CN115421151B - 激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光雷达，包括：发射芯片，具有n个激光传输通道，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道具有一个光发射端，第i个激光传输通道的光发射端配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n；以及接收芯片，具有n个激光探测通道，与所述n个激光传输通道一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道具有一个光接收端，第i个激光探测通道的光接收端配置为接收第i条反射光束，其中，所述n个激光传输通道中的至少一部分采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，所述激光探测通道采用硅波导。

Description

激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。激光雷达现在广泛部署在包括自动车辆在内的不同的场景中。激光雷达可以在扫描场景时主动估计到环境特征的距离及速度，并生成指示环境场景的三维形状的点位置云。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 ContinuousWave，FMCW)这两种激光雷达。
发明内容
本发明一些实施例提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：
发射芯片，具有n个激光传输通道，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道具有一个光发射端，第i个激光传输通道的光发射端配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n；以及
接收芯片，具有n个激光探测通道，与所述n个激光传输通道一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道具有一个光接收端，第i个激光探测通道的光接收端配置为接收第i条反射光束，
其中，所述n个激光传输通道中的至少一部分采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，所述激光探测通道采用硅波导。
在一些实施例中，所述发射芯片为无源芯片，所述发射芯片包括：
探测激光接收端口，配置为接收探测激光；以及
第一分束器，设置在所述探测激光接收端口与所述n个激光传输通道之间，配置为将所述探测激光分束为所述n条探测光束。
在一些实施例中，所述接收芯片有源芯片，所述接收芯片包括：
本振激光接收端口，配置为接收本振激光；以及
第二分束器，设置在所述本振激光接收端口与所述n个激光探测通道之间，配置为将所述本振激光分束为n条本振子光束，所述n条本振子光束分别进入所述有n个激光探测通道，
第i个激光探测通道中具有：
混频器，配置为接收第i条本振子光束以及第i条反射光束，并对第i条本振子光束以及第i条反射光束执行混频操作获得混频光束；以及
检测器，配置为接收所述混频光束并检测第i条本振子光束以及第i条反射光束之间的拍频以获得测定结果。
在一些实施例中，所述激光雷达还包括：
激光光源，配置为产生激光；以及
分光器，配置为将所述激光分束为所述探测激光和本振激光。
在一些实施例中，激光雷达还包括：
透镜组件，配置为对第i个传输通道的光发射端出射的探测光束执行准直并偏转，以及对第i条反射光束执行聚焦以耦合进入第i个激光探测通道的光接收端；以及
光束扫描引导装置，设置在所述透镜组件靠近所述障碍物一侧，配置为随着时间调整来自第i个传输通道的光发射端出射的第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。
在一些实施例中，所述透镜组件包括第一透镜组件，所述发射芯片与所述接收芯片并排设置，第i条探测光束包括TE模式偏振光，第i条反射光束包括TM模式偏振光，
所述激光雷达还包括偏振光束偏置器，所述偏振光束偏置器设置在所述第一透镜组件和所述发射芯片与所述接收芯片的组合之间，所述偏振光束偏置器配置为允许TM模式偏振光保持原方向通过，以及平移偏置经过所述偏振光束偏置器的TE模式偏振光，
第i个激光传输通道的光发射端沿平行于第一透镜组件的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束经过所述偏振光束偏置器平移偏置后依次经过第一透镜组件、光束扫描引导装置到达所述障碍物形成第i条反射光束，第i条反射光束沿原光路返回至所述偏振光束偏置器，并保持原方向经过所述偏振光束偏置器，第i条反射光束沿平行第一透镜组件的光轴的方向入射至第i个激光探测通道的光接收端。
在一些实施例中，第i个激光传输通道的光发射端与第i个激光探测通道的光接收端之间的距离基本上等于所述偏振光束偏置器对所述TE模式偏振光的偏置距离d，所述偏置距离d满足以下公式：
Figure 969084DEST_PATH_IMAGE001
其中，L为偏振光束偏置器的厚度，α为偏振光束偏置器对所述TM模式偏振光的偏转角度，θ为偏振光束偏置器的光轴与波矢之间的角度，no为TM模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率， ne为TE模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率。
在一些实施例中，n个激光传输通道的光发射端以第一间距d1等间距间隔设置，所述n个激光探测通道的光接收端以第二间距d2等间距间隔设置，其中，第一间距d1与第二间距d2相等。
在一些实施例中，所述发射芯片与所述接收芯片采用一体结构，采用构图工艺在同一衬底上形成。
在一些实施例中，所述透镜组件包括第二透镜组件和第三透镜组件，第i条探测光束为TE模式偏振光，第i条反射光束为TM模式偏振光，
所述激光雷达还包括偏振分束器，所述偏振分束器配置为允许TE模式偏振光保持原方向通过，以及偏转经过所述偏振分束器的TM模式偏振光，
第i个激光传输通道的光发射端沿平行于第二透镜组件的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束依次经过第二透镜组件、偏振分束器、光束扫描引导装置到达所述障碍物形成第i条反射光束，第i条反射光束沿原光路偏振分束器，经所述偏振分束器偏转后，经过第三透镜组件，沿平行第三透镜组件的光轴的方向入射至第i个激光探测通道的光接收端。
本发明实施例的上述方案与相关技术相比，至少具有以下有益效果：
激光雷达采用独立的发射芯片和接收芯片构成，发射芯片可以采用无源芯片，发射芯片上的激光传输通道可以采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，降低探测激光损耗，提高激光雷达的输出功率。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中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。在附图中：
图1为本发明一些实施例提供的多通道激光雷达的结构示意图；
图2为本发明一些实施例中提供的接收芯片的结构示意图；
图3为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图；
图4为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图；
图5为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图；
图6为图5中激光雷达芯片的部分结构示意图；以及
图7为本发明提供的FWCW扫频方式的探测光束与接收光束的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例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，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种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这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
本领域中，激光雷达以测距方式为依据主要包括以下两个技术路线：ToF（Time ofFlight，飞行时间法）与FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave，调频连续波）。ToF的测距原理是，用光脉冲在目标物与激光雷达间的飞行时间乘以光速来测算距离，ToF激光雷达采用了脉冲振幅调制技术。与ToF路线不同，FMCW主要通过发送和接收连续激光束，把回光和本地光做干涉，并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。简言之，ToF使用时间来测量距离，而FMCW使用频率来测量距离。FMCW相较于ToF具有以下优势： ToF的光波容易受环境光干扰，而FMCW的光波抗干扰能力很强；ToF的信噪比过低，而FMCW的信噪比很高，ToF的速度维数据质量低，而FMCW可获取每个像素点的速度维数据。
本案中以FMCW激光雷达来举例说明。
相关技术中，激光雷达芯片为单芯片结构，光发射端与接收端为一体化结构，激光传输通道与激光探测通道存在交叠部分，由于激光探测通道中需要设置混频器、检测器等有源器件，激光传输通道与激光探测通道通常只能采用硅波导来传输激光。而硅波导的损伤阈值较低，且激光通过硅波导时存在较高损耗，因此，激光雷达的最大输出功率受限，不易进一步提高。
本发明提供一种激光雷达，所述激光雷达包括：发射芯片，具有n个激光传输通道，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道具有一个光发射端，第i个激光传输通道的光发射端配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n；以及接收芯片，具有n个激光探测通道，与所述n个激光传输通道一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道具有一个光接收端，第i个激光探测通道的光接收端配置为发射第i条反射光束，其中，所述n个激光传输通道中的至少一部分采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，所述激光探测通道采用硅波导。
本发明中的激光雷达采用独立的发射芯片和接收芯片构成，发射芯片可以采用无源芯片，发射芯片上的激光传输通道可以采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，降低探测激光损耗，提高激光雷达的输出功率。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
图1为本发明一些实施例提供的多通道激光雷达的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种激光雷达1000，所述激光雷达1000包括发射芯片100以及接收芯片200，发射芯片100用于发射探测光束，接收芯片200用于接收反射光束并将反射光束与本振光束进行混频以探测目标，例如为障碍物的距离与速度，本文中，障碍物的距离指的是障碍物与激光雷达之间的距离，障碍物的速度指的是障碍物相对于激光雷达的速度。
发射芯片100具有n个激光传输通道110，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道110具有一个光发射端111，第i个激光传输通道110的光发射端111配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n。
接收芯片200具有n个激光探测通道210，与所述n个激光传输通道110一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道210具有一个光接收端211，第i个激光探测通道210的光接收端211配置为接收第i条反射光束。
本领域技术人员需要理解的是，对于第i条探测光束，其照射到障碍物上通常会发生漫反射，其对应的反射光束应该是朝向各个方向反射的，但对于激光雷达来说，通常只有沿探测光束的出光光路的至少一部分原路返回的反射光束才会被相应的第i个激光探测通道的光接收端接收到，即只有该反射光束是可以有效利用的，本文中的第i条反射光束及为沿相应第i条探测光束的出光光路的至少一部分原路返回的反射光束。
所述n个激光传输通道110中的至少一部分采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，所述激光探测通道210采用硅波导。SiN波导、SiO2波导以及光纤阵列相较于硅波导具有更好的激光传输特性，且具有较高的损伤阈值，不易破损。激光在SiN波导、SiO2波导以及光纤阵列中的传输损耗较低，尤其是在SiO2波导中，传输损耗率低于0.5 dB/km。
在一些实施例中，所述发射芯片100例如为无源芯片，发射芯片100上无需设置有源器件，其可以采用SiN基和/或玻璃基芯片，已保证发射芯片内部传输低损耗的激光。
在一些实施例中，如图1所示，发射芯片100可以包括探测激光接收端口130以及第一分束器120。探测激光接收端口130配置为接收探测激光，探测激光例如由外部输入发射芯片110中。第一分束器120设置在所述探测激光接收端口130与所述n个激光传输通道110之间，配置为将所述探测激光分束为所述n条探测光束。
在一些实施例中，如图1所示，所述接收芯片200例如为有源芯片，例如为硅基芯片，其上需要设置有源器件。在一些实施例中，所述接收芯片200包括本振激光接收端口230以及第二分束器220。本振激光接收端口230配置为接收本振激光，本振激光例如由外部输入至接收芯片200中。第二分束器220设置在所述本振激光接收端口230与所述n个激光探测通道210之间，配置为将所述本振激光分束为n条本振子光束Lo，所述n条本振子光束Lo分别进入所述有n个激光探测通道。
图2为本发明一些实施例中提供的接收芯片的结构示意图，其示出了一个激光探测通道的示意性结构。在一些实施例中，如图2所示，每个激光探测通道210中均具有混频器213以及检测器214。以第i个激光探测通道210为例，其中的混频器213配置为接收第i条本振子光束Lo以及第i条反射光束，并对第i条本振子光束以及第i条反射光束执行混频操作获得混频光束。其中的检测器214配置为接收所述混频光束并检测第i条本振子光束以及第i条反射光束之间的拍频以获得测定结果。即获得障碍物的距离和/或速度。所述拍频指的是所述本振光束和所述反射光束之间的频率差。
在一些实施例中，如图2所示，每个激光探测通道210中还包括偏振旋转器212，本案中，探测光束例如包括TE模式偏振光，其经障碍物反射后生成反射光束包括TM模式偏振光。对于第i个激光探测通道210来说，TM模式偏振光束经光接收端211进入激光探测通道210，其经过偏振旋转器212改变偏振方式形成TE模式偏振光，利于与同样是TE模式偏振光的本振子光束混频。
本领域技术人员可以理解的是，激光雷达芯片（包括发射芯片和/或接收芯片）上的波导通常仅仅可以传输TE模式偏振光，即由激光雷达芯片出射的探测光束通常为TE模式偏振光。而TE模式偏振光其经障碍物反射后通常产生自然光，但通常用于接收并进行探测的是其中的一部分，例如为TM模式偏振光，而对于自然光的另一部分，例如为TE模式偏振光，则通常不会被利用。本案中无特殊说明的情况下，第i条反射光束通常指的是反射的TM模式偏振光。
在一些实施例中，如图1所示，所述激光雷达1000还包括激光光源600以及分光器700。
激光光源600配置为产生激光，所述激光的至少一部分作为探测光束来执行探测，例如探测障碍物的距离和/或速度。激光光源600例如为半导体激光光源。激光光源600可以通过啁啾驱动直接调制。也就是说，控制激光光源600的驱动信号可以以随时间变化的强度输入到激光光源600，使得激光光源600产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。在一些实施例中，激光光源600还可以包括接收调制信号的调制器，调制器可以配置为基于调制信号调制光束，使得激光光源600产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。激光光源600在未调制时输出的激光光束的频率是基本上恒定的，称为未调制光束的频率，例如为100~300THz，激光光源600可以在调制后实现扫频光束的输出，扫频光束的频率范围与未调制光束的频率相关。激光光源600例如是外置光源，其通过光路（例如光纤）引入至发射芯片100中。
分光器700配置为将所述激光分束为所述探测激光和本振激光。探测激光和本振激光在任何时间点都具有相同的频率，即探测激光和本振激光的频率调制波形完全相同。分光器700例如可以通过光路（例如光纤）将探测激光引入发射芯片100中，例如利用光纤与发射芯片100的探测激光接收端口130对接。分光器700例如可以通过光路（例如光纤）将本振激光引入接收芯片200中，例如利用光纤与接收芯片200的激光接收端口230对接。
在一些实施例中，激光光源600和分光器700中的至少一个还可以集成在半导体芯片上，例如集成在接收芯片200上。
在一些实施例中，如图1所示，激光雷达1000还包括透镜组件300以及光束扫描引导装置400。
透镜组件300可以是透镜或者透镜组，具有聚焦和准直的功能。配置为对第i个传输通道的光发射端出射的探测光束执行准直并偏转，以及对第i条反射光束执行聚焦以耦合进入第i个激光探测通道的光接收端。
光束扫描引导装置400设置在所述透镜组件300靠近所述障碍物一侧，配置为随着时间调整来自第i个传输通道的光发射端出射的第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。光束扫描引导装置400例如为光学相控阵列(OPA)，通过在微观尺度上动态控制表面的光学特性，可以引导光束的方向。其他实施例中，光束扫描引导装置还可以包括光栅、镜式检流计、多面镜、MEMS镜或者光学相控阵列(OPA)与上述装置的组合。
在一些实施例中，如图1所示，所述透镜组件300包括第一透镜组件310，第一透镜组件310例如为凸透镜。所述发射芯片100与所述接收芯片200并排设置，n条探测光束均为TE模式偏振光，其偏振方向如图1所示，平行于纸面，采用两端带箭头的竖线标示，n条反射光束均为TM模式偏振光，其偏振方向如图1所示，垂直于纸面，采用黑色原点标示。第一透镜组件310设置在发射芯片100与所述接收芯片200的组合和光束扫描引导装置400之间。
如图1所示，所述激光雷达1000还包括偏振光束偏置器500，所述偏振光束偏置器500例如设置在所述第一透镜组件310和所述发射芯片100与所述接收芯片200的组合之间，所述偏振光束偏置器500配置为允许TM模式偏振光保持原方向通过，以及平移偏置经过所述偏振光束偏置器500的TE模式偏振光。
以下具体解释探测光束及反射光束的传输路径，以第i个激光传输通道及其发射的第i条探测光束以及它们对应的第i个激光探测通道及第i条反射光束为例。
如图1所示，第i个激光传输通道110的光发射端111沿平行于第一透镜组件310的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束依次经过所述偏振光束偏置器500、第一透镜组件310、光束扫描引导装置400到达所述障碍物形成第i条反射光束。
具体地，第i条探测光束为TE模式偏振光沿平行于第一透镜组件310的光轴方向进入偏振光束偏置器500，偏振光束偏置器500使得第i条探测光束朝向第一透镜组件310的光轴平移偏置，其自偏振光束偏置器500出射后依然沿平行于第一透镜组件310的光轴的方向，并朝向第一透镜组件310传输，具体地，第i条探测光束经过偏振光束偏置器500后平移预定距离d，称为偏置距离d，传输方向不变。第一透镜组件310对第i条探测光束执行准直并将其朝向第一透镜组件310的光轴偏转。第i条探测光束具有一定的发散角度，经过第一透镜组件310后，第i条探测光束准直成平行光束，并朝向第一透镜组件310的光轴偏转。光束扫描引导装置400随着时间调整第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。
第i条探测光束遇到障碍物后形成第i条反射光束，其包括TM模式偏振光，第i条反射光束沿原光路返回至所述偏振光束偏置器500，所述偏振光束偏置器500不改变第i条反射光束的行进方向，第i条反射光束沿平行第一透镜组件的光轴的方向入射至第i个激光探测通道的光接收端211。具体地，第i条反射光束为TM模式偏振光，其沿第i条探测光束的光路返回至偏振光束偏置器500，并保持行进方向入射至第i个激光探测通道的光接收端211。
在一些实施例中，如图1所示，第i个激光传输通道110的光发射端111与第i个激光探测通道210的光接收端211之间的距离基本上等于所述偏振光束偏置器对所述TE模式偏振光的偏置距离d，使得第i条反射光束可以耦合进入第i个激光探测通道210的光接收端211，以便于后续执行混频探测。
所述偏置距离d满足以下公式：
Figure 741868DEST_PATH_IMAGE001
其中，L为偏振光束偏置器的厚度，α为偏振光束偏置器对所述TM模式偏振光的偏转角度，θ为偏振光束偏置器的光轴与波矢之间的角度，no为TM模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率，ne为TE模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率，如图1所示，波矢例如为水平方向，偏振光束偏置器的光轴由间断线标示。
在一些实施例中，如图1所示，发射芯片100上的n个激光传输通道110的光发射端111以第一间距d1等间距间隔设置，接收芯片200所述n个激光探测通道210的光接收端211以第二间距d2等间距间隔设置，第一间距d1与第二间距d2相等。如此设置，可以使得发射芯片100和接收芯片200并排设置时，每个激光传输通道110的光发射端111与其对应的激光探测通道210的光接收端211之间的距离相等，通过配合合适的偏振光束偏置器500来实现多通道的激光雷达探测。
在一些实施例中，所述发射芯片100与所述接收芯片200采用一体结构，采用构图工艺在同一衬底上形成。图3为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图。图3中所示的实施例与图1中所示的实施例的结构大致相同，相同部件采用相同的编号。两者相同的结构在此不在赘述，以下主要详细介绍两者的不同之处。
如图3所示，本发明一些实施例提供一种激光雷达2000，其例如包括激光光源600、分光器700、激光雷达芯片800、偏振光束偏置器500、第一透镜组件310以及光束扫描引导装置400。
激光雷达芯片800对应图1所示的实施例中的激光雷达1000中的发射芯片100和接收芯片200的组合。即相当于将发射芯片和接收芯片采用半导体工艺一体形成。具体地，激光雷达芯片800例如为硅基芯片，其包括发射区域100a和接收区域200a。
发射区域100a对应图1中的发射芯片100，具有n个激光传输通道110，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道110具有一个光发射端111，第i个激光传输通道110的光发射端111配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n。
接收区域200a对应图1中的接收芯片200，具有n个激光探测通道210，与所述n个激光传输通道110一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道210具有一个光接收端211，第i个激光探测通道210的光接收端211配置为接收第i条反射光束。
所述n个激光传输通道110中的至少一部分采用SiN波导，所述激光探测通道210采用硅波导。SiN波导、相较于硅波导具有更好的激光传输特性，且具有较高的损伤阈值，不易破损。
在一些实施例中，激光雷达芯片800整体上采用硅基衬底，将激光雷达芯片800划分为发射区域100a和接收区域200a，在发射区域100a中，在硅基衬底上形成SiN层，随后在其上形成SiN波导等其他无源器件。在接收区域200a，在硅基衬底上形成硅波导及一些有源器件，例如混频器、检测器等。
相较于两个独立芯片并排拼接需要繁琐的对准且对准偏差较大的缺点，采用单一芯片划分两个区域，采用半导体工艺在其上同步形成各种组件，组件之间的位置关系更加精确，且偏差较小，不需要负责的对准工艺。例如采用半导体工艺可以精确地制造使得每个激光传输通道110的光发射端111与其对应的激光探测通道210的光接收端211之间的距离均保持一致。相邻任两个激光传输通道110的光发射端111之间的距离亦保持一致，相邻任两个激光探测通道210的光接收端211之间的距离亦保持一致。可以使得每一激光传输通道110发射的探测光束对应的反射光束均能够准确地被相应的激光探测通道210准确接收，利用激光雷达的探测准确性。
图4为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图。图4中所示的实施例与图1中所示的实施例的结构大致相同，相同部件采用相同的编号。两者相同的结构在此不在赘述，以下主要详细介绍两者的不同之处。
如图4所示，本发明一些实施例提供一种激光雷达3000，其例如包括发射芯片100、接收芯片200、透镜组件300、以及光束扫描引导装置400。激光雷达3000亦可以包括激光光源以及分光器。
图4所示，透镜组件300包括第二透镜组件320和第三透镜组件330，两者例如均为凸透镜。n条探测光束为TE模式偏振光，n条反射光束为TM模式偏振光。
所述激光雷达3000还包括偏振分束器900，所述偏振分束器配置为允许TE模式偏振光保持原方向通过，以及偏转经过所述偏振分束器的TM模式偏振光，例如为反射TM模式偏振光。本实施例中，采用偏振分束器900代替图1中的偏振光束偏置器500来引导TM模式偏振光。
如图4所示，发射芯片100与接收芯片200分立设置，第二透镜组件320设置在发射芯片100与偏振分束器900之间，用于准直发射芯片100出射的n条探测光束，第三透镜330设置在接收芯片200与偏振分束器900之间，用于聚焦n条光束，使其耦合进入接收芯片200的n个激光探测通道。
以下具体解释探测光束及反射光束的传输路径，以第i个激光传输通道及其发射的第i条探测光束以及它们对应的第i个激光探测通道及第i条反射光束为例。
如图4所示，第i个激光传输通道110的光发射端11沿平行于第二透镜组件320的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束依次经过第二透镜组件320、偏振分束器900、光束扫描引导装置400到达所述障碍物形成第i条反射光束，第i条反射光束沿原光路偏振分束器900，经所述偏振分束器偏转后，经过第三透镜组件330，沿平行第三透镜组件330的光轴的方向入射至第i个激光探测通道210的光接收端211。
具体地，第i条探测光束为TE模式偏振光，沿平行于第二透镜组件320的光轴的方向朝向第二透镜组件320传输，第二透镜组件320对第i条探测光束执行准直并将其朝向第二透镜组件320的光轴偏转。第i条探测光束具有一定的发散角度，经过第二透镜组件320后，第i条探测光束准直成平行光束，并朝向第二透镜组件320的光轴偏转。作为TE模式偏振光的第i条探测光束经过偏振分束器900后传输方向不发生变化，其入射至光束扫描引导装置400，光束扫描引导装置400随着时间调整第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描随着时间调整第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。
第i条探测光束遇到障碍物后形成第i条反射光束，其包括TM模式偏振光，第i条反射光束沿原光路返回至所述偏振分束器900，经过偏振分束器900的第i条反射光束发生偏转，入射第三透镜组件330。第三透镜组件330的光轴与第二透镜组件320的光轴之间例如存在夹角，该夹角例如为90°，如图4所示。第i条反射光束例如为平行光束，第三透镜组件330将第i条反射光束聚焦至第i个激光探测通道210的光接收端211处，使其便于耦合进入第i个激光探测通道210。
采用该种结构，发射芯片100与接收芯片200两者之间无需精确对准，两者需要分别与第二透镜组件320和第三透镜组330进行对位调整，系统装配简便。
图5为本发明一些实施例提供的激光雷达的结构示意图。图5中所示的实施例与图3中所示的实施例的结构大致相同，相同部件采用相同的编号。两者相同的结构在此不在赘述，以下主要详细介绍两者的不同之处。
如图5所示，本发明一些实施例提供一种激光雷达芯片800a以及包括激光雷达芯片800a的激光雷达4000。
所述激光雷达芯片800a包括衬底，以及设置在衬底上的n个激光传输通道110以及n个激光探测通道210。衬底例如为硅基衬底。
n个激光传输通道110设置在所述衬底上，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道110具有一个光发射端111，第i个激光传输通道110的光发射端111配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n。
n个激光探测通道210设置在所述衬底上，与所述n个激光传输通道110一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道210具有一个光接收端211，第i个激光探测通道210的光接收端211配置为接收第i条反射光束。
所述n个激光传输通道110和所述n个激光探测通道210交替排布，所述n个激光传输通道中的至少一部分采用SiN波导，所述激光探测通道采用硅波导。SiN波导、相较于硅波导具有更好的激光传输特性，且具有较高的损伤阈值，不易破损。激光在SiN波导的传输损耗较低。
具体地，如图5所示，激光雷达芯片800a的衬底可以分为n个发射子区域A1和n个接收子区域A2，每个发射子区域A1上设置一个激光传输通道110，每个接收子区域A2上设置一个激光探测通道210。n个发射子区域A1和n个接收子区域A2交替排布。发射子区域A1中，在硅基衬底上形成SiN层，然后再形成SiN波导等无源器件。接收子区域A2中，在硅基衬底上直接形成硅波导及有源器件。
在一些实施例中，如图5所示，第i个激光传输通道的光发射端和第i个激光探测通道的光接收端之间的距离与第i+1个激光传输通道的光发射端和第i+1个激光探测通道的光接收端之间的距离相等。即每个激光传输通道110的光发射端111与其对应的激光探测通道210的光接收端211之间的距离为同一预定值。
在一些实施例中，任意相邻两个激光传输通道110的光发射端111之间的距离与任意相邻两个激光探测通道210的光接收端211之间的距离相等。
在一些实施例中，如图5所示，所述激光雷达芯片800a还包括接收端口830、分光器700、第一分束器120以及第二分束器220。
接收端口830配置为接收激光，探测激光例如由外部输入激光雷达芯片800a中。分光器700配置为将所述激光分束为探测激光以及本振激光，探测激光和本振激光在任何时间点都具有相同的频率，即探测激光和本振激光的频率调制波形完全相同。
第一分束器120设置在所述分光器700与所述n个激光传输通道110之间，配置为将所述探测激光分束为所述n条探测光束。第二分束器220设置在所述分光器700与所述n个激光探测通道210之间，配置为将所述本振激光分束为n条本振子光束，所述n条本振子光束分别进入所述n个激光探测通道210。第一分束器120与第二分束器220例如为一体结构。
在一些实施例中，接收端口830、分光器700、第一分束器120与第二分束器220均可以为无源器件，其所在区域可以在硅基衬底上形成SiN层以形成SiN波导，利于降低激光在该些器件之间传输时的损耗。
图6为图5中激光雷达芯片的部分结构示意图，其示出了一个接收子区域中的激光探测通道的示意性结构。在一些实施例中，如图6所示，每个激光探测通道210中均具有混频器213以及检测器214。以第i个激光探测通道210为例，其中的混频器213配置为接收第i条本振子光束Lo以及第i条反射光束，并对第i条本振子光束以及第i条反射光束执行混频操作获得混频光束。其中的检测器214配置为接收所述混频光束并检测第i条本振子光束以及第i条反射光束之间的拍频以获得测定结果。即获得障碍物的距离和/或速度。所述拍频指的是所述本振光束和所述反射光束之间的频率差。
在一些实施例中，如图6所示，每个激光探测通道210中还包括偏振旋转器212，本案中，探测光束例如为TE模式偏振光，其经障碍物反射后生成反射光束为TM模式偏振光。对于第i个激光探测通道210来说，TM模式偏振光束经光接收端211进入激光探测通道210，其经过偏振旋转器212改变偏振方式形成TE模式偏振光，利于与同样是TE模式偏振光的本振子光束混频。
在一些实施例中，如图6所示，每个激光探测通道210中还包括波导转换器215，用于将SiN波导转换连接至硅基波导，保证本振子光束Lo的传输。
在一些实施例中，如图5所示，激光雷达4000还包括透镜组件300以及光束扫描引导装置400。透镜组件300可以是透镜或者透镜组，具有聚焦和准直的功能。配置为对第i个传输通道的光发射端出射的探测光束执行准直并偏转，以及对第i条反射光束执行聚焦以耦合进入第i个激光探测通道的光接收端。
光束扫描引导装置400设置在所述透镜组件300靠近所述障碍物一侧，配置为随着时间调整来自第i个传输通道的光发射端出射的第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。光束扫描引导装置400例如为光学相控阵列(OPA)，通过在微观尺度上动态控制表面的光学特性，可以引导光束的方向。其他实施例中，光束扫描引导装置还可以包括光栅、镜式检流计、多面镜、MEMS镜或者光学相控阵列(OPA)与上述装置的组合。
在一些实施例中，如图5所示，所述透镜组件300包括第一透镜组件310，第一透镜组件310例如为凸透镜。n条探测光束均为TE模式偏振光，其偏振方向如图5所示，平行于纸面，采用两端带箭头的竖线标示，n条反射光束均为TM模式偏振光，其偏振方向如图1所示，垂直于纸面，采用黑色原点标示。第一透镜组件310设置在激光雷达芯片800a和光束扫描引导装置400之间。
如图5所示，所述激光雷达1000还包括偏振光束偏置器500，所述偏振光束偏置器500例如设置在所述第一透镜组件310和激光雷达芯片800a之间，所述偏振光束偏置器500配置为允许TM模式偏振光保持原方向通过，以及平移偏置经过所述偏振光束偏置器500的TE模式偏振光。
以下具体解释探测光束及反射光束的传输路径，以第i个激光传输通道及其发射的第i条探测光束以及它们对应的第i个激光探测通道及第i条反射光束为例。
如图5所示，第i个激光传输通道110的光发射端111沿平行于第一透镜组件310的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束依次经过所述偏振光束偏置器500、第一透镜组件310、光束扫描引导装置400到达所述障碍物形成第i条反射光束。
具体地，第i条探测光束包括TE模式偏振光，沿平行于第一透镜组件310的光轴方向进入偏振光束偏置器500，偏振光束偏置器500使得第i条探测光束朝向第一透镜组件310的光轴平移偏置，其自偏振光束偏置器500出射后依然沿平行于第一透镜组件310的光轴的方向，并朝向第一透镜组件310传输，具体地，第i条探测光束经过偏振光束偏置器500后平移预定距离d，称为偏置距离的d，传输方向不变。第一透镜组件310对第i条探测光束执行准直并将其朝向第一透镜组件310的光轴偏转。第i条探测光束具有一定的发散角度，经过第一透镜组件310后，第i条探测光束准直成平行光束，并朝向第一透镜组件310的光轴偏转。光束扫描引导装置400随着时间调整第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。
第i条探测光束遇到障碍物后形成第i条反射光束，其包括TM模式偏振光，第i条反射光束沿原光路返回至所述偏振光束偏置器500，所述偏振光束偏置器500不改变第i条反射光束的行进方向，第i条反射光束沿平行第一透镜组件的光轴的方向入射至第i个激光探测通道的光接收端211。具体地，第i条反射光束为TM模式偏振光，其沿第i条探测光束的光路返回至偏振光束偏置器500，并保持行进方向入射至第i个激光探测通道的光接收端211。
在一些实施例中，如图5所示，第i个激光传输通道110的光发射端111与第i个激光探测通道210的光接收端211之间的距离基本上等于所述偏振光束偏置器对所述TE模式偏振光的偏置距离d，使得第i条反射光束可以耦合进入第i个激光探测通道210的光接收端211，以便于后续执行混频探测。
所述偏置距离d满足以下公式：
Figure 548150DEST_PATH_IMAGE001
其中，L为偏振光束偏置器的厚度，α为偏振光束偏置器对所述TM模式偏振光的偏转角度，θ为偏振光束偏置器的光轴与波矢之间的角度，no为TM模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率， ne为TE模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率。
相较于图1所示的实施例，图5所示的实施例中的偏振光束偏置器可以设计的更小，实现激光雷达整体的小型化。
在一些实施例中，如图5所示，激光雷达4000还包括激光光源600与所述激光雷达芯片800a对接，配置为产生激光。
图7为本发明提供的FWCW扫频方式的探测光束与接收光束的波形图。如图7所示，多通道激光雷达发射的探测光束的扫频光信号采用实线表示，实线体现出射光束的频率随时间变化的曲线，扫频光信号例如为周期性的三角波信号，激光雷达接收的反射光束的反射光信号采用虚线表示，虚线体现接收到的反射光束的频率随时间变化的曲线，反射光信号亦例如为周期性的三角波信号，其与扫频光信号之间存在延时。
图7中仅示出了两个扫频测量周期，在每个扫频测量周期内，扫频光信号包括一个升频阶段和一个降频阶段，相应的，对应的反射光信号亦包括一个升频阶段和一个降频阶段。
如图7所示，横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示频率，单位为GHz，探测光束的频率例如随着时间的增长由0增加至4GHz，随后由4GHz降至0，如此周期变化，相应地，接收的反射光束频率亦例如随着时间的增长由0增加至4GHz，随后由4GHz降至0，如此周期变化。
对于任一个测量点来说，所述障碍物的距离R由以下公式确定：
Figure 926042DEST_PATH_IMAGE002
其中，T0为预设扫频测量周期，fBW为所述预设扫频带宽，fb1为升频阶段的升频拍频，fb2为降频阶段的降频拍频，C0为光速。
所述障碍物的速度 v满足以下关系：
Figure 792367DEST_PATH_IMAGE003
其中，C0为光速，fb1为升频阶段的升频拍频，fb2为降频阶段的降频拍频，f0为未调制光束的频率。
本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用举例的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：
发射芯片，具有n个激光传输通道，配置为传输n条探测光束，每一个激光传输通道具有一个光发射端，第i个激光传输通道的光发射端配置为发射第i条探测光束，所述n条探测光束遇到障碍物后分别反射产生n条反射光束，第i条探测光束对应第i条反射光束，其中n，i为正整数，且n≥1，1≤i≤n；以及
接收芯片，具有n个激光探测通道，与所述n个激光传输通道一一对应，配置为传输所述n条反射光束，每一个激光探测通道具有一个光接收端，第i个激光探测通道的光接收端配置为接收第i条反射光束，
其中，所述n个激光传输通道中的至少一部分采用SiN波导、SiO2波导、光纤阵列中的至少一种，所述激光探测通道采用硅波导，
激光雷达还包括：
透镜组件，配置为对第i个传输通道的光发射端出射的探测光束执行准直并偏转，以及对第i条反射光束执行聚焦以耦合进入第i个激光探测通道的光接收端，所述透镜组件包括第一透镜组件，所述发射芯片与所述接收芯片并排设置，第i条探测光束包括TE模式偏振光，第i条反射光束包括TM模式偏振光；
偏振光束偏置器；所述偏振光束偏置器设置在所述第一透镜组件和所述发射芯片与所述接收芯片的组合之间，所述偏振光束偏置器配置为允许TM模式偏振光保持原方向通过，以及平移偏置经过所述偏振光束偏置器的TE模式偏振光。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其中，所述发射芯片为无源芯片，所述发射芯片包括：
探测激光接收端口，配置为接收探测激光；以及
第一分束器，设置在所述探测激光接收端口与所述n个激光传输通道之间，配置为将所述探测激光分束为所述n条探测光束。
3.根据权利要求2所述的激光雷达，其中，所述接收芯片为有源芯片，所述接收芯片包括：
本振激光接收端口，配置为接收本振激光；以及
第二分束器，设置在所述本振激光接收端口与所述n个激光探测通道之间，配置为将所述本振激光分束为n条本振子光束，所述n条本振子光束分别进入所述n个激光探测通道，
第i个激光探测通道中具有：
混频器，配置为接收第i条本振子光束以及第i条反射光束，并对第i条本振子光束以及第i条反射光束执行混频操作获得混频光束；以及
检测器，配置为接收所述混频光束并检测第i条本振子光束以及第i条反射光束之间的拍频以获得测定结果。
4.根据权利要求3所述的激光雷达，其中，所述激光雷达还包括：
激光光源，配置为产生激光；以及
分光器，配置为将所述激光分束为所述探测激光和本振激光。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光雷达，其中，激光雷达还包括：
光束扫描引导装置，设置在所述透镜组件靠近所述障碍物一侧，配置为随着时间调整来自第i个传输通道的光发射端出射的第i条探测光束的出射方向以实现光束扫描。
6.根据权利要求5所述的激光雷达，其中，
第i个激光传输通道的光发射端沿平行于第一透镜组件的光轴的方向发射第i条探测光束，第i条探测光束经过所述偏振光束偏置器平移偏置后依次经过第一透镜组件、光束扫描引导装置到达所述障碍物形成第i条反射光束，第i条反射光束沿原光路返回至所述偏振光束偏置器，并保持原方向经过所述偏振光束偏置器，第i条反射光束沿平行第一透镜组件的光轴的方向入射至第i个激光探测通道的光接收端。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其中，第i个激光传输通道的光发射端与第i个激光探测通道的光接收端之间的距离基本上等于所述偏振光束偏置器对所述TE模式偏振光的偏置距离d，所述偏置距离d满足以下公式：
Figure QLYQS_1
，
其中，L为偏振光束偏置器的厚度，α为偏振光束偏置器对所述TM模式偏振光的偏转角度，θ为偏振光束偏置器的光轴与波矢之间的角度，no为TM模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率， ne为TE模式偏振光在偏振光束偏置器中的折射率。
8.根据权利要求6所述的激光雷达，其中，n个激光传输通道的光发射端以第一间距d1等间距间隔设置，所述n个激光探测通道的光接收端以第二间距d2等间距间隔设置，其中，第一间距d1与第二间距d2相等。
9.根据权利要求6所述的激光雷达，其中，所述发射芯片与所述接收芯片采用一体结构，采用构图工艺在同一衬底上形成。
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