CN113614569A - 具有降低的散斑灵敏度的lidar系统 - Google Patents

Abstract

生成多个LIDAR输出信号，并将其同时导向视场中的相同样本区域。LIDAR输出信号具有一个或多个光学分集，所述光学分集选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号相对于样本区域的入射角的分集组成的组。

Description

具有降低的散斑灵敏度的LIDAR系统

相关申请

本申请要求于2019年2月9日提交的题为“LIDAR System with Reduced SpeckleSensitivity”的美国临时专利申请序列号62/803,459的权益，并且以其整体并入本文。

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

散斑是一种可能影响LIDAR系统性能的现象，LIDAR系统输出由漫反射表面反射的相干LIDAR输出信号。由于LIDAR系统中反射对象的表面一般是漫反射表面或半漫反射器，因此对象反射的LIDAR输出信号的大部分不是如从镜状表面将发生的那样被镜面反射，而是取而代之在多个方向上散射，从而形成具有多个波前的LIDAR输入信号。

LIDAR输入信号的相干性质会导致多个波前之间的干涉，从而引起相位和强度变化。这些变化可能是远场图像中亮斑和暗斑的来源，因此有了术语“散斑图案”。对于LIDAR应用，这些变化可能对性能有害，因为它们可能引起可变数量的光耦合回LIDAR芯片，并且因此在某些条件下引起信号“衰减”。对于给定波长下的LIDAR输出信号，这些条件将随着表面的属性、LIDAR输出信号在反射对象上的入射角、LIDAR输出信号的偏振、反射对象与LIDAR输出信号源的距离以及LIDAR输出信号在反射对象和LIDAR输出信号源之间行进所通过的大气引入的路径长度的变化（诸如由空气密度的变化引起的）而变化。

由于漫反射器的性质，散斑效应将随着波束在表面上的位置而变化。结果，反射对象的快速运动可能引起测量时段期间的信号衰减。因为它是一种干涉效应，所以针对反射对象给定位置和大气条件的散斑图案将随着LIDAR输出信号的波长和偏振以及LIDAR输出信号源和反射对象之间的距离而变化。

由于散斑所致的信号衰减限制了LIDAR系统的性能，因为这可能导致增加的测量不准确性，并且甚至无法在给定点进行测量。结果，需要提供对散斑具有降低灵敏度的改进的相干LIDAR系统。

发明内容

一种LIDAR系统具有生成多个LIDAR输出信号的一个或多个LIDAR芯片。所述系统还包括操作一个或多个LIDAR芯片的电子器件，使得LIDAR输出信号同时被导向视场中的相同样本区域。LIDAR输出信号具有选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号在样本区域上的入射角分集组成的组的一个或多个光学分集。

操作LIDAR系统包括生成多个LIDAR输出信号。LIDAR输出信号同时被导向视场中的相同样本区域，使得LIDAR输出信号具有选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号在样本区域上的入射角分集组成的组的一个或多个光学分集。

附图说明

图1是LIDAR芯片的俯视图。

图2是由绝缘体上硅晶片构造的根据图1的LIDAR芯片的一部分的横截面。

图3A是LIDAR系统的示意图。

图3B是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。

图4是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。

图5是LIDAR系统的另一个实施例的示意图。

图6图示了被配置为生成包括多个通道的传出光信号的多个光源。

图7图示了包括多个激光源的光源。

图8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9A图示了处理单元的示例。

图9B提供了适用于与根据图9A构造的处理单元一起使用的电子器件的示意图。

图9C图示了包括波束操纵能力的输出部件的示例。

图10呈现了被配置为生成多个LIDAR输出信号的复合LIDAR芯片的配置。

图11呈现了复合LIDAR芯片的配置，其在公共衬底上具有多个LIDAR芯片。

图12图示了多个LIDAR芯片，每个LIDAR芯片输出不同的LIDAR输出信号，并且每个LIDAR输出信号入射在视场中的相同样本区域上。

图13图示了单个LIDAR芯片，每个LIDAR芯片输出多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号入射在视场中的相同样本区域上。

图14图示了一LIDAR芯片，其输出多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号入射在视场中的相同样本区域上并且处于不同的波长。

图15图示了一LIDAR芯片，其输出多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号入射在视场中的相同样本区域上并且处于不同的波长。

具体实施方式

生成多个LIDAR输出信号，并将其同时导向视场中的相同样本区域。LIDAR输出信号具有选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号相对于样本区域或样本区域中的对象的入射角分集组成的组的一个或多个光学分集。导向样本区域的不同LIDAR输出信号可以各自用于生成针对样本区域的不同LIDAR数据结果（LIDAR输出信号源与反射对象之间的距离和/或径向速度）。结果，每个样本区域可以具有多个不同的LIDAR数据结果，每个LIDAR数据结果与朝向样本区域被导向的不同的一个LIDAR输出信号相关联。由于导向样本区域的每个LIDAR输出信号具有不同的光学特性，因此散斑的影响降低到可接受的水平或者不存在于至少一个LIDAR数据结果中的机会增加了。结果，针对样本区域的不同LIDAR数据结果被处理，以便降低散斑的影响。例如，可以对不同的LIDAR数据结果进行平均，以便生成样本区域的合成LIDAR数据。替代地，最有可能降低来自散斑影响的LIDAR数据结果可以被标识并用作合成LIDAR数据。例如，当LIDAR输出信号被反射对象反射时，LIDAR输入信号产生并被LIDAR芯片接收。由具有最高功率水平的LIDAR芯片接收的LIDAR输入信号可以被标识，并且相关联的LIDAR数据结果可以被用作合成LIDAR数据。结果，LIDAR系统可以从LIDAR数据降低或者甚至消除散斑影响。

图1是LIDAR芯片的俯视图。图示的LIDAR芯片包括光子集成电路（PIC），并且可以是光子集成电路芯片。LIDAR芯片包括激光腔。激光腔包括光源10，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。LIDAR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，因此光源的刻面与腔波导12的刻面光学对准，以允许光源和腔波导12交换光信号。腔波导12将光信号携带到部分返回器件14。图示的部分返回器件14是光栅，诸如布拉格光栅。然而，可以使用其他部分返回器件14；例如，镜可以与中阶梯光栅和阵列波导光栅结合使用。

部分返回器件14将光信号的返回部分作为返回信号返回到腔波导12。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行进通过增益介质。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、完全或部分反射的器件15，其将从增益介质接收的返回信号反射回到增益介质中。结果，光可以在部分返回器件14与反射器件15之间共振，从而形成分布式布拉格反射器（DBR）激光腔。与DFB激光器相比，DBR激光腔具有固有的窄线宽和较长的相干长度，并且因此当从LIDAR芯片反射LIDAR输出信号的对象定位得离LIDAR系统更远时改进性能。

部分返回器件14将从腔波导12接收的光信号的一部分传递到LIDAR芯片上包括的实用波导16。实用波导16从部分返回器件14接收的光信号的一部分充当激光腔的输出。激光腔的输出充当实用波导16上的传出LIDAR信号。实用波导16终止于刻面18，并将传出LIDAR信号携带到刻面18。刻面18可以被定位成使得通过刻面18行进的传出LIDAR信号离开LIDAR芯片并充当LIDAR输出信号。例如，刻面18可以定位在LIDAR芯片的边缘处，因此通过刻面18行进的传出LIDAR信号离开LIDAR芯片并充当LIDAR输出信号。

LIDAR输出信号远离LIDAR芯片行进，并被LIDAR信号路径中的对象反射。反射信号远离对象行进。反射信号中的至少一部分返回到实用波导16的刻面18。因此，反射信号的一部分可以通过刻面18进入实用波导16，并充当由实用波导16引导的LIDAR输入信号。

实用波导16可以可选地在刻面18之前包括锥形部分。例如，实用波导16可以包括终止于刻面18的锥形20。锥形20可以放宽将实用波导16高效耦合到LIDAR输入光和传出LIDAR信号所需的对准公差。因此，锥形20可以增加成功返回到LIDAR芯片进行处理的LIDAR输入信号的百分比。在一些情况下，锥形20被构造成使得刻面18具有的面积大于实用波导16的直部分的横截面面积的两倍、五倍或十倍。尽管图1将锥形20示出为水平锥形，但是锥形20可以是水平和/或垂直锥形。水平和/或垂直锥形可以是线性的和/或弯曲的。在一些情况下，锥形20是绝热锥形。

LIDAR芯片包括数据分支24，在数据分支24中生成携带LIDAR数据的光学信号。数据分支包括光学耦合器26，其将光信号的一部分从实用波导16移动到数据分支中。例如，光学耦合器26将来自实用波导16的传出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将参考信号携带到光组合部件28。

光学耦合器26还将来自实用波导16的一部分LIDAR输入信号耦合到比较波导30上。耦合到比较波导30上的该部分LIDAR输入信号充当比较信号。比较信号包括来自LIDAR输入信号的光的至少一部分。比较信号可以从参考光信号中排除光。比较波导30将比较信号携带到光组合部件28。

所图示的光学耦合器26是将实用波导16定位得足够靠近参考波导27和比较波导30的结果，使得来自实用波导16的光耦合到参考波导27和比较波导30中；然而，其他信号分接部件可以用于将来自实用波导16的光信号的一部分移动到参考波导27和比较波导30上。合适的信号分接部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。

光组合部件28将比较信号和参考信号组合成复合信号。参考信号包括来自传出LIDAR信号的光。例如，参考信号可以充当传出LIDAR信号的样本。参考信号可以从LIDAR输出信号和LIDAR输入信号中排除光。相比之下，比较信号光包括来自LIDAR输入信号的光。例如，比较信号可以充当LIDAR输入信号的样本。因此，比较信号已经被位于LIDAR芯片外的对象反射，而LIDAR输出信号还没有被位于LIDAR芯片外的对象反射。当LIDAR芯片和反射对象正相对于彼此移动时，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发生拍动。

光组合部件28还将所得复合样本信号分离到第一检测器波导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携带到第一光传感器40，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携带到第二光传感器42，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）。

光组合部件28、第一光传感器40和第二光传感器42可以作为输出电数据信号的平衡光电检测器连接。例如，可以连接光组合部件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，从而改进检测灵敏度。用于连接第一光传感器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均是串联连接的雪崩光电二极管。平衡光电检测对于检测小信号波动是合期望的。

合适的光组合部件28的示例是多模干涉（MMI）器件，诸如2x2 MMI器件。其他合适的光组合部件28包括但不限于绝热分离器和定向耦合器。在一些情况下，所图示的光组合部件28的功能由多于一个的光学部件或光学部件的组合来执行。

单个光传感器可以代替第一光传感器40和第二光传感器42，并且可以输出数据信号。当单个光传感器代替第一光传感器40和第二光传感器42时，光组合部件28不需要包括分光功能性。结果，所图示的光光组合部件28可以是2x1光组合部件，而不是所图示的2x1光组合部件。例如，图示的光光组合部件可以是2x1 MMI器件。在这些情况下，LIDAR芯片包括单个检测器波导，其将复合样本信号携带到光传感器。

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可以被操作以使比较波导30上的比较信号衰减。LIDAR芯片还包括沿着实用波导16定位的输出光学衰减器46，使得输出光学衰减器46可以被操作以便使实用波导16上的传出LIDAR信号衰减。用于数据光学衰减器44和/或输出光学衰减器46的合适衰减器被配置为使光信号的强度衰减。被配置为使光信号强度衰减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。

LIDAR芯片还包括采样定向耦合器50，其将来自比较波导30的一部分比较信号耦合到采样波导52上。比较信号的耦合部分充当采样信号。采样波导52将采样信号携带到采样光传感器54。尽管图1图示了采样定向耦合器50将一部分比较信号移动到采样波导52上，但是也可以使用其他信号分接部件将一部分比较信号从比较波导30移动到采样波导52上。合适的信号分接部件的示例包括但不限于y型结和MMI。

LIDAR芯片包括用于控制激光腔操作的控制分支55。控制分支包括定向耦合器56，定向耦合器56将来自实用波导16的传出LIDAR信号的一部分移动到控制波导57上。传出LIDAR信号的耦合部分充当分接信号。尽管图1图示了定向耦合器56将传出LIDAR信号的一部分移动到控制波导57上，但是也可以使用其他信号分接部件将传出LIDAR信号的一部分从实用波导16移动到控制波导57上。合适的信号分接部件的示例包括但不限于y型结和MMI。

控制波导57将分接信号携带到干涉仪58，干涉仪58分离分接信号，并且然后用分接信号部分之间的相位差重新组合分接信号的不同部分。图示的干涉仪58是马赫-曾德尔干涉仪；然而，可以使用其他干涉仪。

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将控制光信号携带到控制光传感器61，控制光传感器61将控制光信号转换成充当电控制信号的电信号。干涉仪信号具有的强度是传出LIDAR信号的频率和/或频率改变的函数。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。传出LIDAR信号频率的改变将引起控制光信号频率的改变。因此，从控制光传感器61输出的电控制信号的频率是传出LIDAR信号的频率的函数。可以使用其他检测机构来替换控制光传感器61。例如，控制光传感器61可以用布置为光组合部件28、第一光传感器40和第二光传感器42的平衡光电检测器代替。

电子器件62可以操作LIDAR芯片上的一个或多个部件。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电通信并控制它们的操作。尽管电子器件62被示出在LIDAR芯片之外，但是电子器件的全部或一部分可以被包括在LIDAR芯片上。例如，LIDAR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LIDAR芯片操作期间，电子器件62操作光源10，使得激光腔输出传出LIDAR信号。电子器件62然后通过一系列循环来操作LIDAR芯片，其中每次循环为视场中的样本区域生成LIDAR数据。在每次循环期间，数据信号被采样多次。在每次采样期间，电子器件调节传出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，以便控制传出LIDAR信号的频率，使得传出LIDAR信号的频率作为时间的函数对于电子器件是已知的。在一些情况下，循环至少包括第一采样和第二采样。在第一采样期间，电子器件62可以增加传出LIDAR信号的频率，并且在第二采样期间，电子器件62可以减小传出LIDAR信号的频率。例如，激光腔可以被配置为输出具有为1550 nm的波长的传出LIDAR信号（以及相应的LIDAR输出信号）。在第一采样期间，电子器件62可以增加传出LIDAR信号（以及相应的LIDAR输出信号）的频率，使得波长从1550 nm减小到1459.98 nm，随后减小传出LIDAR信号的频率，使得波长从1459.98 nm增大到1550 nm。

当在第一采样期间传出LIDAR信号频率增加时，LIDAR输出信号远离LIDAR芯片行进，并且然后作为LIDAR输入信号返回到LIDAR芯片。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LIDAR芯片与反射对象之间行进的时间期间，传出LIDAR信号的频率继续增加。由于传出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部件的参考信号更低的频率进入光组合部件。附加地，反射对象定位得离LIDAR芯片越远，在LIDAR输入信号返回到LIDAR芯片之前，参考信号的频率增加得越多。因此，比较信号的频率与参考信号的频率之间的差越大，反射对象离LIDAR芯片就越远。结果，比较信号的频率与参考信号的频率之间的差是LIDAR芯片与反射对象之间距离的函数。

出于相同的原因，当在第二采样期间传出LIDAR信号频率减小时，比较信号以比同时进入光组合部件的参考信号更高的频率进入光组合部件，并且在第二采样期间比较信号的频率与参考信号的频率之间的差也是LIDAR芯片与反射对象之间的距离的函数。

在一些情况下，比较信号的频率与参考信号的频率之间的差也可以是多普勒效应的函数，这是因为LIDAR芯片和反射对象的相对移动也可以影响比较信号的频率。例如，当LIDAR芯片正在朝向或远离反射对象移动和/或反射对象正在朝向或远离LIDAR芯片移动时，多普勒效应可能影响比较信号的频率。因为比较信号的频率是反射对象正在朝向或远离LIDAR芯片移动的速度和/或LIDAR芯片正在朝向或远离反射对象移动的速度的函数，所以比较信号的频率与参考信号的频率之间的差也是反射对象正在朝向或远离LIDAR芯片移动的速度和/或LIDAR芯片正在朝向或远离反射对象移动的速度的函数。因此，比较信号的频率与参考信号的频率之间的差是LIDAR芯片与反射对象之间距离的函数，并且也是多普勒效应的函数。

复合样本信号和数据信号各自有效地将比较信号和参考信号进行比较。例如，由于光组合部件组合了比较信号和参考信号，并且这些信号具有不同的频率，所以在比较信号和参考信号之间存在拍动。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LIDAR芯片与反射对象之间距离的函数，并且也是多普勒效应的函数。

如上面所指出的，拍频是两个未知数的函数；LIDAR芯片与反射对象之间距离以及LIDAR芯片与反射对象的相对速度（即多普勒效应的贡献）。比较信号与参考信号之间的频率差的改变（

）由

给出，其中f是LIDAR输出信号的频率，并且因此是参考信号，

是LIDAR芯片和反射对象的相对速度，并且c是光在空气中的速度。多个不同样本的使用准许电子器件62求解两个未知数。例如，为第一样本确定的拍频与未知距离和多普勒贡献相关，并且为第二样本确定的拍频也与未知距离和多普勒贡献相关。这两种关系的可用性允许电子器件62求解这两个未知数。因此，可以确定LIDAR芯片与反射对象之间距离，而不受多普勒效应的影响。此外，在一些情况下，电子器件62结合多普勒效应使用该距离来确定反射对象朝向或远离LIDAR芯片的速度。

在目标和源的相对速度为零或非常小的情况下，多普勒效应对拍频的贡献基本为零。在这些情况下，多普勒效应对拍频没有做出实质性的贡献，并且电子器件62可以仅取第一样本来确定LIDAR芯片与反射对象之间距离。

在操作期间，电子器件62可以响应于从控制光传感器61输出的电控制信号而调整传出LIDAR信号的频率。如上面所指出的，从控制光传感器61输出的电控制信号的幅度是传出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传出LIDAR信号的频率。例如，当在采样之一期间改变传出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范围。在采样期间的多个不同时间处，电子器件62可以将电控制信号幅度与样本中与当前时间相关联的值范围进行比较。如果电控制信号幅度指示传出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以便改变传出LIDAR信号的频率，因此使其落入相关联范围内。如果电控制信号幅度指示传出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不改变传出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。

在一些情况下，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输入信号的一部分作为返回的LIDAR信号返回到激光腔时，发生背反射。在一些情况下，穿过刻面18的大约50%的LIDAR输入信号返回到激光腔。当进入部分返回器件14的返回LIDAR信号的功率不减小至比从部分返回器件14离开的传出LIDAR信号的功率低（“功率下降”）多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。在图示的LIDAR芯片中，最小功率下降阈值可以在35dB（0.03%）左右。因此，当进入部分返回器件14的返回LIDAR信号的功率比从部分返回器件14离开的传出LIDAR信号的功率低不多于35dB时，返回LIDAR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，例如当目标对象非常接近或高度反射或两者皆有时。如从图1中显而易见的，输出光学衰减器46为了增加衰减水平的操作降低了进入部分返回器件14的返回LIDAR信号的功率，并且还降低了在远离部分返回器件14的位置处的返回传出LIDAR信号的功率。由于输出光学衰减器46远离部分返回器件14定位，因此从部分返回器件14离开的传出LIDAR信号的功率不直接受到输出光学衰减器46的操作的影响。因此，输出光学衰减器46为了增加衰减水平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以便调节功率下降。

附加地，采样信号的幅度与功率下降相关。例如，如从图1中显而易见的，采样信号的幅度与比较信号的功率相关。因为比较信号是LIDAR输入信号的一部分，所以采样信号的幅度与LIDAR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的LIDAR信号的功率相关，因为返回的LIDAR信号是LIDAR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幅度等于或低于第一阈值的采样信号来增加功率下降幅度，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幅度等于或高于第二阈值的采样信号来减小功率下降幅度。在一些情况下，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中选择的一个、两个、三个或四个变量的（一个或多个）值的标识可以根据在LIDAR芯片系统的设置期间LIDAR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，尽管复合光信号的功率在功率阈值以上附加增加，但该最大值没有增加。因此，当复合光信号的功率超过功率阈值时，数据可能丢失。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，因此复合光信号的功率维持在功率阈值以下。

如从图1中显而易见的，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来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，在一些情况下，当采样信号的幅度处于或高于上比较阈值时，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比较信号阈值时，电子器件62减小比较信号的衰减。

如上面所指出的，电子器件62可以响应于采样信号来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调整输出光学衰减器46提供的衰减水平之外或者作为其替代方案，电子器件62可以响应于采样信号调整数据光学衰减器44提供的衰减水平。

用于LIDAR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是在绝缘体上硅晶片平台上构造的LIDAR芯片的部分横截面。绝缘体上硅（SOI）晶片包括在衬底82与透光介质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，而衬底和透光介质是硅。诸如SOI晶片的光学平台的衬底可以充当整个LIDAR芯片的基底。例如，图1中所示的光学部件可以定位在衬底的顶部和/或横向侧上或上方。

图2中所图示的LIDAR芯片部分包括波导构造，该波导构造适用于与由绝缘体上硅晶片构成的LIDAR芯片一起使用。透光介质的脊形86远离透光介质的平板区域88延伸。光信号被约束在脊形的顶部和掩埋氧化物层之间。

在图2中标记了脊形波导的尺寸。例如，脊形具有标记为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LIDAR应用，这些尺寸比其他应用更重要，因为需要使用比其他应用中使用的更高水平的光学功率。脊形宽度（标记为w）大于1

且小于4

，脊形高度（标记为h）大于1

且小于4

，平板区域厚度大于0.5

且小于3

。这些尺寸可以适用于波导的直的或基本直的部分、波导的弯曲部分和（一个或多个）波导的锥形部分。因此，波导的这些部分将是单模的。然而，在一些情况下，这些尺寸适用于波导的直的或基本直的部分，而波导的弯曲部分和/或波导的锥形部分具有这些范围之外的尺寸。例如，图1中所图示的实用波导16的锥形部分可以具有>4

的宽度和/或高度，并且可以在4

到12

的范围内。附加地或替代地，波导的弯曲部分可以具有减小的平板厚度，以便减小波导的弯曲部分中的光学损耗。例如，波导的弯曲部分可以具有远离平板区域延伸的脊形，该平板区域具有大于或等于0.0

且小于0.5

的厚度。虽然上面的尺寸一般将为波导的直的或基本直的部分提供单模构造，但是它们可能导致多模的（一个或多个）锥形区段和/或（一个或多个）弯曲区段。在多模几何结构与单模几何结构之间的耦合可以使用基本上不激发高阶模的锥形来完成。因此，波导可以被构造成使得波导中携带的信号即使当在具有多模尺寸的波导区段中被携带时也以单模携带。图2的波导构造适用于从由腔波导12、实用波导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组成的组中选择的所有或部分波导。在图2的上下文中公开的波导构造也适合于操纵将在下面公开的波导。

与实用波导16对接的光源10可以是增益元件，该增益元件是与LIDAR芯片分离并且然后附接到LIDAR芯片的部件。例如，光源10可以是使用倒装芯片布置附接到LIDAR芯片的增益元件。

当光源10将与由绝缘体上硅晶片构成的LIDAR芯片上的脊形波导对接时，倒装芯片布置的使用是合适的。在2017年7月11日发布的美国专利第9,705,278号和1999年11月23日发布的美国专利第5,991,484号中可以找到倒装芯片增益元件与由绝缘体上硅晶片构成的芯片上的脊形波导之间的合适界面的示例；所述专利中的每一个以其整体并入本文。构造适合于用作光源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传出LIDAR信号的频率。

衰减器可以是与LIDAR芯片分离并且然后附接到LIDAR芯片的部件。例如，衰减器可以被包括在衰减器芯片上，该衰减器芯片以倒装芯片布置附接到LIDAR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中选择的所有或部分衰减器。

作为在分离的部件上包括衰减器的替代方案，所有或部分衰减器可以与LIDAR芯片集成。例如，在1999年6月1日发布的美国专利第5,908,305号中可以找到与由绝缘体上硅晶片构成的LIDAR芯片上的脊形波导对接的衰减器的示例；所述专利中的每一个以其整体并入本文。与LIDAR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中选择的所有或部分光传感器。

与LIDAR芯片上的波导对接的光传感器可以是与LIDAR芯片分离并且然后附接到LIDAR芯片的部件。例如，光传感器可以是光电二极管或雪崩光电二极管。合适的光传感器部件的示例包括但不限于由位于日本滨松市的滨松制造的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）。这些光传感器可以中心定位在LIDAR芯片上，如图1中所图示的。替代地，终止于光传感器的所有或部分波导可以终止于定位在LIDAR芯片边缘处的刻面18，并且光传感器可以在刻面18之上附接到LIDAR芯片的边缘，使得光传感器接收穿过刻面18的光。作为与LIDAR芯片分离的部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组成的组中选择的所有或部分光传感器。

作为充当分离部件的光传感器的替代方案，所有或部分光传感器可以与LIDAR芯片集成。例如，与由绝缘体上硅晶片构成的LIDAR芯片上的脊形波导对接的光传感器的示例可以在以下各项中找到：Optics Express Vol. 15, No. 21, 13965-13971 (2007)；于2012年1月10日发布的美国专利第8,093,080号；2012年8月14日发布的美国专利第8,242,432号；以及于2000年8月22日发布的美国专利第6,108,8472号，其中每一项以其整体并入本文。与LIDAR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组成的组中选择的所有或部分光传感器。

与各种光学器件平台集成的光栅构造是可用的。例如，通过在脊形的顶部中和/或脊形的后侧中形成槽，可以在脊形波导中形成布拉格光栅。

LIDAR芯片可以修改为生成一个LIDAR输出信号或多个不同的LIDAR输出信号。例如，图3A是图1的LIDAR芯片的示意图，其被修改以生成一个或多个不同的LIDAR输出信号。LIDAR芯片包括光源110，光源110输出传出光信号，传出光信号包括一个或多个不同的通道，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。在图1至图2的上下文中公开了用于生成单通道的合适光源110。用于生成具有周期性间隔波长的多个通道的合适光源110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。

实用波导16从光源110接收传出光信号。调制器114可选地沿着实用波导16定位。调制器114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62可以操作调制器114。因此，电子器件62可以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。合适的调制器114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114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 Diode Electro-OpticWaveguide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116可选地沿着实用波导16定位。由于传出光信号的功率分布在多个通道当中，放大器116在实用波导16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16将来自调制器114的传出光信号携带到信号导向部件118。信号导向部件118可以将传出光信号导向LIDAR分支120和/或数据分支122。LIDAR分支输出LIDAR输出信号并接收LIDAR输入信号。数据分支处理LIDAR输入信号以用于生成LIDAR数据（LIDAR输出信号源与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124，其从信号导向部件118接收传出光信号中的至少一部分。LIDAR信号波导124将传出光信号中的至少一部分携带到输出部件126。当传出光信号包括不同波长下的多个不同通道时，输出部件126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。输出部件126输出LIDAR输出信号，该LIDAR输出信号可以被位于LIDAR系统外部的反射对象（未示出）反射。反射的LIDAR输出信号作为LIDAR输入信号返回到输出部件126。输出部件126组合LIDAR输入信号，并且作为传入光信号在LIDAR信号波导124上输出结果。

在一些情况下，输出部件126还包括波束操纵功能性。在这些情况下，输出部件126可以与电子器件62电通信。电子器件62可以操作输出部件126，以便将LIDAR输出信号操纵到视场中的不同样本区域。输出部件126和/或电子器件62可以被配置为使得不同的LIDAR输出信号被独立操纵或被同时操纵。

尽管输出部件126被图示为单个部件，但是输出部件126可以包括多个光学部件和/或电子部件。合适的输出部件126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）。具有波束操纵能力的合适的输出部件126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124将传入光信号携带到信号导向部件118。信号导向部件118将传入光信号导向实用波导16和/或比较信号波导128。被导向比较信号波导128的传入光信号部分充当比较传入光信号。

比较信号波导128将比较传入光信号携带到比较解复用器130。当比较光信号包括多个通道时，比较解复用器130将比较传入光信号划分成不同的比较信号，每个比较信号具有不同的波长。比较解复用器130在不同的比较波导132上输出比较信号。比较波导132各自将一个比较信号携带到不同的处理部件134。

信号导向部件118被配置为使得当信号导向部件118将至少一部分传入光信号导向比较波导132时，信号导向部件118还将传出光信号的至少一部分导向参考信号波导136。由参考信号波导136接收的传出光信号的部分充当参考光信号。

参考信号波导136将参考光信号携带到参考解复用器138。当参考光信号包括多个通道时，参考解复用器138将参考光信号划分成不同的参考信号，每个参考信号具有不同的波长。参考解复用器138在不同的参考波导140上输出参考信号。参考波导140各自将一个参考信号携带到不同的一个处理部件134。

比较波导132和参考波导140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134处被接收。例如，比较波导132和参考波导140被配置为使得相同波长的比较信号和对应的参考信号在相同的处理部件134处被接收。

如下面将更详细描述的，处理部件134各自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118可以是光学耦合器。当信号导向部件118是光学耦合器时，信号导向部件118将传出光信号的第一部分导向LIDAR信号波导124，并且将传出光信号的第二部分导向参考信号波导136，并且还将传入光信号的第一部分导向实用波导16，并且将传入光信号的第二部分导向比较信号波导128。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118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124，并且传入光信号将被导向实用波导16。在交叉模式下，传出光信号被导向参考信号波导136，并且传入光信号被导向比较信号波导128。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118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118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。结果，处理部件34可以各自将比较信号与对应的参考信号组合。

在一些情况下，光学放大器142可选地沿着LIDAR信号波导124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118处的光学损耗的影响。

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，LIDAR输入信号可以包括不同线性极性的光。例如，LIDAR输入信号的第一部分可以包括第一线性偏振的光，并且LIDAR输入信号的第二部分可以包括第二线性偏振的光。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，LIDAR数据可能在所得复合信号中丢失。结果，可以修改LIDAR系统，以补偿LIDAR输出信号的偏振改变。

图3B图示了图3A的LIDAR系统，其被修改为包括光学环行器作为信号导向部件118。光学环行器被配置为使得传出光信号被导向LIDAR信号波导124，并且传入光信号被导向比较信号波导128。比较信号波导128将比较传入光信号携带到比较解复用器130。附加地，分接部件144沿着实用波导16定位。分接部件144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136上被接收。由参考信号波导136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136将参考光信号携带到参考解复用器138。相应地，电子器件可以操作如图3A上下文中公开的图3B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3B的信号导向部件118被公开为光学环行器，但是图3B的信号导向部件118可以是光学耦合器或光学开关。

图4是图3A和/或图3B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144沿着实用波导16定位。分接部件144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146上被接收。由第一参考信号波导146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144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148上被接收。由第二参考信号波导148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146将第一参考光信号携带到第一参考解复用器150。当第一参考光信号包括多个通道时，第一参考解复用器150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150在不同的第一参考波导152上输出第一参考信号。第一参考波导152各自携带第一参考信号中的一个到若干个第一处理部件154中的一个。

第二参考信号波导148将第二参考光信号携带到第二参考解复用器156。当第二参考光信号包括多个通道时，第二参考解复用器156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156在不同的第二参考波导158上输出第二参考信号。第二参考波导158各自携带第二参考信号中的一个到若干个第二处理部件160中的一个。

实用波导16将传出光信号携带到信号导向部件118。信号导向部件118将传出光信号导向LIDAR信号波导124。LIDAR信号波导124从输出部件126接收传入光信号，并将传入光信号携带到信号导向部件118。信号导向部件118将传入光信号导向中间波导162。合适的信号导向部件118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162将传入光信号的接收部分携带到分束器164。分束器164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165上被接收，并且第二比较传入信号在第二比较信号波导166上被接收。前驱比较信号波导165将前驱比较传入信号携带到偏振旋转器167。偏振旋转器输出在第一比较信号波导169上接收的第一比较传入信号。第一比较信号波导169将第一比较传入信号携带到第一比较解复用器168，并且第二比较信号波导166将第二比较传入信号携带到第二比较解复用器170。

当第一比较传入光信号包括多个通道时，第一比较解复用器168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168在不同的第一比较波导172上输出第一比较信号。第一比较波导172各自将第一比较信号之一携带到不同的第一处理部件154。

当第二比较光信号包括多个通道时，第二比较解复用器170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170在不同的第二比较波导174上输出第二比较信号。第二比较波导174各自将第二比较信号之一携带到不同的第二处理部件160。

第一比较波导172和第一参考波导152被配置为使得在相同的第一处理部件154处接收比较信号和对应的参考信号。例如，第一比较波导172和第一参考波导152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154处被接收。

第二比较波导174和第二参考波导158被配置为使得在相同的第二处理部件160处接收比较信号和对应的参考信号。例如，第二比较波导174和第二参考波导158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160处被接收。

第一处理部件154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160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角。例如，分束器164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，但不具有或基本上不具有第二偏振，并且第二比较传入信号中的通道具有第二偏振，但不具有或基本上不具有第一偏振。例如，偏振分束器可以将具有第一偏振的传入光信号的一部分路由到前驱比较信号波导165，并且将具有第二偏振的传入光信号的一部分路由到第二比较信号波导166。第一偏振和第二偏振可以是线性极性，并且第二偏振不同于第一偏振。例如，第一偏振可以是TE，并且第二偏振可以是TM，或者第一偏振可以是TM，并且第二偏振可以是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从第一偏振改变为第二偏振。结果，第一比较传入信号中的通道具有第二偏振，但不具有或基本上不具有第一偏振。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（在本讨论中为第二偏振）。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角。合适的偏振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。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。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的比较信号所导致的，并且排除或基本排除第二偏振的光，或者第一复合信号各自是由组合参考信号和第二偏振的比较信号所导致的，并且排除或基本排除第一偏振的光。类似地，第二复合信号各自包括参考信号和相同偏振的比较信号，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的比较信号所导致的，并排除或基本排除第二偏振的光，或者第一复合信号各自是由组合参考信号和第二偏振的比较信号所导致的，并排除或基本排除第一偏振的光。

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4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的上下文中描述的，但是图4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的比较信号组合所导致的。例如，偏振旋转器可以沿着第一参考信号波导146而不是在前驱比较信号波导165与第一比较信号波导169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时，偏振旋转器可以沿着第二比较信号波导166定位。

上面系统配置导致LIDAR输入信号的第一部分（具有第一偏振的部分）和LIDAR输入信号的第一部分（具有第二偏振的部分）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。

尽管图3A至图4的LIDAR芯片是在生成多个LIDAR输出信号的上下文中公开的，但是图3A至图4的LIDAR芯片可以被配置和/或操作以便生成或输出一个LIDAR输出信号。例如，光源110可以输出单个通道。

以上的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5的LIDAR系统图示了LIDAR系统，其中多个光源110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。

尽管上述LIDAR系统被图示为在每个部件组装件中具有单个光源110，但是光源110可以包括多个光源。例如，图6图示了光源110，其包括M个光子源111，每个光子源111生成N个通道。每个通道被接收在通道波导180上。通道波导将通道携带到通道多路复用器182，通道多路复用器182组合通道，以便形成在实用波导16上接收的传出光信号。

在图6中，每个通道被标记为

，其中i是光子源111的数量，并且是从1到M，并且j是光子源j的通道数量，并且是从1到N。如上面所指出的，光子源111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（

）是恒定的或者基本恒定的。在一些情况下，光子源111被配置为使得具有相邻波长的通道由不同的光子源111生成。例如，光子源111可以被配置为使得

。用于该配置的合适的光子源111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（

）。因此，通道复用器可以被设计成在波长范围（

）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）。

光子源111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。由光子源111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（

）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

、1.4

或1.5

和/或小于1.6

、1.7

或1.8

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

。

在一些情况下，光源110被配置为使得至少一部分光子源111各自生成具有相邻波长的两个或更多个通道。例如，光子源111可以被配置为使得

。用于这种配置的合适的光子源111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

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，光源和/或光子源中的一个或多个可以是梳状激光器。然而，光源110的其他构造是可能的。例如，图7图示了包括多个激光源184的光源110或光子源111的示例。图7中所图示的光源110或光子源111包括多个激光源184，每个激光源184输出源波导186上的一个通道。源波导186将通道携带到激光多路复用器188，激光多路复用器188组合通道，以便形成在通道波导或实用波导16上接收的光信号。电子器件可以操作激光源184，因此激光源184同时输出每个通道。与根据图7构造的光源110或光子源111一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8图示了可能的光源110或光子源111构造的另一个示例。光源110或光子源111包括增益元件190，诸如半导体激光器的增益元件。增益波导192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194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，使得增益介质输出光信号。部分返回器件194各自通过光信号的一部分。实用波导16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110或光子源111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110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。

处理部件134的全部或一部分可以如在图1A的上下文中公开的那样被构造和/或操作。然而，处理部件134可以具有其他构造和/或操作原理。作为示例，图9A至图9B图示了用于在LIDAR芯片和/或LIDAR系统中使用的合适处理部件134的示例。第一分离器202将参考波导27、140、152或158上携带的参考信号划分到第一参考波导210和第二参考波导208上。第一参考波导210将参考信号的第一部分携带到光组合部件211。第二参考波导208将参考信号的第二部分携带到第二光组合部件212。

第二分离器200将比较波导30、130、172或174上携带的比较信号划分到第一比较波导204和第二比较波导206上。第一比较波导204将比较信号的第一部分携带到光组合部件211。第二比较波导208将比较信号的第二部分携带到第二光组合部件212。

第二光组合部件212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212还将所得第二复合信号分离到第一辅助检测器波导214和第二辅助检测器波导216上。

第一辅助检测器波导214将第二复合信号的第一部分携带到第一辅助光传感器218，第一辅助光传感器218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216将第二复合信号的第二部分携带到第二辅助光传感器220，第二辅助光传感器220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211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211还将第一复合信号分离到第一检测器波导221和第二检测器波导222上。

第一检测器波导221将第一复合信号的第一部分携带到第一光传感器223，第一光传感器223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222将第二复合信号的第二部分携带到第二辅助光传感器224，第二辅助光传感器224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210和第二参考波导208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210和第二参考波导208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210和第二参考波导208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223和第二光传感器224可以连接为平衡检测器，并且第一辅助光传感器218和第二辅助光传感器220也可以连接为平衡检测器。例如，图9B提供了电子器件、第一光传感器223、第二光传感器224、第一辅助光传感器218和第二辅助光传感器220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223、第二光传感器224、第一辅助光传感器218和第二辅助光传感器220，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9B的示意图中所图示的所有部件都包括在LIDAR系统中。在一些情况下，图9B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223和第二光传感器224连接为第一平衡检测器225，并且将第一辅助光传感器218和第二辅助光传感器220连接为第二平衡检测器226。特别地，第一光传感器223和第二光传感器224串联连接。附加地，第一辅助光传感器218和第二辅助光传感器220串联连接。第一平衡检测器中的串行连接与第一数据线228通信，第一数据线228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232通信，第二数据线232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228将第一数据信号携带到第一开关234。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238。在图9B中，第一开关234示出为处于第一配置。第二数据线232将第二数据信号携带到第二开关240。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236；或者处于第二配置，其中第二数据信号被携带到速度分支238。在图9B中，第二开关240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236，并且在第二时段期间被携带到速度分支238。

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样本区域生成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114，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：

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

，以便防止被开方数变为负，

。如下面将变得显而易见的，F可以是LIDAR输出信号频率（f_c）的函数。在等式1中，可以选择F和C，使得

。

距离分支包括第一距离分支线242。在第一时段期间，第一距离分支线242将第一数据信号携带到第一乘法器244。在图9B中，第一乘法器244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246。在第一时段期间，第二距离分支线246将第二数据信号携带到第二乘法器248。在图9B中，第二乘法器248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250，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252，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：

的带宽，其中

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，

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

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

，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：

，其中

表示传出LIDAR信号的波长，

：表示速度分辨率，并且B可以根据下式确定：

，其中c表示光速，并且

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

、8

、4

、3

、2

和1

。

距离分支包括模数转换器（ADC）254，其从滤波器接收拍动数据信号。模数转换器（ADC）254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”，

）可以写成

，其中

表示由于多普勒频移所致的频率改变，并且

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（

）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（

）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（

）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

，并且C可以表示

，其中

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（

）相对于线性调频基频（

）的值，可以相对于C增加F。作为示例，

和

可以被选择为使得

。在一些情况下，选择

和

，使得

∶

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（

）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256，其从模数转换器（ADC）254接收数字LIDAR数据信号。变换模块256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：

来近似反射对象和LIDAR系统（R₀）之间的距离，其中

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3A至图4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：

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114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114，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260和第二速度分支线260。在第二时段期间，第一速度分支线260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262将第二数据信号携带到模数转换器（ADC）266，模数转换器（ADC）266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）264的采样速率可以与模数转换器（ADC）266的采样速率相同或不同。

速度分支包括变换模块268，其接收来自模数转换器（ADC）264的第一数字数据信号和来自模数转换器（ADC）266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268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268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：

来近似反射对象和LIDAR系统之间的径向速度（v），其中

近似为从变换模块268输出的峰值频率，c是光速，并且

表示LIDAR输出信号的频率。

可以向图9B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（f_s1）的速率范围可以由

确定，其中

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（f_s2）的速率范围可以由

确定，其中

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

，并且第二时段的最小采样速率为

。结果，采样速率被选择为具有大于或等于

和

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（

）是

。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（

）大于或等于0.1 GHz、0.2 GHz或0.5 GHz和/或小于1GHz、2 GHz或4 GHz。

上面对LIDAR系统操作的描述假设在实用波导16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。218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9C图示了包括波束操纵能力的合适输出部件126的示例。输出部件可以与根据图1至图2和/或根据图3A至图5构造的LIDAR芯片结合使用。例如，输出部件126包括分离器284，其可以从图1的实用波导16或者从图3A至图5的一个或多个LIDAR信号波导124接收传出光信号。分离器将传出光信号划分成多个输出信号，每个输出信号被携带在操纵波导286上。每个操纵波导在刻面288处结束。刻面被布置成使得通过刻面离开芯片的输出信号组合以形成LIDAR输出信号。

分离器和操纵波导可以被构造成使得在相邻操纵波导的刻面处的输出信号之间没有相位差。例如，分离器可以被构造成使得每个输出信号在离开分离器时同相，并且每个操纵波导可以具有相同的长度。替代地，分离器和操纵波导可以被构造成使得在相邻操纵波导的刻面处的输出信号之间存在线性增加的相位差。例如，操纵波导可以被构造成使得操纵波导编号j的相位是

，其中j是从1到N的整数，并且表示当操纵波导如图8中所示被依次编号时与操纵波导相关联的编号，f是当相位调谐器（下面讨论）不影响相位差时近邻操纵波导之间的相位差，并且

是在操纵波导k =1的刻面处的输出信号的相位。因为通道可以具有不同的波长，所以f和

的值可以各自与通道之一相关联。在一些情况下，该相位差是通过构造操纵波导使得操纵波导具有线性增加的长度差来实现的。例如，操纵波导j的长度可以由

表示，其中k是从1到K的整数，并且表示当操纵波导如图9C中所示依次编号时与操纵波导相关联的编号，

是近邻操纵波导之间的长度差，并且

是操纵波导k = 1的长度。因为

是在输出信号中包含的不同通道波长的不同百分比，所以每个不同的LIDAR输出信号以不同的方向（

）远离LIDAR芯片行进。当操纵波导长度相同时，

的值为零，并且f的值为零。合适的

包括但不限于大于0或5和/或小于10或15

的

。合适的f包括但不限于大于

或

和/或小于

或

的f。合适的N包括但不限于大于10或500和/或小于1000或2000的N。分离器284不需要具有解复用功能性。合适的分离器284包括但不限于星形耦合器、级联Y型结和级联1X2 MMI耦合器。

相位调谐器290可以可选地沿着操纵波导的至少一部分定位。尽管相位调谐器示出为沿着第一和最后一个操纵波导定位，但是这些相位调谐器是可选的。例如，LIDAR芯片不需要在操纵波导j =1上包括相位调谐器。

电子器件可以被配置为操作相位调谐器，以便在相邻操纵波导的刻面处的输出信号之间创建相位差。电子器件可以操作相位调谐器，使得相位差恒定，因为它跨操纵波导线性增加。例如，电子器件可以操作相位调谐器，使得操纵波导编号k的调谐器感应相位是

，其中k是从1到N的整数，并且表示当操纵波导如图9C中所示依次编号时与操纵波导相关联的编号，

是近邻操纵波导之间的调谐器感应相位差。因此，操纵波导编号k的相位是

。图8图示了仅具有4个操纵波导的LIDAR芯片，以便简化说明，然而，LIDAR芯片可以包括更多操纵波导。例如，LIDAR芯片可以包括多于4个操纵波导、多于100个操纵波导、或者多于1000个操纵波导和/或少于10000个操纵波导。

电子器件可以被配置为操作相位调谐器，以便调谐相位差

的值。调谐相位差

的值改变LIDAR输出信号远离LIDAR芯片行进的方向（

）。因此，电子器件可以通过改变相位差

来扫描LIDAR输出信号。LIDAR输出信号可以被扫描的角度范围是

，并且在一些情况下，从

延伸到

，其中当

= 0时，在LIDAR输出信号的方向上测量

。当

的值不为零时，长度差引起衍射，使得不同波长的光以不同的方向（

）远离LIDAR芯片行进。因此，当传出LIDAR信号远离LIDAR芯片行进时，可能存在传出LIDAR信号的一些扩散。此外，当

时，改变衍射水平改变了传出LIDAR信号远离LIDAR芯片行进的角度。然而，为操纵波导提供长度差（

）可以简化LIDAR芯片上操纵波导的布局。

关于根据图9C构造的输出部件126的构造和操作的附加细节可以在2018年6月5日提交并且以其整体并入本文的美国临时专利申请序列号62/680,787中找到。

单个LIDAR芯片可以包括多个部件组装件。例如，图10图示了充当复合LIDAR芯片的LIDAR芯片，其中该LIDAR芯片包括标记为j = 1至j = J的多个部件组装件。所图示的部件组装件根据图1结合根据图9C构造的处理部件134来构造。为了简化图示，在图11中大大简化了分离器284、操纵波导286和相位调谐器290的布置；然而，部件组装件可以包括如别处公开的那样布置和操作的这些部件。每个部件组装件如上面公开那样操作。因此，每个部件组装件被配置为生成一个或多个LIDAR输出信号。

图10中的LIDAR芯片示出了在同一芯片上制造的每个部件组装件。例如，每个部件组装件位于相同的基底或衬底上。然而，充当复合LIDAR芯片的LIDAR芯片可以由多个LIDAR芯片构造，每个LIDAR芯片在它们自己的管芯上制造。如图11中所示，不同的LIDAR芯片可以定位在公共基底或公共衬底上。

上述讨论提供了一维中LIDAR输出信号的操纵。LIDAR芯片可以相对于反射对象移动，以便提供其他维度中的扫描。例如，LIDAR芯片可以围绕轴（诸如图10中标记为X的轴）旋转。电子器件可以与致动器292通信，用于相对于反射对象移动复合芯片。合适的致动器的示例包括但不限于电动机和压电驱动的旋转致动器。可以控制移动，使得可以在二维中扫描LIDAR输出信号。

LIDAR系统可以被配置为提供入射角分集，其中视场中的多个样本区域被多个不同的LIDAR输出信号同时照射，每个LIDAR输出信号在样本区域上和/或位于样本区域中的反射对象304上具有不同的入射角。例如，图12图示了多个LIDAR芯片300，每个LIDAR芯片300输出不同的LIDAR输出信号。LIDAR输出信号中的一个由虚线图示，并且LIDAR输出信号中的另一个由实线图示。

图12示出了LIDAR输出信号各自导向视场305中的相同样本区域302。样本区域位于LIDAR输出信号之间有足够重叠之处，以便从每个LIDAR输出信号生成的LIDAR数据代表视场的相同区域。由于图12图示了位于接收LIDAR输出信号的样本区域302中的反射对象304，所以LIDAR输出信号从视场中的样本区域朝向LIDAR芯片被反射回来。

在图12中，样本区域上和/或位于样本区域中的反射对象上的LIDAR输出信号的入射角是不同的。结果，为相同的样本区域生成多个不同的LIDAR输入信号，并且每个不同的LIDAR输入信号与不同的入射角相关联。因此，存在为样本区域生成多个LIDAR数据值的选项，其中每个LIDAR数据值与不同的入射角相关联。在一些情况下，不同的LIDAR输出信号具有不同的波长，以便减少串扰。

图12的LIDAR芯片中的一个或多个可以被配置为操纵LIDAR输出信号。例如，LIDAR芯片中的一个或多个可以根据图1至图5构造，具有根据图9C构造的输出部件126和/或具有在图10的上下文中公开的致动器。结果，电子器件62可以将LIDAR输出信号从视场中的一个样本区域操纵到视场中的另一个样本区域。例如，电子器件62可以操作每个头部，以便将LIDAR输出信号操纵到离两个LIDAR芯片之一不同距离的不同样本区域。因此，视场中的样本区域可以布置在一维、二维或三维中。

复合LIDAR芯片300也可以用于提供入射角分集。例如，图13图示了复合LIDAR芯片，其被配置为输出在复合LIDAR芯片上彼此隔开的多个LIDAR输出信号。光纤块306将多个光纤308附接到复合LIDAR芯片300。光纤308与复合LIDAR芯片300上的刻面对准，使得在光纤308之一上接收每个LIDAR输出信号。光纤各自将LIDAR输出信号携带到头部310，并将LIDAR输入信号从头部携带到复合LIDAR芯片300。

头部310被配置为传输由头部接收的LIDAR输出信号。每个头部可以包括为接收的LIDAR输出信号提供所期望的光学特性所需要的光学器件312。例如，所有或部分头部可以包括一个或多个透镜，其准直、聚焦或减小接收的LIDAR输出信号的发散。头部可以与电子器件62电通信。电子器件62可以操作每个头部310，以便在期望的方向上操纵LIDAR输出信号。例如，电子器件62可以操作每个头部，以便将LIDAR输出信号朝向视场上的相同样本区域操纵，如图13中所示。样本区域位于LIDAR输出信号之间有足够重叠之处，以便每个输出信号中的LIDAR数据代表视场的相同区域。反射对象304位于样本区域中。结果，LIDAR输出信号从视场朝向LIDAR芯片被反射回来。

附加地，电子器件62可以操作每个头部，以便将LIDAR输出信号从视场中的一个样本区域操纵到视场中的另一个样本区域。例如，电子器件62可以操作每个头部，以便将LIDAR输出信号操纵到离两个LIDAR芯片之一不同距离的不同样本区域。因此，视场中的样本区域可以布置在一维、二维或三维中。合适的头部包括但不限于安装在电动化平台上的准直器。

LIDAR系统可以被配置为提供波长分集，其中视场中的多个样本区域各自同时被多个不同的LIDAR输出信号照射，每个LIDAR输出信号具有不同的波长。例如，图14图示了输出多个LIDAR输出信号的LIDAR芯片300。第一LIDAR输出信号标记为

并且由虚线图示，并且第二LIDAR输出信号标记为

并且由实线图示。LIDAR输出信号朝向相同的样本区域被导向，并且每个信号处于不同的波长（通道）。样本区域302位于LIDAR输出信号之间有足够重叠之处，以便每个输出信号中的LIDAR数据代表视场的相同区域。图14示出了位于样本区域中的反射对象304。结果，LIDAR输出信号被示出为从视场朝向LIDAR芯片被反射回来。

不同的LIDAR输出信号可以完全或部分重叠，如图14中所示。然而，不同的LIDAR输出信号可以在相同或基本相同的方向上远离LIDAR芯片行进。结果，不同的LIDAR输出信号可以沿着LIDAR芯片和样本区域之间的相同或基本相同的光学路径被导向，并且相应地沿着LIDAR芯片和反射对象之间的相同光学路径行进。例如，LIDAR芯片可以根据图3A至图4构造，具有根据图9C构造的输出部件126，并且分路器284和操纵波导286构造成使得在相邻操纵波导的刻面处的LIDAR输出信号之间没有相位差。在这些情况下，当相位调谐器290不存在时或者存在但未被操作以便添加相位差时，不同波长的LIDAR输出信号可以沿着相同的光学路径或者沿着基本上相同的光学路径行进到样本区域。当LIDAR芯片可以根据图3A至图4构造、具有根据图9C构造的输出部件126并且相位调谐器290被包括在输出部件126上时，相位调谐器290可以被操作，使得在相邻操纵波导的刻面处的输出信号之间没有相位差。LIDAR输出信号之间没有相位差允许不同波长的LIDAR输出信号沿着相同的光学路径或者沿着基本上相同的光学路径行进到样本区域。结果，为相同的样本区域生成多个不同的LIDAR输入信号，并且每个不同的LIDAR输入信号与不同的波长相关联。因此，存在为样本区域生成多个LIDAR数据值的选项，其中每个LIDAR数据值与不同的波长相关联。

图14的LIDAR芯片可以被配置为操纵LIDAR输出信号。例如，LIDAR芯片可以用根据图9C构造的输出部件126和/或用图10的上下文中公开的致动器来构造。结果，电子器件62可以将LIDAR输出信号从视场中的一个样本区域操纵到视场中的其他样本区域。

LIDAR系统可以被配置为提供偏振分集，其中视场中的多个样本区域各自同时被多个不同的LIDAR输出信号照射，每个LIDAR输出信号具有不同的偏振。例如，图15图示了LIDAR芯片300，其输出多个LIDAR输出信号，每个LIDAR输出信号处于不同的偏振。第一LIDAR输出信号标记为P₁并由虚线图示，并且第二LIDAR输出信号标记为P₂并由实线图示。第一LIDAR输出信号（P₁）和第二LIDAR输出信号（P₂）可以具有相同的波长。LIDAR输出信号朝向相同样本区域被导向。样本区域位于LIDAR输出信号之间有足够重叠之处，以便每个输出信号中的LIDAR数据代表视场的相同区域。图15示出了位于样本区域中的反射对象304。结果，LIDAR输出信号被示出为从视场朝向LIDAR芯片被反射回来。

不同的LIDAR输出信号可以完全或部分重叠，如图15中所示。然而，不同的LIDAR输出信号可以在相同或基本相同的方向上远离LIDAR芯片行进。结果，不同的LIDAR输出信号可以沿着LIDAR芯片300和样本区域之间的相同或基本相同的光学路径被引向，并且因此沿着LIDAR芯片和位于样本区域中的反射对象之间的相同光学路径行进。例如，LIDAR芯片可以根据图4构造，具有根据图9C构造和操作的输出部件126。根据图4构造的LIDAR芯片可以包括沿着实用波导定位的偏振旋转器294。当光源110输出被偏振的传出光信号时，偏振旋转器294可以改变传出光信号的偏振。例如，当传出光信号具有第一偏振时，偏振旋转器294可以对传出光信号进行操作，因此偏振旋转器294输出的传出光信号具有第一偏振中和第二偏振中的光的混合。作为示例，当传出光信号具有第一线性偏振时，偏振旋转器294可以对传出光信号进行操作，因此由偏振旋转器294输出的传出光信号具有第一线性偏振中和第二线性偏振中的光的混合。在一些情况下，偏振旋转器294被配置为输出传出光信号，其中40-60%的光学功率处于第一线性偏振，并且40-60%的光学功率处于第二线性偏振。在该配置中，第一LIDAR输出信号和第二LIDAR输出信号具有相同的波长，并且第一LIDAR输出信号具有第一线性偏振，并且第二LIDAR输出信号具有第二线性偏振。由于第一LIDAR输出信号和第二LIDAR输出信号具有相同的波长，所以它们可以沿着LIDAR芯片和样本区域之间的相同或基本相同的光学路径被导向，并且因此沿着LIDAR芯片和位于样本区域中的反射对象之间的相同光学路径行进。结果，为相同的样本区域生成多个不同的LIDAR输入信号，并且每个不同的LIDAR输入信号与不同的偏振相关联。因此，存在为样本区域生成多个LIDAR数据值的选项，其中每个LIDAR数据值与不同的偏振相关联。

如从图12到图15可以明显看出，视场中的一系列样本区域可以同时被多个LIDAR输出信号照射，所述多个LIDAR输出信号具有选自由入射角分集、波长分集和偏振分集组成的组的光学分集。然而，LIDAR输出信号可以具有多于一个光学分集。例如，图15中的LIDAR输出信号可以既具有不同的波长又具有不同的极性。作为另一个示例，图12和图13的LIDAR输出信号可以具有不同的波长和不同的入射角。因此，视场中的一系列样本区域可以各自被多个LIDAR输出信号同时照射，所述多个LIDAR输出信号具有选自由入射角分集、波长分集和偏振分集组成的组的一个或多个光学分集。

图15的LIDAR芯片可以被配置为操纵LIDAR输出信号。例如，LIDAR芯片可以用根据图9C构造的输出部件126和/或用图10的上下文中公开的致动器来构造。结果，电子器件62可以将LIDAR输出信号从视场中的一个样本区域操纵到视场中的其他样本区域。

图12至图15图示了正被准直的不同LIDAR输出信号。然而，在许多情况下，合期望的是不同的LIDAR输出信号具有其他光学特性。例如，可能合期望的是LIDAR输出信号被聚焦。当聚焦LIDAR输出信号引起LIDAR输出信号在反射对象处的直径小于当从LIDAR系统离开时的直径时，聚焦LIDAR输出信号可以提供关于散斑的进一步性能改进。LIDAR输出信号所期望的光学特性可以使用各种不同的机制来实现。例如，可以采用一个或多个透镜来实现期望的光学特性。例如，凸透镜314可以用于准直LIDAR输出信号，如图12中所示。替代地，可以调整透镜和LIDAR芯片之间的距离，以聚焦LIDAR输出信号。当LIDAR芯片包括根据图9C构造的输出部件126时，可以采用一个或多个透镜来实现期望的光学特性。替代地，当LIDAR芯片包括根据图9C构造的输出部件126并且包括相位调谐器290时，电子器件可以操作相位调谐器290，以便向LIDAR输出信号添加准直或聚焦。结果，电子器件可以操作相位调谐器290，以便为LIDAR输出信号提供期望的光学特性以及期望的操纵方向。当LIDAR芯片包括根据图9C构造的输出部件126并且不包括相位调谐器290时，第一参考波导210和第二参考波导208可以被构造成提供输出信号之间的相移，该相移为LIDAR输出信号提供期望的光学特性。

如上面指出的，不同的LIDAR输出信号同时入射在视场上的相同样本区域上。同时入射在相同样本区域上的不同LIDAR输出信号可能彼此重叠。在一些情况下，LIDAR输出信号被配置为使得如果LIDAR输出信号不与反射对象相交，则LIDAR输出信号将在样本区域中彼此重叠，使得任何一个LIDAR输出信号被同一区域中的另一个LIDAR输出信号重叠的最小量大于视场上重叠的LIDAR输出信号的斑大小的25%、45%或60%并且小于或等于其100%。

如上面指出的，每个不同的光学分集提供了使用多于一个LIDAR输出信号来生成样本区域的LIDAR数据的机会。因此，在一次循环中，LIDAR系统具有生成多个不同的LIDAR数据的能力，每个LIDAR数据与不同的LIDAR输出信号相关联。LIDAR数据处理方法可以用于在一次循环期间生成样本区域的合成LIDAR数据。合成LIDAR数据可以是被视为LIDAR输出信号源和反射对象之间的距离和/或径向速度的LIDAR数据，用于由电子器件62和/或由与电子器件62进行通信的其他电子器件进行附加处理。

LIDAR数据处理方法可以根据在一次循环期间为样本区域生成的不同LIDAR数据的组合来生成合成LIDAR数据。例如，LIDAR数据处理方法可以对在一次循环期间为样本区域生成的不同LIDAR数据值进行平均、执行加权平均、取最大值、最小值或中值。加权平均的示例是LIDAR数据的平均，其中每个LIDAR数据由根据其生成了LIDAR数据的LIDAR输入信号的功率进行加权。作为示例，在同一循环期间为样本区域生成的多个径向速度值可以被平均以生成最终径向速度值。替代地，LIDAR数据处理方法可以标识特定的LIDAR数据以充当合成LIDAR数据。例如，可以标识中值LIDAR数据值以充当合成LIDAR数据，或者一个或多个选择标准可以用于标识LIDAR数据。替代地，可以使用一个或多个选择标准来标识特定的LIDAR数据，并且可以组合所标识的LIDAR数据来生成合成LIDAR数据。例如，可以对标识的LIDAR数据进行平均。作为示例，可以对标识的多个径向距离值进行平均，以生成最终径向速度值。

选择标准的一个示例考虑了指示LIDAR输入信号功率的数据，该LIDAR输入信号是由照射样本区域的LIDAR输出信号产生的。该功率水平的多种不同指示从LIDAR芯片可获得。例如，来自平衡检测器的输出功率、来自代替平衡检测器的光传感器的输出功率、在比较信号和参考信号之间具有拍动的（一个或多个）信号的功率、以及在比较信号的一部分和参考信号的一部分之间具有拍动的（一个或多个）信号的功率都可以指示LIDAR输入信号的功率水平。根据最强的LIDAR输入信号生成的LIDAR数据可以被选择充当合成LIDAR数据。替代地，具有高于功率阈值的功率水平的一个或多个LIDAR输入信号可以被标识为根据其生成合成LIDAR数据的LIDAR输入信号。如上面指出的，标识的LIDAR数据可以被组合以生成合成LIDAR数据。例如，可以对标识的LIDAR数据进行平均。作为示例，可以对标识的多个径向距离值进行平均，以生成最终径向速度值。

针对包括部件组装件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。上述部件中的一个或多个和/或上述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110和/或光子源111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，所有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16可以是或包括光纤，该光纤提供光源110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所有这样的实施例和修改。

Claims (20)

1.一种LIDAR系统，包括：

一个或多个LIDAR芯片，其生成多个LIDAR输出信号；和

电子器件，其操作所述一个或多个LIDAR芯片，使得LIDAR输出信号同时被导向视场中的相同样本区域，LIDAR输出信号具有一个或多个光学分集，所述光学分集选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号相对于样本区域的入射角的分集组成的组。

2.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述一个或多个LIDAR芯片是生成所述多个LIDAR输出信号的一个LIDAR芯片。

3.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中所述一个或多个LIDAR芯片是生成所述多个LIDAR输出信号的多个LIDAR芯片。

4.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光学分集是波长分集。

5.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光学分集是偏振分集。

6.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述光学分集是入射角的分集。

7.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，所述样本区域是视场中的多个样本区域之一，所述电子器件被配置为依次将LIDAR输出信号导向一系列样本区域，使得LIDAR输出信号同时被导向样本区域中的每个。

8.根据权利要求7所述的LIDAR系统，其中，所述电子器件为所述系列中的多个样本区域生成不同的数据，样本区域中的每个的数据包括多个不同的LIDAR数据，样本区域的每个LIDAR数据与同时入射在样本区域上的LIDAR输出信号中的不同一个相关联。

9.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中LIDAR输出信号具有多于一个的光学分集。

10.根据权利要求1所述的LIDAR系统，其中，当每个LIDAR输出信号远离所述LIDAR系统行进时，LIDAR输出信号行进到焦点。

11.一种操作LIDAR系统的方法，包括：

生成多个LIDAR输出信号；和

将LIDAR输出信号同时导向视场中的样本区域，使得LIDAR输出信号具有一个或多个光学分集，所述光学分集选自由波长分集、偏振分集和LIDAR输出信号相对于样本区域的入射角的分集组成的组。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述LIDAR输出信号从LIDAR芯片离开。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述LIDAR输出信号从不同的LIDAR芯片离开。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光学分集是波长分集。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光学分集是偏振分集。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光学分集是入射角的分集。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，样本区域是视场中的多个样本区域之一，并且进一步包括：

依次将LIDAR输出信号导向一系列样本区域，使得LIDAR输出信号同时被导向所述系列中的多个样本区域。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电子器件为所述系列中的多个样本区域生成不同的数据，样本区域中的每个的数据包括多个不同的LIDAR数据，样本区域的每个LIDAR数据与同时入射在样本区域上的LIDAR输出信号中的不同一个相关联。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，LIDAR输出信号具有多于一个的光学分集。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，当每个LIDAR输出信号行进到样本区域时，LIDAR输出信号行进到焦点。

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