CN114966619A - 一种探测装置、激光雷达、芯片及终端设备 - Google Patents

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Abstract

一种探测装置、激光雷达、芯片及终端设备。探测装置可单独作为芯片，或应用于激光雷达或终端设备(如车辆、智能家居设备或智能运输设备等)。探测装置包括光源模块用于发射连续激光束；调制模块用于调制来自光源模块的连续激光束，得到包括载波信号和对称边带信号的第一激光束；第一波长选择模块用于允许对称边带信号中的至少一个边带信号通过且阻止载波信号通过，得到第二激光束；光收发模块用于向探测区域发射第二激光束及接收针对第二激光束的第一回波信号，第一回波信号包括至少一个边带信号，第一回波信号中包括的至少一个边带信号中的第一边带信号用于探测目标。可减小探测装置的体积，且可提高自动驾驶、智能驾驶或测绘等领域的测距精度。

Description

一种探测装置、激光雷达、芯片及终端设备
技术领域
本申请涉及探测技术领域，尤其涉及一种探测装置、激光雷达、芯片及终端设备。
背景技术
车辆对外界环境的高可靠长距离高精度测量通常是通过激光雷达(lightdetection and ranging，LiDAR)来实现的。目前，激光雷达多采用脉冲飞行时间(time-of-flight，TOF)方式。基于TOF的激光雷达可发射高功率的超短光脉冲，根据光脉冲被物体反射后的回波接收时间与发射时间之间的时间间隔实现测距。基于TOF的激光雷达的测量距离取决于脉冲功率，测距精度取决于脉冲宽度；然而同时实现提升脉冲功率且减小脉冲宽度是较难实现的，因此制约了基于TOF的激光雷达的性能。
因此，提出了基于调频连续波(frequency modulated continuous waveform，FMCW)方式的激光雷达。基于FMCW的激光雷达采用的是相干探测技术，由于外界环境的干扰光难以与本地参考光(local reference)相干混频产生拍频信号，因此FMCW的激光雷达的抗干扰性能相对比较好。基于FMCW的激光雷达发射的激光束为频率调制的连续激光束，将激光束一分为二，其中一束作为本地参考光，另一束作为探测光射向目标，探测光遇到目标后，反射回波信号，通过回波信号和本地参考光来计算与目标的距离。基于FMCW的激光雷达的测距精度取决与扫频范围，测量距离取决于扫频时间，扫频范围和扫频时间可以同时提升。
然而，基于FMCW的激光雷达对激光线宽和扫频线性度的要求较高，因此，现有技术中基于FMCW的激光雷达通常采用铌酸锂调制器或高精度可调谐谐振腔对光频率进行线性对调节，如此，会造成激光雷达的体积较大，难以小型化集成，因此，在车载场景中的应用受限。
发明内容
本申请提供一种探测装置、激光雷达、芯片及终端设备，用于实现探测装置的小型化。
第一方面，本申请提供一种探测装置，该探测装置可包括光源模块、调制模块、第一波长选择模块和光收发模块；其中，光源模块用于发射连续激光束；调制模块用于调制来自光源模块的连续激光束，得到包括载波信号和对称边带信号第一激光束；第一波长选择模块用于允许对称边带信号中的至少一个边带信号通过且阻止载波信号通过，得到第二激光束，即第二激光束包括对称边带信号中的至少一个边带信号；光收发模块用于向探测区域发射第二激光束，以及用于接收针对第二激光束的第一回波信号，第一回波信号包括至少一个边带信号，第一回波信号中包括的至少一个边带信号中的第一边带信号用于探测目标。
此处，若第二激光束包括对称边带信号，则第一回波信号也包括对称边带信号；若第二激光束包括对称边带信号中的第一边带信号，则第一回波信号也包括对称边带信号中的第一边带信号。
基于该探测装置，通过将光源模块发射的连续激光束的调制和波长选择结合，以实现对探测区域的探测，有助于降低探测装置的系统复杂度，从而有助于探测装置体积的小型化。而且，该探测装置中的调制模块采用外部调制方式，可解耦调制模块与光源模块，因此，光源模块不需要进行高速直接调制，可以充分优化发射窄线宽的性能，从而有助于提高探测装置的测距精度。进一步，通过第一波长选择模块进行波长的选择，相比于直接产生需要的波长，有助于减小探测装置的损耗。
在一种可能的实现方式中，光收发模块包括扫描模块，扫描模块用于在不同的扫描角度下，分别向探测区域发射第二激光束。
通过扫描模块，可以使得探测装置对探测区域的各个位置进行扫描，有助于提高获取的目标的信息的精确度。
在一种可能的实现方式中，调制模块包括硅基微环调制器，硅基微环调制器包括相互耦合的直波导和环形波导，其中，直波导和环形波导用于对连续激光束的强度进行调制。
由于硅基微环调制器制造工艺成熟，结构简单、插入损耗小，调制功耗低、调制效率高，因此，硅基微环调制器作为调制模块，有助于简化探测装置的制造过程，而且有助于提高探测装置的发射光功率和信噪比，进而有助于增大测量距离。
进一步，可选地，直波导用于传输来自光源模块的连续激光束，并将连续激光束通过直波导与环形波导的耦合区域耦合进环形波导；环形波导用于对耦合进的连续激光束的强度进行调制，得到第一激光束，并将第一激光束通过耦合区域耦合进直波导；直波导还用于向第一波长选择模块传播来自环形波导的第一激光束。
在一种可能的实现方式中，探测装置还可包括射频模块，射频模块用于向环形波导输入第一射频信号，第一射频信号为线性调频信号，第一射频信号用于环形波导对连续激光束的强度进行调制。
进一步，可选地，环形波导用于根据第一射频信号，对耦合进环形波导的光束的强度进行调制。
第一激光束的扫频线性度与第一射频信号直接相关，由于第一射频信号为线性扫频信号，因此，第一激光束也有较好的扫频线性度，从而有助于提高探测装置的测距精度。
在一种可能的实现方式中，射频模块还用于产生第二射频信号，并对第二射频信号进行预失真处理，得到第一射频信号。
通过对第二射频信号进行预失真处理，可以有效改善由于调制模块线性度和频响平坦度不足所导致的噪声，从而可有效提升探测装置的性能。
在一种可能的实现方式中，调制模块包括第一Y型波导、第一波导臂、第二波导臂和第二Y型波导；第一Y型波导用于将来自光源模块的连续激光束分为两束，并分别传播至第一波导臂和第二波导臂；第一波导臂用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第三激光束，第三激光束的相位与输入第一波导臂的第三射频信号相关；第二波导臂用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第四激光束，第四激光束的相位与输入第二波导臂的第四射频信号相关；第二Y型波导用于接收来自第一波导臂的第三激光束、以及来自第二波导臂的第四激光束，并将第三激光束与第四激光束合成第一激光束。
进一步，可选地，第一Y型波导、第一波导臂、第二波导臂和第二Y型波导组成的结构可称为MZ调制器。
在一种可能的实现方式中，探测装置还包括射频模块；射频模块用于向第一波导臂输入第三射频信号，以及用于向第二波导臂输入第四射频信号。
在一种可能的实现方式中，第一波长选择模块包括至少一级环形波导；第一波长选择模块用于根据接收到的控制信号，得到第二激光束，控制信号对应第二激光束的波长。
进一步，可选地，第一波长选择模块用于允许所述对称边带信号中的第一边带信号通过、且阻止所述载波信号和除第一边带信号外的边带信号通过，得到第二激光束。
通过第一波长选择模块，可以消除载波信号和对称边带信号导致的干扰，从而有助于防止多普勒频移与多目标之间的模糊。
在一种可能的实现方式中，第一波长选择模块包括布拉格光栅，布拉格光栅用于得到第二激光束。
布拉格光栅结构简单，制备工艺成熟，从而有助于简化探测装置的制造过程。
在一种可能的实现方式中，探测装置还包括第二波长选择模块；第二波长选择模块用于对针对第二激光束的第一回波信号进行放大，或者用于针对第二激光束的第一回波信号进行放大和过滤，得到放大后的第一边带信号。
通过有源的第二波长选择模块对第一回波信号进行处理，可进一步抑制对称边带信号造成的干扰，并提升测量信噪比，从而有助于增加探测装置的测量距离。
在一种可能的实现方式中，第二波长选择模块包括非线性波导。
由于非线性波导的非线性效应，能量传递效率较高，因此，非线性波导作为第二波长选择模块，有助于提高探测装置的测量距离。
在一种可能的实现方式中，非线性波导用于通过接收到的泵浦光放大第一边带信号，泵浦光的传播方向与第一边带信号的传播方向相反，泵浦光的频率与第一边带信号的频率的差值满足预设范围。
在一种可能的实现方式中，连续激光束的线宽范围大于0且不大于3兆赫兹。
在一种可能的实现方式中，光源模块包括半导体激光器。
半导体激光器可获得窄线宽特性和长相干长度特性，半导体激光器作为探测装置的光源模块，有助于探测装置在长距离测量下实现高精度。
在一种可能的实现方式中，探测装置还包括光放大模块，用于放大来自第一波长选择模块的第二激光束。
通过光放大模块放大第二激光束，有助于提高探测装置的测量距离。
在一种可能的实现方式中，探测装置还包括光电检测模块，用于将第一边带信号或者放大后的第一边带信号转换为第一电信号。
在一种可能的实现方式中，探测装置还包括处理模块，用于根据接收到的第一电信号，确定目标的关联信息。
第二方面，本申请提供一种激光雷达，该激光雷达可包括上述第一方面或第一方面中的任意一种探测装置。
进一步，可选地，激光雷达还包括处理器，该处理器可用于根据第一边带信号，确定目标的信息。
在一种可能的实现方式中，激光雷达可以为基于FMCW方式的激光雷达。
第三方面，本申请提供一种芯片，该芯片包括上述第一方面或第一方面中的任意一种探测装置。
基于该芯片，探测装置集成于一个芯片上，从而可保证探测装置具有较高的集成度。进一步的效果分析可参见前述第一方面的有益效果分描述。
第四方面，本申请提供一种终端设备，该终端设备包括上述第一方面或第一方面中的任意一种探测装置。
上述第二方面至第四方面中任一方面可以达到的技术效果可以参照上述第一方面中有益效果的描述，此处不再重复赘述。
附图说明
图1为本申请提供的一种半高全宽的示意图；
图2a为本申请提供的一种基于FMCW方式的激光雷达的调频原理示意图；
图2b为本申请提供的一种受激布里渊散射效应的原理示意图；
图2c为本申请提供的一种受激布里渊散射效应的原理示意图；
图3a为本申请提供的一种激光雷达的应用场景示意图；
图3b为本申请提供的另一种激光雷达的应用场景示意图；
图4为本申请提供的一种激光雷达的结构示意图；
图5a为本申请提供的一种光源模块的结构示意图；
图5b为本申请提供的另一种光源模块的结构示意图；
图6a为本申请提供的一种调制器的理想响应曲线与实际响应曲线的关系示意图；
图6b为本申请提供的一种硅基微环调制器的结构示意图；
图6c为本申请提供的一种硅基微环调制器的掺杂分布的结构示意图；
图6d为本申请提供的另一种硅基微环调制器示意图；
图7a为本申请提供的一种施加于硅基微环调制器上的电压与硅基微环调制器的吸收峰的波长之间的关系示意图；
图7b为本申请提供的一种硅基微环调制器调制光强度的原理示意图；
图8a为本申请提供的一种MZ调制器的结构示意图；
图9a为本申请提供的一种级联的环形波导的结构示意图；
图9b为本申请提供的一种布拉格光栅的结构示意图；
图10a为申请提供的一种扫描器的结构示意图；
图10b为申请提供的另一种扫描器的结构示意图；
图11为本申请提供的另一种激光雷达结构示意图；
图12为本申请提供的一种第二波长选择模块的结构示意图；
图13a为本申请提供的一种光放大器的结构示意图；
图13b为本申请提供的一种光放大器与硅基直波导的连接关系示意图；
图14为本申请提供的一种偏振分束器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例进行详细描述。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明。需要说明的是，这些解释是为了便于本领域技术人员理解，并不是对本申请所要求的保护范围构成限定。
一、激光线宽
激光线宽是指激光器发射的光谱的半高全宽(或称为半高宽)，即光谱中达到峰值一半高度时对应的两个频率中间的宽度，可参阅图1所示半高全宽。
二、双边带信号
一个调幅信号，由载波信号和两个移频后的调制信号构成，两个移频后的调制信号分别在载波信号的两侧。其中，载波信号的频率未被调制，与输入信号的频率一致；移频后的调制信号中频率较高的信号称为正边带信号(或称为上边带信号)，即正边带信号的频率与输入信号的频率相比有一定的正移频，频移量等于输入信号的频率；移频后的调制信号中频率较低的信号称为负边带信号(或称为下边带信号)，即负边带信号的频率与输入信号的频率相比有一定的负频移，频移量也等于输入信号的频率。应理解，只有一个边带信号也可称为单边带(single side band，SSB)信号。
三、相干长度
相干长度表示的是相干波(例如电磁波)保持一定的相干度进行传播的距离。换言之，相干长度用来量化时间相干度，是表征相干度显著减小的传播距离(或传播时间)。当相互干涉的波的路径之间的差距小于相干长度时，干涉现象明显。相干长度越大，相干时间越长，光源的时间相干性越好。示例性地，相干长度等于相干时间乘以真空中的光速。
其中，相干波是指频率相同，振动方向相同，相位差恒定的两列波，在重叠处两列简谐波所引起的质点的简谐运动具有相同的频率，相同的振动方向。
四、相位噪声
相位噪声是激光器的噪声中一种，会导致激光器输出有限的线宽。单频激光器输出的并不是严格的单色光，还存在相位噪声，这导致激光器输出具有限的线宽。相位噪声可体现为连续频移，或者相位跳变，或者二者的结合。
五、消光比
消光比是指激光器在发射全“1”码时的光功率P1与发射全“0”码时的光功率P0之比。理论上发射机在传送数字信号过程中，发“0”码时应无光功率输出。但实际的发射机由于光源器件本身的问题或是直流偏置选择不当，致使发“0”码时也有微弱的光输出。这种情况将导致接收机灵敏度下降，消光比就是描述发射机这种性能的指标。
发射机的消光比将直接影响接收机的灵敏度，为了不使接收机的灵敏度明显下降，消光比一般应大于10分贝(dB)。当激光器作为发射机，如果激光器的偏置电流过大，会使消光比恶化从而降低接收机的灵敏度。
六、预加重
预加重也称为预失真，是一种在发送端对输入信号高频分量进行补偿的信号处理方式。随着信号速率的增加，信号在传输过程中受损很大，为了在接收端能得到比较好的信号波形，就需要对受损的信号进行补偿，预加重技术的关键就是在传输线的始端增强信号的高频成分，以补偿高频分量在传输过程中的过大衰减。而预加重对噪声并没有影响，因此有效地提高了输出信噪比。
简单来说，预加重的原理是：若输入准确的电信号，则会输出失真的光信号。因此，对电信号进行预先补偿，输入失真的电信号，从而获得准确的光信号。
七、滚降速度
理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或衰减，并且在通带外所有频率都被完全衰减掉。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的带通外有一个被衰减但没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象。
滚降速率是指滤波器通带外响应幅度与响应频率对应关系的斜率。
八、片上系统(system-on-a-chip，SoC)
片上系统指的是在单个芯片上集成一个完整的系统。
九、外调制
外调制是指在激光束形成后，再在激光束上加载调制信号，使调制器的某些物理特性(如振幅、频率、相位)发生相应的变化，当信号光通过时会使得信号光的某些参量得到调制，从而可实现调幅、调频、调相、强度调制和脉冲调制等。
十、扫频
扫频是指信号在一个频段内，频率由高到低(或由低到高)连续变化的过程。
十一、Q值
Q值是指氮化硅微环存储的总能量与每传播一圈所损失能量的比值。Q值反应了光子在氮化硅微环中的寿命。Q值越大，光子的寿命越长。
前文介绍了本申请所涉及到的一些用语，下面介绍本申请涉及的技术特征。需要说明的是，这些解释是为了便于本领域技术人员理解，并不是对本申请所要求的保护范围构成限定。
基于FMCW方式的激光雷达向目标发射一列连续调频连续毫米波，发射信号的频率在时域中按调制电压的规律变化。基于FMCW方式的激光雷达发射的发射信号采用的是频率调制，常用的调制信号包括正弦波信号、锯齿波信号和三角波信号等。如图2a所示，为本申请提供的一种基于FMCW方式的激光雷达的调频原理示意图。图2a是以调制信号为三角波信号、扫频周期(或称为调制周期或一次扫频时长)T、扫频带宽B、频率调制速率Kr1示例的。需要说明的是，基于FMCW方式的激光雷达也可称为FMCW激光雷达。
在同一介质中对向传播的光束之间会因电致伸缩效应而发生能量的转移，这一效应称为受激布里渊散射效应。能量的转移效率由两束光之间的频率差和介质的物理特性(如材料、长度等)决定，且能量是从高频光向低频光转移。如图2b所示，为本申请提供的一种受激布里渊散射效应的原理示意图。该示例中，以信号光A、信号光B和泵浦光为例，信号光A和信号光B均与泵浦光的在同一介质中的传播方向相对，如信号光A和信号光B的传播方向均为从左向右，泵浦光的传播方向为从右向左，在介质中发生受激布里渊散射效应，信号光B将大量的能量转移至泵浦光，泵浦光将大量的能量转移至信号光A，其中，信号光B的频率大于泵浦光的频率，泵浦光的频率大于信号光A的频率，且信号光B的频率与泵浦光的频率的差值满足预设范围，泵浦光的频率与信号光A的频率的差值满足预设范围。示例性地，预设范围可为大于0且不大于阈值。
增益区和耗散区宽度可达数十兆赫兹(MHz)，可参见图2c。因此，增益频率范围只有数十MHz，而FMCW激光雷达的扫频范围会达到吉赫兹(GHz)，因此，需要通过短脉冲或者多频率调制泵浦光以将增益区宽度扩展，可将增益区范围扩展到GHz量级(可达约5GHz)，从而可保证能对整个扫频范围的回波信号都产生增益。
在下文场景介绍中，以激光雷达为例进行说明。也就是说，下文中的激光雷达可以用探测装置替换。
基于上述内容，如图3a所示，为本申请提供的一种激光雷达的应用场景示意图。该激光雷达以一定方向发射激光束，若在沿激光束的发射方向的一定距离内存在目标，目标可将接收到的激光束反射回激光雷达(称为回波信号)，激光雷达根据回波信号可确定出目标的关联信息，例如与目标的距离、目标的移动速度、目标的姿态或点云图等。应理解，该示例中是以部署于车辆前端的激光雷达示例的，该激光雷达可感知到如虚线框所示的扇形区域，该扇形区域可称为激光雷达的探测区域。
该应用场景例如可以为无人驾驶、自动驾驶、辅助驾驶、智能驾驶、网联车等；在该场景中，激光雷达可被安装在车辆(例如无人车、智能车、电动车、数字汽车等)上，作为车载激光雷达(如车载FMCW激光雷达)。车载激光雷达可以实时或周期性地获取探测到的到车辆的经纬度、速度、朝向、周围物体的距离等测量信息，再根据这些测量信息并结合高级驾驶辅助系统(advanced driving assistant system，ADAS)实现车辆的辅助驾驶或无人驾驶。例如，利用经纬度确定车辆的位置，或利用速度和朝向确定车辆在未来一段时间的行驶方向和目的，或利用周围物体的距离确定车辆周围的障碍物数量、密度等。车载激光雷达还可以实现测绘功能等。或者，激光雷达也可被安装在无人机上，作为机载激光雷达(如机载FMCW激光雷达)等。或者，激光雷达也可以安装在路边交通设备(如路侧单元(road sideunit，RSU))上，作为路边交通激光雷达，可参见图3b，从而可实现智能车路协同。
需要说明的是，如上应用场景只是举例，本申请所提供的激光雷达还可以应用在多种其它场景下，而不限于上述示例出的场景。例如，激光雷达还可应用于终端设备或设置于终端设备的部件中，终端设备例如可以是智能手机、智能家居设备、智能制造设备、机器人、无人机或智能运输设备(如自动导引运输车(automated guided vehicle，AGV)或者无人运输车等)等。另外，激光雷达也可以设置与车的两侧或者车尾等位置，本申请对此不做限定。
随着激光雷达的广泛应用，对激光雷达的小型化提出了更高的要求；而且，激光雷达在测量目标的关联信息时，为了提高获得目标的关联信息的精确性，需要激光雷达的具有较高的测距精度及较大的测距范围。
鉴于此，本申请提出一种探测装置。该探测装置可以实现小型化，且具有较高的测距精度和较大的测距范围。
下面结合附图4至附图14，对本申请提出的探测装置进行具体阐述。
基于上述内容，如图4所示，为本申请提供的一种探测装置的结构示意图。该探测装置可包括光源模块401、调制模块402、第一波长选择模块403和光收发模块404。其中，所述光源模块401用于发射连续激光束。所述调制模块402用于调制来自所述光源模块的所述连续激光束，得到包括载波信号和对称边带信号第一激光束。也可以理解为，第一激光束携带三部分信号，即载波信号和两个边带信号。所述第一波长选择模块403用于允许所述对称边带信号中的至少一个边带信号通过、且阻止所述载波信号通过，得到第二激光束。也可以理解为，第一波长选择模块403用于允许两个边带信号均通过且阻止载波信号通过，或者用于允许两个边带信号中的其中一个通过且阻止载波信号通过。所述光收发模块404用于向探测区域发射所述第二激光束，以及用于接收针对所述第二激光束的第一回波信号，其中，所述第一回波信号包括所述至少一个边带信号，所述第一回波信号中包括的所述至少一个边带信号中的第一边带信号用于探测目标。需要说明的是，若第二激光束包括两个边带信号，则第一回波信号也包括两个边带信号；若第二激光束包括一个边带信号，则第一回波信号也包括一个边带信号。
基于上述探测装置，通过将光源模块发射的连续激光束的调制和波长选择结合，以实现对探测区域的探测，有助于降低探测装置的系统复杂度，从而有助于探测装置体积的小型化。而且，该探测装置中的调制模块采用外部调制方式，可解耦调制模块与光源模块，因此，光源模块不需要进行高速直接调制，可以充分优化发射窄线宽的性能，从而有助于提高探测装置的测距精度。
需要说明的是，本申请中的对称边带信号是指一阶对称边带信号。
在一种可能的实现方式中，光源模块401、调制模块402、第一波长选择模块403和光收发模块404可以集成于同一芯片，从而可使得该探测装置具有较高的集成度，从而有助于减小该探测装置的体积。
进一步，可选地，光源模块401、调制模块402、第一波长选择模块403和光收发模块404均需要与硅基波导具有良好的兼容性，以便于实现集成于同一芯片。而且，不同模块之间可通过硅基波导相互连接，有助于避免引入不必要的耦合损耗，从而可提高探测装置的性能。
下面对图4所示的各个功能模块分别进行介绍说明，以给出示例性的具体实现方案。为方便说明，下文中的光源模块、调制模块、第一波长选择模块、光收发模块和处理模块均未加标识。
一、光源模块
在一种可能的实现方式中，光源模块可用于发射窄线宽的连续激光束。示例性地，连续激光束的线宽范围大于0且不大于3兆赫兹(MHz)，进一步，连续激光束的线宽范围大于0且不大于100千赫兹(kHz)。进一步，可选地，该连续激光束为单频连续激光束。
在一种可能的实现方式中，窄线宽的单频连续激光束可为1550纳米(nm)波段范围的光，或者也可以为905nm波段范围的光，或者也可以为940nm波段范围的光。
由于探测装置测距时需要对回波信号和参考信号进行相干探测，因此，需要选择相干性好的光源模块。换言之，光源模块需要具有较长的相干长度。例如，相干长度不小于50米，进一步，相干长度不小于100米。应理解，光源模块的相干长度与线宽之间存在一定的关系，例如，相干长度不小于50米，对应的线宽约不大于3MHz；再比如，相干长度不小于100米，线宽约不大于1.5MHZ。
通过发射窄线宽的连续激光束的光源模块，有助于降低光源模块的相位噪声对测距精度的干扰，从而助于提高长距离测量时的测距精度。而且，连续激光束的线宽越窄，连续激光束的相干长度越长。为了实现厘米级别的测距精度，光源模块发射的连续激光束的相干长度需大于测距量程(即最远测距范围)的10倍左右。
在一种可能的实现方式中，光源模块输出的光功率通常大于1mW，对应的相对强度波动小于-30dB。为了尽可能的避免相干探测对信噪比产生影响，光源模块输出的光功率、以及发射的连续激光束的中心频率(或称为中心波长)需要较稳定。结合上述图2a，在扫频周期T内，光源模块发射的连续激光束的中心频率的波动应小于扫频非线性度(可用于表征实际扫频与理想线性扫频的差异)和连续激光束的线宽。可选地，光源模块的发射的连续激光束的光的功率的波动需要足够小，例如1％。
进一步，可选地，由于激光束的中心频率受激光器的温度等影响，为了尽可能避免对测距结果的影响，激光器的频率漂移小于100MHz/s。
在一种可能的实现方式中，光源模块可以为激光器。激光器例如可以是半导体激光器、也可以是光纤激光器。其中，半导体激光器的材料可为III/V族材料。如图5a或图5b所示(图5b为图5a的简化示意图)，为本申请提供的一种光源模块的结构示意图。该光源模块以III/V族材料的半导体激光器为例示例的。该激光器可包括III/V族材料的反射式半导体光放大器和位于硅基光子芯片上的氮化硅微环。其中，III/V族材料的反射式半导体光放大器的一端与硅基光子芯片粘合，另一端为反射面(例如与III/V族材料的反射式半导体光放大器的粘合的反射镜)。应理解，III/V族材料的反射式半导体光放大器可作为激光器的增益介质，III/V族材料的反射式半导体光放大器的反射面与氮化硅微环形成激光器的光学谐振腔，该光学谐振腔可以用于选择特定波长，选择出的特定波长的光即为激光器输出的连续激光束的波长。由于氮化硅微环具有极小的体积和极低的插入损耗，因此Q值(qualityfactor)可达10^7量级，故该光源模块可获得窄线宽特性和长相干长度特性，该激光器作为探测装置的光源模块，可以在长距离测量下实现高的测距精度。
结合上述图5a或图5b，硅基光子芯片与III/V族材料的反射式半导体光放大器可通过如下两种方式集成。
方式1，晶片键合。
具体地，在硅基衬底上直接进行III/V族材料的反射式半导体光放大器键合。
方式2，耦合。
可以在光刻制造硅基光子芯片时为III/V族材料的反射式半导体光放大器预留出端口，之后将III/V族材料的反射式半导体光放大器与硅基光子芯片上预留的端口接合，以实现III/V族材料的反射式半导体光放大器与硅基光子芯片耦合。
需要说明的是，光源模块也可以是分布式反馈(distributed feedback，DFB)激光器或分布式布拉格反射(distributed Bragg reflector，DBR)激光器。DFB激光器或DBR激光器便于集成，且发射的连续激光束的线宽可达数百kHz量级。应理解，由于该光源模块发射的窄线宽的连续激光束没有扫频，因此，该光源模块也可称为种子光源。
还需要说明的是，光源模块发射的窄线宽的连续激光束即为调制模块的入射光。也就是说，下文中调制模块中的入射光是指光源模块发射的窄线宽的连续激光束。
二、调制模块
在一种可能的实现方式中，调制模块可用于调制来自光源模块的连续激光束，得到包括载波信号和对称边带信号的第一激光束。进一步，可选地，调制模块可用于对接收到的连续激光束的光强度进行调制，得到第一激光束。
在一种可能的实现方式中，调制模块需要满足以下三个特性，以实现对来自光源模块的连续激光束的调制，得到第一激光束。
特性1.1，调制模块可以对接收到的连接激光束实现高频率、大频率范围的调制。
在一种可能的实现方式中，调制模块可根据接收到的射频信号(radiofrequency，RF)的瞬时幅值对接收到的连接激光束的光强度进行调节。其中，射频信号的瞬时幅值即为施加于调制模块的电压。示例性地，当射频信号的瞬时幅值达到5V时，调制模块的消光比大于7dB。应理解，由于调制模块是根据射频信号对窄线宽的连续激光束进行的调制，因此，射频信号也可称为调制信号。
由于射频信号可能不是理想的正弦函数，因此，经调制模块调制后得到的第一激光束中可能会存在高阶边带信号。为了尽可能的避免高阶边带信号具有过高的功率，对测量结果造成干扰，因此，通常需要射频信号的瞬时幅值和入射光的功率函数需保持良好的单调性和一定的线性度。
进一步，可选地，调制带宽不小于4GHz。如此，有助于产生具有足够大的扫频范围的第二激光束，从而可以使得探测装置具有较高的测距精度。应理解，第二激光束的扫频范围受限于调制带宽，探测装置的测距精度取决于第二激光束的扫频范围。
特性1.2，调制模块可以产生对称的一阶边带信号。
由于对称边带信号相对于载波信号的频移等于接收到的射频信号的频率的整数倍，因此，可通过改变射频信号的频率，控制边带的中心频率，从而实现扫频。应理解，调制模块也可能会产生高阶边带信号。
特性1.3，调制模块不改变光源模块发射的窄线宽的连续激光束的中心频率。
在一种可能的实现方式中，光源模块与调制模块相互分离，换言之，调制模块对光源模块发射的连续激光束采用的是外部调制的方式。具体地，调制模块是通过产生边带信号实现扫频，不需要改变光源模块发射的连续激光束的中心频率。通过这种外部调制的方式，可以有效保证光源模块发射的连续激光束的窄线宽特性，且光源模块不需要改变发射的连续激光束的中心频率，不需要改变发射的连续激光束的中心频率的光源模块的制备工艺简单。应理解，改变激光器发射的激光束的中心频率通常是需要改变激光器的谐振腔的特性(例如改变谐振腔的腔长)，改变激光器的谐振腔的特性可能会导致激光器发射的激光束的线宽变宽，而且，当激光器的谐振腔的腔长可调谐时，对应的激光器的制备工艺要求较高。
在一种可能的实现方式中，调制模块的插入损耗小于1.5dB，调制模块的额外损耗小于2dB。其中，调制模块额外损耗可参见图6a所示的调制器的理想响应曲线与实际响应曲线的关系示意图。
基于调制模块的上述特性，如下，示例性的示出了调制模块的两种可能的结构。
结构一，调制模块包括硅基微环调制器(silicon microring modulator)。
在一种可能的实现方式中，硅基微环调制器可利用于晶体的光电效应实现调制来自光源模块的连续激光束，得到第一激光束。
请参阅图6b，为本申请提供的一种硅基微环调制器的结构示意图。该硅基微环调制器以可调谐硅基微环为例。该可调谐硅基微环包括相互耦合的一个直波导和一个环形波导(可称为all-pass型)，即在直波导紧邻处放置可调谐环形波导，可调谐环形波导形成谐振腔。也可以理解为，所述直波导和环形波导用于对所述连续激光束的强度进行调制。具体地，直波导用于传输来自所述光源模块的连续激光束，当连续激光束经过直波导与环形波导之间的耦合区域时，一部分连续激光束耦合进环形波导中，一部分连续激光束保留在直波导中继续传输。环形波导对耦合进环形波导中的连续激光束的光强度进行调制，经过一个周长的传播后，又来到直波导与环形波导之间的耦合区域，又会有部分连续激光束(即第一激光束)耦合进直波导中，部分连续激光束保留在环形波导中。直波导还用于向第一波长选择模块传播来自所述环形波导的所述第一激光束。也可以理解为，直波导中传播的来自光源模块的连接激光束中特定波长的光的被环形波导吸收(即损耗)，除特定波长外的光束从环形波导再次耦合进直波导中继续传播。
如图6c所示，为本申请提供的另一种硅基微环调制器的结构示意图。该硅基微环调制器以可调谐硅基微环为例。该可调谐硅基微环包括两个直波导和一个环形波导，两个直波导分别与环形波导相互耦合，可称为add-drop型。具体地，两个直波导分别用于传输来自所述光源模块的连续激光束，连续激光束输入到某一个直波导中时，当该连续激光束的波长与环形波导的谐振波长相同时，该连续激光束被高效率地耦合进环形波导之中，并从另一个直波导耦合出射。当该连续激光束的波长与环形波导的谐振波长不同时，该连续激光束的将直接由原直波导出射。当连续激光束包含多个波长成分时，与环形波导的谐振波长不同的波长成分将由原直波导中出射，与环形波导的谐振波长相同的成分则从另一个直波导中出射。也可以理解为，当连续激光束经过直波导与环形波导之间的耦合区域，满足共振条件的波长的光，会从滤除(drop)端口输出，其它波长的光从透射(through)端口输出，drop端口与through端口的光谱互补。
上述图6b或图6c中的直波导和环形波导的材料可以均为硅，环形波导的内外存在不同的掺杂(如P掺杂和N掺杂)，可参阅图6d。
下面对上述硅基微环调制器调制接收到的连续激光束的原理进行介绍。
由于硅基微环调制器中的环形波导相当于谐振腔，环形波导内外存在不同的掺杂。因此，可通过改变施加于环形波导的电压来改变环形波导的载流子浓度，从而可改变谐振腔的腔长，进而可实现对耦合进的连续激光束的光强度进行调制。换言之，施加于环形波导上的电压改变，环形波导形成的谐振腔的腔长会发生改变，环形波导允许通过或阻止通过的激光束的频率(或波长)就会发生变化。例如，当环形波导上不施加电压时，环形波导可阻止1550nm波长范围的光通过，允许1551nm波长范围的光通过；当在环形波导上施加1V电压时，允许1550nm波长范围的光通过，阻止1551nm波长范围的光通过。
在一种可能的实现方式中，探测装置还可包括射频模块。结合上述图6b或图6c，所述射频模块用于向上述环形波导输入第一射频信号，所述第一射频信号为线性调频信号，所述第一射频信号用于所述环形波导对所述连续激光束的强度进行调制。
示例性地，若第一射频信号用下述公式1表示，硅基微环调制器的透过率用下述公式2表示，入射光用下述公式3表示。应理解，硅基微环调制器的透过率是指从直波导出射的光与射入直波导的光的比值。
V(t)＝A0 cos(ωt) 公式1
T(V)＝1-F[V] 公式2
E(t)＝E0 exp[jω0t] 公式3
其中，V表示输入硅基微环调制器的第一射频信号的瞬时幅值，F[V]为硅基微环调制器的传递函数，该传递函数可以表示施加于硅基微环调制器的电压与硅基微环调制器的吸收峰的波长之间的关系。假设该传递函数具有较好的线性度，故其高阶导数可以忽略不计，根据泰勒公式，上述公式2表示的透过率可近似为用下述公式4表示。
Figure BDA0002947739940000111
其中，α是与硅基微环调制器的性能、第一射频信号的功率等因素有关的系数。
入射光(即来自光源模块的连续激光束)经过上述硅基微环调制器的调制后，得到的出射光(即第一激光束)可用下述公式5表示。
Eout(t)＝T(V)·E(t)＝[1-α·cos(ωt)]E0 exp[jω0t]
Figure BDA0002947739940000121
由上述公式5可知，来自光源模块的连续激光束经硅基微环调制器调制后，得到的第一激光束包括三部分信号，即载波信号和两个对称边带信号，其中，载波信号为(1-α)E(t)，上边带信号为
Figure BDA0002947739940000122
下边带信号为
Figure BDA0002947739940000123
其中，与载波信号相比，上边带信号相当于正频移第一射频信号的频率，下边带信号相当于负频移第一射频信号的频率。应理解，上边带信号和下边带信号均属于调频连续光，载波信号未被调制，因此，载波信号不能用于测距，属于无用信号。
基于上述硅基微环调制器，请参阅图7a，为本申请提供的一种施加于硅基微环调制器上的电压与硅基微环调制器的吸收峰的波长之间的关系示意图。由图7a可以看出，在特定电压范围内，输入硅基微环调制器的电压与吸收峰的波长之间具有较好的单调性，即硅基微环调制器对来自光源模块的连续激光束的吸收峰的波长会随着施加于硅基微环调制器的电压的改变而改变，从而可以实现光强度的调制，可参见图7b。硅基微环调制器的透射光谱用“V”形曲线表示，当施加于硅基微环调制器的第一射频信号为正弦曲线时，经硅基微环调制器调制后的第一激光束的光强度也为正弦曲线。
由于经硅基微环调制器调制后的信号可能还存在高阶边带信号，因此可以预先对待施加于硅基微环调制器的射频信号(即第二射频信号)进行预失真处理，以进一步提升一阶边带信号的质量，抑制不必要的噪声。
在一种可能的实现方式中，可采用多次迭代的方式对第二射频信号进行预失真处理。具体可包括如下步骤：
步骤a，射频模块产生第二射频信号：V0(t)＝A0 cos(πγt2)。
此处，第二射频信号为射频模块产生的初始射频信号。
步骤b，射频模块将该第二射频信号加载到调制模块，并监测输出的光功率：I＝B0(t)cos(πγt2)。
步骤c，提取包络B0(t)，计算归一化平坦度：
Figure BDA0002947739940000124
若平坦度大于平坦度阈值，则结束；若平坦度不大于平坦度阈值，则执行步骤d。
其中，平坦度阈值例如可以是10％。
步骤d，计算误差信号：
Figure BDA0002947739940000125
步骤e，用误差信号纠正第二射频信号，得到纠正后射频信号：Vk(t)＝Vk-1(t)·[1+p·err(t)]。
其中，p表示比例系数，P过大时算法将不收敛，过小则收敛慢。通过控制比例系数p，多次迭代后该算法将收敛，由调制模块输出的第一激光束的强度波动可以被显著抑制。
步骤f，将纠正后的射频信号Vk(t)输入调制模块，重复步骤b，直至平坦度大于平坦度阈值。
应理解，第一射频信号为纠正后的射频信号(例如单次预失真处理后得到的射频信号)。进一步，可选地，第一射频信号为纠正后的且平坦度大于平坦度阈值的射频信号。若射频模块产生的第二射频信号加载到调制模块后，确定出的平坦度大于平坦度阈值，则第一射频信号即为射频模块产生的第二射频信号，此时，第一射频信号与第二射频信号相同。
需要说明的是，上述步骤c至步骤e可以是处理模块执行的。
此外，若使用的硅基微环调制器的传递函数线性度较差，也可以利用上述预失真方法对其进行校正，即以单频正弦函数作为调制模块的输入，计算输出的光功率与期望光功率之间的差，以此作为误差信号对输入的射频信号进行纠正，多次迭代。
通过对射频信号进行预失真处理，可以有效改善由于调制模块线性度和频响平坦度不足所引起的噪声，从而可有效提升探测装置的性能。
需要说明的是，预失真算法除了上述给出的算法，还可以通过多音信号对硅基微环调制器的传递函数进行测试，根据其传递函数测试结果，对产生的第二射频信号进行预加重。具体的，对其高频部分幅度进行提升，对其低频部分幅度进行选择性调整，以消除由硅基微环调制器的传递函数引入的强度调制效应。同时，根据传递函数，在时域上对射频信号进行加窗，可以有效消除探测装置的旁瓣，降低误检、漏检率。或者预失真算法也可以是针对非线性的响应，先测量系统时域响应函数，通过计算其反函数对信号进行预失真处理。
结构二，调制模块包括硅基马赫-增德尔(Mach-Zehnder modulator，MZ)调制器。
如图8a所示，为本申请提供的一种MZ调制器的结构示意图。该MZ调制器可包括第一Y型波导、第一波导臂、第二波导臂和第二Y型波导。第一Y型波导用于将来自所述光源模块的所述连续激光束分为两束，并分别传播至所述第一波导臂和所述第二波导臂。所述第一波导臂用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第三激光束。所述第二波导臂用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第四激光束。所述第二Y型波导用于接收来自所述第一波导臂的所述第三激光束、以及来自所述第二波导臂的所述第四激光束，并将所述第三激光束与所述第四激光束合成所述第一激光束。其中，所述第三激光束的相位与输入所述第一波导臂的第三射频信号相关，所述第四激光束的相位与输入所述第二波导臂的第四射频信号相关。
示例性地，来自光源模块的连续激光束传播至第一Y型波导，经第一Y型波导分为连续激光束A和连续激光束B，连续激光束A传播至所述第一波导臂，连续激光束B传播至所述第二波导臂，第一波导臂对连续激光束A的强度进行调制，得到第三激光束，所述第二波导臂对连续激光束B的强度进行调制，得到第四激光束，第三激光束和第四激光束均传播至第二Y型波导，第二Y型波导将第三激光束和第四激光束合成第一激光束。需要说明的是，连续激光束A和连续激光束B的强度相同。
下面对MZ调制器调制接收到的连续激光束的原理进行介绍。
应理解，一束入射光通过一段传输光路后被分为两个相同的分支光束并行传输，当两个分支光束再次汇合时，由于满足光的干涉原理，汇合后可产生相位差。具体地，当两个分支光束的相位差为2kπ(k为整数)时，两个分支光束的光强度进行叠加；当两个分支光束的相位差不是2kπ时，两个分支光束的光强相互抵消。
在一种可能的实现方式中，MZ调制器中的第一波导臂、第二波导臂是由电光材料制成的，第一波导臂中可注入N型掺杂，第二波导臂可注入P型掺杂；或者，第一波导臂可注入P型掺杂，第二波导臂可注入N型掺杂。基于此，第一波导臂和第二波导臂可形成PN结，通过改变施加于PN结的射频信号的瞬时幅值，可改变第一波导臂和第二波导臂中载流子浓度，从而可改变两个波导臂的等效折射率，进而可在MZ调制器的第一波导臂和第二波导臂引入可调节的相位差。也可以理解为，可通过改变施加于第一波导臂和第二波导臂的电压，以实现调节在第一波导臂中传输的第三激光束和在第二波导臂中传输的第四激光束之间的相位差，从而可实现对第二Y型波导输出的第一激光束的光强度的调制。示例性地，若第三激光束与第四激光束的相位差为0，则由第三激光束与所述第四激光束合成所述第一激光束的光功率达到最大值；若第三激光束与第四激光束的相位差为π，则由第三激光束与所述第四激光束合成所述第一激光束的光功率达到最小值。
在一种可能的实现方式中，探测装置还可包括射频模块，该射频模块可向所述第一波导臂输入所述第三射频信号，以及向所述第二波导臂输入所述第四射频信号。第一波导臂输出的第三激光束的相位可由第三射频信号决定，第二波导臂输出的第四激光束的相位可由第四射频信号决定。
需要说明的是，当调制模块为MZ调制器时，也可以基于上述类似的过程对射频信号进行预失真处理，此处不再重复赘述。
基于上述内容可以看出，调制模块输出的第一激光束的扫频信号可由输入调制模块的射频信号直接控制。若射频信号为一个调频连续扫频信号，则增加的两个对称频率分量的边带信号也为调频连续扫频光。因此，可通过控制射频信号为高线性扫频，则产生的两个对称边带信号也为高线性度的扫频光，从而有助于提高该探测装置的扫频线性度，进而可提高探测装置的测距范围和测距精度。
三、第一波长选择模块
在一种可能的实现方式中，第一波长选择模块用于允许第一激光束中的所述对称边带信号中的至少一个边带信号通过、且阻止所述载波信号通过，得到第二激光束。
进一步，可选地，第一波长选择模块可在包括载波信号和对称边带信号中选择出上边带信号或者下边带信号作为FMCW(或称为单边带调频连续光)；即第一波长选择模块可阻止载波信号和对称边带信号中的一个边带信号通过，允许另一个边带信号(即第一边带信号)通过。如此，可以消除对称边带对测距结果造成不必要的干扰。应理解，对称边带信号在测距时会造成多普勒频移与多目标频移之间的模糊，从而导致测距误差。
在一种可能的实现方式中，第一波长选择模块需要满足以下三个特性，以得到第二激光束。
特性2.1，第一波长选择模块对不同波长范围的入射光的传输特性不同。
也可以理解为，第一波长选择模块可以使特定波长范围的入射光以较小损耗或无损耗的通过，除特定波长范围外的其它波长范围的入射光带有较大损耗或者无法通过，即第一波长选择模块的通带损耗小，阻带的损耗大，从而实现了波长选择。换言之，第一波长选择模块用于对不需要的频率进行抑制，并允许需要的频率通过。本申请中，第二激光束的波长范围即为特定波长范围，第二激光束的频率即为需要的频率。
示例性地，第一波长选择模块对允许通过(或称为选通)的波长的损耗小于3dB，对阻止通过(或称为抑制)的波长的损耗大于15dB。例如，第一波长选择模块选通的波长为1550nm，抑制的波长为1551nm，当1550nm和1551nm波长的光分别输入第一波长选择模块时，第一波长选择模块对1550nm波长的光损耗不大于3db，对1551nm波长的损耗大于15dB，从而可实现1550nm波长的光通过，1551nm波长的光被阻止通过。
特性2.2，第一波长选择模块可在一定范围内调谐选择的波长。
由于光源模块发射的激光束的中心频率受多重因素的干扰，难以保持绝对稳定；而且，改变边带信号的扫频范围，对应的边带信号的波长范围也会发生相应改变。因此，第一波长选择模块在波长选择时应能够根据需求给予相应的调整，例如，可调谐范围大于0.5nm，从而有助于提高探测装置测量距离的稳定性。
特性2.3，第一波长选择模块对不同的波长范围具有较大的区分度。
为了进一步提高探测装置的测距结果的精确度，第一波长选择模块需要具有较高的波长选择精度，即可以使原来幅度相等，波长接近的两束光经过第一波长选择模块后，可使得两束光的幅度存在较大的差异。示例性地，波长选择的区分度(或称为精度)例如可为0.1nm。
基于第一波长选择模块的上述特性，如下，示例性地的示出了两种可能的第一波长选择模块的结构。
结构1，第一波长选择模块包括至少一级环形波导。
也可以理解为，第一波长选择模块也可以是一级环形波导，或者也可以是级联的环形波导(或称为多阶环形波导)。需要说明的是，滚降速度与级联的环形波导的个数有关，级联的环形波导的数量越多，滚降速度也大。示例性地，使用两级环形波导，滚降速度可达到12dB/GHz。
如图9a所示，为本申请提供的一种级联的环形波导的结构示意图。该级联的环形波导的结构以两级为例。该级联的环形波导的一侧输入(input)端口可与硅基直波导(该硅基直波导可用于连接第一波长选择模块与调制模块)相切，另一侧与另外的硅基直波导(该硅基直波导可用于连接第一波长选择模块与分光模块)相切。该级联的环形波导可将来自硅基直波导中的特定波长范围的入射光吸收并耦合至另一侧对称的硅基直波导中，以实现选择出的特定波长范围的光(即第二激光束)由drop端口输出至光收发模块，除特定波长范围外的其余波长范围的光由through端口输出。
示例性地，该级联的环形波导选通的波长为1550nm，阻止通过的波长为1551nm，当1550nm和1551nm的波长分别从input端口输入级联的环形波导时，1550nm波长的光由drop端口输出至光收发模块，1551nm波长的光由through端口输出。
在一种可能的实现方式中，该所述第一波长选择模块用于根据接收到的控制信号，得到所述第二激光束，所述控制信号对应所述第二激光束的波长。结合上述图9a，可通过接收到的控制信号，控制每级环形波导对应的加热器的电压，以调节级联的环形波导的谐振波长(或称为谐振频率)，从而可控制级联的环形波导所允许通过和阻止通过的光信号的波长范围。
在一种可能的实现方式中，每级环形波导对应的加热器可位于对应的环形波导上层或下层或其它任意附近的位置。进一步，可选地，在批量产生第一波长选择模块时可控制环形波导的Q值来控制选择的波长范围的带宽，带宽最窄可达1GHz。
在另一种可能的实现方式，可控制施加于级联的环形波导中每级环形波导的射频信号，以实现控制级联的环形波导所选择的波长范围。
由于级联的环形波导输出的光的波长受温度的影响，为了防止阻止通过的波长与允许通过的波长均从同一个端口输出，在一种可能的实现方式中，可通过监控drop端口和through端口输出的光信号的光功率，并向处理模块反馈监测到的光功率信息，处理模块可根据接收到的光功率信息控制加热器的温度，从而可调节级联的环形波导的谐振波长，以实现从drop端口和through端口输出的光功率比为1:1。如此，有助于避免级联的环形波导和所需的边带之间的失配。
需要说明的是，作为第一波长选择模块的环形波导可以与上述组成硅基微环调制器的环形波导相同，也可以不相同，例如作为第一波长选择模块的环形波导可以不掺杂。
结构2，第一波长选择模块包括布拉格光栅。
在一种可能的实现方式中，所述布拉格光栅用于得到所述第二激光束。如图9b所示，为本申请提供的一种布拉格光栅的结构示意图。布拉格光栅是一种呈现周期性结构变化或周期性折射率变化的微纳光学器件，可对入射光的振幅和/或相位进行周期性空间调制。该过程可由布拉格光栅的衍射方程(公式6)描述，不同的衍射角对应着特定的衍射级数。
sinθi-sinθm＝mλ/d 公式6
其中，θi为入射角，θm为衍射级数为m的衍射角，λ为入射光的波长，d为光栅周期(或称为光栅常数)。
在一种可能的实现方式中，可通过控制施加于布拉格光栅的温度，使得布拉格光栅实现热胀冷缩，从而可改变光栅周期d，使得布拉格光栅能够对对称边带信号中的至少一个边带信号有较强的衍射效率，对其它波长的信号衍射效率较弱，进而可使得布拉格光栅得到第二激光束。
在一种可能的实现方式中，第一波长选择模块可以为无源器件。
四、光收发模块
在一种可能实现方式中，光收发模块包括扫描模块，扫描模块可用于在不同的扫描角度下，分别向所述探测区域发射所述第二激光束。
进一步，可选地，扫描模块可以为扫描器，例如反射式扫描器。反射式扫描器包括但不限于机械旋转镜或微机电系统(micro electro-mechanical system，MEMS)反射镜。反射式扫描器是通过机械转动来改变扫描角度，从而实现扫描器在不同的方向上对探测区域进行扫描。可选地，扫描器可以是连续运转模式，也可以是步进运转模式，本申请对此不做限定。
示例性地，探测装置可预设多个扫描角度，光收发模块可以在多个不同的扫描角度的每个扫描角度下分别向探测区发射第二激光束。如图10a所示，为本申请提供的一种扫描器的结构示意图。该扫描器可以在二维方向(水平方向和垂直方向)上变换扫描角度，变换扫描角度也可理解为使得扫描器处于不同的扫描角度下。进一步，可选地，可以是处理模块控制扫描器在二维方向上旋转，使扫描器处于不同扫描角度，并分别向探测区域发射第二激光束。例如，处理模块可控制扫描器先水平方向旋转后垂直方向旋转，或者先垂直方向旋转后水平方向旋转，或者垂直方向和水平方向一起旋转，或者水平方向和垂直方向交替旋转等，从而实现对探测区域的扫描。
如图10b所示，为本申请提供的另一种扫描器的结构示意图。该扫描器可以在一维方向(水平方向)上变换扫描角度，使得扫描器处于不同的扫描角度下。通过一维扫描器，可进一步简化探测装置达的体积，且有助于简化处理模块控制扫描器的复杂度。
在另一种可能的实现方式中，光收发模块的功能也可通过光学相控阵(opticalphased array，OPA)来实现。OPA工作原理为：通过调节从各个相控单元(如光学移相器)辐射出的光波之间的相位关系，使其在设定方向上彼此同相，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束，而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件，干涉的结果彼此相抵消，因此，辐射强度接近于零。组成相控阵的各相控单元可在处理模块的控制下，可使一个高强度激光束或多个高强度激光束的按设计的指向实现扫描。
需要说明的是，光收发模块可具体分为发光发送单元和光接收单元，发光发送单元和光接收单元相互隔离，互不影响。
上述各实施例中的处理模块可以是探测装置包括的处理模块，或者也可以是探测装置应用于激光雷达时，激光雷达中的处理器；或者也可以是探测装置应用于终端设备时，终端设备中的处理器，或者也可以是探测装置应用于车辆时，车辆上的处理器等，本申请对此不做限定。
在一种可能的实现方式中，探测装置可包括光源模块、调制模块、第一波长选择模块和光收发模块。进一步，可选地，该探测装置还可包括射频模块、第二波长选择模块、光放大模块、分光模块和处理模块中至少一个。如图11所示，为本申请提供的另一种探测装置的结构示意图，该探测装置可包括光源模块、调制模块、第一波长选择模块、光收发模块、射频模块、第二波长选择模块、光放大模块、分光模块和光电检测模块。应理解，图11所示的探测装置的结构仅是一个示例，本申请中的探测装置可以具有比图11中所示探测装置更多的或者更少的模块。
此处，光源模块、调制模块、第一波长选择模块、光收发模块和射频模块可参见前述相关描述，此处不再重复赘述。下面对第二波长选择模块、光电检测模块、光放大模块和分光模块分别介绍。
五、第二波长选择模块
通常，探测装置射向探测区域的第二激光束的光功率受两个因素限制，一是人眼安全，二是光放大器的饱和功率。其中光放大器的饱和功率占主要因素，因此，通常将光功率限制在数十毫瓦(mW)左右。对于用于长距离测量的探测装置，这个光功率仍不能满足需求。一种可能解决方式是对回波信号提供一定的增益，以提升系统的信噪比，从而增大测量距离。同时，抑制(或阻止)除回波信号外的其它波长范围的光的干扰。基于此，该探测装置还可包括第二波长选择模块。
在一种可能的实现方式中，若第二激光束包括第一边带信号，所述第二波长选择模块用于对针对所述第二激光束的第一回波信号进行放大，得到放大后的第一边带信号；若第二激光束包括对称边带信号，则第二波长选择模块用于对针对第二激光束的第一回波信号进行放大和过滤，得到放大后的第一边带信号。换言之，第二波长选择模块用于对第一边带信号产生增益，并阻止除第一边带信号外的其它信号通过。
在一种可能的实现方式中，第二波长选择模块需满足以下三个特性，以实现得到放大后的第一边带信号。
特性3.1，第二波长选择模块可以对特定波长范围的微弱的回波信号提供增益，对除特定波长范围外的信号进行抑制。
也可以理解为，第二波长选择模块对某些波长范围的光可以产生增益，对除该波长范围之外的光有较大的损耗或全部损耗。该第二波长选择模块为有源器件。
示例性地，增益波长带宽约为1GHz，抑制波长带宽约为1GHz，带内增益或带内抑制大于5dB。
特性3.2，第二波长选择模块不能引入较高的放大自发辐射(amplifiedspontaneous emission，ASE)噪声。
由于回波信号的功率比较微弱，因此，第二波长选择模块在为回波信号提供增益时不能引入过高的ASE噪声。例如，引入的ASE噪声小于-60dB，否则信噪比会受到干扰，从而会减小探测装置的测距范围。
基于第二波长选择模块的特性，第二波长选择模块可以是基于受激布里渊散射效应的非线性波导。也就是说，受激布里渊散射效应的介质为非线性波导。
在一种可能的实现方式中，所述非线性波导用于通过接收到的泵浦光放大所述第一边带信号，所述泵浦光的传播方向与所述第一边带信号的传播方向相反，所述泵浦光的频率与所述第一边带信号的频率的差值满足预设范围。
结合上述图2b所示的受激布里渊散射效应的原理，可以设计泵浦光的频率、非线性波导的材料、非线性波导的长度等，以实现上述第二波长选择模块的功能。需要说明的是，由于回波信号的波长在一定范围内有波动，可能会超出布里渊散射的有效增益带宽，因此，泵浦光可为多频光，以提供足够大的波长窗口。
在一种可能的实现方式中，非线性波导例如硫化砷波导或氮化硅波导。也可以理解为，硫化砷波导或氮化硅波导作为特定介质来实现受激布里渊散射效应。这是因为硫化砷波导和氮化硅波导具有很强的非线性效应，能量传递效率较高，在数厘米长的硫化砷波导和氮化硅波导中可以实现超过10dB的增益或抑制效应，探测装置的测量距离可以提升3倍以上。
例如，若回波信号是对称边带信号中的下边带信号，可设计泵浦光的频率与所述下边带信号的频率的差值的等于预设值，基于上述受激布里渊散射效应的原理，泵浦光可将大量的能量传递至下边带信号，从而可实现对下边带信号产生增益。
再比如，若回波信号是对称边带信号中的上边带信号，可设计泵浦光的频率与所述上边带信号的频率的差值的等于预设值，基于上述受激布里渊散射效应的原理，泵浦光可将大量的能量传递至上边带信号，从而可实现对上边带信号产生增益。
再比如，若回波信号是对称边带信号，且需要选择下边带信号，可设计泵浦光的频率与所述下边带信号的频率的差值等于预设值、且上边带信号的频率与泵浦光的频率的差值等于预设值，基于上述受激布里渊散射效应的原理，上边带信号可向泵浦光传递大量能量，泵浦光再将大量的能量传递至下边带信号，从而可实现对下边带信号产生增益并对上边带信号产生抑制，从而进一步提升边带抑制比和探测装置信噪比，增大测量距离。
需要说明的是，受激布里渊散射效应具有阈值特性。也就是说，若没有回波信号，受激布里渊散射退回至自发布里渊散射状态。另外，受激布里渊散射效具有较低的ASE噪声，不会对探测装置信噪比产生较大的影响。
通过包括第二波长选择模块的探测装置，可以对极微弱的回波信号进行低噪声放大和选择性抑制，从而可在提升测量信噪比的同时有助于避免来自于ASE噪声和对称边带的干扰，从而可进一步提升探测装置的性能。
如图12所示，为本申请提供的一种第二波长选择模块的结构示意图。该第二波长选择模块包括非线性波导和分波器(或称为解复用器或去复用器)。非线性波导基于受激布里渊散射效应，通过接收到的泵浦光放大所述第一边带信号；分波器用于将第一边带信号和泵浦光分离。
六、光电检测模块
在一种可能的实现方式中，光电检测模块(或称为探测模块)用于将所述第一边带信号或者放大后的所述第一边带信号转换为第一电信号。
进一步，可选地，光电检测模块可接收来自第二波长选择模块的放大后的第一边带信号，以及来自分光模块的部分第二激光束(参考光)，并根据放大后的第一边带信号和部分第二激光束进行相干探测，得到第一电信号(即拍频信号)。或者，光电检测模块可接收来自光收发模块的第一边带信号，以及来自分光模块的部分第二激光束(参考光)，并根据第一边带信号和部分第二激光束进行相干探测，得到第一电信号(即拍频信号)。其中，分光模块可参见下述相关介绍，此处不再重复赘述。
示例性地，光电检测模块例如光电探测器(photon detector，PD)、单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)、P型半导体-本征层-N型半导体(positiveintrinsic negative，PIN)型光电二极管(亦称为PIN结二极管)、或雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)、或单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode，SPAD)、或SPAD阵列、PIN型光电二极管阵列、或APD阵列等。
七、处理模块
在一种可能的实现方式中，处理模块用于根据来自光电检测模块的所述第一电信号，确定所述目标的信息。
进一步，可选地，处理模块可用于根据第一电信号进行目标的定位分析，形成三维(three dimensional，3D)点云图像，从而可完成对目标的3D测距成像，或者3D建模等。
示例性地，处理模块可以是通用处理器、现场可编程门阵列(field programmablegate array，FPGA)、信号数据处理(digital signal processing，DSP)电路、专门应用的集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、或者其他可编程逻辑器件。
八、光放大模块
在一种可能的实现方式中，光放大模块可用于放大来自所述第一波长选择模块的所述第二激光束。
此处，光放大模块需要具有较大的饱和输出功率。例如，光放大模块的饱和输出功率大于13dB。进一步，可选地，光放大模块引入的拍频噪声会对测距结果造成一定的影响，因此，光放大模块的引入的噪声指数不应过高。例如，光放大模块引入的噪声指数小于10dB。
如图13a所示，为本申请提供的一种光放大模块的结构示意图。该光放大模块以光放大器为例。光放大器从上至下依次包括铟镓砷(InGaAs)层、P掺杂-磷化铟(P-InP)层和脊型硅基波导。也就是说，在脊型硅基波导垂直方向上集成III/V族材料的芯片可形成光放大器。由于III/V族材料的芯片具有弱波导特性，因此，该III/V族材料的芯片与脊型硅基波导在垂直方向上可实现光的相互耦合。
具体地，可以在光刻制造III/V族材料的芯片时为脊型硅基波导预留出端口，在制造脊型硅基波导时为III/V族材料的芯片预留出端口，之后将脊型硅基波导预留的端口与III/V族材料的芯片预留的端口接合，以实现III/V族材料的芯片与脊型硅基波导耦合。
在一种可能的实现方式中，光放大器与硅基直波导的连接关系可参见下述图13b。
九、分光模块
在一种可能的实现方式中，分光模块用于将来自第一波长选择模块的第二激光束一分为二，一束作为相干探测的参考光，另一束作为信号光。其中，参考光传播至光电检测模块；信号光可以经光放大模块放大后，通过光收发模块发射至需要扫描的探测区域，或者，该信号光也可以直接通过光收发模块发射至需要扫描的探测区域。
在一种可能的实现方式中，分光模块可以为偏振分束器。偏振分束器可由两个偏振分光棱镜(polarizing beam splitter，PBS)组成，两个PBS的斜面通过胶层相贴合(如图14所示)。其中，PBS是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后通过胶层合成一个立方体结构，利用光束以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光束以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)的一个光学元件。示例性地，偏振分束器将入射光(P偏振光和S偏振光)分离为的水平偏振光和垂直偏振光，即P偏振光和S偏振光。其中，P偏振光完全通过，S偏振光以45度角被反射，且S偏振光的出射方向与P偏振光的出射方向成90度角。
在另一种可能的实现方式中，分光模块也可以是衍射光学器件(diffractiveoptical elements，DOE)，DOE可以将来自第一波长选择模块的第二激光束均匀地分为两束。可以理解的是，DOE将第二激光束分出的数目和激光束之间的间隔可由DOE的物理结构来决定。
基于上述描述的探测装置的结构和功能原理，本申请还可以提供一种芯片。该芯片可包括上述任一实施例中的探测装置。进一步，可选地，集成于同一芯片上的各个模块可通过硅基波导连接，因此，各个模块需要与硅基波导具有较好的兼容性，如此，有助于避免耦合引入的损耗。当然，该芯片还可以包括其他器件，例如通信接口等。
基于上述描述的探测装置的结构和功能原理，本申请还可以提供一种激光雷达，该激光雷达可以包括上述任一实施例中的探测装置。进一步，可选地，该激光雷达还可包括处理器，该处理器可用于根据所述第一边带信号，确定所述目标的信息。目标的信息可参见前述相关描述，此处不再赘述。
基于上述描述的探测装置的结构和功能原理，本申请还可以提供一种终端设备，该终端设备可以包括上述任一实施例中探测装置。进一步，可选地，该终端设备还可包括处理器。若探测装置不包括处理模块时，终端设备中的处理器可用于接收来自探测装置的第一边带信号，并根据所述第一边带信号，确定所述目标的信息。
进一步，可选地，该处理器还可根据确定出的目标的信息，对所述终端设备的行驶路径进行规划。例如躲避行驶路径上的障碍物等。当然，该终端设备还可以包括其他器件，例如存储器和无线通信装置等。
示例性地，该终端设备可以包括车辆(例如无人车、智能车、电动车、数字汽车等)、机器人、测绘设备、无人机、智能家居设备、智能制造设备、或智能运输设备(如自动导引运输车(automated guided vehicle，AGV)或者无人运输车等)等。
在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。
本申请中，“垂直”不是指绝对的垂直，“相同”不是指绝对的相同，可以允许有一定的误差。“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。在本申请的公式中，字符“/”，表示前后关联对象是一种“相除”的关系。另外，在本申请中，“示例的”一词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。或者可理解为，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念，并不对本申请构成限定。
可以理解的是，在本申请中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定。术语“第一”、“第二”等类似表述，是用于分区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的方案进行示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (21)

1.一种探测装置，其特征在于，包括光源模块、调制模块、第一波长选择模块和光收发模块；
所述光源模块，用于发射连续激光束；
所述调制模块，用于调制来自所述光源模块的所述连续激光束，得到第一激光束，所述第一激光束包括载波信号和对称边带信号；
所述第一波长选择模块，用于允许所述对称边带信号中的至少一个边带信号通过、且阻止所述载波信号通过，得到第二激光束；
所述光收发模块，用于向探测区域发射所述第二激光束，以及用于接收针对所述第二激光束的第一回波信号，所述第一回波信号包括所述至少一个边带信号，所述第一回波信号中包括的所述至少一个边带信号中的第一边带信号用于探测目标。
2.如权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述光收发模块包括扫描模块，用于在不同的扫描角度下，分别向所述探测区域发射所述第二激光束。
3.如权利要求1或2所述的探测装置，其特征在于，所述调制模块包括硅基微环调制器，所述硅基微环调制器包括相互耦合的直波导和环形波导；
所述直波导和环形波导用于对所述连续激光束的强度进行调制。
4.如权利要求3所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括射频模块；
所述射频模块，用于向所述环形波导输入第一射频信号，所述第一射频信号为线性调频信号，所述第一射频信号用于所述环形波导对所述连续激光束的强度进行调制。
5.如权利要求4所述的探测装置，其特征在于，所述射频模块，还用于产生第二射频信号，并对所述第二射频信号进行预失真处理，得到所述第一射频信号。
6.如权利要求1所述的探测装置，其特征在于，所述调制模块包括第一Y型波导、第一波导臂、第二波导臂和第二Y型波导；
所述第一Y型波导，用于将来自所述光源模块的所述连续激光束分为两束，并分别传播至所述第一波导臂和所述第二波导臂；
所述第一波导臂，用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第三激光束，所述第三激光束的相位与输入所述第一波导臂的第三射频信号相关；
所述第二波导臂，用于对接收到的连续激光束的强度进行调制，得到第四激光束，所述第四激光束的相位与输入所述第二波导臂的第四射频信号相关；
所述第二Y型波导，用于接收来自所述第一波导臂的所述第三激光束、以及来自所述第二波导臂的所述第四激光束，并将所述第三激光束与所述第四激光束合成所述第一激光束。
7.如权利要求6所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括射频模块；
所述射频模块，用于向所述第一波导臂输入所述第三射频信号，以及用于向所述第二波导臂输入所述第四射频信号。
8.如权利要求1至7任一项所述的探测装置，其特征在于，所述第一波长选择模块包括至少一级环形波导；
所述第一波长选择模块，用于根据接收到的控制信号，得到所述第二激光束，所述控制信号对应所述第二激光束的波长。
9.如权利要求1至7任一项所述的探测装置，其特征在于，所述第一波长选择模块包括布拉格光栅，所述布拉格光栅用于得到所述第二激光束。
10.如权利要求1至9任一项所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括第二波长选择模块；
所述第二波长选择模块，用于对针对所述第二激光束的第一回波信号进行放大、或者进行放大和过滤，得到放大后的第一边带信号。
11.如权利要求10所述的探测装置，其特征在于，所述第二波长选择模块包括非线性波导。
12.如权利要求11所述的探测装置，其特征在于，所述非线性波导用于通过接收到的泵浦光放大所述第一边带信号，所述泵浦光的传播方向与所述第一边带信号的传播方向相反，所述泵浦光的频率与所述第一边带信号的频率的差值满足预设范围。
13.如权利要求1至12任一项所述的探测装置，其特征在于，所述连续激光束的线宽范围大于0且不大于3兆赫兹。
14.如权利要求1至13任一项所述的探测装置，其特征在于，所述光源模块包括半导体激光器。
15.如权利要求1至14任一项所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括光放大模块，用于放大来自所述第一波长选择模块的所述第二激光束。
16.如权利要求1至15任一项所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括光电检测模块，用于将所述第一边带信号或者放大后的所述第一边带信号转换为第一电信号。
17.如权利要求16所述的探测装置，其特征在于，所述探测装置还包括处理模块，用于根据接收到的所述第一电信号，确定所述目标的信息。
18.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至17任一项所述的探测装置。
19.如权利要求18所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括处理器，用于根据所述第一边带信号，确定所述目标的信息。
20.一种芯片，其特征在于，包括如权利要求1至17任一项所述的探测装置。
21.一种终端设备，其特征在于，包括如权利要求1至17任一项所述的探测装置。
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