CN115128734B

CN115128734B - 一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达

Info

Publication number: CN115128734B
Application number: CN202211051691.9A
Authority: CN
Inventors: 冯大增; 王奕琼; 梁虹; 武爱民
Original assignee: Shanghai Xihe Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Xihe Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2023-09-15
Anticipated expiration: 2042-08-31
Also published as: CN115128734A

Abstract

本申请涉及一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达，硅光芯片包括分束模块、延迟线、混频模块、反射光处理模块和探测模块。本申请的硅光芯片通过反射光处理模块对测量光的反射光进行处理，将与TE偏振方向正交的TM偏振光进行旋转后输出两路TE偏振光，然后通过混频模块分别将两路TE偏振光与本振光进行混频，且两路本振光中一路本振光通过延迟线进行了传输延迟，从而可以利用一个平衡探测器对混频模块输出的第一混频光束和第二混频光束进行探测，如此，本申请可以在提升物体检测能力的同时降低芯片和系统复杂性。

Description

一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达。

背景技术

目前，调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达系统具有抗干扰能力强、所需要的发射能量较小、容易调制、成本低、信号处理简单等优点，使其被广泛应用于测距和测速领域中。调频连续波激光雷达系统是通过发射调频连续波，利用接收到的回光和发射的本振光进行干涉，利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离和速度。

一般情况下，本振光的偏振方向是固定的偏振方向（TE），而经过目标物反射回来的光可能有不同方向的偏振光，但是目前基于硅光芯片的激光雷达只能探测到回光中的TE偏振光，这导致测量信噪比下降，甚至无法测到物体。相关技术中，为实现回光的双偏振检测，需要在硅光芯片上集成多个探测模块，并相应地为每个探测模块设置信号分析模块，这增加了硅光芯片和激光雷达系统的复杂性和成本。

发明内容

本申请实施例提供了一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达，可以降低芯片和系统复杂性和成本，可以提高物体检测能力。

一方面，本申请实施例提供了一种硅光芯片，包括分束模块、延迟线、混频模块、反射光处理模块和探测模块；

分束模块，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一组本振光；一组本振光包括两路本振光；两路本振光均为TE偏振；

反射光处理模块，用于对接收到的测量光的反射光进行偏振分束旋转，输出两路TE偏振光；

延迟线，设置于分束模块与混频模块之间，用于对两路本振光中的任一路本振光进行传输延迟；

混频模块，用于将两路本振光中未传输延迟的本振光与两路TE偏振光中的任一路TE偏振光进行混频，输出第一混频光束；将两路本振光中传输延迟的本振光与两路TE偏振光中的另一路TE偏振光进行混频，输出第二混频光束；

探测模块包括至少一个平衡探测器，平衡探测器用于接收混频模块输出的第一混频光束和第二混频光束，将第一混频光束和第二混频光束转换为电流信号。

在一些可能的实施例中，分束模块包括第一分束器和第二分束器；

第一分束器，用于接收外部输入的信号光，对信号光进行分束，以将信号光的一部分作为测量光；将信号光的另一部分输入第二分束器；

第二分束器，用于将信号光的另一部分进行分束，得到至少一组本振光。

在一些可能的实施例中，第二分束器为1x2分束器；

1x2分束器，用于将信号光的另一部分进行分束，得到两路本振光。

在一些可能的实施例中，反射光处理模块包括偏振分束旋转器；

偏振分束旋转器，用于将反射光进行偏振分束，得到第一TE偏振光和TM偏振光；将TM偏振光旋转90°，得到第二TE偏振光。

在一些可能的实施例中，混频模块包括第一混频器和第二混频器；第一混频器和第二混频器均为2x2端口；

第一混频器的第一输入端与1x2分束器的第一输出端连接，第一混频器的第二输入端用于接收反射光处理模块输出的两路TE偏振光中的任一路TE偏振光；

第二混频器的第一输入端与1x2分束器的第二输出端连接，第二混频器的第二输入端用于接收反射光处理模块输出的两路TE偏振光中的另一路TE偏振光。

在一些可能的实施例中，延迟线设置于第一混频器的第一输入端与1x2分束器的第一输出端之间；

或者；

延迟线设置于第二混频器的第一输入端与1x2分束器的第二输出端之间。

在一些可能的实施例中，还包括模斑转换器；

模斑转换器，用于实现测量光的输出波导与测量光扫描仪的耦合，或者，与外部激光器的耦合。

在一些可能的实施例中，平衡探测器包括两个光电二极管；两个光电二极管串联设置。

在一些可能的实施例中，延迟线，还用于将两路本振光中的任一路本振光至少传输延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽。

在一些可能的实施例中，当激光器调频的带宽为5THz~500THz时，延迟线的传输延迟时间范围为0.01ps~1ps；

当激光器调频的带宽为50GHz~5THz时，延迟线的传输延迟时间范围为1ps~100ps；

当激光器调频的带宽为0.5GHz~50G时，延迟线的传输延迟时间范围为100ps~10ns。

另一方面，本申请实施例提供了一种基于硅光芯片的激光雷达，包括激光模块、信号处理模块和上述的硅光芯片；

激光模块的输出端与硅光芯片的输入光路连接，激光模块用于提供外部输入的信号光；

信号处理模块，用于接收硅光芯片输出的电流信号，对电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。

本申请实施例提供的一种硅光芯片及基于硅光芯片的激光雷达具有如下有益效果：

本申请实施例的硅光芯片通过反射光处理模块对测量光的反射光进行处理，将与TE方向正交的TM偏振光进行旋转后输出两路TE偏振光，然后通过混频模块分别将两路TE偏振光与两路本振光进行混频，且两路本振光中一路本振光通过延迟线进行了传输延迟，从而利用一个平衡探测器对混频模块输出的第一混频光束和第二混频光束进行探测也可以从频谱分析中得到两个偏振光对应的频谱峰值，如此，本申请可以在提升物体检测能力的同时降低芯片和系统复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的一种硅光芯片的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种分束模块的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种混频模块的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种平衡探测器与第一混频器、第二混频器的连接方式示意图；

图5是本申请实施例提供的一种信号频谱图；

图6是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的一种延迟线的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的一种基于硅光芯片的激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等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能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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的过程、方法、系统、产品或服务器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。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种硅光芯片的结构示意图，包括分束模块1、延迟线2、混频模块3、反射光处理模块4和探测模块5；

分束模块1，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一组本振光；一组本振光包括两路本振光；两路本振光均为TE偏振；

反射光处理模块4，用于对接收到的测量光的反射光进行偏振分束旋转，输出两路TE偏振光；

延迟线2，设置于分束模块1与混频模块3之间，用于对两路本振光中的任一路本振光进行传输延迟；

混频模块3，用于将两路本振光中未传输延迟的本振光与两路TE偏振光中的任一路TE偏振光进行混频，输出第一混频光束；将两路本振光中传输延迟的本振光与两路TE偏振光中的另一路TE偏振光进行混频，输出第二混频光束；

探测模块5包括至少一个平衡探测器，平衡探测器用于接收混频模块3输出的第一混频光束和第二混频光束，将第一混频光束和第二混频光束转换为电流信号。

本申请实施例中，通过分束模块1对信号光进行分束，得到至少一组本振光；每组本振光中包括两路本振光，组数与接收反射光的通道相同。本申请实施例以接收反射光的通道为1个进行示例性说明，当接收反射光的通道为1个时，通过分束模块1可以得到两路本振光；通过反射光处理模块4对接收的反射光进行偏振分束，将与TE偏振方向不同的光进行旋转，得到两路TE偏振光；该两路TE偏振光分别与两路本振光在混频模块3中进行相干混频，如此，可以利用到反射光中不同方向的偏振光，增加目标物的测量信息，有助于最终对目标物的定位和测速。此外，通过在分束模块1与混频模块3之间设置延迟线，对分束模块1 输出的两路本振光中任一路本振光进行传输延迟，使得混频模块3中两个相干混频存在时间差，从而仅利用一个平衡探测器同时对第一混频光束和第二混频光束进行检测，后续在分析探测信号时，仍然可以在频谱域分辨出两个峰值（如图5所示的），如此，相较于相关技术中由于频谱域中是重叠在一起的，必须设置两个平衡探测器分别对第一混频光束和第二混频光束进行检测的方式，本申请通过设置延迟线，可以在一个探测信号中分析得到TE偏振和TM偏振的相关信息，不仅可以提高对目标物的定位，还可以简化硅光芯片上探测模块的结构，节省器件的部署，降低后续电流信号分析的复杂度，有助于系统稳定性的提升。

在一些可能的实施例中，如图2所示，分束模块1包括第一分束器11和第二分束器12；

第一分束器11，用于接收外部输入的信号光，对信号光进行分束，以将信号光的一部分作为测量光；将信号光的另一部分输入第二分束器12；

第二分束器12，用于将信号光的另一部分进行分束，得到至少一组本振光。

具体的，图2中第二分束器12可以为1x2分束器；即，1x2分束器包括一个输入端和两个输出端；1x2分束器，用于将信号光的另一部分进行分束，得到两路本振光（本振光1和本振光2）。

在一些可能的实施例中，反射光处理模块4包括偏振分束旋转器（polarizationbeam splitter and rotator，PBSR）；

这里，偏振分束旋转器包含一个输入端和两个输出端，输入端对准反射光接收通道，将经接收通道传输的具有两个正交偏振态的反射光进行偏振分束，将一个偏振态TE输出到其中一个输出端，将另一个偏振态TM输出到另一个输出端，且将其转换为TE偏振，如此输出两路TE偏振光，即第一TE偏振光和第二TE偏振光。

在一些可能的实施例中，如图3所示，混频模块3包括第一混频器31和第二混频器32；第一混频器31和第二混频器32均为2x2端口；

第一混频器31的第一输入端a1与1x2分束器的第一输出端连接，这里，1x2分束器的第一输出端可以输出本振光1；第一混频器31的第二输入端a2用于接收反射光处理模块4输出的两路TE偏振光中的任一路TE偏振光（比如，第一TE偏振光）；

第二混频器32的第一输入端b1与1x2分束器的第二输出端连接，这里，1x2分束器的第二输出端可以输出本振光2；第二混频器32的第二输入端b2用于接收反射光处理模块4输出的两路TE偏振光中的另一路TE偏振光（比如，第二TE偏振光）。

在一些可能的实施例中，如图3所示，延迟线2可以设置于第二混频器32的第一输入端b1与1x2分束器的第二输出端之间；或者，在其他实施例中，延迟线2也可以设置于第一混频器31的第一输入端a1与1x2分束器的第一输出端之间。

在一些可能的实施例中，平衡探测器（balanced photo detector，BPD）包括两个光电二极管（PD）；两个光电二极管串联设置。

相关技术中，需要在第一混频器的输出端和第二混频器的输出端各设置一个平衡探测器，分别对混频光束进行探测，以及各设置一套信号分析装置，一般信号分析装置包括放大器、模数转换器和现场可编程逻辑门阵列；因此，相关技术中为实现反射光双偏振探测会导致系统结构过于复杂。

基于此，本申请实施例中，通过设置延迟线2，即使由一个平衡探测器对第一混频器31和第二混频器32分别输出的混频光束进行探测，探测信号中仍可以分辨出TE偏振对应的峰值和TM偏振对应的峰值，从而无需再增加信号分析装置。

在一个具体的实施例中，平衡探测器与第一混频器31、第二混频器32的连接方式如图4所示；实际连接时，可以将第一混频器31、第二混频器32连接至光电二极管的同一端，或者分别将第一混频器31、第二混频器32连接至光电二极管的两端。

这里，第一混频器31或第二混频器32的输出波导的宽度范围为0.2um~2um，光电二极管的波导的宽度范围为0.4 um ~4um。

相应的，本申请实施例中，平衡探测器所探测到的电流信号用iTotal来表示，表达式如下公式：

其中，B表示激光器调频的带宽；Tmod表示激光器调制周期；表示光从发送端到接收端的飞行时间；表示某一路本振光被延迟线所延迟传输的时间；Res表示光电二极管的响应度；P_TE表示第一TE偏振光的强度；P_TM表示第二TE偏振光的强度；P_LO1和P_LO2分别表示两路本征光的强度；表示第一TE偏振光和第一本征光之间的相位差，表示第二 TE偏振光和第二本征光之间的相位差。

硅光芯片输出的电流信号经过后续信号分析装置进行信号放大，并转化为数字信号，最后经过现场可编程逻辑门阵列进行频谱分析，得到信号的频谱。如图5所示，图5是本申请实施例提供的一种信号频谱图，通过探测频谱信号中两个峰值（）的位置和幅度，可以确定出目标物的距离和反射光偏振相关的强度。

其中，。

本申请实施例中，设置延迟线可以实现基于一套信号分析装置来对电流信号进行分析，为了在基于电流信号进行频谱分析时，可以从频谱图中清晰地分辨，需要对延迟线的设计参数即延迟时间进行管控。

由于FMCW激光雷达的分辨率是由激光器调频的带宽来决定，分辨率约等于c/2B，其中c为光速；因此，本申请实施例中，延迟线2需要将两路本振光中的任一路本振光至少传输延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽。

在一些具体的实施例中，当激光器调频的带宽为5THz~500THz时，延迟线2的传输延迟时间范围为0.01ps~1ps；

当激光器调频的带宽为50GHz~5THz时，延迟线2的传输延迟时间范围为1ps~100ps；

当激光器调频的带宽为0.5GHz~50Hz时，延迟线2的传输延迟时间范围为100ps~10ns。

在一些具体的实施例中，如图6所示，延迟线2可以采用折叠型结构；或者，如图7所示，延迟线2也可以为螺旋形结构。或者，如图8所示，延迟线2也可以用单个和多个共振环结构（resonance ring structure)来实现。

在一些可能的实施例中，本申请实施例的硅光芯片还包括模斑转换器；

模斑转换器的输入端与分束模块1的输出端连接，接收分束模块1输出的测量光；模斑转换器用于实现测量光的输出波导与测量光扫描仪的耦合。

或者；模斑转换器的输出端与分束模块1的输入端连接，此时，模斑转换器用于实现与外部激光器的耦合，模斑转换器的输入端接收外部输入的信号光。

综上，本申请实施例提供的一种硅光芯片，用于激光雷达系统，通过反射光处理模块4对反射光进行处理，将与TE方向正交的TM偏振光进行90°旋转后输出两路TE偏振光，然后分别与两路本振光进行混频，且两路本振光中一路本振光通过延迟线2，进行了传输延迟，从而利用一个平衡探测器对混频模块3输出的第一混频光束和第二混频光束进行探测，探测得到的信号中可以分辨出TE偏振对应的峰值和TM偏振对应的峰值，如此可以在提升物体检测能力的同时，降低芯片和系统复杂性。

本申请实施例还提供了一种基于硅光芯片的激光雷达，如图9所示，激光雷达包括激光模块901、信号处理模块902和硅光芯片903；

激光模块901的输出端与硅光芯片903的输入光路连接，激光模块901用于提供外部输入的信号光；

信号处理模块902，用于接收硅光芯片903输出的电流信号，对电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。

其中，硅光芯片903可以参考上文任一种可能的实施例；激光模块901包括激光器，激光器的输出为连续调频激光。

在一些可能的实施例中，信号处理模块902可以包括依次连接的信号放大器、模数转换器和现场可编程逻辑门阵列。

在一些可能的实施例中，激光雷达还包括测量光扫描仪；测量光扫描仪用于接收硅光芯片903输出的测量光，对周围环境进行扫描；其中，测量光扫描仪包括传统机械扫描、OPA（光学相控阵）、FLASH等。

本申请实施例提供的一种基于硅光芯片的激光雷达，在不提升系统复杂程度的基础上，提高了物体的检测能力。本申请中基于硅光芯片的激光雷达实施例与硅光芯片实施例基于同样地申请构思。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种硅光芯片，其特征在于，包括分束模块、延迟线、混频模块、反射光处理模块和探测模块；

所述分束模块，用于将外部输入的信号光进行分束，得到测量光和至少一组本振光；所述一组本振光包括两路本振光；所述两路本振光均为TE偏振；

所述反射光处理模块，用于对接收到的所述测量光的反射光进行偏振分束旋转，输出两路TE偏振光；

所述延迟线，设置于所述分束模块与所述混频模块之间，用于对所述两路本振光中的任一路本振光进行传输延迟，且至少传输延迟1/（2B）秒；其中，B表示激光器调频的带宽；当激光器调频的带宽为5THz~ 500THz时，所述延迟线的传输延迟时间范围为0.01ps ~1ps；当激光器调频的带宽为50GHz~5THz时，所述延迟线的传输延迟时间范围为1ps ~100ps；当激光器调频的带宽为0.5GHz ~50G时，所述延迟线的传输延迟时间范围为100ps~ 10ns；

所述混频模块，用于将所述两路本振光中未传输延迟的本振光与所述两路TE偏振光中的任一路TE偏振光进行混频，输出第一混频光束；将所述两路本振光中传输延迟的本振光与所述两路TE偏振光中的另一路TE偏振光进行混频，输出第二混频光束；

所述探测模块包括至少一个平衡探测器，所述平衡探测器用于同时接收所述混频模块输出的所述第一混频光束和所述第二混频光束，将所述第一混频光束和所述第二混频光束转换为电流信号；

平衡探测器所探测到的电流信号用iTotal来表示，表达式如下公式：

其中，B表示激光器调频的带宽；Tmod表示激光器调制周期；表示光从发送端到接收端的飞行时间；/>表示某一路本振光被延迟线所延迟传输的时间；Res表示光电二极管的响应度；P_TE表示第一TE偏振光的强度；P_TM表示第二TE偏振光的强度；P_LO1和P_LO2分别表示两路本征光的强度；/>表示第一TE偏振光和第一本征光之间的相位差，/>表示第二TE偏振光和第二本征光之间的相位差；

所述电流信号进行频谱分析后得到的信号频谱中包括两个频谱峰值；其中，/>。

2.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述分束模块包括第一分束器和第二分束器；

所述第一分束器，用于接收外部输入的信号光，对所述信号光进行分束，以将所述信号光的一部分作为所述测量光；将所述信号光的另一部分输入所述第二分束器；

所述第二分束器，用于将所述信号光的另一部分进行分束，得到所述至少一组本振光。

3.根据权利要求2所述的硅光芯片，其特征在于，所述第二分束器为1x2分束器；

所述1x2分束器，用于将所述信号光的另一部分进行分束，得到两路本振光。

4.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述反射光处理模块包括偏振分束旋转器；

所述偏振分束旋转器，用于将反射光进行偏振分束，得到第一TE偏振光和TM偏振光；将所述TM偏振光旋转90°，得到第二TE偏振光。

5.根据权利要求3所述的硅光芯片，其特征在于，所述混频模块包括第一混频器和第二混频器；所述第一混频器和所述第二混频器均为2x2端口；

所述第一混频器的第一输入端与所述1x2分束器的第一输出端连接，所述第一混频器的第二输入端用于接收反射光处理模块输出的两路TE偏振光中的任一路TE偏振光；

所述第二混频器的第一输入端与所述1x2分束器的第二输出端连接，所述第二混频器的第二输入端用于接收反射光处理模块输出的两路TE偏振光中的另一路TE偏振光。

6.根据权利要求5所述的硅光芯片，其特征在于，

所述延迟线设置于所述第一混频器的第一输入端与所述1x2分束器的第一输出端之间；

或者；

所述延迟线设置于所述第二混频器的第一输入端与所述1x2分束器的第二输出端之间。

7.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，还包括模斑转换器；

所述模斑转换器，用于实现所述测量光的输出波导与测量光扫描仪的耦合，或者，与外部激光器的耦合。

8.根据权利要求1所述的硅光芯片，其特征在于，所述平衡探测器包括两个光电二极管；所述两个光电二极管串联设置。

9.一种基于硅光芯片的激光雷达，其特征在于，包括激光模块、信号处理模块和权利要求1-8中任一项所述的硅光芯片；

所述激光模块的输出端与所述硅光芯片的输入光路连接，所述激光模块用于提供所述外部输入的信号光；

所述信号处理模块，用于接收所述硅光芯片输出的电流信号，对所述电流信号进行分析处理，得到激光测量信息。