CN114008474A - 具有多模波导光电检测器的lidar系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种光检测和测距(LIDAR)设备，其包括被配置为发射光束的光源。LIDAR设备还包括自由空间光学器件，该自由空间光学器件被配置为接收光束的第一部分作为目标信号以及光束的第二部分作为本地振荡信号，并且将目标信号和本地振荡信号组合。LIDAR设备包括被配置为接收组合信号的多模(MM)波导。

Description

具有多模波导光电检测器的LIDAR系统
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2019年4月4日提交的美国专利申请16/375,511的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开通常涉及用于提供跨两个维度对范围和速度的同时测量的光检测和测距(LIDAR)。
背景技术
快速扫描镜是在大多数常规LIDAR系统中用于照射场景的主要组件。一个镜通常沿着X方向(方位角)快速扫描，而另一镜沿着Y方向(仰角)缓慢扫描。光发射和来自目标反射的检测通常经由单模光纤同轴地完成。收集到的光具有用于提取范围和潜在的速度信息的测量延迟或改变的频率特征。当逐点检测到的范围信息与来自扫描镜的角位置反馈组合时，可以建立3D点云。
为了实现更高的帧频，增加镜的角速度，特别是在更快扫描方向上的扫描器(在本文情况下为X扫描器)的角速度。当使用具有高角速度的镜和基于单模光纤的检测时，来自远处对象的目标信号严重劣化。信号劣化主要是由于从光学信号(脉冲或扫频)的发射时间起到来自远处散射目标的同一信号的收集时间为止扫描器镜的角位置的差异。这种轻微的角改变导致光纤尖端处的目标信号的走离，从而降低耦合效率，这将其本身表现为较弱的信号检测。随着光纤直径减小，例如直径为～10μm的单模光纤，或者随着镜的角速度增加，这种劣化变得更严重。
发明内容
本公开包括但不限于以下示例实现。
一些示例实现提供一种光检测和测距设备即LIDAR设备，其包括被配置为发射光束的光源。所述LIDAR设备包括自由空间光学器件，其被配置为：接收所述光束的第一部分作为目标信号以及所述光束的第二部分作为本地振荡信号，以及将所述目标信号和所述本地振荡信号组合。所述LIDAR设备还可以包括多模(MM)波导，所述多模波导被配置为接收组合信号。
一些示例实现提供一种方法，包括：由光检测和测距系统即LIDAR系统的光源生成朝向目标的光束。该方法包括由所述LIDAR系统接收与所述目标对所述光束的反射相关联的目标信号和与自由空间光学器件对所述光束的反射相关联的本地振荡信号。该方法还包括将所述目标信号和所述本地振荡信号组合到多模波导即MM波导中。
通过阅读以下详细描述以及下面简要描述的附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得明显。本公开包括本公开中所阐述的两个、三个、四个或更多个特征或要素的任何组合，而不管这些特征或要素是否在本文描述的特定示例实现中明确组合或以其它方式叙述。除非本公开的上下文另有明确规定，否则本公开旨在整体地阅读，使得本公开的任何可分离的特征或要素在其任何方面和示例实现中都应被视为可组合的。
因此，应当理解，提供本发明内容仅仅是为了总结一些示例实现，以提供对本公开的一些方面的基本理解。因此，应当理解，上述示例实现仅仅是示例，并且不应被解释为以任何方式缩小本公开的范围或精神。通过以下结合附图进行的详细描述，其它示例实现、方面和优点将变得明显，其中附图通过示例的方式示出一些所描述的示例实现的原理。
附图说明
从下面给出的详细描述和本公开的各个方面和实现的附图将更全面地理解本公开的实施例和实现，然而，不应将本公开限制于具体实施例或实现，而是仅用于解释和理解。
图1示出根据本公开的示例实现的LIDAR系统。
图2示出根据本公开的实施例的扫描系统的光学电路的方面。
图3示出根据本公开的实施例的LIDAR系统的方面。
图4示出根据本公开的实施例的具有多个光源的LIDAR系统的方面。
图5A是根据本公开的实施例的示例多路分解器的图示。
图5B是根据本公开的一些实施例的示例多路分解器的图示。
图6示出扫描系统的光学电路的方面。
图7A示出根据本公开的实施例的具有用于生成多个光束的多个光源的LIDAR系统的方面。
图7B示出根据本公开的其它实施例的具有用于生成多个光束的多个光源的LIDAR系统的方面。
图8描绘根据本公开的实现的用于将目标信号和本地振荡信号组合到多模波导中的方法的流程图。
具体实施方式
本公开的示例实现涉及一种改进的扫描LIDAR系统。本公开的示例实现基于使用频率调制(FM)和相干检测来克服传统LIDAR系统的缺点和现有FM LIDAR系统的限制的一种类型的LIDAR。历史上，FM LIDAR系统在光束的返回路径中遭受显著损耗；因此，通常相当庞大的这种系统需要更高的平均光束输出功率来飞行时间(TOF)LIDAR系统相当地测量距离。然而，范围受到眼睛安全输出功率的操作距离的限制。
本公开的示例实现被配置为使用相干检测同时测量范围和速度，并且具有对来自其它LIDAR系统的串扰的抗扰性的附加益处。其它实现可以与非相干系统一起使用以改善范围、帧频或检测。示例实现使光束的返回路径中的光学损耗最小化，从而增加系统的测量范围。另外，通过使用非简并光源，示例实现可以利用通常在集成硅光子学中使用的成熟波分复用(WDM)技术，由于其紧凑性和在变化的环境条件下的相对稳定性而成为期望的平台。
如上所述，在目标信号返回时光纤尖端处的偏心是耦合效率劣化的主要来源。为了减轻光纤尖端处的偏心返回光的阻碍效应，常规FM LIDAR系统可以将本地振荡(LO)信号与目标信号组合到单模(SM)波导中。然后可以将组合信号提供给光学光电检测器。通常，将目标信号和LO信号组合的效率基于光电检测器上的LO信号和目标信号之间的空间重叠。由于SM波导的模式场直径相对较小，因此将目标信号与SM波导耦合是极具挑战性的并且难以制造。此外，SM波导不补偿同轴光束扫描(诸如不充分的解扫描(de-scan)或信号偏差等)的时间相关的有害影响。
本公开的示例实现通过由FM LIDAR系统将LO信号和目标信号组合并将组合信号提供给多模(MM)波导来应对上述和其它缺陷。离开系统的光的偏振状态可以用自由空间光学器件的偏振波片来变换。在偏振波片之后，一部分光可以作为LO信号朝向系统反射回来，而其余的光行进到环境中并且可以被系统的视场(FOV)内的一个或多个对象反射回来作为目标信号。自由空间光学器件可以被配置为将LO信号和接收到的目标信号组合以生成组合信号。在自由空间光学器件中，目标信号干涉LO信号以形成组合信号。由于组合信号的偏振状态被变换，因此组合信号可以被偏振分束器反射到相对于SM波导具有更大模式面积的一个或多个MM波导。然后可以将组合信号提供给一个或多个波导光电检测器(WGPD)。
因此，通过将组合信号提供给MM波导，改善了FM LIDAR系统的性能。由于与SM波导相比，MM波导具有更大的模式面积，因此与利用SM波导的常规FM LIDAR系统相比，将组合信号与MM波导耦合更有效率，从而改善了FM LIDAR系统的性能和制造能力。此外，使用MM波导来接收组合信号可以帮助补偿同轴LIDAR系统中可能固有的不足的解扫描效应和偏差，从而进一步改善了FM LIDAR系统的性能。
图1示出根据本公开的示例实现的LIDAR系统100。LIDAR系统100包括多个组件各自中的一个或多个，但是可以包括与图1所示相比更少的或附加的组件。LIDAR系统100可以在任何感测市场中实现，诸如但不限于运输、制造、计量、医疗和安全系统等。例如，在汽车工业中，所描述的光束传递系统成为调频连续波(FMCW)装置的前端，其可以辅助自动驾驶员辅助系统或自动驾驶运载工具的空间感知。如图所示，LIDAR系统100包括在光子芯片上实现的光学电路101。光学电路101可以包括有源光学组件和无源光学组件的组合。有源光学组件可以生成、放大或检测光学信号等。在一些示例中，有源光学电路包括不同波长的光束、一个或多个光学放大器、或者一个或多个光学检测器等。
自由空间光学器件115可以包括一个或多个光学波导以承载光学信号，并且将光学信号路由和操纵到有源光学电路的适当输入/输出端口。自由空间光学器件115还可以包括一个或多个光学组件，诸如抽头(tap)、波分复用器、分束器/合束器、偏振分束器、准直器等。在一些实施例中，如下面进一步所讨论的，自由空间光学器件115可以包括用于变换偏振状态并使用PBS将接收到的偏振光引导到光学检测器的组件。
光学扫描器102包括一个或多个扫描镜，扫描镜可沿着相应的正交轴旋转，以操纵光学信号来根据扫描图案扫描环境。例如，扫描镜可以由一个或多个振镜(galvanometer)旋转。光学扫描器102还将入射到环境中的任何对象上的光收集成返回光束，该返回光束被返回到光学电路101的无源光学电路组件。例如，返回光束可以由偏振分束器引导到光学检测器。除了镜和振镜之外，光学扫描系统可以包括诸如四分之一波片、透镜或抗反射涂层窗口等的组件。
为了控制和支持光学电路101和光学扫描器102，LIDAR系统100包括LIDAR控制系统110。LIDAR控制系统110可以包括用于LIDAR系统100的处理装置。在实施例中，处理装置可以是一个或多个通用处理装置，诸如微处理器或中央处理单元等。更特别地，处理装置可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算机(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、或用于实现其它指令集的处理器、或用于实现指令集的组合的处理器。处理装置还可以是一个或多个专用处理装置，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或网络处理器等。
在一些实施例中，LIDAR控制系统110可以包括信号处理单元112，诸如数字信号处理器等。LIDAR控制系统110被配置为输出数字控制信号以控制光学驱动器103。在一些实施例中，数字控制信号可以通过信号转换单元106转换为模拟信号。例如，信号转换单元106可以包括数模转换器。然后，光学驱动器103可以向光学电路101的有源组件提供驱动信号，以驱动诸如激光器和放大器等的光源。在一些实施例中，可以提供若干光学驱动器103和信号转换单元106以驱动多个光源。
LIDAR控制系统110还被配置为输出用于光学扫描器102的数字控制信号。运动控制系统105可以基于从LIDAR控制系统110接收到的控制信号来控制光学扫描器102的振镜。例如，数模转换器可以将来自LIDAR控制系统110的坐标路由信息转换为可由光学扫描器102中的振镜解释的信号。在一些实施例中，运动控制系统105还可以向LIDAR控制系统110返回与光学扫描器102的组件的位置或操作有关的信息。例如，模数转换器进而可以将与振镜的位置有关的信息转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。
LIDAR控制系统110还被配置为分析输入的数字信号。在这方面，LIDAR系统100包括光学接收器104，以测量由光学电路101接收到的一个或多个光束。例如，参考光束接收器可以测量来自有源光学电路的参考光束的幅度，并且模数转换器将来自参考接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。目标接收器测量拍频调制光学信号的形式的承载有与目标的范围和速度有关的信息的光学信号。反射光束可以与来自本地振荡器的第二信号混合。光学接收器104可以包括高速模数转换器，以将来自目标接收器的信号转换为可由LIDAR控制系统110解释的信号。
在一些应用中，LIDAR系统100可以另外包括被配置为捕获环境的图像的一个或多个成像装置108、被配置为提供系统的地理位置的全球定位系统109、或其它传感器输入。LIDAR系统100还可以包括图像处理系统114。图像处理系统114可以被配置为接收图像和地理位置，并且将这些图像和位置或与其相关的信息发送到LIDAR控制系统110或者连接到LIDAR系统100的其它系统。
在根据一些示例的操作中，LIDAR系统100被配置为使用非劣化光源来跨两个维度同时测量范围和速度。这种能力使得能够对周围环境的范围、速度、方位角和仰角进行实时、远程测量。在一些示例实现中，系统将多个调制光束指向同一目标。
在一些示例中，扫描处理从光学驱动器103和LIDAR控制系统110开始。LIDAR控制系统110指示光学驱动器103独立地调制一个或多个光束，并且这些调制信号通过无源光学电路传播到准直器。准直器在光学扫描系统处引导光，该系统按运动控制子系统所定义的预编程图案来扫描环境。光学电路还可以包括用以在光离开光学电路101时变换光的偏振的偏振波片。在实施例中，偏振波片可以是四分之一波片或半波片。偏振光的一部分也可以被反射回光学电路101。例如，透镜化或准直化系统可以具有用以将光的一部分反射回光学电路101的自然反射属性或反射涂层。
从环境反射回的光学信号穿过光学电路101到达接收器。由于光的偏振已经被变换，因此可以与偏振光中的被反射回光学电路101的部分一起被偏振分束器反射。因此，反射光被反射到单独的光学接收器，而不是返回到与光源相同的光纤或波导。这些信号相互干涉并生成组合信号。从目标返回的各个光束信号产生时移波形。两个波形之间的时间相位差生成在光学接收器(光电检测器)上测量到的拍频。然后，组合信号可以被反射到光学接收器104。下面进一步描述用于将光束偏振并引导到光学接收器104的光学电路101的配置。
使用ADC将来自光学接收器104的模拟信号转换为数字信号。然后将数字信号发送到LIDAR控制系统110。然后，信号处理单元112可以接收这些数字信号并对其进行解释。在一些实施例中，信号处理单元112还接收来自运动控制系统105和振镜(未示出)的位置数据以及来自图像处理系统114的图像数据。然后，信号处理单元112可以随着光学扫描器102扫描附加点而生成具有与环境中的点的范围和速度有关的信息的3D点云。信号处理单元112还可以将3D点云数据与图像数据叠加，以确定周围区域中的对象的速度和距离。该系统还处理基于卫星的导航位置数据以提供精确的全球位置。
图2示出扫描系统的光学电路200的方面。例如，根据一些示例实现，图2的光学电路200可以是如关于图1所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光源202被配置为向LIDAR系统的无源光学组件提供诸如激光光束等的光束。例如，光源202可以是激光源。光束可以作为非偏振光穿过偏振分束器(PBS)214。在穿过PBS 214之后，光束可以进入自由空间光学器件212。在实施例中，自由空间光学器件212可以包括透镜210和偏振波片208。透镜210可以用于会聚/准直光。光束的偏振可以通过使用偏振波片208来变换。然后，光束的偏振将被变换为圆偏振。在实施例中，偏振波片208可以将偏振光的一部分反射回光源202。在一些实施例中，可以使用透镜210或偏振波片208上的单独的镜、微透镜阵列、滤光器或反射涂层。光的反射部分变成用于与来自目标的返回光进行干涉的本地振荡器。
尽管本图示示出了自由空间光学器件212的透镜210和偏振波片208的特定布置，但是在其它实施例中，自由空间光学器件212的透镜210、偏振波片208和任意其它组件可以以各种配置来布置。例如，自由空间光学器件212可以被配置为使得光束穿过偏振波片208到达透镜210。在一些实施例中，透镜210还可以将偏振光的一部分反射回光源202。在一些实施例中，偏振波片208可以位于PBS 214之前。然后可以调整PBS 214的倾斜角，使得光束的一部分作为本地振荡信号被朝向WGPD 204重定向。
在穿过偏振波片208之后，光束被传送到环境，并且脉冲的一部分可以从一个或多个对象反射回来。例如，光可以通过如关于图1所讨论的一个或多个快速扫描镜以光栅图案传送到环境。反射光的一部分可以作为目标信号在光源202的方向上返回。自由空间光学器件212可以被配置为将接收到的目标信号与本地振荡信号组合以产生在空间上对准且同向传播的组合信号。由于包括目标信号和本地振荡信号的组合信号被偏振，因此当组合信号返回到偏振分束器214而不是传递回到光源202时，组合信号被反射到波导光电检测器204。本地振荡信号和来自目标的信号已经干涉以生成组合信号。因此，不需要使这两个信号彼此干涉。然后，组合信号可以用于解释与目标点处的环境有关的距离、速度或其它因素。
图3示出根据本公开的实施例的LIDAR系统300的方面。LIDAR系统300可以包括光子芯片302，该光子芯片302包括LIDAR系统300中的一个或多个组件。在实施例中，如先前在图1中所描述的，光学电路101在光子芯片302上实现。光学电路101可以生成光束，该光束穿过被配置为用于光束的单模传播的单模波导306。在一些实施例中，光束可以从SM波导306提供给可选的扩束器308a，该扩束器308a被配置为扩大光束的模式面积。
在离开光子芯片302时，如前所述，光束可以穿过偏振分束器(PBS)214。在实施例中，透镜(未示出)可以位于光子芯片302和PBS 214之间，以在光束进入PBS 214之前准直该光束。如先前在图2处所描述的，LIDAR系统300还可以包括自由空间光学器件212，以变换光的偏振、将光的一部分反射为本地振荡信号314、将目标信号和本地振荡信号组合等。
在变换光的偏振时，光束的一部分可以经由扫描器312(例如，图1的光学扫描器102)朝向目标316传送。当光束命中目标316时，光束的一部分作为目标信号318返回到LIDAR系统300。目标信号318由自由空间光学器件212接收，在自由空间光学器件212处，如前所述，目标信号318与本地振荡信号314组合。然后，组合信号由PBS 214接收，并被朝向多模(MM)波导326重定向。在实施例中，组合信号可以经由一个或多个翻转镜322从PBS 214重定向到MM波导326。在一些实施例中，在进入MM波导326之前，组合信号可以穿过可选的扩束器308b以扩大组合信号的模式面积。然后，组合信号可以穿过MM波导326，其中组合信号由波导光电检测器(WGPD)320接收。然后，组合信号可以用于解释与目标点处的环境有关的距离、速度或其它因素。
图4示出根据本公开的实施例的具有多个光源的LIDAR系统400的方面。LIDAR系统400可以包括光子芯片402，该光子芯片402包括LIDAR系统400中的一个或多个组件。在实施例中，光子芯片402可以包括如先前在图1中所描述的光学电路101。光学电路101可以包括用于生成光束的多个光源。在实施例中，第一光束可以具有第一波长(例如，λ1)，并且第二光束可以具有第二波长(例如，λ2)。在生成光束时，光束可以由多路复用器(MUX)404一起多路复用成单个输出光束。多路复用光束可以穿过被配置用于光束的单模传播的单模波导406。在一些实施例中，光束可以被提供给扩束器408a，该扩束器408a被配置为扩大光束的模式面积。
在离开光子芯片402时，如前所述，光束可以穿过偏振分束器(PBS)414。在实施例中，透镜(未示出)可以位于光子芯片402和PBS 414之间，以在光束进入PBS 414之前准直该光束。如先前在图2处所描述的，LIDAR系统400还可以包括自由空间光学器件412，以变换光束的偏振、将光的一部分反射为本地振荡信号422、将目标信号418和本地振荡信号422组合等。
在变换光的偏振时，光束的一部分可以经由扫描器424(例如，图1的光学扫描器102)朝向目标416传送。当光束命中目标416时，光束的一部分作为目标信号418返回到LIDAR系统400。目标信号418由自由空间光学器件412接收，在自由空间光学器件412处，目标信号418与本地振荡信号422组合。然后，组合信号由PBS 414接收，并被朝向多路分解器(DEMUX)430重定向。DEMUX 430可以被配置为接收光束并且基于波长将光束的第一部分重定向到第一位置以及将光束的第二部分重定向到第二位置。例如，DEMUX 430可以将光束的具有波长λ1的第一部分重定向到第一位置，并且将光束的具有波长λ2的第二部分重定向到第二位置。下面在图5A和5B中描述与DEMUX430相关的进一步细节。
包括具有波长λ1的第一LO信号和第一目标信号的第一组合信号可以由DEMUX 430朝向第一MM波导426a重定向。在一些实施例中，在进入第一MM波导426a之前，第一组合信号可以穿过被配置为扩大第一组合信号的模式面积的扩束器408b。然后，第一组合信号可以穿过第一MM波导426a，其中组合信号由第一波导光电检测器(WGPD)420a接收。
包括具有波长λ2的第二LO信号和第二目标信号的第二组合信号可以由DEMUX 430朝向第二MM波导426b重定向。在一些实施例中，在进入第二MM波导426a之前，第二组合信号可以穿过被配置为扩大第二组合信号的模式面积的扩束器408c。然后，第二组合信号可以穿过第二MM波导426b，其中组合信号由第二波导光电检测器(WGPD)420b接收。
图5A是根据本公开的实施例的示例多路分解器500的图示。在实施例中，多路分解器(DEMUX)500可以对应于图4的DEMUX 430。DEMUX 500可以包括分色镜502和翻转镜504。
分色镜502可以被配置为反射/重定向特定波长的光束，同时使得不同波长的光束能够穿过分色镜502。例如，分色镜502可以被配置为重定向具有波长λ1的光束，同时使得具有波长λ2的光束能够穿过分色镜502。参考图5A，分色镜502被配置为重定向具有波长λ1的光束，同时使得具有波长λ2的光束能够穿过分色镜502。因此，如先前在图4中所述，组合信号的包括具有波长λ1的第一LO信号和第一目标信号的第一部分被重定向到MM波导426a中。
如先前在图4中所述，组合信号的包括具有波长λ2的第二LO信号和第二目标信号的第二部分穿过分色镜502，其中组合信号的第二部分由翻转镜504重定向到MM波导426b中。
图5B是根据本公开的一些实施例的示例多路分解器550的图示。在实施例中，多路分解器(DEMUX)550可以对应于图4的DEMUX 430。DEMUX 550可以包括色散元件552以及翻转镜554和556。
色散元件552可以由被配置为基于光束的波长来以不同角度使部分光束色散的一个或多个材料形成。例如，色散元件552可以被配置为以第一角度引导光束的具有波长λ1的第一部分，并且以第二角度引导光束的具有波长λ2的第二部分。参考图5B，色散元件552被配置为将光束的具有波长λ1的第一部分以第一角度朝向翻转镜554引导，并且将光束的具有波长λ2的第二部分以第二角度朝向翻转镜556引导。翻转镜554可以被配置为将光束的第一部分重定向到第一MM波导426a中，并且翻转镜556可以被配置为将光束的第二部分重定向到第二MM波导426b中。
因此，组合信号的包括具有波长λ1的第一LO信号和第一目标信号的第一部分由色散元件552重定向到翻转镜554并进入MM波导426a。如先前在图4中所述，组合信号的包括具有波长λ2的第二LO信号和第二目标信号的第二部分由色散元件552重定向到翻转镜556并进入MM波导426b。
图6示出扫描系统的光学电路600的方面。例如，根据一些示例实现，图6的光学电路600可以是如关于图1所示的LIDAR系统100的光学电路101的一部分。如图所示，光学电路600包括多个光源602a、602b和多个WGPD 604a、604b。多个光源602a、602b和WGPD 604a、604b可以在单个时间间隔期间提供多个数据点。因此，快速扫描镜的较少旋转可提供附加数据。光学电路600的其余部分可以与上面参考图2所描述的那些部分相同或相似。例如，光学电路600可以包括自由空间光学器件412，该自由空间光学器件412具有用于变换光的偏振的偏振波片608和用于准直光的透镜610等。在一些实施例中，可以设置PBS 414的对准，使得在返回光被反射时光源602a、602b和WGPD604a、604b是对准的。在一些实施例中，可以存在多个光源602a、602b、多个WGPD 604a、604b，并且也可以存在多个PBS 414。可以单独分析在WGPD604a、604b处各自接收到的信号，以生成某点处的距离或速度数据。在一些实施例中，光源602a、602b可以提供不同波长的光束。
图7A示出根据本公开的实施例的具有用于生成多个光束的多个光源的LIDAR系统700的方面。LIDAR系统700的组件可以与LIDAR系统400的组件类似。然而，不是具有各自生成一个光束的两个光源，而是两个光源各自生成两个光束。例如，第一光源可以生成具有第一波长的第一光束和具有第二波长的第二光束。类似地，第二光源可以生成具有第三波长的第三光束和具有第四波长的第四光束。
由第一光源生成的光束可以由MUX 404a多路复用在一起，并且由第二光源生成的光束可以由MUX 404b多路复用在一起。然后，如前所述，将来自第一光源(例如，源1)的多路复用光束和来自第二光源(例如，源2)的多路复用光束朝向目标416引导。目标信号418被接收并与LO信号422组合。组合信号由PBS 414朝向DEMUX 430重定向。DEMUX 430被配置为基于波长和光源来分离组合信号。例如，DEMUX 430可以分离组合信号的来自第一光源(例如，源1)的与第一波长(例如，λ1)相对应的第一部分，并且将组合信号的第一部分朝向MM波导426a引导。DEMUX 430可以分离组合信号的来自第二光源的与第一波长相对应的第二部分，并且将组合信号的第二部分朝向MM波导426b引导。DEMUX 430还可以分离组合信号的来自第一光源的与第二波长(例如，λ2)相对应的第三部分，并且将组合信号的第三部分朝向MM波导426c引导。DEMUX 430还可以分离组合信号的来自第二光源的与第二波长相对应的第四部分，并且将组合信号的第四部分朝向MM波导426d引导。
尽管描述为具有用于生成多个光束的两个光源，但是本公开的实施例可以利用用于生成不同波长的多个光束的任何数量的激光源。例如，本公开的方面可以由具有用于生成不同波长的两个或更多个光束的单个光源的LIDAR系统来利用。
图7B示出根据本发明的其它实施例的具有用于生成多个光束的多个光源的LIDAR系统750的方面。LIDAR系统750的组件可以与LIDAR系统700的组件类似。然而，在图7B中，不是具有由多个光源利用的一组无源光学电路，而是各个光源可以具有相应的一组无源光学电路。例如，第一光源可以具有相应的PBS 414a、自由空间光学器件412a和扫描器424a，并且第二光源可以具有相应的PBS 414b、自由空间光学器件412b和扫描器424b。类似地，各个光源可以具有如先前在图4至图5所述的用于基于波长来分离所接收到的组合信号的相应的DEMUX(例如，DEMUX 430a和430b)。为了清楚起见，可选的扩束器未示出在MM波导418a-418d之前。然而，在一些实施例中，扩束器可以在MM波导418a-418d之前位于光子芯片402上。
尽管描述为具有用于生成多个光束的两个光源，但是本公开的实施例可以利用用于生成不同波长的多个光束的任何数量的激光源。例如，本公开的方面可以由具有用于生成不同波长的两个或更多个光束的单个光源的LIDAR系统来利用。
图8描绘根据本公开的实现的用于将目标信号和本地振荡信号组合到多模波导中的方法800的流程图。在实施例中，方法800的各个部分可以分别由图1、图3和图4的LIDAR系统100、300和/或400进行。
参考图8，方法800示出由各种实施例使用的示例功能。尽管在方法800中公开了特定功能框(“框”)，但是这样的框是示例。也就是说，实施例非常适合于进行方法800中所限定的各种其它框或框的变形。应当理解，方法800中的框可以以与所呈现的顺序不同的顺序进行，并且可以不进行方法800中的所有框。
在框802处，LIDAR系统的光源生成朝向目标的光束。在实施例中，多个光源可以生成多个光束。在一些实施例中，多个光束可以具有不同的波长。如前所述，所生成的光束可以穿过PBS和自由空间光学器件而朝向目标。在实施例中，一个或多个光束的偏振可以由偏振波片来变换。
在框804处，LIDAR系统接收与目标对光束的反射相关联的目标信号。如先前在图2和图6处所描述的，LIDAR系统还可以接收与自由空间光学器件对光束的反射相关联的本地振荡信号。在实施例中，由多个光源生成的多个目标信号和多个本地振荡信号可以由LIDAR系统接收。
在框806处，LIDAR系统将目标信号和本地振荡信号组合到多模(MM)波导中。在实施例中，LIDAR系统的自由空间光学器件可以被配置为将目标信号和本地振荡信号组合，使得信号在空间上对准并同向传播。组合信号可以通过PBS以及/或者一个或多个翻转镜朝向MM波导重定向。在实施例中，然后可以经由MM波导将组合信号提供给波导光电检测器。在一些实施例中，波导光电检测器和MM波导可以驻留在同一光子芯片上。
在利用多个光源生成多个光束的实施例中，可以利用DEMUX将具有第一波长的第一组合信号引导到第一MM波导中，并且将具有第二波长的第二组合信号引导到第二MM波导中。在一些实施例中，如先前在图5A中所描述的，DEMUX可以包括分色镜和翻转镜。在实施例中，如先前在图5B中所描述的，DEMUX可以包括色散元件以及一个或多个翻转镜。
前面的描述阐述了许多具体细节，诸如具体系统、组件、方法等的示例等，以提供对本公开的若干实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的至少一些实施例。在其它情况下，没有详细描述或以简单的框图格式呈现公知的组件或方法，以避免不必要地模糊本公开。因此，所阐述的具体细节仅仅是示例性的。特定实施例可以与这些示例性细节不同，并且仍然被认为在本公开的范围内。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合包括在至少一个实施例中的实施例所描述的特定特征、结构或特性。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”没有必要一定都指代同一实施例。另外，术语“或”旨在表示包含性的“或”，而不是排他性的“或”。
尽管以特定顺序示出和描述了本文的方法的操作，但是可以改变各个方法的操作的顺序，使得某些操作可以以相反的顺序进行，或者使得某些操作可以至少部分地与其它操作同时进行。在另一实施例中，不同操作的指令或子操作可以是间歇或交替的方式。
本发明的所示实现的上述描述(包括摘要中所描述的内容)并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然出于说明性目的在本文中描述了本发明的具体实现和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内的各种等同修改是可能的。词语“示例”或“示例性”在本文中用于表示用作示例、实例或说明。本文中被描述为“示例”或“示例性”的任何方面或设计没有必要一定被解释为比其它方面或设计优选或有利。相反，词语“示例”或“示例性”的使用旨在以具体的方式呈现概念。如本申请中所使用的，术语“或”旨在表示包含性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚，否则“X包括A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，如果X包括A；X包括B；或者X包括A和B这两者，则在任何前述情况下满足“X包括A或B”。此外，本申请和所附权利要求中所使用的冠词“a”和“an”通常应被解释为表示“一个或多个”，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式。此外，贯穿全文使用术语“实施例”或“一个实施例”或“实现”或“一个实现”并不旨在表示同一实施例或实现，除非如此描述。此外，如本文所使用的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等意指作为在不同要素之间进行区分的标签，并且可能没有必要一定具有根据它们的数字标记的序数含义。

Claims (20)

1.一种光检测和测距设备即LIDAR设备，包括：
光源，其被配置为发射光束；
自由空间光学器件，其被配置为：
接收所述光束的第一部分作为目标信号以及所述光束的第二部分作为本地振荡信号，以及
将所述目标信号和所述本地振荡信号组合；以及
多模波导即MM波导，其被配置为接收组合信号。
2.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
偏振分束器，其被配置为使第一偏振状态的光在第一方向上穿过所述分束器，并且在不同于所述第一方向的第二方向上反射第二偏振状态的光。
3.根据权利要求2所述的LIDAR设备，还包括：
第二透镜化光学器件，其被配置为准直通过所述偏振分束器的光束。
4.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
波导光电检测器，其被配置为从所述MM波导接收所述组合信号。
5.根据权利要求4所述的LIDAR设备，其中，所述光源、所述波导光电检测器和所述MM波导位于光子芯片上。
6.根据权利要求1所述的LIDAR设备，其中，所述自由空间光学器件包括被配置为变换所述光束的偏振状态的偏振波片和被配置为准直所述光束的透镜。
7.根据权利要求6所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片包括四分之一波片和半波片其中之一。
8.根据权利要求6所述的LIDAR设备，其中，所述偏振波片还包括用以返回所述光束的作为所述本地振荡信号的第二部分的反射器或涂层。
9.根据权利要求1所述的LIDAR设备，还包括：
第二光源，用于发射第二光束，其中，所述光束的第一波长不同于所述第二光束的第二波长。
10.根据权利要求9所述的LIDAR设备，还包括：
多路分解器，其包括分色镜，所述分色镜被配置为反射所述第一波长的光束并且使得所述第二波长的第二光束穿过所述分色镜。
11.根据权利要求9所述的LIDAR设备，还包括：
多路分解器，其包括色散元件，所述色散元件被配置为将所述第一波长的光束朝向第一翻转镜引导并且将所述第二波长的第二光束朝向第二翻转镜引导。
12.根据权利要求9所述的LIDAR设备，还包括：
第二波导光电检测器，其被配置为接收与所述第二光束相关联的第二组合信号。
13.一种方法，包括：
由光检测和测距系统即LIDAR系统的光源生成朝向目标的光束；
由所述LIDAR系统接收与所述目标对所述光束的反射相关联的目标信号和与自由空间光学器件对所述光束的反射相关联的本地振荡信号；以及
将所述目标信号和所述本地振荡信号组合到多模波导即MM波导中。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
由波导光电检测器从所述MM波导接收组合信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述LIDAR系统、所述MM波导和所述波导光电检测器在光子芯片上。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述光束包括：
由所述自由空间光学器件变换所述光束的偏振状态。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括：
由所述LIDAR系统的第二光源生成朝向所述目标的第二光束，其中，所述第二光束具有与所述光束不同的波长；
由所述LIDAR系统接收与所述目标所反射的第二光束相关联的第二目标信号和与所述自由空间光学器件所反射的光束相关联的第二本地振荡信号；以及
将所述第二目标信号和所述第二本地振荡信号组合到第二MM波导中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二目标信号和所述第二本地振荡信号穿过分色镜，所述分色镜用于将与所述光束相关联的第一波长的光反射到翻转镜，所述翻转镜用于将第二波长的第二光束反射到所述第二MM波导中。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第二目标信号和所述第二本地振荡信号穿过色散元件，所述色散元件被配置为将所述第二目标信号和所述第二本地振荡信号引导到翻转镜，所述翻转镜用于将所述第二目标信号和所述第二本地振荡信号反射到所述第二MM波导中。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：
由第二波导光电检测器从所述第二MM波导接收第二组合信号。
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