CN113671464B - 一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，包括光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列；光开关阵列由一个1xN的光开关和N个1xM的分束器组成；电开关阵列由M个Nx1的电开关和M个模数转换器组成；收发检测矩阵由MxN个像素单元组成，每个像素单元包括两级2x2分束器，每个像素单元同时具有发射、接收、片上检测功能。本发明通过设计像素单元的两级2x2分束器结构，实现在片上的像素级直接检测，进而提高成像速率；本发明设计光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列分别在不同芯片上实现，并通过硅中介层连接，实现纯固态，寿命长，性能更稳定，体积小，安装简易，方便降本量产。

Description

一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机。
背景技术
激光雷达是一种用激光探测和测距的传感器。它的原理是发射装置向目标发射出激光，通过接收装置测量返回激光的延迟和强度来测量目标的距离。
目前的激光雷达包括机械式扫描激光雷达、Flash激光雷达、Mems扫描激光雷达和OPA雷达，其中传统的机械式激光雷达采用机械装置旋转扫描，得到360度内点云信息，构建成一幅完整的三维图像，但由于机械扫描速度慢，分辨率低，得到的三维图像不能完整的呈现出较小物体，其次，机械式扫描激光雷达的体积较大，采用多线束组装，促使生产成本较高；Flash激光雷达测距距离较近，精确测量的距离在10M-20M，Mems扫描激光雷达在使用过程中稳定性差，且采用的Mems无法符合车规标准，长时间使用风险较高，单个Mems价格高；OPA雷达制造工艺复杂，良率低，价格贵，工业化进度缓慢。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，包括光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列；
所述光开关阵列由一个1xN的光开关和N个1xM的分束器组成；
所述电开关阵列由M个Nx1的电开关和M个模数转换器(ADC)组成；
所述收发检测矩阵由MxN个像素单元组成，每个像素单元包括两级2x2分束器；第一级2x2分束器中的一个输入口和一个输出口作为第二级2x2分束器的两个输入口，第一级2x2分束器中的另一个输入口作为所述像素单元的输入口，连接所述光开关阵列对应位置的输出，第一级2x2分束器中的另一个输出口作为所述像素单元的收发口，第二级2x2分束器的两个输出口作为片上检测口，通过光电探测器转换成电信号后，作为所述电开关阵列对应位置的输入；每个像素单元同时具有发射、接收、片上检测功能。
进一步地，所述光开关阵列的输入光信号由依次连接的激光器、光调制器和光放大器生成。
进一步地，所述激光器采用窄线宽激光器，提高光的相干性。
进一步地，所述光调制器采用强度调制或相位调制方法，利用电光特性或声光特性实现调制。
进一步地，所述光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器，用于实现对种子光源的有效放大。
进一步地，所述光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列分别在不同的芯片上实现；所述光开关阵列在光子集成电路(Photonic integrated circuit,PIC)芯片上实现；所述电开关阵列在集成电路(Integrated circuit,IC)芯片上实现；所述收发检测矩阵通过光子集成电路芯片和集成电路芯片异质集成实现，具体实现方式为晶圆键合。
进一步地，所述光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列对应的芯片通过硅中介层(interposer)连接，以便于空间光的收发和透镜的准直，或者通过流片工艺直接将集成电路芯片和光子集成电路芯片流在同一芯片上，或者通过晶圆键合直接进行3D堆叠。
进一步地，所述光开关阵列的输入光信号通过1xN的光开关，得到N束光的分时输出，分别进入对应1xM的分束器，得到MxN的光信号输出矩阵。
进一步地，所述像素单元中第一级2x2分束器的第一输入口接收所述光开关阵列对应位置的输出光信号，通过位于准直透镜焦平面的第一输出口出射到自由空间，通过第二输出口传输至第二级2x2分束器的第一输入口，作为片上检测的参考光；自由空间返回的光信号通过第一级2x2分束器的第一输出口接收，经第一级2x2分束器的第二输入口传输至第二级2x2分束器的第二输入口，作为片上检测的信号光；第二级2x2分束器的两个输出口通过光电探测器转换成电信号输出。
进一步地，所述光电探测器由平衡探测器和跨阻放大器实现，所述第二级2x2分束器的两个输出口连接所述平衡探测器的两个输入口进行平衡探测，所述平衡探测器的输出口通过所述跨阻放大器进行放大，将电信号传输至所述电开关阵列进行后续处理。
进一步地，所述收发检测矩阵的MxN个像素单元中，每行的N个像素点通过Nx1的电开关，通向对应的模数转换器，对M行进行相同操作，实现对MxN个电信号的模数转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1. 本发明通过设计像素单元的两级2x2分束器结构，实现在片上的像素级直接检测，进而提高成像速率；
2. 本发明设计光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列分别在不同芯片上实现，并通过硅中介层连接，实现纯固态，寿命长，性能更稳定，体积小，安装简易，方便降本量产；
3. 本发明通过收发检测矩阵芯片的晶圆键合，降低收发机的组装难度，提高了收发机的集成度；
4. 本发明采用相干检测，抗干扰能力强；采用收发同轴，降低收发机的插入损耗及组装难度，提高收发机的集成度及接收性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的扫描同轴面阵收发机结构示意图；
图2是本发明实施例提供的收发检测矩阵的单个像素单元实现示意图；
图3是本发明实施例提供的扫描同轴面阵收发机构成激光雷达系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例提供一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，包括光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列，参见图1，具体结构如下；
光开关阵列由一个1xN的光开关和N个1xM的分束器组成；
电开关阵列由M个Nx1的电开关和M个模数转换器ADC组成；
收发检测矩阵由MxN个像素单元组成，每个像素单元包括两级2x2分束器；第一级2x2分束器中的一个输入口和一个输出口作为第二级2x2分束器的两个输入口，第一级2x2分束器中的另一个输入口作为所述像素单元的输入口，连接光开关阵列对应位置的输出，第一级2x2分束器中的另一个输出口作为像素单元的收发口，第二级2x2分束器的两个输出口作为片上检测口，通过光电探测器转换成电信号后，作为电开关阵列对应位置的输入；每个像素单元同时具有发射、接收、片上检测功能。
具体地，光开关阵列的输入光信号由依次连接的激光器、光调制器和光放大器生成。激光器采用窄线宽激光器，提高光的相干性。光调制器采用强度调制或相位调制方法，利用电光特性或声光特性实现调制；光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器，用于实现对种子光源的有效放大。
具体地，光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列分别在不同的芯片上实现；光开关阵列在光子集成电路(Photonic integrated circuit,PIC)芯片上实现；电开关阵列在集成电路(Integrated circuit,IC)芯片上实现；收发检测矩阵通过光子集成电路芯片和集成电路芯片异质集成实现，具体实现方式为晶圆键合。
光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列对应的芯片通过硅中介层(interposer)连接，以便于空间光的收发和透镜的准直。除此之外，还可以通过先进的流片工艺直接将集成电路芯片和光子集成电路芯片流在同一芯片上，或者通过晶圆键合直接进行3D堆叠。
在光开关阵列的具体实施中，光开关阵列的输入光信号通过1xN的光开关，得到N束光的分时输出，分别进入对应1xM的分束器，得到MxN的光信号输出矩阵。
在收发检测矩阵的具体实施中，像素单元中第一级2x2分束器的第一输入口接收光开关阵列对应位置的输出光信号，通过位于准直透镜焦平面的第一输出口出射到自由空间，通过第二输出口传输至第二级2x2分束器的第一输入口，作为片上检测的参考光；自由空间返回的光信号通过第一级2x2分束器的第一输出口接收，经第一级2x2分束器的第二输入口传输至第二级2x2分束器的第二输入口，作为片上检测的信号光；第二级2x2分束器的两个输出口通过光电探测器转换成电信号输出。
具体地，光电探测器由平衡探测器和跨阻放大器实现，如图2所示，第二级2x2分束器的两个输出口连接平衡探测器的两个输入口进行平衡探测，平衡探测器的输出口通过跨阻放大器进行放大，将电信号传输至电开关阵列进行后续处理。
在电开关阵列的具体实施中，收发检测矩阵的MxN个像素单元中，每行的N个像素点通过Nx1的电开关，通向对应的模数转换器，对M行进行相同操作，实现对MxN个电信号的模数转换。
本发明提供的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机可以应用于激光雷达系统或OCT。图3是采用本发明提供的扫描同轴面阵收发机构成的激光雷达系统的一个示例。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，包括光开关阵列、收发检测矩阵和电开关阵列；
所述光开关阵列由一个1xN的光开关和N个1xM的分束器组成；所述光开关阵列的输入光信号通过1xN的光开关，得到N束光的分时输出，分别进入对应1xM的分束器，得到MxN的光信号输出矩阵；
所述电开关阵列由M个Nx1的电开关和M个模数转换器组成；
所述收发检测矩阵由MxN个像素单元组成，每个像素单元包括两级2x2分束器；第一级2x2分束器的第一输入口作为所述像素单元的输入口，接收所述光开关阵列对应位置的输出光信号，通过位于准直透镜焦平面的作为所述像素单元的收发口的第一输出口出射到自由空间，通过第二输出口传输至第二级2x2分束器的第一输入口，作为片上相干检测的参考光；自由空间返回的光信号通过所述第一级2x2分束器的第一输出口接收，经所述第一级2x2分束器的第二输入口传输至所述第二级2x2分束器的第二输入口，作为片上相干检测的信号光；所述第二级2x2分束器的两个输出口作为片上相干检测口，通过光电探测器转换成电信号后，作为所述电开关阵列对应位置的输入；
所述收发检测矩阵的MxN个像素单元中，每行的N个像素点通过Nx1的电开关，通向对应的模数转换器，对M行进行相同操作，实现对MxN个电信号的模数转换。
2.根据权利要求1所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述光开关阵列的输入光信号由依次连接的激光器、光调制器和光放大器生成。
3.根据权利要求2所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述激光器采用窄线宽激光器。
4.根据权利要求2所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述光调制器采用强度调制或相位调制方法，利用电光特性或声光特性实现调制；所述光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器。
5.根据权利要求1所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述光开关阵列、所述收发检测矩阵和所述电开关阵列分别在不同的芯片上实现；所述光开关阵列在光子集成电路芯片上实现；所述电开关阵列在集成电路芯片上实现；所述收发检测矩阵通过光子集成电路芯片和集成电路芯片异质集成实现，具体实现方式为晶圆键合。
6.根据权利要求5所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述光开关阵列、所述收发检测矩阵和所述电开关阵列对应的芯片的集成方式采用：通过硅中介层连接，或者通过流片工艺直接将集成电路芯片和光子集成电路芯片流在同一芯片上，或者通过晶圆键合直接进行3D堆叠。
7.根据权利要求1-6任一项所述的片上相干检测的扫描同轴面阵收发机，其特征在于，所述光电探测器由平衡探测器和跨阻放大器实现，所述第二级2x2分束器的两个输出口连接所述平衡探测器的两个输入口，所述平衡探测器的输出口通过所述跨阻放大器进行放大，将电信号传输至所述电开关阵列。
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