CN114325636A - 激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法。该激光雷达芯片包括：相互连接的光开关模块和光学天线阵列，光开关模块连接至探测器或输入耦合器，输入耦合器连接至激光器；输入耦合器，用于接收激光器发射的激光，并通过光波导发送至光开关模块；光开关模块，包括微环和光波导，用于将激光传输至光学天线阵列，或者，将该激光对应的反射回波传输至探测器；光学天线阵列，用于将激光发射至空间，或者，用于接收激光对应的反射回波发送至光开关模块。本申请实施例能够减小激光雷达芯片的尺寸以及减少光学损耗。

Description

激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法

技术领域

本申请实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法。

背景技术

随着自动驾驶及遥感技术的发展，激光雷达受到越来越多的关注。

目前激光雷达的光传输是基于光开关来实现，其主流的光开关是马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构。而MZI结构需要经过多级选路，才能将激光辐射至空间，也就是说，一束激光最终要传输到空间，需要经过很多个MZI开关和多次选路，而MZI开关数量多就会导致激光雷达芯片尺寸大，并且激光经过的MZI开关数量越多，光学损耗就会越大。

发明内容

本申请实施例提供一种激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法，以减小激光雷达芯片的尺寸。

第一方面，本申请实施例提供一种激光雷达芯片，包括：相互连接的光开关模块和光学天线阵列，所述光开关模块连接至探测器或输入耦合器，所述输入耦合器连接至激光器；所述输入耦合器，用于接收所述激光器发射的激光，并通过光波导发送至所述光开关模块；所述光开关模块，包括微环和光波导，将所述激光传输至所述光学天线阵列，或者，将该激光对应的反射回波传输至所述探测器；所述光学天线阵列，用于将所述激光发射至空间，或者，用于接收所述激光对应的反射回波发送至所述光开关模块。

第二方面，本申请实施例提供一种激光雷达，包括如第一方面的激光雷达芯片。

第三方面，本申请实施例提供一种激光探测方法，采用如第二方面的激光雷达进行目标探测，该方法包括：激光器发射激光；激光雷达芯片接收所述激光；激光雷达芯片通过波导和微环将所述激光传输至透镜，并由所述透镜将所述激光辐射至空间；和/或，所述激光雷达芯片接收所述激光对应的反射回波；所述激光雷达芯片通过波导和微环将所述反射回波传输至探测器中。

本申请实施例提供的激光雷达芯片、激光雷达及其激光探测方法，通过微环和光波导实现激光和激光对应的反射回波的传输，微环光开关结构在光传输过程中，选路次数少，因此，可以使用较少数量的微环光开关实现与MZI结构同样的光传输功能，举例来说，一束激光最终要传输到对应的天线中，需要经过的微环光开关的数量和选路次数少于MZI结构，因此，能够减小激光雷达芯片的尺寸和光学损耗。

附图说明

图1为现有技术中激光雷达的结构示意图；

图2A为本申请实施例提供的激光雷达芯片的结构示意图；

图2B为本申请另一实施例提供的激光雷达芯片的结构示意图；

图3为呈列排布的多个微环与光学天线阵列连接的示意图；

图4为呈多维阵列形式排布的激光雷达芯片的结构示意图；

图5为采用横斑变换结构连接的1个第二光波导和1个第三光波导的结构示意图；

图6为采用横斑变换结构连接的多个第二光波导和多个第三光波导的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的双层波导交叉结构的示意图；

图8为本申请实施例提供的跨越多根波导的双层波导交叉结构的示意图；

图9为本申请实施例提供的衬底结构的示意图；

图10为本申请另一实施例提供的衬底结构的示意图；

图11为本申请实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图12为本申请另一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图13为本申请另一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图14为本申请另一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图15为本申请另一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图16为本申请另一实施例提供的激光雷达的结构示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、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的实施例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。

图1是现有技术中激光雷达的结构示意图。如图1所示，该激光雷达包括激光器10、MZI开关结构11和光学天线阵列12。MZI开关结构11采用多个MZI开关级联形成，例如，从图中由左往右，每一列都是一个级联结构，可以看到，图1中的每1个MZI开关分别连接2个MZI开关。也就是说，激光器10发射的激光首先经过与该激光器连接的第一个MZI开关110，之后，第二列级联结构就需要在2个MZI开关，即MZI开关111和MZI开关112中进行选路，然后再在与MZI开关111连接的MZI开关113和MZI开关114中进行选路，或者在与MZI开关112连接的MZI开关115和MZI开关116中进行选路，经过上述多级选路，最终将激光对应传输至光学天线阵列12中的一根天线，也就是说，一束激光最终要传输到对应的单根天线中，需要经过很多个MZI开关和多次选路，而每一次选路都需要有对应的控制单元，就使得控制过程复杂，选路次数多也会导致光学损耗大，另外，MZI开关数量多还会导致激光雷达芯片尺寸大。

针对上述技术问题，本申请通过在激光雷达芯片的光传输过程中，减少选路次数，通过使用较少数量的光开关结构实现与MZI结构同样的光传输功能，从而减小激光雷达芯片的尺寸和光学损耗。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

图2A为本申请实施例提供的激光雷达芯片的结构示意图。本申请实施例针对现有技术的如上技术问题，提供了激光雷达芯片，如图2A所示，该激光雷达芯片20包括：光开关模块21、光学天线阵列22和输入耦合器24，光开关模块21和光学天线阵列22相互连接，光开关模块21连接至输入耦合器24，输入耦合器24连接至激光器25。

其中，激光器25，用于发射激光。

输入耦合器24，用于接收激光器25发射的激光，并通过光波导将激光传输至光开关模块21。

光开关模块21，包括微环和光波导，用于将激光传输至光学天线阵列22。

光学天线阵列22，用于将激光发射至空间。

图2B为本申请另一实施例提供的激光雷达芯片的结构示意图。本申请实施例针对现有技术的如上技术问题，提供了激光雷达芯片，如图2B所示，该激光雷达芯片20包括：相互连接的光开关模块21和光学天线阵列22，光开关模块21连接至探测器23。

其中，光学天线阵列22，用于接收激光对应的反射回波发送至光开关模块21。

光开关模块21，包括微环和光波导，用于将该激光对应的反射回波传输至探测器23。

本实施例通过微环和光波导实现激光和激光对应的反射回波的传输，微环在光传输过程中，仅需进行两次光路选择，就可以传输到相对应的单根光学天线。因此，可以使用较少数量的微环光开关实现与MZI结构同样的光传输功能，故结构占用芯片面积更小，光损耗更低。举例来说，一束激光最终要传输到对应的天线中，需要经过的微环光开关的数量和选路次数少于MZI结构，因此，能够减小激光雷达芯片的尺寸和光学损耗。

可选的，输入耦合器24通过光纤连接至激光器25。

可选的，激光器为窄线宽光源，其相干长度大于或等于1米，或者为窄脉冲光源，脉宽小于1微秒。

可选的，光学天线阵列为光栅型光学天线，其中光栅可以是二级衍射光栅，光栅周期及占空比与工作波长相匹配。

可选的，输入耦合器为端面耦合器或者光栅耦合器。

可选的，微环可以为热光型光开关或电光型光开关。

其中，光开关模块包括多个微环，该多个微环可以按照一定的排布规则排布，并且各个微环之间通过光波导连接从而进行信号传输。下面将详细介绍两种不同的排布规则：

在第一种可选的实施方式中，该多个微环可以呈一维阵列形式排布。具体地，光开关模块包括：呈行或呈列排布的多个微环。

图3为呈列排布的多个微环与光学天线阵列连接的示意图，如图3所示，光开关模块30包括：呈列排布的多个微环301。多个微环301的一侧设置有第一光波导302，多个微环301的另一侧设置有多个第二光波导303，其中，每个微环301分别对应一个第二光波导303，多个微环与一个第一光波导之间具有间隔(以下称为第一间隔)，每个微环的另一侧与对应的第二光波导之间具有间隔(以下称为第二间隔)。

第一光波导302，用于接收来自输入耦合器31的激光，并通过微环301传输至其中一个第二光波导303，或者，用于接收激光对应的反射回波。

其中，将图3中输入耦合器31和光开关模块30之间的光波导称之为第三光波导32，第一光波导和第三光波导可以一体连接也可以不一体连接，本实施例对此不做具体限定。若第一光波导和第三光波导一体连接，则第一光波导和第三光波导可以视为一根光波导，第三光波导可以理解为是第一光波导延伸出光开关模块的一段光波导；若第一光波导和第三光波导不一体连接，则第一光波导和第三光波导可以视为两根光波导，该两根光波导可以通过已有的一些连接方式连接。本实施例在此不再详细介绍具体的连接方式。

光学天线阵列33包括多根天线331，每个第二光波导303，对应连接至光学天线阵列33中的一根光学天线331，用于将激光传输至对应的该光学天线331并发射至空间，或者，用于接收光学天线331发送的空间中的反射回波，并通过微环301和第一光波导302传输至探测器。其中，发射激光的光学天线与接收该激光的反射回波的光学天线可以是不同的光学天线。

在第二种可选的实施方式中，该多个微环可以呈多维阵列形式排布。

图4为呈多维阵列形式排布的激光雷达芯片的结构示意图，如图4所示，光开关模块包括呈列排布的多个第一微环401(请参见图中左侧虚线框)，以及，呈行列排布的多个第二微环402(请参见图中右侧虚线框)；多个第一微环401的一侧设置有第一光波导403，多个第一微环与第一光波导之间具有间隔(以下称为第三间隔)；每个第一微环401的另一侧和多个第二微环402的一侧之间设置有一个第二光波导404，每个第二光波导与对应的第一微环和对应的多个第二微环之间分别具有间隔(以下称为第四间隔)；每个第二微环402，还通过其另一侧的第三光波导405对应连接至光学天线阵列41中的一根光学天线。其中，第一间隔、第二间隔、第三间隔和第四间隔可以相等也可以不相等，大小介于1-1000nm内，且上述第一间隔、第二间隔、第三间隔和第四间隔均可以根据实际应用中的需求设置，本实施例对此不做具体限定。

其中，激光依次通过第一光波导403、第一微环401、第二光波导404、第二微环402和第三光波导405传输至光学天线阵列41。

或者，光学天线阵列41将激光对应的反射回波依次通过第三光波导405、第二微环402、第二光波导404、第一微环401和第一光波导403传输至探测器。

对于多维阵列结构而言，其在将一束激光通过天线阵列辐射至空间的过程中，只需要在多个第一微环当中选择一个第一微环，以及在呈行排列的多个第二微环当中选择一个第二微环即可。举例来说，如图4所示，假设在多个第一微环当中选择了图4中最下方的第一微环401，那么接下来只需要在第二光波导404上方的一行第二微环中选择一个第二微环即可，假设选择了图4中最右方的第二微环402，那么第二微环402就可以通过其上方的第三光波导405传输至光学天线阵列41中。相较于现有的MZI结构而言，其在将一束激光传输至光学天线阵列的过程中，只需要通过很少数量的微环即可，因此，能够减小激光雷达芯片的尺寸和光学损耗。

在图3和图4的实施方式中，微环(以下若无特殊说明，本实施例中的微环均指代第一微环和第二微环)与波导(以下若无特殊说明，本实施例中的波导均指代第一波导、第二波导和第三波导)之间的间隔大小与工作波长相关，适当的间隔能够使得微环中的光高效耦合到波导中。

当微环关闭时，从输入耦合器传输到波导中的光不耦合到微环中，从该波导的另一端直接输出。以图3为例，若第一微环301关闭，则从输入耦合器31传输到第一波导302中的光直接从第一波导302的下方输出，第一波导302中的激光不会耦合到某个第一微环301当中。

当微环开启时，从输入耦合器传输到波导中的光耦合到微环中并传输到上方波导的左端。其微环的开启或关闭可以通过控制信号来实现。继续以图3为例，若第一微环301开启，则从输入耦合器31传输到第一波导302中的光就会耦合到某个第一微环301当中，对于某个第一微环301而言，某个第一微环301又会将激光耦合到对应的某个第二波导303中。

可选的，微环可以是热光型光开关或电光型光开关，即通过热光效应或电光效应调节微环和波导的折射率，当微环的折射率正好满足工作波长的谐振条件时，微环上下平行波导中的光就可以耦合到微环中并传输到另一端。

可选的，第一微环、第二微环的数量可以根据实际需求来设置。

可选的，第二光波导404包括呈L型的第一光波导段和第二光波导段；第一光波导段位于第一微环的一侧(图4中靠近第一微环401右侧的一段第二光波导)，第二光波导段位于第二微环的一侧(图4中位于呈行排列的多个第二微环402下方的一段第二光波导)，且第一光波导段与第一微环之间的间隔为第三间隔；同样地，第二光波导段与第二微环之间的间隔为第四间隔；第一微环和第二微环分别位于L型结构的同一侧或异侧；每个第三光波导405分别与所有的第二光波导段呈十字交叉状。其中一个交叉的位置可参见图4中，位于右下角第二微环402上方的第三光波导405，与位于第二微环402上方的第二光波导段的十字交叉位置。

从图4中可以看出，第二光波导404和第三光波导405具有交叉部分，若这些交叉部分连接不合理，就会存在光串扰，从而影响激光传输。为了降低第二光波导404和第三光波导405在交叉位置处光的相互串扰，本实施例的每个第二光波导分别与相邻行的第二光波导段在交叉时，可以采用如下至少两种不同的实施方式进行交叉：

在一种可选的实施方式中，每个第二光波导分别与相邻行的第三光波导交叉连接，且每个第二光波导与相邻行的第三光波导位于同一材料层。如图5、图6所示，本实施例通过在第二光波导404和第三光波导405的每个交叉位置处采用1个十字交叉结构51，例如模斑变换结构进行连接，且采用模斑变换结构进行连接的第二光波导404和第三光波导405位于激光雷达芯片的同一层结构层中，使得光串扰影响小。

在另一种可选的实施方式中，每个第二光波导404分别与所有的第三光波导405交叉设置，每个第二光波导404与所有行的第三光波导405中的交叉部分位于激光雷达芯片的不同层结构中。

可选的，每个第二光波导404与所有行的第三光波导405中的未交叉部分位于激光雷达芯片的相同层结构中，或者跨过每个第三光波导405的多个第二光波导404，与每个第三光波导405的中间段(即每个第三光波导的两端之间的部分)位于激光雷达芯片的不同层结构中，以及与每个第三光波导405的两端位于激光雷达芯片的不同层结构中。

图7为本申请实施例提供的双层波导交叉结构的底部视角示意图。如图7所示，第三光波导包括第三光波导的一部分(图中以剖面线示出的第三光波导部分)405A、以及另一部分(位于矩形框内部的第三光波导部分)405B，其中，第三光波导的一部分与第二光波导404位于激光雷达芯片同一层中，第三光波导的另一部分405B与第二光波导404、第三光波导的一部分405A位于激光雷达芯片不同层中。

在波导交叉的位置，采用双层波导的方式避免波导在空间上的交叉，从而降低第二光波导404和第三光波导405之间的串扰。具体的，对于第三光波导405，通过与第三光波导405连接的梯形模板转换器71，将第三光波导405中的光束转移到上层结构梯形模板转换器71中。随后通过相同原理再将梯形模板转换器71中传输光转移到另一端的第三光波导405中，其中，光束是以消逝波的形式在不同材料层中进行转移；在一种可选的实施方式中，对于双层波导交叉结构，两层波导(第二光波导404和第三光波导405)的结构类似于立交桥的结构，其中，在激光雷达芯片从下至上的结构中，第二光波导404和第三光波导405位于梯形模板转换器71的下方。

可选的，图8为本申请实施例提供的跨越多根波导的双层波导交叉结构的示意图。如图8所示，在第三光波导405与第二光波导404进行交叉设置的每个十字位置处，均采用梯形模板转换器71与第三光波导405连接，并在激光雷达芯片从下至上的结构中，将第二光波导404设置在第三光波导405的下方，从而实现交叉设置。不同层波导(第二光波导404和第三光波导405)之间的光通过消逝波互相耦合，从而降低不同层波导之间的光串扰影响。

下面结合图8对跨过每个第三光波导405的多个第二光波导404，与每个第三光波导405的中间段(即每个第三光波导的两端之间的部分)位于激光雷达芯片的不同层结构中，以及与每个第三光波导405的两端位于激光雷达芯片的不同层结构中的实施方式进行详细说明：

以图8中多根第二光波导404与一根第三光波导405交叉设置为例，为了方便设计，可以是将多根第二光波导404与第三光波导的另一部分405B设置在激光雷达芯片的不同层结构中，而将多根第二光波导404与第三光波导的一部分405A设置在激光雷达芯片的相同层结构中。简单来说，就是相当于第三光波导的一部分405A(图中第三光波导的两端)与第二光波导404位于激光雷达芯片的同一层结构中，当需要交叉设置时，使多根第二光波导跨越第三光波导的另一部分405B构成天桥结构。

在上述实施例的基础上，激光雷达光学芯片还包括：衬底结构；第一微环、第二微环、第一光波导、第二光波导、第三光波导和光学天线阵列均设置在衬底结构上。可选的，该衬底结构可以是常规标准CMOS工艺的SOI(Silicon-On-Insulator)衬底。

如图9所示，衬底结构包括由下至上依次层叠设置的衬底层010、埋氧化层020、顶层硅层030及保护层060；第一微环、第二微环、第一光波导、第二光波导、第三光波导和光学天线阵列均设置在顶层硅层030上。本实施例的衬底结构适用于图5和图6所示的每个第二光波导分别与相邻行的第三光波导通过模斑变换结构交叉连接，每个第二光波导与相邻行的第三光波导位于同一层的实施方式。

其中，衬底层010的材料为硅，其厚度为400～800μm；埋氧化层020的材料为二氧化硅，其厚度为2μm；顶部硅层030的材料为硅，其厚度为220nm，在本实施例中，波导及相关光学器件均设置在顶部硅层030。

其中波导的厚度与顶层硅层的厚度一致，本实施例中可以选择为220nm,波导为TE模单模波导，形状为脊形波导或者条形波导，波导宽度对应中心波长为1550nm的单模波导宽度，取值为450～500nm，例如可以设置为500nm。如果是条行波导，则波导两侧全刻蚀；如果是脊波导，波导两侧不完全刻蚀，可以保留有一个硅的平板，平板的厚度不做限定，例如设为90nm。

可选的，如图10所示，衬底结构包括由下至上依次层叠设置的衬底层010、埋氧化层020、顶层硅层030及保护层060；在顶层硅层030和保护层060之间还可以设置有间隔层040和氮化硅层050；其中，间隔层040贴近顶层硅层030；氮化硅层050贴近保护层060；第二光波导和第三光波导分别设置在顶层硅层030和氮化硅层050上，第三光波导在交叉设置的十字位置处通过梯形模板转换器连接。本实施例的衬底结构适用于图7和图8所示的每个第二光波导分别与相邻行的第三光波导交叉设置，每个第二光波导与相邻行的第三光波导位于不同层的实施方式。

可选的，当第二光波导和第三光波导在交叉的十字位置处采用双层波导结构，且以激光雷达芯片从下至上的结构来说，第二光波导404位于第三光波导405的下方时，第二光波导404位于SOI衬底的顶层硅层030上，第三光波导405位于第二光波导404上方，且与第二光波导404之间有一个间隔层，两层波导(第二光波导404和第三光波导405)通过梯形模板转换器相互转移波导中的光束，从而能够降低光串扰影响。第二光波导404和第三光波导405的折射率均大于间隔层的折射率，且第二光波导404和第三光波导405为横电波(TE模)单模波导，形状为脊形波导或者条形波导。

可选的，在图9和图10中，保护层材料的折射率低于第二光波导404和第三光波导405材料的折射率。

在上述实施例的基础上，每个第一微环还分别设置有对应的控制单元；每一列第二微环分别设置有对应的控制单元，或者，每个第二微环分别设置有对应的控制单元。其中，控制单元用于控制相应的第一微环或第二微环导通或不导通，通过控制单元可以实现对光束的选路，从而实现激光传输，其中，不同列的控制单元之间相互独立。

本申请还提供一种激光雷达，包括如上实施例介绍的激光雷达芯片。在上述激光雷达芯片的基础上，本申请可以提供多种不同结构的激光雷达，具体请参见如下至少六种实施方式的介绍：

在一种可选的实施方式中，如图11所示，该激光雷达还包括：激光器130、第一驱动电路131和第一透镜132；激光雷达芯片上还设置有输入耦合器133；其中，激光器130，通过输入耦合器133连接至激光雷达芯片上的光开关模块134，用于发射激光，并将激光通过输入耦合器133传输至光开关模块134；可选的，激光器为窄线宽光源，其相干长度大于或等于1米，或者为窄脉冲光源，脉宽小于1微秒。第一驱动电路131，分别连接至激光器130和激光雷达芯片(图中未示出连接线)，用于分别驱动激光器130和激光雷达芯片。光开关模块134，用于将激光传输至光学天线135，以及由光学天线135发射至空间中，并传输至第一透镜132。第一透镜132，用于将激光准直后辐射到空间中。

本实施例的激光雷达是用于发射的激光雷达，其中，激光器通过光纤与激光雷达芯片中的输入耦合器相连，将激光传输到激光雷达芯片中，并通过光开关模块将激光切换至特定位置的光学天线，以及通过激光雷达芯片外部的第一透镜，将激光传以特定角度辐射到自由空间中；当光开关模块将激光切换至另一个光学天线，则该另一个光学天线发射的激光将通过第一透镜实现另一角度的传播。其中，光学天线发射的发射光束是一组角度不断变化的发射光线。

可选的，与光学天线阵列相匹配的第一透镜可以是单个透镜或一个透镜组。若是单个透镜，该透镜可以是凸透镜，例如圆透镜或柱透镜，位于光学天线阵列的正上方，覆盖整个光学天线阵列，并且光学天线阵列位于透镜的焦平面，用于对出射光进行单个方向的准直，和改变出射方向；若与光学天线阵列相匹配的第一透镜为柱透镜，其屈光力子午线方向与所述光学天线中光的传播方向垂直。

在另一种可选的实施方式中，如图12所示，该激光雷达还包括：探测器140、第二驱动电路141、第二透镜142；其中，激光雷达芯片上还设置有输出耦合器143，探测器140通过输出耦合器143连接至激光雷达芯片上的光开关模块144。第二驱动电路141，分别连接至探测器和激光雷达芯片(图中未示出连接线)，用于分别驱动探测器和激光雷达芯片。第二透镜142，用于将接收的反射光聚焦至光学天线阵列145上，且该反射光依次传输至激光雷达芯片上的光学天线阵列、光开关模块、输出耦合器，并通过光纤传输至探测器140。

本实施例的激光雷达是用于接收反射回波的激光雷达，即该激光雷达是用于探测。当该激光雷达用于探测时，探测器140位于激光雷达芯片的外部，并通过光纤与激光雷达光学芯片上的输出耦合器连接。其中特定方向接收的光束通过第二透镜照射到特定位置的光学天线上，通过光开关模块中相对应的第二微环和第一微环，将接收光束从激光雷达芯片传输到输出耦合器并最终传输到探测器中，从而使第二驱动电路从探测器中提取出探测到的信号。

可选的，由于采用CMOS衬底，探测器还可以被设置在激光雷达光学芯片上，从而减小激光雷达光学芯片从片上到片外对光的耦合损耗。具体的，如图13所示，该激光雷达还包括：第三驱动电路150、第三透镜151；激光雷达芯片上还设置有探测器152，探测器152通过光波导连接至激光雷达芯片上的光开关模块153；第三驱动电路150，分别连接至探测器152和激光雷达芯片(图中未示出连接线)，用于分别驱动探测器和激光雷达芯片；第三透镜151，用于将反射回波依次传输至激光雷达芯片上的光学天线阵列154、光开关模块153，并通过光波导传输至探测器152。

本实施例的与图14所示的实施例相比，不同之处在于，探测器被设置在激光雷达光学芯片上，并通过波导直接与光开关模块连接。其余工作原理与图14相似，此处不再赘述。

在另一种可选的实施方式中，如图14所示，该激光雷达芯片包括第一激光雷达芯片161和第二激光雷达芯片162；

激光雷达还包括：激光器163和第四驱动电路164；

激光器163，用于发射激光；

第四驱动电路164，用于驱动激光器163、第一激光雷达芯片161和第二激光雷达芯片162上的探测器；

第一激光雷达芯片161，用于发射激光至空间中；

第二激光雷达芯片162，用于接收目标回波。

本实施例的激光雷达是同时具有收发功能的激光雷达。其中，发射模块和接收模块安装在一个驱动电路板上，发射模块发射的激光照射到被测物体后漫反射回接收模块，并最终被探测器所探测；其中，发射模块和接收模块的光开关模块可以采用同一光开关模块，也可以采用两个光开关模块来实现。

在另一种可选的实施方式中，如图15所示，激光雷达芯片包括第一激光雷达芯片171和第二激光雷达芯片172；

激光雷达包括：激光器173、第一分束器174和第五驱动电路175；

激光器173，用于发射激光；

第一分束器174，连接至激光器173，用于将激光分成两束激光，一束发送至第一激光雷达芯片171作为发射激光，另一束发送至第二激光雷达芯片172作为本振光；

第一激光雷达芯片171，用于发射激光至空间中；

第二激光雷达芯片172，用于接收目标回波。

其中，第二激光雷达芯片172上还设置有第一耦合器176；

第二激光雷达芯片172上的输入耦合器，连接至第一耦合器176，用于接收本振光，并发送至第一耦合器176；

第一耦合器176，分别连接至第二激光雷达芯片172上的探测器和光开关模块，用于接收本振光和来自光开关模块的反射回波，并将本振光和来自光开关模块的反射回波进行拍频，发送至第二激光雷达芯片172上的探测器。

激光器通过片外的第一分束器将一部分光分出来耦合到激光雷达的探测模块(第二激光雷达芯片)，并通过第一耦合器与接收信号光进行拍频并最终传输到第二激光雷达芯片上的探测器。

在另一种可选的实施方式中，如图16所示，激光雷达还包括：激光器181；激光雷达芯片180还设置有第二分束器182、第二耦合器183和第三分束器184；激光器181、激光雷达芯片上180的输入耦合器、第二分束器182和第三分束器184依次连接；激光雷达芯片180上的探测器、第二耦合器183和第三分束器184依次连接；第三分束器184连接至光开关模块；第二耦合器还和第二分束器连接；激光器181，用于发射激光；输入耦合器，连接至激光器，用于接收激光；第二分束器182，连接至第三分束器184和第二耦合器183，用于接收激光，并将激光进行分光，以及将其中一束激光发送至第二耦合器183；第二耦合器183，连接至第三分束器184和第二分束器182，用于将接收到的其中一束激光和光开关模块传输至第三分束器184的反射回波进行拍频，并发送至探测器。

可选的，激光雷达还可以包括第六驱动电路185，用于驱动激光器和激光雷达芯片。

本实施例的激光雷达采用相干探测的测距方案时，发射和接收的光具有不同的频率，在激光雷达芯片上是可以被区分的，所以可以采用收发同模块来对目标物体进行探测。该激光雷达采用同样的光开关阵列、光学天线阵列和透镜，发射接收光束经过以上器件最终被接收到激光雷达光学芯片上，其中第二分束器是将输入光分出一部分传输到第二耦合器作为本振光，第三分束器将接收到的信号传输到第二耦合器中，并和本振光在第二耦合器中拍频并分成两束光传输到探测器中被探测，该收发同模块的激光雷达可以有效简化系统复杂度并降低成本。

需要说明的是，以上所介绍的激光雷达仅为示例性说明，并不对激光雷达的结构进行具体限定，其它能够应用本实施例的激光雷达芯片结构的激光雷达均在本申请范围之内。

本申请实施例还提供一种激光探测方法，具体包括如下步骤：

激光器发射激光；

激光雷达芯片接收激光；

激光雷达芯片通过波导和微环将激光传输至透镜，并由透镜将激光辐射至空间；

和/或，

激光雷达芯片接收激光对应的反射回波；

激光雷达芯片通过波导和微环将反射回波传输至探测器中。

本实施例的激光探测方法适用于上述激光雷达芯片及其激光雷达实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本实施例通过微环和光波导实现激光和激光对应的反射回波的传输，微环在光传输过程中，选路次数少，因此，可以使用较少数量的微环光开关实现与MZI结构同样的光传输功能，举例来说，一束激光最终要传输到对应的天线中，需要经过的微环光开关的数量和选路次数少于MZI结构，因此，能够减小激光雷达芯片的尺寸和光学损耗。

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 (17)

1.一种激光雷达芯片，其特征在于，包括：相互连接的光开关模块和光学天线阵列，所述光开关模块连接至探测器或输入耦合器，所述输入耦合器连接至激光器；

所述输入耦合器，用于接收所述激光器发射的激光，并通过光波导发送至所述光开关模块；

所述光开关模块，包括微环和光波导，将所述激光传输至所述光学天线阵列，或者，将该激光对应的反射回波传输至所述探测器；

所述光学天线阵列，用于将所述激光发射至空间，或者，用于接收所述激光对应的反射回波发送至所述光开关模块。

2.根据权利要求1所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述光学天线阵列包括多根天线；

所述光开关模块包括：呈行或呈列排布的多个微环；

多个所述微环的一侧设置有一个第一光波导，多个所述微环的另一侧设置有多个第二光波导，每个微环分别对应一个第二光波导，多个所述微环与一个第一光波导之间具有间隔，每个所述微环的另一侧与对应的第二光波导之间具有间隔；

所述第一光波导，用于接收来自输入耦合器的激光，并通过所述微环传输至其中一个所述第二光波导；

每个第二光波导，对应连接至所述光学天线阵列中的一根光学天线，用于将所述激光传输至对应的该光学天线并发射至空间；

或者，光学天线接收空间中的反射回波，依次通过第二光波导、相应的微环和所述第一光波导传输至探测器。

3.根据权利要求1所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述光开关模块包括呈列或行排布的多个第一微环，以及，呈行列排布的多个第二微环；

所述多个所述第一微环的一侧设置有第一光波导，多个所述第一微环与所述第一光波导之间具有间隔；

每个所述第一微环的另一侧和多个所述第二微环的一侧之间设置有一个第二光波导，每个第二光波导与对应的第一微环和对应的多个第二微环之间分别具有间隔；

每个所述第二微环，还通过其另一侧的第三光波导对应连接至所述光学天线阵列中的一根光学天线；

所述激光依次通过所述第一光波导、所述第一微环、所述第二光波导、所述第二微环和所述第三光波导传输至所述光学天线阵列；

或者，所述光学天线阵列将所述激光对应的反射回波依次通过所述第三光波导、所述第二微环、所述第二光波导、所述第一微环和所述第一光波导传输至所述探测器。

4.根据权利要求3所述的激光雷达芯片，其特征在于，

每个所述第二光波导分别与所有的所述第三光波导交叉连接，且每个所述第二光波导与相邻行的所述第三光波导位于同一层。

5.根据权利要求3所述的激光雷达芯片，其特征在于，每个所述第二光波导分别与所有的所述第三光波导交叉设置，且每个所述第二光波导与相邻行的所述第三光波导位于不同层。

6.根据权利要求4所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述激光雷达光学芯片还包括：SOI衬底结构；

所述衬底结构包括由下至上依次层叠设置的衬底层、埋氧化层、顶层硅层及保护层；

所述第一微环、所述第二微环、所述第一光波导、所述第二光波导、所述第三光波导和所述光学天线阵列均设置在所述顶层硅层上。

7.根据权利要求5所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述激光雷达光学芯片还包括：SOI衬底结构；

所述衬底结构包括由下至上依次层叠设置的衬底层、埋氧化层、顶层硅层及保护层，所述顶层硅层和所述保护层之间还设置有间隔层和氮化硅层，所述顶层硅层贴近所述间隔层，所述氮化硅层贴近所述保护层；

所述第二光波导和所述第三光波导分别设置在所述顶层硅层和所述氮化硅层上，所述第二光波导和所述第三光波导在交叉位置处通过梯形模板转换器连接。

8.根据权利要求3-7任一项所述的激光雷达芯片，其特征在于，每个所述第一微环分别设置有对应的控制单元；

每一列所述第二微环分别设置有对应的控制单元，或者，所述每个所述第二微环分别设置有对应的控制单元。

9.根据权利要求1-7任一项所述的激光雷达芯片，其特征在于，所述激光器为窄线宽光源，其相干长度大于或等于1米，或者为窄脉冲光源，脉宽小于1微秒。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的激光雷达芯片。

11.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：激光器、第一驱动电路和第一透镜；

所述激光雷达芯片上还设置有输入耦合器；

所述激光器，通过所述输入耦合器连接至所述激光雷达芯片上的光开关模块，用于发射激光，并将所述激光通过所述输入耦合器传输至所述光开关模块；

第一驱动电路，分别连接至所述激光器和所述激光雷达芯片，用于分别驱动所述激光器和所述激光雷达芯片；

所述光开关模块，用于将所述激光传输至天线，以及由所述天线发射至空间中，并传输至所述第一透镜；

第一透镜，用于将所述激光准直后辐射到空间中。

12.根据权利要求10或11所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：探测器、第二驱动电路、第二透镜；

所述激光雷达芯片上还设置有输出耦合器，所述探测器通过所述输出耦合器连接至所述激光雷达芯片上的光开关模块；

所述第二驱动电路，分别连接至所述探测器和所述激光雷达芯片，用于分别驱动所述探测器和所述激光雷达芯片；

所述第二透镜，用于将接收的反射光聚焦至光学天线阵列上，所述反射光依次传输至所述激光雷达芯片上的光学天线阵列、光开关模块、输出耦合器，并通过光纤传输至探测器。

13.根据权利要求10或11所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：第三驱动电路、第三透镜；

所述激光雷达芯片上还设置有探测器，所述探测器通过光波导连接至所述激光雷达芯片上的光开关模块；

所述第三驱动电路，分别连接至所述探测器和所述激光雷达芯片，用于分别驱动所述探测器和所述激光雷达芯片；

第三透镜，用于将所述反射回波依次传输至所述激光雷达芯片上的光学天线阵列、光开关模块，并通过所述光波导传输至探测器。

14.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达芯片包括第一激光雷达芯片和第二激光雷达芯片；

所述激光雷达还包括：激光器、第一分束器和第四驱动电路；

所述激光器，用于发射激光；

第一分束器，连接至所述激光器，用于将所述激光分成两束激光并分别发送至第一激光雷达芯片和第二激光雷达芯片；

所述第一激光雷达芯片，用于发射激光至空间中；

所述第二激光雷达芯片，用于接收所述激光的目标回波。

15.根据权利要求14所述的激光雷达，其特征在于，所述第二激光雷达芯片上还设置有第一耦合器；

所述输入耦合器，连接至所述第一耦合器，用于接收来自激光器的其中一束激光，并发送至所述第一耦合器；

所述第一耦合器，分别连接至探测器和光开关模块，用于接收所述其中一束激光和来自所述光开关模块的反射回波，并将所述其中一束激光和来自所述光开关模块的反射回波进行拍频，并发送至所述探测器。

16.根据权利要求10所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：激光器；

所述激光雷达芯片还设置有输入耦合器、第二分束器、第三分束器和第二耦合器和探测器，所述第三分束器还连接至光开关模块；

所述激光器，用于发射激光；所述输入耦合器，连接至所述激光器和所述第二分束器，用于接收所述激光并发送至所述第二分束器；

所述第二分束器，连接至所述第二耦合器和所述第三分束器，用于接收所述激光，并将所述激光进行分束，以及将其中一束激光发送至所述第二耦合器；

所述第二耦合器，连接至所述第三分束器，用于将接收到的所述其中一束激光和所述光开关模块传输至所述第三分束器的反射回波进行拍频，并发送至所述探测器。

17.一种激光探测方法，其特征在于，采用如权利要求10-16任一项所述的激光雷达进行目标探测，所述方法包括：

激光器发射激光；

激光雷达芯片接收所述激光；

激光雷达芯片通过波导和微环将所述激光传输至透镜，并由所述透镜辐射所述激光至空间；

和/或，

所述激光雷达芯片接收所述激光对应的反射回波；

所述激光雷达芯片通过波导和微环将所述反射回波传输至探测器中。

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