CN114706164A - 波导转换芯片及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本申请是关于一种波导转换芯片及激光雷达。该波导转换芯片包括：基底层；至少一个波导转换件，所述波导转换件嵌入所述基底层，以使所述波导转换件具有第一耦合端和第二耦合端，所述第一耦合端用于接收所述回波光聚焦后的光斑，所述光斑与所述第一耦合端具有重叠区域，所述第二耦合端用于单模式的输出。本申请提供的波导转换芯片及激光雷达，能够改善走离效应对激光雷达的影响，保证回波光的接收效率以提高激光雷达整体性能。
Description
技术领域
本申请涉及激光探测与测量领域，尤其涉及一种波导转换芯片及激光雷达。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束对目标的位置和速度等特征量进行探测与测量的雷达系统，其工作原理是向目标发射激光信号，然后将接收到的从目标反射回来的激光回波与发射的激光信号进行比较，做适当处理后，就可获得目标的有关信息。随着科技的不断发展，激光雷达的应用越来越广泛，例如，无人驾驶、智能机器人等具有高精需求的产业中，一般采用FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)激光雷达。而在目前的FMCW激光雷达系统中，采用机械马达或MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜实现发射光的光束扫描是比较成熟的方案，可以保证较高的光束质量和较远的发射距离。但是机械马达或MEMS振镜在需要较高转动的角速度转动扫描时，容易出现走离效应(walk-off效应)，造成激光雷达降低或丧失探测信号光的能力。
发明内容
为解决或部分解决相关技术中存在的问题，本申请提供一种波导转换芯片及激光雷达，能够改善走离效应对激光雷达的影响，保证回波光的接收效率以提高激光雷达整体性能。
本申请第一方面提供一种波导转换芯片，用于激光雷达，所述激光雷达能够形成携带目标信息的回波光，所述波导转换芯片包括：
基底层；
至少一个波导转换件，所述波导转换件嵌入所述基底层，以使所述波导转换件具有第一耦合端和第二耦合端，所述第一耦合端用于接收所述回波光聚焦后的光斑，所述光斑与所述第一耦合端具有重叠区域，所述第二耦合端用于单模式的输出。
在一实施例中，所述波导转换件包括锥形波导，所述第一耦合端和所述第二耦合端分别位于所述锥形波导延伸方向的两端，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度。
在一实施例中，所述波导转换件包括锥形波导，以及与所述锥形波导连接的多模波导和/或单模波导；
所述锥形波导用于连接所述多模波导一端的尺寸与所述多模波导尺寸匹配，所述锥形波导用于连接所述单模波导一端的尺寸与所述单模波导尺寸匹配。
在一实施例中，所述波导转换件包括连接的锥形波导、多模波导和单模波导，所述多模波导、所述单模波导分别位于所述锥形波导的两侧，所述第一耦合端位于所述多模波导远离所述单模波导的一侧，所述第二耦合端位于所述单模波导远离所述多模波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度；或者，
所述波导转换件包括连接的锥形波导和多模波导，所述第一耦合端位于所述多模波导远离所述锥形波导的一侧，所述第二耦合端位于所述锥形波导远离所述多模波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度，或者，
所述波导转换件包括连接的锥形波导和单模波导，所述第一耦合端位于所述锥形波导远离所述单模波导的一侧，所述第二耦合端位于所述单模波导远离所述锥形波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度。
在一实施例中，沿所述第一耦合端指向所述第二耦合端的方向，所述锥形波导在第一方向的宽度逐渐减小，所述锥形波导在第二方向的宽度不变，所述第一方向和所述第二方向相交。
在一实施例中，所述锥形波导的边缘为直线或曲线。
在一实施例中，所述光波导转换件包括多个光波导，任一相邻所述光波导之间具有配合间隙，
至少一个所述光波导用于接收所述回波光聚焦后的光斑，并通过耦合于一个所述光波导中用于单模式的输出。
在一实施例中，所述回波光聚焦后的光斑至少部分覆盖至少一个所述光波导，所述配合间隙不大于2um。
在一实施例中，还包括增透膜，所述增透膜至少贴合于所述第一耦合端。
在一实施例中，所述光波导转换件的材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或氮氧化硅。
在一实施例中，所述波导转换芯片包括光子晶体波导。
在一实施例中，所述波导转换件为两个以上，多个所述波导转换件沿第一方向间隔嵌入所述基底层。
本申请第二方面提供一种激光雷达，包括接收模组，用于接收携带目标信息的激光，所述接收模组至少包括：
聚焦件，用于使所述携带目标信息的激光穿过所述聚焦件以聚焦形成光斑；
波导转换芯片，位于所述聚焦件的一侧，所述波导转换芯片为上述中所描述的波导转换芯片。
在一实施例中，所述接收模组还包括：
相干光接收模块，通过单模光纤将所述相干关光接收模块连接于所述波导转换芯片的第二耦合端。
在一实施例中，所述接收模组还包括：
相干光接收芯片，所述相干光接收芯片与所述波导转换芯片的第二耦合端耦合。
在一实施例中，所述接收模组还包括：
空间光混频器，用于接收本振光和从所述波导转换芯片的第二耦合端单模式输出的回波光，并对所述本振光和所述回波光混频；
至少一个探测器，用于接收所述空间光混频器射出的出射光。
在一实施例中，所述接收模组为多通道接收模组，所述多通道接收模组至少包括：
所述波导转换芯片中的多个沿第一方向间隔嵌入所述基底层的所述波导转换件，所述波导转换件的第二耦合端均耦合所述相干光接收模块或相干光接收芯片或空间光混频器。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请实施例提供的波导转换芯片及激光雷达，波导转换芯片包括：基底层；至少一个波导转换件，波导转换件嵌入基底层，以使波导转换件具有第一耦合端和第二耦合端，第一耦合端用于接收回波光聚焦后的光斑，光斑与第一耦合端具有重叠区域，第二耦合端用于单模式的输出。通过所设置的集成化的波导转换芯片，第一耦合端的设置能够增大接收光斑的口径，使得即使出现走离效应而造成回波光经聚焦后的光斑发生位置偏移的情况，光斑与第一耦合端仍会存在至少部分的重叠区域，以确保能够收集光能量的效率。并且，通过波导转换芯片中从多模波导到单模波导的转换，能够将回波光最终以一路通道的单模式输出，使得信道数量大大减少，降低了硬件复杂度，有利于接收模组中光耦合的效率，保证了激光雷达的整体性能。采用集成化的波导转换芯片，可以大大降低激光雷达的体积，简化系统架构。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述，其中，在本申请示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是本申请实施例示出激光雷达中的接收模组中聚焦件和波导转换芯片配合的一种简单结构示意图；
图2是本申请实施例示出的第一种波导转换芯片的简单结构示意图；
图3是本申请实施例示出的第二种波导转换芯片的简单结构示意图；
图4是本申请实施例示出的第三种波导转换芯片的简单结构示意图；
图5是本申请实施例示出的第四种波导转换芯片的简单结构示意图；
图6是本申请实施例示出的第五种波导转换芯片的简单结构示意图；
图7是本申请实施例示出的第六种波导转换芯片的简单结构示意图；
图8是本申请实施例示出的第七种波导转换芯片的简单结构示意图；
图9是本申请实施例示出的第八种波导转换芯片的简单结构示意图；
图10是本申请实施例示出的第九种波导转换芯片的简单结构示意图；
图11是激光雷达设置波导转换芯片时光斑位置偏移量在0um的波导转换芯片中的光场传输图；
图12是激光雷达设置波导转换芯片时光斑位置偏移量在10um的波导转换芯片中的光场传输图；
图13是在0-10um光斑位置偏移量时，回波光经过波导转换芯片耦合到单模波导的比例关系图；
图14是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第一种简单结构示意图；
图15是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第二种简单结构示意图；
图16是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第三种简单结构示意图；
图17是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第四种简单结构示意图；
图18是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第五种简单结构示意图；
图19是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第六种简单结构示意图；
图20是本申请实施例示出激光雷达中接收模组的第七种简单结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整，并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在激光雷达，尤其是FMCW激光雷达系统中，一般采用机械马达或MEMS振镜实现发射光的光束扫描是比较成熟的方案，可以保证较高的光束质量或较远的发射距离。可广泛应用于无人驾驶、智能机器人等具有较高精度需求的产业中，在此不做具体限定。
而在使用FMCW激光雷达时，随着机械马达或MEMS振镜转动以实现扫描时，不同的转动角速度下，尤其在高转速的场景中，容易使得回波光形成的光斑位置出现偏移，即产生走离效应(walk-off效应)，增大了光损，使得没有足够的光能量被收集、传输，影响回波光的收集效率，进而影响激光雷达的整体性能。
本申请提供了一种激光雷达，该激光雷达至少包括接收模组，用于接收携带目标信息的激光。可以理解的是，激光雷达还包括发射模组，发射模组至少包括发射器以及扫描单元，发射器用于发射激光，扫描单元用于改变发射器发射的激光的空间方位角，以用于发射到探测区域。发射的激光在探测区域被目标反射得到携带目标信息的激光光束后，反馈至接收模组。对于所设置的发射模组在此不做详细说明，且还可以为其他能够实现对探测区域的目标进行光束扫描的结构，在此不做具体限定。而对于扫描单元例如可以采用机械马达或MEMS振镜实现，以保证较高的光束质量和较远的发射距离。
可选的，对于所设置的发射器，可以设置为一个，也可以设置为多个，以用于增加激光雷达的扫描范围，在此不做详细说明。
参见图1，接收模组至少包括聚焦件1，聚焦件1用于使携带目标信息的激光穿过聚焦件1以聚焦形成光斑3。聚焦件1为透镜或具体相同功能的其他光学元件和/或组件。以聚焦件1设置为透镜为例，透镜具有入射面和出射面，可以将入射面和出射面均设置为凸面，也可以仅将入射面设置为凸面，可以根据实际情况进行适应性调整，在此不做具体限定。而通过透镜聚焦形成的光斑，一般为圆形的光点。
在激光雷达中，根据不同的探测条件，如探测精准度、视场角、帧率等，所需的机械马达或MEMS振镜转动的角速度也会有所不同，要求越高的条件下角速度越大。而在扫描的角速度较快时，携带目标信息的激光光束在射入聚焦件1时的角度也会发生偏移，通过聚焦件1聚焦后形成的光斑3位置在平面上沿第一方向L相对原设定位置发生偏移，即出现走离效应(walk-off效应)。此种走离效应不仅影响光收集的效率，使得在接收模组中光耦合的效率下降，甚至可能使激光雷达丧失探测信号光的能力，影响激光雷达的整体性能。
本申请提供了一种波导转换芯片2，用于激光雷达，波导转换芯片2设置于朝向聚焦件1出射面的一侧，用于接收聚焦后的光斑3。波导转换芯片2也可以叫做平面波导转换芯片，以解决激光雷达中光斑3基于平面沿第一方向L出现的偏移，即走离效应。
参见图2至图5，波导转换芯片2包括基底层22以及嵌入基底层22的至少一个波导转换件21，该波导转换件21为平面光波导件，以使波导转换件21具有第一耦合端21a和第二耦合端21b，第一耦合端21a用于接收回波光聚焦后的光斑3，光斑3与第一耦合端21a具有重叠区域，第二耦合端21b用于单模式的输出，以便于能够通过一路通道直接耦合到光纤、芯片以及空间光模块等不同的应用场景中。一方面，通过集成于基底层22的波导转换件21的设置，使得第一耦合端21a用于接收聚焦后的光斑3，大口径的第一耦合端21a即使在回波光出现走离效应而造成光斑3偏移时，光斑3与第一耦合端21a仍会存在至少部分的重叠区域，以确保能够收集光能量的效率。另一方面，无论是否出现走离效应，光斑3也能够有至少部分与第一耦合端21a存在重叠区域，即第一耦合端21a的设置即可满足不同情况下的回波光的收集，并在波导转换件21的作用下通过第二耦合端21b以单模式的方式输出，与并列设置繁杂的多个单模波导的形式相比，本申请直接利用波导转换芯片2中多模到单模的转换模式，以一路通道输出而能够直接耦合单模光纤、芯片以及空间光混频等场景，与设置的繁杂的波导阵列的多路通道输入、多路通道输出在经过对比选择后再应用的方案相比，信道数量大大减少，降低了硬件复杂度。再一方面，采用集成化的波导转换芯片2，可以大大降低激光雷达的体积，简化系统架构。
可以理解的是，波导转换件21嵌入基底层22使得基底层22包覆波导转换件21而露出两端的第一耦合端21a和第二耦合端21b，波导转换件21与基底层22存在折射率差，通过该折射率差使得聚焦后的光斑3与第一耦合端21a重叠区域的部分，能够根据波导转换件21的配置情况而激发一个或多个模式，经过滤后将保留的单个模式从第二耦合端21b输出。例如，第二耦合端21b输出该波导的基模，可以与单模光纤、芯片或空间光元件等进行耦合。在此不做详细说明。
基底层22可以理解为是基于平面光路工艺制作的无源光芯片的包层，波导转换件21位于无源光芯片内。基底层22可以包括上基底和下基底，波导转换件21成型于下基底，再将上基底设置在下基底的上方而将波导转换件21包覆于内，仅露出两端的第一耦合端21a和第二耦合端21b。波导转换件21的材料可以为二氧化硅、氮化硅、硅、氮氧化硅、聚合物等。
可选的，参见图5，波导转换芯片2也可以为光子晶体波导芯片，即基底层22在采用芯片的制作工艺制作时，将对应基底层22的位置布置密集的光子晶体，而在内部的局部不设置光子晶体而形成波导转换件21的形状，该形状连通外部的两端分别为第一耦合端21a和第二耦合端21b，在此不做详细说明。
在一具体实施例中，参见图2，波导转换件21包括锥形波导211，第一耦合端21a和第二耦合端21b分别位于锥形波导211延伸方向的两端，在第一方向L，第一耦合端21a的宽度大于第二耦合端21b的宽度。一方面，所设置的锥形波导211中，将大口径的一端作为第一耦合端21a，第一耦合端21a在第一方向L宽度的增大，即使出现沿第一方向L的走离效应，光斑3也能够有至少部分聚焦在第一耦合端21a的宽度范围内，确保回波光的收集效率。另一方面，通过将波导转换件21设置成锥形波导211的形式，用于多模向单模的过渡，聚焦后的光斑3与第一耦合端21a存在重叠区域的情况下，第一耦合端21a能够收集该重叠区域部分的回波光能量，并通过锥形波导211的过渡，从第二耦合端21a以单模式输出，无需布置复杂的单模波导阵列，即可有效提高光信号接收效率。
在一具体实施例中，参见图3和图4，波导转换件21在设置锥形波导211的基础上，还设置有多模波导212和/或单模波导213：
当锥形波导211耦合有多模波导212时，沿锥形波导211的延伸方向，多模波导212设置于锥形波导211大口径的一侧，且多模波导212的尺寸与锥形波导211大口径尺寸匹配。当锥形波导211耦合有单模波导213时，沿锥形波导211的延伸方向，单模波导213设置于锥形波导211小口径的一侧，且单模波导213的尺寸与锥形波导211小口径尺寸匹配。将多模波导212和单模波导213设置为与锥形波导211延伸方向两端口径尺寸匹配的形式，有利于各部分之间的耦合，以形成波导由多模向单模的转换。
可选的，沿多模波导212、锥形波导211以及单模波导213耦合的布置方向，多模波导212和单模波导213在该方向的长度不做限定，可以根据锥形波导211两端口径大小的差异进行调整，在此不做具体限定。
波导转换件21包括连接的锥形波导211、多模波导212和单模波导213，多模波导212和单模波导213分别位于锥形波导211的两侧，第一耦合端21a位于多模波导212远离单模波导213的一侧，第二耦合端21b位于单模波导213远离多模波导212的一侧，在第一方向L，第一耦合端21a的宽度大于第二耦合端21b的宽度。
波导转换件2包括连接的锥形波导211和多模波导213，第一耦合端21a位于多模波导212远离锥形波导211的一侧，第二耦合端21b位于锥形波导211远离多模波导212的一侧，在第一方向L，第一耦合端21a的宽度大于第二耦合端21b的宽度。
波导转换件2包括连接的锥形波导211和单模波导213，第一耦合端21a位于锥形波导211远离单模波导213的一侧，第二耦合端21b位于单模波导213远离锥形波导211的一侧，在第一方向L，第一耦合端21a的宽度大于第二耦合端21b的宽度。
通过上述中多种不同组合形成的用于集成在基底层22的波导转换件21，用于通过宽度较大的第一耦合端21a能够耦合不同程度的在第一方向L出现走离效应下聚焦后的光斑3，以保证了回波光的收集效率。并且，利用波导转换件21将波导从多模到单模的转换，使第二耦合端21b以所需的单模式、一路通道的输出，通过第二耦合端21b单个通道的输出而能够直接应用到不同的场景中。可以理解的是，根据不同的情况，可以适应性选择波导转换件21中各部分组合的具体形式，在此不做具体限定。
而对于所设置的锥形波导211，沿第一耦合端21a指向第二耦合端21b的方向(即长度方向)，锥形波导211在第一方向L的宽度逐渐减小，利用渐变的方式使得锥形波导211在滤波的过程中能够降低所需单模式的光损，保证输出效率。一般情况下，激光雷达中所出现的走离效应为光斑3在第一方向L的位置偏移，故锥形波导211在第二方向的宽度设置为不变，第一方向L和第二方向相交，第二方向为光波导芯片2的厚度方向，即锥形波导211在光波导芯片2厚度方向的宽度不变,与锥形波导211尺寸匹配的多模波导212和单模波导213在光波导芯片2厚度方向的宽度也不变。
可选的，锥形波导211的边缘为直线或曲线。锥形波导211的边缘线211a的平缓度可以根据波导转换芯片2中集成的波导转换件21的具体配合结构进行相应设置。锥形波导211的边缘线211a越为平缓，最终所要得到的光模式在波导中的损失越小。
本申请中，参见图4，波导转换芯片2包括多模波导212、锥形波导211以及单模波导213作为一种优选方案。所设置的第一耦合端21a宽度根据雷达系统中的各项数据以及可能出现的走离效应等已事先做出对应设计，第一耦合端21a和第二耦合端21b的宽度能够事先确定。在此基础上，第一耦合端21a的宽度越宽，第一耦合端21a和第二耦合端21b的宽度差异越大。可以通过提高锥形波导211边缘线的平缓度，减小传输损耗。当锥形波导211的延长至边缘线足够平缓时，所设置的多模波导212和/或单模波导213的长度可以忽略不记，从而形成了上述中仅存在锥形波导211、锥形波导211和单模波导213等不同的组合。一般情况下，仅设置锥形波导211时第一耦合端21a和第二耦合端21b之间的距离不小于100um，使得锥形波导211的边缘线能够足够平缓。
在此需要强调的是，走离效应下聚焦后的光斑3在第一方向L相对原聚焦位置的偏移量与激光雷达系统所设置的各项数据要求有关，为了满足不同程度的走离效应，所设置的第一耦合端21a在第一方向L的宽度可以根据实际情况进行适应性调整，在此不做具体限定。一般情况下，第一耦合端21a在第一方向L的宽度可以在5um-40um之间选择。第二耦合端21b可以用于连接光纤、芯片等不同场景，只要能够使得第二耦合端21b输出的单模式模场的直径能够与所连接场景的输入端模场的直径匹配即可，对于第二耦合端21b的宽度不做具体限定。第二耦合端21b也可以通过空间光的方式与相干光接收模块耦合。
可以理解的是，第一耦合端21a可以为经打磨后的平面，以便于回波光聚焦后的光斑3能够更容易被第一耦合端21a收集，提高回波光的收集效率。
可选的，至少第一耦合端21a还可以设置增透膜，增透膜贴合于第一耦合端21a的表面。通过所设置的增透膜以降低回波光从空气中进入波导转换件21时的反射损耗，进一步提高回波光收集效率。
在一实施例中，参见图6、图7、图8和图9，对于所设置的波导转换件21，也可以包括多个光波导，任一相邻光波导之间具有配合间隙，至少一个光波导用于接收回波光聚焦后的光斑，并通过耦合于一个光波导用于单模式的输出。即可以理解为，基于波导转换件21不同的结构，通过沿第一方向L以相同配合间隙布置多个长度可以相同也可以不同的光波导而形成所需的定向耦合波导转换件结构。使得光斑与第一耦合端21a的重叠区域至少覆盖了一个光波导的端面，经多个光波导的定向耦合使得最终耦合在一个光波导中输出。可以理解的是，定向耦合指通过设计能够使得过滤后的回波光能够最终通过指定的一个光波导输出，该指定的光波导的端部作为第二耦合端，可以根据多个光波导的组合形式、实际使用情况等指定其中一个光波导作为输出，在此不做具体限定。
例如，参见图6，波导转换件包括3个沿第一方向L间隔布置的光波导，位于中间的光波导长于两侧的光波导，且两侧的光波导可以相同也可以不同。在第一耦合端21a对应3个光波导的端面，第二耦合端21b对应中间一个光波导的端面，聚焦后的光斑可以与第一耦合端的任意一个或多个光波导的端面存在重叠区域，通过多个光波导的定向耦合至中间的光波导，使得在输出时还是会以中间的光波导实现一路通道的输出，两侧的光波导不用于输出。在此基础上，参见图7，波导转换件也可以设置成沿第一方向L间隔布置5个光波导，甚至更多，最终只要能够满足定向耦合至一个光波导以单通道输出即可，在此不做详细说明。
可选的，参见图8和图9，在上述中将不同数量的光波导以不同长度布置的基础上，为了能够使得位于两侧的光波导不对外输出，而能够更好的耦合入中间波导，位于两侧的光波导靠近第二耦合端的一侧可以设置成如图中具有倾斜角的结构，以提高向中间光波导耦合的效率，保证单通道输出，在此不做详细说明。
可以理解的是，对于间隔布置的多个光波导，回波光聚焦后的光斑3至少部分覆盖至少一个光波导，配合间隙不大于2um，避免过大的配合间隙降低回波光的收集效率，且有利于多个光波导定向耦合到一个光波导中，最终以一路通道输出。
在一实施例中，参见图10，波导转换件21为两个以上，多个波导转换件21沿第一方向L间隔嵌入基底层22，例如可以为2个、3个、4个甚至更多，即在一个波导转换芯片2中，便于布置多个波导转换件21以形成多通道的波导芯片，此不做具体限定。
在一具体实施例中，以波导转换芯片包括多模波导、锥形波导以及单模波导，在激光雷达中设置该波导转换芯片为例，对回波光收集情况进行了实验。当回波光的光斑3位置偏移量在0-10um变化时，参见图11和图12，为回波光光斑位置偏移量分别为0和10微米时，波导转换件中的光场传输图，计算结果表明，当回波光光斑位置偏移量在-10微米到10微米之间变化时，始终有大于25％的回波光能量能够被收集并在单模波导中继续传输。如果未设置本申请中的波导转换芯片，而让回波光在聚焦后直接与单模光纤/单模波导耦合，当回波光光斑位置偏移量为10微米时，根据相关的实验结果，耦合到单模光纤/单模波导的光能量不到1％。参见图13，为回波光耦合到单模波导中的比例与回波光光斑位置偏移量之间的关系图，在不增加波导通道数量和探测器数量的同时，能够以单通道输出，不会改变原有激光雷达系统的复杂度。
本申请还提供了一种激光雷达，波导转换芯片2应用于激光雷达，波导转换芯片2包括上述实施例中所描述的波导转换芯片2，波导转换芯片2位于聚焦件的一侧，其具体实施例可以包括：
参见图14，接收模组还包括相干光接收模块7，通过单模光纤6与波导转换芯片2连接。波导转换芯片2的第二耦合端21b可以通过光纤组件5与单模光纤6连接，光纤组件5为单模光纤6与波导转换芯片2的连接提供较大的接触面，同时能够用于支撑单模光纤6。回波光经过波导转换芯片2的单路输出，使得输出的单个光模式能够直接与单模光纤6耦合，以在相干光接收模块7与本振光4进行混频。
参见图15，接收模组包括相干光接收芯片8，相干光接收芯片8可以直接连接于波导转换芯片2的第二耦合端21b。波导转换芯片2与相干光接收芯片8可以直接集成在一起，只要使得波导转换芯片2的第二耦合端21b与相干光接收芯片8的输入端耦合即可，无需辅助设置其他部件进行连接，在保证了回波光传输效果的同时，降低了硬件布置的复杂程度，无需增加波导通道数和探测器数量，不会改变原有激光雷达中系统的复杂度。
参见图16，接收模组包括空间光混频器9，用于接收本振光4和从波导转换芯片2的第二耦合端21b单模式输出的回波光，并对本振光4和回波光混频；至少一个探测器10，用于接收空间光混频器9射出的出射光。利用波导转换芯片2的第二耦合端21b一路通道输出的经过滤后的单个光模式的回波光，能够直接用于耦合到空间光混频器9中。可选的，当设置两个探测器时，也可以将两个探测器10根据需求更改为一个平衡器，在此不做详细说明。
在一可选实施例中，还可以将波导转换芯片2中沿第一方向L布置多个波导转换件21，以使接收模组形成多通道接收模组，每一波导转换件21作为一路通道，波导转换芯片2可以设置波导转换件21的数量包括2、3……N，以形成对应数量的通道，从而形成多通道接收模组，N大于等于2。参见图17、图18、图19和图20，波导转换芯片2中包括多个沿第一方向L间隔嵌入基底层22的波导转换件21，波导转换件21的第二耦合端21b均耦合相干光接收模块7或相干光接收芯片8或空间光混频器9。即第二耦合端21b可以同时用于耦合相干光接收模块7、或者同时用于耦合相干光接收芯片8、或者同时用于耦合空间光混频器9。例如，参见图18，相干光接收芯片8内输入端数量与N通道波导转换芯片2的通道数量相匹配。参见图19，空间光混频器9的数量与N通道的波导转换芯片2的通道数量匹配。参见图20，用于将波导转换芯片2与光纤6耦合的光纤组件5中，其内所设置的通道数量与N通道的波导转换芯片2中的通道数量匹配，且光纤6中设置匹配根数的光纤芯分别与N通道一一对应，从而连接于N通道的相干光接收模块7中，同样的，本振光4分N路对应输入N通道的相干光接收模块中7。以通过波导转换芯片2中多个波导转换件21的设置，形成了多通道的接收模组，降低了多通道布置的复杂程度。
可以理解的是，在多通道接收模组中，参见图18，对应每个通道的波导转换件21可以分别对应一个透镜1。或者，参见图17，也可以设置多个通道的波导转换件21对应同一个透镜1，只要所设置的透镜1能够同时被各通道的波导转换件21使用即可，在此不做具体限定。
而对于在波导转换芯片2上布置的多个波导转换件21，可以如图17设置为4个，也可以如图18中设置为N个，可以根据所需布置的通道数量对应调整波导转换件21的数量，在此不做具体限定。
可以理解的是，除上述中的几种方式外，接收模组中光波导转换件也可以采用其他结构配合进行耦合与集成，可以根据不同的使用场景进行适应性调整变形，在此不做具体限定。
以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (17)
1.一种波导转换芯片，其特征在于，用于激光雷达，所述激光雷达能够形成携带目标信息的回波光，所述波导转换芯片包括：
基底层；
至少一个波导转换件，所述波导转换件嵌入所述基底层，以使所述波导转换件具有第一耦合端和第二耦合端，所述第一耦合端用于接收所述回波光聚焦后的光斑，所述光斑与所述第一耦合端具有重叠区域，所述第二耦合端用于单模式的输出。
2.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导转换件至少包括锥形波导，所述第一耦合端和所述第二耦合端分别位于所述锥形波导延伸方向的两端，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度。
3.根据权利要求1所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导转换件包括锥形波导，以及与所述锥形波导连接的多模波导和/或单模波导；
所述锥形波导用于连接所述多模波导一端的尺寸与所述多模波导尺寸匹配，所述锥形波导用于连接所述单模波导一端的尺寸与所述单模波导尺寸匹配。
4.根据权利要求3所述的波导转换芯片，其特征在于，
所述波导转换件包括连接的锥形波导、多模波导和单模波导，所述多模波导、所述单模波导分别位于所述锥形波导的两侧，所述第一耦合端位于所述多模波导远离所述单模波导的一侧，所述第二耦合端位于所述单模波导远离所述多模波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度；或者，
所述波导转换件包括连接的锥形波导和多模波导，所述第一耦合端位于所述多模波导远离所述锥形波导的一侧，所述第二耦合端位于所述锥形波导远离所述多模波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度，或者，
所述波导转换件包括连接的锥形波导和单模波导，所述第一耦合端位于所述锥形波导远离所述单模波导的一侧，所述第二耦合端位于所述单模波导远离所述锥形波导的一侧，
在第一方向，所述第一耦合端的宽度大于所述第二耦合端的宽度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，沿所述第一耦合端指向所述第二耦合端的方向，所述锥形波导在第一方向的宽度逐渐减小，所述锥形波导在第二方向的宽度不变，所述第一方向和所述第二方向相交。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，所述锥形波导的边缘为直线或曲线。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，所述光波导转换件包括多个光波导，任一相邻所述光波导之间具有配合间隙，
至少一个所述光波导用于接收所述回波光聚焦后的光斑，并通过耦合于一个所述光波导中用于单模式的输出。
8.根据权利要求7所述的波导转换芯片，其特征在于，所述回波光聚焦后的光斑至少部分覆盖至少一个所述光波导，所述配合间隙不大于2um。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，还包括增透膜，所述增透膜至少贴合于所述第一耦合端。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，所述光波导转换件的材料包括二氧化硅、氮化硅、硅或氮氧化硅。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导转换芯片包括光子晶体波导。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的波导转换芯片，其特征在于，所述波导转换件为两个以上，多个所述波导转换件沿第一方向间隔嵌入所述基底层。
13.一种激光雷达，其特征在于，包括接收模组，用于接收携带目标信息的激光，所述接收模组至少包括：
聚焦件，用于使所述携带目标信息的激光穿过所述聚焦件以聚焦形成光斑；
波导转换芯片，位于所述聚焦件的一侧，所述波导转换芯片为根据权利要求1-12中任一项所述的波导转换芯片。
14.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模组还包括：
相干光接收模块，通过单模光纤将所述相干光接收模块连接于所述波导转换芯片的第二耦合端。
15.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模组还包括：
相干光接收芯片，所述相干光接收芯片与所述波导转换芯片的第二耦合端耦合。
16.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模组还包括：
空间光混频器，用于接收本振光和从所述波导转换芯片的第二耦合端单模式输出的回波光，并对所述本振光和所述回波光混频；
至少一个探测器，用于接收所述空间光混频器射出的出射光。
17.根据权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模组为多通道接收模组，所述多通道接收模组至少包括：
所述波导转换芯片中的多个沿第一方向间隔嵌入所述基底层的所述波导转换件，所述波导转换件的第二耦合端均耦合相干光接收模块或相干光接收芯片或空间光混频器。
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