CN115605774A - 光电系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光电系统(100)，所述光电系统包括衬底(210)；至少一个光电探测单元(140)，其至少部分地设置于衬底(210)上用于探测信号光(174)；至少一个光波导(230)，其至少部分地设置于衬底(210)上，所述至少一个光波导(230)中的每一个光波导连接至所述至少一个光电探测单元(140)中的一个光电探测单元，以输入本振光(173)；和至少一个电子输出端口(240)，其连接到至少一个光电探测单元(140)，以传输所述至少一个光电探测单元(140)发出的至少一个电子输出信号，其中所述至少一个电子输出信号与所述信号光(174)和所述本振光(173)相关联。
Description
技术领域
本申请涉及激光雷达技术。具体地，本申请涉及相干闪光激光雷达。
背景技术
激光雷达(Lidar)是指“光探测和测距”(light detection and ranging)。这是一种测量方法，用于通过用激光照射目标并测量激光与反射信号光的返回时间和波长的差值来测量激光雷达与目标之间的距离。目前，激光雷达广泛用于制作物体的3D图像。
目前，大多数激光雷达都使用飞行时间(Time of Flight，TOF)技术，这是一种基于激光发射与激光返回至激光雷达之间的时间差Δt，利用固定波长的激光脉冲来测量激光雷达与目标之间距离的方法。有鉴于此，激光雷达需要通过一束或多束激光束扫描目标所在的视场。该技术需要采用一个旋转部件，从而通过激光束扫描视场。由于存在旋转部分且3D图像是逐点测量的，3D图像的获取速度较慢。
或者，激光雷达可以通过单个光源发射单个脉冲照亮视场，就像相机一样，只不过拍摄的是距离而非色彩。这类激光雷达称为闪光激光雷达。然而，由于返回的脉冲较弱和进行探测的电子器件的带宽较宽，TOF闪光激光雷达容易被噪声影响，并且在测量Δt时，触及阈值会引起误差。因此，TOF闪光激光雷达无法实现远距离信号探测。
因此，为了解决上述技术问题，需要设计一种固态闪光激光雷达，从而能够进行远距离信号探测，同时免受噪声影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种将多个光电探测器集成在芯片上的光电系统。采用了调频连续波技术，将反射信号光和与信号光相干的本振光输入到所述芯片中，所述光电系统可以进行远距离信号探测而仅仅引起较低的噪声。
根据本申请的一个方面，所述光电系统可以包括衬底；至少一个光电探测单元，至少部分地设置于衬底上用于探测信号光；至少一个光波导，至少部分地设置于衬底上，所述至少一个光波导中的每一个光波导连接至所述至少一个光电探测单元中的一个光电探测单元，以输入本振光；和至少一个电子输出端口，连接到至少一个光电探测单元，以传输所述至少一个光电探测单元发出的至少一个电子输出信号，其中所述至少一个电子输出信号与所述信号光和所述本振光相关联。
根据一些实施例，所述至少一个光电探测单元中的每一个光电探测单元都是通过光电技术(例如，磷化铟、InGaAs等)或集成电路技术中的至少一种来生产。
根据一些实施例，所述至少一个光电探测单元中的每一个光电探测单元包括至少一个平衡式光电探测器。
根据一些实施例，所述至少一个平衡式光电探测器包括：第一光输入接口，设置于所述衬底上并连接至所述光波导，以从所述光波导接收所述本振光；第二光输入接口，设置于所述衬底上，以接受信号光；光耦合单元，设置于所述衬底上，连接至所述第一光输入接口与所述第二光输入接口，其中，所述光耦合单元耦合所述本振光和所述信号光以产生第一干涉光与第二干涉光；第一光输出接口，连接至所述光耦合单元，以输出所述第一干涉光；和第二光输出接口，连接至所述光耦合单元，以输出所述第二干涉光。
根据一些实施例，所述至少一个平衡式光电探测器还包括：第一光电探测器，用于接收所述第一干涉光并将所述第一干涉光转换为第一电流；第二光电探测器，用于接收所述第二干涉光并将所述第二干涉光转换为第二电流；和电流汇流器，连接至：所述第一光电探测器，从而接收所述第一电流；所述第二光电探测器，从而接收所述第二电流；和所述至少一个电子输出端口中的一个电子输出端口；其中，各所述电流汇流器合并所述第一电流和所述第二电流，以形成所述至少一个电子输出信号。
根据一些实施例，所述电流汇流器包括至少一个放大器。
根据一些实施例，所述第二光输入接口包括至少一个微型光学透镜，用于将所述信号光聚焦至所述光耦合单元。
根据一些实施例，所述本振光与所述信号光相干。
根据一些实施例，所述本振光包括调制光波。
根据一些实施例，所述调制光波为调频连续波。
根据一些实施例，所述调制光波是调幅连续波或调相连续波中的至少一种。
根据一些实施例，所述至少一个光波导中的每一个光波导用于补偿相对于参考相位存在相位差的所述本振光。
根据一些实施例，所述至少一个光波导包括移相单元，用于补偿相对于所述参考相位存在相位差的所述本振光。
根据一些实施例，所述至少一个光波导通过光路长度补偿来补偿存在所述相位差的所述本振光。
根据一些实施例，所述至少一个光波导用于通过折射率补偿来补偿存在所述相位差的所述本振光。
根据一些实施例，所述光电系统还包括用于发射源光的光源。
根据一些实施例，所述光电系统还包括分束器，用于接收所述源光并将所述源光分成发射信号光和所述本振光。
根据一些实施例，所述信号光是目标物体反射回的所述发射信号光。
根据一些实施例，所述光电系统还包括光发射端口，用于发射所述发射信号光。
根据一些实施例，所述光发射端口包括漫射器，用于接收所述发射光束并将所述发射光束漫射到目标物体。
附图说明
将采用示例性实施例进一步描述本申请。从而使得当结合附图阅读时，通过以下详细描述可以更加清晰地理解本申请的实施例的上述和其他方面。
图1A示出了根据本申请的实施例的光学探测系统；
图1B示出了根据本申请的实施例的锯齿波调频信号；
图2A示出了根据本申请的实施例的光电探测器组件的结构；
图2B示出了根据本申请的实施例的设置于衬底上的平板光波导的结构；
图2C示出了根据本申请的实施例的平衡式光电探测器单元的示意图；和
图2D示出了根据本申请的实施例的光接收孔的示意图。
具体实施方式
以下描述是为了使本领域的任何技术人员能够制作和使用本申请，并且是在特定用途及其要求的背景下提供。对所公开的实施例所做的各种修改应易于由本领域技术人员理解，并且在不脱离本申请的精神和范围的前提下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施例和用途。因此，本申请不仅仅限于所示的实施例，而是遵从和权利要求一致的最广范围。
本文中所使用的术语仅用于描述特定示例性实施例，而非用于设置限制。本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也可以旨在包括复数形式，除非本文另行明确说明。还应理解，本说明书中所使用的术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或及其组合。用于描述两个元素之间的相对位置的术语，例如“之中”、“之上”、“上面”、“下面”和“相接触”，可以视为直接或间接处于该相对位置。例如，术语“A接触B”可以视为A直接接触B或A间接接触B。
本申请中的这些及其他特征和特点，以及具有某一结构的相关元件以及部件的组合的操作方法和功能及其生产的经济性可以通过借鉴以下描述并参考所述附图更清晰地进行理解，所有这些描述和附图构成了本说明书的部分内容。然而，应明确理解，所述附图仅仅用于说明和描述，并不用于限制本申请的范围。应理解，所述附图并非按比例绘制。
本申请中使用的流程图示出了系统根据本申请的一些实施例的实现的操作。需要明确理解的是，流程图示出的操作可以按顺序执行，也可以不按顺序执行。反之，这些操作可以按相反的顺序执行或同时执行。此外，一个或多个其他操作可以添加到流程图中。可以从流程图中删除一个或多个操作。
此外，虽然主要针对无人移动平台描述了本发明的系统和方法，但也应当理解，这仅仅用作一个示例性实施例。本申请的系统或方法可以应用于任何其他类型的移动平台。
图1A示出了根据本申请的实施例的光电探测系统100。所述光电探测系统(以下称为“系统”)100可以包括光源110、分光器180和光电探测器组件140。所述系统100的上述组件可以设置和/或连接在光路160中。
所述光路160可以是所述系统100中的光穿过的路径。在图1A中，光路160可以被划分为由不同材料制成的若干部分。例如，所述光路160可以包括第一光路161、第二光路162、第三光路163和第四光路164。将在本申请的其他部分详细描述这些光路。
所述第一光路161可以是连接所述光源110的波导。所述第一光路161可以是空气，也可以是固态波导，例如，光纤或者在光学芯片上设置的波导。
所述光源110可以是光发生器，用于发射第一光或者是源光171，其穿过所述第一光路161。所述源光171可以是连续波。例如，所述光源110可以是连续波发生器，例如，激光发生器；相应地，所述源光171可以是连续波，例如，激光束。此外，所述光源110可以是光发生器，用于发射经调制的连续波。相应地，所述源光171可以是经调制的光。例如，所述源光171可以是调频光(即，调频连续波，FMCW)、调幅光(即，调幅连续波，AMCW)、调相光(即，调相连续波，PMCW)或前述任意组合的调制光。仅用于说明目的，本申请中以激光发生器作为所述光源110的示例，并且以FMCW激光束作为所述源光171的示例。此外，可以对所述激光束110进行各种频率调制，例如锯齿波频率调制、三角波频率调制、正弦波频率调制或其任意组合。本申请以锯齿波频率调制作为源光171的示例来说明本发明。假设所述锯齿形FMCW具有如图1B所示的形式，其中，所述源光171的起始频率为fc，该频率下的扫描带宽为B，所述频率下的扫描周期为T，所述源光171可以表示为：
其中，E0表示所述源光171，0是所述源光171的幅值，ts是从第n次扫描开始计算的时间，其中，0<ts<T，α＝B/T，α是所述锯齿波函数的斜率，并且
是所述信号的所述初始相位。
尽管在本申请中以锯齿形FMCW激光束为示例来说明本发明，但本领域普通技术人员应明白，在本申请提交时，针对所述激光束110的其他类型的调制和其他波形的调制也可以应用于本申请，而不背离本发明的精神。
所述源光171可以穿过所述第一光路161并且可以输入到所述分光器180中。所述分光器180可以是任何类型的分光器，前提是其可以实现将部分源光171发送到所述第三光路163，并可以产生照亮整个视场(FOV)的光场，如图1A所示，其中，所述视场中存在目标物体150。所述分光器180可以是所述光源110的一部分，也可以是独立于所述光源110的光学单元。
例如，所述分光器180可以包括第一分光器120，其可以连接到所述第一光路161的另一端。所述第一分光器120可以是光学单元，用于传播所述源光171。当穿过所述第一分光器120时，所述源光171可以被所述第一分光器120分成两个或以上单独的光束。例如，所述第一分光器120可以是衍射光学单元，例如，第一分束器。此处，所述第一分束器可以是1×k光耦合器，用于将输入光束分成k个输出光束，其中，k为大于1的整数。所述第一分光器120也可以是光栅或其他类型的光学单元，例如半镀银镜，用于拆分所述源光171。
所述第一分光器120可以固定和/或位于所述光路160中。例如，所述第一分光器120可以连接到所述第一光路161的另一端，以用作输入光路。如图1A所示，在接收光输入即所述源光171之后，所述第一分光器120可以将所述源光171分成两个单独的光束——第二光线172和第三光线173。或者，所述第一分光器120可以将所述源光171分成多个光束。所述多个光束中的至少一个光束可以形成所述第三光线173并且可以输出到所述第三光路163，并且所述多个光束中的其余光束可以形成所述第二光线172并且可以输出到所述第二光路162。
在一些实施例中，所述第二光线172可以发射到所述目标物体150，因此可以称为发射信号光；且所述第三光线173可以用作参考光或本振光，从而用作参考以便当所述第二光线172从所述目标物体150反射回来时，分析所述第二光线172携带的目标物体的信息。所述反射的第二光线172可以称为反射信号光174。由于所述源光171和所述第二光线172是通过对同一个相干源光171进行拆分、分光和/或衍生后获得的，所述相干源光171可以是连续波和/或FMCW激光；所述源光171、所述第二光线172和所述第三光线173是相干的。
以图1A所示的锯齿形FMCW激光为例，此时，第二光线172可以表示为：
其中，PS是所述第二光线172的所述功率幅值，且所述第三光线173可以表示为：
其中，PL是所述第三光线173的功率幅值。
在从所述第一分光器120输出或发射之后，所述第三光线173可以通过第三光路163而射向所述光电探测器组件140；且所述第二光线172可以射入第二光路162。所述第三光路163的一端可以连接到所述第一分光器120并且另一端连接到所述光电探测器组件140。所述第三光路163可以是空气，也可以是固态波导，例如，光纤或者设置在芯片上的平板波导，还可以是空气和固态波导的任意组合。
所述第二光路162的一端可以连接到所述第一分光器120。所述第二光路162可以是连接到所述第一分光器120的波导。所述第二光路162可以是空气，也可以是固态波导，例如，光纤或者设置在芯片上的平板波导，还可以是空气和固态波导的任意组合。
此外，所述第二光路162可以将所述第二光线172引向所述目标物体150。例如，当第一分光器120将所述源光171拆分和/或分光成多个光束时，所述第二光线172相应地包括多个或一簇激光束。所述第二光线172中包括的多个或一簇激光束可以穿过所述第二光路。所述第二光路162可直接将所述第二光线172射向所述目标物体150，或通过所述第二光路162中的投影仪(未示出)将所述第二光线172射向所述目标物体150。例如，透镜组件可以固定在所述第二光路162中(或者如果所述第二光路是固态波导，则所述第二光路162可以连接到所述透镜组件)，从而修改包括在所述第二光线172中的该光束簇的形状并且将所述第二光线172投射到所述目标物体150。
在所述第一分光器120仅将所述源光171拆分和/或分光成2个光束的情况下，即所述第二光线172和所述第三光线173，所述分光器180还可以包括位于所述第二光路162中的第二分光器130。所述第二分光器130可以是衍射光学单元，例如用于漫射所述第二光线172的一个或多个漫射器。所述第二分光器130也可以是一个或多个分束器和/或一个或多个发散透镜，以发散或展开穿过其中的平行光束。在所述第二光线172经过漫射、发散和/或展开之后，所述第二光线172可以沿着所述第二光路162射向视场中的所述目标物体150。
因此，所述第二光线172可以变成发散激光束或激光束簇或仍保持为平行激光束。然后，所述第二光线172可以入射到所述目标物体的表面并沿着所述第四光路164作为反射信号光174反射回所述光电探测器组件140。
在图1A中，第二分光器130，例如漫射器或投影仪，可位于所述第二光路162中的O点，或换句话说，O点可为所述第二光线172的光发射端口。O点与所述目标物体150之间的所述第二光路162可为空气。因此，假设所述光电探测器组件140非常靠近所述发射点O，并且所述目标物体位于距发射点O的初始距离为R的位置上并且以相对速度v移动，则所述反射信号光174可以表示为：
其中，τ＝2(R+vt)/c＝2[R+v(nT+ts)]/c是所述发射信号光172的发射时刻与所述光电探测器组件140接收所述反射信号光174的时刻之间的时延。
图2A示出了根据本申请的实施例的光电探测器组件140的结构。所述光电探测器组件140可以是在接收表面S上的光电传感器，用于接收所述反射信号光174。所述光电探测器组件140可以包括衬底210、光输入端口E、多个光电探测单元220、多个光波导230和多个电子输出端口240。
所述衬底210可以是晶片。所述晶片可以由半导体材料制成，例如，一片单晶硅。或者，所述晶片也可以采用其他类型的材料制成，例如，玻璃和/或聚合物等。此外，所述衬底210可以包括接收表面S，用于接收所述反射信号光174。根据一些实施例，所述接收表面S可以是所述晶片的裸露表面或沉积在所述晶片上的一层其他材料。例如，所述接收表面S可以是一层SiO2、一层多晶硅或其他合适的材料。
所述光输入端口E可以设置在所述接收表面S上并且用于接收所述本振光173。为此，所述光输入端口E可以用于通过所述多个波导230连接到所述第三光路163。例如，如果所述第三光路163是光纤，则所述光输入端口E可以是光耦合器，用于将所述第三光路163和所述多个波导230耦合在一起。
所述多个光波导230可以位于所述接收表面S上，用于连接所述光输入端口E和所述多个光电探测器单元220中的每一个光电探测器单元。例如，所述多个波导230可以完全或部分设置于所述接收表面S上。或者，所述多个波导230可以是直接或间接安装在所述接收表面S上的独立元件。所述多个波导230可以是能够引导所述本振光173的任何形式波导，例如，平板波导和光纤等。
图2B示出了设置在所述接收表面上的平板光波导230的结构。所述波导230可以包括设置在所述接收表面S上的第一包覆层231、设置在所述第一包覆层231上的第二包覆层232、以及设置在所述第一包覆层231和所述第二包覆层232之间的芯层233。为所述第一包覆层231，所述第二包覆层232和所述芯层233选择适当的折射率，以便入射到所述芯层233的所述本振光173可以在所述芯层233和所述第一包覆层231之间的界面以及所述芯层233和所述第二包覆层232之间的界面实现理想的反射，从而使得所述本振光173可以沿着所述芯层传播。另一方面，通过仔细选择所述芯层的折射率，对所述波导的光学长度可以进行控制。
所述多个光电探测单元220可以设置在所述接收表面S上，用于接收和探测所述反射信号光174。在一些实施例中，所述多个光电探测单元220可以排列成M×N阵列，其中M和N是大于1的整数。图2A示出了呈2×2阵列的光电探测单元220，标记为a、b、c和d。然而，本领域的普通技术人员应理解M×N阵列大小可以为任意值。此外，可以使用光电技术(例如，磷化铟、InGaAs等)和/或集成电路技术(例如，CMOS工艺)制造多个毫米级、微米级或纳米级的光电探测单元220，以便所述多个光电探测单元220中的每一个光电探测单元可以是设置所述衬底上的类像素尺寸的探测器，即每个光电探测单元具有像素级尺寸。像素的典型尺寸介于亚微米到几十微米之间。相应地，每个光电探测单元的尺寸可以是以下尺寸中的任何一个尺寸或介于以下两种尺寸之间的任何尺寸：0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm和50μm。相应地，即使所述发射信号光172的单个脉冲也足以收集整个视场中的目标物体信息。
所述M×N阵列中的每个光电探测单元220可以用于提取关于所述目标物体150的信息，例如关于所述目标物体相对于所述系统100的距离和速度的信息。为此，所述多个光电探测单元220中的每一个光电探测单元可以用于接收所述反射信号光174和所述本振光173，其中所述反射信号光174和所述本振光173是相干光。仅用于说明目的，在本申请中，每个光电探测单元220可以包括平衡式光电探测器，用于提取所述目标物体的相对速度和距离。
图2C示出了用于接收所述相干的反射信号光174和本振光172的平衡式光电探测器单元220的示意图。所述平衡式光电探测器单元220可应用于图2A所示的所述光电探测单元c。显然，所述平衡式光电探测器单元220也可以是图2A中所示的其他单元，例如，单元a、单元b和单元d。所述平衡式光电探测器单元c可以包括光输入接口C、第一光输出接口D、第二光输出接口D'、光耦合单元和光电单元。
所述光耦合单元可以包括第一输入光波导311、第二输入光波导312、光耦合器320、第一输出光波导331和第二输出光波导332。所述光电单元可以包括第一光电探测器351、第二光电探测器352、电流汇流器360和输出端口370。
所述第一输入光波导311和所述第二输入光波导312为两个输入光波导；和所述第一输出光波导331和所述第二输出光波导332为两个输出光波导。所述四个波导311、312、331和332可以是固态光波导，分别设置在接收表面S上，并具有如图2B中所示的结构。
所述第一输入波导311可以连接到所述第一光输入接口C，所述第一光输入接口C可以设置于所述接收表面S上并且用于接收所述本振光173。为此，所述第一光输入接口C可以用于连接到所述光路230c。例如，所述第一光输入接口C可以是光耦合器，用于连接所述光路230c和所述第一输入波导331。所述光输入接口C也可以是融合点/接口，用于将所述光路230c和所述第一输入波导331融合在一起。相应地，所述输入端口C处的所述本振光173可以表示为：
其中，
可能是由于E点和C点之间的光学长度引起的相移。
所述第二输入波导312可以连接到所述第二光输入接口C'，所述第二光输入接口C'可以设置于所述接收表面S上并且用于接收所述反射信号光174。例如，所述第二光输入接口C'可以是光接收孔。所述光接收孔C'可以是所述第二输入光波导312(例如，光纤)的终端，其中，所述反射的信号光174可以直接入射到所述第二输入光波导312中。所述光接收孔C'也可以是连接到所述第二输入光波导312的微型光学透镜410，如图2D所示。在这种情况下，所述反射信号光174可以直接入射到所述微型光学透镜中，所述微型光学透镜可以将所述反射信号光174聚焦到所述第二输入光波导312(或所述光耦合单元)。如上所述，所述光接收孔C'处的所述反射信号光174可表示为：
所述光耦合器320可以是设置于所述接收表面S上的2×2耦合器并且包括输入侧和输出侧。在所述输入侧，所述光耦合器320可以连接到所述第一输入光波导311和所述第二输入光波导312，从而分别接收所述本振光173和所述反射信号光174。在所述输出侧，所述光耦合器320可以连接到所述第一输出光波导331和所述第二输出光波导332。所述光耦合器320可以用作功率分束器，用于拆分所述本振光173，并将拆分后的所述本振光分别发送到所述第一输出光波导331和所述第二输出光波导332。类似地，所述光耦合器320可以拆分所述反射信号光174并将拆分后的所述信号光分别发送到所述第二输出光波导332。
此外，所述光耦合器320可以是3dB耦合器，其在其输出时将两个输入光按50％:50％拆分。对于3dB光耦合器320，其可以接收所述反射信号光174和所述本振光173，并用作功率分束器。所述反射信号光174可以被分成2个光束，并且可以将每个光束发送到所述2个输出波导331和332中的一个。所述本振光173可以被分成2个光束，并且可以将每个光束发送到所述2个输出波导331和332中的一个。然后，源自所述反射信号光174的光束和上述光束分别在所述输出波导331和332中相互干涉。所述第一输出波导331中的所述干涉光可以是所述第一干涉光341，所述第二输出波导332中的所述干涉光可以是所述第二干涉光342。所述光耦合器320中的干涉可以表示为：
其中，E1是所述第一干涉光341，E2是所述第二干涉光342，并且Ψ是由于所述光耦合器320引起的相移。
然后，所述第一干涉光341和第二干涉光可以通过光电单元转换为电流。如上所述，所述光电单元可以包括所述第一光电探测器351、所述第二光电探测器352、所述电流汇流器360和所述输出端口370。所述第一光电探测器351和所述第二光电探测器352可以分别连接到所述电流汇流器360，以用作两个输入端。所述输出端口370还可以连接到所述电流汇流器360，以用作输出端。
所述第一干涉光341可以从所述第一光输出接口D输出并被所述第一光电探测器351探测到(或输入至所述第一光电探测器)，从而产生第一电流；且所述第二干涉光342可以从所述第二光输出接口D’输出并被所述第二光电探测器352探测到(或输入至所述第二光电探测器)，从而产生第二电流。例如，所述第一光电探测器351和所述第二光电探测器352可以分别是光电二极管。或者，所述第一光电探测器251和所述第二光电探测器可以分别为其他类型的光电传感器。
然后，可以将所述第一电流I1和所述第二电流I2输入到所述电流汇流器中，从而生成输出电流I0，该输出电流可以随后输出到所述输出端口370，用作电子输出信号。所述电流汇流器可以是能够将两个或更多电流汇集在一起的任何类型的电子设备。例如，所述电流汇流器可以是放大器360，用于产生输出电流I0。滤除高阶项后，所述输出电流I0可表示为：
I0＝A(I1-I2)＝2AP cos[(ωS-ωL)ts+φS-φl]，
其中，A是所述放大器的放大率，P是根据所述第一电流I1和所述第二电流I2产生的电流的总功率。
将τ＝2(R+vt)/c＝2[R+v(nT+ts)]/c代回所述输出电流I0，并忽略高阶项和相对较小的项，则所述输出电流I0可以进一步简化为：
其中，
是恒定相位项，因为R是所述目标物体的初始距离。
在一个调制周期内计算的信号频谱的主频谱分量可以称为拍频fb，其中
fb＝2αR/C。
所述拍频的推导可以基于快速傅里叶变换(FFT)算法，该算法可以有效地计算数字序列的离散傅里叶变换(DFT)。因此，通过针对一个信号周期应用所述FFT算法，所述拍频以及到所述目标的距离范围满足：
R＝fbc/2
另一方面，还存在与所述拍频相关的相位
该相位随扫描次数线性变化。所述相位的变化表明了信号频率在随后的数个周期内的变化情况。这种变化基于多普勒频移，所述多普勒频移是指由于两个物体出现相对运动而引起的频率变化。所述多普勒频移可用于确定所述运动物体的速度：
v＝fdc/2c
通过查看信号在n个连续周期(n个T)内的频谱，可以找到所述信号的所述多普勒频移。
此外，由于E点和C点之间的光学长度，所述本振光173另出现了一个相移
由于E点和C点之间的所述光学长度是和所述光电探测单元c相关的，所述光电探测单元可能与衬底210上的其他光电探测单元不相同，例如，单元a、b和d。
为了针对所述衬底210上的每个光电探测单元实现具有相同相位的本振光，所述至少一个光波导230中的每一个可以用于补偿相对于参考相位存在相位差的所述本振光173，其中，可以预先选择所述参考相位。例如，当所述光电探测单元c可用于确定所述参考相位时，可以调整所述衬底210上的其他光电探测单元中的每一个光电探测单元，从而接收其各自与所述光电探测单元c的本振光具有相同相位的本振光173。
为此，可通过设计具有相同光学长度的波导230来实现所述本振光的相位调整或补偿。例如，所述衬底210上同一行中的所述光电探测单元可以设计为连接到与具有相同物理长度和相同折射率的芯层的波导230。也可以通过针对每个光电探测单元仔细调整波导230的折射率来调整或补偿所述本振光173的相位。例如，因为波导230a的长度比波导230d的长度长，所以波导230a中的所述芯层的折射率可以被调整为低于所述波导230d中的芯层的所述折射率，从而所述波导230a中的所述实际光学长度与所述波导230d中的所述实际光学长度相同。
此外，还可以在所述波导230中设置位于所述衬底210的接收表面S的移相单元，从而实现本振光的相位调整或补偿，以便在所述本振光173到达每个光电探测单元220时对所述本振光173单独移动相位
综上所述，本申请公开了一种可以实现为FMCW闪光激光雷达的光电系统。为解决传统激光雷达所存在的上述噪声大、探测距离短的问题，本申请中提供的系统采用FMCW技术进行探测。因此，本系统不易被噪声影响，并可用于长距离测量。此外，由于所述系统通过集成电路和/或光电技术(例如，磷化铟、InGaAs等)将像素级光电探测器集成在单个芯片中，因此所述系统可以通过单次激光发射即可收集视场中目标物体的距离和速度信息。此外，本申请中提供的所述系统是全固态的，与机械式激光雷达相比，可以集成更多的激光单元。由于激光雷达的数据速率(例如，数据传输速度)与单台激光雷达的激光单元数量和发射周期有关，因此单台激光雷达包含的激光单元越多，发射周期越短，数据速率就越高。因此，本申请中的所述系统可能具有比所述机械激光雷达更高的数据速率，因此可以比传统的TOF激光雷达更快地获取所述系统的周围环境的3D图像。
如上已描述了所述基本概念，本领域技术人员在阅读本申请详细内容后可以很清楚地获悉，提供前述本申请的详细内容的目的是仅作为示例而不非用作限制。尽管在此没有明确说明，可以对本申请进行各种变更、改进和修改，并且所述各种变更、改进和修改可由本领域技术人员进行。这些变更、改进和修改应基于本申请，并且在本申请的示例性实施例的精神和范围内。
此外，某些术语已用于描述本申请的实施例。例如，术语“一个实施例”、“一实施例”和/或“一些实施例”是指关于所述实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，需要强调并且应该理解，在本说明书的各个部分中对“一实施例”、“一个实施例”或“一个替代实施例”的两次或以上的引用不一定都是引用相同的实施例。此外，所述特定特征、结构或特性可以在本申请的一个或多个实施例中适当地组合。
此外，本领域技术人员将理解，本申请的各方面可以在许多可取得专利的类别或上下文中的任何一个中进行说明和描述，其中，所述可申请为专利的类别或上下文包括任何新的和有用的过程、机器、产品或物质的组合，或其任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各方面可以仅采用硬件、仅采用软件(包括固件、常驻软件、微代码等)或采用结合软件和硬件的实现方式来实现，这些实现形式在本文中通常可能都称为“块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可以采用计算机程序产品的形式，具体在一个或多个计算机可读介质中实现，所述一个或多个计算机可读介质中包括实现的计算机可读程序代码。
此外，所列举的处理元件或序列的顺序，或对应所使用的数字、字母或其他名称，并非用于将要求保护的过程和方法限定于任何顺序，除非权利要求中进行了指定。尽管上述公开中通过各种示例描述了当前据信是本申请的各种有用实施例的内容，但应理解，此类细节仅用于描述目的，并且所附权利要求不限于所公开的实施例，而是旨在包含在所公开的实施例的精神和范围内的修改和等效设置。例如，虽然上述各种组件可以实现在硬件设备中，但也可以实现为仅含软件的解决方案——例如，将所述软件安装在现有服务器或移动设备上。
类似地，应当理解，在本申请的实施例的上述描述中，为了梳理本申请从而便于理解一个或多个所述各项实施例，有时将各种特征在单个实施例、附图或其叙述中组合在一起进行描述。然而，不应认为该公开方式反映了所要求保护的主题有意主张超出每个权利要求中明确列举的特征之外的更多特征。相反，所要求保护的主题可能并不涵盖上述单个公开的实施例中的全部特征。
Claims (20)
1.一种光电系统，其特征在于，包括：
衬底；
至少一个光电探测单元，至少部分地设置于衬底上用于探测信号光；
至少一个光波导，至少部分地设置于衬底上，所述至少一个光波导中的每一个光波导连接至所述至少一个光电探测单元中的一个光电探测单元，以输入本振光；和
至少一个电子输出端口，连接到至少一个光电探测单元，以传输所述至少一个光电探测单元发出的至少一个电子输出信号，其中所述至少一个电子输出信号与所述信号光和所述本振光相关联。
2.根据权利要求1所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光电探测单元中的每一个光电探测单元都是通过光电技术(例如，磷化铟、InGaAs等)或集成电路技术中的至少一种来生产的。
3.根据权利要求1所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光电探测单元中的每一个光电探测单元包括至少一个平衡式光电探测器。
4.根据权利要求3所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个平衡式光电探测器包括：
第一光输入接口，设置于所述衬底上并连接至所述光波导，以从所述光波导接收所述本振光；
第二光输入接口，设置于所述衬底上，以接收所述信号光；
光耦合单元，设置于所述衬底上，连接至所述第一光输入接口与所述第二光输入接口，其中，所述光耦合单元耦合所述本振光和所述信号光以产生第一干涉光与第二干涉光；
第一光输出接口，连接至所述光耦合单元，以输出所述第一干涉光；和
第二光输出接口，连接至所述光耦合单元，以输出所述第二干涉光。
5.根据权利要求4所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个平衡式光电探测器还包括：
第一光电探测器，用于接收所述第一干涉光并将所述第一干涉光转换为第一电流；
第二光电探测器，用于接收所述第二干涉光并将所述第二干涉光转换为第二电流；和
电流汇流器，连接至：
所述第一光电探测器，从而接收所述第一电流；
所述第二光电探测器，从而接收所述第二电流；和
所述至少一个电子输出端口中的一个电子输出端口；
其中，各所述电流汇流器合并所述第一电流和所述第二电流，以形成所述至少一个电子输出信号。
6.根据权利要求5所述的光电系统，其特征在于，所述电流汇流器包括至少一个放大器。
7.根据权利要求4所述的光电系统，其特征在于，所述第二光输入接口包括至少一个微型光学透镜，用于将所述信号光聚焦至所述光耦合单元。
8.根据权利要求1所述的光电系统，其特征在于，所述本振光与所述信号光相干。
9.根据权利要求8所述的光电系统，其特征在于，所述本振光包括调制光波。
10.根据权利要求9所述的光电系统，其特征在于，所述调制光波为调频连续波。
11.根据权利要求9所述的光电系统，其特征在于，所述调制光波是调幅连续波或调相连续波中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光波导中的每一个光波导用于补偿相对于参考相位存在相位差的所述本振光。
13.根据权利要求12所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光波导包括移相单元，用于补偿相对于所述参考相位存在相位差的所述本振光。
14.根据权利要求12所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光波导通过光路长度补偿来补偿存在所述相位差的所述本振光。
15.根据权利要求12所述的光电系统，其特征在于，所述至少一个光波导用于通过折射率补偿来补偿存在所述相位差的所述本振光。
16.根据权利要求1所述的光电系统，其特征在于，还包括：
发射源光的光源。
17.根据权利要求16所述的光电系统，其特征在于，还包括分束器，用于接收所述源光并将所述源光分成发射信号光和所述本振光。
18.根据权利要求17所述的光电系统，其特征在于，所述信号光是目标物体反射回的所述发射信号光。
19.根据权利要求17所述的光电系统，其特征在于，还包括：
光发射端口，用于发射所述发射信号光。
20.根据权利要求17所述的光电系统，其特征在于，所述光发射端口包括漫射器，用于接收所述发射光束并将所述发射光束漫射到目标物体。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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