CN113574407A - Lidar系统中输出信号的操纵 - Google Patents

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Abstract

一种LIDAR系统包括解复用器，该解复用器将传出LIDAR信号分离成多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号携带不同的通道，并且不同的通道各自处于不同的波长。该系统还包括接收每个LIDAR输出信号的光束分配器。光束分配器对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。

Description

LIDAR系统中输出信号的操纵
相关申请
本申请是2019年1月25日提交的题为“Optical Sensor System”的美国专利申请序列号62/797,126的延续，并以其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及光学器件。特别地，本发明涉及LIDAR系统。
背景技术
LIDAR技术正被应用于各种应用。LIDAR规范通常规定为视场中最小数量的样本区域生成LIDAR数据。为了生成不同样本区域的LIDAR数据，LIDAR输出信号通常从一个样本区域扫描到另一个样本区域。多种机制用于扫描LIDAR输出信号。然而，这些机制通常利用移动部件，诸如MEMs器件的镜。这些器件通常不适合提供对于LIDAR系统所需的高频、可重复性和长寿命。结果，存在对于改进的操纵LIDAR输出信号的机制的需要。
发明内容
一种LIDAR系统包括解复用器，该解复用器将传出LIDAR信号分离成多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号携带不同的通道。不同的通道各自处于不同的波长。该系统还包括接收每个LIDAR输出信号的光束分配器。光束分配器对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。
LIDAR系统的另一个实施例包括解复用器，该解复用器将传出LIDAR信号分离成多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号在解复用器的输出侧处被接收。每个LIDAR输出信号携带不同的通道，并且不同的通道各自处于不同的波长。该系统还包括接收每个LIDAR输出信号的光束分配器。光束分配器对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。在一些情况下，光束分配器包括透镜或镜、由其组成或基本上由其组成。
一种LIDAR系统具有包括多通道波导的LIDAR芯片。每个通道波导被配置为引导LIDAR输出信号。不同的LIDAR输出信号携带不同的通道。光束分配器同时接收来自通道波导的LIDAR输出信号。光束分配器接收LIDAR输出信号，使得每个LIDAR输出信号以不同的入射角入射在光束分配器上。光束分配器对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。
附图说明
图1A是LIDAR系统的示意图。
图1B是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。
图2是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。
图3是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。
图4图示了被配置为生成携带多个通道的传出光信号的多个光源。
图5图示了包括多个激光源的光源。
图6图示了被配置为生成包括多个通道的光信号的结构的一个示例。
图7A图示了处理单元的示例。
图7B提供了适用于与根据图7A构造的处理单元一起使用的电子器件的示意图。
图8图示了解复用部件的示例。
图9A至图9C图示了图8的解复用部件，其被修改以提供LIDAR输出信号的扫描。图9A图示了调谐到第一配置的解复用部件，并且图9B图示了调谐到第二配置的解复用部件。图9C图示了以入射角接收LIDAR输出信号的光束分配器，该入射角响应于在第一配置和第二配置之间调谐解复用部件而改变。
图10A和图10B图示了图9A和图9B的解复用部件，其被修改为包括用于调谐的机制，其中传出光信号在解复用器的输入侧被接收。图10A图示了调谐到第一配置的解复用部件，并且图10B图示了调谐到第二配置的解复用部件。
图11是用作解复用部件中的解复用器的阵列波导光栅解复用器的俯视图。
图12A和图12B图示了适用于图10A至10B的解复用部件中使用的光学开关的构造。图12A是光学开关的示意图。图12B是适用于在图12A的光学开关中使用的马赫-曾德尔干涉仪的示意图。
具体实施方式
LIDAR系统包括解复用器，该解复用器将传出LIDAR信号分离成多个不同的LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号与不同的通道相关联。LIDAR系统还包括光束分配器（诸如透镜），其同时接收LIDAR输出信号，并将它们导向视场中的不同样本区域。
在一些情况下，解复用器被调谐以便改变每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径。每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径的改变引起LIDAR输出信号远离光束分配器行进的方向的改变。结果，调谐每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径，以便将LIDAR输出信号扫描到视场中的不同样本区域。
多种机制适用于调谐每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径。例如，诸如光学开关之类的机构和温度调谐可以集成到诸如绝缘体上硅平台之类的光学平台中，并且可以是固态机构。结果，公开了一种用于操纵LIDAR输出信号的固态机构。
图1A是LIDAR系统的示意图。该系统包括光源10，诸如输出传出光信号的激光器。传出光信号携带多个不同的通道，每个通道处于不同的波长。通道的波长可以周期性地间隔开，使得从一个通道到下一个通道的波长增加是恒定的或基本恒定的。用于生成具有周期性间隔波长的多个通道的合适光源10包括但不限于梳状激光器；多路复用到单个光学波导中的多个单波长激光器；诸如在2017年11月30日提交的授权专利号7542641、名称为“Multi-Channel Optical Device”并且以其整体并入本文的美国专利申请序列号11/998,846中描述的源。
LIDAR系统还包括实用波导12，其从光源10接收传出光信号。调制器14可选地沿着实用波导12定位。调制器14被配置为调制传出光信号的功率，并相应地调制（一个或多个）LIDAR输出信号。电子器件可以操作调制器14。因此，电子器件可以调制传出LIDAR信号的功率，并相应地调制（一个或多个）LIDAR输出信号。合适的调制器14包括但不限于PIN二极管载流子注入器件、马赫-曾德尔调制器器件和电吸收调制器器件。当调制器14构造在绝缘体上硅平台上时，在1993年9月21日提交的、名称为Integrated Silicon PIN DiodeElectro-Optic Waveguide并且以其整体并入本文的美国专利申请序列号617,810中公开了一种合适的调制器。
放大器16可选地沿着实用波导12定位。由于传出光信号的功率分布在多个通道当中，因此放大器16在实用波导12上为每个通道提供所期望的功率水平可能是合期望的。合适的放大器包括但不限于半导体光学放大器（SOA）。
实用波导12将来自调制器14的传出光信号携带到信号导向部件18。信号导向部件18可以将传出光信号导向LIDAR分支20和/或数据分支22。LIDAR分支输出LIDAR输出信号并接收LIDAR输入信号。数据分支处理LDAR输入信号以用于生成LIDAR数据（LIDAR系统与定位在LIDAR系统之外的反射对象之间的距离和/或径向速度）。
LIDAR分支包括LIDAR信号波导24，其从信号导向部件18接收至少一部分传出光信号。LIDAR信号波导24将至少一部分传出光信号携带到解复用部件26。当传出光信号携带处于不同波长的多个不同通道时，解复用部件26将传出光信号分离成多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号处于不同的波长（通道）并被导向视场中的不同样本区域。解复用部件26输出LIDAR输出信号，其可以被定位在LIDAR系统之外的反射对象（未示出）反射。反射的LIDAR输出信号作为LIDAR输入信号返回到解复用部件26。解复用部件26组合LIDAR输入信号，并在LIDAR信号波导24上输出结果作为传入光信号。
在一些情况下，解复用部件26还包括光束操纵功能性。在这些情况下，解复用部件26可以与电子器件（未示出）电通信，该电子器件可以操作解复用部件26，以便将LIDAR输出信号操纵到视场中的不同样本区域。解复用部件26和/或电子器件可以被配置为使得不同的LIDAR输出信号被独立操纵或者被同时操纵。
尽管解复用部件26被图示为单个部件，但是解复用部件26可以包括多个光学部件和/或电部件。合适的解复用部件26包括但不限于光学相控阵列（OPA）、透射衍射光栅、反射衍射光栅和衍射光学元件（DOE）。具有光束操纵能力的合适的解复用部件26包括但不限于阵列波导上具有有源相位控制元件的光学相控阵列（OPA）。
LIDAR信号波导24将传入光信号携带到信号导向部件18。信号导向部件18将传入光信号导向实用波导12和/或比较信号波导28。被导向比较信号波导28的传入光信号的部分充当比较传入光信号。
比较信号波导28将比较传入光信号携带到比较解复用器30。当比较光信号携带多个通道时，比较解复用器30将比较传入光信号划分成不同的比较信号，每个比较信号携带通道中的不同一个。比较解复用器30在不同的比较波导32上输出比较信号。比较波导32中的每一个将一个比较信号携带到不同的处理部件34。
信号导向部件18被配置为使得当信号导向部件18将至少一部分传入光信号导向比较信号波导28时，信号导向部件18还将传出光信号的至少一部分导向参考信号波导36。由参考信号波导36接收的传出光信号的部分充当参考光信号。
参考信号波导36将参考光信号携带到参考解复用器38。当参考光信号携带多个通道时，参考解复用器38将参考光信号划分成不同的参考信号，每个参考信号携带不同的通道。参考解复用器38在不同的参考波导40上输出参考信号中的每一个。参考波导40各自将一个参考信号携带到不同的一个处理部件34。
比较波导32和参考波导40被配置为使得比较信号和对应的参考信号在相同的处理部件34处被接收。例如，比较波导32和参考波导40被配置为使得携带（相同波长）的相同通道的比较信号和对应的参考信号在相同的处理部件34处被接收。
如下面将更详细描述的，处理部件34中的每一个将比较信号与对应的参考信号组合，以形成携带视场上样本区域的LIDAR数据的复合信号。因此，可以处理复合信号，以便提取样本区域的LIDAR数据。
信号导向部件18可以是光学耦合器。当信号导向部件18是光学耦合器时，信号导向部件18将传出光信号的第一部分导向LIDAR信号波导24，并且将传出光信号的第二部分导向参考信号波导36，并且还将传入光信号的第一部分导向实用波导12，并且将传入光信号的第二部分导向比较信号波导28。因此，传入光信号的第二部分可以充当比较传入光信号，并且传出光信号的第二部分可以充当参考光信号。
信号导向部件18可以是光学开关，诸如交叉开关。合适的交叉开关可以在交叉模式或通过模式下操作。在通过模式下，传出光信号被导向LIDAR信号波导24，并且传入光信号将被导向实用波导12。在交叉模式下，传出光信号被导向参考信号波导36，并且传入光信号被导向比较信号波导28。因此，传入光信号或传入光信号的一部分可以充当比较光信号，并且传出光信号或传出光信号的一部分可以充当参考光信号。
诸如交叉开关的光学开关可以由电子器件控制。例如，电子器件可以控制操作开关，使得开关在交叉模式或通过模式下。当LIDAR输出信号将从LIDAR系统传送时，电子器件操作开关，使得开关在通过模式下。当LIDAR系统将接收LIDAR输入信号时，电子器件操作开关，使得开关在交叉模式下。相比于与光学耦合器作为信号导向部件18的使用相关联，开关的使用可以提供更低的光学损耗水平。
在信号导向部件18的操作的上面描述中，比较光信号和参考光信号同时被导向数据分支22。结果，处理部件34可以各自将比较信号与携带相同通道的参考信号（对应的参考信号）组合。
在一些情况下，光学放大器42可选地沿着LIDAR信号波导24定位，并且被配置为提供传出光信号和/或传入光信号的放大。因此，可以减少信号导向部件18处的光学损耗的影响。
图1B图示了图1A的LIDAR系统，其被修改为包括光学环行器作为信号导向部件18。光学环行器被配置为使得传出光信号被导向LIDAR信号波导24，并且传入光信号被导向比较信号波导28。比较信号波导28将比较传入光信号携带到比较解复用器30。附加地，分接部件44沿着实用波导12定位。分接部件44被配置为分接传出光信号的第一部分，使得传出光信号的第一部分在参考信号波导36上被接收。由参考信号波导36接收的传出光信号的第一部分充当参考光信号。参考信号波导36将参考光信号携带到参考解复用器38。因此，如在图1A的上下文中所公开的，电子器件可以操作图1B的LIDAR系统。合适的光学环行器包括但不限于基于法拉第旋转器的光纤环行器和集成光学环行器。尽管图1B的信号导向部件18被公开为光学环行器，但是图1B的信号导向部件18可以是光学耦合器或光学开关。
来自激光源的光通常是线性偏振的，并且因此LIDAR输出信号也通常是线性偏振的。来自目标的反射可以改变返回光的偏振角。因此，如果线性偏振态不同，则LIDAR输入信号可以包括光。例如，LIDAR输入信号的第一部分可以包括第一线性偏振态的光，并且LIDAR输入信号的第二部分可以包括第二线性偏振态的光。所得复合信号的强度与比较信号和参考信号偏振之间的角度余弦的平方成比例。如果角度为90度，则LIDAR数据可能在所得复合信号中丢失。结果，LIDAR系统可以被修改以补偿LIDAR输出信号的偏振态的改变。
图2是图1A和/或图1B的LIDAR系统的示意图，其被修改以补偿LIDAR输出信号的偏振改变。分接部件44沿着实用波导12定位。分接部件44被配置为分接传出光信号的第一部分，使得传出光信号的第一部分在第一参考信号波导46上被接收。由第一参考信号波导46接收的传出光信号的第一部分充当第一参考光信号。分接部件44还被配置为分接传出光信号的第二部分，使得传出光信号的第二部分在第二参考信号波导48上被接收。由第二参考信号波导48接收的传出光信号的第二部分充当第二参考光信号。
第一参考信号波导46将第一参考光信号携带到第一参考解复用器50。当第一参考光信号包括多个通道时，第一参考解复用器50将第一参考光信号划分成不同的第一参考信号，每个第一参考信号具有不同的波长。第一参考解复用器50在不同的第一参考波导52上输出第一参考信号。第一参考波导52各自携带第一参考信号中的一个到若干个第一处理部件54中的一个。
第二参考信号波导48将第二参考光信号携带到第二参考解复用器56。当第二参考光信号包括多个通道时，第二参考解复用器56将第二参考光信号划分成不同的第二参考信号，每个第二参考信号具有不同的波长。第二参考解复用器56在不同的第二参考波导58上输出第二参考信号。第二参考波导58中的每一个携带第二参考信号中的一个到若干个第二处理部件60中的不同一个。
实用波导12将传出光信号携带到信号导向部件18。信号导向部件18将传出光信号导向LIDAR信号波导24。LIDAR信号波导24从解复用部件26接收传入光信号，并将传入光信号携带到信号导向部件18。信号导向部件18将传入光信号导向中间波导62。合适的信号导向部件18包括但不限于环行器、2x2光学耦合器、1x2光学耦合器和开关。
中间波导62将传入光信号的接收部分携带到分束器64。分束器64将光束分成前驱比较传入信号和第二比较传入信号。前驱比较传入信号在前驱比较信号波导65上被接收，并且第二比较传入信号在第二比较信号波导66上被接收。前驱比较信号波导65将前驱比较传入信号携带到偏振旋转器67。偏振旋转器67输出在第一比较信号波导69上接收的第一比较传入信号。第一比较信号波导69将第一比较传入信号携带到第一比较解复用器68，并且第二比较信号波导66将第二比较传入信号携带到第二比较解复用器70。
当第一比较传入光信号携带多个通道时，第一比较解复用器68将第一比较传入光信号划分成不同的第一比较信号，每个第一比较信号具有不同的波长。第一比较解复用器68在不同的第一比较波导72上输出第一比较信号。第一比较波导72各自将第一比较信号之一携带到不同的第一处理部件54。
当第二比较光信号包括多个通道时，第二比较解复用器70将第一比较传入光信号划分成不同的第二比较信号，每个第二比较信号具有不同的波长。第二比较解复用器70在不同的第二比较波导74上输出第二比较信号。第二比较波导74各自将第二比较信号之一携带到不同的第二处理部件60。
第一比较波导72和第一参考波导52被配置为使得在相同的第一处理部件54处接收比较信号和对应的参考信号。例如，第一比较波导72和第一参考波导52被配置为使得相同波长的第一比较信号和第一参考信号在相同的第一处理部件54处被接收。
第二比较波导74和第二参考波导58被配置为使得在相同的第二处理部件60处接收比较信号和携带相同通道的参考信号。例如，第二比较波导74和第二参考波导58被配置为使得相同波长的第二比较信号和第二参考信号在相同的第二处理部件60处被接收。
第一处理部件54各自将第一比较信号与对应的第一参考信号组合，以形成携带视场上样本区域的LIDAR数据的第一复合信号。第二处理部件60各自将第二比较信号与对应的第二参考信号组合，以形成携带视场上样本区域的LIDAR数据的第二复合信号。
LIDAR系统被构造成使得第一比较信号具有与对应的第二比较信号相同的偏振态角。例如，分束器64可以是偏振分束器。偏振分束器的一个示例被构造成使得前驱比较传入信号中的通道具有第一偏振态，但不具有或基本上不具有第二偏振态，并且第二比较传入信号中的通道具有第二偏振态，但不具有或基本上不具有第一偏振态。例如，偏振分束器可以将具有第一偏振态的传入光信号的一部分路由到前驱比较信号波导65，并且将具有第二偏振态的传入光信号的一部分路由到第二比较信号波导66。第一偏振态和第二偏振态可以是线性偏振态，并且第二偏振态不同于第一偏振态。例如，第一偏振态可以是TE，并且第二偏振态可以是TM，或者第一偏振态可以是TM，并且第二偏振态可以是TE。合适的分束器包括但不限于渥拉斯顿棱镜、基于MEMs的偏振分束器和使用不对称y分支的集成光学偏振分束器、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器。
偏振态旋转器可以被配置为将前驱比较传入信号中的通道的偏振态从第一偏振态改变为第二偏振态。结果，第一比较传入信号中的通道具有第二偏振态，但不具有或基本上不具有第一偏振态。因此，第一比较传入信号中的通道和第二比较传入信号中的对应通道各自具有相同的偏振态（在本讨论中为第二偏振态）。由第一比较传入信号所导致的第一比较信号具有与由第二比较传入信号所导致的对应第二比较信号相同的偏振态角。合适的偏振态旋转器包括但不限于保偏光纤的旋转、法拉第旋转器、半波片、基于MEMs的偏振旋转器和使用不对称y分支的集成光学偏振旋转器、马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器。
由于（一个或多个）LIDAR输出信号是线性偏振的，所以第一参考信号可以具有与对应的第二参考信号相同的线性偏振态角。例如，第一参考信号和第二参考信号可以各自具有与第一比较传入信号和第二比较传入信号相同的偏振态。因此，第一比较信号、第二比较信号、第一参考信号和第二参考信号可以各自具有相同的偏振态。在该示例中，第一比较信号、第二比较信号、第一参考信号和第二参考信号可以各自具有第二偏振态的光。
作为以上配置的结果，第一复合信号各自是由组合参考信号和相同偏振态的比较信号所导致的，并且将相应地在参考信号和比较信号之间提供期望的拍动。例如，第一复合信号各自是由组合参考信号和第一偏振态的比较信号所导致的，并且排除或基本排除第二偏振态的光，或者第一复合信号各自是由组合参考信号和第二偏振态的比较信号所导致的，并且排除或基本排除第一偏振态的光。类似地，第二复合信号各自包括参考信号和相同偏振态的比较信号，将相应地在参考信号和比较信号之间提供期望的拍动。例如，第二复合信号各自是由组合参考信号和第一偏振态的比较信号所导致的，并排除或基本排除第二偏振态的光，或者第一复合信号各自是由组合参考信号和第二偏振态的比较信号所导致的，并排除或基本排除第一偏振态的光。
上面配置导致视场中单个样本区域的LIDAR数据出现在为样本区域生成的多个不同复合信号（即第一复合信号和第二复合信号）中。在一些情况下，确定样本区域的LIDAR数据包括电子器件组合来自不同复合信号（即，第一复合信号和第二复合信号）的LIDAR数据。组合LIDAR数据可以包括对从多个不同的复合信号生成的LIDAR数据取平均值、中值或模值。例如，电子器件可以将LIDAR输出信号源与根据第一复合信号确定的反射对象之间的距离与根据第二复合信号确定的距离进行平均，和/或电子器件可以将LIDAR输出信号源和根据第一复合信号确定的反射对象之间的径向速度与根据第二复合信号确定的径向速度进行平均。
在一些情况下，确定样本区域的LIDAR数据包括电子器件将一个或多个复合信号（即第一复合信号和/或第二复合信号）标识为最能表示现实的LIDAR数据（代表性LIDAR数据）的源。然后，电子器件可以使用来自所标识的复合信号的LIDAR数据作为用于附加处理的代表性LIDAR数据。例如，电子器件可以将具有较大振幅的信号（第一复合信号或第二复合信号）标识为具有代表性的LIDAR数据，并且可以使用来自所标识信号的LIDAR数据，以供LIDAR系统进一步处理。在一些情况下，电子器件将标识具有代表性LIDAR数据的复合信号与组合来自不同LIDAR信号的LIDAR数据相结合。例如，电子器件可以将具有高于振幅阈值的振幅的每个复合信号标识为具有代表性LIDAR数据，并且当多于两个复合信号被标识为具有代表性LIDAR数据时，电子器件可以组合来自每个所标识复合信号的LIDAR数据。当一个复合信号被标识为具有代表性LIDAR数据时，电子器件可以使用来自该复合信号的LIDAR数据作为代表性LIDAR数据。当没有复合信号被标识为具有代表性LIDAR数据时，电子器件可以丢弃与那些复合信号相关联的样本区域的LIDAR数据。
尽管图2是在部件被布置成使得第一比较信号、第二比较信号、第一参考信号和第二参考信号各自具有第二偏振态的上下文中描述的，但是图2中的部件的其他配置可以被布置成使得第一复合信号是由组合参考信号和相同线性偏振态的比较信号所导致的，并且第一复合信号是由组合参考信号和相同线性偏振态的比较信号组合所导致的。例如，偏振态旋转器可以沿着第一参考信号波导46而不是在前驱比较信号波导65与第一比较信号波导69之间定位。作为另一个示例，当第一参考信号和第二参考信号各自具有第一偏振态时，偏振态旋转器可以沿着第二比较信号波导66定位。
上面系统配置导致LIDAR输入信号的第一部分（具有第一偏振态的部分）和LIDAR输入信号的第一部分（具有第二偏振态的部分）被引导成不同的复合信号。例如，系统配置可以导致第一复合信号包括比第一复合信号更多的来自LIDAR输入信号的第一部分的功率，并且第二复合信号包括比第一复合信号更多的来自LIDAR输入信号的第二部分的功率。替代地，系统配置导致第一复合信号包括比第一复合信号更多的来自LIDAR输入信号的第二部分的功率，并且第二复合信号包括比第一复合信号更多的来自LIDAR输入信号的第一部分的功率。在一些情况下，LIDAR输入信号的第一部分具有零功率或基本零功率，或者LIDAR输入信号的第二部分具有零功率或基本零功率。
上面LIDAR系统可以包括与LIDAR分支相关联的多于一个数据分支。例如，图3的LIDAR系统图示了LIDAR系统，其中多个光源10向LIDAR分支提供通道，并且多个数据分支从LIDAR分支接收光信号。
尽管上面LIDAR系统被图示为具有单个光源10，但是LIDAR系统可以具有多个光源10，如图4中所图示的。光源10包括M个光源10，每个光源10生成N个通道。每个通道被接收在通道波导80上。通道波导将通道携带到通道多路复用器82，通道多路复用器82组合通道，以便形成在实用波导12上接收的传出光信号。
在图4中，每个通道被标记为
Figure 580120DEST_PATH_IMAGE001
，其中i是光源10的数量，并且是从1到M，并且j是光源10j的通道数量，并且是从1到N。如上面所指出的，光源10可以被配置为使得通道的波长周期性地间隔开，使得从一个通道到下一个通道的波长增加（
Figure 28419DEST_PATH_IMAGE002
）是恒定的或者基本恒定的。在一些情况下，光源10被配置为使得具有相邻波长的通道由不同的光源10生成。例如，光源10可以被配置为使得
Figure 214681DEST_PATH_IMAGE003
。用于该配置的合适的光源10包括但不限于梳状激光器。在这种配置中，通道多路复用器可以是循环多路复用器，其被设计为具有等于通道多路复用器的自由光谱范围（FSR）的倍数的波长间隔（
Figure 141049DEST_PATH_IMAGE004
）。因此，通道复用器可以被设计成在波长范围（
Figure 860481DEST_PATH_IMAGE005
）内循环。合适的循环多路复用器包括但不限于来自Gemfire的“无色”AWG（8通道循环阵列波导光栅，2018）。
光源10的数量的合适值（M）包括但不限于大于或等于2、4或8和/或小于16、32或64的值。由光源10提供的通道数量的合适值（N）包括但不限于大于或等于2、4或8和/或小于16、32或64的值。从一个通道到下一个通道的波长增加的合适值（
Figure 214102DEST_PATH_IMAGE002
）包括但不限于大于或等于0.2 nm、0.4 nm或0.6 nm和/或小于0.8 nm、1.0 nm或1.5 nm的值。具有最短波长的通道的波长的合适值包括但不限于大于或等于1.3
Figure 746714DEST_PATH_IMAGE006
、1.4
Figure 86560DEST_PATH_IMAGE006
或1.5
Figure 286597DEST_PATH_IMAGE006
和/或小于1.6
Figure 545540DEST_PATH_IMAGE006
、1.7
Figure 706394DEST_PATH_IMAGE006
或1.8
Figure 708985DEST_PATH_IMAGE006
的值。在一个示例中，LIDAR系统包括大于或等于2、4或8和/或小于16、32或64的M；大于或等于2、4或8，和/或小于16、32或64的N；以及大于或等于0.2 nm、0.4nm或0.6 nm和/或小于0.8 nm、1 nm或1.5 nm的
Figure 638895DEST_PATH_IMAGE002
。
在一些情况下，光源10被配置为使得至少一部分光源10各自生成具有相邻波长的两个或更多个通道。例如，光源10可以被配置为使得
Figure 599898DEST_PATH_IMAGE007
Figure 107102DEST_PATH_IMAGE008
。用于这种配置的合适的光源10包括但不限于梳状激光器。在这种配置中，通道多路复用器可以是具有至少为
Figure 287286DEST_PATH_IMAGE009
的带宽的宽带多路复用器。合适的宽带多路复用器包括但不限于阵列波导光栅（AWG）和薄膜滤波器。
如上面所指出的，光源10中的一个或多个可以是梳状激光器。然而，光源10的其他构造是可能的。例如，图5图示了包括多个激光源84的光源10的示例。图5中所图示的光源10包括多个激光源84，每个激光源84输出源波导86上的一个通道。源波导86将通道携带到激光多路复用器88，激光多路复用器88组合通道，以便形成在通道波导或实用波导12上接收的光信号。电子器件可以操作激光源84，因此激光源84同时输出每个通道。与根据图5构造的光源10一起使用的合适的激光器包括但不限于外腔激光器、分布式反馈激光器（DFB）和法布里-珀罗（FP）激光器。外腔激光器由于它们一般较窄的线宽——这可以降低检测信号中的噪声——而在该实施例中是有利的。
图6图示了可能的光源10构造的另一个示例。光源10包括增益元件90，诸如半导体激光器的增益元件。增益波导92与增益元件光学对准，以便从增益元件接收光信号。在一些情况下，增益波导排除增益元件中包含的增益介质。例如，增益波导可以是绝缘体上硅芯片上的脊形波导。多个部分返回器件94沿着增益波导定位，使得部分返回器件与光信号相互作用。
在操作期间，电子器件操作增益元件，使得增益介质传出光信号。部分返回器件94各自通过光信号的一部分。实用波导12从部分返回器件接收的光信号部分充当传出光信号。部分返回器件还将光信号的一部分返回到增益元件，使得光信号的返回部分行进通过增益元件。增益元件可以包括全反射层或部分反射层，其从增益元件接收光信号的返回部分，并将光信号的返回部分反射回增益元件，从而允许光信号的返回部分被放大和发射激光。因此，光源10可以是外腔激光器。
部分返回器件可以被配置为使得每个部分返回器件返回不同波长的光。例如，部分返回器件可以被配置为使得由至少一个部分返回器件返回将由光源10输出的每一个通道的波长。结果，每个期望的通道将发射激光并出现在传出光信号中。合适的部分返回器件包括但不限于布拉格光栅。
图7A至图7B图示了用于在上面LIDAR系统中使用的合适处理部件的示例。第一分离器102将参考波导40、52或58上携带的参考信号划分到第一参考波导110和第二参考波导108上。第一参考波导110将参考信号的第一部分携带到光组合部件111。第二参考波导108将参考信号的第二部分携带到第二光组合部件112。
第二分离器100将比较波导30、72或74上携带的比较信号划分到第一比较波导104和第二比较波导106上。第一比较波导104将比较信号的第一部分携带到光组合部件111。第二比较波导108将比较信号的第二部分携带到第二光组合部件112。
第二光组合部件112将比较信号的第二部分和参考信号的第二部分组合成第二复合信号。由于比较信号的第二部分和参考信号的第二部分之间的频率差，第二复合信号在比较信号的第二部分与参考信号的第二部分之间拍动。光组合部件112还将所得第二复合信号分离到第一辅助检测器波导114和第二辅助检测器波导116上。
第一辅助检测器波导114将第二复合信号的第一部分携带到第一辅助光传感器118，第一辅助光传感器118将第二复合信号的第一部分转换成第一辅助电信号。第二辅助检测器波导116将第二复合信号的第二部分携带到第二辅助光传感器120，第二辅助光传感器120将第二复合信号的第二部分转换成第二辅助电信号。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）。
第一光组合部件111将比较信号的第一部分和参考信号的第一部分组合成第一复合信号。由于比较信号的第一部分与参考信号的第一部分之间的频率差，第一复合信号在比较信号的第一部分与参考信号的第一部分之间拍动。光组合部件111还将第一复合信号分离到第一检测器波导121和第二检测器波导122上。
第一检测器波导121将第一复合信号的第一部分携带到第一光传感器123，第一光传感器123将第二复合信号的第一部分转换成第一电信号。第二检测器波导122将第二复合信号的第二部分携带到第二辅助光传感器124，第二辅助光传感器124将第二复合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）。
第一参考波导110和第二参考波导108被构造成在参考信号的第一部分与参考信号的第二部分之间提供相移。例如，第一参考波导110和第二参考波导108可以被构造成以便在参考信号的第一部分与参考信号的第二部分之间提供90度相移。作为示例，一个参考信号部分可以是同相分量，并且另一个是正交分量。因此，参考信号部分之一可以是正弦函数，并且另一个参考信号部分可以是余弦函数。在一个示例中，第一参考波导110和第二参考波导108被构造成使得第一参考信号部分是余弦函数，并且第二参考信号部分是正弦函数。因此，第二复合信号中的参考信号部分相对于第一复合信号中的参考信号部分相移，然而，第一复合信号中的比较信号部分相对于第二复合信号中的比较信号部分没有相移。
第一光传感器123和第二光传感器124可以连接为平衡检测器，并且第一辅助光传感器118和第二辅助光传感器120也可以连接为平衡检测器。例如，图7B提供了电子器件、第一光传感器123、第二光传感器124、第一辅助光传感器118和第二辅助光传感器120之间关系的示意图。光电二极管的符号用于表示第一光传感器123、第二光传感器124、第一辅助光传感器118和第二辅助光传感器120，但是这些传感器中的一个或多个可以具有其他构造。在一些情况下，图7B的示意图中所图示的全部部件都包括在LIDAR系统中。在一些情况下，图7B的示意图中所图示的部件分布在LIDAR系统与定位在LIDAR系统之外的电子器件之间。
电子器件将第一光传感器123和第二光传感器124连接为第一平衡检测器125，并且将第一辅助光传感器118和第二辅助光传感器120连接为第二平衡检测器126。特别地，第一光传感器123和第二光传感器124串联连接。附加地，第一辅助光传感器118和第二辅助光传感器120串联连接。第一平衡检测器中的串行连接与第一数据线128通信，第一数据线128携带来自第一平衡检测器的输出作为第一数据信号。第二平衡检测器中的串行连接与第二数据线132通信，第二数据线132携带来自第一平衡检测器的输出作为第二数据信号。由于比较信号与参考信号之间的拍动，即第一复合信号中和第二复合信号中的拍动，第一数据信号和第二数据信号正在拍动。
第一数据线128将第一数据信号携带到第一开关134。第一开关可以：处于第一配置，其中第一数据信号被携带到距离分支136；或者处于第二配置，其中第一数据信号被携带到速度分支138。在图7B中，第一开关134示出为处于第一配置。第二数据线132将第二数据信号携带到第二开关140。第二开关可以：处于第一配置，其中第二数据信号被携带到距离分支136；或者处于第二配置，其中第二数据信号被携带到速度分支138。在图7B中，第二开关140示出为处于第一配置。用作第一开关和/或第二开关的合适开关包括但不限于机电开关和固态MOSFET或PIN二极管开关。
电子器件操作第一开关和第二开关，使得它们在第一时段期间和在第二时段期间处于相同的配置。例如，电子器件可以操作第一开关和第二开关，使得第一开关和第二开关在第一时段期间均处于第一配置，并且在第二时段期间均处于第二配置。在这个示例中，第一数据信号和第二数据信号在第一时段期间被携带到距离分支136，并且在第二时段期间被携带到速度分支138。
在LIDAR系统操作期间，LIDAR数据的生成被划分为一系列循环，其中LIDAR数据是为每次循环生成的。在一些情况下，每次循环对应于视场中不同的样本区域。因此，不同的循环可以为视场中的不同区域生成LIDAR数据。
可以执行循环，使得每次循环的时间可以被划分成不同的时间段，其包括距离时间段（第一时段）和速度时间段（第二时段）。反射对象与LIDAR芯片之间的距离可以在距离时段内确定，并且反射对象与LIDAR芯片之间的径向速度可以在速度时段内确定。
电子器件被配置为使用第一数据信号和第二数据信号来确定或至少近似LIDAR系统和反射对象之间的距离。例如，在第一时段期间，电子器件可以操作调制器14，以便将线性调频添加到传出LIDAR信号、以及相应地LIDAR输出信号的振幅。将线性调频添加到振幅可以包括调制传出LIDAR信号的振幅，使得传出LIDAR信号的振幅是正弦曲线的函数。在一个示例中，传出LIDAR信号的振幅被调制，使得传出LIDAR信号的振幅是包括正弦曲线的函数的平方根和/或是正弦曲线的平方根。例如，可以对传出LIDAR信号进行调制，以便产生经调制的传出LIDAR信号和数学上由等式1：
Figure 196336DEST_PATH_IMAGE010
表示的LIDAR输出信号，其中M、N、C、D和F是常数，t表示时间，M>0、N>0并且
Figure 938027DEST_PATH_IMAGE011
，以便防止被开方数变为负，
Figure 932528DEST_PATH_IMAGE012
。如下面将变得显而易见的，F可以是LIDAR输出信号频率（fc）的函数。在等式1中，可以选择F和C，使得
Figure 542501DEST_PATH_IMAGE013
。
距离分支包括第一距离分支线142。在第一时段期间，第一距离分支线142将第一数据信号携带到第一乘法器144。在图7B中，第一乘法器144被配置为对第一数据信号的振幅进行平方，并输出第一相乘数据信号。距离分支包括第二距离分支线146。在第一时段期间，第二距离分支线146将第二数据信号携带到第二乘法器148。在图7B中，第二乘法器148被配置为对第二数据信号的振幅进行平方，并输出第二相乘数据信号。合适的第一乘法器和/或第二乘法器包括但不限于RF混频器，诸如吉尔伯特单元混频器。
距离分支包括加法器150，其将第一相乘数据信号和第二相乘数据信号相加。加法器输出相加的数据信号。合适的加法器包括但不限于RF组合器，包括电阻或混合组合器。距离分支包括低通滤波器152，其接收相加的数据信号并输出拍动数据信号。低通滤波器被选择来移除对相加的数据信号的高频贡献，这些高频贡献是参考信号和返回信号混合的假象。低通滤波器可以选择为具有大于或等于：
Figure 181424DEST_PATH_IMAGE014
的带宽，其中
Figure 484229DEST_PATH_IMAGE015
表示LIDAR输入信号相对于LIDAR系统将为其提供可靠结果的LIDAR输入信号的多普勒频移的最大水平，
Figure 841392DEST_PATH_IMAGE016
表示LIDAR输出信号的传送和LIDAR输入信号的接收之间的最大延迟，并且
Figure 989477DEST_PATH_IMAGE017
表示在采样时段（即第一时段）的持续时间期间，添加到经调制传出LIDAR信号振幅的线性调频频率的改变率。在一些情况下，根据B/T确定
Figure 873119DEST_PATH_IMAGE017
，其中B表示采样时段持续时间期间添加到经调制传出LIDAR信号振幅的线性调频频率的改变，并且T是采样时段的持续时间。在一些情况下，T根据下式确定：
Figure 455148DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure 424241DEST_PATH_IMAGE019
表示传出LIDAR信号的波长，
Figure 110437DEST_PATH_IMAGE020
：表示速度分辨率，并且B可以根据下式确定：
Figure 989531DEST_PATH_IMAGE021
，其中c表示光速，并且
Figure 368560DEST_PATH_IMAGE022
表示距离分辨率。在一些情况下，滤波器具有大于0.1 GHz、0.2 GHz或0.3 GHz和/或小于0.4 GHz、0.5 GHz或1 GHz的带宽。扫描时段（T）的对应值可以是10
Figure 700316DEST_PATH_IMAGE023
、8
Figure 190203DEST_PATH_IMAGE024
、4
Figure 517279DEST_PATH_IMAGE025
、3
Figure 208154DEST_PATH_IMAGE025
、2
Figure 151840DEST_PATH_IMAGE025
和1
Figure 445418DEST_PATH_IMAGE025
。
距离分支包括模数转换器（ADC）154，其从滤波器接收拍动数据信号。模数转换器（ADC）154将拍动数据信号从模拟形式转换成数字形式，并将结果作为数字LIDAR数据信号输出。如上面所讨论的，拍动数据信号的转换包括以采样速率对拍动数据信号进行采样。向LIDAR输出信号的振幅添加线性调频显著地减少或移除了来自复合信号和所得电信号的拍动的径向速度的影响。例如，LIDAR输出信号相对于LIDAR输入信号的频移（“频移”，
Figure 266481DEST_PATH_IMAGE026
）可以写成
Figure 987312DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 293660DEST_PATH_IMAGE028
表示由于多普勒频移所致的频率改变，并且
Figure 125350DEST_PATH_IMAGE029
是由于反射对象与LIDAR系统之间的分离所致的频率改变。传出LIDAR信号可以被调制，以便产生经调制的传出LIDAR信号，以及相应地也被调制的LIDAR输出信号，其中由于多普勒频移所致的频率改变（
Figure 958176DEST_PATH_IMAGE030
）小于将从如下正弦LIDAR输出信号而发生的多普勒频移的10%、5%、1%或者甚至0.1%，所述正弦LIDAR输出信号充当LIDAR并且具有恒定振幅和与经调制的传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号相同的频率。例如，传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号可以被调制，以便产生经调制的传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号，其中由于多普勒频移所致的频率改变（
Figure 459696DEST_PATH_IMAGE030
）小于将从如下连续波而发生的多普勒频移的10%、5%、1%或甚至0.1%，所述连续波充当LIDAR输出信号并且具有与经调制的传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号相同的频率。在另一个示例中，传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号被调制，以便产生经调制的传出LIDAR信号和/或LIDAR输出信号，其中由于多普勒频移所致的频率改变（
Figure 377973DEST_PATH_IMAGE031
）小于将从充当LIDAR输出信号的调制前的传出LIDAR信号（未调制的传出LIDAR信号）而发生的多普勒频移的10%、5%、1%或甚至0.1%。这些结果可以通过增加等式1变量F相对于C的值来实现。例如，F可以表示
Figure 13354DEST_PATH_IMAGE032
，并且C可以表示
Figure 310474DEST_PATH_IMAGE033
，其中
Figure 373108DEST_PATH_IMAGE034
标示经调制传出LIDAR信号振幅中频率线性调频的基频。因此，通过增加LIDAR输出信号频率（
Figure 910441DEST_PATH_IMAGE035
）相对于线性调频基频（
Figure 615092DEST_PATH_IMAGE036
）的值，可以相对于C增加F。作为示例，
Figure 891353DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 265833DEST_PATH_IMAGE036
可以被选择为使得
Figure 627545DEST_PATH_IMAGE037
。在一些情况下，选择
Figure 745673DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 876440DEST_PATH_IMAGE038
，使得
Figure 546456DEST_PATH_IMAGE039
∶
Figure 270830DEST_PATH_IMAGE040
的比率大于2∶1、10∶1、1x104∶1、5xl04或1xl05∶1和/或小于5xl05、lxl06、5xl06或5xl08。因此，对于F∶C的比率，变量F和C也可以具有这些相同的值。从频移中减少和/或移除由于多普勒频移所致的频率改变（
Figure 51704DEST_PATH_IMAGE030
）降低了拍频，并相应地减小了所需的采样速率。
距离分支包括变换模块156，其从模数转换器（ADC）154接收数字LIDAR数据信号。变换模块156被配置为对数字LIDAR数据信号执行实变换，以便从时域转换到频域。该转换为LIDAR输入信号相对于由反射对象和LIDAR系统之间的距离引起的LIDAR输入信号偏移的频率偏移提供了明确的解决方案。合适的实变换是傅立叶变换，诸如快速傅立叶变换（FFT）。将变换分类为实变换将变换与复变换（诸如复傅立叶变换）区分开来。变换模块可以使用固件、硬件或软件或其组合来执行属性功能。
由于变换模块提供的频率没有来自由于相对移动所致的频移的输入，或者没有来自由于相对移动所致的频移的实质性输入，因此所确定的频移可以用于近似反射对象和LIDAR系统之间的距离。例如，电子器件可以使用等式3：
Figure 302557DEST_PATH_IMAGE041
来近似反射对象和LIDAR系统（R0）之间的距离，其中
Figure 517375DEST_PATH_IMAGE026
可以近似为从变换模块输出的峰值频率，并且c是光速。
速度分支可以被配置为使用第一数据信号和第二数据信号来确定或至少近似LIDAR系统和反射对象的径向速度。在图1A至图2的上下文中公开的具有作为时间的函数的频率的LIDAR输出信号可以被LIDAR输出信号代替，其中LIDAR输出信号的频率不是时间的函数。例如，LIDAR输出信号可以是连续波（CW）。例如，在第二时段期间，经调制的传出LIDAR信号以及相应的LIDAR输出信号可以是未线性调频的连续波（CW）。作为示例，经调制的传出LIDAR信号以及相应的LIDAR输出信号可以由等式2：
Figure 853679DEST_PATH_IMAGE042
表示，其中G和H是常数，并且t表示时间。在一些情况下，G表示传出LIDAR信号功率的平方根，和/或H表示来自等式1的常数F。在光源的输出具有对经调制传出LIDAR信号所期望的波形的情况下，电子器件不需要操作调制器14以便修改传出LIDAR信号。在这些情况下，（一个或多个）光源的输出可以充当经调制传出LIDAR信号，并相应地充当LIDAR输出信号。在一些情况下，电子器件操作调制器14，以便生成具有期望形式的经调制传出LIDAR信号。
由于LIDAR输出信号的频率在第二时段内是恒定的，因此改变反射对象和LIDAR系统之间的距离不会引起LIDAR输入信号的频率改变。结果，分离距离对LIDAR输入信号的频率相对于LIDAR输出信号的频率的偏移没有贡献。因此，分离距离的影响已经从LIDAR输入信号的频率相对于LIDAR输出信号的频率的偏移中移除或基本上移除。
速度分支包括第一速度分支线160和第二速度分支线160。在第二时段期间，第一速度分支线160将第一数据信号携带到模数转换器（ADC）164，模数转换器（ADC）164将第一数据信号从模拟形式转换成数字形式，并输出第一数字数据信号。如上面所讨论的，通过以采样速率对第一数据信号进行采样来完成第一数据信号的转换。使用连续波作为LIDAR输出信号基本上移除了反射对象和LIDAR系统之间的距离对复合信号和所得电信号的拍动影响。因此，降低了拍动，并且降低了所需的采样速率。
第二速度分支线162将第二数据信号携带到模数转换器（ADC）166，模数转换器（ADC）166将第二数据信号从模拟形式转换成数字形式，并输出第二数字数据信号。如上面所讨论的，第二数据信号的转换包括以采样速率对第二数据信号进行采样。使用连续波作为LIDAR输出信号基本上减少或消除了反射对象与LIDAR系统之间的距离对第二复合信号和所得电信号的拍动的影响。因此，降低了拍动，并且降低了所需的采样速率。
模数转换器（ADC）164的采样速率可以与模数转换器（ADC）166的采样速率相同或不同。
速度分支包括变换模块168，其接收来自模数转换器（ADC）164的第一数字数据信号和来自模数转换器（ADC）166的第二数字数据信号。由于第一数据信号是同相分量，并且第二数据信号是正交分量，所以第一数据信号和第二数据信号一起充当复数速度数据信号，其中第一数据信号是实分量，并且第二数据信号是虚分量。结果，第一数字数据信号可以是数字速度数据信号的实部，并且第二数据信号可以是数字速度数据信号的虚部。变换模块168可以被配置为对数字速度数据信号执行复变换，以便从时域转换到频域。这种转换为LIDAR输入信号相对于由反射对象和LIDAR系统之间的径向速度引起的LIDAR输入信号的频率偏移提供了明确的解决方案。合适的复变换是傅立叶变换，诸如复快速傅立叶变换（FFT）。变换模块可以使用固件、硬件或软件或其组合来执行属性功能。
因为变换模块168提供的频移由于反射对象与LIDAR系统之间的分离距离而没有来自频移的输入，并且由于速度数据信号的复杂性质，变换模块168的输出可以用于近似反射对象和LIDAR系统之间的径向速度。例如，电子器件可以使用等式4：
Figure 313610DEST_PATH_IMAGE043
来近似反射对象和LIDAR系统之间的径向速度（v），其中
Figure 418969DEST_PATH_IMAGE044
近似为从变换模块168输出的峰值频率，c是光速，并且
Figure 430787DEST_PATH_IMAGE045
表示LIDAR输出信号的频率。
可以向图7B的示意图添加附加的部件。例如，当LIDAR系统生成多个LIDAR输出信号或与生成LIDAR输出信号的其他LIDAR系统一起使用时（即，借助于频分或波分复用、FDM/WMD），LIDAR系统可以包括一个或多个滤波器，以从拍动数据信号和/或速度数据信号的实部和/或虚部中移除干扰信号。因此，除了所图示的部件之外，LIDAR系统可以包括一个或多个滤波器。合适的滤波器包括但不限于低通滤波器。在光学设计的情况下，如果干扰分量的频率落在（一个或多个）平衡检测器的带宽之外，则附加滤波可能不是必需的，因为它可以由（一个或多个）平衡检测器有效地提供。
在第一时段和第二时段期间使用的采样速率可以被选择为具有大于或等于从由第一时段的最小采样速率和第二时段的最小采样速率组成的组中选择的两个值中的较大一个的值。例如，在第一时段期间，第一时段采样速率（fs1）的速率范围可以由
Figure 864174DEST_PATH_IMAGE046
确定，其中
Figure 252430DEST_PATH_IMAGE047
表示LIDAR输出信号的传送和LIDAR输入信号的接收之间的最大时间量。在第二时段期间，第二时段采样速率（fs2）的速率范围可以由
Figure 212296DEST_PATH_IMAGE048
确定，其中
Figure 270382DEST_PATH_IMAGE049
表示LIDAR输入信号相对于LIDAR系统将为其提供可靠结果的LIDAR输入信号的多普勒频移的最大水平。最大值由LIDAR系统将为其提供可靠结果的最大水平确定。因此，最大距离一般对应于在LIDAR规范中设置的视场距离，并且最大多普勒频移一般对应于在规范中设置的最大径向速度值处出现的多普勒频移。这两个等式示出了，第一时段的最小采样速率为
Figure 581277DEST_PATH_IMAGE050
，并且第二时段的最小采样速率为
Figure 881546DEST_PATH_IMAGE051
。结果，采样速率被选择为具有大于或等于
Figure 961498DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 315119DEST_PATH_IMAGE053
中较大一个的值。换句话说，在第一时段和第二时段期间使用的采样速率（
Figure 988677DEST_PATH_IMAGE054
）是
Figure 453156DEST_PATH_IMAGE055
。在一些情况下，在第一时段和第二时段期间使用的采样速率（
Figure 122035DEST_PATH_IMAGE054
）大于或等于0.1 GHz、0.2 GHz或0.5 GHz和/或小于1 GHz、2 GHz或4 GHz。
上面对LIDAR系统操作的描述假设在实用波导12上存在调制器；然而，调制器是可选的。在这些情况下，电子器件可以操作（一个或多个）光源10，以便在第一时段期间增加传出LIDAR信号的频率，并且在第二时段期间，电子器件可以降低传出LIDAR信号的频率。2018年5月15日提交的题为“Optical Sensor Chip”并以其整体并入本文的美国专利申请序列号62/671，913中公开了用于从所得复合信号中提取LIDAR数据的合适方法。。
图8图示了可选地包括光束操纵能力的合适的解复用部件26的示例。解复用部件26包括从LIDAR信号波导24接收传出光信号的解复用器184。所图示的解复用器184包括输入侧186，通过该输入侧186接收传出光信号，尽管其他配置也是可能的。解复用器184将传出光信号分离成不同的通道信号，每个通道信号与一个通道相关联。所图示的解复用器184包括输出侧188，通道信号通过该输出侧188从解复用器184离开，尽管其他配置也是可能的。每个通道信号在不同的通道波导190上接收。例如，在所图示的解复用器中，通道信号可以通过输出侧188中的光学端口从解复用器184离开，并且每个都在连接到输出侧188的不同通道波导190上被接收。每个通道波导190终止于刻面192，通道信号通过该刻面192从通道波导190离开。从通道波导190离开的通道信号充当LIDAR输出信号之一。由于解复用器184的实施例可以在没有通道波导190的情况下构造，所以通道波导190是可选的。
如上面所指出的，LIDAR输出信号被远离LIDAR系统定位的对象反射。反射的LIDAR输出信号充当进入通道波导190的（一个或多个）LIDAR输入信号，或者当通道波导190不存在时，通过输出侧188进入解复用器184。在每种情况下，解复用器184接收（一个或多个）LIDAR输入信号，并将所述（一个或多个）LIDAR输入信号组合成传入LIDAR信号。传入LIDAR信号在LIDAR信号波导24上被接收。因此，传入LIDAR信号可以包括来自LIDAR输入信号和LIDAR输出信号的光、由其组成或基本由其组成。
用于与LIDAR系统一起使用的合适的解复用器包括但不限于阵列波导光栅（AWG）、中阶梯光栅和反射光栅。用于集成到诸如绝缘体上硅晶片之类的光学平台中的合适的解复用器包括但不限于阵列波导光栅（AWG）、中阶梯光栅和反射光栅。解复用器184将传出光信号分离成不同的通道信号，每个通道信号与一个通道相关联。用于集成到诸如绝缘体上硅晶片之类的光学平台中的合适的解复用器包括但不限于阵列波导光栅（AWG）和反射光栅。用于集成到诸如绝缘体上硅晶片之类的光学平台中的合适的解复用器包括但不限于阵列波导光栅（AWG）和反射光栅。用于集成到诸如绝缘体上硅晶片之类的光学平台中的合适的解复用器的示例可以在如下中找到：具有专利申请序列号485,014的美国专利号5,002,350，于1990年2月26日提交，题为 Optical Multiplexer/Demultiplexer，并且以其整体并入本文；以及D. Chowdhury的“Design of Low-Loss and Polarization-InsensitiveReflection Grating-Based Planar Demultiplexers”（在IEEE Journal of SelectedTopics in Quantum Electronics, Vol. 6,2000年3月/4月中）。
LIDAR系统还包括光束分配器200，其接收LIDAR输出信号并改变LIDAR输出信号的至少一部分的方向，使得不同的LIDAR输出信号被分配到视场中的不同样本区域。例如，合适的光束分配器可以接收LIDAR输出信号，并且重定向至少一部分LIDAR输出信号，使得LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进，因此不同的LIDAR输出信号可以被导向视场中的不同样本区域。图8中所示的光束分配器是透镜。图8示出了平行于透镜光轴的光线入射在光束分配器200的不同位置上的路径。合适的光束分配器的示例包括但不限于无源部件，诸如聚焦镜和透镜。光束分配器200可以包括不同光束分配器的组合或由其组成。例如，合适的光束分配器200可以包括一个或多个透镜和一个或多个镜。
在一些情况下，将（一个或多个）LIDAR输出信号扫描到视场中的不同样本区域可能是合期望的。图9A和图9B图示了图8的解复用器184，其被修改以提供（一个或多个）LIDAR输出信号的扫描。解复用器184包括布置在一个或多个活动组中的通道波导190，其中每个活动组包括一个或多个通道波导190。在图9A和图9B中，第一活动组中的通道波导190标记为A，而第二活动组中的通道波导190标记为B。不同的活动组包括对通道波导的不同选择；然而，一个或多个通道波导190可以属于多于一个活动组。
当解复用器184被调谐到一种配置时，活动组之一中的通道波导可以各自接收通道信号之一，而一个或多个其他活动组中的通道波导不接收通道信号。例如，图9A示出了调谐到第一配置的解复用器184，其中第一活动组中的每个通道波导接收通道信号之一，而第二活动组中没有通道波导接收通道信号之一。当解复用器184被调谐到另一种配置时，活动组中的另一个中的通道波导可以各自接收通道信号之一，而一个或多个其他活动组中的通道波导不接收通道信号。例如，图9B示出了调谐到第二配置的解复用器184，其中第二活动组中的每个通道波导接收通道信号之一，而第一活动组中没有通道波导接收通道信号之一。
如从图9A和图9B显而易见的，通道波导可以被布置成使得对于全部或部分通道信号，当接收通道信号的通道波导改变时，接收通道信号（LIDAR输出信号）的光束分配器200的区域改变。为了说明这一点，第一配置的LIDAR输出信号在图9A和图9B中标记为CSA至CSC，并且第二配置的LIDAR输出信号在图9B中标记为CSA’至CSC’。标记为CSA和CSA’的LIDAR输出信号携带相同的通道。标记为CSB和CSB’的LIDAR输出信号携带相同的通道。标记为CSC和CSC’的LIDAR输出信号携带相同的通道。结果，图9B比较了当LIDAR系统处于第一配置中时和当LIDAR系统处于第二配置中时每个LIDAR输出信号行进的方向。
在图9A和图9B中，当处于不同配置中时，平行于透镜光轴的光线入射在光束分配器200的不同位置上。图9C图示了LIDAR输出信号CSB和CSB’的整个路径，而不仅仅是平行于光轴的光线。实线用于图示LIDAR输出信号CSB’的路径，并且虚线用于图示LIDAR输出信号CSB的路径。每个图示的路径还包括中心光线。如从比较LIDAR输出信号CSB和CSB’的路径显而易见的，通道波导190被配置为使得LIDAR输出信号的路径和中心光线入射在光束分配器200上的角度在不同的配置中改变。结果，LIDAR输出信号远离LIDAR系统行进的方向响应于解复用器184的调谐而改变。例如，图9C中的LIDAR输出信号被示为源自光束分配器200的焦平面的不同区域，并且响应于解复用器184的调谐而在不同方向上远离LIDAR系统行进。因此，LIDAR输出信号的全部或一部分被导向的样本区域响应于解复用器184的调谐而改变。因此，可以调谐解复用器184，以便将LIDAR输出信号从一个样本区域扫描到另一个样本区域。图9C图示了通道波导190，其被布置成使得光束分配器接收光束分配器的不同区域上的不同LIDAR输出信号的全部或一部分；然而，通道波导190可以被布置成使得光束分配器在光束分配器的相同或基本相同的区域上接收不同LIDAR输出信号的全部或一部分。
多种机制可用于调谐解复用器，以便调谐每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径。在一些情况下，调谐机构调谐传出光信号入射在解复用器184的输出侧上何处。合适的机制包括但不限于加热和/或冷却解复用器184的全部或一部分，以及对诸如阵列波导光栅（AWG）之类的解复用器中的阵列波导进行相位调谐。例如，相移器件（诸如PIN二极管）可以用在AWG中阵列波导的全部或一部分上。输入波导24的用以调谐通道信号入射在解复用器184的输入侧上何处的机械移动也可以用来调谐通道信号入射在解复用器184的输出侧上何处。
用于调谐每个LIDAR输出信号远离解复用器行进的路径的另一种机制是调谐通道信号行进通过解复用器的路径。例如，可以调谐通道信号入射在解复用器184的输入侧186上的位置，以便调谐通道信号行进通过解复用器的路径。图10A图示了图9A和图9B的解复用部件，其被修改为包括用于调谐在解复用器184的输入侧186上何处接收传出光信号的机制。LIDAR信号波导24将传出光信号引导至光学开关220。电子器件操作光学开关220，使得传出光信号被导向若干个输入波导222之一。每个输入波导222被配置为将传出光信号携带到解复用器184的输入侧186上的不同区域。因此，电子器件可以调谐在解复用器184的输入侧186上何处接收传出光信号。如与图9A和图9B的解复用部件一样，解复用器184将传出光信号分离成不同的通道信号，每个通道信号与通道之一相关联。从解复用器184离开的通道信号各自在不同的通道波导190上被接收。每个通道波导在刻面192处结束，通道信号通过刻面192从通道波导离开。从通道波导离开的通道信号各自充当LIDAR输出信号之一。由于解复用器184的实施例可以在没有通道波导190的情况下构造，所以通道波导190是可选的。
光学开关220可以被配置为在两个方向上操作。例如，当LIDAR输出信号被远离LIDAR系统定位的对象反射时，反射的LIDAR输出信号充当（一个或多个）LIDAR输入信号，所述（一个或多个）LIDAR输入信号通过输出侧188进入解复用器184。解复用器184接收（一个或多个）LIDAR输入信号，并将（一个或多个）LIDAR输入信号组合成在输入波导之一上接收的传入LIDAR信号。输入波导222将传入LIDAR信号携带到光学开关220。光学开关将传入LIDAR信号导向LIDAR信号波导24。
如在图9A和图9B的上下文中所公开的，通道波导190被布置在多个不同的活动组中，其中每个活动组包括一个或多个通道波导190。在图10A和图10B中，第一活动组中的通道波导标记为A，第二活动组中的通道波导标记为B，并且第二活动组中的通道波导标记为C。
如从图10A和图10B显而易见的，输入波导222被布置成使得当光学开关220将LIDAR输入信号导向输入波导之一时，活动组之一中的通道波导可以各自接收通道信号之一，而一个或多个其他活动组中的通道波导不接收通道信号。例如，图10A示出了光学开关220将LIDAR输入信号导向输入波导光学开关220中的第一个，并且第二活动组中的每个通道波导接收通道信号之一，而第一活动组和第三活动组中没有通道波导接收通道信号之一。当光学开关220将LIDAR输入信号导向另一个输入波导时，另一个活动组中的通道波导可以各自接收通道信号之一，而一个或多个其他活动组中的通道波导不接收通道信号。例如，图10B示出了光学开关220将LIDAR输入信号导向输入波导中的第二个，其中第三活动组中的每个通道波导接收通道信号之一，而第一活动组和第二活动组中没有通道波导接收通道信号之一。
如在图9A和图9B的上下文中所描述的，改变接收通道信号的活动组改变了通道信号（LIDAR输出信号）远离LIDAR系统行进的方向。因此，全部或部分LIDAR输出信号被导向的视场上的样本区域响应于光学开关改变接收传出LIDAR信号的输入波导而改变。因此，电子器件可以操作光学开关，以便将LIDAR输出信号从一个样本区域扫描到另一个样本区域。
上面公开了用于调谐通道信号入射在解复用器输出侧上何处的多种机制。解复用部件可以利用用于调谐通道信号入射在解复用器输出侧上何处的多于一种机制。例如，解复用部件可以如图10A和图10B的上下文中公开的那样构造，并且还包括图9A和图9B的上下文中公开的调谐机制。
在图8至图10B的LIDAR系统中，光束分配器200可以可选地相对于解复用器固定。例如，光束分配器200和解复用器可以集成在同一LIDAR芯片上。替代地，光束分配器200和解复用器可以固定在公共平台上。在这些情况下，用于操纵LIDAR输出信号的上面机制提供了固态操纵解决方案。
在一些情况下，光束分配器200相对于解复用器是移动的。例如，电子器件可以操作相对于彼此的光束分配器200和/或解复用器的致动器，以便改变通道信号入射在光束分配器200上何处。位置的这种改变对LIDAR输出信号的方向进行改变，并且作为公开的用于操纵LIDAR输出信号的其他机制的替代物或附加于其他机制，可以用于操纵LIDAR输出信号。
适合用作图8至图10B的解复用器的解复用器的示例是阵列波导光栅解复用器。图11是适合与绝缘体上硅晶片集成使用的阵列波导光栅（AWG）解复用器构造的俯视图。解复用器包括阵列波导光栅230，其在第一光分布器232和第二光分布器234之间提供光路。LIDAR信号波导24与充当解复用器输入侧186的第一光分配器的一侧对接。替代地，输入波导222（图11中未示出）与充当解复用器输入侧的第一光分布器的一侧对接。通道波导190与充当解复用器输出侧188的第二光分配器的一侧对接。用于第一光分布器和第二光分布器的合适部件包括但不限于星形耦合器。用于调谐通道信号入射在根据图11构造的解复用器的输出侧188上何处的合适方法包括但不限于温度调谐，诸如热光调谐。用于调谐通道信号入射在解复用器的输出侧188上何处的另一种合适的方法包括借助于加热器或PIN二极管对阵列波导光栅230中的全部或部分波导进行相位调谐。根据图11构造的可调谐解复用器的示例可以在 “Modeling and Validation of High Performance and Athermal AWGsfor the Silicon Photonics Platform”（Proceedings SPIE Vol. 9891（2016））中找到。
用于用作图10A的光学开关220的合适的光学开关包括但不限于那些依据基于热光效应、电光效应和磁光效应的原理操作的光学开关。图12A和图12B图示了适用于与绝缘体上硅晶片集成的级联光学开关的构造。图12A是光学开关220的示意图，光学开关220包括级联的多个1x2光学开关240，以便提供1x3光学开关220。1x2光学开关240各自被配置为在不同的开关输出波导244之间切换在开关输入波导242上接收的光信号。如图12A中显而易见的，LIDAR信号波导24可以充当开关输入波导242之一，和/或输出波导244可以充当另一个1x2光学开关的开关输入波导242。此外，在一些情况下，开关输出波导244可以充当输入波导222。
各种光学开关适合用作1x2光学开关。用于集成到绝缘体上硅平台中的合适的1x2光学开关的示例包括但不限于马赫-曾德尔干涉仪、可调谐耦合器和具有衰减器的分离器。图12B是合适的马赫-曾德尔干涉仪的示意图。该开关包括连接开关输入波导242和开关输出波导244的第一开关波导260。第二开关波导262连接到另一个开关输出波导244。第一开关波导260和第二开关波导262包括在第一光学耦合器264中和第二光学耦合器266中。移相器268沿着第二开关波导262或第一开关波导260定位在第一光学耦合器264和第二光学耦合器266之间。合适的移相器包括但不限于PIN二极管、操作在载流子耗尽模式中的PN结、和热加热器。
上面LIDAR系统可以集成在单个芯片上。针对包括上面LIDAR系统的芯片可以采用多种平台。合适的平台包括但不限于绝缘体上硅晶片。上面部件中的一个或多个和/或上面部件的部分可以与芯片整合在一起，或者可以利用诸如倒装芯片结合技术之类的技术放置在芯片上。例如，光源10可以包括增益元件和一个或多个其他部件，诸如波导。波导可以与芯片整合在一起，并且增益元件可以是与芯片分离但是利用倒装芯片结合而附接到芯片的部件。替代地，上述LIDAR系统可以用分立部件构造。例如，全部或部分波导可以是连接分立部件的光纤。替代地，LIDAR系统的一个或多个部分可以集成在芯片上，而其他部分是分立部件。例如，实用波导12可以是或包括光纤，该光纤提供光源10和光学芯片之间的光学通信，该光学芯片包括LIDAR系统的其余部分。
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他实施例、组合和修改。因此，本发明将仅受以下权利要求的限制，权利要求在结合以上说明书和附图查看时包括全部这样的实施例和修改。

Claims (20)

1.一种LIDAR系统，包括：
解复用器，其将传出LIDAR信号分离成携带不同通道的多个LIDAR输出信号；和
光束分配器，其接收LIDAR输出信号中的每个并对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，光束分配器是透镜。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：用于调谐在解复用器的输出侧上何处接收LIDAR输出信号的机构。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，调谐机构包括光学开关。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，多个输入波导被配置为将来自光学开关的传出LIDAR信号携带到解复用器的输入侧的不同区域。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，多个通道波导各自从解复用器接收LIDAR输出信号中的不同一个，并且光束分配器从通道波导接收LIDAR输出信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，解复用器和通道波导定位在LIDAR芯片上。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，LIDAR芯片构造在绝缘体上硅平台上。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，解复用器选自由阵列波导光栅和中阶梯光栅组成的组。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，通道波导被布置在多个活动组中，使得当所述LIDAR系统被调谐到第一配置时，LIDAR输出信号的至少一部分各自被导向活动组中的第一个中的通道波导之一，但是没有一个LIDAR输出信号被导向活动组中的第二个中的通道波导。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，当所述LIDAR系统被调谐到第一配置时，全部的LIDAR输出信号各自被导向第一活动组中的通道波导之一。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，当所述LIDAR系统被调谐到第二配置时，LIDAR输出信号的至少一部分各自被导向第二活动组中的通道波导之一。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，当所述LIDAR系统被调谐到第二配置时，全部的LIDAR输出信号各自被导向第二活动组中的通道波导之一。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，光束分配器被配置为使得当所述LIDAR系统被调谐到第一配置时，光束分配器以不同于当所述LIDAR系统被调谐到第二配置时的入射角接收LIDAR输出信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，当所述LIDAR系统被调谐到第二配置时，没有一个LIDAR输出信号被导向第一组中的通道波导。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，解复用器和光束分配器是固态部件。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，光束分配器同时接收LIDAR输出信号中的每个。
18.一种LIDAR系统，包括：
包括多个通道波导的LIDAR芯片，每个通道波导引导携带不同通道的LIDAR输出信号；和
同时接收来自通道波导的LIDAR输出信号的光束分配器，
光束分配器接收LIDAR输出信号，使得每个LIDAR输出信号以不同的入射角入射在光束分配器上，并且
光束分配器对接收的LIDAR输出信号进行导向，使得不同的LIDAR输出信号在不同的方向上远离光束分配器行进。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，光束分配器定位在LIDAR芯片之外。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，通道波导中的每个从相同的解复用器接收LIDAR输出信号之一。
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