CN114779277A - 调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光雷达技术领域，提供了一种调频连续波激光雷达，包括调频光源、收发模块以及硅光芯片；硅光芯片连接于调频光源和收发模块之间，硅光芯片包括依次设置的第一波导层以及第二波导层；其中，第一波导层能够容纳的光功率大于第二波导层能够容纳的光功率，且第一波导层和第二波导层之间形成有两个层间模式转换器；第一波导层上集成有第一分光单元，第一分光单元用于将接收到的激光束分为至少一束探测光和至少一束本振光，每束本振光的光功率小于等于50mW；第二波导层上集成有相干接收模块。本发明提供的调频连续波激光雷达体积小，集成度高。

Description

调频连续波激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光雷达。

背景技术

激光雷达是广泛用于自动驾驶场景中的核心传感器之一，可以用于收集外部环境的三维信息。激光雷达按照探测机制，主要可以分成飞行时间(Time of Flight，ToF)和调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)这2种激光雷达。FMCW激光雷达采用相干接收的方式，在接收端通过信号光与本振光进行平衡探测的方式，可以有效地减少外界环境光对激光雷达性能的干扰，提升激光雷达测距性能。同时，FMCW激光雷达在提供了空间坐标信息以外，还可以额外提供测速信息，因此被认为是下一代主流的激光雷达技术。

但是，FMCW激光雷达与ToF激光雷达相比，使用了大量的光电器件，导致系统构成比较复杂。目前绝大多数的FMCW激光雷达采用了分立器件的方式，集成度很低，成本很高，体积很大。采用硅基光电子技术可以将多个分立器件集成在一个芯片上，从而有效降低系统体积，提升集成度。但是传统的硅基光电平台采用硅波导方式传输光信号，受到硅的双光子吸收效应的影响，不能传输较大功率的光信号。而在FMCW激光雷达的系统架构中，发射端的调频光源平均输出光功率可达100毫瓦。如果将调频光源与硅光芯片进行直接耦合，会激发明显的双光子吸收效应，导致额外的损耗，甚至有可能烧断硅波导，导致整个芯片失效。因此，目前的FMCW激光雷达的调频光源一般与外部的光纤分光器相连，并进行若干次分光，才会和硅光芯片相连。这样的方案存在大量的光纤分立器件，使系统体积较大，集成度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种调频连续波激光雷达，旨在解决现有技术中调频连续波激光雷达体积较大，集成度较低的技术问题。

本发明是这样实现的，一种调频连续波激光雷达，包括调频光源、收发模块以及硅光芯片；

所述调频光源用于发出激光束；

所述收发模块用于接收所述硅光芯片输出的探测光，并将所述探测光整形、准直后控制其对目标物进行扫描，同时还用于接收经所述目标物反射的回波信号，并将所述回波信号输送至所述硅光芯片；

所述硅光芯片连接于所述调频光源和所述收发模块之间，所述硅光芯片包括依次设置的第一波导层以及第二波导层；其中，所述第一波导层能够容纳的光功率大于所述第二波导层能够容纳的光功率，且所述第一波导层和所述第二波导层之间形成有两个层间模式转换器；所述第一波导层上集成有第一分光单元，所述第一分光单元用于将接收到的激光束分为至少一束探测光和至少一束本振光，每束所述本振光的光功率小于等于50mW；所述第二波导层上集成有相干接收模块，所述相干接收模块通过所述层间模式转换器与所述第一分光单元信号连通，并与所述收发模块中用于输出回波信号的输出端连接，用于将所述本振光和所述回波信号合束以及进行相干拍频，以及将处理后的信号传输至外接信号处理模块。

在一个可选的实施例中，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于50nm小于400nm时，两个波导层内的光信号能够在所述层间模式转换器内通过倏逝波耦合实现层间转换。

在一个可选的实施例中，所述第一波导层和所述第二波导层位于所述层间模式转换器内的部分均为锥形；所述层间模式转换器为锥形波导模式转换器。

在一个可选的实施例中，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于1μm小于4μm时，所述第一波导层和所述第二波导层位于所述层间模式转换器内的部分上均形成有光栅结构；两个波导层内的光信号能够通过所述光栅结构实现层间转换。

在一个可选的实施例中，所述第一分光单元包括第一分光器，所述第一分光器的输入端与所述调频光源的输出端连接，所述第一分光器的第一输出端与所述收发模块的输入端连接、用于输出所述探测光，所述第一分光器的第二输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接、用于输出所述本振光。

在一个可选的实施例中，所述第一分光单元包括第一分光器和第二分光单元，所述第一分光器的输入端与所述调频光源的输出端连接，所述第一分光器的第一输出端与所述收发模块的输入端连接、用于输出所述探测光，所述第一分光器的第二输出端与所述第二分光单元的输入端连接、用于输出本振光，所述第二分光单元的输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接、用于将所述第一分光器输出的所述本振光分成多束并输出至所述相干接收模块中。

在一个可选的实施例中，所述第二分光单元包括第二分光器，所述第二分光器的输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述第二分光器的两个输出端分别通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接；

或者，所述第二分光单元包括沿本振光传输方向依次设置的第二分光器和第三分光器，所述第二分光器的输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述第二分光器的第一输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接，所述第二分光器的第二输出端与所述第三分光器的输入端连接，所述第三分光器的两个输出端分别通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块中探测光路的输入端连接。

在一个可选的实施例中，所述收发模块包括依次连接的光放大单元、环形器和扫描单元，所述光放大单元与所述硅光芯片连接，用于接收并放大所述探测光，所述环形器和所述扫描单元用于相互配合控制放大后的所述探测光对目标物进行扫描，还用于相互配合接收所述目标物反射回来的回波信号，并将所述回波信号传输至所述相干接收模块中。

在一个可选的实施例中，所述环形器和所述扫描单元分别设有多个，且一一对应连接。

在一个可选的实施例中，所述相干接收模块包括探测光路，所述探测光路包括依次形成于所述第二波导层上的第三分光单元、混频单元和合成单元；

所述第三分光单元用于接收任意偏振模式的回波信号和/或本振光，并将接收到的光束分解为偏振确定的多束子光束；其中，所述回波信号对应的子光束为子信号光，所述本振光对应的子光束为第一子本振光；

所述混频单元用于将所述子信号光和所述第一子本振光进行混频，得到多束混频光；

所述合成单元用于将所述多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号。

在一个可选的实施例中，所述相干接收模块还包括非线性校准光路；

所述非线性校准光路包括沿本振光传播方向依次形成于所述第二波导层上的第四分光单元、耦合器和第一平衡探测器，所述第四分光单元用于接收所述本振光，将所述本振光分为两束第二子本振光，并使两束所述第二子本振光的延迟不同，所述耦合器用于将两束延迟不同的所述第二子本振光进行混频，所述第一平衡探测器用于接收所述耦合器输出的混频光并进行平衡探测。

在一个可选的实施例中，所述第一波导层上还集成有第一模斑转换单元，所述第一模斑转换单元用于将所述硅光芯片外部器件的光与所述第一分光单元的光进行模场匹配；

所述相干接收模块还包括形成于所述第二波导层上的第二模斑转换单元，所述第二模斑转换单元用于将所述收发模块内相应器件的光与所述相干接收模块内相应器件的光进行模场匹配。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，在调频光源和相干接收模块之间设置了用于连接二者的硅光芯片，硅光芯片内形成有第一波导层和第二波导层，其中第一波导层对光功率的容耐度高于第二波导层，因此可以在第一波导层上面制作合适的第一分光单元，以实现大功率调频光源和硅光芯片中相干接收模块之间的连接，如此带来的益处包括但不限于：不再需要外部分立器件如光纤分光器完成分光功能，可有效提升系统集成度和可靠性，降低系统体积和成本；同时利用层间模式转换器，可以方便地将第一波导层的光信号转移到第二波导层，其中第二波导层可采用硅波导层，因此能够兼容原本硅层器件的优势；又由于根据目前的工艺氮化硅层和硅层可以在同一块硅光芯片上面实现，当第一波导层采用氮化硅波导层，第二波导层采用硅波导层时，可实现超高密度集成，且工艺CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体的缩写)兼容，具备极高的量产性。又由于经硅光芯片中的第一分光单元分出的本振光的光功率均小于等于50mW，可以解决大功率输出情况下的硅层双光子吸收效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图；

图2是本发明一实施例所采用的层间模式转换器的剖视结构示意图；

图3是图2所示层间模式转换器的俯视结构示意图；

图4是本发明另一实施例所采用的层间模式转换器的剖视结构示意图；

图5是图4所示层间模式转换器的俯视结构示意图；

图6是本发明第二实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图；

图7是本发明第三实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图；

图8是本发明第四实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图；

图9是本发明第五实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图；

图10是本发明第六实施例提供的调频连续波激光雷达的结构示意图。

附图标记说明：

100、调频光源；200、收发模块；210、光放大单元；220、环形器；230、扫描单元；300、硅光芯片；301、第一波导层；302、第二波导层；303、层间模式转换器；304、衬底层；305、埋氧层；306、氧化层；307、上包层；311、第一分光器；312、第二分光器；313、第三分光器；314、第四分光器；315、光延迟线；321、第一模斑转换器；322、第二模斑转换器；323、第三模斑转换器；330、相干接收模块；331、耦合器；332、第一平衡探测器；333、偏振分束旋转器；334、混频单元；335、合成单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或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发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参照图1所示，在本发明实施例中，提供一种调频连续波激光雷达，包括调频光源100、收发模块200以及硅光芯片300。

调频光源100用于发出激光束。具体的，该激光束为调频连续波信号。

收发模块200用于接收硅光芯片300输出的探测光，并将探测光整形、准直后控制其对目标物进行扫描，同时还用于接收经目标物反射的回波信号，并将回波信号输送至硅光芯片300。

具体的，收发模块200可以包括用于整形的光调整模块(如光放大模块、缩角模块、扩束模块等中的一个或者多个)、用于准直的透镜模块、环形器220以及扫描模块等，也可以包括用于整形和准直的光学模块、环形器220以及扫描模块，当然还可以采用其他形式，只要能实现上述功能即可，具体可以根据使用需要灵活选择。

硅光芯片300连接于调频光源100和收发模块200之间。硅光芯片300包括依次设置的第一波导层301以及第二波导层302。其中，第一波导层301能够容纳的光功率大于第二波导层302能够容纳的光功率，且第一波导层301和第二波导层302之间形成有两个层间模式转换器303。第一波导层301上集成有第一分光单元。第一分光单元用于将接收到的激光束分为至少一束探测光和至少一束本振光，每束本振光的光功率小于等于50mW。第二波导层302上集成有相干接收模块330。相干接收模块330通过层间模式转换器303与第一分光单元信号连通，并与收发模块200中用于输出回波信号的输出端连接，用于将本振光和回波信号合束以及进行相干拍频，以及将处理后的信号传输至外接信号处理模块。

具体的，第一分光单元包括至少一个分光器，分光器的数量和连接结构根据最终输出本振光的光功率大小和/或探测光的束量而定，如当调频光源100输出的激光束的光功率较低时，进入硅光芯片300中的激光束经过一个分光器后本振光的光功率即小于等于50mW，则第一分光单元可仅包括一个分光器，当调频光源100输出的激光束的光功率较高时，进入硅光芯片300中的激光束经过一个分光器后本振光的光功率大于50mW，则可在该分光器后继续增加分光器，直至经分光器输出的本振光的功率小于等于50mW，停止增加分光器。

硅光芯片300可以通过成熟的半导体加工工艺加工而成。第一分光单元、相干接收模块330以及层间模式转换器303可在相应波导层成型后经过CMOS工艺制得。

上述调频光源100和收发模块200不设置在硅光芯片300上，为分立器件或者模组。其他器件可以通过集成的方式，放置在硅光芯片300上面。其中，层间模式转换器303用于实现第一波导层301和第二波导层302之间的光传输。当光信号经过若干次分光之后，光功率不再激发硅波导的双光子吸收效应，可以通过层间模式转换器303将光信号从第一波导层301转换到第二波导层302中。这是因为第二波导层302的光器件可以实现更小的尺寸，有利于芯片和系统的高度集成。

本发明实施例提供的调频连续波激光雷达的工作原理如下：

探测时，先将调频光源100的输出端通过第一波导层301与第一分光单元的输入端连通，之后调频光源100向第一分光单元发出激光束，该激光束进入硅光芯片300中的第一分光单元，经第一分光单元分束为至少一束探测光和至少一束本振光，且每束本振光的光功率均小于等于50mW，之后本振光经层间模式转换器303进入相干接收模块330；与此同时，探测光输出硅光芯片300进入收发模块200，再经收发模块200整形、准直对目标物进行扫描。

之后经目标物反射的回波信号再经收发模块200输送至相干接收模块330中，与本振光在相干接收模块330中实现混频，之后通过相干接收模块330中的平衡探测单元进行相干拍频，再经平衡探测单元输出至位于硅光芯片300外的信号处理模块内，经信号处理模块分析得出目标距离和速度等信息。

本发明实施例提供的调频连续波激光雷达，在调频光源100和相干接收模块330之间设置了用于连接二者的硅光芯片300，硅光芯片300内形成有第一波导层301和第二波导层302，其中第一波导层301对光功率的容耐度高于第二波导层302，因此可以在第一波导层301上面制作合适的第一分光单元，以实现大功率调频光源100和硅光芯片300中相干接收模块330之间的连接，如此带来的益处包括但不限于：不再需要外部分立器件如光纤分光器完成分光功能，可有效提升系统集成度和可靠性，降低系统体积和成本；同时利用层间模式转换器303，可以方便地将第一波导层301的光信号转移到第二波导层302，其中第二波导层302可采用硅波导层，因此能够兼容原本硅层器件的优势；又由于根据目前的工艺氮化硅层和硅层可以在同一块硅光芯片300上面实现，当第一波导层301采用氮化硅波导层，第二波导层302采用硅波导层时，可实现超高密度集成，且工艺CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体的缩写)兼容，具备极高的量产性。又由于经硅光芯片300中的第一分光单元分出的本振光的光功率均小于等于50mW，可以解决大功率输出情况下的硅层双光子吸收效应。

在一个具体的实施例中，如图2所示，硅光芯片300包括依次设置的衬底层304、埋氧层305、第二波导层302、氧化层306、第一波导层301以及上包层307。具体的，埋氧层305、第二波导层302、氧化层306、第一波导层301以及上包层307通过外延生长技术逐层制得。需要说明的是，第一波导层301和第二波导层302的长度根据需要设定，一般小于衬底层304的长度，在超出第二波导层302覆盖范围的区域内氧化层306与埋氧层305相连；在超出第一波导层301覆盖范围的区域中，上包层307与氧化层306相连。第一波导层301为氮化硅波导层，第二波导层302为硅波导层。

其中，硅波导层不适合传输特别大功率的光信号，但热光系数较高，有利于降低其上器件的功耗；氮化硅波导虽然能够容纳较大的光功率，但采用氮化硅波导制作的芯片的功耗较大。本实施例提供的调频连续波激光雷达，采用了两个材质不同的波导制作了两个波导层，之后避开各波导层的缺点，充分利用其优异特性，将硅光芯片300中的各器件制备于更加适于的波导层上，从而降低了器件制作的工艺要求。由于目前业界可以获得质量良好的商用SOI晶圆，因此氮化硅波导层一般在硅波导层上方。同时，为降低层间模式转换器303的体积，第一波导层301的输出端与第二波导层302的输入端层叠设置。这样使得层间模式转换器303800体积最小，整个硅光芯片300结构紧凑，符合其制造要求。

基于现有的芯片制备工艺，第二波导层302和第一波导层301之间的垂直间距一般存在两种情况：一种情况是，两个波导层距离较近，此时两者间的垂直间距处于大于50nm小于400nm的范围内；另一种情况是，两个波导层距离较远，此时两者间的垂直间距处于大于1μm小于4μm的范围内。针对这两种情况，层间模式转换器303的结构也会发生相应改变。

具体的，请参照图2及图3，当第二波导层302与第一波导层301之间的垂直间距大于50nm小于400nm时，此时第一波导层301和第二波导层302间距较近，一般来说两层之间会有一层比较薄的氧化层306，使得两个波导层内的光信号能够在层间模式转换器303内通过倏逝波耦合实现层间转换，进而实现两个波导层之间的低损耗光传播，且便于设计和加工。本实施例中层间模式转换器303可采用能够实现倏逝波耦合的任一款层间模式转换器303，这里不做唯一限定。

请参照图3，在一个可选的实施例中，第一波导层301和第二波导层302位于层间模式转换器303内的部分均为锥形。层间模式转换器303为锥形波导模式转换器。

光在第二波导层302中的模式有效折射率随着宽度降低而降低，而在第一波导层301中的模式有效折射率随着宽度增加而增加，因此只要合理设计两个锥形波导模式转换器两侧的宽度，就可以在某一个位置处，使第一波导层301中的模式有效折射率等于第二波导层302的模式有效折射率，那么只要锥形波导模式转换器的长度足够长，就可以使光从第一波导层301缓慢转换到第二波导层302中。整个转换过程稳定，且技术成熟。

请参照图4及图5，当第二波导层302与第一波导层301之间的垂直间距大于1μm小于4μm时，此时第一波导层301和第二波导层302间距较远，一般来说两层之间会有一层比较厚的氧化层306。这样在各层间模式转换器303中，第一波导层301中的光不会和第二波导层302中的光发生倏逝波耦合，这里采用两层光栅来实现。具体表现在，第一波导层301和第二波导层302位于层间模式转换器303内的部分上均形成有光栅结构。两个波导层内的光信号能够通过光栅结构实现层间转换。

具体的，上述光栅结构可以利用刻蚀工艺在相应波导层上制得。光栅结构的设置破坏了原有的波导结构，使光可以沿某一个方向发射或者接收。制备时，可通过改变其光栅周期和占空比改变该光栅结构向上或向下发射的角度θ。同理，通过改变光栅结构的光栅周期和占空比可以改变该光栅结构从下方或从上方接收的角度θ。上述角度θ可在制备光栅结构前经过仿真软件计算得出，这样可以确保制得的光栅结构符合要求，进而使得光信号可以经过相对设置的两个光栅结构实现两个波导段之间的层间转换。这样经第一分光单元输出的本振光可经第一波导层301上的光栅结构进入第二波导层302上的光栅结构，以进入相干接收模块330，之后通过第二波导层302在相干接收模块330内传播，最终输出至外接信号处理模块中，进行后续处理。

上述光栅结构呈扇形设置，以实现较大范围的信号接收和发射，保证光信号由第一波导层301转换至第二波导层302时不会发生信号损失，或将信号损失降低到最小状态。

在上述光信号传输过程中，光栅结构的光线出射角度或光线接收角度为0-90°。具体角度，可根据第一波导层301、第二波导层302和相应层间模式转换器303的材质及制备工艺决定，这里不做唯一限定。

在一些实施例中，光栅结构的光线出射角度或光线接收角度为0-60°。采用这一角度范围，可选材的范围更宽泛一些。

为避免硅层双光子吸收效应的发生，经硅光芯片300中的第一分光单元分出的本振光的光功率需要小于等于50mW，但不同调频光源100发出的激光束的光功率有大有小，因此第一分光单元也存在多种实现方式。

第一种实现方式：

调频光源100发出的激光束的光功率较小，此时第一分光单元中仅设一个分光器，分出的本振光的光功率便可满足要求，可以在硅层传输。具体表现为，请参照图1所示，第一分光单元包括第一分光器311，第一分光器311的输入端与调频光源100的输出端连接，第一分光器311的第一输出端与收发模块200的输入端连接、用于输出探测光，第一分光器311的第二输出端通过层间模式转换器303与相干接收模块330的相应输入端连接、用于输出本振光。本实施例中第一分光器311具有一个输入端和两个输出端，分光比例一般为10:90到50:50之间，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。第一分光单元采用这一结构，结构简单，便于组装。

第二种实现方式：

调频光源100发出的激光束的光功率较大，经一个分光器分光后，分出的本振光的光功率大于50mW，此时若直接将本振光输入相干接收模块330，可能会激发硅层的双光子吸收效应。为避免上述情况发生，在一个可选的实施例中，请参照图6及图7所示，第一分光单元包括第一分光器311和第二分光单元，第一分光器311的输入端与调频光源100的输出端连接，第一分光器311的第一输出端与收发模块200的输入端连接、用于输出探测光，第一分光器311的第二输出端与第二分光单元的输入端连接、用于输出本振光，第二分光单元的输出端通过层间模式转换器303与相干接收模块330的相应输入端连接。

本实施例中第一分光器311的结构与第一种形式中的第一分光器311的结构相同，且分光比例也在10:90到50:50之间，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。本实施例中的第二分光单元可以包括一个或者多个分光器，具体可以根据分出的本振光的光功率是否满足要求而定。具体表现为如下几种情况：

第一种情况：

经上述第一分光器311分出的本振光再经一个分光器，输出的任一束本振光便可满足预设要求(光功率小于等于50mW)，请参照图6所示，此时第二分光单元包括第二分光器312，第二分光器312的输入端与第一分光器311的第二输出端连接，第二分光器312的两个输出端分别通过层间模式转换器303与相干接收模块330的输入端连接、用于将第一分光器311输出的本振光分成多束并输出至相干接收模块330中。本实施例中第二分光器312具有两个输出端，分光比一般在1:99到50:50之间，具体可以根据使用需要灵活选择，这里不做唯一限定。第二分光单元采用这一结构，结构简单，便于组装。

第二种情况：

由于第二分光器312分成的两个支路，其中一个支路用于向接收模块中的探测光路输送本振光，另一个支路用于向接收模块中的非线性校准光路输送本振光。而非线性校准光路需要的光信号功率很小，因此实际中第二分光器312会将绝大部分的光分到接收模块中的探测光路中，作为后续相干探测的本振光信号。那么当调频光源100输出的激光束的光功率较大时，很有可能第二分光器312中用于向相干接收模块330中的探测光路输送本振光的输出端，输出的本振光的光功率大于50mW，此时为避免硅层的双光子吸收效应发生，第二分光单元可采用以下形式。请参照图7所示，第二分光单元包括沿本振光传输方向依次设置的第二分光器312和第三分光器313，第二分光器312的输入端与第一分光器311的第二输出端连接，第二分光器312的第一输出端通过层间模式转换器303与相干接收模块330中探测光路的输入端连接，第二分光器312的第二输出端与第三分光器313的输入端连接，第三分光器313的两个输出端分别通过层间模式转换器303与相干接收模块330的相应输入端连接。具体的，本实施例中的第三分光器313可以为一个分光器或者多个分光器的组合件，具体可根据分光效果而定，这里不做唯一限定。

在一个可选的实施例中，上述各实施例中的第三分光器313具有两个输出端，且两者的分光比分别为50:50。采用这一结构便于后续信号分析。

在一个可选的实施例中，请参照图1所示，第一波导层301上还集成有第一模斑转换单元，第一模斑转换单元用于将硅光芯片300外部器件的光与第一分光单元的光进行模场匹配，以减小模式失配损耗。

具体的，第一模斑转换单元中具有多个模斑转换器，模斑转换器的数量与硅光芯片300与外部器件的连接端口数量一致。这里所说的连接端口是指用于传播光的端口。

在一个具体的实施例中，请参照图1所示，第一模斑转换单元包括第一模斑转换器321以及第三模斑转换器323。

第一模斑转换器321连接于调频光源100和第一分光单元之间，用于将调频光源100和第一分光单元进行模场匹配。具体表现为，第一模斑转换器321的输入端与调频光源100的输出端连接，输出端与第一分光单元的输入端连接。第一模斑转换器321的设置，可减小调频光源100发出的光线传导至第一分光单元的过程中的模式失配损耗，同时减小因为硅层双光子吸收所引起的额外损耗。因此，第一模斑转换器321可以在第一波导层301实现。第一波导层301可以支持更高的光功率传输，因此即使外部调频光源100的输出光功率高达100毫瓦，也能够经过第一模斑转换器321进入硅光芯片300。

第三模斑转换器323连接于第一分光单元中用于输出探测光的输出端与收发模块200的输入端之间，用于将第一分光单元与收发模块200的相应端部进行模场匹配，以将第一分光单元输出的探测光传导至收发模块200。具体表现为，第三模斑转换器323的输入端与第一分光单元中用于输出探测光的输出端连接，输出端与收发模块200的输入端连接。

具体的，第一模斑转换器321和第三模斑转换器323的型号可根据各模斑转换器两端的器件的模斑尺寸灵活选择，这里不做唯一限定。同时由于第一模斑转换器321和第三模斑转换器323均制备于第一波导层301上，第一波导层301又能够容耐更高的光功率，因此相较在硅层制备模斑转换器，本实施例提供的第一模斑转换器321和第三模斑转换器323，在工艺容差和对准容差方面具备优势。同时，第一模斑转换单元采用这一结构可使得硅光芯片300内外的器件均可灵活选择，无需受到彼此模斑尺寸的限制，便于设计。

请参照图1所示，在一个可选的实施例中，收发模块200包括依次连接的光放大单元210、环形器220和扫描单元230，光放大单元210与硅光芯片300连接，用于接收并放大探测光，环形器220和扫描单元230用于相互配合控制放大后的探测光对目标物进行扫描，还用于相互配合接收目标物反射回来的回波信号，并将回波信号传输至相干接收模块330中。

本实施例中的光放大单元210可以为掺稀土光纤放大器、半导体光放大器、喇曼放大器中的任一种或者多种组合，主要用于对探测光进行增益，输出光功率更高的光信号。本实施例中的扫描单元230可以包括一个或者多个光束扫描模组，每个光束扫描模组可以为振镜、转镜、MEMS微振镜等中的任一个，也可以是上述几种方式的组合，主要用于实现探测光的整形、准直和扫描。

本实施例中的环形器220用于供放大后的激光束穿过，还用于偏转接收到的回波光束并射向相干接收模块330。具体的，使用时探测光由环形器220的第一端口输入，后经环形器220的第二端口输出，之后该光束可通过扫描单元230从自由空间输出，并发射至目标物上，之后目标物反射回来的回波信号可通过扫描单元230原路返回，由环形器220的第二端口进入，由环形器220的第三端口输出至相干接收模块330中。收发模块200采用这一结构，结构简单，便于组装和维护，且工作性能稳定。

上述实施例中，扫描单元230可以设置一个或多个。当扫描单元230仅设置一个时，由于单个扫描单元230的扫描角度范围有限，无法实现大角度的扫描范围，那么为了提高激光雷达的扫描角度范围，可以采用多个扫描单元230。此时环形器220的数量也需要随之改变。即环形器220和扫描单元230分别设有多个，且一一对应连接。环形器220和扫描单元230的数量可根据使用需要灵活选择，以满足不同范围的扫描需要。

在上述各实施例的基础上，请参照图1所示，相干接收模块330包括探测光路。探测光路包括依次形成于第二波导层302上的第三分光单元、混频单元334和合成单元335。

第三分光单元用于接收任意偏振模式的回波信号和/或本振光，并将接收到的光束分解为偏振确定的多束子光束。为便于描述，下文将回波信号对应的子光束称为子信号光，将本振光对应的子光束称为第一子本振光。具体的，第三分光单元中可以包括一个或多个分光器，还可以包括一个或多个偏振分束旋转器333，具体可根据使用需要进行选择。具体的，当需要对回波信号进行分束时，一般通过偏振分束旋转器333，以将回波信号分成多束子信号光；当需要对本振光进行分束时，一般通过普通分束器即可，以将本振光分成多束第一子本振光。本实施例中的回波信号和本振光均存在两种设置形式，第一种是在相干接收模块330外完成分束，另一种是在相干接收模块330内完成分束，当回波信号和本振光中的任一种在相干接收模块330外已完成分束，则在相干接收模块330内不需要再设置相应光束的分光结构。无论如何设置，只要最终子信号光和第一子本振光数量一致，能够实现一一对应，满足后续信号分析所需即可。

混频单元334用于将子信号光和第一子本振光进行混频，得到多束混频光。具体的，混频单元334包括至少两个光混频器，光混频器的数量可根据子信号光或者第一子本振光的数量而定。

合成单元335用于将多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号。具体的，合成单元335包括至少两个平衡探测器，每个平衡探测器与上述混频单元334中的光混频器一一对应连接，以接收混频光并对混频光进行处理，形成相应的相干电信号，之后该相干电信号可被输出至外接信号处理装置中，以进行进一步处理。

相干接收模块330采用本实施例提供的结构，结构简单、稳定，便于设计。

在一个可选的实施例中，请参照图1所示，相干接收模块330除上述探测光路外，还包括非线性校准光路。

非线性校准光路包括沿本振光传播方向依次形成于第二波导层302上的第四分光单元、耦合器331和第一平衡探测器332，第四分光单元用于接收本振光，将本振光分为两束第二子本振光，并使两束第二子本振光的延迟不同，耦合器331用于将两束延迟不同的第二子本振光进行混频，第一平衡探测器332用于接收耦合器331输出的混频光并进行平衡探测。

本实施例中的耦合器331一般为3dB耦合器，还可采用能够实现上述功能的其他耦合器。使用时，可将第一平衡探测器332的输出信号进行进一步处理，以作为调频光源100校准的依据。采用本实施例提供的调频连续波激光雷达，可实时对调频光源100进行校准，以便操作人员及时发现问题对其进行调整，进而保证检测结果的准确性。

在一个可选的实施例中，请参照图1所示，相干接收模块330还包括形成于第二波导层302上的第二模斑转换单元，第二模斑转换单元用于将收发模块200内相应器件的光与相干接收模块330内相应器件的光进行模场匹配，减小模式失配损耗。

具体的，第二模斑转换单元包括第二模斑转换器322。第二模斑转换器322与收发模块200中回波信号的输出端一一对应连接，以减小这部分的模场失配损耗。由于这部分光信号一般较弱，不容易激发硅层的双光子吸收效应，因此可以在第二波导层302上面实现。如果在第一波导层301上面实现，则需要后续额外的层间模式转换器303，引起额外的模式转换损耗，并不推荐。

相干接收模块330采用本实施例提供的结构，可实现回波信号的稳定传输，且可使得硅光芯片300内外器件中除模斑转换器以外的器件在设计时不受其他器件模斑尺寸的影响，进而便于设计。

上述各实施例中的模斑转换器均可以是锥形波导、悬臂梁波导、多层波导等结构中的任一种，具体可以根据使用需要灵活选择。

为降低调频连续波激光雷达的体积，我们优选将回波信号和本振光所需的分光结构集成于硅光芯片300和硅光芯片300中，如此经过第一分光单元和第三分光单元需要形成数量一致的子信号光和第一子本振光，又由于上述第一分光单元存在多种实现方式，因此上述各实施例中的第三分光单元也存在多种实现方式，且第三分光单元的实现方式会随第一分光单元的实现方式的改变而改变。为便于理解，现以相干接收模块330包括上述探测光路、上述非线性校准光路和上述第二模斑转换单元为例，对第三分光单元的具体结构进行说明。

请参照图1所示，当第一分光单元采用第一种实现方式时，即第一分光单元包括上述第一分光器311时，第三分光单元包括偏振分束旋转器333，以及上述第二分光器312、第三分光器313和第四分光器314。其中，第二分光器312通过第三模斑转换器323和第二模斑转换器322与第一分光器311用于输出本振光的输出端连接；第三分光器313和第四分光器314分别连接于第二分光器312的两个输出端，第三分光器313将本振光分解为多个第一子本振光，第四分光器314的其中一个输出端直接与耦合器331连接，另一输出端通过光延迟线315与耦合器331连接；偏振分束旋转器333通过第四模斑转换器与环形器220连接，并用于将回波信号分为两束子信号光，并将两个子信号光一一对应的传输至相应光混频器中。此时，第四分光器314用于将来自第二分光器312的输出光按成一定的分光比分成两束光，一束光进入光延迟线315，另一束光直接与耦合器331相连。光延迟线315用于对光信号产生一段延迟，它的输出端与耦合器331相连。

请参照图6所示，当第一分光单元采用第二种实现方式中的第一种情况时，即第一分光单元包括第一分光器311和第二分光器312，此时第三分光单元包括偏振分束旋转器333，以及上述第三分光器313和第四分光器314。

请参照图7所示，当第一分光单元采用第二种实现方式中的第二种情况时，此时第三分光单元包括偏振分束旋转器333以及上述第四分光器314。此时，第四分光器314用于将来自第二分光器312的输出光按成一定的分光比分成两束光，一束光进入光延迟线315，另一束光直接与耦合器331相连。光延迟线315用于对光信号产生一段延迟，它的输出端与耦合器331相连。

在一个可选的实施例中，上述各实施例中的第四分光器具有两个输出端，且两者的分光比分别为50:50。采用这一结构便于后续信号分析。

上述各实施例中偏振分束旋转器通过第四模斑转换器与环形器一一对应连接，每个偏振分束旋转器用于将任意偏振的回波信号分成两束偏振确定的子信号光，它的输出与2个光混频器的输入端相连，作为信号光输入。且每个偏振分束旋转器输出的光的偏振态均与相应第三分光器输出的光的偏振态相同。

请参照图8所示，在一个具体的实施例中，调频连续波激光雷达包括调频光源100、光放大器、环形器220、层间模式转换器303、N个扫描单元230、N个环形器220、2N个光混频器、2个第一模斑转换器321、1个第二模斑转换器322、1个第三模斑转换器323、N个第四模斑转换器、2N+1个平衡探测器、N个偏振分束旋转器333、1个第一分光器311、1个第二分光器312、1个第三分光器313和1个第四分光器314，其中光放大器为N个输出端口，第三分光器313为2N个输出端口。N个环形器220的第三端口都通过第四模式转换器与N个偏振分束旋转器333相连。层间模式转换器303位于第一分光器311和第二分光器312之间。

请参照图9所示，如果通道数很多，也就是说进入第三分光器313的光变多，导致光功率超过了硅波导要求，那么上述调频连续波激光雷达中的层间模式转换器303还可以放置于第二分光器312和第三分光器313、以及第二分光器312和第四分光器314之间。

请参照图10所示，为了实现长度更长、损耗更小的光延迟线315，可以将上述各实施例中的光延迟线315制作于第一波导层301上。那么，可以在光延迟线315和3dB耦合器之间增加层间模式转换器303，在第四分光器314和3dB耦合器之间增加层间模式转换器303。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括调频光源、收发模块以及硅光芯片；

所述调频光源用于发出激光束；

所述收发模块用于接收所述硅光芯片输出的探测光，并将所述探测光整形、准直后控制其对目标物进行扫描，同时还用于接收经所述目标物反射的回波信号，并将所述回波信号输送至所述硅光芯片；

所述硅光芯片连接于所述调频光源和所述收发模块之间，所述硅光芯片包括依次设置的第一波导层以及第二波导层；其中，所述第一波导层能够容纳的光功率大于所述第二波导层能够容纳的光功率，且所述第一波导层和所述第二波导层之间形成有两个层间模式转换器；所述第一波导层上集成有第一分光单元，所述第一分光单元用于将接收到的激光束分为至少一束探测光和至少一束本振光，每束所述本振光的光功率小于等于50mW；所述第二波导层上集成有相干接收模块，所述相干接收模块通过所述层间模式转换器与所述第一分光单元信号连通，并与所述收发模块中用于输出回波信号的输出端连接，用于将所述本振光和所述回波信号合束以及进行相干拍频，以及将处理后的信号传输至外接信号处理模块。

2.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于50nm小于400nm时，两个波导层内的光信号能够在所述层间模式转换器内通过倏逝波耦合实现层间转换。

3.如权利要求2所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一波导层和所述第二波导层位于所述层间模式转换器内的部分均为锥形；所述层间模式转换器为锥形波导模式转换器。

4.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，当所述第二波导层与所述第一波导层之间的垂直间距大于1μm小于4μm时，所述第一波导层和所述第二波导层位于所述层间模式转换器内的部分上均形成有光栅结构；两个波导层内的光信号能够通过所述光栅结构实现层间转换。

5.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一分光单元包括第一分光器，所述第一分光器的输入端与所述调频光源的输出端连接，所述第一分光器的第一输出端与所述收发模块的输入端连接、用于输出所述探测光，所述第一分光器的第二输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接、用于输出所述本振光。

6.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一分光单元包括第一分光器和第二分光单元，所述第一分光器的输入端与所述调频光源的输出端连接，所述第一分光器的第一输出端与所述收发模块的输入端连接、用于输出所述探测光，所述第一分光器的第二输出端与所述第二分光单元的输入端连接、用于输出本振光，所述第二分光单元的输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接、用于将所述第一分光器输出的所述本振光分成多束并输出至所述相干接收模块中。

7.如权利要求6所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第二分光单元包括第二分光器，所述第二分光器的输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述第二分光器的两个输出端分别通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接；

或者，所述第二分光单元包括沿本振光传输方向依次设置的第二分光器和第三分光器，所述第二分光器的输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述第二分光器的第一输出端通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块的相应输入端连接，所述第二分光器的第二输出端与所述第三分光器的输入端连接，所述第三分光器的两个输出端分别通过所述层间模式转换器与所述相干接收模块中探测光路的输入端连接。

8.如权利要求1-7任一项所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述收发模块包括依次连接的光放大单元、环形器和扫描单元，所述光放大单元与所述硅光芯片连接，用于接收并放大所述探测光，所述环形器和所述扫描单元用于相互配合控制放大后的所述探测光对目标物进行扫描，还用于相互配合接收所述目标物反射回来的回波信号，并将所述回波信号传输至所述相干接收模块中。

9.如权利要求8所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述环形器和所述扫描单元分别设有多个，且一一对应连接。

10.如权利要求1-7任一项所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述相干接收模块包括探测光路，所述探测光路包括依次形成于所述第二波导层上的第三分光单元、混频单元和合成单元；

所述第三分光单元用于接收任意偏振模式的回波信号和/或本振光，并将接收到的光束分解为偏振确定的多束子光束；其中，所述回波信号对应的子光束为子信号光，所述本振光对应的子光束为第一子本振光；

所述混频单元用于将所述子信号光和所述第一子本振光进行混频，得到多束混频光；

所述合成单元用于将所述多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号。

11.如权利要求10所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述相干接收模块还包括非线性校准光路；

所述非线性校准光路包括沿本振光传播方向依次形成于所述第二波导层上的第四分光单元、耦合器和第一平衡探测器，所述第四分光单元用于接收所述本振光，将所述本振光分为两束第二子本振光，并使两束所述第二子本振光的延迟不同，所述耦合器用于将两束延迟不同的所述第二子本振光进行混频，所述第一平衡探测器用于接收所述耦合器输出的混频光并进行平衡探测。

12.如权利要求10所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一波导层上还集成有第一模斑转换单元，所述第一模斑转换单元用于将所述硅光芯片外部器件的光与所述第一分光单元的光进行模场匹配；

所述相干接收模块还包括形成于所述第二波导层上的第二模斑转换单元，所述第二模斑转换单元用于将所述收发模块内相应器件的光与所述相干接收模块内相应器件的光进行模场匹配。

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