入耦合器、分束器、光学天线、调相器和光开关，其中，所述光学天线为多组；

所述输入耦合器、所述分束器、所述调相器、所述光开关与所述光学天线依次通过波导连接，所述光开关位于所述调相器和多组光学天线之间；

所述输入耦合器，用于将输入光耦合到所述芯片上；

所述分束器，用于对耦合到所述芯片上的光波进行分束；

所述调相器，用于调节分束后每束光波的相位；

所述光开关，用于切换各组的光学天线；

所述光学天线，用于对通过所述调相器改变相位的光波发射至空间中。

2.根据权利要求1所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述芯片还包括：SOI衬底，所述输入耦合器、分束器和光学天线是在SOI衬底的顶部硅层形成的，所述芯片中的波导为TE模的单模波导，所述TE模的单模波导的形状为脊形波导或者条形波导。

3.根据权利要求1所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述输入耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器；

所述分束器为定向耦合器或者多模干涉耦合器；

所述光学天线为光栅型光学天线；

其中，各组的光学天线的结构不同，各组的光学天线的结构不同为各组的光学天线的光栅周期、占空比、天线间距中至少一项不同。

4.根据权利要求1所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述调相器为热光调相器或电光调相器；

所述热光调相器，用于为所述波导加热，通过热光效应改变所述波导的折射率来改变波导中光波的相位；

所述电光调相器，用于向所述波导注入电流，通过电光效应改变波导的折射率来改变波导中光波的相位。

5.根据权利要求1所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述光开关的后端的波导交叉结构是由十字交叉波导结构或者双层波导结构形成的；

其中，所述双层波导结构中不同层的波导之间的光波通过消逝波互相耦合。

6.根据权利要求1所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述光开关的组数量为N，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N；

其中，每组光开关的内部串联，各组光开关均独立控制。

7.根据权利要求1-6任一项所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述芯片还包括：保护层；

所述保护层位于顶部硅层的上方并完全覆盖，所述保护层的材料为与CMOS工艺相兼容的材料，且所述保护层的折射率低于硅的折射率。

8.根据权利要求7所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片，其特征在于，所述光开关为马赫增德尔干涉型光开关或者微环型光开关。

9.一种相控阵激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的可切换天线的相控阵激光雷达芯片。

10.一种使用如权利要求9所述的相控阵激光雷达的工作方法，其特征在于，若所述光开关为N组，所述光学天线的组数量为L，N大于或等于1，L大于N；所述方法包括：

当光源打开时，调节第一组光开关，使得由所述第一组光开关控制的第一组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第一组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第一电压/电流列表，并对应所述第一组光学天线的视场范围；

调节所述第一组光开关和调节控制第二组光学天线的其他组光开关，使得第二组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压或电流，并记录通过所述第二组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第二电压/电流列表，并对应所述第二组光学天线的视场范围；

继续调节控制与上一组光学天线相邻的当前待通光的光学天线的光开关以及其他所有调节过的光开关，直到调节到第N组光开关，使得由第N组光开关控制的第L组光学天线通光；

调节所述调相器中各通道电压/电流，并记录通过第L组光学天线完成光斑扫描的电压/电流列表，所述电压/电流列表为第L电压/电流列表，并对应第L组光学天线的视场范围。

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